本發(fā)明屬于新型核包殼材料制造工藝領(lǐng)域，具體涉及一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法。
背景技術(shù)：
目前，所有的商用輕水反應(yīng)堆燃料包殼都是以Zr為基體的合金。這一族材料經(jīng)過50多年的研究和應(yīng)用，核燃料的性能以及此類燃料包殼的可靠性均有大幅度的提升。然而，鋯合金包殼的服役壽命要受到材料腐蝕性能的影響，即在反應(yīng)堆冷卻劑中的氧化，尤其是氫的吸收，而且，一旦遇到高溫蒸汽，鋯合金的腐蝕將更為迅速。同時(shí)，隨著235U富集度的進(jìn)一步增加，或者由于其它方面的變化使得燃料中裂變產(chǎn)物的量進(jìn)一步升高，這就要求研發(fā)具有更為優(yōu)良的抗輻照損傷和耐腐蝕性能的其它材料，同時(shí)，也要求此類材料在發(fā)生嚴(yán)重事故的條件下，其性能惡化的程度能夠進(jìn)一步降低。因此，從長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)來看，開發(fā)新型包殼材料勢(shì)在必行。SiC復(fù)合材料能夠滿足輕水反應(yīng)堆對(duì)更高安全性、更高性能以及更高經(jīng)濟(jì)性的要求，相對(duì)于鋯合金包殼，以SiC為基體的燃料包殼優(yōu)勢(shì)更為明顯，具體如下：
對(duì)熱中子的吸收率更低(比相同壁厚的鋯包殼低～25％)；
在正常運(yùn)行過程中幾乎不存在腐蝕和氫的聚集，這樣可以大幅提高燃料的壽命和提升燃料的富集度；
高溫條件下幾乎不損失強(qiáng)度，且腐蝕速率低；
發(fā)生重大事故時(shí)降解速率極低：不會(huì)熔毀，腐蝕速率低，微量/無氫氣。
基于上述特點(diǎn)，SiC是一種非常有應(yīng)用前景的包殼材料。因此，開展SiCf/SiC復(fù)合材料及其包殼制備工藝的研究，對(duì)于提升燃料元件壽命、提高燃料燃耗以及增加反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理工藝方法，其經(jīng)過高溫裂解后，固化在包殼管內(nèi)部的前軀體分解，在包殼管內(nèi)部纖維間獲得碳化硅沉積物。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案：一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其包括如下步驟：
步驟一：將SiC復(fù)合纖維纏繞形成的包殼預(yù)制件放置于高溫?zé)Y(jié)爐中，抽真空至20Pa以下，充入氬氣至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，再次抽真空充氬氣，如此反復(fù)2～4次；
步驟二：繼續(xù)通入氬氣使?fàn)t體達(dá)到微正壓0.1～0.105MPa，保持氬氣通入、流出的狀態(tài)開始升溫，氬氣通入及流出量為1～10L/min，升溫速度為3～15℃/min；
步驟三：當(dāng)溫度達(dá)到1000～1600℃時(shí)，保溫1～2h，使SiC復(fù)合纖維纏繞后的包殼預(yù)制件發(fā)生裂解反應(yīng)；
步驟四：到達(dá)保溫時(shí)間后，停止加熱，繼續(xù)通入氬氣，樣品隨爐緩慢降溫，到達(dá)室溫時(shí)出爐。
如上所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其在步驟四之后還對(duì)高溫裂解后的SiC復(fù)合材料包殼管進(jìn)行氣相沉積。
如上所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其所述的在步驟四之后還對(duì)高溫裂解后的SiC復(fù)合材料包殼管進(jìn)行氣相沉積，具體步驟如下：
1)首先在20Pa以內(nèi)的真空狀態(tài)下加熱，并通入三氯甲基硅烷、氬氣、氫氣的混合氣體，保持一定溫度開始沉積；
2)沉積結(jié)束后，取出SiC復(fù)合材料包殼管，重復(fù)步驟1)，進(jìn)行多次沉積，以獲得不同厚度沉積層的碳化硅復(fù)合包殼管。
如上所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其所述步驟1)中，通入三氯甲基硅烷流量為100mL/min～5000mL/min，氬氣流量為2L/min～6L/min，氫氣流量為1L/min～6L/min。
如上所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其所述步驟2)中，氣相沉積溫度1000℃～1200℃，氣相沉積時(shí)間6h～60h。
本發(fā)明的效果在于：本發(fā)明首次在碳化硅復(fù)合包殼材料中采用高溫裂解的手段，設(shè)計(jì)了碳化硅復(fù)合材料包殼管裂解的工藝方法，通過工藝實(shí)驗(yàn)確定了最佳參數(shù)，裂解后的包殼管內(nèi)部獲得了明顯的碳化硅產(chǎn)物，裂解反應(yīng)進(jìn)行完全充分是后續(xù)氣相沉積工藝致密化的基礎(chǔ)，目前工藝裂解后的包殼管經(jīng)過后續(xù)的氣相滲透后陶瓷化現(xiàn)象顯著，相對(duì)密度可達(dá)到85％以上。該工藝為新一代包殼材料，碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包殼的研制和應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)和保障。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理工藝方法作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1
本發(fā)明所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其包括如下步驟：
步驟一：將SiC復(fù)合纖維纏繞形成的包殼預(yù)制件放置于高溫?zé)Y(jié)爐中，抽真空至20Pa以下，充入氬氣至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，再次抽真空充氬氣，如此反復(fù)3次；
步驟二：繼續(xù)通入氬氣使?fàn)t體達(dá)到微正壓0.1MPa，保持氬氣通入、流出的狀態(tài)開始升溫，氬氣通入及流出量為5L/min，升溫速度為10℃/min；
步驟三：當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，保溫2h，使SiC復(fù)合纖維纏繞后的包殼預(yù)制件發(fā)生裂解反應(yīng)；
步驟四：到達(dá)保溫時(shí)間后，停止加熱，繼續(xù)通入氬氣，樣品隨爐緩慢降溫，到達(dá)室溫時(shí)出爐。
在步驟四之后還對(duì)高溫裂解后的SiC復(fù)合材料包殼管進(jìn)行氣相沉積，具體步驟如下：
1)首先在20Pa以內(nèi)的真空狀態(tài)下加熱，并通入三氯甲基硅烷、氬氣、氫氣的混合氣體，保持一定溫度開始沉積；通入三氯甲基硅烷流量為800mL/min，氬氣流量為4L/min，氫氣流量為2L/min。氣相沉積溫度1100℃，氣相沉積時(shí)間20h。
2)沉積結(jié)束后，取出SiC復(fù)合材料包殼管，重復(fù)步驟1)，進(jìn)行3次沉積，以獲得不同厚度沉積層的碳化硅復(fù)合包殼管。
實(shí)施例2
本發(fā)明所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其包括如下步驟：
步驟一：將SiC復(fù)合纖維纏繞形成的包殼預(yù)制件放置于高溫?zé)Y(jié)爐中，抽真空至20Pa以下，充入氬氣至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，再次抽真空充氬氣，如此反復(fù)2次；
步驟二：繼續(xù)通入氬氣使?fàn)t體達(dá)到微正壓0.105MPa，保持氬氣通入、流出的狀態(tài)開始升溫，氬氣通入及流出量為1L/min，升溫速度為3℃/min。
步驟三：當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時(shí)，保溫2h，使SiC復(fù)合纖維纏繞后的包殼預(yù)制件發(fā)生裂解反應(yīng)；
步驟四：到達(dá)保溫時(shí)間后，停止加熱，繼續(xù)通入氬氣，樣品隨爐緩慢降溫，到達(dá)室溫時(shí)出爐。
實(shí)施例3
本發(fā)明所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其包括如下步驟：
步驟一：將SiC復(fù)合纖維纏繞形成的包殼預(yù)制件放置于高溫?zé)Y(jié)爐中，抽真空至20Pa以下，充入氬氣至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，再次抽真空充氬氣，如此反復(fù)4次；
步驟二：繼續(xù)通入氬氣使?fàn)t體達(dá)到微正壓0.1MPa，保持氬氣通入、流出的狀態(tài)開始升溫，氬氣通入及流出量為10L/min，升溫速度為15℃/min。
步驟三：當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，保溫1h，使SiC復(fù)合纖維纏繞后的包殼預(yù)制件發(fā)生裂解反應(yīng)；
步驟四：到達(dá)保溫時(shí)間后，停止加熱，繼續(xù)通入氬氣，樣品隨爐緩慢降溫，到達(dá)室溫時(shí)出爐。
在步驟四之后還對(duì)高溫裂解后的SiC復(fù)合材料包殼管進(jìn)行氣相沉積，具體步驟如下：
1)首先在20Pa以內(nèi)的真空狀態(tài)下加熱，并通入三氯甲基硅烷、氬氣、氫氣的混合氣體，保持一定溫度開始沉積；通入三氯甲基硅烷流量為5000mL/min，氬氣流量為6L/min，氫氣流量為6L/min。氣相沉積溫度1200℃，氣相沉積時(shí)間6h。
2)沉積結(jié)束后，取出SiC復(fù)合材料包殼管，重復(fù)步驟1)，進(jìn)行2次沉積，以獲得不同厚度沉積層的碳化硅復(fù)合包殼管。
實(shí)施例4
本發(fā)明所述的一種SiC復(fù)合纖維纏繞包殼的高溫裂解處理方法，其包括如下步驟：
步驟一：將SiC復(fù)合纖維纏繞形成的包殼預(yù)制件放置于高溫?zé)Y(jié)爐中，抽真空至20Pa以下，充入氬氣至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，再次抽真空充氬氣，如此反復(fù)3次；
步驟二：繼續(xù)通入氬氣使?fàn)t體達(dá)到微正壓0.1MPa，保持氬氣通入、流出的狀態(tài)開始升溫，氬氣通入及流出量為6L/min，升溫速度為10℃/min。
步驟三：當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，保溫1.5h，使SiC復(fù)合纖維纏繞后的包殼預(yù)制件發(fā)生裂解反應(yīng)；
步驟四：到達(dá)保溫時(shí)間后，停止加熱，繼續(xù)通入氬氣，樣品隨爐緩慢降溫，到達(dá)室溫時(shí)出爐。
在步驟四之后還對(duì)高溫裂解后的SiC復(fù)合材料包殼管進(jìn)行氣相沉積，具體步驟如下：
1)首先在20Pa以內(nèi)的真空狀態(tài)下加熱，并通入三氯甲基硅烷、氬氣、氫氣的混合氣體，保持一定溫度開始沉積；通入三氯甲基硅烷流量為100mL/min，氬氣流量為2L/min，氫氣流量為1L/min。氣相沉積溫度1000℃，氣相沉積時(shí)間60h。
2)沉積結(jié)束后，取出SiC復(fù)合材料包殼管，重復(fù)步驟1)，進(jìn)行4次沉積，以獲得不同厚度沉積層的碳化硅復(fù)合包殼管。
以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，與本發(fā)明構(gòu)思無實(shí)質(zhì)性差異的各種方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。