本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

核用碳化硅陶瓷包殼具有優(yōu)異的耐高溫、耐輻照和耐腐蝕等性能。該技術(shù)是目前國內(nèi)國際的研究重點。

在行業(yè)內(nèi)普遍采用的3層結(jié)構(gòu)復合材料包殼管如圖1所示，包殼管由內(nèi)層整體層1、中間復合材料層2、外層保護層3組成。包殼管的強度等物理性能主要由中間復合材料層提供，中間復合材料層的物理性能顯得尤為重要。

目前行業(yè)內(nèi)對于中間復合材料層主要采用編織或者螺旋纏繞等工藝制備，但就纖維復合材料來說，該工藝具有良好的軸向拉伸性能，但是環(huán)向靜壓爆破性能有所欠缺，而靜壓爆破性能也是燃料包殼管的重要考核性能之一。

編織和螺旋纏繞的特性決定了復合材料表面不可避免的產(chǎn)生纖維束與纖維束之間搭接而形成纖維架空等孔隙，在內(nèi)層整體層上直接纏繞或編織更容易形成因纖維搭接架空而形成密閉的孔隙，使包殼管的性能降低，并且在復合材料層外層上易出現(xiàn)因纖維搭接而形成的孔洞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對包殼管中間復合材料鋪層中編織或螺旋纏繞工藝的架空現(xiàn)象和纖維體積分數(shù)相對較低的問題，提出核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層環(huán)向?qū)?、中間螺旋層、外層環(huán)向?qū)拥娜龑咏Y(jié)構(gòu)組成，所述的中間螺旋層的厚度與內(nèi)層及外層的環(huán)向?qū)拥暮穸缺却笥?:1。

作為優(yōu)選的實施方式，中間螺旋層的厚度與內(nèi)層及外層的環(huán)向?qū)拥暮穸缺葹?：1：1至3：1：1，該厚度比值有較高的軸向拉伸性能和可滿足技術(shù)要求的環(huán)向強度。

所述的內(nèi)層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，采用90°環(huán)向纏繞，纏繞層數(shù)為1層或多層。該環(huán)向纏繞工藝的特點是纏繞排列時纖維與纖維之間是通過拼接組合，而不是螺旋纏繞或編織工藝中得搭接組合，解決了編織或螺旋纏繞工藝中因纖維搭接而在復合材料層內(nèi)層和包殼管內(nèi)層整體層之間形成架空和密閉空隙的問題。

所述的內(nèi)層環(huán)向?qū)硬捎锰蓟枥w維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在2-5n。

所述的中間螺旋層采用螺旋向纏繞工藝制作得到，纖維纏繞角度不大于45°，纏繞層數(shù)為1層或多層。本層的作用是利用螺旋層發(fā)揮纖維力的承載作用，提升復合材料層的軸向拉伸強度。小于45°的角度更有利于發(fā)揮鋪層中纖維軸向方向力的傳導作用，在相同的鋪層厚度下，使包殼管件的軸向性能更高。

所述的中間螺旋層采用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行螺旋纏繞，并設(shè)置纏繞角，可以但不僅限于37°，纖維纏繞張力控制為2-5n。

所述的外層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，采用90°環(huán)向纏繞，纏繞層數(shù)為1層或多層。該環(huán)向?qū)又饕袃蓚€作用，一是增加復合材料層的環(huán)向強度，二是通過含有纖維張力的環(huán)向纏繞，壓緊中間層纖維，使尺寸內(nèi)纖維體積分數(shù)增加，提升復合材料強度。

所述的外層環(huán)向?qū)硬捎锰蓟枥w維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在2-5n左右。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的編織工藝和螺旋纏繞工藝所制備的復合材料纖維體積分數(shù)相比環(huán)向纏繞工藝低，因為環(huán)向纏繞對內(nèi)層纖維施加的壓緊力能使纖維包覆更密實，使纖維體積含量更大。按此鋪層制備的碳化硅陶瓷包殼管既保有復合材料管件優(yōu)異的強度和剛度，又能提高包殼管件的表面光潔度，還能減少復合材料層和內(nèi)層整體層與外層保護層間的間隙，具有良好的抗輻照性能。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的復合材料包殼管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-內(nèi)層整體層、2-中間復合材料層、3-外層保護層、4-內(nèi)層環(huán)向?qū)印?-中間螺旋層、6-外層環(huán)向?qū)印?/p>

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

在直徑為0.8mm的陶瓷或石墨管上進行內(nèi)層整體層sic層沉積，得到帶芯模的內(nèi)層整體層管件。

將沉積好內(nèi)層整體層的管件在纏繞機上夾好，然后使用碳化硅纖維進行復合材料內(nèi)層環(huán)向?qū)永p繞，纏繞紗片寬設(shè)置為1.5mm，纏繞張力設(shè)置為10n，纏繞1層。纏繞后管件外徑尺寸增加約為0.25mm。

在纏繞好的管件上進行復合材料中間螺旋層纏繞，纏繞角度設(shè)置為35℃，紗片寬設(shè)置為1.5mm，纏繞張力設(shè)置為10n，纏繞1層。纏繞后管件外徑尺寸增加約為0.6mm。

在纏繞好螺旋層的管件上進行復合材料外層環(huán)向?qū)永p繞，纏繞紗片寬設(shè)置為1.5mm，纏繞張力設(shè)置為10n，纏繞1層。由于外層纖維對中間層纖維的壓緊作用，纏繞后管件外徑尺寸幾乎不增加。

將纏繞好的管件使用pip工藝進行交聯(lián)，然后進行陶瓷化致密化處理，得到致密化的陶瓷管件。

將致密化的管件進行外層保護層沉積，得到核燃料陶瓷包殼管。

實施例2

核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由內(nèi)層環(huán)向?qū)?、中間螺旋層5、外層環(huán)向?qū)?的三層結(jié)構(gòu)組成，中間螺旋層5的厚度與內(nèi)層環(huán)向?qū)?及外層環(huán)向?qū)?的厚度比為2：1：1。

內(nèi)層環(huán)向?qū)?采用環(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在2n。中間螺旋層5采用螺旋向纏繞工藝制作得到，纖維纏繞角度為30°，采用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行螺旋纏繞，纖維纏繞張力控制為2n。外層環(huán)向?qū)?采用環(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在2n。

實施例3

核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層環(huán)向?qū)?、中間螺旋層、外層環(huán)向?qū)拥娜龑咏Y(jié)構(gòu)組成，中間螺旋層的厚度與內(nèi)層及外層的環(huán)向?qū)拥暮穸缺葹?：1：1。

內(nèi)層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在3n，共纏繞3層。中間螺旋層采用螺旋向纏繞工藝制作得到，纖維纏繞角度為37°，采用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行螺旋纏繞，纖維纏繞張力控制為3n，共纏繞3層。外層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在3n，共纏繞3層。

實施例4

核燃料碳化硅陶瓷包殼管中間復合材料層的纏繞鋪層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層環(huán)向?qū)?、中間螺旋層、外層環(huán)向?qū)拥娜龑咏Y(jié)構(gòu)組成，中間螺旋層的厚度與內(nèi)層及外層的環(huán)向?qū)拥暮穸缺葹?：1：1。

內(nèi)層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在5n，共纏繞5層。中間螺旋層采用螺旋向纏繞工藝制作得到，纖維纏繞角度為45°，采用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行螺旋纏繞，纖維纏繞張力控制為5n，共纏繞5層。外層環(huán)向?qū)硬捎铆h(huán)向纏繞工藝制作得到，利用碳化硅纖維，使用纖維纏繞機進行90°環(huán)向纏繞，纖維纏繞張力控制在5n，共纏繞5層。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。