[发明专利]核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构

说明书

本发明涉及核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，所述的中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比大于1:1。与现有技术相比，按此铺层制备的碳化硅陶瓷包壳管既保有复合材料管件优异的强度和刚度，又能提高包壳管件的表面光洁度，还能减少复合材料层和内层整体层与外层保护层间的间隙，具有良好的抗辐照性能。

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其是涉及一种核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构。

背景技术

核用碳化硅陶瓷包壳具有优异的耐高温、耐辐照和耐腐蚀等性能。该技术是目前国内国际的研究重点。

在行业内普遍采用的3层结构复合材料包壳管如图1所示，包壳管由内层整体层1、中间复合材料层2、外层保护层3组成。包壳管的强度等物理性能主要由中间复合材料层提供，中间复合材料层的物理性能显得尤为重要。

目前行业内对于中间复合材料层主要采用编织或者螺旋缠绕等工艺制备，但就纤维复合材料来说，该工艺具有良好的轴向拉伸性能，但是环向静压爆破性能有所欠缺，而静压爆破性能也是燃料包壳管的重要考核性能之一。

编织和螺旋缠绕的特性决定了复合材料表面不可避免的产生纤维束与纤维束之间搭接而形成纤维架空等孔隙，在内层整体层上直接缠绕或编织更容易形成因纤维搭接架空而形成密闭的孔隙，使包壳管的性能降低，并且在复合材料层外层上易出现因纤维搭接而形成的孔洞。

发明内容

本发明的目的就是针对包壳管中间复合材料铺层中编织或螺旋缠绕工艺的架空现象和纤维体积分数相对较低的问题，提出核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

核燃料碳化硅陶瓷包壳管中间复合材料层的缠绕铺层结构，由内层环向层、中间螺旋层、外层环向层的三层结构组成，所述的中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比大于1:1。

作为优选的实施方式，中间螺旋层的厚度与内层及外层的环向层的厚度比为2：1：1至3：1：1，该厚度比值有较高的轴向拉伸性能和可满足技术要求的环向强度。

所述的内层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，采用90°环向缠绕，缠绕层数为1层或多层。该环向缠绕工艺的特点是缠绕排列时纤维与纤维之间是通过拼接组合，而不是螺旋缠绕或编织工艺中得搭接组合，解决了编织或螺旋缠绕工艺中因纤维搭接而在复合材料层内层和包壳管内层整体层之间形成架空和密闭空隙的问题。

所述的内层环向层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2-5N。

所述的中间螺旋层采用螺旋向缠绕工艺制作得到，纤维缠绕角度不大于45°，缠绕层数为1层或多层。本层的作用是利用螺旋层发挥纤维力的承载作用，提升复合材料层的轴向拉伸强度。小于45°的角度更有利于发挥铺层中纤维轴向方向力的传导作用，在相同的铺层厚度下，使包壳管件的轴向性能更高。

所述的中间螺旋层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行螺旋缠绕，并设置缠绕角，可以但不仅限于37°，纤维缠绕张力控制为2-5N。

所述的外层环向层采用环向缠绕工艺制作得到，采用90°环向缠绕，缠绕层数为1层或多层。该环向层主要有两个作用，一是增加复合材料层的环向强度，二是通过含有纤维张力的环向缠绕，压紧中间层纤维，使尺寸内纤维体积分数增加，提升复合材料强度。

所述的外层环向层采用碳化硅纤维，使用纤维缠绕机进行90°环向缠绕，纤维缠绕张力控制在2-5N左右。