FR2769621A1 - MANCHON CYLINDRIQUE DE SiC ET SON PROCEDE DE FABRICATION - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un manchon cylindrique.Elle se rapporte à un manchon cylindrique (11) à paroi mince qui comprend un matériau composite de SiC armé d'une fibre de SiC (SiC/ SiC) ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm. Il comprend une fibre continue de SiC tricotée circulairement. Le matériau composite SiC/ SiC est obtenu par imprégnation d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement par un composé organique du silicium, puis par calcination de la fibre continue de SiC ainsi imprégnée. Il comprend au plus trois couches stratifiées d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement.Application aux barres de contrôle des réacteurs nucléaires.
Description
La présente invention concerne un manchon cylindrique qui comporte un matériau composite de SiC armé de fibres de
SiC, qui peut présenter une excellente durabilité même dans des conditions sévères telles qu'une irradiation par un rayonnement radioactif, etc. Le manchon de matériau composite selon la présente invention peut avantageusement être utilisé en particulier comme composant (ou élément) destiné à être placé dans un réacteur nucléaire, comme composant constituant une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire, comme composant à flux thermique élevé destiné à la constitution d'un réacteur de fusion nucléaire, comme composant destiné à être incorporé à un échangeur de chaleur à haute température, etc.
SiC, qui peut présenter une excellente durabilité même dans des conditions sévères telles qu'une irradiation par un rayonnement radioactif, etc. Le manchon de matériau composite selon la présente invention peut avantageusement être utilisé en particulier comme composant (ou élément) destiné à être placé dans un réacteur nucléaire, comme composant constituant une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire, comme composant à flux thermique élevé destiné à la constitution d'un réacteur de fusion nucléaire, comme composant destiné à être incorporé à un échangeur de chaleur à haute température, etc.
Un matériau céramique est bien connu pour son excellente résistance à la chaleur. Cependant, ce n'est que récemment qu'il a surmonté l'inconvénient de sa "fragilité si bien qu'il peut conserver une résistance mécanique élevée même à température élevée. Cependant, étant donné les caractéristiques "dures et fragiles" d'un matériau céramique, il a fallu prendre des précautions ou utiliser des dispositifs spéciaux avec un matériau céramique ayant une résistance voulue à la chaleur et une résistance mécanique élevée comme matériau de construction, c'est-à-dire qu'il a fallu traiter avec précision ou mettre à une forme précise voulue le matériau céramique.
Par exemple, dans le cas d'un "manchon" qui est un organe cylindrique creux, lorsqu'un matériau céramique monolithique est utilisé, le matériau céramique risque de provoquer une fracture fragile pendant le traitement, la mise en forme ou l'usinage. Ainsi, il est difficile de préparer un long manchon (par exemple ayant une longueur de 1 m environ) ayant une épaisseur de paroi de 0,2 à 0,4 mm.
Lorsqu'un matériau composite de carbone armé de fibres de carbone est utilisé comme matériau pour la constitution d'un manchon, un long manchon du type précité peut être préparé. Cependant, le matériau composite de carbone armé de fibres de carbone pose un problème car il risque de provoquer une réaction de carburation avec un revêtement (ou tube de recouvrement) comprenant de l'acier inoxydable (c'est-àdire que le carbone peut diffuser et pénétrer dans la couche de surface de l'acier inoxydable).
Lorsqu'un acier réfractaire est utilisé comme matériau d'un manchon, il est aussi possible de préparer un long manchon. Cependant, l'acier réfractaire pose un problème car il risque de provoquer une réaction de carburation avec une pastille de carbure de bore (BC) constituant un absorbeur de neutrons (ou un matériau absorbant les neutrons).
Lorsqu'un matériau composite à liant céramique (CMC) armé de fibres d'alumine est utilisé comme matériau pour le manchon, ce matériau pose un problème car il peut présenter un gonflement ou une dilatation en volume lorsqu'il est irradié par des neutrons.
Jusqu'à présent, on a utilisé, comme barre de contrôle d'un réacteur nucléaire, tel qu'un réacteur surgénérateur rapide, une barre comprenant un revêtement d'acier inoxydable et une pastille de B4C introduite dans le revêtement.
Lorsque la barre de contrôle placée dans un réacteur nucléaire est irradiée par des neutrons, la température de la barre de contrôle augmente et l'acier inoxydable qui constitue le revêtement peut être carburé par B4C si bien qu'il devient fragile et le revêtement peut se briser. En outre, comme B4C absorbe les neutrons, il dégage de l'hélium et se dilate, et la pastille de B4C se brise sous l'action de la contrainte thermique due au dégagement de chaleur, et les fragments résultants se déplacent si bien qu'ils remplissent l'espace compris entre la pastille de B4C et le revêtement d'acier inoxydable. Lorsque cette pastille est irradiée de façon continue par des neutrons dans ces conditions, la contrainte résultante peut agir entre B4C ainsi expansé et le tube d'acier inoxydable si bien que le revêtement d'acier inoxydable peut être détérioré dans certains cas.
Compte tenu de ces circonstances et afin que les fragments de carbure de bore B4C ne puissent pas se déplacer dans le revêtement, on a proposé une structure dans laquelle un tube à paroi mince (habituellement appelé "blindage") comprenant de l'acier inoxydable austénitique, de l'acier inoxydable ferritique, etc., est placé dans le revêtement précité d'acier inoxydable afin que le blindage recouvre toute la longueur de la pastille d'absorption de neutrons (voir la demande de brevet japonais publiée Kokoku n" Hei 6-31 769, c'est-à-dire 31 769/1994).
Cependant, lorsque la barre précitée de contrôle ayant le blindage est utilisée pendant une longue période, ce blindage contenant l'acier inoxydable pose un problème car il réagit avec la pastille de carbure de bore et perd sa ductilité par carburation, etc., si bien que son fonctionnement ou ses performances comme tube de blindage sont réduits.
La présente invention a pour objet la réalisation d'un manchon ayant d'excellentes propriétés de résistance à la chaleur et de corrosion, une résistance mécanique élevée et une bonne précision pour la mise en forme (ou pour l'ouvrabilité) même dans des conditions sévères par exemple lorsque le manchon est exposé à un rayonnement.
La présente invention a aussi pour objet la réalisation d'un manchon qui peut présenter d'excellentes performances ou une excellente fonction comme tube de blindage destiné à être utilisé comme barre de contrôle nucléaire pour la commande d'un réacteur nucléaire.
La présente invention a aussi pour objet la réalisation d'un manchon ayant une excellente compatibilité avec le carbure de bore constituant un matériau d'absorption de neutrons.
A la suite d'une étude élaborée, les inventeurs ont constaté qu'un manchon à paroi mince ayant une excellente durabilité, même dans des conditions sévères, pouvait être produit par utilisation d'un matériau composite de SiC armé de fibres de SiC qui, jusqu'à présent, a été considéré comme un matériau difficile à mettre sous forme d'un manchon à paroi mince.
Le manchon de matériau composite de SiC armé de fibres de SiC selon l'invention repose sur la découverte précédente et comporte un matériau composite de SiC armé de fibres de
SiC (SiC/SiC) qui possède une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm.
SiC (SiC/SiC) qui possède une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm.
L'invention concerne aussi un procédé de production d'un manchon cylindrique d'un matériau composite de SiC, le manchon ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm et étant formé par répétition d'une étape d'imprégnation par un composé organique du silicium, de trois couches stratifiées ou plus de fibres continues de SiC tricotées circulairement puis par calcination de la fibre continue de SiC ainsi imprégnée afin que la fibre continue de SiC tricotée circulairement soit densifiée.
Comme décrit précédemment, lorsque le matériau composite de SiC armé de fibres de SiC est réalisé sous forme d'un manchon à paroi mince de porosité spécifique indiquée précédemment, on obtient un manchon ayant une caractéristique particulièrement bonne comme composant (ou élément) de construction ou organe résistant qui peut être utilisé dans des conditions dans lesquelles il est nécessaire que le matériau possède de bonnes propriétés de résistance à la chaleur, de résistance à la corrosion, de résistance mécanique élevée et/ou de précision dans la mise en forme.
En particulier, lorsque le manchon comprenant un matériau composite à base de SiC armé de fibres de SiC selon l'invention est introduit comme blindage entre un revêtement d'acier inoxydable et une pastille de B4C (absorbeur de neutrons) , on obtient une barre de contrôle ayant d'excellentes caractéristiques si bien que le blindage est très peu détérioré par l'irradiation par des neutrons, le blindage a une tolérance aux détériorations mécaniques (c'est-à-dire une bonne durabilité dans le cas où une partie du blindage est détériorée mécaniquement), le déplacement ou la migration de B4C dans le revêtement d'acier inoxydable peut être évité, et le revêtement d'acier inoxydable risque peu d'être détérioré. Lorsque le manchon selon la présente invention est utilisé comme blindage, contrairement au cas de l'utilisation d'un blindage d'acier inoxydable, la carburation du matériau composite à base de SiC armé de fibres de SiC constituant le manchon selon l'invention est réduite à une valeur extrêmement faible.
En outre1 comme le manchon selon la présente invention peut être mis sous forme d'un manchon à paroi mince dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 0,5 mm, contrairement au cas de l'utilisation d'un manchon à paroi épaisse comme blindage, la quantité de pastilles de B4C introduites dans le blindage n'est pas réduite, si bien que la capacité d'absorption des neutrons de la barre de contrôle n'est pas réduite.
Les tableaux 1 à 3 qui suivent donnent des comparaisons entre divers types de procédé de production de matériau
SiC/SiC, par comparaison entre divers types de fibres continues minérales et par comparaison entre divers types de matériau, dans le cas où leur utilisation comme blindage est prise en considération. On peut se référer, pour les résultats sur lesquels reposent ces comparaisons, aux communications de R. H. Jones, D. Steiner, H. L. Heinisch et al.,
Journal of Nuclear Materials, 245, (1997), pages 87 à 107, et de F. W. Clinard Jr., G. F. Hurley et R. W. Klaffky, Res
Mechanica, 8, (1983), pages 207 à 234.
SiC/SiC, par comparaison entre divers types de fibres continues minérales et par comparaison entre divers types de matériau, dans le cas où leur utilisation comme blindage est prise en considération. On peut se référer, pour les résultats sur lesquels reposent ces comparaisons, aux communications de R. H. Jones, D. Steiner, H. L. Heinisch et al.,
Journal of Nuclear Materials, 245, (1997), pages 87 à 107, et de F. W. Clinard Jr., G. F. Hurley et R. W. Klaffky, Res
Mechanica, 8, (1983), pages 207 à 234.
Tableau 1 : Comparaisons entre divers types de procédés de production de matériaux SiC/SiC dans le blindage
Tableau 1
Tableau 1
<tb> <SEP> Imprégnation <SEP> Procédé <SEP> de <SEP> Procédé <SEP> d'impré
<tb> <SEP> Procédé <SEP> de <SEP> par <SEP> dépôt <SEP> chi- <SEP> cuisson <SEP> gnationparun <SEP>
<tb> <SEP> production <SEP> mique <SEP> en <SEP> phase <SEP> réactive <SEP> et <SEP> polymère, <SEP> pressage
<tb> <SEP> vapeur <SEP> CVI <SEP> frittage <SEP> RB <SEP> et <SEP> cuisson <SEP> PIP
<tb> Installation <SEP> (1 <SEP> m) <SEP> A <SEP> A <SEP> O <SEP>
<tb> Dimension <SEP> de <SEP> la <SEP> paroi <SEP> A <SEP> <SEP> A <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> mince <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> Tolérance <SEP> à <SEP> la <SEP> dété
<tb> <SEP> rioration <SEP> mécanique
<tb> évaluation <SEP> globale <SEP> <SEP> A <SEP> A <SEP> o <SEP>
<tb>
Tableau 2 : Comparaisons entre divers types de fibres continues minérales pour le blindage
Tableau 2
<tb> <SEP> Procédé <SEP> de <SEP> par <SEP> dépôt <SEP> chi- <SEP> cuisson <SEP> gnationparun <SEP>
<tb> <SEP> production <SEP> mique <SEP> en <SEP> phase <SEP> réactive <SEP> et <SEP> polymère, <SEP> pressage
<tb> <SEP> vapeur <SEP> CVI <SEP> frittage <SEP> RB <SEP> et <SEP> cuisson <SEP> PIP
<tb> Installation <SEP> (1 <SEP> m) <SEP> A <SEP> A <SEP> O <SEP>
<tb> Dimension <SEP> de <SEP> la <SEP> paroi <SEP> A <SEP> <SEP> A <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> mince <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> Tolérance <SEP> à <SEP> la <SEP> dété
<tb> <SEP> rioration <SEP> mécanique
<tb> évaluation <SEP> globale <SEP> <SEP> A <SEP> A <SEP> o <SEP>
<tb>
Tableau 2 : Comparaisons entre divers types de fibres continues minérales pour le blindage
Tableau 2
<tb> Nature <SEP> A1203 <SEP> Si-c-O <SEP> <SEP> Si-Ti-C-O
<tb> Nom <SEP> commercial <SEP> "Almax" <SEP> "Nicalon" <SEP> "Tirano"
<tb> Ouvrabilité <SEP> au <SEP> tissage <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP>
<tb> Détérioration <SEP> "Newtron" <SEP> A <SEP> <SEP> A <SEP> X <SEP>
<tb> <SEP> (Gonflement) <SEP> (Contenant <SEP> Ti)
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> O <SEP> X <SEP> X
<tb> <SEP> (He, <SEP> 1 <SEP> 300 <SEP> C) <SEP> (Oxygène) <SEP> (Oxygène)
<tb> Evaluation <SEP> globale <SEP> # <SEP> # <SEP> <SEP> x <SEP>
<tb>
Tableau 2 (suite)
<tb> Nom <SEP> commercial <SEP> "Almax" <SEP> "Nicalon" <SEP> "Tirano"
<tb> Ouvrabilité <SEP> au <SEP> tissage <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP>
<tb> Détérioration <SEP> "Newtron" <SEP> A <SEP> <SEP> A <SEP> X <SEP>
<tb> <SEP> (Gonflement) <SEP> (Contenant <SEP> Ti)
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> O <SEP> X <SEP> X
<tb> <SEP> (He, <SEP> 1 <SEP> 300 <SEP> C) <SEP> (Oxygène) <SEP> (Oxygène)
<tb> Evaluation <SEP> globale <SEP> # <SEP> # <SEP> <SEP> x <SEP>
<tb>
Tableau 2 (suite)
<tb> Nature <SEP> Si-N-C-O <SEP> SiC/C <SEP> SiC
<tb> Nom <SEP> commercial <SEP> "Tonen" <SEP> "FP" <SEP> "Hi-Nicalon"
<tb> Ouvrabilité <SEP> au <SEP> tissage <SEP> O <SEP> X <SEP> O
<tb> Détérioration <SEP> "Newtron" <SEP> # <SEP> <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> (Contenant <SEP> N)
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> X <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> (He, <SEP> 1 <SEP> 300 <SEP> C) <SEP> (Azote)
<tb> Evaluation <SEP> globale <SEP> X <SEP> X <SEP> O
<tb>
Tableau 3 : Comparaisons entre divers types de matériaux utilisés comme blindages
Tableau 3
<tb> Nom <SEP> commercial <SEP> "Tonen" <SEP> "FP" <SEP> "Hi-Nicalon"
<tb> Ouvrabilité <SEP> au <SEP> tissage <SEP> O <SEP> X <SEP> O
<tb> Détérioration <SEP> "Newtron" <SEP> # <SEP> <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> (Contenant <SEP> N)
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> chaleur <SEP> X <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> (He, <SEP> 1 <SEP> 300 <SEP> C) <SEP> (Azote)
<tb> Evaluation <SEP> globale <SEP> X <SEP> X <SEP> O
<tb>
Tableau 3 : Comparaisons entre divers types de matériaux utilisés comme blindages
Tableau 3
<tb> <SEP> Qualité <SEP> nécessaire <SEP> Céramique <SEP> Acier
<tb> <SEP> C/C*1 <SEP> SiC/SiC*2
<tb> <SEP> monolithique <SEP> réfractaire
<tb> Dimension <SEP> de <SEP> paroi <SEP> X <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> mince <SEP> (0,3 <SEP> mm)
<tb> Réaction <SEP> avec <SEP> tube <SEP> O <SEP> O <SEP> X <SEP> (Carbu- <SEP> O
<tb> <SEP> d'acier <SEP> inoxydable <SEP> ration)
<tb> Réaction <SEP> avec <SEP> pastille <SEP> O <SEP> X <SEP> (Carbu- <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> de <SEP> B4C <SEP> ration)
<tb> Tolérance <SEP> aux <SEP> détério- <SEP> X <SEP> (Catas- <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> rations <SEP> mécaniques <SEP> trophique)
<tb> Transmittance <SEP> des <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> neutrons
<tb> Evaluation <SEP> globale*3 <SEP> X <SEP> # <SEP> <SEP> # <SEP> <SEP> O
<tb> *1 Matériau composite de carbone armé de fibres de carbone *2 Matériau composite de SiC armé de fibres de SiC
Sur les tableaux X signifie mauvais, A signifie passable et O signifie bon.
<tb> <SEP> C/C*1 <SEP> SiC/SiC*2
<tb> <SEP> monolithique <SEP> réfractaire
<tb> Dimension <SEP> de <SEP> paroi <SEP> X <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> mince <SEP> (0,3 <SEP> mm)
<tb> Réaction <SEP> avec <SEP> tube <SEP> O <SEP> O <SEP> X <SEP> (Carbu- <SEP> O
<tb> <SEP> d'acier <SEP> inoxydable <SEP> ration)
<tb> Réaction <SEP> avec <SEP> pastille <SEP> O <SEP> X <SEP> (Carbu- <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> de <SEP> B4C <SEP> ration)
<tb> Tolérance <SEP> aux <SEP> détério- <SEP> X <SEP> (Catas- <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> rations <SEP> mécaniques <SEP> trophique)
<tb> Transmittance <SEP> des <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> O
<tb> <SEP> neutrons
<tb> Evaluation <SEP> globale*3 <SEP> X <SEP> # <SEP> <SEP> # <SEP> <SEP> O
<tb> *1 Matériau composite de carbone armé de fibres de carbone *2 Matériau composite de SiC armé de fibres de SiC
Sur les tableaux X signifie mauvais, A signifie passable et O signifie bon.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une coupe schématique représentant l'état multicouche d'un noyau, d'un manchon et d'un papier de séparation lorsque le manchon est découpé avec un organe de coupe après son tissage
la figure 2 est une coupe schématique d'un mode de réalisation dans lequel le manchon selon l'invention est utilisé comme blindage d'une barre de contrôle pour la commande d'un réacteur nucléaire ; et
la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 2.
la figure 1 est une coupe schématique représentant l'état multicouche d'un noyau, d'un manchon et d'un papier de séparation lorsque le manchon est découpé avec un organe de coupe après son tissage
la figure 2 est une coupe schématique d'un mode de réalisation dans lequel le manchon selon l'invention est utilisé comme blindage d'une barre de contrôle pour la commande d'un réacteur nucléaire ; et
la figure 3 est une vue partielle agrandie de la figure 2.
Sur les figures 1 à 3, la référence 1 désigne un manchon, la référence 2 un matériau de noyau, la référence 3 un papier de séparation, la référence 10 un absorbeur de neutrons, la référence 11 un blindage, la référence 12 un espace et la référence 13 un revêtement.
En outre, dans la description qui suit, les parties et pourcentages utilisés pour donner des quantités et des rapports sont pondéraux sauf indications contraires.
Manchon
Le manchon selon l'invention comprend un matériau composite à base de SiC armé de fibres de SiC et forme un manchon dont la porosité est inférieure ou égale à 40 % et l'épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.
Le manchon selon l'invention comprend un matériau composite à base de SiC armé de fibres de SiC et forme un manchon dont la porosité est inférieure ou égale à 40 % et l'épaisseur inférieure ou égale à 5 mm.
Porosité
Dans le manchon selon l'invention, la porosité est inférieure ou égale à 40 %. Cette porosité est de préférence comprise entre 5 et 35 % (très avantageusement entre 5 et 15 %)-
Selon l'invention, la porosité précitée "p" est définie de la manière suivante p = (densité vraie ou absolue - densité apparente)
/(densité véritable)
La "densité apparente" et la "densité véritable" peuvent être mesurées par le procédé suivant.
Dans le manchon selon l'invention, la porosité est inférieure ou égale à 40 %. Cette porosité est de préférence comprise entre 5 et 35 % (très avantageusement entre 5 et 15 %)-
Selon l'invention, la porosité précitée "p" est définie de la manière suivante p = (densité vraie ou absolue - densité apparente)
/(densité véritable)
La "densité apparente" et la "densité véritable" peuvent être mesurées par le procédé suivant.
Procédé de mesure de la densité apparente
Le volume d'un échantillon à mesurer est calculé d'après ses dimensions puis l'échantillon est pesé. La densité apparente de l'échantillon est déterminée d'après les données mesurées avec la formule suivante
densité apparente = poids/volume
Procédé de mesure de la densité véritable
Le principe de mesure de la densité véritable met en oeuvre le principe d'Archimède. Comme procédé d'essai correspondant, on peut citer la norme japonaise JIS R-7212 selon laquelle du butanol est utilisé comme liquide et la densité véritable d'un échantillon est mesurée après pulvérisation en poudre de dimension inférieure ou égale à 149 um.
Le volume d'un échantillon à mesurer est calculé d'après ses dimensions puis l'échantillon est pesé. La densité apparente de l'échantillon est déterminée d'après les données mesurées avec la formule suivante
densité apparente = poids/volume
Procédé de mesure de la densité véritable
Le principe de mesure de la densité véritable met en oeuvre le principe d'Archimède. Comme procédé d'essai correspondant, on peut citer la norme japonaise JIS R-7212 selon laquelle du butanol est utilisé comme liquide et la densité véritable d'un échantillon est mesurée après pulvérisation en poudre de dimension inférieure ou égale à 149 um.
Plus précisément, dans ce cas, le volume d'un échantillon (après pulvérisation) est mesuré par le principe d ' Archimède précité à l'aide de butanol comme liquide.
L'échantillon est alors pesé. La densité véritable de l'échantillon est déterminée d'après les données mesurées par la formule
densité véritable = poids/volume
Epaisseur de paroi
Le manchon selon l'invention a une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm. Lorsque l'épaisseur de paroi dépasse 5 mm, le coefficient de transmission de chaleur du manchon est réduit et le volume interne du manchon est réduit (réduction de la capacité de logement d'un autre matériau, tel qu'un absorbeur de neutrons, à l'intérieur du manchon).
densité véritable = poids/volume
Epaisseur de paroi
Le manchon selon l'invention a une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm. Lorsque l'épaisseur de paroi dépasse 5 mm, le coefficient de transmission de chaleur du manchon est réduit et le volume interne du manchon est réduit (réduction de la capacité de logement d'un autre matériau, tel qu'un absorbeur de neutrons, à l'intérieur du manchon).
Tant que la résistance mécanique que doit avoir le manchon est obtenue, l'épaisseur de paroi du manchon peut être de préférence aussi faible que possible, afin qu'elle n'empêche pas le transfert ou la transmission de chaleur de manière non uniforme et afin que l'espace occupé par le manchon lui-même soit réduit (c'est-à-dire afin qu'il reste suffisamment d'espace pour "un autre matériau" tel qu'un absorbeur de neutrons). Plus précisément, l'épaisseur de paroi du manchon peut être comprise de préférence entre environ 3 et 1 mm, très avantageusement entre environ 1 et 0,5 mm (de préférence entre 0,3 et 0,2 mm environ).
Fibre de SiC
La fibre de carbure de silicium SiC qui peut être utilisée n'est pas soumise à des restrictions particulières mais il s'agit de préférence d'une fibre de SiC obtenue par un procédé d'insolubilisation par un faisceau d'électrons (afin que la fibre soit infusible) (par exemple comme indiqué dans la demande mise à l'inspection publique de brevet japonais Kokai nO Hei 4-194 028, c'est-à-dire 194 028/1992), pour des raisons de pureté de la fibre de SiC.
La fibre de carbure de silicium SiC qui peut être utilisée n'est pas soumise à des restrictions particulières mais il s'agit de préférence d'une fibre de SiC obtenue par un procédé d'insolubilisation par un faisceau d'électrons (afin que la fibre soit infusible) (par exemple comme indiqué dans la demande mise à l'inspection publique de brevet japonais Kokai nO Hei 4-194 028, c'est-à-dire 194 028/1992), pour des raisons de pureté de la fibre de SiC.
La composition de la fibre précitée de SiC n'a pas de restriction particulière. Pour des raisons de résistance à la chaleur de la fibre, celle-ci comprend de préférence au moins Si, C et O. En outre, il peut être avantageux que la fibre de SiC ait une composition comprise dans les plages suivantes
Si : 50 à 70 % (de préférence 60 à 70 %)
C : 30 à 40 % (de préférence 30 à 38 %)
O 0,01 à 14 % (de préférence 0,01 à 1 %)
La surface de la fibre précitée de SiC peut être revêtue (ou recouverte d'un revêtement) le cas échéant.
Si : 50 à 70 % (de préférence 60 à 70 %)
C : 30 à 40 % (de préférence 30 à 38 %)
O 0,01 à 14 % (de préférence 0,01 à 1 %)
La surface de la fibre précitée de SiC peut être revêtue (ou recouverte d'un revêtement) le cas échéant.
Lorsqu'un tel revêtement est formé à la surface de la fibre, les tolérances de détérioration mécanique peuvent être plus importantes. Compte tenu de la facilité de la formation d'une interface dense et uniforme entre le revêtement et la surface de la fibre de SiC, par exemple, il est préférable d'utiliser un type de revêtement ou une combinaison d'au moins deux types de revêtement choisis dans le groupe qui comprend un revêtement de carbone formé par dépôt chimique en phase vapeur CVD, un revêtement de nitrure de bore formé par dépôt chimique en phase vapeur CVD et un revêtement de
SiC formé par dépôt chimique en phase vapeur CVD.
SiC formé par dépôt chimique en phase vapeur CVD.
Pour des raisons relatives aux propriétés de tissage, la fibre de SiC (avant d'être soumise à la formation du matériau composite avec SiC) a de préférence un diamètre d'environ 5 à 20 pm, avantageusement d'environ 8 à 15 pra.
Matériau composite SiC/SiC
Tant qu'un manchon ayant des propriétés physiques telles que définies selon l'invention est obtenu, la production du matériau composite SiC/SiC (fibres) constituant le manchon n'est pas soumise à des restrictions particulières.
Tant qu'un manchon ayant des propriétés physiques telles que définies selon l'invention est obtenu, la production du matériau composite SiC/SiC (fibres) constituant le manchon n'est pas soumise à des restrictions particulières.
Compte tenu des tolérances de détérioration mécanique du manchon, il est préférable d'utiliser un procédé de dépôt chimique en phase vapeur CvD (qui est exécuté à température élevée dans un gaz des matières premières), un procédé de dépôt chimique en phase vapeur avec imprégnation CVI (dans lequel l'introduction de vapeur d'un produit chimique est réalisée dans le gaz des matières premières à température élevée), un procédé de cuisson réactive et de frittage RB, et un procédé d'imprégnation par un polymère, de pressage et de cuisson PIP. Parmi ces procédés, le procédé PIP est particulièrement avantageux à cause de la commodité de la préparation d'un manchon à paroi mince avec un matériau composite de SiC/SiC.
Il est possible le cas échéant d'utiliser au moins deux types de procédé parmi les procédés précités CVD, CVI, RB et
PIP, sous forme combinée.
PIP, sous forme combinée.
Procédé de production du manchon
Le manchon du matériau composite de SiC selon l'invention peut être réalisé par exemple par tricotage circulaire d'une fibre continue contenant SiC, puis par mise de la fibre continue sous une forme constituant un manchon prenant l'état d'un matériau composite de SiC (formation du matériau composite SiC/SiC) par utilisation du procédé PIP, etc.
Le manchon du matériau composite de SiC selon l'invention peut être réalisé par exemple par tricotage circulaire d'une fibre continue contenant SiC, puis par mise de la fibre continue sous une forme constituant un manchon prenant l'état d'un matériau composite de SiC (formation du matériau composite SiC/SiC) par utilisation du procédé PIP, etc.
Procédé de tissage
Dans la mesure où le manchon obtenu a les propriétés physiques voulues selon l'invention, le procédé de tissage de la fibre continue précitée sous forme d'un manchon ne subit pas de restriction particulière, mais on peut utiliser un procédé connu de tissage. Pour des raisons d'uniformité d'épaisseur de paroi du manchon, il est préférable d'utiliser un procédé de tricotage circulaire (ou tubulaire) comme procédé précité de tissage. Pour des détails relatifs au procédé de tricotage circulaire, on peut consulter l'ouvrage "Kako Hen (Section of Processing)" de Sen'i Binran (Handbook to Fibers) édité par the Society of Fiber Science and Technology, Japon, pages 502 et suivantes, publié le 30 mai 1969 (Showa-44) par Maruzen Co. Ltd.
Dans la mesure où le manchon obtenu a les propriétés physiques voulues selon l'invention, le procédé de tissage de la fibre continue précitée sous forme d'un manchon ne subit pas de restriction particulière, mais on peut utiliser un procédé connu de tissage. Pour des raisons d'uniformité d'épaisseur de paroi du manchon, il est préférable d'utiliser un procédé de tricotage circulaire (ou tubulaire) comme procédé précité de tissage. Pour des détails relatifs au procédé de tricotage circulaire, on peut consulter l'ouvrage "Kako Hen (Section of Processing)" de Sen'i Binran (Handbook to Fibers) édité par the Society of Fiber Science and Technology, Japon, pages 502 et suivantes, publié le 30 mai 1969 (Showa-44) par Maruzen Co. Ltd.
Il est préférable de donner la forme voulue de manchon, par exemple, par insertion d'un matériau de noyau (par exemple un corps en forme de barre ou de tige constitué d'un métal tel que le titane ou le fer) dans la fibre précitée continue tricotée sur un métier circulaire et, le cas échéant, de tirer les deux extrémités du produit tricoté circulairement formé par la fibre. Dans ce cas, avant l'introduction du matériau de noyau dans le produit tricoté circulairement, un agent de séparation, un papier de séparation, etc. peut être placé au préalable à la surface du matériau du noyau le cas échéant.
I1 est aussi possible d'utiliser le manchon tel qu'obtenu, dans une étape éventuelle suivante dans laquelle deux manchons ou plus ainsi réalisés sont positionnés ou superposés. Pour des raisons relatives à l'épaisseur de la paroi du manchon, le "nombre de couches" de fibre continue constituant le manchon est de préférence inférieur ou égal à trois.
A ce moment, la seconde couche qui doit être placée ou superposée à la première couche peut être le cas échéant mise sous forme d'un manchon, comme la première couche. Dans ce cas, il est préférable que la fibre continue destinée à constituer la seconde couche soit mise sous forme d'un manchon et que les deux extrémités du produit analogue à un manchon ainsi formé soit légèrement comprimées (dans la direction axiale du manchon) pour donner au produit résultant un diamètre externe légèrement supérieur à celui de la première couche, et la seconde couche ainsi formée est alors placée sur la première couche.
Selon l'invention, pour des raisons de facilité de réalisation d'une structure dense, par exemple, il est préférable d'utiliser une structure tissée ayant les propriétés suivantes
Nombre de fils : 8 à 12 par cm
Angle de tissage (direction axiale) : 30 à 60
Nombre de couches empilées : 1 à 2
Diamètre externe : 12,1 à 12,3 mm
Porosité (avant imprégnation) : 40 à 60 %
L'expression précitée "angle de tissage" se réfère à un angle (angle aigu) formé entre la direction axiale du tricotage circulaire et la direction de la fibre continue constituant le produit tricoté circulairement.
Nombre de fils : 8 à 12 par cm
Angle de tissage (direction axiale) : 30 à 60
Nombre de couches empilées : 1 à 2
Diamètre externe : 12,1 à 12,3 mm
Porosité (avant imprégnation) : 40 à 60 %
L'expression précitée "angle de tissage" se réfère à un angle (angle aigu) formé entre la direction axiale du tricotage circulaire et la direction de la fibre continue constituant le produit tricoté circulairement.
Le produit tricoté circulairement ainsi réalisé peut être coupé à toute longueur voulue. A ce moment, l'opération de coupe peut être réalisée par un dispositif connu de coupe (par exemple un organe à diamant). Pour que les fibres ne puissent pas s'effilocher au moment de l'opération de coupe, il est préférable par exemple que, comme représenté sur la coupe schématique de la figure 1, un matériau convenable de noyau 2 (dont le diamètre externe est égal au diamètre interne d'un manchon 1) soit introduit dans le manchon 1, qu'un papier 3 de séparation (ayant une épaisseur de 200 pm) soit enroulé à la périphérie externe du manchon 1, puis que le manchon 1 soit coupé avec le papier 3 de séparation et le matériau du noyau 2. Pour des raisons de facilité de séparation, l'épaisseur du papier précité 3 est de préférence d'environ 100 à 300 pm.
Imprégnation et calcination
On décrit des modes de réalisation préférés de 1' inven- tion dans le cas où la fibre de SiC est mise sous forme d'un produit composite par utilisation du procédé PIP précité.
On décrit des modes de réalisation préférés de 1' inven- tion dans le cas où la fibre de SiC est mise sous forme d'un produit composite par utilisation du procédé PIP précité.
D'3bord, un matériau prédéterminé de noyau est introduit dans un produit tricoté circulaire qui a été obtenu par tissage d'une fibre continue de SiC et est imprégné d'un composé de silane organique. Pour qu'il n'apparaisse pas un "plissage" et une détérioration (telle qu'une fracture) pendant cette étape d'imprégnation et de calcination, le matériau de noyau a de préférence un coefficient de dilatation thermique d'environ 1.10-6 à 7.10-6/ C. Des exemples particuliers de matériaux ayant un tel coefficient de dilatation thermique sont une tige de titane, une tige de matière plastique armée de fibres de carbone (CFRP), etc.
Pour qu'un plissage n'apparaisse pas, le diamètre externe du matériau du noyau est de préférence supérieur au diamètre interne du manchon afin que le retrait au moment de la calcination soit pris en considération. Il est en outre préférable que le diamètre externe du matériau du noyau soit supérieur au diamètre interne du manchon d'environ 2 à 10 % par rapport au diamètre interne du manchon.
Le matériau du noyau destiné à être introduit dans le manchon est de préférence revêtu d'un agent de séparation ou peut être entouré d'un papier de séparation placé au préalable. Comme "papier de séparation" utilisé dans ce cas, il est préférable d'utiliser un "ruban de séparation" comprenant un matériau à base de papier et un adhésif placé à la surface destinée à être fixée au matériau du noyau. Ce ruban de séparation peut avantageusement être utilisé dans le but précité car il se carbonise facilement par chauffage au moment de la calcination si bien qu'il peut être facilement retiré.
Composé organique du silicium
Le composé organique du silicium qui peut être utilisé dans le procédé PIP selon l'invention n'est pas soumis à des restrictions particulières dans la mesure où il peut donner SiC par un procédé de synthèse. Pour la formation du carbure de silicium, il est préférable d'utiliser un polycarbosilane [-(R)Si-C-]n (R étant un groupe alkyle), un polyvinylsilane CH3-Si[(CH2=CH)(CH3)Si]n-Si-CH3, un polysilastyrène -[Si(C6H5)(CH3)-]n1-[Si(CH3)2]n2-, etc. Parmi ces composés, il est préférable d'utiliser un polycarbosilane pour des raisons portant sur le rapport ou la quantité du produit résiduel au moment de la calcination.
Le composé organique du silicium qui peut être utilisé dans le procédé PIP selon l'invention n'est pas soumis à des restrictions particulières dans la mesure où il peut donner SiC par un procédé de synthèse. Pour la formation du carbure de silicium, il est préférable d'utiliser un polycarbosilane [-(R)Si-C-]n (R étant un groupe alkyle), un polyvinylsilane CH3-Si[(CH2=CH)(CH3)Si]n-Si-CH3, un polysilastyrène -[Si(C6H5)(CH3)-]n1-[Si(CH3)2]n2-, etc. Parmi ces composés, il est préférable d'utiliser un polycarbosilane pour des raisons portant sur le rapport ou la quantité du produit résiduel au moment de la calcination.
Pour la propriété d'imprégnation, il est préférable que le composé organique du silicium ait une masse moléculaire moyenne comprise entre environ 500 et 100 000 (et de préférence entre 500 et 3 000).
Imprégnation
Au moment de l'imprégnation, il est possible d'utiliser le cas échéant un solvant. Le solvant à utiliser à cet effet n'est pas soumis à des restrictions particulières dans la mesure où il peut dissoudre le composé organique précité du silicium. Pour des raisons d'adaptation industrielle, il est préférable d'utiliser un solvant organique tel que le xylène, l'hexane et le toluène. Pour des raisons de perméabilité, la concentration de la solution utilisée pour l'imprégnation est de préférence comprise entre environ 50 et 100 % (très avantageusement entre 50 et 70 % environ).
Au moment de l'imprégnation, il est possible d'utiliser le cas échéant un solvant. Le solvant à utiliser à cet effet n'est pas soumis à des restrictions particulières dans la mesure où il peut dissoudre le composé organique précité du silicium. Pour des raisons d'adaptation industrielle, il est préférable d'utiliser un solvant organique tel que le xylène, l'hexane et le toluène. Pour des raisons de perméabilité, la concentration de la solution utilisée pour l'imprégnation est de préférence comprise entre environ 50 et 100 % (très avantageusement entre 50 et 70 % environ).
Pour que l'imprégnation soit réalisée efficacement avec le composé organique du silicium précité, on utilise de préférence une technique d'imprégnation sous vide et sous pression. Le degré de vide peut être de préférence compris entre environ 13 et 2 700 Pa, et la pression appliquée (pression manométrique) au moment de la mise sous pression est de préférence d'environ 0,5 à 1 MPa.
Pour des raisons de réduction d'épaisseur de paroi et d'homogénéité dans l'épaisseur de paroi du manchon, il est aussi préférable d'effectuer une "mise sous pression par un ruban" après l'imprégnation par le composé organique de silicium précité. Il est préférable de réaliser cette opération d'application d'un ruban à l'aide d'un ruban de résine contenant du polyéthylène, etc. et d'enrouler le ruban autour de la surface du manchon (après imprégnation) avec application au ruban d'une force de traction d'environ 10 à 100 N. Dans ce cas, la charge du ruban peut être mesurée par tout dispositif connu, par exemple un dynamomètre à ressort. Pour des raisons de résistance mécanique, le ruban précité utilisé a de préférence une épaisseur comprise entre 10 et 30 um et une largeur d'environ 5 à 20 mm.
Calcination
Il est préférable de réaliser la calcination dans une atmosphère de gaz inactif (tel que l'azote ou l'argon) à une pression ordinaire (ou atmosphérique) à température élevée afin que SiC soit produit à partir du composé organique du silicium qui a été placé entre les brins de la fibre de SiC par 1' imprégnation. La température finale du traitement thermique est de préférence d'environ 800 à 1 600 "C (très avantageusement d'environ 1 300 à 1 500 "C).
Il est préférable de réaliser la calcination dans une atmosphère de gaz inactif (tel que l'azote ou l'argon) à une pression ordinaire (ou atmosphérique) à température élevée afin que SiC soit produit à partir du composé organique du silicium qui a été placé entre les brins de la fibre de SiC par 1' imprégnation. La température finale du traitement thermique est de préférence d'environ 800 à 1 600 "C (très avantageusement d'environ 1 300 à 1 500 "C).
Au moment de cette étape de calcination et pour empêcher un gauchissement qui peut se produire dans le manchon (provoqué par exemple par la déformation du matériau du noyau), il est préférable de supporter l'extérieur du manchon par un "moule de pressage1,. Pour la commodité de fixation du manchon et de séparation de celui-ci, le moule de pressage a une forme divisée (la section en direction perpendiculaire à l'axe est en demi-cercle).
Pour qu'un gauchissement soit efficacement évité pendant l'étape de calcination, le matériau constituant le moule de pressage a de préférence un coefficient de dilatation thermique compris entre environ 1.10-6 et 7.10-6/OC. Des exemples particuliers de matériaux ayant un tel coefficient de dilatation thermique sont des matériaux à base de graphite, etc.
Mode de réalisation de blindage
La vue schématique en coupe de la figure 2 est un exemple d'un mode de réalisation dans lequel le manchon selon l'invention est utilisé comme blindage (tube à paroi mince) d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire. La figure 3 est une vue agrandie de la figure 2.
La vue schématique en coupe de la figure 2 est un exemple d'un mode de réalisation dans lequel le manchon selon l'invention est utilisé comme blindage (tube à paroi mince) d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire. La figure 3 est une vue agrandie de la figure 2.
On se réfère à la figure 2 ; une pastille 10 formant absorbeur de neutrons contenant B4C , etc., est disposée dans un blindage cylindrique creux 11 qui comprend le manchon selon l'invention. En outre, un revêtement cylindrique creux 13 (d'acier inoxydable, etc.) est placé à l'extérieur du blindage 11 avec un espace prédéterminé 12 par rapport au blindage 11.
Les deux côtés de la pastille 10 d'absorbeur de neutrons placée dans le blindage sont maintenus par des organes 14a et 14b d'arrêt de pastille. En outre, la pastille 10 et le blindage 11 placés dans le revêtement 13 sont maintenus par des bouchons 15a et 15b d'extrémité placés respectivement aux deux extrémités du revêtement 13.
Un ressort 16 de pression repoussant une pastille et destiné à maintenir le blindage 11 à un état convenable est placé entre un bouchon d'extrémité 15a et un organe d'arrêt 14a.
On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence à des exemples particuliers.
ExemPle 1
Formation d'un manchon
Une fibre continue ayant un diamètre de 14 um et contenant SiC, fabriquée par Nippon Carbon Co. Ltd., (nom commercial "Hi-Nicalon") a été tricotée circulairement pour la formation d'un manchon tricoté circulairement ayant un diamètre externe de 12,0 mm, un nombre de fils de 8 à 12 fibres par cm, un angle de tissage (en direction axiale) de 30 à 60 , et une épaisseur de paroi de 0,2 mm.
Formation d'un manchon
Une fibre continue ayant un diamètre de 14 um et contenant SiC, fabriquée par Nippon Carbon Co. Ltd., (nom commercial "Hi-Nicalon") a été tricotée circulairement pour la formation d'un manchon tricoté circulairement ayant un diamètre externe de 12,0 mm, un nombre de fils de 8 à 12 fibres par cm, un angle de tissage (en direction axiale) de 30 à 60 , et une épaisseur de paroi de 0,2 mm.
Sur la figure 1, un matériau de noyau 2 ayant un diamètre externe de 12 mm a été introduit dans le manchon tricoté circulairement 1 indiqué précédemment, puis un papier 3 de séparation ayant une épaisseur de 200 pm a été enroulé à la périphérie externe du manchon pour empêcher un effilochage des fibres, si bien que le manchon a été retenu.
Le manchon ainsi enveloppé du papier de séparation 3 a été coupé par un organe de coupe à diamant à une longueur prédéterminée (1 m). Le manchon ainsi obtenu avait une porosité de 55 %.
D'autre part, une tige de titane ayant un diamètre externe de 11,4 mm et une longueur de 1200 mm a été enveloppée d'un papier de séparation contenant une matière organique destinée à être carbonisée. La tige de titane enveloppée du papier de séparation a été introduite dans le manchon précité de fibres de SiC qui a été coupé de la manière précitée.
Le manchon a été placé dans un récipient hermétique qui a été mis à un vide de 133 Pa et maintenu dans cet état pendant 10 minutes. Ensuite, 180 cm3 d'une solution à 50 % dans le xylène d'un composé organique du silicium de polycarbosilane [Si(CH3)CH2-) (fabriqué par Nippon Carbon Co.
Ltd, nom commercial "Nipusi") ayant une masse moléculaire moyenne de 2000, ont été coulés dans le récipient précité.
En outre, le récipient a été mis sous pression (1 MPa) et maintenu sous pression pendant 180 minutes afin que l'intérieur du manchon soit imprégné de la solution de résine.
Ensuite, la périphérie externe du manchon a été comprimée par un ruban de polyéthylène (de 15 pm d'épaisseur et 15 mm de largeur) sous une charge de 20 N.
On a placé, autour de la périphérie externe du manchon ainsi imprégné après la disposition du ruban, un moule de graphite de forme cylindrique de type divisé ou fendu (qui peut être séparé en deux parties dans sa direction axiale) dont le diamètre interne était égal au diamètre externe du manchon. Pendant l'application d'une charge (environ 20 N) destinée à maintenir la forme précitée, le manchon a été fritté en présence d'un gaz inactif (argon) à 1 350 OC pendant 60 minutes, pour la préparation d'un manchon de matériau composite SiC armé de fibres de SiC à paroi mince (procédé PIP).
Après frittage, la tige précitée de titane a été retirée du manchon et la matière fixée à l'intérieur et à l'extérieur du manchon a été retirée à l'aide de papier de verre à grain de 150 um, avec prise de précautions pour éviter de détériorer la fibre de SiC.
Les faces d'extrémité du manchon, après le traitement précité donnant la masse volumique, ont été coupées pour l'obtention d'un manchon terminé ayant une longueur prédéterminée (100 cm).
Le manchon ainsi réalisé avait une porosité de 30 % et on n'a observé aucune transmission de lumière à l'oeil nu.
Lorsque le manchon a été placé sur une surface plate et l'espace maximal entre la surface plate et le manchon a été mesuré par une jauge d'espacement, il a été déterminé que le gauchissement était d'environ 0,1 mm pour une longueur de manchon de 1 m.
Exemple 2
Préparation du manchon par les procédés CVI et RB
Des manchons à paroi mince comprenant un matériau composite de SiC armé de fibres de SiC (SiC/SiC) ont été préparés de la même manière que dans l'exemple 1 mais avec utilisation respectivement du procédé de dépôt chimique en phase vapeur et d'imprégnation par un gaz CVI et du procédé de cuisson réactive RB, dans les conditions suivantes, à la place du procédé d'imprégnation par un polymère et de pressage PIP utilisé dans l'exemple 1.
Préparation du manchon par les procédés CVI et RB
Des manchons à paroi mince comprenant un matériau composite de SiC armé de fibres de SiC (SiC/SiC) ont été préparés de la même manière que dans l'exemple 1 mais avec utilisation respectivement du procédé de dépôt chimique en phase vapeur et d'imprégnation par un gaz CVI et du procédé de cuisson réactive RB, dans les conditions suivantes, à la place du procédé d'imprégnation par un polymère et de pressage PIP utilisé dans l'exemple 1.
Conditions du procédé CVI
Dans une atmosphère de tétrachlorure de silicium SiC14, de méthane CH4 et d'hydrogène formant un véhicule gazeux, des gaz ont imprégné le matériau de base du manchon et se sont déposés sur lui à une pression de 1 300 Pa à 1 300 OC.
Dans une atmosphère de tétrachlorure de silicium SiC14, de méthane CH4 et d'hydrogène formant un véhicule gazeux, des gaz ont imprégné le matériau de base du manchon et se sont déposés sur lui à une pression de 1 300 Pa à 1 300 OC.
Conditions du procédé RB
Le manchon de SiC formant le matériau de base a été imprégné d'une suspension contenant du noir de carbone, une résine phénolique et de la poudre de SiC-B dispersée dans l'eau. Le produit résultant a été séché, et le manchon a été ensuite imprégné de silicium fondu sous vide à une température de 1 450 OC.
Le manchon de SiC formant le matériau de base a été imprégné d'une suspension contenant du noir de carbone, une résine phénolique et de la poudre de SiC-B dispersée dans l'eau. Le produit résultant a été séché, et le manchon a été ensuite imprégné de silicium fondu sous vide à une température de 1 450 OC.
Exemple 3
Evaluation des caractéristiques mécaniques d'un matériau composite à liant céramique (CMC)
I1 n'existe pas de norme d'évaluation des propriétés mécaniques d'un matériau composite CMC en forme de manchon.
Evaluation des caractéristiques mécaniques d'un matériau composite à liant céramique (CMC)
I1 n'existe pas de norme d'évaluation des propriétés mécaniques d'un matériau composite CMC en forme de manchon.
En conséquence, des feuilles plates de divers types de matériaux composites à liant céramique CMC ont été préparées et soumises à un essai de traction à haute température et un essai de flexion à température ambiante (après exposition à une température élevée), suivant les normes PEC-TS CMC 01 (procédé d'essai du comportement par déformation sous traction à température élevée pour des matériaux composites à liant à base céramique armés de fibres longues) et PEC-TS
CMC 04 (procédé d'essai de résistance à la flexion à température ambiante et à haute température pour des matériaux composite à liant à base céramique armés de fibres longues).
CMC 04 (procédé d'essai de résistance à la flexion à température ambiante et à haute température pour des matériaux composite à liant à base céramique armés de fibres longues).
Pour les détails de ces normes PEC-TS, on peut se référer par exemple au document PEC-TS CMC 01, 09.
Les tableaux suivants 4 à 7 indiquent les résultats obtenus pour les essais de traction à haute température et de durabilité à haute température.
Tableau 4
Résistance à la traction à hautes températures
respectives dans l'air (Interface : nitrure de bore, fibre d'armatures "Hi-Nicalon", procédé de production : PIP)
Température Résistance à la traction
20 "C 350 MPa
400 "C 350 MPa
1 200 "C 230 MPa
1 400 "C 160 MPa
Tableau 5
Résistance à la traction à hautes températures
respectives dans l'air (Interface : carbone, fibre d'armature : "Nicalon", procédé de production : PIP)
Température Résistance à la traction
20 C 110 MPa
400 C 110 MPa
600 C 60 MPa
1 000 C 50 MPa
Tableau 6
Résistance à la flexion à température ambiante après
exposition à température élevée de 1 400 C à l'air
Interface : nitrure de bore, fibre d'armature : "Hi-Nicalon", procédé de production : PIP)
Temps d'exposition Résistance à la flexion
0 h 400 MPa
200 h 400 MPa
600 h 400 MPa
Tableau 7
Résistance à la flexion à température ambiante après
exposition à température élevée de 1 400 C à l'air (Interface : carbone, fibre d'armature : "Nicalon", procédé de production : PIP)
Temps d'exposition Résistance à la flexion
O h 300 MPa
200 h 100 MPa
600 h 50 MPa
Comme décrit précédemment, l'invention concerne un manchon cylindrique à paroi mince comprenant un matériau composite de SiC armé de fibres de SiC (SiC/SiC) ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm.
Résistance à la traction à hautes températures
respectives dans l'air (Interface : nitrure de bore, fibre d'armatures "Hi-Nicalon", procédé de production : PIP)
Température Résistance à la traction
20 "C 350 MPa
400 "C 350 MPa
1 200 "C 230 MPa
1 400 "C 160 MPa
Tableau 5
Résistance à la traction à hautes températures
respectives dans l'air (Interface : carbone, fibre d'armature : "Nicalon", procédé de production : PIP)
Température Résistance à la traction
20 C 110 MPa
400 C 110 MPa
600 C 60 MPa
1 000 C 50 MPa
Tableau 6
Résistance à la flexion à température ambiante après
exposition à température élevée de 1 400 C à l'air
Interface : nitrure de bore, fibre d'armature : "Hi-Nicalon", procédé de production : PIP)
Temps d'exposition Résistance à la flexion
0 h 400 MPa
200 h 400 MPa
600 h 400 MPa
Tableau 7
Résistance à la flexion à température ambiante après
exposition à température élevée de 1 400 C à l'air (Interface : carbone, fibre d'armature : "Nicalon", procédé de production : PIP)
Temps d'exposition Résistance à la flexion
O h 300 MPa
200 h 100 MPa
600 h 50 MPa
Comme décrit précédemment, l'invention concerne un manchon cylindrique à paroi mince comprenant un matériau composite de SiC armé de fibres de SiC (SiC/SiC) ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm.
L'invention concerne aussi un procédé de production d'un manchon cylindrique d'un matériau composite de SiC sous forme d'un manchon de SiC ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm et formé par répétition d'une étape d'imprégnation de chacune de trois couches stratifiées au plus d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement avec un composé organique du silicium, puis par calcination de la fibre continue de SiC ainsi imprégnée pour la densification de la fibre continue de SiC tricotée circulairement.
Le manchon selon l'invention non seulement a une paroi mince, mais aussi possède d'excellentes propriétés de résistance à la chaleur et de résistance à la corrosion, de résistance mécanique et de précision de mise en forme, même dans des conditions sévères telles qu'une exposition à un rayonnement.
Le manchon selon la présente invention a d'excellentes performances et un excellent fonctionnement comme tube de blindage d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire et a aussi une excellente compatibilité avec le carbure de bore utilisé comme matériau d'absorption de neutrons.
Le manchon selon la présente invention peut être utilisé avantageusement non seulement comme tube de blindage pour une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire mais aussi comme première paroi (divertisseur) de fusion nucléaire, pour un organe destiné à être exposé à un gaz corrosif à température élevée (par exemple dans un échangeur de chaleur de craquage de pétrole soumis à une température élevée d'environ 1 300 "C), etc., alors que le manchon tire avantage de ses propriétés de résistance à la chaleur, de résistance mécanique et de précision de mise en forme.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux manchon et procédé qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (5)
1. Manchon cylindrique à paroi mince, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau composite de SiC armé d'une fibre de SiC (SiC/SiC) ayant une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm.
2. Manchon selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre continue de SiC tricotée circulairement.
3. Manchon selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composite SiC/SiC est obtenu par imprégnation d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement par un composé organique du silicium, puis par calcination de la fibre continue de SiC ainsi imprégnée.
4. Manchon selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au plus trois couches stratifiées d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement.
5. Procédé de production d'un manchon cylindrique d'un matériau composite SiC, caractérisé en ce qu'un manchon de
SiC qui possède une porosité inférieure ou égale à 40 % et une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 5 mm est formé par répétition d'une étape d'imprégnation de chacune d'au moins trois couches stratifiées d'une fibre continue de SiC tricotée circulairement par un composé organique du silicium, puis par calcination de la fibre continue de SiC ainsi imprégnée afin que la fibre continue de SiC tricotée circulairement soit densifiée.
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