RU2575863C1 - Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell - Google Patents
Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575863C1 RU2575863C1 RU2014146425/07A RU2014146425A RU2575863C1 RU 2575863 C1 RU2575863 C1 RU 2575863C1 RU 2014146425/07 A RU2014146425/07 A RU 2014146425/07A RU 2014146425 A RU2014146425 A RU 2014146425A RU 2575863 C1 RU2575863 C1 RU 2575863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic
- silicon carbide
- heat treatment
- temperature
- inert gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к процессам создания высокотемпературных карбидокремниевых композиционных материалов, которые могут быть использованы в производстве керамических трубок для оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) и других узлов тепловыделяющей сборки.The invention relates to nuclear energy, and in particular to processes for creating high-temperature silicon carbide composite materials that can be used in the manufacture of ceramic tubes for the shells of fuel elements (fuel elements) and other components of the fuel assembly.
Известен способ изготовления композиционного материала на основе карбида кремния, включающий: обработку суспензией углеродных филаментов (2-8 масс. % углеродные нанотрубки, 5-20 масс. % полимерное связующее, органический растворитель), обработку суспензией пучков (10-30 масс. % полимерное связующее, 3-15% терморасширенный графит), синтез матрицы и слоя карбида кремния путем их карбонизации и силицирования (Патент РФ 2457192, МПК C04B 35/573, C04B 35/80, B82B 3/00, опубл. 20.03.12).A known method of manufacturing a composite material based on silicon carbide, including: processing a suspension of carbon filaments (2-8 wt.% Carbon nanotubes, 5-20 wt.% Polymer binder, organic solvent), processing a suspension of beams (10-30 wt.% Polymer a binder, 3-15% thermally expanded graphite), the synthesis of a matrix and a silicon carbide layer by carbonization and siliconizing (RF Patent 2457192, IPC C04B 35/573, C04B 35/80, B82B 3/00, publ. 03.20.12).
Недостатками способа являются усложнение или исключение получения карбида кремния стехиометрического состава (Si/C=1,05) из-за необходимости проведения процесса силицирования и как следствие высокая пористость, низкая коррозионная устойчивость в водяном паре при высоких температурах, низкая механическая прочность.The disadvantages of the method are the complication or exclusion of obtaining silicon carbide of stoichiometric composition (Si / C = 1.05) due to the need for the siliconization process and, as a result, high porosity, low corrosion resistance in water vapor at high temperatures, low mechanical strength.
Известен способ получения композиционного материала методом осаждения карбида кремния из газовой фазы, содержащей метилсилан CH3SiH3, на пористый каркас с последующим пиролизом метилсилана при температуре 650-800ºC (Патент РФ №2130509, МПК C23C 16/32, опубл. 20.05.1999 г.).A known method for producing a composite material by deposition of silicon carbide from a gas phase containing methylsilane CH3SiH3 onto a porous framework followed by pyrolysis of methylsilane at a temperature of 650-800ºC (RF Patent No. 2130509, IPC C23C 16/32, publ. 05.20.1999).
Недостатки аналога заключаются в том, что данный способ не обеспечивает равномерного по толщине и структуре слоя покрытия и не обеспечивает равномерное насыщение многослойного пористого каркаса.The disadvantages of the analogue are that this method does not provide uniform in thickness and structure of the coating layer and does not provide uniform saturation of the multilayer porous frame.
Известен способ получения изделий из углеродосодержащего композиционного материала, включающий формирование каркаса, соответствующего форме изготовляемого изделия, пропитку каркаса связующим, сушку и последующую термообработку в газовой среде, отличающийся тем, что в качестве каркаса используют органические волокна - микотон, а в качестве связующего - раствор аминборана в гидрофуране, или в качестве каркаса - замедлитель нейтронов, а в качестве связующего - материал - полимерный реагент из ряда, включающего поликарбосилан, или полисилазан, или полисилоксан, при этом термообработку ведут в условиях, обеспечивающих высокую плотность газовой среды (Патент №2370436, МПК C01B 31/02 (2006.01), C04B 35/532, опубл. 2009).A known method of producing products from a carbon-containing composite material, including forming a frame corresponding to the shape of the manufactured product, impregnating the frame with a binder, drying and subsequent heat treatment in a gas medium, characterized in that organic fibers — mycoton — are used as the framework, and aminborane solution is used as the binder in hydrofuran, or as a skeleton, a neutron moderator, and as a binder, a material - a polymer reagent from the series including polycarbosilane, or polysil zan, or polysiloxane, while the heat treatment is carried out under conditions providing a high density of the gas medium (Patent No. 2370436, IPC C01B 31/02 (2006.01), C04B 35/532, publ. 2009).
Недостатками указанного аналога являются:The disadvantages of this analogue are:
- использование в качестве каркаса волокна из микотона, которое обладает повышенной гигроскопичностью и низкой теплопроводностью, следовательно, не может быть использовано по назначению предлагаемого способа;- the use as a frame of a fiber from mycotone, which has increased hygroscopicity and low thermal conductivity, therefore, cannot be used for the intended purpose of the proposed method;
- применение материалов, обеспечивающих повышение захвата тепловых нейтронов от 0,09 до 3,2 барн, что недопустимо для оболочек топливного элемента, в качестве конструкционного материала, так как снижает эффективность топливного элемента.- the use of materials that increase the capture of thermal neutrons from 0.09 to 3.2 barns, which is unacceptable for the shells of the fuel cell, as a structural material, as it reduces the efficiency of the fuel cell.
Известен способ получения ячеистого материала на основе карбида кремния путем формирования ячеистой структуры из полимерного материала и ее обработки при повышенных температурах, отличающийся тем, что для формирования ячеистой структуры заливают поликарбосилан при 200-280ºC в среде инертного газа в пресс-форму для образования эластичных ячеек или пленки, состоящей из одного ряда эластичных ячеек, стенки которых могут поворачиваться одна относительно другой, пресс-форму охлаждают до комнатной температуры, ячейки или пленку извлекают из пресс-формы и в атмосфере воздуха несколько ячеек или пленок укладывают в емкость одна на другую и уплотняют путем приложения давления воздуха 0,02-0,03 МПа, затем плавно поднимают температуру до 300-310ºC, выдерживают при ней 30-60 мин, затем поднимают температуру до 1200-1300ºC и выдерживают в течение 30-60 мин до образования блока эластичного пеноматериала (патент РФ 2074151, МПК C04B 35/565, C04B 35/571, C04B 38/00, опубл. 1997).A known method of producing a cellular material based on silicon carbide by forming a cellular structure from a polymer material and processing it at elevated temperatures, characterized in that to form a cellular structure, polycarbosilane is poured at 200-280ºC in an inert gas medium into a mold for the formation of elastic cells or a film consisting of one row of elastic cells whose walls can rotate relative to each other, the mold is cooled to room temperature, the cells or film are removed from spring molds and in an atmosphere of air several cells or films are placed in a container one on top of the other and compacted by applying an air pressure of 0.02-0.03 MPa, then gradually raise the temperature to 300-310ºC, hold it for 30-60 minutes, then raise the temperature to 1200-1300ºC and hold for 30-60 minutes until the formation of an elastic foam block (RF patent 2074151, IPC C04B 35/565, C04B 35/571, C04B 38/00, publ. 1997).
Недостатками аналога являются:The disadvantages of the analogue are:
- метод проведения финишных термообработок предполагает повышение температуры от 300 до 1200ºC, использование атмосферы воздуха, что приведет к окислению карбида кремния;- the method of finishing heat treatment involves increasing the temperature from 300 to 1200ºC, using an air atmosphere, which will lead to the oxidation of silicon carbide;
- материал содержит повышенное количество кислорода в виде SiO2 и свободного углерода, что в условиях работы топливного элемента приведет к окислению оболочки, ее разбуханию и разрушению;- the material contains an increased amount of oxygen in the form of SiO 2 and free carbon, which under the operating conditions of the fuel cell will lead to oxidation of the shell, its swelling and destruction;
- ячеистый материал, полученный по предлагаемому способу, не является композитом;- the cellular material obtained by the proposed method is not a composite;
- механические свойства, характерные для резин, что не применимо к использованию в качестве трубки топливного элемента в условиях работы тепловых реакторов.- mechanical properties characteristic of rubbers, which is not applicable to the use of a fuel cell as a tube under the conditions of operation of thermal reactors.
Известен твэл и способ изготовления трубки, служащей основной частью его оболочки, которые описаны в заявке на патент США 2009/0032178 от 2008, опубл. 2009, класс США 156/143, 427/237, "Multi-layered Ceramic Tube for Fuel Containment Barrier and Other Applications in Nuclear and Fossil Power plants". Предлагаемая в этой заявке трубка твэла состоит из трех слоев - внутреннего, центрального и внешнего. Внутренний слой выполнен из монолитного бета-фазного стехиометрического карбида кремния.Known fuel element and a method of manufacturing a tube that serves as the main part of its shell, which are described in application for US patent 2009/0032178 from 2008, publ. 2009, US Class 156/143, 427/237, "Multi-layered Ceramic Tube for Fuel Containment Barrier and Other Applications in Nuclear and Fossil Power plants". The fuel rod proposed in this application consists of three layers - internal, central and external. The inner layer is made of monolithic beta-phase stoichiometric silicon carbide.
Центральный слой выполнен в виде намотки нити на внутренний слой. Эта нить выполнена из углеродного волокна, покрытого тонким слоем карбида кремния (см. раздел «Detailed Description of Preferred Embodiments)) заявки, р. 3, абзац [0038]) или из карбида кремния (см. п. 21 формулы изобретения) и при этом в центральном слое используется такой же стехиометрический карбид кремния, как и во внутреннем слое. Внешний слой выполнен из монолитного карбида кремния. Стехиометрический карбид кремния с кристаллической структурой кубической модификации β-SiC (далее β-SiC), используемый в этих слоях, предлагается получать способом химического осаждения из газовой фазы или, иначе говоря, способом газофазного осаждения.The central layer is made in the form of a winding thread on the inner layer. This thread is made of carbon fiber coated with a thin layer of silicon carbide (see section "Detailed Description of Preferred Embodiments)) applications, p. 3, paragraph [0038]) or of silicon carbide (see paragraph 21 of the claims) and in this case the same stoichiometric silicon carbide is used in the central layer as in the inner layer. The outer layer is made of monolithic silicon carbide. It is proposed to obtain stoichiometric silicon carbide with a crystal structure of a cubic modification of β-SiC (hereinafter β-SiC) used in these layers by chemical vapor deposition or, in other words, by gas-phase deposition.
Недостатком является то, что вследствие использования намотки нитью из углеродного волокна 15 мкм, покрытого сверху тонким слоем карбида кремния в 1 мкм в центральном слое трубки твэла, воздействие нейтронов приводит к существенному распуханию углеродного волокна вдоль нити, т.е. удлиняет ее; это приводит к ослаблению намотки и делает ее бессмысленной с точки зрения повышения прочности трубки с намоткой по отношению к внутреннему давлению. Недостатком также является использование намотки в центральном слое, вследствие чего существенно понижается радиальная теплопроводность, что недопустимо для твэлов.The disadvantage is that due to the use of winding a 15-micron carbon fiber filament, coated on top with a thin layer of 1-micron silicon carbide in the central layer of the fuel rod, the effect of neutrons leads to a significant swelling of the carbon fiber along the filament, i.e. lengthens it; this leads to a weakening of the winding and makes it pointless from the point of view of increasing the strength of the tube with the winding in relation to the internal pressure. The disadvantage is the use of winding in the Central layer, as a result of which radial thermal conductivity is significantly reduced, which is unacceptable for fuel rods.
В качестве прототипа выбран патент РФ №2481654, МПК G21C 3/00, опубл. 10.05.2013 г.). В данном патенте трубка оболочки твэла выполнена из чередующихся слоев нанокристаллического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния, а пробки с обоих концов трубки выполнены из карбида кремния, исключающего прохождение газов сквозь пробки. Сущность изготовления керамической трубки для оболочки тепловыделяющего элемента заключается в нанесении методом газофазного осаждения на нагретую до 1300-1600ºC наружную поверхность сплошного или полого графитового стержня чередующихся слоев нанокристаллического кубического карбида кремния и разделительных слоев высокотемпературного материала, не совпадающего по структуре с карбидом кремния. Для формирования нанокристаллического кубического карбида кремния используют смесь газов, содержащую гидриды и хлориды кремния и углерода.As a prototype, the patent of the Russian Federation No. 2481654, IPC G21C 3/00, publ. May 10, 2013). In this patent, the fuel cladding tube is made of alternating layers of nanocrystalline silicon carbide and separation layers of high-temperature material that does not coincide in structure with silicon carbide, and the tubes at both ends of the tube are made of silicon carbide, which prevents gases from passing through the tubes. The essence of the manufacture of a ceramic tube for the shell of a fuel element consists in applying by gas-phase deposition onto an outer surface of a solid or hollow graphite rod heated to 1300-1600ºC alternating layers of nanocrystalline cubic silicon carbide and separation layers of high-temperature material that does not coincide in structure with silicon carbide. For the formation of nanocrystalline cubic silicon carbide using a mixture of gases containing hydrides and chlorides of silicon and carbon.
Отделение графитового стержня от покрытия по способу-прототипу производят путем его окисления на воздухе при температуре от 700 до 1000ºC.The separation of the graphite rod from the coating according to the prototype method is carried out by its oxidation in air at a temperature of from 700 to 1000ºC.
Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:
1) трубка по прототипу имеет один из главных недостатков, присущих керамическим изделиям, - хрупкость, так как состоит из монолитного карбида кремния;1) the prototype tube has one of the main disadvantages inherent in ceramic products, fragility, as it consists of monolithic silicon carbide;
2) использование смеси газов, содержащих хлор и водород, что приводит к образованию экологически опасного газообразного хлористого водорода;2) the use of a mixture of gases containing chlorine and hydrogen, which leads to the formation of environmentally hazardous gaseous hydrogen chloride;
3) необходимость использования трудоемкой операции получения трубки путем окисления (выжигания) графита при температуре 800-1000ºC на воздухе, так как наличие операции (процесса) нанесения карбида кремния на поверхность нагретого графитового стержня создает достаточно прочное сцепление карбида кремния и графита, что подтверждается использованием данного метода для нанесения защитных жаропрочных покрытий на углеродные покрытия (Ткаченко Л.А., Шаулов А.Ю., Берлин А.А. «Защитные жаропрочные покрытия углеродных материалов», Неорганические материалы, 2012, №3);3) the need to use the laborious operation of obtaining a tube by oxidizing (burning) graphite at a temperature of 800-1000ºC in air, since the presence of an operation (process) of applying silicon carbide to the surface of a heated graphite rod creates a sufficiently strong adhesion of silicon carbide and graphite, which is confirmed by the use of this methods for applying protective heat-resistant coatings to carbon coatings (Tkachenko L.A., Shaulov A.Yu., Berlin A.A. “Protective heat-resistant coatings of carbon materials”, Inorganic materials Rials 2012, №3);
4) из описания не ясно, каким образом соблюден указанный интервал температуры нагрева графитового стержня от 1300 до 1600ºC при росте толщины покрытия и каким образом осуществляется замена состава газовой фазы при нанесении промежуточного слоя.4) it is not clear from the description how the indicated temperature range for heating a graphite rod from 1300 to 1600ºC was observed with increasing coating thickness and how the composition of the gas phase is replaced when applying an intermediate layer.
Задачей изобретения является изготовление керамической трубки для оболочки тепловыделяющего элемента технологичным экологически чистым методом.The objective of the invention is the manufacture of a ceramic tube for the shell of a fuel element by a technologically advanced environmentally friendly method.
Техническим результатом являются преимущества предлагаемого метода перед прототипом:The technical result is the advantages of the proposed method over the prototype:
- образование керамокомпозита в процессе окончательной высокотемпературной термообработки устраняет один из главных недостатков изделий из керамики - хрупкость. Хрупкость устраняется как путем создания трубчатого каркаса из волокна со структурой β-SiC, пропитанного керамообразующим прекурсором, так и путем обеспечения совместимости по коэффициенту термического расширения (КТР) в широком диапазоне температур от комнатной до 1800ºC, что видно из представленного примера изготовления керамической трубки для оболочки твэл;- the formation of a ceramic composite during the final high-temperature heat treatment eliminates one of the main disadvantages of ceramic products - fragility. Fragility is eliminated both by creating a tubular skeleton of a fiber with a β-SiC structure impregnated with a ceramic-forming precursor, and by ensuring compatibility by thermal expansion coefficient (CTE) over a wide temperature range from room temperature to 1800ºC, as can be seen from the presented example of the manufacture of a ceramic tube for a shell fuel rod;
- в предлагаемом способе используют компоненты (SiC волокно и керамообразующий прекурсор, не содержащие хлор), что снижает экологическую нагрузку.- in the proposed method using components (SiC fiber and ceramic-forming precursor, not containing chlorine), which reduces the environmental load.
Технический результат достигается в способе изготовления керамической трубки для оболочки тепловыделяющего элемента, включающей слои карбида кремния, причем формируют трубчатый каркас из волокна со структурой β-SiC, осуществляют его пропитку керамообразующим прекурсором в атмосфере инертного газа, последующую термообработку при ступенчатом подъеме температуры с получением керамической матрицы и окончательную высокотемпературную термообработку, обеспечивающую образование керамокомпозита.The technical result is achieved in a method of manufacturing a ceramic tube for a shell of a fuel element, including layers of silicon carbide, whereby a tubular frame of fiber with a β-SiC structure is formed, it is impregnated with a ceramic-forming precursor in an inert gas atmosphere, followed by heat treatment with a stepwise increase in temperature to obtain a ceramic matrix and the final high-temperature heat treatment, providing the formation of ceramic composite.
В качестве керамообразующего прекурсора используют поликарбосилан.As a ceramic-forming precursor, polycarbosilane is used.
Пропитку трубчатого каркаса проводят циклично при остаточном давлении 0,001 МПа в атмосфере инертного газа.The tubular cage is impregnated cyclically at a residual pressure of 0.001 MPa in an inert gas atmosphere.
Термообработку осуществляют постепенным повышением температуры со скоростью нагрева 5-20 град/ч до 350ºC и выдержкой не менее часа при 350ºC. От 350ºC со скоростью нагрева 5-20 град/ч до 700ºC и выдержкой не менее часа при давлении 0,1 МПа в атмосфере инертного газа.Heat treatment is carried out by a gradual increase in temperature with a heating rate of 5-20 deg / h to 350ºC and holding for at least an hour at 350ºC. From 350ºC with a heating rate of 5-20 deg / h to 700ºC and holding for at least an hour at a pressure of 0.1 MPa in an inert gas atmosphere.
Окончательную высокотемпературную термообработку осуществляют при нагревании от 700ºC до 1800ºC при давлении инертного газа 0,1 МПа и с выдержкой не менее 2 часов.The final high-temperature heat treatment is carried out by heating from 700ºC to 1800ºC with an inert gas pressure of 0.1 MPa and with a holding time of at least 2 hours.
В предлагаемом способе используют поликарбосилан молекулярной массы 800-1500.In the proposed method, polycarbosilane of molecular weight 800-1500 is used.
На Фиг. 1 показана кривая нагружения образца-прототипа при трехточечном изгибе.In FIG. 1 shows a loading curve of a prototype sample at three-point bending.
На фиг. 2 изображена кривая нагружения образца, изготовленного по предлагаемому способу при трехточечном изгибе.In FIG. 2 shows a loading curve of a sample made by the proposed method with three-point bending.
Характер кривой на фиг. 1 свидетельствует о хрупком разрушении материала. Из кривой нагружения, представленной на фиг. 2, отчетливо видно, что нагружение сопровождается деформацией, возможное образование трещин не приводит к разрушению образца, поскольку их развитие гасится на границах волокон, входящих в состав композита.The nature of the curve in FIG. 1 indicates brittle fracture of the material. From the loading curve shown in FIG. 2, it is clearly seen that loading is accompanied by deformation, the possible formation of cracks does not lead to destruction of the sample, since their development is quenched at the boundaries of the fibers that make up the composite.
На фиг. 3 показана микроструктура поверхности и предварительный анализ содержания элементов полученной керамической трубки для оболочки тепловыделяющего элемента.In FIG. 3 shows the surface microstructure and preliminary analysis of the content of elements of the obtained ceramic tube for the shell of the fuel element.
Анализ микроструктуры образца указывает на однородное заполнение SiC-матрицей пористой структуры во всем объеме образца.Analysis of the microstructure of the sample indicates a uniform filling of the porous structure with the SiC matrix in the entire volume of the sample.
На фиг. 4 методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с микрорентгеноспектральным анализом (ЭДС) проведена оценка поверхности и предварительный анализ содержания элементов в полученных трубках. Результаты анализа приведены в таблице 1.In FIG. 4 by scanning electron microscopy (SEM) with X-ray microanalysis (EMF), the surface was evaluated and a preliminary analysis of the content of elements in the tubes was obtained. The results of the analysis are shown in table 1.
На фиг. 5 методом рентгенофазового анализа (РФА) установлено, что керамическая матрица соответствует β-SiC модификации.In FIG. 5 by the method of x-ray phase analysis (XPA) it was found that the ceramic matrix corresponds to the β-SiC modification.
Из анализа видно, что трубка состоит в основном из карбида кремния кубической модификации β-SiC, содержание углерода 45,84% ат. и кремния - 54,16% ат., при этом кислород отсутствует.From the analysis it is seen that the tube consists mainly of silicon carbide cubic modification of β-SiC, the carbon content of 45.84% at. and silicon - 54.16% at., while there is no oxygen.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
ПримерExample
Экспериментальную отработку процессов жидкофазного насыщения экспериментальных образцов карбидом кремния проводили на специальной установке.The experimental development of the processes of liquid-phase saturation of the experimental samples with silicon carbide was carried out on a special installation.
В реакционный контейнер загружают образец - трубчатый каркас из волокна со структурой β-SiC, который сформирован путем намотки или плетения волокна на цилиндрический каркас требуемых размеров, и устанавливают в печь электросопротивления. Перед началом процесса проводят трехкратную продувку аргоном реакционного контейнера с загруженными в него образцами. Продувка включает 3 последовательные стадии «откачка (до 0,001 МПа) - заполнение аргоном (0,1 МПа)». Продувку реакционного контейнера ведут при температуре 60°С. Температура 60°С выбрана для удаления влаги из пор трубчатого каркаса. Заливка керамообразующего прекурсора, например, поликарбосилана в растворе толуола (от 30 до 60%) включает: заливку в контейнер и три последовательных цикла: «откачка (до -0,001 МПа) - заполнение инертным газом (0,1 МПа)». Циклы проводятся для увеличения равномерности заполнения пористого объема трубчатого каркаса жидким керамообразующим прекурсором. Процесс осуществляется постепенным повышением температуры со скоростью нагревания 8 град/ч до 350ºC и с выдержкой при 350ºC не менее одного часа для полимеризации поликарбосилана. Далее для получения керамической матрицы нагрев от 350ºC до 700ºC продолжают со скоростью 8 град/ч с выдержкой при 700ºС в течение 1 ч при давлении инертного газа 0,1 МПа.A sample is loaded into the reaction container — a tubular carcass of fiber with a β-SiC structure, which is formed by winding or weaving the fiber onto a cylindrical carcass of the required size and is installed in an electrical resistance furnace. Before starting the process, a three-time argon purge of the reaction container with the samples loaded into it is carried out. The purge includes 3 successive stages of "pumping (up to 0.001 MPa) - filling with argon (0.1 MPa)." Purge the reaction container at a temperature of 60 ° C. A temperature of 60 ° C is selected to remove moisture from the pores of the tubular frame. Pouring a ceramic-forming precursor, for example, polycarbosilane in a toluene solution (from 30 to 60%) includes: pouring into a container and three successive cycles: "pumping (up to -0.001 MPa) - filling with an inert gas (0.1 MPa)." Cycles are conducted to increase the uniformity of the filling of the porous volume of the tubular casing with a liquid ceramic-forming precursor. The process is carried out by a gradual increase in temperature with a heating rate of 8 deg / h to 350ºC and with exposure at 350ºC for at least one hour for polymerization of polycarbosilane. Further, to obtain a ceramic matrix, heating from 350ºC to 700ºC is continued at a speed of 8 deg / h with holding at 700ºC for 1 h at an inert gas pressure of 0.1 MPa.
Выбранные режимы термообработки (температура, время выдержки, скорость нагрева, давление инертного газа) трубчатого каркаса из волокна со структурой β-SiC являются оптимальными и позволяют получить керамическую матрицу из карбида кремния.The selected heat treatment regimes (temperature, holding time, heating rate, inert gas pressure) of the tubular frame made of fiber with a β-SiC structure are optimal and make it possible to obtain a ceramic matrix of silicon carbide.
Для формирования кубической модификации β-SiC и получения керамической трубки из трех и более слоев карбида кремния кубической структуры после процесса пиролиза проводят окончательную высокотемпературную термообработку до 1800ºC при давлении инертного газа 0,1 МПа и с выдержкой не менее 2 часов, обеспечивающую образование керамокомпозита.To form a cubic modification of β-SiC and obtain a ceramic tube of three or more layers of silicon carbide of a cubic structure after the pyrolysis process, the final high-temperature heat treatment is carried out up to 1800 ° C with an inert gas pressure of 0.1 MPa and with a holding time of at least 2 hours, providing the formation of a ceramic composite.
Таким образом, образование керамокомпозита в процессе окончательной высокотемпературной термообработки устраняет один из главных недостатков изделий из керамики - хрупкость, путем армирования SiC волокнами для обеспечения совместимости по коэффициенту термического расширения (КТР) с матрицей из SiC.Thus, the formation of a ceramic composite during the final high-temperature heat treatment eliminates one of the main disadvantages of ceramic products - fragility, by reinforcing SiC fibers to ensure compatibility by thermal expansion coefficient (CTE) with a matrix of SiC.
Кроме того, в предлагаемом способе используют компоненты (волокно со структурой β-SiC и керамообразующий прекурсор, не содержащие хлор), что обеспечивает экологическую чистоту метода.In addition, the proposed method uses components (fiber with a β-SiC structure and a ceramic-forming precursor that does not contain chlorine), which ensures the ecological purity of the method.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146425/07A RU2575863C1 (en) | 2014-11-19 | 2014-11-19 | Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146425/07A RU2575863C1 (en) | 2014-11-19 | 2014-11-19 | Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2575863C1 true RU2575863C1 (en) | 2016-02-20 |
Family
ID=81941856
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014146425/07A RU2575863C1 (en) | 2014-11-19 | 2014-11-19 | Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2575863C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720579C1 (en) * | 2016-08-08 | 2020-05-12 | Дженерал Атомикс | Developed sic-sic composite and monolithic layered sic structures |
WO2022103297A1 (en) * | 2020-11-10 | 2022-05-19 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Method for manufacturing a fuel rod cladding tube |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4495122A (en) * | 1980-11-24 | 1985-01-22 | Feldmuhle Aktiengesellschaft | Method for the production of a polycrystalline shaped body of silicon carbide |
RU2137732C1 (en) * | 1993-09-27 | 1999-09-20 | Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" | Method of manufacturing composite from reinforcing fibers and matrix, whose fibers are protected by layered coating, and material manufactured by this method |
RU2176628C2 (en) * | 1996-12-02 | 2001-12-10 | Сент-Гобэн Индастриал Керамикс, Инк. | Composite material (variants) and method or preparing thereof, method of treating fibrous semi-finished product (variants) |
US6593008B2 (en) * | 1998-12-24 | 2003-07-15 | Wayde R. Schmidt | Modified freeform fabricated part and a method for modifying the properties of a freeform fabricated part |
US20030137084A1 (en) * | 2001-02-27 | 2003-07-24 | Japan Science And Technology Corporation | SiC Fiber-reinforced SiC-matrix composite and manufacturing method thereof |
WO2006076039A2 (en) * | 2004-06-07 | 2006-07-20 | Westinghouse Electric Company Llc | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants |
WO2012174548A1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-20 | Ceramic Tubular Products Llc | Nuclear reactor fuel element having silicon carbide multilayered cladding and thoria-based fissionable fuel |
-
2014
- 2014-11-19 RU RU2014146425/07A patent/RU2575863C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4495122A (en) * | 1980-11-24 | 1985-01-22 | Feldmuhle Aktiengesellschaft | Method for the production of a polycrystalline shaped body of silicon carbide |
RU2137732C1 (en) * | 1993-09-27 | 1999-09-20 | Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" | Method of manufacturing composite from reinforcing fibers and matrix, whose fibers are protected by layered coating, and material manufactured by this method |
RU2176628C2 (en) * | 1996-12-02 | 2001-12-10 | Сент-Гобэн Индастриал Керамикс, Инк. | Composite material (variants) and method or preparing thereof, method of treating fibrous semi-finished product (variants) |
US6593008B2 (en) * | 1998-12-24 | 2003-07-15 | Wayde R. Schmidt | Modified freeform fabricated part and a method for modifying the properties of a freeform fabricated part |
US20030137084A1 (en) * | 2001-02-27 | 2003-07-24 | Japan Science And Technology Corporation | SiC Fiber-reinforced SiC-matrix composite and manufacturing method thereof |
WO2006076039A2 (en) * | 2004-06-07 | 2006-07-20 | Westinghouse Electric Company Llc | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants |
WO2012174548A1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-20 | Ceramic Tubular Products Llc | Nuclear reactor fuel element having silicon carbide multilayered cladding and thoria-based fissionable fuel |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720579C1 (en) * | 2016-08-08 | 2020-05-12 | Дженерал Атомикс | Developed sic-sic composite and monolithic layered sic structures |
WO2022103297A1 (en) * | 2020-11-10 | 2022-05-19 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Method for manufacturing a fuel rod cladding tube |
US11976354B2 (en) | 2020-11-10 | 2024-05-07 | Bochvari High-Tech. Res. Inst. For Inorg. Materials | Method for producing ceramic multilayered tube used as cladding for fuel element in nuclear power plant |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3143086B2 (en) | SiC composite sleeve and method of manufacturing the same | |
US9353013B2 (en) | SiC ceramic material, SiC ceramic structure, and their fabrication methods | |
Baux et al. | Complex geometry macroporous SiC ceramics obtained by 3D-printing, polymer impregnation and pyrolysis (PIP) and chemical vapor deposition (CVD) | |
Cao et al. | High-temperature behavior and degradation mechanism of SiC fibers annealed in Ar and N 2 atmospheres | |
Cramer et al. | Processing and properties of SiC composites made via binder jet 3D printing and infiltration and pyrolysis of preceramic polymer | |
US20100234481A1 (en) | Porous ceramics manufacturing method | |
US20060035024A1 (en) | Processing of Sic/Sic ceramic matrix composites by use of colloidal carbon black | |
RU2575863C1 (en) | Method to manufacture ceramic tube for fuel element shell | |
JP3021405B2 (en) | Neutron absorption pin | |
JP2003252694A (en) | SiC-FIBER-COMPOSITED SiC COMPOSITE MATERIAL | |
Lee et al. | Polymer impregnation and pyrolysis process development for improving thermal conductivity of SiCp/SiC–PIP matrix fabrication | |
JP2017024923A (en) | Ceramic composite material | |
JP6862280B2 (en) | Method for manufacturing SiC / SiC composite material | |
Gumula et al. | Thermal conversion of carbon fibres/polysiloxane composites to carbon fibres/ceramic composites | |
KR101623914B1 (en) | Method for fabrication of high density SiCf/SiC composites with homogeneous microstructure | |
JPH1059795A (en) | Carbon fiber reinforced carbon composite material crucible for pulling up semiconductor single crystal | |
JP5168451B2 (en) | Method for producing porous molded body and method for producing porous filled molded body | |
JP2009120426A (en) | Long fiber reinforced ceramic composite material and its manufacturing method | |
JP6960448B2 (en) | Method for Producing Silicon Carbide Complex | |
Zheng et al. | The High‐Temperature Oxidation Behavior of Reaction‐Bonded Porous Silicon Carbide Ceramics in Dry Oxygen | |
JP2012153601A (en) | Long fiber reinforced ceramic composite material and method of manufacturing the same | |
RU2624707C1 (en) | Method of producing sealed products from composite materials | |
RU2641748C2 (en) | Leak-tight product of high-temperature composite material, reinforced with long-length fibers, and method of its manufacture | |
Kozekanan et al. | The effect of nano-B4C additive on microstructure and mechanical properties of pressureless sintering SiC bodies | |
KR101684600B1 (en) | Manufacturing method for silicon carbide fiber and silicon carbide fiber thereof |