[发明专利]一种低温SiC纤维表面石墨界面的制备方法

说明书

本发明涉及一种低温SiC纤维表面石墨界面的制备方法，属于核燃料包壳管制备领域。本发明的目的是为了解决现有制备SiC_f/SiC复合材料采用的PyC界面在高剂量中子辐照后，界面发生退化，界面处产生裂缝，导致材料力学性能和导热性能降低等问题，提供一种低温SiC纤维表面石墨界面的制备方法；该方法首先在SiC纤维预制体表面沉积PyC界面，然后通过强磁场及加热实现PyC界面的石墨化，在维持SiC纤维原有力学性能的同时提高SiC_f/SiC复合材料的高温抗中子辐照能力。本发明利用强磁场辅助加热使PyC界面石墨化，降低石墨化温度，可避免高温加热对SiC纤维的损伤，防止SiC纤维晶粒长大，保持SiC纤维力学强度，也会保证SiC_f/SiC复合材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种低温SiC纤维表面石墨界面的制备方法，属于核燃料包壳管制备领域。

背景技术

对于SiC_f/SiC复合材料，界面相理论上应采用具有各项异性的、层状结构的石墨，以达到偏转裂纹的效果。石墨层间以范德华力结合，当裂纹尖端扩展与其相遇时，会在弱结合的原子层之间发生偏转，从而使SiC_f/SiC材料呈现非线性断裂。但是在界面相实际制备中，常使用热解碳(PyC)界面代替石墨，现有的采用化学气相渗透法(CVI)制备的核级SiC_f/SiC材料多采用单层PyC或多层PyC/SiC作为材料界面层，界面层厚度通常为20～500nm。PyC界面通常以气态碳氢化合物作为前体，通过化学气相沉积(CVD)工艺沉积在纤维预制体表面。尽管PyC具有较小的中子吸收截面，但是作为核级SiC_f/SiC复合材料的界面已被证明在高剂量中子辐照条件下，PyC界面会受到严重的辐射损伤，使得SiC_f/SiC复合材料难以保持优异的机械性能和断裂韧性。例如，Nozawa等通过纤维顶出实验(Push-out test)研究了中子辐照(1073K，7.7dpa)对分别具有单层PyC及多层(PyC/SiC)n界面相的CVI Hi-NicalonType S SiC_f/SiC复合材料界面剪切强度的影响规律，发现了辐照后SiCf/(PyC/SiC)n/SiC复合材料界面剪切强度下降幅度大于SiC_f/PyC/SiC复合材料。Ozawa等分别研究了FCVITSA3SiC_f/SiC和HNLS SiC_f/SiC复合材料在辐照温度为740～750℃、中子通量分别为3.1×1025n/m²及1.2×1026n/m²时的力学性能变化规律。结果表明：复合材料纤维/基体界面滑移应力均显著下降。Katoh和Bergquist等研究了辐照温度为300℃、500℃及800℃，辐照剂量为71～74dpa时，CVI Hi-Nicalon Type S SiC_f/SiC复合材料的微观结构及宏观性能变化：发现复合材料PyC界面处产生裂缝，界面结合强度降低，力学性能呈不同程度下降。Koyanagi和Nozawa等研究了辐照导致的CVI SiC_f/SiC复合材料机械性能衰退机理，当辐照剂量为100dpa、辐照温度为319℃和629℃时，复合材料PyC界面结合强度分别变强及变弱，导致前者呈脆性断裂、后者断口有大量纤维拔出，材料强度均大幅下降。现有的结果表明在经高剂量(70dpa)中子辐照后PyC退化，由乱层石墨结构演变为高度富碳的无定形C/Si混合物，界面相性能衰退，产生应力，引起界面脱粘，进而影响SiC_f/SiC复合材料在高剂量中子辐照环境下的力学及导热性能。

上述采用化学气相沉积法制备的PyC界面，均为具有一定取向的、非连续的“类石墨烯”结构，为“短程有序”状态，因此具有一定的导电性，能对磁场的作用做出一定的响应。经强磁场处理后，“类石墨烯”结构会沿磁场方向取向，堆叠成的纳米石墨片层与磁场方向平行，从而使PyC发生石墨化转变。