本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆，具體涉及一種sic復(fù)合材料、包殼管及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、核燃料包殼管是用于容納核燃料芯塊的結(jié)構(gòu)，用于防止釋放的放射性裂變產(chǎn)物通過冷卻劑進(jìn)入到外部環(huán)境中。反應(yīng)堆中最初使用的包殼管材料是鋯(zr)基合金，其在高溫下強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、中子吸收界面小。然而在2011年的福島核事故中，鋯基合金包殼管在高溫下與蒸汽發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣，最終導(dǎo)致氫氣爆炸。為了防止此類事故的發(fā)生，國內(nèi)外科研人員致力于開發(fā)事故容錯核燃料包殼管材料。

2、碳化硅(sic)材料由于在高溫力學(xué)強(qiáng)度和耐事故能力方面具有天然優(yōu)勢，可以替代現(xiàn)有的服役性能及商業(yè)價值良好但具有危險的使用溫度上限的鋯(zr)基合金作為核燃料包殼管材料，被認(rèn)為是理想的裂變反應(yīng)堆包殼或聚變堆第一壁候選材料。sic材料包括單質(zhì)sic(m-sic)材料和sic增韌sic復(fù)合材料(sic/sic復(fù)合材料)，其中sic/sic復(fù)合材料又包括連續(xù)碳化硅纖維增韌的sic復(fù)合材料(sicf/sic復(fù)合材料)和sic晶須增韌sic復(fù)合材料(sicw/sic復(fù)合材料)等，其中，sicf/sic復(fù)合材料又包括纏繞成型的sicf/sic復(fù)合材料和編織成型的sicf/sic復(fù)合材料。

3、但是m-sic材料雖然具有高溫力學(xué)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、致密度高、氣密性好、中子吸收截面較小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但由于其機(jī)械脆性，該材料無法承受反應(yīng)堆復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，難以直接應(yīng)用。而sic/sic復(fù)合材料雖然具有一定的假塑性，能給材料提供額外的斷裂韌性，但單一sic/sic復(fù)合材料具有一定的孔隙率，其致密度的提升存在理論上限，難以滿足氣密性和熱導(dǎo)率方面的技術(shù)要求[3-5]。

4、于是為了結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的包殼管主要被設(shè)計成多種sic形態(tài)的多層結(jié)構(gòu)。例如專利申請文件cn112876257a公開了一種sicf/sic復(fù)合材料兩層復(fù)合包殼管及其制備方法，該sicf/sic復(fù)合材料兩層復(fù)合包殼管，包括sicf/sic復(fù)合層和sic陶瓷層。專利申請文件us200610039524提供了一種多層包殼管的制備方法，該包殼管是內(nèi)外層均為m-sic，中間層為sicf/sic復(fù)合材料的三層結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)或制備方法所獲得的sic復(fù)合材料包殼管，雖然能夠獲得一定的力學(xué)性能，但并不能完全滿足反應(yīng)堆應(yīng)用對材料氣密性的要求。

5、peter?j.doyle,steven?zinkle,stephen?s.raiman,"hydrothermal?corrosionbehavior?of?cvd?sic?in?high?temperature?water",j.nucl.mater.539(2020)152241.

6、t.cheng,j.r.keiser,m.p.brady,k.a.terrani,b.a.pint,j.nucl.mater.

7、427(2012)396-400.

8、g.m.jacobsen,j.d.stone,h.e.khalifa,c.p.deck,c.a.back,"investigationof?the?c-ring?test?for?measuring?hoop?tensile?strength?of?nuclear?gradeceramic?composite",j.nucl.mater.452(2014)125-132.

9、gyanender?singh,steve?gonczy,christian?deck,edgar?lara-curzio,yutaikatoh,"interlaboratory?round?robin?study?on?axial?tensil?properties?of?sic-sic?cmc?tubular?test?specimens",int?j?applied?ceramic?thechnology?2018；15:1334-1349.

10、c.p.deck,g.m.jacobsen,j.sheeder,o.gutierrez,j,zhang,j.stone,h.e.khalifa,c.a.back,"characterization?of?sic-sic?composites?for?acccidenttolerant?fuel?cladding",j.nucl.mater.466(2015)667-681.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種sic復(fù)合材料及其應(yīng)用。

2、本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料，包括至少1層sic/sic復(fù)合材料層和至少1層單質(zhì)sic層，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減。

3、本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料帶來的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果為：

4、本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料將sic/sic復(fù)合材料層和單質(zhì)sic層結(jié)合在一起，sic/sic復(fù)合材料層的剛度相對較小，而單質(zhì)sic層的剛度則相對較大，使得層間具有剛度梯度分布的特點(diǎn)；同時，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料在作為器件承力單元的sic/sic復(fù)合材料層和/或單質(zhì)sic層中構(gòu)建合適的剛度梯度分布結(jié)構(gòu)，使層內(nèi)也具有剛度梯度分布的特點(diǎn)；因此可以大大減少層間和層內(nèi)的應(yīng)力集中和應(yīng)力差異，從而可以降低器件的失效概率或sic/sic復(fù)合材料層裂紋向單質(zhì)sic層的擴(kuò)展，進(jìn)而可以顯著提高器件的氣密性。

5、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料包括至少2層所述sic/sic復(fù)合材料層和至少1層所述單質(zhì)sic層，當(dāng)2層所述sic/sic復(fù)合材料層中間設(shè)置有1層所述單質(zhì)sic層的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度從所述單質(zhì)sic層的中間位置向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減。

6、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料包括至少1層所述sic/sic復(fù)合材料層和至少2層所述單質(zhì)sic層，當(dāng)2層所述單質(zhì)sic層中間設(shè)置有1層所述sic/sic復(fù)合材料層的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度從所述sic/sic復(fù)合材料層的中間位置向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減。

7、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料包括至少2層所述sic/sic復(fù)合材料層和至少2層所述單質(zhì)sic層，當(dāng)所述sic/sic復(fù)合材料層和所述單質(zhì)sic層交替排布的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度從所述sic/sic復(fù)合材料層的中間位置向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度從所述單質(zhì)sic層的中間位置向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減。

8、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料包括至少2層所述sic/sic復(fù)合材料層和至少2層所述單質(zhì)sic層，當(dāng)2層所述sic/sic復(fù)合材料層中間設(shè)置有相互接觸的2層所述單質(zhì)sic層的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減，且2層所述單質(zhì)sic層的剛度向2層所述單質(zhì)sic層相接觸的位置梯度遞增。

9、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料包括至少2層所述sic/sic復(fù)合材料層和至少2層所述單質(zhì)sic層，當(dāng)2層所述單質(zhì)sic層中間設(shè)置有相互接觸的2層所述sic/sic復(fù)合材料層的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增，和/或，所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減，且2層所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向2層所述sic/sic復(fù)合材料層相接觸的位置遞減。

10、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層包括2-8種不同的剛度。

11、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述sic/sic復(fù)合材料層的剛度向與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的所述單質(zhì)sic層方向梯度遞增的情況下，所述sic/sic復(fù)合材料層包括纏繞成型的sicf/sic復(fù)合材料、編織成型的sicf/sic復(fù)合材料和sicw/sic復(fù)合材料層中的至少兩種。

12、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減的情況下，所述單質(zhì)sic層包括2-20種不同的剛度。

13、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減的情況下，所述單質(zhì)sic層的剛度連續(xù)變化。

14、在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述單質(zhì)sic層的剛度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞減的情況下，所述單質(zhì)sic層通過化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行制備，且所述單質(zhì)sic層的不同剛度位置的化學(xué)氣相沉積溫度向與所述單質(zhì)sic層相鄰的所述sic/sic復(fù)合材料層的方向梯度遞增。

15、在一些實(shí)施例中，所述單質(zhì)sic層的與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的位置的化學(xué)氣相沉積溫度為1100-1400℃；所述單質(zhì)sic層的遠(yuǎn)離所述sic/sic復(fù)合材料層的位置的化學(xué)氣相沉積溫度為800-1100℃；和/或所述單質(zhì)sic層中相鄰兩個不同剛度位置的化學(xué)氣相沉積溫度相差30-150℃。

16、在一些實(shí)施例中，所述單質(zhì)sic層的不同剛度位置的化學(xué)氣相沉積溫度連續(xù)變化；和/或，所述單質(zhì)sic層的與所述sic/sic復(fù)合材料層相鄰的位置的化學(xué)氣相沉積溫度為1100-1400℃，所述單質(zhì)sic層的遠(yuǎn)離所述sic/sic復(fù)合材料層的位置的化學(xué)氣相沉積溫度為800-1100℃；和/或所述單質(zhì)sic層的化學(xué)氣相沉積溫度的變化速率為0.2-2℃/min。

17、另外，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種包殼管，由本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料制備得到。

18、本發(fā)明實(shí)施例的包殼管帶來的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果為：

19、本發(fā)明實(shí)施例的包殼管既能達(dá)到15mpa正壓條件下保壓100小時無明顯泄露的良好的氣密性，又能實(shí)現(xiàn)高于19w/m·k的熱導(dǎo)率，以及具有高于180mpa的彎曲強(qiáng)度和高于170mpa的爆破強(qiáng)度，滿足核反應(yīng)堆的應(yīng)用要求，特別是能夠滿足壓水堆服役環(huán)境的要求，能有效降低壓水堆服役過程中，由于不同功能梯度區(qū)域應(yīng)力錯配問題所引發(fā)的微損傷、裂紋擴(kuò)展等災(zāi)難性失效問題或氣密性降低等問題，滿足堆內(nèi)長時間高燃耗應(yīng)用的力學(xué)、傳熱及氣密性需求，延長服役期限，提高燃耗并提供更高的事故容錯能力。

20、本發(fā)明實(shí)施例還提供了本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用，或本發(fā)明實(shí)施例的包殼管在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用。

21、本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用帶來的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果為：

22、本發(fā)明實(shí)施例的sic復(fù)合材料除了用作核反應(yīng)堆的包殼材料外，還可以應(yīng)用于核反應(yīng)堆的熱交換器、聚變堆第一壁、發(fā)動機(jī)噴嘴、鼻錐、燃燒器和流道等。