一种SiC短纤维复合材料及复合包壳管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种SiC短纤维复合材料及复合包壳管及其制备方法，解决了现有SiC/SiC复合材料包壳管的制备方法导致制备工艺以及制备出的包壳管存在较多缺陷的问题。本发明专利技术公开了一种SiC短纤维复合材料，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50‑65wt％混合粉体、30‑45wt％的溶剂和0.5‑5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20‑40:60‑80；烧结助剂占SiC材料的4‑8wt％；所述SiC纤维的长度为4‑8mm。本发明专利技术制备的复合包壳管具有高致密度，气密性良好，高强高韧性，高热导率以及优良的耐腐蚀性等特点。

SiC short fiber composite material and composite cladding tube and preparation method thereof

The invention discloses a SiC short fiber composite materials and composite cladding tube and its preparation method, solves the problem that the existing SiC/SiC composite cladding tube preparation method of lead cladding preparation technique and the tube defects problem. The invention discloses a SiC short fiber composite materials, including suspension, adhesive, plasticizer and defoaming agent, dispersing agent and the suspension of 50 65wt% mixed powder, 30 45wt% and 0.5 solvent 5wt%; wherein, the mixed powder made of SiC materials and additives. SiC material by SiC fiber and SiC fiber and SiC SiC particles, the particle volume ratio of 20 40:60 80; sintering additives accounted for SiC material 4 8wt%; the SiC fiber length is 4 8mm. The composite cladding pipe prepared by the invention has the characteristics of high density, good tightness, high strength, high toughness, high heat conductivity and excellent corrosion resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种SiC短纤维复合材料及复合包壳管及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷材料成型领域，具体涉及一种SiC短纤维复合材料及一种SiC/SiC复合材料制成的复合包壳管，并公开了一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法。
技术介绍
传统的核反应堆包壳材料是以锆合金为主的金属材料，包壳材料的主要作用是，在正常工况条件或者是意外事故条件下，确保反应堆芯燃料的裂变产物及裂变气体均保留在包壳内部，不能释放到冷却剂或者周围环境中。传统的锆合金存在着较多问题。第一，耐腐蚀性能差；高温条件下，锆合金与水发生反应，产生氢气，同时锆合金易吸氢脆化，进而包壳破裂，导致裂变产物泄露，造成严重事故，例如日本的福岛事故。第二，高温强度较低；锆合金在1000℃以上，强度发生明显下降，这可能会导致包壳发生破损，造成事故。第三，锆合金的弹性模量和硬度相对于SiC陶瓷低，强共价键的SiC陶瓷的弹性模量高，硬度大，抗摩擦磨损能好，相对于锆合金而言，SiC包壳与芯块接触产生的磨损量少。但是SiC陶瓷的成型性能较差，韧性低，无断裂预警。为解决SiC/SiC复合材料包壳管制备中成型性能较差的难题，研究人员专利技术了多种制备方法，包括化学气相沉积法(CVI)，纳米共晶熔渗法(NITE)以及先驱体浸渍裂解法(PIP)等。采用NITE法制备的SiC/SiC复合材料，需要热压烧结，制备大尺寸包壳材料(尺寸超过1m)存在困难。采用CVI法制备SiC/SiC复合材料存在生产周期长，一个周期约为60天，编制纤维束中间存在难以消除的大孔，导致材料整体致密度较低。采用CVI结合树脂裂解法制备SiCf/SiC复合材料，树脂裂解后，通过Si蒸气与裂解残余碳反应形成SiC陶瓷，这有效解决了复合材料气象沉积周期长的缺点，但是复合材料中存在大量气孔，同时，单质Si与游离C难以控制，使得材料存在杂质。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：现有SiC/SiC复合材料包壳管的制备方法导致制备工艺以及制备出的包壳管存在较多缺陷的问题，目的在于提供了一种SiC短纤维复合材料及一种SiC/SiC复合材料制成的复合包壳管，以及一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法，解决了CVI，NITE以及PIP工艺制备周期长、致密度低、杂质含量高以及热压烧结困难等技术难题。本专利技术通过下述技术方案实现：一种SiC短纤维复合材料，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50-65wt％混合粉体、30-45wt％的溶剂和0.5-5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20-40:60-80；烧结助剂占SiC材料的4-8wt％；所述SiC纤维的长度为4-8mm。本专利技术通过SiC短纤维复合材料的优化设置，通过致密SiC短纤维(纤维长度<6mm)增强SiC陶瓷基体材料；通过添加分散剂将SiC短纤维有效的分散于SiC浆料中，之后通过各组分之间的相互配合，有效增强制备出的包壳管的性能，具有高致密度、气密性良好、高强高韧性、高热导率以及优良的耐腐蚀性等特点；能有效解决现有技术中SiC/SiC复合材料包壳管致密度低、杂质含量高以及热压烧结困难的问题。进一步，粘接剂占悬浮液4-8wt％的，增塑剂占悬浮液的2-6wt％，消泡剂占悬浮液的1wt％。所述粘接剂为PVB，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯，消泡剂为正丁醇，溶剂为酒精和甲苯的混合液体，酒精与甲苯的体积比为2:3，分散剂为四甲基氢氧化铵，烧结助剂为摩尔比为3:2的Al2O3和Y2O3。一种SiC短纤维复合材料的制备方法，包括：获得长度为4-8mm的SiC纤维，将SiC纤维与SiC颗粒和烧结助剂球磨混合，球磨介质为无水乙醇，混合时间为7-10h，球料比为4-10:1；球磨后在40-60℃干燥获得混合粉体；将混合粉体与溶剂和分散剂混合球磨后获得悬浮液，在悬浮液中加入粘接剂、增塑剂和消泡剂混合，在-0.1Pa的真空条件下除泡，制成SiC短纤维复合材料。一种SiC复合材料制成的复合包壳管，由三层以上结构组成，包括内层结构、中层结构和外层结构，其特征在于，所述中层结构包括连续SiC纤维编织体增韧SiC陶瓷基体材料制备而成的层状结构，所述内层结构和外层材料均由SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料制成的层状结构构成。一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法，包括：(1)准备SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料、以及连续SiC纤维编织体增韧SiC陶瓷基体材料；采用上述材料分别制成SiC短纤维增强的生带以及连续SiC纤维编织体增韧的生带；(2)将SiC短纤维增强的生带缠绕在涂覆有脱模剂的柱状体模具表面，缠绕后等静压处理获得内层生胚，然后将连续SiC纤维编织体增韧的生带缠绕在内层生胚的外表面，等静压处理后获得中层生胚，最后，将SiC短纤维增强的生带缠绕在中层生胚外表面，等静压处理后获得外层生胚；脱出柱状体模具，获得具有三层结构的复合生坯管，该柱状体模具优选为钢芯；上述各步骤中的缠绕层数依据生带厚度和所设计薄壁管内层厚度而定；(3)将复合材料生坯管进行排胶、烧结后制成复合包壳管。本专利技术中的包壳管分为三层，内外两层采用的是SiC短纤维，其主要作用及优点是：1)相比于传统CVD工艺，采用SiC短纤维制备的内外层具有更优良的韧性和抗热冲击性能；2)由于SiC短纤维尺寸相比于SiC长纤维，其致密度较高，可有效提升包壳管的气密性，采用流延成型/等静压工艺制备的SiC复合包壳管，He泄漏率﹤10-12Pa·m3/s，高于通用Zr合金包壳管标准。包壳管中间层为SiC长纤维编制层，其具有高韧性，为SiC包壳堆内服役提供保障。因而，本专利技术的中层采用流延成型/等静压制备SiC/SiC复合包壳管，内外层只可采用SiC短纤维，这是因为，若采用SiC晶须则制造成本大幅度提高，同时SiC晶须长度低，增韧效果差；若采用SiC长纤维，同样增加成本，且长纤维长度大，影响烧结过程钟的传质，导致材料致密化困难，包壳管致密性降低。进一步，制成SiC短纤维增强的生带的过程为：将SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料倒入流延机进行流延成型，获得SiC短纤维增强的生带；流延速度为20-40cm/min，刀口高度50-500μm；进一步，制成连续SiC纤维编织体增韧的生带的过程为：采用SiC长纤维编织形成厚度为0.2-0.8mm的纤维编织体，纤维的体积分数为30-50％，将纤维编织体浸渍在SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料中，并抽真空处理，真空度为-0.1Pa，之后平铺于流延机上干燥；重复上述浸渍至干燥的过程，直到纤维编织体的整体质量不变后获得连续SiC纤维编织体增韧的生带。本专利技术中编织体的编织角度可为0°、30°、45°或90°。本专利技术制备的SiC/SiC复合包壳管，其中最内层和最外层均为致密SiC短纤维(纤维长度<6mm)增强的SiC陶瓷基体材料制成，中间层为连续SiC纤维编织体增韧SiC陶瓷基体材料制成，因而有效提高致密度和强度，效果更加显著。通过添加分散剂将SiC短纤维有效的分散于SiC浆料中，之后采用流延成型获得柔韧性良好、可以卷曲裁剪的生带，有效提高柔韧性。由于流延成型制备的SiC/SiC短纤维生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiC短纤维复合材料，其特征在于，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50‑65wt％混合粉体、30‑45wt％的溶剂和0.5‑5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20‑40:60‑80；烧结助剂占SiC材料的4‑8wt％；所述SiC纤维的长度为4‑8mm。

【技术特征摘要】
1.一种SiC短纤维复合材料，其特征在于，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50-65wt％混合粉体、30-45wt％的溶剂和0.5-5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20-40:60-80；烧结助剂占SiC材料的4-8wt％；所述SiC纤维的长度为4-8mm。2.根据权利要求1所述的一种SiC短纤维复合材料，其特征在于，所述粘接剂为PVB，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯，消泡剂为正丁醇，溶剂为酒精和甲苯的混合液体，酒精与甲苯的体积比为2:3，分散剂为四甲基氢氧化铵，烧结助剂为摩尔比为3:2的Al2O3和Y2O3。3.如权利要求1或2所述的一种SiC短纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：获得长度为4-8mm的SiC纤维，将SiC纤维与SiC颗粒和烧结助剂球磨混合，球磨介质为无水乙醇，混合时间为7-10h，球料比为4-10:1；球磨后在40-60℃干燥获得混合粉体；将混合粉体与溶剂和分散剂混合球磨后获得悬浮液，在悬浮液中加入粘接剂、增塑剂和消泡剂混合，在-0.1Pa的真空条件下除泡，制成SiC短纤维复合材料。4.一种SiC/SiC复合材料制成的复合包壳管，由三层以上结构组成，包括内层结构、中层结构和外层结构，其特征在于，所述中层结构包括连续SiC纤维编织体增韧SiC陶瓷基体材料制备而成的层状结构，所述内层结构和外层结构均由SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料制成的层状结构构成。5.一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法，其特征在于，包括：(1)准备SiC短纤维增强SiC陶瓷基体材料、以及连续SiC纤维编织体增韧SiC陶瓷基体材料；采用上述材料分别制成SiC短纤维增强的生带以及连续SiC纤维编织体增韧的生带；(2)将SiC短纤维增强的生带缠绕在涂覆有脱模剂的柱状体模具表面，等静压处理获得内层生胚，将连续SiC纤维编织体增韧的生带缠绕在内层生胚的外表面，等静压处理后获得中层生胚，将SiC短纤维增强的生带缠绕在中层生胚外表面，等静压处理后获得外层生胚；脱出柱状...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仕超，李文杰，高士鑫，陈平，周毅，涂腾，辛勇，郭子萱，蒋有荣，李伟，陈亮，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川,51