CN103818056A - SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法。该SiC/SiC复合材料管的多层结构由SiC晶须增韧SiC复合材料层和连续SiC纤维增韧SiC复合材料层根据设计需要交替叠合组成。对于三层叠合结构,是以SiC晶须增韧SiC复合材料层为内层,连续SiC纤维增韧SiC复合材料作为中间层以及SiC晶须增韧SiC复合材料作为外层;对于更多层结构,可以根据设计需要继续交替叠合构成。多层结构中SiC晶须增韧SiC复合材料层主要起到密封防渗漏作用,同时具有较高的强度和韧性,连续SiC纤维增韧SiC复合材料层起强度支撑作用,这种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构具有高的抗裂纹产生能力,高热导,高比刚度,高比强度以及优秀的抗热冲击等能力。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域,具体是用于核反应堆燃料的一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法。
背景技术
传统的核反应堆装置中,燃料是盛放在锆或者钢合金的真空密封金属管(燃料包壳)中。在正常操作过程或者意外事故中,这些燃料包壳都要确保裂变产物和辐射气体始终保留在包壳内,不能释放到冷却剂中。传统的金属包壳管存在着较多问题。第一,金属包壳相对较软,在放置入冷却***里,容易和残渣发生接触,产生外壳磨损并出现缺口,从而导致裂变产物外泄致冷却剂的严重事故。第二,包壳金属在1000℃的水蒸气环境下,会发生热变形,导致热量传输延缓,加剧包壳发生灾难性事故的发生,例如美国三里岛核电站事故。第三,大多数金属在高温下强度很低,例如,在民用核反应堆1200℃温度下,锆基合金会失去强度,在内部高气压的裂变产物膨胀下严重变形,阻止冷却剂的顺利流动,导致事故发生。
文献1“The first step for delayed hydride cracking in zirconium alloys.G.A.McRae,C.E.Coleman,B.W.Leitch.Journal of Nuclear Materials.2010,1[396]:130-144.”中主要详细分析介绍了锆合金管在高温下裂纹缺口产生的初始原因。
文献2“Fracture behaviour of zirconium alloy pressure tubes for Canadian nuclearpower reactors.W.J.Langford,L.E.J.Mooder.International Journal of Pressure Vessels andPiping.1978,4[6],275-310.”中介绍了加拿大核反应堆锆合金管的断裂行为。
为了解决上述问题,研究人员研究发明了多种结构陶瓷管。在专利US2006/0039524A1中公开了一种多层陶瓷管的结构设计,具体介绍了各层组分及制造流程,其内层和外层均为单晶SiC。在专利US2011/0170653A1中公开了一种多种组分的多层结构陶瓷管,内层和外层主要是TiC、ZrC以及Ti3SiC2,内层为SiCf/SiC复合材料。
本发明提供了一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法。该SiC/SiC复合材料管的多层结构由SiC晶须增韧SiC复合材料层和连续SiC纤维增韧SiC复合材料层根据设计需要交替叠合组成。对于三层叠合结构,是以SiC晶须增韧SiC复合材料层为内层,连续SiC纤维增韧SiC复合材料作为中间层以及SiC晶须增韧SiC复合材料作为外层;对于更多层结构,可以根据设计需要继续交替叠合构成。多层结构中SiC晶须增韧SiC复合材料层主要起到密封防渗漏作用,同时具有较高的强度和韧性,连续SiC纤维增韧SiC复合材料层起强度支撑作用,这种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构具有高的抗裂纹产生能力,高热导,高比刚度,高比强度以及优秀的抗热冲击等能力。
发明内容
为了解决现有技术中存在的强度、韧性不足以及热导率不高的问题,本发明提出了一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法。
一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构,其特征在于:由SiC晶须增韧SiC复合材料层和SiCf增韧SiC复合材料层交替叠合构成多层结构。
当多层结构结构为三层结构时,内层为SiC晶须增韧SiC复合材料层,中间层为SiCf增韧SiC复合材料层,外层为SiC晶须增韧SiC复合材料层。
一种制备所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于制备SiC晶须增韧SiC复合材料层的步骤如下:
步骤(a1)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b1)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d1)将空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f1)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min。
一种制备所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于制备SiCf增韧SiC复合材料层的步骤如下:
步骤(a2)在内层管上编织SiC纤维预制体得到复合材料管,编织结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.25~1K,编织角度为45°,编织厚度为0.2~1mm,纤维体积分数为20~50%;
步骤(b2)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为750~950℃,沉积时间为100~130h,完成SiC纤维界面层的沉积;
步骤(c2)再采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min。
一种制备所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:在空心石墨管制备SiC晶须增韧SiC复合材料层;
步骤2:在步骤1制备完成空心石墨管的SiC晶须增韧SiC复合材料层上制备SiCf增韧SiC复合材料层;
步骤3:在步骤2制备完成空心石墨管的SiCf增韧SiC复合材料层制备上SiC晶须增韧SiC复合材料层;
步骤4:重复步骤2~步骤3直至满足多层要求,然后将结构中的空心石墨管脱去,得到SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构。
一种制备所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于当多层结构结构为三层结构时的步骤如下:
步骤1、在空心石墨管制备SiC晶须增韧SiC复合材料内层:
步骤(a1)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b1)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d1)将空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f1)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤2、制备SiCf增韧SiC复合材料中间层:
步骤(a2)在内层管上编织SiC纤维预制体得到复合材料管,编织结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.25~1K,编织角度为45°,编织厚度为0.2~1mm,纤维体积分数为20~50%;
步骤(b2)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为750~950℃,沉积时间为100~130h,完成SiC纤维界面层的沉积;
步骤(c2)再采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤3、制备SiC晶须增韧SiC复合材料外层:
步骤(a3)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b3)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c3)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d3)将步骤(c2)完成的SiCf增韧SiC复合材料中层的空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉步骤2制备的空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e3)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f3)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤4:将步骤3所制备的SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构中的空心石墨管脱去,得到SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构。
所述步骤(a1)的分散是超声30~50分钟,磁力搅拌2~4小时。
本发明设计出了一种满足核用条件且强度高、热导高和韧性好的SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构,图1为该管多层结构示意图。本发明利用流延挂浆结合化学气相渗透方法制备SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构,该过程避免了烧结助剂的存在;避免了复合材料内残余硅;排除了高温高压烧结困难及存在***危险等问题。图3为制备的SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构照片。
附图说明
图1为本发明SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的制备工艺流程图;
图2是本发明中SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构设计示意图;
1-空心石墨管,2-SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层,3-SiCf增韧SiC复合材料层,4-SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层;
图3为所制SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构照片。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构及其制备方法,具体设计是:
一种SiC/SiC复合材料的三层结构及其制备方法,包括
内层为SiC晶须增韧SiC复合材料层;
中间层为SiCf增韧SiC复合材料层;
外层为SiC晶须增韧SiC复合材料层;
SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构的具体制备方法是:
步骤1:制备SiC晶须增韧SiC复合材料管内层,具体过程是:
(a1)以体积分数为40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后进行烘干;所述分散是超声30分钟,磁力搅拌2小时;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1;
(b1)混合粉料体积分数为40%,溶剂乙醇体积分数为50%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3%,球磨7h;
(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数3%,增塑剂丙三醇体积分数4%,球磨7h;
(d1)真空除气泡20min,制得稳定混合浆料;
(e1)将空心石墨管垂直浸入步骤1(d)所制成的稳定混合浆料中,以缓慢、均匀的速度垂直向上提拉空心石墨管,提拉速度为10mm/min;
(f1)重复步骤1(e),使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2mm;
(g1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为1h;
(h1)在步骤1(g)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为1050℃,沉积时间为72h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤2:制备SiCf/SiC复合材料管的中间层,具体过程是:
(a2)在步骤1(h)制备而成的复合材料管上将SiC纤维编织缠绕上去,编制结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.5K,编织角度为45°,编织厚度为0.2mm,纤维体积分数为40%;
(b2)在步骤2(a)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为870℃,沉积时间为120h,完成SiC纤维界面层的沉积;
(c2)步骤2(b)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为1050℃,沉积时间为72h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤3:以步骤2制备的复合材料管为基础,重复步骤1在复合材料管上制备SiC晶须增韧SiC复合材料管外层;
步骤4:将步骤3所制备的SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构中空心石墨管脱掉。
实施例二
本实施例是一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的制备方法,具体设计是:
一种SiC/SiC复合材料包壳管的四层结构,包括
最内层为SiC晶须增韧SiC复合材料层;
第二层为SiCf增韧SiC复合材料层;
第三层是SiC晶须增韧SiC复合材料层;
最外层是SiCf增韧SiC复合材料层;
SiC/SiC复合材料包壳管的四层结构的具体制备方法是:
步骤1:制备SiC晶须增韧SiC复合材料管内层,具体过程是:
(a1)以体积分数为50%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后进行烘干;所述分散是超声40分钟,磁力搅拌2小时;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为2:1;
(b1)混合粉料体积分数为50%,溶剂乙醇体积分数为40%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为4%,球磨7h;
(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数3%,增塑剂丙三醇体积分数3%,球磨7h;
(d1)真空除气泡30min,制得稳定混合浆料;
(e1)将空心石墨管垂直浸入步骤1(d)所制成的稳定混合浆料中,以缓慢、均匀的速度垂直向上提拉空心石墨管,提拉速度为5mm/min;
(f1)重复步骤1(e),使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.5mm;
(g1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为2h;
(h1)在步骤1(g)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为1000℃,沉积时间为80h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤2:制备SiCf/SiC复合材料管的第二层,具体过程是:
(a2)在步骤1(h)制备而成的复合材料管上将SiC纤维编织缠绕上去,编制结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.5K,编织角度为45°,编织厚度为0.2mm,纤维体积分数为40%;
(b2)在步骤2(a)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为870℃,沉积时间为120h,完成SiC纤维界面层的沉积;
(c2)步骤2(b)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为1000℃,沉积时间为80h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤3:以步骤2制备的复合材料管为基础,重复步骤1在复合材料管上制备SiC晶须增韧SiC复合材料管第三层;
步骤4:以步骤3制备的复合材料管为基础,重复步骤2在复合材料管上制备SiC纤维增韧SiC复合材料管最外层;
步骤5:将步骤4所制备的SiC/SiC复合材料包壳管的四层结构中空心石墨管脱掉。
实施例三
本实施例是一种SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构的制备方法,具体设计是:
一种SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构,包括
内层为SiC晶须增韧SiC复合材料层;
中间层为SiCf增韧SiC复合材料层;
外层为SiC晶须增韧SiC复合材料层;
SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构的具体制备方法是:
步骤1:制备SiC晶须增韧SiC复合材料管内层,具体过程是:
(a1)以体积分数为40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后进行烘干;所述分散是超声30分钟,磁力搅拌2小时;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为3:1;
(b1)混合粉料体积分数为45%,溶剂乙醇体积分数为45%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3%,球磨7h;
(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数4%,增塑剂丙三醇体积分数3%,球磨7h;
(d1)真空除气泡30min,制得稳定混合浆料;
(e1)将空心石墨管垂直浸入步骤1(d)所制成的稳定混合浆料中,以缓慢、均匀的速度垂直向上提拉空心石墨管,提拉速度为10mm/min;
(f1)重复步骤1(e),使得空心石墨管上浆料包覆厚度为1mm;
(g1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为2h;
(h1)在步骤1(g)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为1050℃,沉积时间为80h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤2:制备SiCf/SiC复合材料管的中间层,具体过程是:
(a2)在步骤1(h)制备而成的复合材料管上将SiC纤维编织缠绕上去,编制结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.5K,编织角度为45°,编织厚度为0.2mm,纤维体积分数为40%;
(b2)在步骤2(a)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为870℃,沉积时间为120h,完成SiC纤维界面层的沉积;
(c2)步骤2(b)制备的复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为1050℃,沉积时间为80h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1;所述载气氢气流量为3L/min;所述稀释氢气的流量为1L/min;所述保护氩气的流量为3L/min;
步骤3:以步骤2制备的复合材料管为基础,重复步骤1在复合材料管上制备SiC晶须增韧SiC复合材料管外层;
步骤4:将步骤3所制备的多层SiC/SiC复合材料管中空心石墨管脱掉。
Claims (7)
1.一种SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构,其特征在于:由SiC晶须增韧SiC复合材料层和SiCf增韧SiC复合材料层交替叠合构成多层结构。
2.根据权利要求1所述的SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构,其特征在于:当多层结构结构为三层结构时,内层为SiC晶须增韧SiC复合材料层,中间层为SiCf增韧SiC复合材料层,外层为SiC晶须增韧SiC复合材料层。
3.一种制备权利要求1所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于制备SiC晶须增韧SiC复合材料层的步骤如下:
步骤(a1)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b1)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d1)将空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f1)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min。
4.一种制备权利要求1所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于制备SiCf增韧SiC复合材料层的步骤如下:
步骤(a2)在内层管上编织SiC纤维预制体得到复合材料管,编织结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.25~1K,编织角度为45°,编织厚度为0.2~1mm,纤维体积分数为20~50%;
步骤(b2)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为750~950℃,沉积时间为100~130h,完成SiC纤维界面层的沉积;
步骤(c2)再采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min。
5.一种制备权利要求1所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:在空心石墨管制备SiC晶须增韧SiC复合材料层;
步骤2:在步骤1制备完成空心石墨管的SiC晶须增韧SiC复合材料层上制备SiCf增韧SiC复合材料层;
步骤3:在步骤2制备完成空心石墨管的SiCf增韧SiC复合材料层制备上SiC晶须增韧SiC复合材料层;
步骤4:重复步骤2~步骤3直至满足多层要求,然后将结构中的空心石墨管脱去,得到SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构。
6.一种制备权利要求2所述SiC/SiC复合材料包壳管的多层结构的方法,其特征在于当多层结构结构为三层结构时的步骤如下:
步骤1、在空心石墨管制备SiC晶须增韧SiC复合材料内层:
步骤(a1)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b1)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c1)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d1)将空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e1)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f1)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤2、制备SiCf增韧SiC复合材料中间层:
步骤(a2)在内层管上编织SiC纤维预制体得到复合材料管,编织结构为3D织物结构,编织参数为:SiC纤维线密度为0.25~1K,编织角度为45°,编织厚度为0.2~1mm,纤维体积分数为20~50%;
步骤(b2)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积热解碳(PyC)界面,沉积条件为:以丙烯为源物质,以氩气为稀释气体,沉积温度为750~950℃,沉积时间为100~130h,完成SiC纤维界面层的沉积;
步骤(c2)再采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiCf增韧SiC复合材料层的制备;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤3、制备SiC晶须增韧SiC复合材料外层:
步骤(a3)以体积分数为20~40%的酒精为溶液,分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料,分散后烘干;所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1~3:1;
步骤(b3)混合粉料体积分数为30~50%,溶剂乙醇体积分数为40~70%,分散剂磷酸三乙酯体积分数为3~4%,混合后球磨5~8h得到浆料;
步骤(c3)在上述浆料中,加入粘结剂PVB体积分数2~3%,增塑剂丙三醇体积分数2~3%,再球磨5~9h后;真空除气泡20~40min,制得稳定混合浆料;
步骤(d3)将步骤(c2)完成的SiCf增韧SiC复合材料中层的空心石墨管垂直浸入稳定混合浆料中,以5~15mm/min的提拉速度垂直向上提拉步骤2制备的空心石墨管;重复本过程使得空心石墨管上浆料包覆厚度为0.2~0.5mm;
步骤(e3)将包覆浆料的空心石墨管置于阴凉通风处风干,风干时间为0.5~2h得到复合材料管;
步骤(f3)在复合材料管上采用化学气相渗透法沉积SiC基体,沉积条件为:以三氯甲基硅烷为源物质,以氢气为稀释气体,以氩气为保护气体,以氢气为载气,沉积温度为900~1100℃,沉积时间为60~90h,完成单层SiC晶须结合SiC颗粒复合材料的制备,得到具有SiC晶须结合SiC颗粒复合材料层的内层管;所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为11:1~8:1;所述载气氢气流量为3~5L/min;所述稀释氢气的流量为1~2L/min;所述保护氩气的流量为3~5L/min;
步骤4:将步骤3所制备的SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构中的空心石墨管脱去,得到SiC/SiC复合材料包壳管的三层结构。
7.根据权利要求3或6所述的制备方法,其特征在于所述步骤(a1)的分散是超声30~50分钟,磁力搅拌2~4小时。
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