0.   引　言

輕水反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)合材料替代鋯合金作為包殼管材料。與鋯合金相比，SiCf/SiC復(fù)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(fù)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(yù)制體，再經(jīng)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(jīng)機械加工制成滿足裝配要求的SiCf/SiC復(fù)合材料包殼。預(yù)制體是包殼的骨架，承擔了包殼的大部分載荷，預(yù)制體壁厚及纖維體積分數(shù)影響著包殼結(jié)構(gòu)，鋪層方案影響著包殼的致密化過程和力學性能[5]。 

SiCf/SiC復(fù)合材料包殼預(yù)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(shè)計性強、纖維排列整齊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點[6-7]。目前，有關(guān)SiCf/SiC復(fù)合材料包殼預(yù)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(shù)（如切點數(shù)）對預(yù)制體纖維體積分數(shù)和表面質(zhì)量的影響方面[8-10]，但是，鋪層方案對預(yù)制體結(jié)構(gòu)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(fù)合材料包殼預(yù)制體，根據(jù)預(yù)制體的壁厚要求、纖維體積分數(shù)要求及預(yù)制體表面質(zhì)量確定最優(yōu)纏繞張力；設(shè)計螺旋層3種紗寬參數(shù)與3種纏繞角度參數(shù)，通過理論計算得出滿足壁厚要求的鋪層方案并制備了預(yù)制體，研究螺旋層纏繞角度和切點數(shù)對預(yù)制體壁厚、纖維體積分數(shù)等的影響；預(yù)制體經(jīng)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(fù)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?qū)?，環(huán)向?qū)又蠸iC纖維逐條均勻搭接，可有效提高包殼的氣密性，但環(huán)向?qū)覵iC纖維的嚴密搭接對預(yù)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(yù)制體的CVI致密具有正向作用，但會導(dǎo)致包殼的氣密性不好。選擇環(huán)向?qū)?螺旋層的鋪層方案。在纏繞過程中，通過張力調(diào)控使纖維在導(dǎo)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?qū)?1螺旋層，環(huán)向?qū)蛹唽挒?.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?qū)雍吐菪龑拥睦p繞張力均分別為0，1，2，3，5 N。在Wind-Soft軟件上制作環(huán)向?qū)雍吐菪龑永p繞程序，設(shè)置纏繞張力，在PW-200型四軸纏繞機上進行預(yù)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(zhì)量及纏繞后預(yù)制體的質(zhì)量，用直尺測量預(yù)制體長度，使用S-09型三坐標測量儀測量芯模和預(yù)制體外徑，計算預(yù)制體壁厚和纖維體積分數(shù)，公式如下：

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

預(yù)制體的壁厚要求控制在0.45~0.56 mm、纖維體積分數(shù)應(yīng)在45%~55%；根據(jù)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(yù)制體的最優(yōu)纏繞張力。 

預(yù)制體壁厚理論上為環(huán)向?qū)雍吐菪龑雍穸戎?，環(huán)向?qū)优c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?qū)蛹唽?，mm；b為纏繞層紗寬，mm；th為環(huán)向?qū)雍穸?，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(diào)整紗寬、纏繞角度等參數(shù)，即調(diào)整鋪層方案，會改變環(huán)向?qū)雍吐菪龑雍穸?，從而改變預(yù)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?qū)訉︻A(yù)制體的CVI致密具有負向作用，因此預(yù)制體僅設(shè)計一層環(huán)向?qū)樱?環(huán)向?qū)?，環(huán)向?qū)蛹唽挒?.1 mm；螺旋層層數(shù)分別為1，2層，螺旋層紗寬分別設(shè)置為0.85，1.10，1.35 mm，纏繞角度分別為±35°，±40°，±45°，將上述參數(shù)代入式（3）和式（4），計算出單層厚度，即可獲得預(yù)制體厚度，并選出厚度符合要求的鋪層方案。根據(jù)選出的鋪層方案制備預(yù)制體，選用一切點和三切點[13]，將預(yù)制體分3次放入沉積爐內(nèi)，以甲烷為原料，利用CVD工藝在預(yù)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(yù)制體進行SiC基體的致密化，最后利用CVD工藝在預(yù)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(shè)備觀察包殼坯體結(jié)構(gòu)，計算孔隙率[14-15]。通過計算預(yù)制體壁厚和預(yù)制體纖維體積分數(shù)以及包殼坯體孔隙率來確定切點數(shù)。 

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(fù)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(jù)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(shè)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(jié)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(yù)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(yù)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(nèi)，預(yù)制體的壁厚在0.45～0.58 mm，纖維體積分數(shù)在42%～57％，預(yù)制體壁厚、壁厚最大偏差與纏繞張力負相關(guān)，纖維體積分數(shù)與纏繞張力正相關(guān)。在纏繞張力為2，3 N下，預(yù)制體的壁厚和纖維體積分數(shù)均滿足要求（壁厚0.45～0.56 mm、纖維體積分數(shù)45%～55％），其中2 N纏繞張力下的預(yù)制體壁厚最大偏差較大，說明表面平整度較差。綜上，預(yù)制體最優(yōu)纏繞張力為3 N。 

圖  2  預(yù)制體的壁厚、壁厚最大偏差和纖維體積分數(shù)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(yù)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(shù)代入式（3）可得到環(huán)向?qū)雍穸葹?.11 mm。由式（4）計算得到的螺旋層單層厚度以及環(huán)向?qū)雍吐菪龑涌偤穸热?/span>表1所示。由表1可以看出，滿足預(yù)制體壁厚要求（0.45～0.56 mm）的鋪層方案如下：1環(huán)向?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.1 mm、螺旋層紗寬0.85 mm、螺旋層纏繞角度±40°或±45°；1環(huán)向?qū)?2螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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(yù)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(yù)制體的壁厚分別為0.50，0.48 mm，與設(shè)計厚度基本相同，最大偏差均為0.11 mm，纖維體積分數(shù)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(shù)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(yù)制體纖維折損產(chǎn)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(shù)優(yōu)化

以1環(huán)向?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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(shù)對預(yù)制體壁厚、纖維體積分數(shù)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(yù)制體的纖維搭接架空數(shù)量較多。在一切點和三切點下預(yù)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(shù)分別為50％和45％。三切點下預(yù)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(shù)低于一切點下，這是因為三切點下預(yù)制體纖維搭接架空數(shù)量較多，影響了預(yù)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(yù)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(nèi)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(yù)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(shù)為三切點。 

圖  4  一切點與三切點下預(yù)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(yù)制體和包殼性能的對比

根據(jù)2.3和2.4節(jié)選擇兩種優(yōu)化鋪層方案，如下：1環(huán)向?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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?qū)?2螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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(yù)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(shù)量。鋪層方案一和鋪層方案二下預(yù)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(shù)分別為50%和53%；預(yù)制體壁厚、纖維體積分數(shù)均滿足要求，但鋪層方案二下的預(yù)制體纖維體積分數(shù)更高。 

圖  5  2種鋪層方案下預(yù)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(yù)制體纖維體積分數(shù)更高，同時較大紗寬增大了CVI致密通道，更利于預(yù)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(jié)　論

（1）在1環(huán)向?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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(yù)制體的最優(yōu)纏繞張力為3 N，此時預(yù)制體表面平整，紗線排布均勻，壁厚為0.5 mm，纖維體積分數(shù)為50％。 

（2）在纏繞張力為3 N下，滿足預(yù)制體壁厚要求（0.45～0.56 mm）的鋪層方案為1環(huán)向?qū)?1螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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?qū)?2螺旋層、環(huán)向?qū)蛹唽?.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(shù)量較多，表面質(zhì)量較差；切點數(shù)的增加導(dǎo)致預(yù)制體纖維搭接架空數(shù)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(yù)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(shù)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(wǎng)