CN111145920B - 包含SiC纤维的管状体及其制造方法 - Google Patents

包含SiC纤维的管状体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供包含SiC纤维并具有高导热率的管状体及其制造方法。提供形成为管状并由SiC材料制成的第一SiC层、沿第一SiC层的外周在一个方向上形成螺旋的第一凹槽、由沿第一凹槽缠绕的多根SiC纤维制成的第一SiC纤维层、由在不同于所述一个方向的方向上缠绕在所述第一SiC纤维层的外侧的多根SiC纤维制成的第二SiC纤维层，和由SiC材料制成并覆盖第一SiC层、第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的第二SiC层。第一SiC纤维层和第二SiC纤维层在第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的相交处彼此间隔开。

Description

包含SiC纤维的管状体及其制造方法
技术领域
本发明涉及包含SiC纤维的管状体及其制造方法。
背景技术
已经提出了SiC(碳化硅)作为用于在需要高耐久性的特殊环境和极端环境中、例如在核电和航空航天领域中使用的管状体的材料。SiC材料具有出色的耐热性和化学稳定性，它们具有高导热性和机械强度，它们重量轻并且它们具有良好的中子经济性和低的与高温水的反应性。由于这些原因，期望例如通过使用包含基于SiC的材料的管状体作为核燃料包壳管(覆层管)来获得比常规锆合金(锆合金)更安全和更有效的核燃料包壳管。
为了提高抗扭曲性等，已经提出了由包含SiC纤维的复合材料形成的管状体。在专利文献1中描述的管状体中，织造其中捆束有多根SiC纤维的纱线以形成聚集体。将SiC前体施加到组装的聚集体，然后进行烧制以形成SiC层。使形成的SiC层进一步经受化学气相沉积(以下称为CVD方法)以形成CVD-SiC层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1JP-A-2016-16603
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，专利文献1的管状体包括第一纱线和第二纱线。将第一纱线和第二纱线在彼此之下和之上(上下彼此)交替地组装(参见专利文献1的图3)。当如上所述将纱线在彼此之下和之上交替地组装时，在纱线彼此交叠的区域中，纱线彼此紧密接触。如果纱线彼此紧密接触，则SiC材料可无法充分填充在形成纱线的SiC纤维之间。如果SiC前体未充分地填充，则残留许多空隙，导热性变差，以及管状体的能量效率降低。
为了解决上述问题而进行本发明，并且本发明的目的是提供包含具有高导热率的SiC纤维的管状体及其制造方法。
用于解决问题的手段
作为用于解决上述问题的第一方面，包含SiC纤维的管状体包括由SiC材料制成并形成为管状的第一SiC层、沿第一SiC层的外周在一个方向上形成螺旋(螺旋成螺旋形)的第一凹槽、包含沿第一凹槽缠绕的多根SiC纤维的第一SiC纤维层、包含在不同于所述一个方向的方向上缠绕在第一SiC纤维层的外侧的多根SiC纤维的第二SiC纤维层，和由SiC材料制成并覆盖第一SiC层、第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的第二SiC层。第一SiC纤维层和第二SiC纤维层在第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的相交处彼此间隔开。管状的横截面可以是圆形或多边形的。
在该方面，沿着第一凹槽设置第一SiC纤维层。因此，可控制SiC纤维束的缠绕，使得可抑制第一SiC纤维层相对于管状体的位置和厚度上的变化。结果，根据第一SiC纤维层的位置和厚度，容易将位于第一SiC纤维层的外侧的第二SiC纤维层与第一SiC纤维层间隔开。因此，第一SiC纤维层和第二SiC纤维层不紧密地相互接触，并且当形成第二SiC层时，形成第二SiC层的SiC容易填充在第一SiC纤维层和第二SiC纤维层之间。结果，可防止空隙残留在SiC纤维之间，并且可提供包含具有较高导热率的SiC纤维的管状体。另外，在用于管状体的SiC材料中使用包含SiC纤维的单片式(整体式)SiC可防止SiC复合材料的脆性断裂，并且提供没有连续的非灾难性(非毁灭性)断裂的管状体，该连续的非灾难性断裂可发生在仅由单片式SiC制成的管状体中。即，可提供具有增强的组合效果的管状体。
在第二方面中，第一SiC纤维层的厚度可小于第一凹槽的深度，并且第一凹槽的边缘部分可由弯曲表面形成。
在该方面，第一SiC纤维层的厚度小于第一凹槽的深度，从而第一SiC纤维层和第二SiC纤维层可被可靠地彼此隔开。当将SiC纤维缠绕在第一凹槽中时，可防止SiC纤维被第一凹槽的边缘部分卡住。结果，可更可靠地保持第一SiC纤维层和第二SiC纤维层彼此间隔开。
在第三方面中，第二凹槽可沿着第一SiC层的外周在与所述一个方向不同的方向上并且以比第一凹槽的深度浅的深度形成螺旋，以及第二SiC纤维层可由沿第二凹槽缠绕的多根SiC纤维形成。
在该方面，除了第一凹槽之外，还可设置具有比第一凹槽的深度浅的深度的第二凹槽。这使得可控制两个SiC纤维的束的缠绕。结果，可以可靠地保持第一SiC纤维层和第二SiC纤维层彼此间隔开。
在第四方面，第一SiC层可为烧结的SiC。SiC在烧结之前易于以固态加工。通过在烧结之前加工并形成第一凹槽，可降低形成第一凹槽的制造成本。结果，可提供包含具有高导热率的SiC纤维的低成本管状体。
第五方面可用作制造上述包含SiC纤维的管状体的方法。
在第五方面中，用于制造包含SiC纤维的管状体的方法可包括：将SiC材料形成为管状并且沿着该管状螺旋地形成第一凹槽的步骤，沿着所述第一凹槽形成包含多根SiC纤维的第一SiC纤维层的步骤，在所述第一SiC纤维层的外侧形成与所述第一SiC层间隔开的第二SiC纤维层的步骤，和形成覆盖第一SiC层、第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的第二SiC层的步骤。
在该方面，第一SiC纤维层由沿着第一凹槽的SiC纤维形成。第二SiC纤维层形成为与第一SiC纤维层间隔开。第二SiC层填充分隔第一SiC纤维层和第二SiC纤维层的间隙，并覆盖第一SiC层、第一SiC纤维层和第二SiC纤维层。这可防止许多空隙残留在SiC纤维之间。结果，可提供制造包含具有高导热率的SiC纤维的管状体的方法。
附图说明
图1是示出包含SiC纤维的管状体的结构的透视图。
图2是包含SiC纤维的管状体的沿截面A-A截取的截面图。
图3是根据本发明的第一SiC层的侧视图以及第一凹槽和第二凹槽的放大图。
图4是示出根据本发明的包含SiC纤维的管状体的制造过程的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施方式。
(1)总体结构
图1是示出包含SiC纤维的管状体1的结构的透视图。图2是包含SiC纤维的管状体的沿线A-A截取的截面图。图2的A-A截面是第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6(将在稍后描述)彼此相交的截面。如图1和2所示，管状体1包括第一SiC层2、多个第一凹槽3和沿着第一SiC层2的外周设置的多个第二凹槽4(参见图1中的虚线)、由沿着第一凹槽3设置的多根SiC纤维Y制成的第一SiC纤维层5、包含沿着第二凹槽4设置的多根SiC纤维Y的第二SiC纤维层6、和第二SiC层7。在本实施方式中，如果管状体1为核燃料包壳管，则第一SiC层2的厚度与第二SiC层7的厚度之和约为1mm。
图3是第一SiC层2的侧视图。图3的放大图是第一凹槽3之一和第二凹槽4之一的放大图。如图3所示，第一SiC层2是由SiC制成的管状体。第一SiC层的厚度为例如约500μm。在本实施方式中，第一SiC层2由具有优异的加工性的烧结SiC材料形成。
第一凹槽3和第二凹槽4设置在第一SiC层2的外周上。具有深度T1的第一凹槽3沿着管状的外周以均匀宽度从第一SiC层2的一端到另一端在一个方向上(在本实施方式中为顺时针)形成螺旋。在第一凹槽3中，通过捆束多根SiC纤维Y而形成的纱线(股线)N1沿着第一凹槽3缠绕以形成第一SiC纤维层5。作为说明，纱线N1的厚度可在50μm和200μm之间，而第一凹槽3的深度T1可在300μm的量级上，其大于纱线N1的厚度。第一凹槽3的边缘部分设有倒角(倒圆角)8以防止在缠绕SiC纤维时SiC纤维在边缘部分中被卡住。
第二凹槽4形成为具有比第一凹槽3的深度T1浅的深度T2，并且它们以均匀宽度在与第一凹槽3的方向不同的方向上(在本实施方式中为逆时针方向)从第一SiC层2的一端到另一端形成螺旋。在第二凹槽4中，通过捆束多根SiC纤维Y而形成的纱线(股线)N2沿第二凹槽4缠绕以形成第二SiC纤维层6。与第一凹槽3一样，第二凹槽4的边缘部分设有倒角8以防止在缠绕SiC纤维时SiC纤维被边缘部分卡住。
第二凹槽4的深度T2被设定成使得当纱线N1缠绕在第一凹槽3中时第二凹槽4的底部不与纱线N1的表面接触。例如，如果第一凹槽3的深度为300μm并且纱线N1的厚度为100μm，于是如果使深度T2为100μm，则第二凹槽4的底部与缠绕在第一凹槽3中的纱线N1的表面之间的距离变为100μm，并且第二凹槽4的底部与缠绕在第一凹槽3中的纱线N1的表面彼此间隔开。因此，在将第二凹槽4的底部设定为不接触缠绕在第一凹槽3中的纱线N1的表面的情况下，在纱线N1和纱线N2的交叉点处，在纱线N1和纱线N2之间存在间隙(参见图2)。通过用形成第二SiC层7的SiC材料填充该间隙，可使第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6彼此间隔开地形成，这将在后面描述。另外，由于SiC材料填充在间隙中，因而SiC材料也填充在形成纱线N1和纱线N2的多根SiC纤维之间，并且可防止大量的空隙残留在SiC纤维之间。第一凹槽3和第二凹槽4的形状不限于上述形状，并且例如，第一凹槽3和第二凹槽4的宽度可彼此不同或者可为不均匀的。也就是说，如下是足够的：第一凹槽3的深度T1比第二凹槽4的深度T2深。
第二SiC层7覆盖第一SiC层2、第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6。在本实施方式中，第二SiC层7是由在其上通过CVD方法形成SiC膜的CVD-SiC材料制成的层。然而，本发明不限于此，并且可通过多种方法例如MI(熔体渗透)方法、PIP法(聚合物渗透和热解)工艺、CVI(化学气相渗透)方法或PVD(物理气相沉积)方法来形成SiC膜。第二SiC层7的厚度例如为约500μm。
(2)制造方法
图4是示出本实施方式中的包含SiC纤维的管状体的制造步骤的图。首先，在步骤1中通过挤出成型制造成为管状的烧结SiC基础材料的坯体(生坯)。然后，在步骤2和3中切割成型的坯体以形成第一凹槽3和第二凹槽4。第一凹槽3和第二凹槽4可在挤出成型期间同时形成。
接下来，将其中形成有第一凹槽3和第二凹槽4的坯体在惰性气氛中在2200℃下烧结以形成第一SiC层2(步骤4)。然后，将通过捆束多根SiC纤维Y而形成的纱线N1沿着第一凹槽3缠绕，从而形成第一SiC纤维层5(步骤5)。
接下来，任选地通过CVD方法在纱线N1缠绕于其上的第一SiC层2上形成第一SiC膜。然后，如果需要，通过切割等来调整外形(外部形状)。可在调整外形时形成第二凹槽4(步骤6)。
接着，将通过捆束多根SiC纤维Y而形成的纱线N2沿着第二凹槽4缠绕以形成第二SiC纤维层6(步骤7)。然后，通过CVD方法在纱线N2围绕其缠绕的第一SiC层2的整个外表面上形成第二SiC膜，以形成第二SiC层7(步骤8)。然后，通过机械加工(切割、切断(截断)等)来调整管状体的外形(直径、长度等)(步骤9)。最后，将管状体进行研磨、抛光、斜切和清洁(步骤10)。
(3)变型
不用说，本发明的实施方式不限于上述实施例，并且可采用各种形式，只要它们落入本发明的技术范围内即可。
例如，尽管在以上实施方式中已经描述了第二凹槽4，但是不需要设置第二凹槽4。也就是说，在沿着第一凹槽3缠绕纱线N1之后，可形成第一SiC膜并且可调整SiC膜的外形，然后可将纱线N2围绕第一SiC层2的外周缠绕。这消除了切割第二凹槽4的需要。结果，可以较低的成本提供包含SiC纤维的管状体。
在上述实施方式中，已经描述了制造具有两个SiC纤维层的管状体的方法，但是也可形成三个或更多个SiC纤维层。通过以这种方式叠加SiC纤维层，可提高管状体的强度。
在以上实施方式中，已经作为核燃料包壳管使用多种数值描述了管状体1，但是本发明不限于此。本发明可用于除核包壳以外的管状体应用。另外，适当时，管状体可具有不同于在本实施方式中使用的数值的数值。
在上述实施方式中，在形成第一SiC纤维层5之后，然后形成第一SiC膜，形成第二SiC纤维层6，然后形成第二SiC膜(即第二SiC层7)，但本发明不限于此。可在形成第一SiC纤维层5的同时形成第二SiC纤维层6，然后可形成单个SiC膜以产生第二SiC层7。即使在这样的情况下，第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6也没有紧密地相互接触，并且在形成第二SiC层时，形成第二SiC层7的SiC容易地填充在第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6之间。
(4)效果
采用这样的构造，可通过第一凹槽3和第二凹槽4控制纱线N1和纱线N2的位置。结果，在纱线N1和纱线N2彼此交叉的地方在纱线N1和纱线N2之间形成间隙，并且该间隙被SiC材料填充以形成第二SiC层7。也就是说，第一SiC纤维层5和第二SiC纤维层6可在它们之间设有间隔。因此，SiC材料可容易地填充在形成纱线N1和纱线N2的多根SiC纤维Y之间的间隙，并且可防止大量的空隙残留在SiC纤维之间。结果，可提供制造包含具有高导热率的SiC纤维的管状体的方法。
附图标记说明
1 包含SiC纤维的管状体
2 第一SiC层
3 第一凹槽
4 第二凹槽
5 第一SiC纤维层
6 第二SiC纤维层
7 第二SiC层
8 倒角(弯曲表面)

Claims (5)

1.包含SiC纤维的管状体，包括：
由SiC材料制成并形成为管状的第一SiC层；
沿所述第一SiC层的外周在一个方向上形成螺旋的第一凹槽；
包含沿所述第一凹槽缠绕的多根SiC纤维的第一SiC纤维层；
包含在不同于所述一个方向的方向上缠绕在所述第一SiC纤维层的外侧的多根SiC纤维的第二SiC纤维层；和
覆盖所述第一SiC层、所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层的SiC材料的第二SiC层，
其中所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层在所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层的相交处彼此间隔开，以及
其中所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层在它们之间设有间隔。
2.根据权利要求1所述的包含SiC纤维的管状体，其中：
所述第一SiC纤维层的厚度小于所述第一凹槽的深度，并且所述第一凹槽的边缘部分形成有弯曲表面。
3.根据权利要求1或2所述的包含SiC纤维的管状体，进一步包括：
第二凹槽，其沿着所述第一SiC层的外周在不同于所述一个方向的方向上形成螺旋并且具有比所述第一凹槽的深度浅的深度，
包含沿所述第二凹槽缠绕的多根SiC纤维的第二SiC纤维层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的管状体，其中所述第一SiC层是烧结SiC。
5.用于制造包含SiC纤维的管状体的方法，包括：
形成由SiC材料的管状制成的第一SiC层，并且沿着该管状的第一SiC层的外侧形成具有螺旋形状的第一凹槽的步骤；
沿着所述第一凹槽形成包含多根SiC纤维的第一SiC纤维层的步骤；
在所述第一SiC纤维层的外侧形成与所述第一SiC层间隔开的第二SiC纤维层的步骤；和
形成覆盖所述第一SiC层、所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层的第二SiC层的步骤，
其中所述第一SiC纤维层和所述第二SiC纤维层在它们之间设有间隔。
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