工程SIC-SIC复合材料和整体SIC层状结构制造技术

公开了适用于核反应堆环境和需要能够承受高温和/或高腐蚀性环境的材料的其他应用的陶瓷基质复合材料的系统、结构、装置和制造方法。在一方面，提供了一种陶瓷复合结构。该结构包括腔室，腔室包括外壳和外壳内部的中空空间。外壳包括：内复合层，其包括第一复合结构；中间复合层，其置于内复合层之外，该中间复合层包括与第一复合结构不同的第二复合结构；以及外整体层，其具有空间均匀的材料特性并置于中间复合层之外。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】工程SIC-SIC复合材料和整体SIC层状结构相关申请的交叉引用本专利文献要求2016年8月8日提交的名称为“ENGINEEREDSIC-SICCOMPOSITEANDMONOLITHICSICLAYEREDSTRUCTURESFORNUCLEARFUELCLADDING(用于核燃料包层的工程SIC-SIC复合材料和整体SIC层状结构)”的美国临时专利申请号62/372239的优点和优先权。前述专利申请的全部内容通过引用并入作为本文献公开内容的一部分。
本专利文献涉及与容纳用于核反应堆的核燃料材料的外壳、壳体或包层结构相关或者与热交换器或鼻锥或喷嘴相关或与流动通道插入件相关的系统、结构、装置和制造过程。
技术介绍
许多核反应堆使用裂变材料作为燃料来发电。燃料通常以坚固的物理形式(比如燃料棒)保持，能够承受高工作温度和强中子辐射环境。燃料结构需要在反应堆堆芯内的一段时间(例如几年)内保持其形状和完整性，从而防止裂变产物泄漏到反应堆冷却剂中。其他结构，比如热交换器、喷嘴、鼻锥、流动通道插入件或相关部件，还需要高温性能、耐腐蚀性和特定的非平面几何形状，其中高尺寸精度是重要的。
技术实现思路
本专利文献涉及适用于核反应堆环境和需要能够承受高温和/或高腐蚀性环境的材料的其他应用的陶瓷基质复合材料的系统、结构、装置和制造过程。在一示例性方面，提供了一种陶瓷复合结构。该结构包括腔室，腔室包括外壳和外壳内部的中空空间。外壳包括：内复合层，其包括第一复合结构；中间复合层，其置于内复合层之外，该中间复合层包括与第一复合结构不同的第二复合结构；以及外整体层，其具有空间均匀的材料特性并置于中间复合层之外。在一些实施例中，该结构还包括置于内复合层和中间复合层之间的一个或多个复合层，一个或多个复合层中的每一个具有不同的复合结构。在一些实施方式中，该结构还包括置于中间复合层与外整体层之间的一个或多个整体层。在一些实施例中，多个薄层可以沉积在外整体层和一个或多个整体层之间，以及在一个或多个整体层中的每一个之间，以抑制裂纹扩展。多个薄层可包括延性材料。例如，多个薄层可包括热解碳或金属。在一些实施例中，第一复合结构包括增强碳化硅(SiC)复合材料。增强SiC复合材料可包括编织SiC纤维复合材料、缠绕SiC纤维复合材料或小尺度添加剂复合材料。小尺度添加剂复合材料中的添加剂可包括纳米级的SiC晶须、粉末或纤维。在一些实施方式中，编织纤维复合材料的纤维之间的角度在35至75度的范围内。在一些实施例中，第二复合结构包括增强碳化硅(SiC)复合材料。增强SiC复合材料可包括编织SiC纤维复合材料、缠绕SiC纤维复合材料或小尺度添加剂复合材料。在一些实施例中，小尺度添加剂复合材料中的添加剂包括纳米级的SiC晶须、粉末或纤维。在一些实施方式中，编织纤维复合材料的纤维之间的角度在35至75度的范围内。外整体层可包括致密β-SiC材料。在一些实施例中，该结构还可包括置于外整体层之外的阻挡涂层。阻挡层可包括金属或陶瓷。在一些实施例中，内复合层和中间复合层的厚度包括大于总厚度的50％。在一些实施方式中，内复合层和中间复合层的厚度包括大于总厚度的70％。在一些实施例中，内复合层包括光滑的内表面。在一些实施方式中，外整体层相对于内复合层和中间复合层构造成在受到操作应力(比如核反应堆的操作应力)时保持压缩。外壳构造成用于制造核燃料包层，用于保持核燃料材料、热交换器的一部分、喷嘴的一部分、鼻锥、护罩、燃烧器衬套或流动通道插入件。在另一示例性方面，提供了一种制造适用于陶瓷复合材料制造的预制件的方法。该方法包括：将纤维布置在支撑结构上以形成第一层纤维预制件；将浆料施加到第一层纤维预制件，其中，所述浆料包括多种添加剂、一种或多种粘合剂以及一种或多种溶剂，并且所述一种或多种粘合剂包层热塑性聚合物；和在浆料固化并与第一层纤维预制件结合之后移除支撑结构，使得所述浆料和第一层纤维预制件共同形成预制件。在一些实施例中，纤维布置在支撑结构的外表面上。纤维也可以布置在支撑结构的内表面上。在一些实施例中，施加浆料包括将浆料浸渍到纤维中。施加浆料还可包括将浆料刷涂、喷涂、真空模塑或热压到纤维上。移除支撑结构可包括从预制件滑动、推动或熔化支撑结构。在一些实施例中，该方法还包括将预制件置于化学气相沉积(CVD)涂覆工艺或化学气相渗透(CVI)工艺中，并且在致密化温度下通过CVD或CVI涂覆工艺使预制件致密化。在一些实施例中，选择一种或多种粘合剂，使得每种选择的粘合剂在低于致密化温度的温度下劣化。例如，一种或多种粘合剂包括聚丙烯碳酸酯聚合物。在一些实施例中，一种或多种粘合剂在室温下是固态的。一种或多种粘合剂可溶于一种或多种溶剂中。一种或多种溶剂可包括丙酮、甲基乙基酮或乙醇。在一些实施例中，多种添加剂包括粉末、晶须、纤维、颗粒或其任何组合。在一些实施方式中，多种添加剂的尺寸小于1mm。在一些实施例中，由浆料和第一层纤维预制件形成的预制件呈管状几何形状。例如，布置纤维包括将纤维编织成管。在一些实施例中，由浆料和第一层纤维预制件形成的预制件呈非管状几何形状。例如，布置纤维包括将纤维编织成平面片。在一些实施例中，布置纤维包括以环向或轴向取向布置或成形纤维。在一些实施例中，支撑结构被构造成表现出低表面摩擦。例如，支撑结构可包括石墨、二硫化钼(MoS2)、聚四氟乙烯(PTFE)或氮化硼(BN)。在一些实施例中，支撑结构被构造成表现出的熔化温度低于一种或多种粘合剂的粘合剂的烧尽温度。例如，支撑结构包括蜡或热塑性材料。在一些实施例中，该方法包括在移除支撑结构之后，进一步使用支撑结构来制造另一预制件。在一些实施方式中，预制件的形成包括将纤维布置在第一层纤维预制件的顶部上，以形成具有第二复合结构的第二层纤维预制件，该第二复合结构不同于第一层纤维预制件的第一复合结构；和在第二层纤维预制件的顶部形成外整体层。在一些实施例中，该方法包括在第一层和第二层之间形成一层或多层纤维预制件，一层或多层中的每一层具有不同的复合结构。在一些实施方式中，该方法还包括在第二层纤维预制件与外整体层之间形成一个或多个整体层。该方法还可以包括在外整体层和一个或多个整体层之间以及在一个或多个整体层中的每一个之间沉积多个薄层，以抑制裂纹扩展。在一些实施例中，第一复合结构包括增强SiC复合材料。形成第一层纤维预制件可包括通过改变纤维束的数量和相对于支撑结构的轴线的角度来调节纤维的纤维取向。在一些实施例中，第二复合结构包括增强碳化硅(SiC)复合材料。形成第二层纤维预制件可包括通过改变纤维束的数量和相对于支撑结构的轴线的角度来调整纤维取向。在一些实施方式中，该方法还包括在外整体层的顶部上形成阻挡涂层。在一些实施例中，该方法还包括使用预制件的至少一部分来制造核燃料包层，用于保持核燃料材料、热交换器的一部分、喷嘴的一部分、鼻锥、护罩、燃烧器衬套或流动通道插入件。在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述上述及其他方面和实施方式。附图说明图1A示出了示例性核燃料组件。图1B示出了示例性热交换器。图2A示出了SiC-SiC复合LWR包层的温度分布的示例。图2B示出了对SiC-SiC复合包层的包层应力的不同贡献的分布的示例。图3示出了LWR包层概念的横截本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷复合结构，包括腔室，所述腔室包括外壳和外壳内部的中空空间，其中，所述外壳包括：内复合层，其包括第一复合结构，中间复合层，其置于内复合层之外，中间复合层包括与第一复合结构不同的第二复合结构，以及外整体层，其具有空间均匀的材料特性并置于中间复合层之外。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.08 US 62/372,2391.一种陶瓷复合结构，包括腔室，所述腔室包括外壳和外壳内部的中空空间，其中，所述外壳包括：内复合层，其包括第一复合结构，中间复合层，其置于内复合层之外，中间复合层包括与第一复合结构不同的第二复合结构，以及外整体层，其具有空间均匀的材料特性并置于中间复合层之外。2.如权利要求1所述的结构，还包括：一个或多个复合层，其置于所述内复合层和中间复合层之间，所述一个或多个复合层中的每一个具有不同的复合结构。3.如权利要求1所述的结构，还包括：一个或多个整体层，其置于所述中间复合层和外整体层之间。4.如权利要求3所述的结构，还包括：多个薄层，其沉积在所述外整体层和一个或多个整体层之间，并且在一个或多个整体层中的每一个之间，以抑制裂纹扩展。5.如权利要求4所述的结构，其中，所述多个薄层包括延性材料。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：CP德克，J张，C巴克，JD希德，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US