[发明专利]包壳管及其制备方法

说明书

本发明提出了包壳管及其制备方法，该包壳管从内至外包括内管、中间层和涂层，其中，内管由非锆金属形成，中间层由纤维填充的陶瓷基复合材料形成，且涂层由碳化硅形成。本发明所提出的包壳管，内管由非锆金属形成，具有金属的高延展性而比陶瓷材料有更好的韧性，且不会在高温下与水反应生成氢气，而中间层由纤维增强的陶瓷基复合材料形成，可使包壳管的耐温性能更好，且外层的碳化硅陶瓷涂层，可进一步增强包壳管的安全性，从而采用上述结构和复合材料的包壳管的使用温度达到1200摄氏度以上，并且，轴向拉伸强度更高、耐内压强度更高和热膨胀系数更小。

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，具体的，本发明涉及包壳管及其制备方法。

背景技术

核电站事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，简称ATF)，是为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料系统。与现有核燃料相比，这种新型燃料系统能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下的性能。现有的包壳管材料一般为锆合金，但锆合金在高温时会与水反应产生氢气，存在极大安全隐患，在辐照后会出现脆化、溶质偏析、第二相析出以及相分解。

碳化硅(SiC)是目前硬度仅次于金刚石的材料，它化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性好，这种材料的加盟，有望把燃料棒的耐热能力提升到1800℃。陶瓷基复合材料抗高温蠕变的性能也比耐高温金属和合金高很多。SiC/SiC陶瓷基复合材料是低活化材料，在中子辐照后不会发生脆化或延展性退化，而被认为是下一代包壳管的理想材料之一。

发明内容

为了克服锆合金的高温产生氢气的安全性问题，本发明的一个目的在于提出一种使用温度更高、安全性能更好的包壳管结构。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种包壳管。

根据本发明的实施例，所述包壳管从内至外依次包括内管、中间层和涂层，其中，所述内管由非锆金属形成，所述中间层由纤维填充的陶瓷基复合材料形成，且所述涂层由碳化硅形成。

发明人经过研究发现，本发明实施例的包壳管，内管由非锆金属形成，具有金属的高延展性而比陶瓷材料有更好的韧性，且更致密的金属材料作为内衬可克服空隙渗漏，而中间层由纤维增强的陶瓷基复合材料形成，可使包壳管的耐温性能更好，且外层的碳化硅陶瓷涂层，可进一步增强包壳管的安全性，从而采用上述结构和复合材料的包壳管的使用温度达到1200摄氏度以上，并且，轴向拉伸强度更高、耐内压强度更高和热膨胀系数更小。

另外，根据本发明上述实施例的包壳管还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述非锆金属包括钽、铌和铱。

根据本发明的实施例，所述纤维为碳纤维或碳化硅纤维。

根据本发明的实施例，所述包壳管的使用温度达到1200摄氏度以上。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述的包壳管的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括：将纤维缠绕于内管上，以获得预制体；将所述预制体通过陶瓷前驱体浸渍裂解法进行致密化，以获得包壳管毛胚；在所述包壳管毛胚的外表面沉积形成碳化硅的涂层，以获得包壳管。

发明人经过研究发现，采用本发明实施例的制备方法，在非锆金属的内管外表面缠绕纤维并致密化形成陶瓷基复合材料，再沉积碳化硅涂层，可制备出使用温度更高、安全性能更好的包壳管。本领域技术人员能够理解的是，前面针对包壳管所描述的特征和优点，仍适用于该制备包壳管的方法，在此不再赘述。

另外，根据本发明上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述内管为钽管、铌管或铱管。