三維編織技術(shù)在碳化硅核燃料包殼中的應(yīng)用

尉寄望，王海濤，荊云娟，韋鑫，張新元

(陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西 西安 710038)

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料預(yù)制體的成型工藝多種多樣，其中三維編織技術(shù)具有良好的力學(xué)性能，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在碳化硅核燃料包殼的研制過程中，許多科研生產(chǎn)單位都采用三維編織技術(shù)制備預(yù)制體，再經(jīng)過復(fù)合工藝，制成核燃料包殼。筆者所在單位長期從事三維編織預(yù)制體的研制，近年來，與核工業(yè)領(lǐng)域的客戶緊密合作，研制碳化硅核燃料包殼用三維編織預(yù)制體。本文從三維編織技術(shù)的特點(diǎn)方面介紹其在碳化硅核燃料包殼中的應(yīng)用。

1 核燃料包殼概述

核燃料元件是核電站的核心部件，由核燃料與包殼組成。核燃料包殼是核反應(yīng)發(fā)生的容器，又是盛放核反應(yīng)放射性產(chǎn)物的容器。核燃料包殼在核電站中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在核電站運(yùn)行期間，核燃料包殼的工作條件是：強(qiáng)烈的中子流輻照，高速冷卻劑流的侵蝕、腐蝕，裂變產(chǎn)物的腐蝕，高溫、高壓與機(jī)械應(yīng)力的作用[2]。這樣的工作條件是非常嚴(yán)酷的，為了保證核電站的安全性和可靠性，就必須制備合適的核燃料包殼。目前國內(nèi)外核燃料包殼普遍使用的材料主要是鋯及鋯合金，而碳化硅陶瓷復(fù)合材料包殼是近年來國際上高度關(guān)注的新應(yīng)用研究方向。

2 碳化硅核燃料包殼

2.1 碳化硅材料的性能

碳化硅是共價(jià)鍵性極強(qiáng)的化合物，其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)決定了這種材料具有很高的穩(wěn)定性。碳化硅的性能特點(diǎn)是：高溫下強(qiáng)度大、硬度高、耐磨損性好、抗熱沖擊性好、熱導(dǎo)率大、抗氧化性強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕，中子吸收截面較小，固有活性低，衰變熱低，輻照尺寸穩(wěn)定性好。材料領(lǐng)域制備成了不同密度的碳化硅，致密碳化硅可以形成密封的容器，疏松碳化硅可以吸收氣體裂變產(chǎn)物。這些獨(dú)特的性能使碳化硅材料在核燃料包殼領(lǐng)域展示出巨大的發(fā)展?jié)摿3]。

2.2 碳化硅材料在核燃料包殼領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著核電技術(shù)的進(jìn)步，尤其是2011年日本福島核電站事故，核電領(lǐng)域?qū)巳剂习鼩ぬ岢隽烁叩囊螅焊L的換料周期，更高的安全性，具有一定程度包容事故的能力。碳化硅復(fù)合材料具有在高溫下能保持很好的強(qiáng)度、抗輻照性能，受到核燃料研究領(lǐng)域的高度關(guān)注，有可能成為第4代核反應(yīng)堆的首選包殼材料[4-5]。

國內(nèi)外核電領(lǐng)域?qū)μ蓟韬巳剂习鼩ふ归_了積極研究，取得了很大的進(jìn)展。目前碳化硅核燃料包殼一般有兩種類型：純碳化硅型，碳化硅/金屬復(fù)合型。從連續(xù)碳化硅纖維預(yù)制體成型方式上分類，目前主要有纖維纏繞成型、平紋布包裹成型、二維編織管成型、2.5D編織成型、三維編織成型等幾種，分別面向不同類型反應(yīng)堆核燃料的防護(hù)環(huán)境條件要求展開探索研究。其中三維編織預(yù)制體主要針對壓水堆反應(yīng)類型。

3 三維編織技術(shù)在碳化硅核燃料包殼中的應(yīng)用

3.1 三維編織技術(shù)概述

三維編織技術(shù)與機(jī)織、針織工藝幾乎同時(shí)起步，是一種傳統(tǒng)的紡織技術(shù)。20世紀(jì)60年代，為適應(yīng)航空航天器對結(jié)構(gòu)和多功能復(fù)合材料的需要，先進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)迅速發(fā)展起來，三維編織這種傳統(tǒng)紡織技術(shù)受到了高度關(guān)注[6]。三維編織的基本生產(chǎn)過程如圖1所示。

圖1 三維編織生產(chǎn)過程示意圖

國外的一些公司、科研機(jī)構(gòu)投入大量的人力、物力，對三維編織的技術(shù)、設(shè)備自動化展開了積極研究。美國通用電氣公司，研制了萬向編織機(jī)(Ominiweave)，法國動力公司研制出了類似的編織機(jī)。美國航空航天局開展了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計(jì)劃，其中特別提出了開發(fā)三維編織技術(shù)。美國Cumagna公司、北卡羅萊納大學(xué)、費(fèi)城Drexel大學(xué)、大西洋研究公司對該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究[7]。

在航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料需求增長的推動下，從20世紀(jì)80年代起，我國三維編織技術(shù)得到了迅速發(fā)展。天津工業(yè)大學(xué)率先對三維編織技術(shù)開展了研究，經(jīng)過20多年的艱苦奮斗，天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所已成為國內(nèi)先進(jìn)編織復(fù)合材料研究和生產(chǎn)基地，為航空、航天部門提供了大量的高性能復(fù)合材料。天津大學(xué)、江南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京柏瑞鼎科技有限公司、中國船舶重工集團(tuán)第十二研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院、國防科技大學(xué)也對三維編織技術(shù)、設(shè)備進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展[8-9]。

3.2 三維編織技術(shù)的力學(xué)優(yōu)勢

三維編織技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢是纖維束或紗線貫穿于復(fù)合材料的長、寬、高三個(gè)方向，形成了一個(gè)不分層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖2、圖3)，完全克服了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料經(jīng)常出現(xiàn)層間破壞的致命弱點(diǎn)，提高了復(fù)合材料抵抗損傷和裂紋擴(kuò)散的能力，使復(fù)合材料能更好地應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)件[10]。

圖2 平板狀三維編織預(yù)制體內(nèi)部紗線示意圖

圖3 圓管狀三維編織預(yù)制體內(nèi)部紗線示意圖

研究人員對三維編織復(fù)合材料、層合復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行了研究，測試了無開孔試樣、含開孔試樣的壓縮強(qiáng)度，測試結(jié)果見表1，三組試樣，1組、2組為三維編織復(fù)合材料，3組為層合復(fù)合材料。含開孔試樣的強(qiáng)度保留率分別為62.5%、68.0%、56.2%，三維編織復(fù)合材料顯示出較高的強(qiáng)度保留率。充分說明了三維編織復(fù)合材料具有優(yōu)異的損傷容限性能。

表1 三維編織、層合復(fù)合材料試樣壓縮性能試驗(yàn)

3.3 三維編織技術(shù)在碳化硅核燃料包殼中的應(yīng)用

目前碳化硅核燃料包殼一般有兩種類型：純碳化硅型、碳化硅/金屬復(fù)合型。純碳化硅型的結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、外兩層，內(nèi)層是整體致密碳化硅層，外層是碳化硅纖維+滲入碳化硅。碳化硅/金屬復(fù)合型的結(jié)構(gòu)為：金屬層+整體致密碳化硅層+碳化硅纖維層。

這兩種類型，都需要制備碳化硅纖維復(fù)合材料層。一般步驟是：將連續(xù)碳化硅纖維制作成預(yù)制體，再進(jìn)行復(fù)合。因三維編織預(yù)制體具有良好的力學(xué)性能，其受到各研究單位的高度關(guān)注。

3.3.1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究成果

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的周新貴等對碳化硅核燃料包殼進(jìn)行了深入研究。在核工業(yè)領(lǐng)域，對包殼管的尺寸要求為：長度為3.8 m，外徑為8～10 mm，壁厚≤1 mm。碳化硅復(fù)合材料無法采用拉拔工藝或棒材加工工藝制備管狀構(gòu)件，該研究團(tuán)隊(duì)采用三維編織工藝制備包殼圓管[12]。

該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種制備方法：借助于圓柱芯模，將浸有樹脂的碳化硅布卷繞在圓柱芯模上，制成圓管。再以此圓管為芯模，將浸有樹脂的碳化硅纖維，用三維編織的工藝，編織成圓管，包裹在碳化硅布圓管上。待樹脂固化后，可以較容易地將纖維束管從圓柱芯模上脫掉。纖維束圓管上的樹脂膠固化后，具有較好的強(qiáng)度，能夠保證圓管的尺寸精度。碳化硅布圓管具有較好的外觀尺寸精度，能進(jìn)一步保證制備的包殼圓管內(nèi)壁光滑度和圓度。所制得核燃料包殼如圖4、圖5所示。

圖4 包殼橫截面示意圖

圖5 包殼整體示意圖

該研究團(tuán)隊(duì)指出：如果僅用碳化硅布卷繞成圓管后進(jìn)行固化脫模，在后期的碳化過程中會出現(xiàn)纖維束分離、散亂現(xiàn)象。而該制備方法在碳化硅布卷繞管外，再包裹一個(gè)三維編織圓管，三維編織圓管中的纖維束互相交纏，可以較好地緊固內(nèi)層圓管。在后期復(fù)合過程中，不會出現(xiàn)纖維束分離、散亂等現(xiàn)象，能夠制備出質(zhì)量良好的包殼圓管。上述三維編織圓管的編織角為30 °～60 °，在此編織角范圍內(nèi)，能保證三維編織圓管對碳化硅布卷繞管的緊固作用，同時(shí)能保證整體包殼管環(huán)向和軸向的強(qiáng)度。

這一結(jié)論充分證明了三維編織技術(shù)的力學(xué)優(yōu)勢，其在碳化硅核燃料包殼制備過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3.3.2 核工業(yè)第八研究所研究成果

核工業(yè)第八研究所的謝宇輝等對碳化硅包殼展開了積極研究，總結(jié)了一些制備工藝的缺點(diǎn)：整體制備全尺寸的陶瓷管，因?yàn)楫a(chǎn)品長度較大、壁厚較薄，容易造成圓管彎曲、斷裂，無法保證直線度；由于圓管較長、直徑較小，內(nèi)壁很難沉積均勻，造成管壁厚度不一致。針對這些缺點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)研制了一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管，主要步驟為[13]：

(1)在合適直徑芯模上，將碳化硅纖維，用三維編織的工藝，制作成圓管預(yù)制體。

(2)在密閉的模腔內(nèi)，對圓管預(yù)制體進(jìn)行復(fù)合、致密化處理，得到中間層管件。

(3)在中間層管件上進(jìn)行沉積，得到內(nèi)層整體層和外層保護(hù)層。

(4)將數(shù)段沉積好的管件放入模具內(nèi)，進(jìn)行焊接，得到較長尺寸的碳化硅陶瓷包殼管。

這種制備方法的優(yōu)點(diǎn)是：尺寸一致性好、機(jī)械強(qiáng)度高、直線度好、制備效率高。三維編織技術(shù)為其機(jī)械強(qiáng)度提供了有力保障。

3.3.3 北京理工大學(xué)研究成果

北京理工大學(xué)的王一光等指出：碳化硅材料具有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、抗輻照性和高溫力學(xué)性能，是理想的替代鋯合金的核燃料包殼材料。純碳化硅陶瓷脆性較大，不宜單獨(dú)作為包殼管。碳化硅復(fù)合材料具有更好的斷裂韌性，但其氣孔率較高，不足以防止裂變氣體的泄露。因此，采用將碳化硅陶瓷和碳化硅復(fù)合材料相結(jié)合的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)異性能，制備出性能更好的核燃料包殼。該研究團(tuán)隊(duì)梳理分析了一些制備方法，指出：三層結(jié)構(gòu)碳化硅包殼管大多采用逐層制備工藝，碳化硅纖維無法完全貼合模具或陶瓷層表面，導(dǎo)致層與層之間出現(xiàn)孔洞，降低了包殼管整體的熱導(dǎo)率，有可能導(dǎo)致包殼管失效[18]。

針對這些問題，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種制備方法，主要步驟為：

(1)在模具表面形成納米材料層，用三維編織工藝，在模具上制備碳化硅纖維預(yù)制體。

(2)在碳化硅纖維預(yù)制體表面引入界面層。

(3)對碳化硅纖維預(yù)制體進(jìn)行致密化處理，脫模后得到兩層結(jié)構(gòu)的碳化硅包殼。

碳化硅包殼產(chǎn)品如圖6、圖7所示。

圖6 包殼橫截面示意圖

圖7 包殼整體示意圖

這種方法選擇了三維編織工藝來制作預(yù)制體層，主要基于三維編織結(jié)構(gòu)具有顯著的力學(xué)優(yōu)勢。

3.3.4 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究成果

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的黃慶等提出了一種核燃料包殼的制備方法，其優(yōu)點(diǎn)是：耐中子輻照，耐高溫、耐腐蝕、耐氧化。主要制備步驟為：[19]

(1)按照設(shè)計(jì)的尺寸要求，用三維編織工藝，將碳化硅纖維、碳化硅晶須制成管狀預(yù)制體。

(2)將鋁硅碳陶瓷粉體制成漿料，浸漬管狀預(yù)制體。

(3)對管狀預(yù)制體反復(fù)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，直至密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

這種制備方法的優(yōu)點(diǎn)是：所制得的包殼管具有良好的高溫力學(xué)性能，具有一定的損傷容限、良好的抗熱震性能。三維編織獨(dú)特的力學(xué)優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮了積極作用。

3.3.5 陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司研究成果

陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司長期從事先進(jìn)復(fù)合材料三維編織預(yù)制體的研制生產(chǎn)。先進(jìn)復(fù)合材料三維編織預(yù)制體是其軍品產(chǎn)業(yè)板塊的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。經(jīng)過十余年的發(fā)展，該公司目前已建成完善的三維編織生產(chǎn)基地，擁有多個(gè)大型、中型三維編織平臺，改進(jìn)制作了多臺國內(nèi)先進(jìn)的編織設(shè)備。該公司與軍工單位緊密合作，先后研制了：各種型號的噴管，各種尺寸的平板、圓筒、圓錐體，天線罩，車用傳動軸預(yù)制體等。

近年來，該公司與核工業(yè)領(lǐng)域的客戶緊密合作，研制核燃料包殼用碳化硅纖維三維編織預(yù)制體。根據(jù)客戶的技術(shù)要求，以氧化鋯圓棒、鋯合金圓管作芯模，以國產(chǎn)碳化硅長絲為原材料，用三維編織工藝，制作不同規(guī)格的碳化硅圓管預(yù)制體，為客戶提供了多個(gè)批次的試驗(yàn)產(chǎn)品。

在研制過程中，該公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)取得了一些技術(shù)成果：

(1)根據(jù)產(chǎn)品要求，設(shè)計(jì)了合適的工位，制作了一批適用的工裝，形成了一套較成熟的操作方法和產(chǎn)品檢驗(yàn)規(guī)范，有利于提高生產(chǎn)效率、控制產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)三維編織技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，可以根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，增加第五向、第六向、第七向紗線，提高特定方向的力學(xué)性能[20-21]。研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分利用這一優(yōu)點(diǎn)，增加了特定方向的紗線，有利于精確控制圓管直徑，提高圓管內(nèi)部抗壓強(qiáng)度。

(3)三維編織預(yù)制體的工藝參數(shù)有紗線排列、編織角、花節(jié)長度、紗線參數(shù)等。其結(jié)構(gòu)參數(shù)有外形尺寸、纖維體積含量等。這些參數(shù)不是孤立的，而是通過一定的關(guān)系相互制約，又一起決定了復(fù)材的結(jié)構(gòu)。這些參數(shù)對于預(yù)制體的復(fù)合過程、最終復(fù)材產(chǎn)品的性能有著不同程度的影響。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)對此問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，初步形成了較成熟的工藝方案。所研制的預(yù)制體，尺寸可控，精度高，纖維體積含量可控，經(jīng)致密化加工驗(yàn)證后，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)300 MPa。

4 結(jié)論

綜合分析以上科研生產(chǎn)單位的研制進(jìn)展，可以得出以下結(jié)論。

(1)碳化硅包殼由碳化硅陶瓷和碳化硅纖維復(fù)合材料組成，有兩層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)。這兩種成分各自發(fā)揮著不同的優(yōu)勢，構(gòu)成性能優(yōu)良的核燃料包殼。

(2)三維編織工藝的特點(diǎn)是，紗線穿過預(yù)制體的長、寬、高三個(gè)方向，形成一個(gè)不分層的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)決定了其預(yù)制體具有獨(dú)特的力學(xué)優(yōu)勢，有利于提高產(chǎn)品的整體性能。因此三維編織技術(shù)在核燃料包殼的研制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，有望成為該領(lǐng)域被廣泛采用的成型方法。

(3)三維編織技術(shù)具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可以通過選擇結(jié)構(gòu)、增加特定方向的紗線，獲得不同性能的預(yù)制體，有利于制備出性能更優(yōu)的核燃料包殼。

(4)三維編織的主要技術(shù)參數(shù)如紗線排列、編織角、花節(jié)長度、紗線參數(shù)、外形尺寸、纖維體積含量等對最終產(chǎn)品的性能有著不同程度的影響。需要上下游單位密切配合，對這些影響規(guī)律展開深入的研究，總結(jié)出一些較成熟的結(jié)論。

(5)目前由于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)三維編織普遍工藝復(fù)雜，機(jī)械化、自動化程度較低，手工操作的成分較大，產(chǎn)品成型尺寸有限，效率低下，生產(chǎn)工期較長。核燃料包殼用三維編織預(yù)制體是不同規(guī)格的薄壁等徑圓管，形狀比較規(guī)則，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動化的難度相對較低，故建議盡快探索開發(fā)三維編織薄壁圓管預(yù)制體自動化成型技術(shù)，以有利于迅速提高產(chǎn)品的一致性、質(zhì)量穩(wěn)定性及制作效率，從而降低產(chǎn)品成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。