本發(fā)明涉及屬于耐事故核燃料應(yīng)用領(lǐng)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(shù)：

相較于傳統(tǒng)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(qiáng)度和很好的抗輻照等性能。

國內(nèi)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(nèi)層整體層，然后在內(nèi)層整體層上包覆碳化硅纖維復(fù)合材料層，浸漬聚碳硅烷后直接進(jìn)行致密化。該致密化過程在內(nèi)層整體層和復(fù)合材料層間(特別是編織工藝)由于纖維搭接而產(chǎn)生密閉的孔隙，如圖1所示，該孔隙干擾機(jī)械強(qiáng)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(xiàn)制件彎曲、斷裂等現(xiàn)象，而直線度又是包殼管的重要技術(shù)指標(biāo)之一。制備較長陶瓷包殼管時，由于管件長、直徑小，管件內(nèi)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(kuò)展能力的核燃料包殼管的結(jié)構(gòu)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(nèi)層作為次內(nèi)層結(jié)構(gòu)，在次內(nèi)層的內(nèi)部引入一層抗裂紋擴(kuò)展層作為內(nèi)層結(jié)構(gòu)，形成三層或四層的sic基核燃料包殼管；引入的內(nèi)層結(jié)構(gòu)材料模量要低于次內(nèi)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(jìn)行內(nèi)層、次內(nèi)層再到次外層、外層的制備，由內(nèi)至外逐層制備。而本專利先進(jìn)行中間層的制備，再內(nèi)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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種尺寸一致性好、機(jī)械強(qiáng)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(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

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(fù)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(fù)合材料層管件，進(jìn)行致密化處理，并脫出模芯，得到短復(fù)合材料中間層管件；

(2)沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層：在短復(fù)合材料中間層管件上通過cvd或cvi工藝沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層，cvi工藝是兩種氣體在反應(yīng)腔內(nèi)滲透到包殼管預(yù)制件材料內(nèi)部與表面進(jìn)行反應(yīng)沉積，cvd工藝是是兩種氣體在反應(yīng)腔內(nèi)在包殼管預(yù)制件材料表面進(jìn)行反應(yīng)沉積；

(3)管件焊接：將沉積好的數(shù)段碳化硅陶瓷管件放入夾具內(nèi)進(jìn)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(lián)在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復(fù)合材料層管件。

加壓浸漬交聯(lián)工藝是將纏繞或編織件放入密閉的模腔內(nèi)，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態(tài)聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯(lián)溫度進(jìn)行交聯(lián)固化，模腔尺寸可以但不僅限于φ9×1000mm，液態(tài)聚碳硅烷可以但不僅限于1:1二甲苯溶解固態(tài)硅烷溶液，注射壓力可以但不僅限于0.05mpa，交聯(lián)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(hù)下，于1100-1300℃進(jìn)行裂解，裂解后采用pip法反復(fù)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(fù)合材料中間層管件。

步驟(2)中沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層采用以下步驟：將短復(fù)合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護(hù)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(jìn)行內(nèi)外層沉積60-80h，得到碳化硅陶瓷管件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明由于先制備了復(fù)合材料中間層，纖維搭接處的空隙可以由內(nèi)外層的沉積而填滿，解決了管件因?qū)娱g密閉孔隙而造成強(qiáng)度下降的問題。

(2)本發(fā)明由于先制備短復(fù)合材料管件后進(jìn)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(shù)要求以內(nèi)。

(3)現(xiàn)有技術(shù)通過圖2可看出，反應(yīng)氣體由包殼管下部往上進(jìn)入，并在包殼管內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，隨著沉積過程對反應(yīng)氣體的消耗，包殼管越長，包殼管上端的氣流密度越小，經(jīng)過長時間沉積后，造成包殼管下端比上端厚。本發(fā)明的技術(shù)方案解決了長管件內(nèi)壁沉積不均勻的問題，使包殼管各部分尺寸及性能達(dá)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(nèi)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(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例1

(1)制作纏繞或編織件：在短尺寸的模芯上進(jìn)行碳化硅纖維纏繞或編織，進(jìn)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(lián)：將上述纏繞或編織件放入密閉的模腔內(nèi)，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態(tài)聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯(lián)溫度進(jìn)行交聯(lián)固化。實施例中模腔尺寸可以但不僅限于φ9×1000mm，液態(tài)聚碳硅烷可以但不僅限于1:1二甲苯溶解固態(tài)硅烷溶液，注射壓力可以但不僅限于0.05mpa，交聯(lián)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(hù)下，于1200℃左右進(jìn)行裂解。裂解后采用pip法反復(fù)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(fù)合材料中間層。將中間復(fù)合材料層裁切至500mm左右，得到短復(fù)合材料中間層。

(4)內(nèi)外層沉積：將復(fù)合材料中間層放入沉積爐，在氬氣的保護(hù)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(jìn)行內(nèi)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(nèi)，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(fù)合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯(lián)在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復(fù)合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內(nèi)，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態(tài)聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯(lián)溫度進(jìn)行交聯(lián)固化,模腔尺寸可以但不僅限于φ9×400mm，液態(tài)聚碳硅烷為lpvcs也可以使用二甲苯1:1溶解固態(tài)硅烷溶液，注射壓力為0.02mpa，交聯(lián)固化溫度為250℃，然后進(jìn)行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護(hù)下，于1100℃進(jìn)行裂解，裂解后采用pip法反復(fù)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(fù)合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復(fù)合材料中間層管件；

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

(3)管件焊接：將沉積好的數(shù)段碳化硅陶瓷管件放入夾具內(nèi)進(jìn)行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管，其結(jié)構(gòu)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(fù)合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯(lián)在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復(fù)合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內(nèi)，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態(tài)聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯(lián)溫度進(jìn)行交聯(lián)固化，模腔尺寸φ9×400mm，液態(tài)聚碳硅烷為lpvcs也可以使用二甲苯1:1溶解固態(tài)硅烷溶液，注射壓力為0.1mpa，交聯(lián)固化溫度為180℃。然后進(jìn)行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護(hù)下，于1200℃進(jìn)行裂解，裂解后采用pip法反復(fù)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(fù)合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復(fù)合材料中間層管件；

(2)沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層：在短復(fù)合材料中間層管件上通過cvi工藝沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層,將短復(fù)合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護(hù)下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在1050℃℃下進(jìn)行內(nèi)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(shù)段碳化硅陶瓷管件放入夾具內(nèi)進(jìn)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(fù)合材料中間層管件：采用加壓浸漬交聯(lián)在模芯上制備碳化硅纖維陶瓷復(fù)合材料層管件，將纏繞或編織件放入密閉的模腔內(nèi)，采用vrtm工藝真空輔助注射浸漬液態(tài)聚碳硅烷，并保持注射壓力升溫加熱至交聯(lián)溫度進(jìn)行交聯(lián)固化，然后進(jìn)行致密化處理，將帶模芯的管件在氮氣保護(hù)下，于1300℃進(jìn)行裂解，裂解后采用pip法反復(fù)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(fù)合材料中間層管件，然后脫出模芯，得到短復(fù)合材料中間層管件；

(2)沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層：在短復(fù)合材料中間層管件上通過cvi工藝沉積內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層,將短復(fù)合材料中間層管件放入沉積爐，在氬氣的保護(hù)下，采用三氯甲基硅烷(mts)為原料氣體，氫氣為載氣，在1200℃下進(jìn)行內(nèi)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(shù)段碳化硅陶瓷管件放入夾具內(nèi)進(jìn)行焊接，得到足夠長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。