CN107170502B - 一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，该方法先制作复合材料中间层管件，然后沉积内层整体层和外层保护层，最后将多段短碳化硅陶瓷管焊接得到核燃料碳化硅陶瓷包壳管。与现有技术相比，本发明具有尺寸一致性好、机械强度高和直线度好和制备效率高等优点。

Description

一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法
技术领域
本发明涉及属于耐事故核燃料应用领域，尤其是涉及一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法。
背景技术
相较于传统的锆合金核燃料包壳，碳化硅陶瓷包壳管在高温下能保持很好的强度和很好的抗辐照等性能。
国内外对碳化硅包壳管制备做了很多研究，如专利CN 101019193A和专利CN103818056B所描述的，先制作内层整体层，然后在内层整体层上包覆碳化硅纤维复合材料层，浸渍聚碳硅烷后直接进行致密化。该致密化过程在内层整体层和复合材料层间(特别是编织工艺)由于纤维搭接而产生密闭的孔隙，如图1所示，该孔隙干扰机械强度，使制品性能下降。
整体制备长的陶瓷管由于制件尺寸长、厚度薄，极易出现制件弯曲、断裂等现象，而直线度又是包壳管的重要技术指标之一。制备较长陶瓷包壳管时，由于管件长、直径小，管件内壁沉积很难沉积均匀，如图2所示，造成管壁厚度不一致。
中国专利CN105405474A公开了一种具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法，包括二层或三层的SiC基核燃料包壳管，将SiC基核燃料包壳管的内层作为次内层结构，在次内层的内部引入一层抗裂纹扩展层作为内层结构，形成三层或四层的SiC基核燃料包壳管；引入的内层结构材料模量要低于次内层SiC材料的模量的低模量的抗辐照材料。该专利制备包壳管件为先进行内层、次内层再到次外层、外层的制备，由内至外逐层制备。而本专利先进行中间层的制备，再内层外层同时制备，工序比该专利少了，相比较制备效率明显提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种尺寸一致性好、机械强度高和直线度好的核燃料碳化硅陶瓷包壳管制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，采用以下步骤：
(1)制作复合材料中间层管件：在合适直径模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件，进行致密化处理，并脱出模芯，得到短复合材料中间层管件；
(2)沉积内层整体层和外层保护层：在短复合材料中间层管件上通过CVD或CVI工艺沉积内层整体层和外层保护层，CVI工艺是两种气体在反应腔内渗透到包壳管预制件材料内部与表面进行反应沉积，CVD工艺是是两种气体在反应腔内在包壳管预制件材料表面进行反应沉积；
(3)管件焊接：将沉积好的数段碳化硅陶瓷管件放入夹具内进行焊接，得到足够长尺寸的碳化硅陶瓷包壳管。
步骤(1)中采用加压浸渍交联在模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件。
加压浸渍交联工艺是将缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化，模腔尺寸可以但不仅限于Φ9×1000mm，液态聚碳硅烷可以但不仅限于1:1二甲苯溶解固态硅烷溶液，注射压力可以但不仅限于0.05Mpa，交联固化温度可以但不仅限于280℃。
步骤(1)中的致密化处理采用以下步骤：将带模芯的管件在氮气保护下，于1100-1300℃进行裂解，裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的短复合材料中间层管件。
步骤(2)中沉积内层整体层和外层保护层采用以下步骤：将短复合材料中间层管件放入沉积炉，在氩气的保护下，采用三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，氢气为载气，在900-1100℃但不仅限于下进行内外层沉积60-80h，得到碳化硅陶瓷管件。
与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明由于先制备了复合材料中间层，纤维搭接处的空隙可以由内外层的沉积而填满，解决了管件因层间密闭孔隙而造成强度下降的问题。
(2)本发明由于先制备短复合材料管件后进行焊接，解决了整体制备长包壳管件时易弯曲的问题，通过夹具的使用，使包壳管直线度能保持在技术要求以内。
(3)现有技术通过图2可看出，反应气体由包壳管下部往上进入，并在包壳管内进行反应，随着沉积过程对反应气体的消耗，包壳管越长，包壳管上端的气流密度越小，经过长时间沉积后，造成包壳管下端比上端厚。本发明的技术方案解决了长管件内壁沉积不均匀的问题，使包壳管各部分尺寸及性能达到一致，提升了包壳管的可靠性，
附图说明
图1为纤维搭接形成孔隙示意图；
图2为长管件内部沉积不均示意图；
图3为焊接成型示意图。
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
(1)制作缠绕或编织件：在短尺寸的模芯上进行碳化硅纤维缠绕或编织，进行沉积热解碳涂层但不仅限于热解碳涂层等纤维表面处理。实施例中模芯尺寸可以但不仅限于为Φ8×1000mm模芯，缠绕或编织厚度可以但不仅限于0.5mm。实施例中热解碳涂层厚度可以但不仅限于0.5微米。
(2)加压浸渍交联：将上述缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化。实施例中模腔尺寸可以但不仅限于Φ9×1000mm，液态聚碳硅烷可以但不仅限于1:1二甲苯溶解固态硅烷溶液，注射压力可以但不仅限于0.05Mpa，交联固化温度可以但不仅限于280℃。
(3)致密化处理：将带模芯的制件在氮气保护下，于1200℃左右进行裂解。裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的复合材料中间层。将中间复合材料层裁切至500mm左右，得到短复合材料中间层。
(4)内外层沉积：将复合材料中间层放入沉积炉，在氩气的保护下，采用三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，氢气为载气，在1100℃但不仅限于下进行内外层沉积60小时但不仅限于60小时，得到短陶瓷管件。
(5)焊接：其工艺如图3所示，将短陶瓷包壳管件放入夹具内，采用陶瓷焊接的方法，将短的陶瓷管焊接成需要的长度，一般为12英尺，得到碳化硅陶瓷包壳管。
实施例2
一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)制作复合材料中间层管件：采用加压浸渍交联在模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件，将缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化,模腔尺寸可以但不仅限于Φ9×400mm，液态聚碳硅烷为LPVCS也可以使用二甲苯1:1溶解固态硅烷溶液，注射压力为0.02Mpa，交联固化温度为250℃，然后进行致密化处理，将带模芯的管件在氮气保护下，于1100℃进行裂解，裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的短复合材料中间层管件，然后脱出模芯，得到短复合材料中间层管件；
(2)沉积内层整体层和外层保护层：在短复合材料中间层管件上通过CVD工艺沉积内层整体层和外层保护层；
(3)管件焊接：将沉积好的数段碳化硅陶瓷管件放入夹具内进行焊接，得到足够长尺寸的碳化硅陶瓷包壳管，其结构如图3所示。
实施例3
一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)制作复合材料中间层管件：采用加压浸渍交联在模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件，将缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化，模腔尺寸Φ9×400mm，液态聚碳硅烷为LPVCS也可以使用二甲苯1:1溶解固态硅烷溶液，注射压力为0.1Mpa，交联固化温度为180℃。然后进行致密化处理，将带模芯的管件在氮气保护下，于1200℃进行裂解，裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的短复合材料中间层管件，然后脱出模芯，得到短复合材料中间层管件；
(2)沉积内层整体层和外层保护层：在短复合材料中间层管件上通过CVI工艺沉积内层整体层和外层保护层,将短复合材料中间层管件放入沉积炉，在氩气的保护下，采用三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，氢气为载气，在1050℃℃下进行内外层沉积80h，得到碳化硅陶瓷管件；
(3)管件焊接：将沉积好的数段碳化硅陶瓷管件放入夹具内进行焊接，得到足够长尺寸的碳化硅陶瓷包壳管。
实施例4
一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)制作复合材料中间层管件：采用加压浸渍交联在模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件，将缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化，然后进行致密化处理，将带模芯的管件在氮气保护下，于1300℃进行裂解，裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的短复合材料中间层管件，然后脱出模芯，得到短复合材料中间层管件；
(2)沉积内层整体层和外层保护层：在短复合材料中间层管件上通过CVI工艺沉积内层整体层和外层保护层,将短复合材料中间层管件放入沉积炉，在氩气的保护下，采用三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，氢气为载气，在1200℃下进行内外层沉积60h，得到碳化硅陶瓷管件；
(3)管件焊接：将沉积好的数段碳化硅陶瓷管件放入夹具内进行焊接，得到足够长尺寸的碳化硅陶瓷包壳管。
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 (5)

1.一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)制作复合材料中间层管件：在合适直径模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件，进行致密化处理，并脱出模芯，得到短复合材料中间层管件；
(2)沉积内层整体层和外层保护层：在短复合材料中间层管件上通过CVD或CVI工艺沉积内层整体层和外层保护层；
(3)管件焊接：将沉积好的数段碳化硅陶瓷管件放入夹具内进行焊接，得到足够长尺寸的碳化硅陶瓷包壳管。
2.根据权利要求1所述的一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用加压浸渍交联在模芯上制备碳化硅纤维陶瓷复合材料层管件。
3.根据权利要求2所述的一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，加压浸渍交联工艺是将缠绕或编织件放入密闭的模腔内，采用VRTM工艺真空辅助注射浸渍液态聚碳硅烷，并保持注射压力升温加热至交联温度进行交联固化。
4.根据权利要求1所述的一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的致密化处理采用以下步骤：将带模芯的管件在氮气保护下，于1100-1300℃进行裂解，裂解后采用PIP法反复浸渍裂解，至增重小于1％时停止致密化，将模芯抽出，得到致密化的短复合材料中间层管件。
5.根据权利要求1所述的一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管的制备方法，其特征在于，步骤(2)中沉积内层整体层和外层保护层采用以下步骤：将短复合材料中间层管件放入沉积炉，在氩气的保护下，采用三氯甲基硅烷(MTS)为原料气体，氢气为载气，在1050℃-1200℃下进行内外层沉积60h-80h，得到碳化硅陶瓷管件。
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