CN113402289A - 碳化硅包壳感应加热连接方法及碳化硅包壳 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅包壳感应加热连接方法及碳化硅包壳，碳化硅包壳感应加热连接方法包括：S1、将连接材料和分散剂加入有机溶剂，经超声分散后形成混合浆料；S2、将混合浆料均匀涂抹在SiC端塞和/或SiC包壳管的连接面上，将SiC端塞和SiC包壳管以连接面相对配合形成连接结构；S3、在保护气氛下，将连接结构进行固化，混合浆料固化形成连接层；S4、将连接结构置于感应加热设备上进行感应加热，使连接层致密化，将SiC端塞与SiC包壳管致密连接，形成SiC包壳。本发明采用感应加热的方式实现端塞和包壳管的快速连接，极大地节省工作时间，提高连接效率；感应加热无需对高纯、不导电的SiC包壳管和端塞进行导电化处理，实现连接层单独加热，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种碳化硅包壳感应加热连接方法及碳化硅包壳。
背景技术
碳化硅(SiC)陶瓷作为一种核用陶瓷材料，非常有潜力应用于核能领域反应堆的包壳材料，从而弥补目前商业锆合金存在的不足。然而，对于SiC包壳的应用，因为其高熔点、低自扩散系数，SiC包壳的应用急需解决两端连接的问题。传统连接技术主要采用烧结炉进行连接，比如无压烧结炉、热压烧结炉、放电等离子烧结炉、马弗炉等。虽然采用电阻焊接技术可实现快速连接，但是无法应用于高纯、不导电SiC的电阻连接。对于核用领域SiC材料，通常需要其具备高纯度，即不导电，因此，急需开发一种不导电SiC的快速连接方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种无需对高纯、不导电的SiC包壳管和端塞进行导电化处理的碳化硅包壳感应加热连接方法及制得的碳化硅包壳。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化硅包壳感应加热连接方法，包括以下步骤：
S1、将连接材料和分散剂加入有机溶剂，经超声分散后形成混合浆料；
S2、将所述混合浆料均匀涂抹在SiC端塞和/或SiC包壳管的连接面上，将所述SiC端塞和SiC包壳管以连接面相对配合形成连接结构；
S3、在保护气氛下，将所述连接结构升温至100℃～300℃，保温0.1h-4h进行固化，所述SiC端塞和SiC包壳管之间的混合浆料固化形成连接层；
S4、将所述连接结构置于感应加热设备上进行感应加热，使所述连接层致密化，将所述SiC端塞与SiC包壳管致密连接，形成SiC包壳。
优选地，步骤S4中，感应加热的电源频率为50kHZ，电流为100A～1000A，时间为10s～60s。
优选地，步骤S1中，所述分散剂和所述连接材料的比例为0.1wt％～0.5wt％：99.9wt％～99.5wt％。
优选地，所述连接材料包括陶瓷粉体、金属粉体、玻璃粉体、前驱体和烧结助剂中至少一种；
所述连接材料中，玻璃粉体占玻璃粉体和陶瓷粉体总粉体质量的0～50％，金属粉体占陶瓷粉体、玻璃粉体和金属粉体总粉体质量的0～50％，前驱体占陶瓷粉体、玻璃粉体、金属粉体和前驱体总粉体质量的0～50％。
优选地，所述陶瓷粉体包括碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳氮化钛和氧化铝中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm；
所述金属粉体为Ti、Zr、Nb、Ta、Cr和Ni中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm；
所述玻璃粉体为SiO2-Y2O3-Al2O3、SiO2-Y2O3-MgO、CaO-Al2O3、CaO-Al2O3-SiO2中至少一种；
所述前驱体为聚碳硅烷、聚氧硅烷、聚硅氮烷中的至少一种，陶瓷产率为60wt％～85wt％。
优选地，所述烧结助剂在所述连接材料中的质量百分比为1％～10％。
优选地，所述烧结助剂为Al2O3-Re2O3，其中Re为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；
Al2O3和Re2O3的比例为1wt％～99wt％：99wt％～1wt％。
优选地，所述分散剂为油酸、硬脂酸、蓖麻油中至少一种；
所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯、聚乙二醇中至少一种。
优选地，步骤S3中，保护气氛为氮气、氩气或真空。
优选地，步骤S3中，所述连接层的电阻率为10-1Ω·cm～10Ω·cm。
优选地，步骤S4中，所述连接层的厚度为0.1μm～20μm，其在室温下剪切强度为60MPa～100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为80MPa～150MPa；所述SiC包壳的漏率为0～1×10-8Pa·m3/s。
本发明还提供一种碳化硅包壳，通过以上任一项所述的碳化硅包壳感应加热连接方法获得。
本发明的有益效果：采用感应加热的方式实现端塞和包壳管的快速连接，极大地节省了工作时间，提高连接效率；感应加热无需对高纯、不导电的SiC包壳管和端塞进行导电化处理，能实现中间连接层单独加热，不会对包壳内部的核燃料造成影响，提高了连接处的可靠性。
采用感应加热实现SiC包壳管的两端密封，可推动其替代传统锆合金，从而提高核电的安全性。
具体实施方式
本发明的碳化硅包壳感应加热连接方法，包括以下步骤：
S1、制备混合浆料。
混合浆料的制备方法如下：将连接材料和分散剂加入有机溶剂中，经超声分散均匀，形成混合浆料。
其中，连接材料和分散剂的比例为99.9wt％～99.5wt％：0.1wt％～0.5wt％。有机溶剂适量，根据混合浆料所需固含量加入对应量。
连接材料包括陶瓷粉体、金属粉体、玻璃粉体、前驱体和烧结助剂中至少一种。连接材料中，玻璃粉体占玻璃粉体和陶瓷粉体总粉体质量的0～50％，金属粉体占陶瓷粉体、玻璃粉体和金属粉体总粉体质量的0～50％，前驱体占陶瓷粉体、玻璃粉体、金属粉体和前驱体总粉体质量的0～50％。
作为选择，陶瓷粉体可为碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳氮化钛和氧化铝中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm，纯度为99～99.999％。玻璃粉体为SiO2-Y2O3-Al2O3(SiO2、Y2O3和Al2O3的混合粉体)、SiO2-Y2O3-MgO(SiO2、Y2O3和MgO的混合粉体)、CaO-Al2O3(CaO和Al2O3的混合粉体)、CaO-Al2O3-SiO2(CaO、Al2O3和SiO2的混合粉体)中至少一种。金属粉体为Ti、Zr、Nb、Ta、Cr和Ni中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm，纯度为99～99.999％。前驱体为聚碳硅烷、聚氧硅烷和聚硅氮烷中的至少一种，其陶瓷产率为60wt％～85wt％。
烧结助剂在连接材料中的质量百分比为1％～10％。
烧结助剂优选为Al2O3-Re2O3，Al2O3和Re2O3的比例为1wt％～99wt％：99wt％～1wt％。Re2O3中，Re为稀土元素，具体可为Sc(钪)、Y(钇)、La(镧)、Ce(铈)、Pr(镨)、Nd(钕)、Pm(钷)、Sm(钐)、Eu(铕)、Gd(钆)、Tb(铽)、Dy(镝)、Ho(钬)、Er(铒)、Tm(铥)、Yb(镱)或Lu(镥)。
分散剂为油酸、硬脂酸、蓖麻油中至少一种。
有机溶剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯、聚乙二醇中至少一种。
S2、将混合浆料均匀涂抹在SiC端塞和/或SiC包壳管的连接面上，将SiC端塞和SiC包壳管以连接面相对配合形成连接结构。
其中，可将混合浆料均匀涂抹在SiC端塞的连接面上，或者涂抹在SiC包壳管的连接面，然后以SiC端塞的连接面与SiC包壳管的连接面相对并配合在一起，形成连接结构。当然，也可以在SiC端塞的连接面和SiC包壳管的连接面上均涂抹混合浆料，再将两者以连接面相对并配合在一起，形成连接结构。
通常，SiC包壳包括SiC包壳管、分别配合在SiC包壳管相对两端上的两个SiC端塞。对应地，该步骤中，将两个SiC端塞分别配合在SiC包壳管的相对两端上，SiC端塞和SiC包壳管之间具有混合浆料。
S3、在保护气氛下，将连接结构升温至100℃～300℃，保温0.1h-4h进行固化，SiC端塞和SiC包壳管之间的混合浆料固化形成连接层。
保护气氛为氮气、氩气或真空。连接层的电阻率为10-1Ω·cm～10Ω·cm。
S4、将连接结构置于感应加热设备上进行感应加热，使连接层致密化，将SiC端塞与SiC包壳管致密连接，形成SiC包壳。
该感应加热同样处于保护气氛下，保护气氛为氮气、氩气或真空。在感应加热设备上，对连接结构施加适当的压力保持其整体性。
感应加热的电源频率为50kHZ，电流为100A～1000A，时间为10s～60s。
对于厚度为0.1μm～20μm的连接层，其在室温下剪切强度为60MPa～100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为80MPa～150MPa。
本发明的连接方法获得的SiC包壳的漏率为0～1×10-8Pa·m3/s。
本发明的SiC包壳在核辐照防护领域中的应用，应用于核反应堆中堆芯的防护，作为堆芯的第一道防护屏障，包括作为燃料芯块的包壳。
以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
以碳化硅粉体(粒径1μm，纯度99.99％)、CaO-Al2O3玻璃粉体作为连接材料，碳化硅与玻璃粉体的质量比为2：1，选用0.3wt％的蓖麻油作为分散剂，选用6wt％的Al2O3-Y2O3作为烧结助剂，其中Al2O3和Y2O3的质量比为3：3。将碳化硅粉体、玻璃粉体、分散剂和烧结助剂按照以上比例混合后，采用无水乙醇为溶剂，进行10min超声处理后，再加入二甲苯溶剂进行10min超声处理，制备得到混合浆料；
将混合浆料均匀涂抹在SiC端塞表面，将端塞-连接层-包壳管装配后放置于管式炉中进行固化处理，固化工艺为：在Ar保护气氛下，以5℃/min升温至200℃，然后在200℃保温2h，然后随炉冷却，得到固化后的SiC包壳与端塞连接件；测量固化后中间层的电阻率为1×10-1Ω·cm，将固化后连接件置于感应加热设备上，电源频率为50kHZ，调节设备电流到600A，保持30s，结束后制得具有致密连接层的SiC包壳。
SiC包壳中，连接层厚度为10μm，对SiC包壳进行常温和1200℃高温剪切强度测试以及气密性检测。本实施例制备的SiC陶瓷的连接层致密，室温下剪切强度为100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为150MPa，SiC包壳的漏率为1×10-10Pa·m3/s。
实施例2
将金属Ti粉(粒径1μm，纯度99.99％)、碳化硅粉体(粒径0.5μm，纯度99.99％)作为连接材料，金属Ti粉与碳化硅粉体的质量比为1：1，按照实施例1方法实现SiC包壳的连接，其中固化温度为250℃保温1h，固化后在感应加热设备下进行连接，电流为100A，保持10s，连接气氛为氩气，制得具有致密连接层的SiC包壳。
本实施例制备的SiC包壳的连接层致密，连接层厚度为5μm，室温下剪切强度为60MPa，在1200℃高温下的剪切强度为80MPa，SiC包壳的漏率为1×10-8Pa·m3/s。
实施例3
将碳化锆(粒径10μm，纯度99.99％)和聚碳硅烷(产率为60wt％)作为连接材料，碳化锆粉体与聚碳硅烷的质量比为1：1，按照实施例1方法实现SiC包壳的连接，其中固化温度为200℃保温1h，固化后在感应加热设备下进行连接，电流为1000A，保持10s，连接气氛为氩气，制得具有致密连接层的SiC包壳。
本实施例制备的SiC包壳的连接层致密，连接层厚度为10μm，室温下剪切强度为100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为150MPa，SiC包壳的漏率为1×10-11Pa·m3/s。
实施例4
将碳化硅(粒径5μm，纯度99.99％)和金属Nb粉(粒径0.1μm，纯度99.99％)作为连接材料，碳化硅粉体与金属Nb粉的质量比为1：1，按照实施例1方法实现SiC包壳的连接，其中固化温度为150℃保温4h，固化后在感应加热设备下进行连接，电流为800A，保持10s，连接气氛为氩气，制得具有致密连接层的SiC包壳。
本实施例制备的SiC包壳的连接层致密，连接层厚度为20μm，室温下剪切强度为80MPa，在1200℃高温下的剪切强度为100MPa，SiC包壳的漏率为1×10-10Pa·m3/s。
实施例5
将碳化硅(粒径0.5μm，纯度99.99％)和SiO2-Y2O3-Al2O3玻璃粉作为连接材料，碳化硅粉体与玻璃粉体的质量比为1.5：1，按照实施例1方法实现SiC包壳的连接，其中固化温度为230℃保温1h，固化后在感应加热设备下进行连接，电流为900A，保持10s，连接气氛为氩气，制得具有致密连接层的SiC包壳。
本实施例制备的SiC包壳的连接层致密，连接层厚度为15μm，室温下剪切强度为90MPa，在1200℃高温下的剪切强度为120MPa，SiC包壳的漏率为1×10-12Pa·m3/s。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (12)
1.一种碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将连接材料和分散剂加入有机溶剂，经超声分散后形成混合浆料；
S2、将所述混合浆料均匀涂抹在SiC端塞和/或SiC包壳管的连接面上，将所述SiC端塞和SiC包壳管以连接面相对配合形成连接结构；
S3、在保护气氛下，将所述连接结构升温至100℃～300℃，保温0.1h-4h进行固化，所述SiC端塞和SiC包壳管之间的混合浆料固化形成连接层；
S4、将所述连接结构置于感应加热设备上进行感应加热，使所述连接层致密化，将所述SiC端塞与SiC包壳管致密连接，形成SiC包壳。
2.根据权利要求1所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，步骤S4中，感应加热的电源频率为50kHZ，电流为100 A～1000A，时间为10 s～60s。
3.根据权利要求1所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，步骤S1中，所述分散剂和所述连接材料的比例为0.1wt%～0.5wt%：99.9wt%～99.5wt%。
4.根据权利要求1所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述连接材料包括陶瓷粉体、金属粉体、玻璃粉体、前驱体和烧结助剂中至少一种；
所述连接材料中，玻璃粉体占玻璃粉体和陶瓷粉体总粉体质量的0～50%，金属粉体占陶瓷粉体、玻璃粉体和金属粉体总粉体质量的0～50%，前驱体占陶瓷粉体、玻璃粉体、金属粉体和前驱体总粉体质量的0～50%。
5.根据权利要求4所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述陶瓷粉体包括碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳氮化钛和氧化铝中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm；
所述金属粉体为Ti、Zr、Nb、Ta、Cr和Ni中至少一种，其粉体粒径为0.1μm～10μm；
所述玻璃粉体为SiO2-Y2O3-Al2O3、SiO2-Y2O3-MgO、CaO-Al2O3、CaO-Al2O3-SiO2中至少一种；
所述前驱体为聚碳硅烷、聚氧硅烷、聚硅氮烷中的至少一种，陶瓷产率为60wt%～85wt%。
6.根据权利要求4所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述烧结助剂在所述连接材料中的质量百分比为1%～10%。
7.根据权利要求6所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述烧结助剂为Al2O3-Re2O3，其中Re为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；
Al2O3和Re2O3 的比例为1wt%～99wt%：99 wt%～1wt%。
8.根据权利要求1所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述分散剂为油酸、硬脂酸、蓖麻油中至少一种；
所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯、聚乙二醇中至少一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，步骤S3中，保护气氛为氮气、氩气或真空。
10.根据权利要求1-8任一项所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，步骤S3中，所述连接层的电阻率为10-1Ω•cm～10Ω•cm。
11.根据权利要求1-8任一项所述的碳化硅包壳感应加热连接方法，其特征在于，所述连接层的厚度为0.1μm～20μm，其在室温下剪切强度为60MPa～100MPa，在1200℃高温下的剪切强度为80MPa～150MPa；所述SiC包壳的漏率为0～1×10-8 Pa·m3/s。
12.一种碳化硅包壳，其特征在于，通过权利要求1-11任一项所述的碳化硅包壳感应加热连接方法获得。
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