[发明专利]一种碳化硅复合包壳管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核燃料研究及制造技术领域，具体涉及到一种碳化硅复合包壳的制备。

背景技术

目前，所有的商用反应堆燃料包壳都是以锆为基体的合金，尽管这一族材料经过50多年的研究和应用，此类燃料包壳的可靠性有大幅度的提升，然而，随着²³⁵U富集度的进一步增加，或者由于其它方面的变化使得燃料中裂变产物的量进一步升高，这就要求研发具有更为优良的抗辐照损伤和耐腐蚀性能的其它材料。同时，也要求此类材料在发生严重事故的条件下，其性能恶化的程度能够进一步降低。

锆合金包壳在设计和使用上，存在部分明显的缺点：锆合金包壳的服役寿命要受到材料腐蚀性能的影响，即在反应堆冷却剂中的氧化，尤其是氢的吸收。而且，一旦遇到高温蒸汽，锆合金的腐蚀将更为迅速。

相对于锆合金包壳，以碳化硅为基体的燃料包壳优势更为明显：对热中子的吸收率更低(比相同壁厚的锆包壳低～25％)；在正常运行过程中几乎不存在腐蚀和氢的聚集，这样可以大幅提高燃料的寿命和提升燃料的富集度；高温条件下几乎不损失强度，且腐蚀速率低；发生重大事故时降解速率极低：不会熔毁，腐蚀速率低，微量/无氢气。

基于上述特点，碳化硅是一种非常有应用前景的包壳材料，对于提升燃料元件寿命、提高燃料燃耗以及增加反应堆运行经济效益有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是制备一种可用于反应堆燃料包壳的碳化硅复合包壳管。

为了实现上述目的，一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其包括如下步骤：

步骤1，将高温裂解后的SiC复合材料包壳管挂置于真空加热炉内；

步骤2，在20Pa以内的真空状态下加热，并通入三氯甲基硅烷、氩气、氢气的混合气体，保持一定温度开始沉积；

步骤3，沉积结束后，取出SiC复合材料包壳管，重复步骤1～步骤2，进行多次沉积，以获得不同厚度沉积层的碳化硅复合包壳管。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所述步骤2中，通入三氯甲基硅烷流量100mL/min～5000mL/min，氩气流量2L/min～6L/min，氢气流量1L/min～6L/min。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所述步骤2中，气相沉积温度1000℃～1200℃，气相沉积时间6h～60h。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所述步骤3中不同厚度沉积层的碳化硅复合包壳管，沉积层厚为50～200μm。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所述步骤1中高温裂解后的SiC复合材料包壳管具体为：将SiC复合纤维缠绕形成的包壳预制件放置于高温烧结炉中，氩气气氛下，1000～1600℃保温1～2h，使SiC纤维缠绕后的包壳预制件发生裂解反应。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所制备的碳化硅复合包壳管的直径为Φ6mm～Φ40mm，壁厚为0.5mm～5mm，长度为100mm～4000mm。

如上所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其所制备的碳化硅复合包壳管的致密度达到85％T.D以上。

本发明的有益效果如下：本发明首次在碳化硅复合包壳材料中采用气相沉积的手段，设计了碳化硅复合材料包壳管气相沉积的工艺方法，通过工艺实验确定了最佳参数，沉积后的包壳管内部纤维间、内外表面获得了明显的碳化硅产物，碳化硅复合材料包壳管经过气相沉积后陶瓷化现象显著，相对密度可达到85％以上。该工艺为新一代包壳材料，碳化硅纤维增强复合材料包壳的研制和应用提供技术基础和保障。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法作进一步详细说明。

实施例1

本发明所述的一种碳化硅复合包壳管的制备方法，其包括如下步骤：

步骤1，将直径Φ10mm、长度400mm高温裂解后的SiC复合材料包壳管挂置于真空加热炉内；

步骤2，在20Pa以内的真空状态下加热，并通入三氯甲基硅烷、氩气、氢气的混合气体，保持一定温度开始沉积；通入三氯甲基硅烷流量800mL/min，氩气流量4L/min，氢气流量2L/min。气相沉积温度1100℃，气相沉积时间20h。

步骤3，沉积结束后，取出SiC复合材料包壳管，重复步骤1～步骤2，进行3次沉积，以获得不同厚度沉积层的碳化硅复合包壳管。该包壳管壁厚增加0.42mm，重量增加187％，密度为87.2％T.D。