[發明專利]一種SiC短纖維復合材料及復合包殼管及其制備方法

有效

• 申請號: 201710106971.8
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106904984B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 劉仕超;李文杰;高士鑫;陳平;周毅;涂騰;辛勇;郭子萱;蔣有榮;李偉;陳亮
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/626;G21C13/087;B32B1/08;B32B18/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 廖慧敏

本發明公開了一種SiC短纖維復合材料及復合包殼管及其制備方法，解決了現有SiC/SiC復合材料包殼管的制備方法導致制備工藝以及制備出的包殼管存在較多缺陷的問題。本發明公開了一種SiC短纖維復合材料，包括懸浮液、粘接劑、增塑劑和消泡劑，所述懸浮液包括50?65wt％混合粉體、30?45wt％的溶劑和0.5?5wt％的分散劑；其中，混合粉體由SiC材料和燒結助劑組成，SiC材料由SiC纖維和SiC顆粒組成，SiC纖維和SiC顆粒的體積比為20?40:60?80；燒結助劑占SiC材料的4?8wt％；所述SiC纖維的長度為4?8mm。本發明制備的復合包殼管具有高致密度，氣密性良好，高強高韌性，高熱導率以及優良的耐腐蝕性等特點。

技術領域

本發明涉及陶瓷材料成型領域，具體涉及一種SiC短纖維復合材料及一種SiC/SiC復合材料制成的復合包殼管，并公開了一種SiC/SiC復合材料制成復合包殼管的制備方法。

背景技術

傳統的核反應堆包殼材料是以鋯合金為主的金屬材料，包殼材料的主要作用是，在正常工況條件或者是意外事故條件下，確保反應堆芯燃料的裂變產物及裂變氣體均保留在包殼內部，不能釋放到冷卻劑或者周圍環境中。傳統的鋯合金存在著較多問題。

第一，耐腐蝕性能差；高溫條件下，鋯合金與水發生反應，產生氫氣，同時鋯合金易吸氫脆化，進而包殼破裂，導致裂變產物泄露，造成嚴重事故，例如日本的福島事故。第二，高溫強度較低；鋯合金在1000℃以上，強度發生明顯下降，這可能會導致包殼發生破損，造成事故。第三，鋯合金的彈性模量和硬度相對于SiC陶瓷低，強共價鍵的SiC陶瓷的彈性模量高，硬度大，抗摩擦磨損能好，相對于鋯合金而言，SiC包殼與芯塊接觸產生的磨損量少。但是SiC陶瓷的成型性能較差，韌性低，無斷裂預警。

為解決SiC/SiC復合材料包殼管制備中成型性能較差的難題，研究人員發明了多種制備方法，包括化學氣相沉積法(CVI)，納米共晶熔滲法(NITE)以及先驅體浸漬裂解法(PIP)等。采用NITE法制備的SiC/SiC復合材料，需要熱壓燒結，制備大尺寸包殼材料(尺寸超過1m)存在困難。采用CVI法制備SiC/SiC復合材料存在生產周期長，一個周期約為60天，編制纖維束中間存在難以消除的大孔，導致材料整體致密度較低。采用CVI結合樹脂裂解法制備SiCf/SiC復合材料，樹脂裂解后，通過Si蒸氣與裂解殘余碳反應形成SiC陶瓷，這有效解決了復合材料氣象沉積周期長的缺點，但是復合材料中存在大量氣孔，同時，單質Si與游離C難以控制，使得材料存在雜質。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：現有SiC/SiC復合材料包殼管的制備方法導致制備工藝以及制備出的包殼管存在較多缺陷的問題，目的在于提供了一種SiC短纖維復合材料及一種SiC/SiC復合材料制成的復合包殼管，以及一種SiC/SiC復合材料制成復合包殼管的制備方法，解決了CVI，NITE以及PIP工藝制備周期長、致密度低、雜質含量高以及熱壓燒結困難等技術難題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種SiC短纖維復合材料，包括懸浮液、粘接劑、增塑劑和消泡劑，所述懸浮液包括50-65wt％混合粉體、30-45wt％的溶劑和0.5-5wt％的分散劑；其中，混合粉體由SiC材料和燒結助劑組成，SiC材料由SiC纖維和SiC顆粒組成，SiC纖維和SiC顆粒的體積比為20-40:60-80；燒結助劑占SiC材料的4-8wt％；所述SiC纖維的長度為4-8mm。

本發明通過SiC短纖維復合材料的優化設置，通過致密SiC短纖維(纖維長度6mm)增強SiC陶瓷基體材料；通過添加分散劑將SiC短纖維有效的分散于SiC漿料中，之后通過各組分之間的相互配合，有效增強制備出的包殼管的性能，具有高致密度、氣密性良好、高強高韌性、高熱導率以及優良的耐腐蝕性等特點；能有效解決現有技術中SiC/SiC復合材料包殼管致密度低、雜質含量高以及熱壓燒結困難的問題。