陶瓷基复合材料细长薄壁管件制备方法及基于该方法的陶瓷基复合材料细长薄壁管件与应用技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷基复合材料细长薄壁管件制备方法及基于该方法的陶瓷基复合材料细长薄壁管件与应用，克服现有方法无法实现超长径比、超薄壁厚C

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基复合材料细长薄壁管件制备方法及基于该方法的陶瓷基复合材料细长薄壁管件与应用


[0001]本专利技术提供一种陶瓷基复合材料细长薄壁管件及其制备方法，尤其涉及一种三层复合结构的C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料管件及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在多种核反应堆型中，模块式高温气冷堆因为具有安全性好，效率高，多用途的特点，在中小型机组规模下具有极高经济竞争力。一般情况下，模块式高温气冷堆冷却剂(如：氦气)出口温度直接决定了高温气冷堆的效率，反应堆的冷却剂温度越高，就可以获得更高的发电效率。模块式高温气冷堆的堆芯类型分为柱状芯和球床芯，其中，柱状芯是将直径约为0.5mm的包覆燃料颗粒置入包壳管内，冷却剂从平行放置的包壳管阵列之间的空间流动完成换热。若包壳管采用镍基高温合金等耐高温金属材料，氦气出口温度被限制到1000℃以下，气冷堆发电绝对能效低于50％。未来若要将气冷堆应用于特种飞行器小型核动力系统、空间站及深空探测器的能源系统时，耐高温金属材料包壳管不仅存在重量大，而且存在高温机械性能下降等问题，严重影响气冷堆系统的比效率，使得气冷堆潜力不能完全发挥。采用耐温性更好、高温性能不下降、低密度的C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料作为高温气冷堆柱状堆芯包壳管，可以将气冷堆的冷却剂出口温度至1000℃以上，提升发电绝对能效的同时，可将气冷堆系统减重30～50％，提高气冷堆系统比效率。
[0003]除了气冷堆，现行压水堆用核燃料锆合金包壳管存在断电事故中锆材与冷却水之间的锆水反应引发爆炸的风险，以及锆合金在事故中脆断造成核燃料泄漏的风险。近年来，SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料因其高温性能稳定，不发生脆断、耐中子辐照，高温下不与水发生反应等优点成为耐事故燃料包壳管的优选材料。
[0004]然而，气冷堆燃料包壳管长度大于等于800mm,直径小于等于30mm，壁厚在1～2mm之间，压水堆燃料包壳管长度约4000mm，直径小于105mm，壁厚在0.8～1mm之间，目前无法实现如此超长径比，超薄壁厚C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料纤维预制体的成型；而且，燃料包壳管对气密性要求极高，现行的化学气相渗透法制备C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料的残余气孔率一般在10％～15％左右，气密性较低，无法达到堆外考核要求，且入堆考核要求更高，难度更大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是：克服现有方法无法实现超长径比、超薄壁厚C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料纤维预制体成型以及现有方法制备的C
f
/SiC或SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料因残余气孔率较大，无法达到堆外及入堆考核要求的问题，提供一种超长径比、超薄壁厚的陶瓷基复合材料管件的制备方法，还相应提供一种基于上述方法制备的陶瓷基复合材料细长薄壁管件，满足气冷堆用燃料包壳管和压水堆用燃料包壳管相关考核要求和应用要求。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用以下技术方案：
[0007]一种陶瓷基复合材料细长薄壁管件的制备方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
[0008]步骤1、制备C
f
/SiC或SiC
f
/SiC复材管件，作为陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层；
[0009]步骤1.1、在管状或棒状芯模上后缠卷1～1.5mm厚的纸层；
[0010]步骤1.2、在纸层上缠卷C纤维布或SiC纤维布，缠卷厚度为中间层设计厚度的1.2～1.5倍，形成管状纤维预制体；
[0011]步骤1.3、将管状纤维预制体置于模壁上开孔的石墨外模中，随后将芯模抽出，采用化学气相渗透法在管状纤维预制体上制备热解碳界面，形成含热解碳界面的管状纤维预制体；
[0012]步骤1.4、清除含热解碳界面的管状纤维预制体内芯部已经碳化的纸屑，以三氯甲基硅烷为先驱体，利用化学气相渗透法制备SiC基体，至管件孔隙率降低至15％以内，去除石墨外模，形成陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层；
[0013]步骤2、陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层加工；
[0014]采用无心磨对陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层外表面进行加工，采用纱线、磨棒等对陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层内表面进行加工；
[0015]步骤3、配制SiC晶须浆料，将加工后的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层浸渍到SiC晶须浆料中，进行致密化；
[0016]步骤4、在致密后的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层内壁和外壁分别制备SiC陶瓷内层及SiC陶瓷外层；
[0017]将涂有SiC晶须的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层置于化学气相炉中，化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷为陶瓷先驱体，在中间层内外表面沉积SiC，形成管件SiC陶瓷内层及SiC陶瓷外层；
[0018]步骤5、对步骤4制备完成的管件内层及外层进行抛光。
[0019]进一步地，为保证SiC基体在细长管件中的渗透均匀性，步骤1.4中，化学气相渗透法制备SiC基体的条件为：气压2.5
±
0.5kPa，温度1000
±
20℃，鼓泡氢气和氩气流量1.7
±
0.2L/min，稀释氢气1.0
±
0.2L/min。
[0020]进一步地，为封堵化学气相过程中无法填封纤维预制体孔洞，提高C
f
/SiC或SiC
f
/SiC复材中间层的致密度，步骤3中所述的SiC晶须直径为0.2～1.5μm，所述SiC晶须浆料黏度为1.8～2.4Pa
·
s。
[0021]进一步地，步骤3中，进行致密化的步骤具体为：
[0022]步骤3.1、将加工后的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层浸渍到SiC晶须浆料中2～3min，进行致密化，然后烘干；
[0023]步骤3.2、再次重复步骤3.12～3次。
[0024]进一步地，步骤4中，化学气相渗透法制备SiC陶瓷内层或SiC陶瓷外层的条件为：气压2.0
±
0.5kPa，温度1200
±
20℃，时间120h,鼓泡氢气和氩气流量1.7
±
0.2L/min，稀释氢气1.0
±
0.2L/min。
[0025]进一步地，为避免细长芯模在使用过程中意外折断，影响预制体成型，步骤1.1中所述的管状或棒状芯模为不锈钢或铝合金。
[0026]本专利技术还提供一种陶瓷基复合材料细长薄壁管件，其特殊之处在于：采用上述制
备方法制备，管壁由内到外依次为SiC陶瓷内层、C
f
/SiC或SiC
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料细长薄壁管件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、制备C
f
/SiC或SiC
f
/SiC复材管件，作为陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层；步骤1.1、在管状或棒状芯模上后缠卷1～1.5mm厚的纸层；步骤1.2、在纸层上缠卷C纤维布或SiC纤维布，缠卷厚度为中间层设计厚度的1.2～1.5倍，形成管状纤维预制体；步骤1.3、将管状纤维预制体置于模壁上开孔的石墨外模中，随后将芯模抽出，采用化学气相渗透法在管状纤维预制体上制备热解碳界面，形成含热解碳界面的管状纤维预制体；步骤1.4、清除含热解碳界面的管状纤维预制体内芯部已经碳化的纸屑，以三氯甲基硅烷为先驱体，利用化学气相渗透法制备SiC基体，至管件孔隙率降低至15％以内，去除石墨外模，形成陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层；步骤2、陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层加工；对陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层外表面及内表面分别进行打磨；步骤3、配制SiC晶须浆料，将加工后的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层浸渍到SiC晶须浆料中，进行致密化；步骤4、在致密后的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层内壁和外壁分别制备SiC陶瓷内层及SiC陶瓷外层；将涂有SiC晶须的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的中间层置于化学气相炉中，采用化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷为陶瓷先驱体，在中间层内外表面沉积SiC，形成管件SiC陶瓷内层及SiC陶瓷外层；步骤5、对步骤4制备完成的管件内层及外层进行抛光。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料细长薄壁管件的制备方法，其特征在于，步骤1.4中，利用化学气相渗透法制备SiC基体的条件为：气压2.5
±
0.5kPa，温度1000
±
20℃，鼓泡氢气和氩气流量1.7
±
0.2L/min，稀释氢气1.0
±
0.2L/mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海昇，付志强，刘持栋，李建章，成来飞，
申请(专利权)人：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：