一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法與流程

本發明涉及屬于耐事故核燃料應用領域，尤其是涉及一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法。

背景技術：

相較于傳統的鋯合金核燃料包殼，碳化硅陶瓷包殼管在高溫下能保持很好的強度和很好的抗輻照等性能。

國內外對碳化硅包殼管制備做了很多研究，如專利cn101019193a和專利cn103818056b所描述的，先制作內層整體層，然后在內層整體層上包覆碳化硅纖維復合材料層，浸漬聚碳硅烷后直接進行致密化。該致密化過程在內層整體層和復合材料層間(特別是編織工藝)由于纖維搭接而產生密閉的孔隙，如圖1所示，該孔隙干擾機械強度，使制品性能下降。

整體制備長的陶瓷管由于制件尺寸長、厚度薄，極易出現制件彎曲、斷裂等現象，而直線度又是包殼管的重要技術指標之一。制備較長陶瓷包殼管時，由于管件長、直徑小，管件內壁沉積很難沉積均勻，如圖2所示，造成管壁厚度不一致。

中國專利cn105405474a公開了一種具備抗裂紋擴展能力的核燃料包殼管的結構及制備方法，包括二層或三層的sic基核燃料包殼管，將sic基核燃料包殼管的內層作為次內層結構，在次內層的內部引入一層抗裂紋擴展層作為內層結構，形成三層或四層的sic基核燃料包殼管；引入的內層結構材料模量要低于次內層sic材料的模量的低模量的抗輻照材料。該專利制備包殼管件為先進行內層、次內層再到次外層、外層的制備，由內至外逐層制備。而本專利先進行中間層的制備，再內層外層同時制備，工序比該專利少了，相比較制備效率明顯提高。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種尺寸一致性好、機械強度高和直線度好的核燃料碳化硅陶瓷包殼管制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法，采用以下步驟：

(1)制作復合材料中間層管件：在合適直徑模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復合材料層管件，進行致密化處理，并脫出模芯，得到短復合材料中間層管件；

(2)沉積內層整體層和外層保護層：在短復合材料中間層管件上通過cvd或cvi工藝沉積內層整體層和外層保護層，cvi工藝是兩種氣體在反應腔內滲透到包殼管預制件材料內部與表面進行反應沉積，cvd工藝是是兩種氣體在反應腔內在包殼管預制件材料表面進行反應沉積；

(3)管件焊接：將沉積好的數段碳化硅陶瓷管件放入夾具內進行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管。

步驟(1)中采用加壓浸漬交聯在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復合材料層管件。

加壓浸漬交聯工藝是將纏繞或編織件放入密閉的模腔內，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯溫度進行交聯固化，模腔尺寸可以但不僅限于φ9×1000mm，液態聚碳硅烷可以但不僅限于1:1二甲苯溶解固態硅烷溶液，注射壓力可以但不僅限于0.05mpa，交聯固化溫度可以但不僅限于280℃。

步驟(1)中的致密化處理采用以下步驟：將帶模芯的管件在氮氣保護下，于1100-1300℃進行裂解，裂解后采用pip法反復浸漬裂解，至增重小于1％時停止致密化，將模芯抽出，得到致密化的短復合材料中間層管件。

步驟(2)中沉積內層整體層和外層保護層采用以下步驟：將短復合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在900-1100℃但不僅限于下進行內外層沉積60-80h，得到碳化硅陶瓷管件。

與現有技術相比，具有以下優點：

(1)本發明由于先制備了復合材料中間層，纖維搭接處的空隙可以由內外層的沉積而填滿，解決了管件因層間密閉孔隙而造成強度下降的問題。

(2)本發明由于先制備短復合材料管件后進行焊接，解決了整體制備長包殼管件時易彎曲的問題，通過夾具的使用，使包殼管直線度能保持在技術要求以內。

(3)現有技術通過圖2可看出，反應氣體由包殼管下部往上進入，并在包殼管內進行反應，隨著沉積過程對反應氣體的消耗，包殼管越長，包殼管上端的氣流密度越小，經過長時間沉積后，造成包殼管下端比上端厚。本發明的技術方案解決了長管件內壁沉積不均勻的問題，使包殼管各部分尺寸及性能達到一致，提升了包殼管的可靠性，

附圖說明

圖1為纖維搭接形成孔隙示意圖；

圖2為長管件內部沉積不均示意圖；

圖3為焊接成型示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

實施例1

(1)制作纏繞或編織件：在短尺寸的模芯上進行碳化硅纖維纏繞或編織，進行沉積熱解碳涂層但不僅限于熱解碳涂層等纖維表面處理。實施例中模芯尺寸可以但不僅限于為φ8×1000mm模芯，纏繞或編織厚度可以但不僅限于0.5mm。實施例中熱解碳涂層厚度可以但不僅限于0.5微米。

(2)加壓浸漬交聯：將上述纏繞或編織件放入密閉的模腔內，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯溫度進行交聯固化。實施例中模腔尺寸可以但不僅限于φ9×1000mm，液態聚碳硅烷可以但不僅限于1:1二甲苯溶解固態硅烷溶液，注射壓力可以但不僅限于0.05mpa，交聯固化溫度可以但不僅限于280℃。

(3)致密化處理：將帶模芯的制件在氮氣保護下，于1200℃左右進行裂解。裂解后采用pip法反復浸漬裂解，至增重小于1％時停止致密化，將模芯抽出，得到致密化的復合材料中間層。將中間復合材料層裁切至500mm左右，得到短復合材料中間層。

(4)內外層沉積：將復合材料中間層放入沉積爐，在氬氣的保護下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在1100℃但不僅限于下進行內外層沉積60小時但不僅限于60小時，得到短陶瓷管件。

(5)焊接：其工藝如圖3所示，將短陶瓷包殼管件放入夾具內，采用陶瓷焊接的方法，將短的陶瓷管焊接成需要的長度，一般為12英尺，得到碳化硅陶瓷包殼管。

實施例2

一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法，其特征在于，該方法采用以下步驟：

(1)制作復合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯溫度進行交聯固化,模腔尺寸可以但不僅限于φ9×400mm，液態聚碳硅烷為lpvcs也可以使用二甲苯1:1溶解固態硅烷溶液，注射壓力為0.02mpa，交聯固化溫度為250℃，然后進行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護下，于1100℃進行裂解，裂解后采用pip法反復浸漬裂解，至增重小于1％時停止致密化，將模芯抽出，得到致密化的短復合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復合材料中間層管件；

(2)沉積內層整體層和外層保護層：在短復合材料中間層管件上通過cvd工藝沉積內層整體層和外層保護層；

(3)管件焊接：將沉積好的數段碳化硅陶瓷管件放入夾具內進行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管，其結構如圖3所示。

實施例3

一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法，其特征在于，該方法采用以下步驟：

(1)制作復合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯溫度進行交聯固化，模腔尺寸φ9×400mm，液態聚碳硅烷為lpvcs也可以使用二甲苯1:1溶解固態硅烷溶液，注射壓力為0.1mpa，交聯固化溫度為180℃。然后進行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護下，于1200℃進行裂解，裂解后采用pip法反復浸漬裂解，至增重小于1％時停止致密化，將模芯抽出，得到致密化的短復合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復合材料中間層管件；

(2)沉積內層整體層和外層保護層：在短復合材料中間層管件上通過cvi工藝沉積內層整體層和外層保護層,將短復合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在1050℃℃下進行內外層沉積80h，得到碳化硅陶瓷管件；

(3)管件焊接：將沉積好的數段碳化硅陶瓷管件放入夾具內進行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管。

實施例4

一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管的制備方法，其特征在于，該方法采用以下步驟：

(1)制作復合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯溫度進行交聯固化，然后進行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護下，于1300℃進行裂解，裂解后采用pip法反復浸漬裂解，至增重小于1％時停止致密化，將模芯抽出，得到致密化的短復合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復合材料中間層管件；

(2)沉積內層整體層和外層保護層：在短復合材料中間層管件上通過cvi工藝沉積內層整體層和外層保護層,將短復合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在1200℃下進行內外層沉積60h，得到碳化硅陶瓷管件；

(3)管件焊接：將沉積好的數段碳化硅陶瓷管件放入夾具內進行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。