分享：復合材料包殼預制體纏繞成型工藝鋪層方案的優(yōu)化

0.   引　言

輕水反應堆中的包殼管直接容納和保護核燃料，承受著核燃料高溫、高壓、強輻射的作用。商用第三代輕水反應堆選用鋯合金作為核燃料包殼材料[1-2]，然而，鋯合金包殼管會與水發(fā)生反應生成氫氣，從而造成核泄漏。為了解決上述問題，研究人員選用SiC纖維（SiCf）/SiC復合材料替代鋯合金作為包殼管材料。與鋯合金相比，SiCf/SiC復合材料具有更低的中子吸附截面、較優(yōu)異的耐高溫性能、較低的腐蝕速率[3-4]。SiCf/SiC復合材料包殼制備流程如下：采用纏繞或編織工藝將SiCf制成預制體，再經熱解碳、化學氣相滲透（chemical vapor infiltration，CVI）及化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）工藝將其致密化后成為包殼坯體，坯體經機械加工制成滿足裝配要求的SiCf/SiC復合材料包殼。預制體是包殼的骨架，承擔了包殼的大部分載荷，預制體壁厚及纖維體積分數影響著包殼結構，鋪層方案影響著包殼的致密化過程和力學性能[5]。 

SiCf/SiC復合材料包殼預制體成型工藝有編織和纏繞兩種，與編織工藝相比，纏繞成型具有可設計性強、纖維排列整齊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[6-7]。目前，有關SiCf/SiC復合材料包殼預制體纏繞成型工藝的研究主要集中在纏繞工藝的實現(xiàn)與模擬以及工藝參數（如切點數）對預制體纖維體積分數和表面質量的影響方面[8-10]，但是，鋪層方案對預制體結構以及致密后包殼的密度、孔隙率和力學性能的系統(tǒng)性影響尚未明確。 

作者采用環(huán)向纏繞+螺旋纏繞成型工藝制備SiCf/SiC復合材料包殼預制體，根據預制體的壁厚要求、纖維體積分數要求及預制體表面質量確定最優(yōu)纏繞張力；設計螺旋層3種紗寬參數與3種纏繞角度參數，通過理論計算得出滿足壁厚要求的鋪層方案并制備了預制體，研究螺旋層纏繞角度和切點數對預制體壁厚、纖維體積分數等的影響；預制體經熱解碳、CVI及CVD致密等制備成包殼，對比研究了不同鋪層方案下包殼的密度、孔隙率、環(huán)向和軸向強度，確定了較優(yōu)的鋪層方案，以期為SiCf/SiC復合材料包殼的工業(yè)化制造提供試驗參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為福建立亞公司提供的Cansas-3303 SiC纖維，絲束0.5K（每一絲束由500根纖維組成）。纏繞成型工藝包括環(huán)向纏繞和螺旋纏繞兩種：通過環(huán)向纏繞制成環(huán)向層，環(huán)向層中SiC纖維逐條均勻搭接，可有效提高包殼的氣密性，但環(huán)向層SiC纖維的嚴密搭接對預制體的CVI致密具有負向作用；通過螺旋纏繞制成螺旋層，螺旋層可以增加包殼的力學性能及剛度[11]，螺旋層SiC纖維之間存在間隙，對預制體的CVI致密具有正向作用，但會導致包殼的氣密性不好。選擇環(huán)向層+螺旋層的鋪層方案。在纏繞過程中，通過張力調控使纖維在導紗輪上均勻展開并緊密纏繞在芯模上[12]。 

在確定最優(yōu)纏繞張力時，纏繞成型的鋪層方案為1環(huán)向層+1螺旋層，環(huán)向層紗寬為1.1 mm，螺旋層紗寬為0.85 mm，螺旋層纏繞角度為±45°，一切點，環(huán)向層和螺旋層的纏繞張力均分別為0，1，2，3，5 N。在Wind-Soft軟件上制作環(huán)向層和螺旋層纏繞程序，設置纏繞張力，在PW-200型四軸纏繞機上進行預制體的纏繞成型。 

采用精度為0.01 g的電子天平稱取芯模質量及纏繞后預制體的質量，用直尺測量預制體長度，使用S-09型三坐標測量儀測量芯模和預制體外徑，計算預制體壁厚和纖維體積分數，公式如下：

式中：H為預制體壁厚，mm；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$為預制體纖維體積分數；V為預制體中纖維所占體積，cm3；Vy為預制體所占體積，mm3；Rx為芯模外徑，mm；Ry為預制體外徑，mm；L為預制體長度，mm；Mx為芯模質量，g；My為預制體質量，g；ρ為SiC纖維密度，3.1 g·cm−3。 

預制體的壁厚要求控制在0.45~0.56 mm、纖維體積分數應在45%~55%；根據這兩個指標以及壁厚測試偏差小、紗線排布均勻的要求，確定預制體的最優(yōu)纏繞張力。 

預制體壁厚理論上為環(huán)向層和螺旋層厚度之和，環(huán)向層與螺旋層的厚度計算公式[13]如下：

式中：ρL為纖維的線密度，0.18 g·m−1；B為環(huán)向層紗寬，mm；b為纏繞層紗寬，mm；th為環(huán)向層厚度，mm；tlx為螺旋層厚度，mm；θ為螺旋層纏繞角度，（°）。 

由式（3）和式（4）可知，調整紗寬、纏繞角度等參數，即調整鋪層方案，會改變環(huán)向層和螺旋層厚度，從而改變預制體厚度。由于包殼的力學性能主要由螺旋層提供，而環(huán)向層對預制體的CVI致密具有負向作用，因此預制體僅設計一層環(huán)向層，即1環(huán)向層，環(huán)向層紗寬為1.1 mm；螺旋層層數分別為1，2層，螺旋層紗寬分別設置為0.85，1.10，1.35 mm，纏繞角度分別為±35°，±40°，±45°，將上述參數代入式（3）和式（4），計算出單層厚度，即可獲得預制體厚度，并選出厚度符合要求的鋪層方案。根據選出的鋪層方案制備預制體，選用一切點和三切點[13]，將預制體分3次放入沉積爐內，以甲烷為原料，利用CVD工藝在預制體表面制備一層熱解碳界面層；以三氯甲基硅烷為原料，通過CVI工藝對預制體進行SiC基體的致密化，最后利用CVD工藝在預制體表面制備一層致密的SiC涂層，得到包殼坯體。采用EasyTom 150型CT掃描設備觀察包殼坯體結構，計算孔隙率[14-15]。通過計算預制體壁厚和預制體纖維體積分數以及包殼坯體孔隙率來確定切點數。 

將包殼坯體機械加工后制成包殼[16-18]，按照GB/T 1463—2005《纖維增強塑料密度和相對密度試驗方法》，采用MDJ-600S型電子密度計測試包殼密度；按照GB/T 43938.1—2024《碳纖維增強復合材料薄壁管件力學性能試驗方法第1部分：拉伸試驗》，在包殼上制備拉伸試樣，采用DDL300型拉力機進行軸向拉伸試驗，拉伸速度為5 mm·min−1；根據ASTM C1819-21 Standard Test Method for Hoop Tensile Strength of Continuous Fiber-Reinforced Advanced Ceramic Composite Tubular Test Specimens at Ambient Temperature Using Elastomeric Inserts制備漲塞試樣，采用符合Practice E4的壓力機測試并計算所制備包殼的環(huán)向強度；采用EasyTom 150型CT設備檢測所制備包殼的孔隙率。上述試驗均測5個試樣取平均值。 

2.   試驗結果與討論

2.1   纏繞張力的優(yōu)化

由圖1可以看出：纏繞張力為0時制備的預制體表面不平整，紗線排布不均勻且存在較多離縫；3，5 N纏繞張力下表面紗線排布均勻平整，離縫明顯減少。 

圖  1  不同纏繞張力下預制體的表面形貌

Figure  1.  Surface morphology of preforms under different winding tensions

由圖2可以看出：在纏繞張力0～5 N范圍內，預制體的壁厚在0.45～0.58 mm，纖維體積分數在42%～57％，預制體壁厚、壁厚最大偏差與纏繞張力負相關，纖維體積分數與纏繞張力正相關。在纏繞張力為2，3 N下，預制體的壁厚和纖維體積分數均滿足要求（壁厚0.45～0.56 mm、纖維體積分數45%～55％），其中2 N纏繞張力下的預制體壁厚最大偏差較大，說明表面平整度較差。綜上，預制體最優(yōu)纏繞張力為3 N。 

圖  2  預制體的壁厚、壁厚最大偏差和纖維體積分數隨纏繞張力的變化曲線

Figure  2.  Wall thickness, wall thickness maximum deviation and fiber volume fraction vs winding tension curves of preforms

2.2   預制體鋪層方案的確定

在3 N纏繞張力下，SiC纖維纏繞在芯模上的平均環(huán)向紗寬為1.1 mm，將該參數代入式（3）可得到環(huán)向層厚度為0.11 mm。由式（4）計算得到的螺旋層單層厚度以及環(huán)向層和螺旋層總厚度如表1所示。由表1可以看出，滿足預制體壁厚要求（0.45～0.56 mm）的鋪層方案如下：1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、螺旋層纏繞角度±40°或±45°；1環(huán)向層+2螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm，螺旋層紗寬1.35 mm、螺旋層纏繞角度±35°。 

2.3   螺旋層纏繞角度優(yōu)化

采用1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、三切點，螺旋層纏繞角度分別為±40°與±45°的鋪層方案制備預制體并進行熱解碳等處理得到包殼坯體。在螺旋層纏繞角度為±40°與±45°條件下，預制體的壁厚分別為0.50，0.48 mm，與設計厚度基本相同，最大偏差均為0.11 mm，纖維體積分數分別為50％和52％。由圖3可以看出，螺旋層纏繞角度為±40°時所制備包殼坯體表面凸起數量少于螺旋層纏繞角為±45°時。這是因為螺旋層纏繞角度越大，螺旋纏繞時作用在芯模徑向的分力越大，越易造成預制體纖維折損產生毛紗，毛紗表面沉積SiC后形成凸起。綜上，最優(yōu)螺旋層纏繞角度為±40°。 

圖  3  不同螺旋層纏繞角度下包殼坯體的表面形貌

Figure  3.  Surface morphology of preforms under different winding angles of cladding blank

2.4   螺旋層纏繞切點數優(yōu)化

以1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、一切點或三切點、螺旋層纏繞角度±40°的鋪層方案為例，研究切點數對預制體壁厚、纖維體積分數和包殼坯體孔隙率的影響。由圖4可以看出，與一切點相比，三切點下預制體的纖維搭接架空數量較多。在一切點和三切點下預制體的壁厚分別為0.50，0.53 mm，壁厚最大偏差分別為0.11，0.14 mm，纖維體積分數分別為50％和45％。三切點下預制體的壁厚及壁厚最大偏差均高于一切點下，但纖維體積分數低于一切點下，這是因為三切點下預制體纖維搭接架空數量較多，影響了預制體的壁厚以及平整度。一切點下所制包殼坯體的孔隙率（缺陷體積/總體積）為15.66%，這是由于此時預制體中的纖維搭接較為嚴密，在CVD沉積過程中表層形成了一層較密實的SiC層，阻礙了氣體分子向內部滲透。三切點下所制包殼坯體的孔隙率為11.47%，這是因為此時預制體的纖維搭接架空對CVI致密過程有正向作用。綜上，最優(yōu)纏繞切點數為三切點。 

圖  4  一切點與三切點下預制體的表面形貌

Figure  4.  Surface morphology of preforms under one-tangent point and three-tangent point

2.5   不同方案下預制體和包殼性能的對比

根據2.3和2.4節(jié)選擇兩種優(yōu)化鋪層方案，如下：1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、螺旋層纏繞角±40°、三切點（方案一）；1環(huán)向層+2螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬1.35 mm、螺旋層纏繞角±35°、三切點（方案二）。纏繞張力均為3 N。由圖5可知，鋪層方案二下預制體表面的平整度及纖維排布均勻性明顯優(yōu)于鋪層方案一，這是因為增大紗寬可增加纖維排布均勻性，減少纖維搭接架空數量。鋪層方案一和鋪層方案二下預制體的壁厚分別為0.50，0.54 mm，壁厚最大偏差均為0.11 mm，纖維體積分數分別為50%和53%；預制體壁厚、纖維體積分數均滿足要求，但鋪層方案二下的預制體纖維體積分數更高。 

圖  5  2種鋪層方案下預制體的表面形貌

Figure  5.  Surface morphology of preforms under two layering schemes

鋪層方案一和鋪層方案二下所制包殼坯體的孔隙率分別為11.47%，6.45%，鋪層方案二下的孔隙率更低，這是因為鋪層方案二下預制體纖維體積分數更高，同時較大紗寬增大了CVI致密通道，更利于預制體的致密化。由表2可以看出，鋪層方案一下所制包殼的軸向強度及孔隙率未達到指標要求，而鋪層方案二下所制包殼的性能均滿足指標要求。 

3.   結　論

（1）在1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、一切點、螺旋層纏繞角度±45°鋪層方案下，預制體的最優(yōu)纏繞張力為3 N，此時預制體表面平整，紗線排布均勻，壁厚為0.5 mm，纖維體積分數為50％。 

（2）在纏繞張力為3 N下，滿足預制體壁厚要求（0.45～0.56 mm）的鋪層方案為1環(huán)向層+1螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、纏繞角度±40°、三切點（方案一）以及1環(huán)向層+2螺旋層、環(huán)向層紗寬1.1 mm、螺旋層紗寬1.35 mm、纏繞角度±35°、三切點（方案二）。較大螺旋層纏繞角度下所制包殼的表面凸起數量較多，表面質量較差；切點數的增加導致預制體纖維搭接架空數量增多，對其CVI致密過程有正向作用，所制包殼的孔隙率降低。 

（3）鋪層方案二所制預制體的纖維平整度以及紗線均勻性優(yōu)于鋪層方案一，同時其纖維體積分數相較于鋪層方案一提高了3％，制成包殼的性能滿足要求，其環(huán)向強度為197 MPa，軸向強度為235.2 MPa，孔隙率為6.45％，密度為2.87 g·cm−3。鋪層方案一下所制包殼的性能不滿足要求。

文章來源——材料與測試網