CN107021758B - 核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，所述的中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比大于1:1。与现有技术相比，按此铺层制备的碳化硅陶瓷包壳管既保有复合材料管件优异的强度和刚度，又能提高包壳管件的表面光洁度，还能减少复合材料层和内层整体层与外层保护层间的间隙，具有良好的抗辐照性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是涉及一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构。
背景技术
核用碳化硅陶瓷包壳具有优异的耐高温、耐辐照和耐腐蚀等性能。该技术是目前国内国际的研究重点。
在行业内普遍采用的3层结构复合材料包壳管如图1所示，包壳管由内层整体层1、中间复合材料层2、外层保护层3组成。包壳管的强度等物理性能主要由中间复合材料层提供，中间复合材料层的物理性能显得尤为重要。
目前行业内对于中间复合材料层主要采用编织或者螺旋缠绕等工艺制备，但就纤维复合材料来说，该工艺具有良好的轴向拉伸性能，但是环向静压爆破性能有所欠缺，而静压爆破性能也是燃料包壳管的重要考核性能之一。
编织和螺旋缠绕的特性决定了复合材料表面不可避免的产生纤维束与纤维束之间搭接而形成纤维架空等孔隙，在内层整体层上直接缠绕或编织更容易形成因纤维搭接架空而形成密闭的孔隙，使包壳管的性能降低，并且在复合材料层外层上易出现因纤维搭接而形成的孔洞。
发明内容
本发明的目的就是针对包壳管中间复合材料铺层中编织或螺旋缠绕工艺的架空现象和纤维体积分数相对较低的问题，提出核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，所述的中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比大于1:1。
作为优选的实施方式，中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比为2：1：1至3：1：1，该厚度比值有较高的轴向拉伸性能和可满足技术要求的环向强度。
所述的内层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，采用90°环向缠绕，缠绕层数为1层或多层。该环向缠绕工艺的特点是缠绕排列时纤维与纤维之间是通过拼接组合，而不是螺旋缠绕或编织工艺中得搭接组合，解决了编织或螺旋缠绕工艺中因纤维搭接而在复合材料层内层和包壳管内层整体层之间形成架空和密闭空隙的问题。
所述的内层环向层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2-5N。
所述的中间螺旋层采用螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度不大于45°，缠绕层数为1层或多层。本层的作用是利用螺旋层发挥纤维力的承载作用，提升复合材料层的轴向拉伸强度。小于45°的角度更有利于发挥铺层中纤维轴向方向力的传导作用，在相同的铺层厚度下，使包壳管件的轴向性能更高。
所述的中间螺旋层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，并设置缠绕角，可以但不仅限于37°，纤维缠绕张力控制为2-5N。
所述的外层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，采用90°环向缠绕，缠绕层数为1层或多层。该环向层主要有两个作用，一是增加复合材料层的环向强度，二是通过含有纤维张力的环向缠绕，压紧中间层纤维，使尺寸内纤维体积分数增加，提升复合材料强度。
所述的外层环向层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2-5N左右。
与现有技术相比，本发明采用的编织工艺和螺旋缠绕工艺所制备的复合材料纤维体积分数相比环向缠绕工艺低，因为环向缠绕对内层纤维施加的压紧力能使纤维包覆更密实，使纤维体积含量更大。按此铺层制备的碳化硅陶瓷包壳管既保有复合材料管件优异的强度和刚度，又能提高包壳管件的表面光洁度，还能减少复合材料层和内层整体层与外层保护层间的间隙，具有良好的抗辐照性能。
附图说明
图1为现有的复合材料包壳管的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
图中，1-内层整体层、2-中间复合材料层、3-外层保护层、4-内层环向层、5-中间螺旋层、6-外层环向层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
在直径为0.8mm的陶瓷或石墨管上进行内层整体层SIC层沉积，得到带芯模的内层整体层管件。
将沉积好内层整体层的管件在缠绕机上夹好，然后使用碳化硅纤维进行复合材料内层环向层缠绕，缠绕纱片宽设置为1.5mm，缠绕张力设置为10N，缠绕1层。缠绕后管件外径尺寸增加约为0.25mm。
在缠绕好的管件上进行复合材料中间螺旋层缠绕，缠绕角度设置为35℃，纱片宽设置为1.5mm，缠绕张力设置为10N，缠绕1层。缠绕后管件外径尺寸增加约为0.6mm。
在缠绕好螺旋层的管件上进行复合材料外层环向层缠绕，缠绕纱片宽设置为1.5mm，缠绕张力设置为10N，缠绕1层。由于外层纤维对中间层纤维的压紧作用，缠绕后管件外径尺寸几乎不增加。
将缠绕好的管件使用PIP工艺进行交联，然后进行陶瓷化致密化处理，得到致密化的陶瓷管件。
将致密化的管件进行外层保护层沉积，得到核燃料陶瓷包壳管。
实施例2
核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，其结构如图2所示，由内层环向层4、中间螺旋层5、外层环向层6的三层结构组成，中间螺旋层5的厚度与内层环向层4及外层环向层6的厚度比为2：1：1。
内层环向层4采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2N。中间螺旋层5采用螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为30°，采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，纤维缠绕张力控制为2N。外层环向层6采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2N。
实施例3
核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比为2：1：1。
内层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在3N，共缠绕3层。中间螺旋层采用螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为37°，采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，纤维缠绕张力控制为3N，共缠绕3层。外层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在3N，共缠绕3层。
实施例4
核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比为3：1：1。
内层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在5N，共缠绕5层。中间螺旋层采用螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为45°，采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，纤维缠绕张力控制为5N，共缠绕5层。外层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，利用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在5N，共缠绕5层。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (2)
1.核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，其特征在于，该铺层结构由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成；其中，
所述的内层环向层碳化硅纤维经环向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为90°，缠绕层数为1层或多层，纤维缠绕张力为2-5N；
所述的中间螺旋层采用碳化硅纤维经螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为30-45°，缠绕层数为1层或多层，纤维缠绕张力为2-5N；
所述的外层环向层采用碳化硅纤维经环向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度为90°，缠绕层数为1层或多层，纤维缠绕张力为2-5N；
所述的中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比为2:1:1至3:1:1。
2.根据权利要求1所述的核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，其特征在于，所述的中间螺旋层使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，并且缠绕角优选为37°。
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