采用纏繞成型工藝在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、螺旋層纏繞角度±45°、一切點、纏繞張力0～5 N鋪層方案下制備SiC纖維（SiCf）/SiC復合材料包殼預制體，根據(jù)預制體的壁厚要求（0.45～0.56 mm）、纖維體積分數(shù)要求（45%～55％）及表面質量要求確定最優(yōu)纏繞張力；改變螺旋層紗寬與纏繞角度，計算預制體理論厚度，得到滿足壁厚要求的鋪層方案并制備預制體，研究了螺旋層纏繞角度和切點數(shù)對壁厚、纖維體積分數(shù)的影響；預制體進行熱解碳、化學氣相滲透（CVI）及化學氣相沉積（CVD）致密后制成包殼，對比研究了不同鋪層方案下所制備包殼的密度、孔隙率、環(huán)向和軸向強度，確定了較優(yōu)的鋪層方案。
結果表明：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(shù)為50％；螺旋層纏繞角度越大，包殼表面凸起數(shù)量越多，表面質量越差；切點數(shù)的增加導致預制體纖維搭接架空增多，對其CVI致密過程有正向作用，所制備包殼的孔隙率降低。
滿足預制體壁厚要求的鋪層方案為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°、3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°、3切點（方案二）。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滿足指標要求，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。
論文標題：
SiCf/SiC復合材料包殼預制體纏繞成型工藝鋪層方案的優(yōu)化
01研究背景
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，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。
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(jīng)熱解碳、化學氣相滲透（CVI）及 化 學 氣 相 沉 積 （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(shù)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。
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。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(shù)（如切點數(shù)）對預制體纖維體積分數(shù)和表面質量的影響方面，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(jù)預制體的壁厚要求、纖維體積分數(shù)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(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制體，研究螺旋層纏繞角度和切點數(shù)對預制體壁厚、纖維體積分數(shù)等的影響；預制體經(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復合材料包殼的工業(yè)化制造提供試驗參考。
02研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)重點介紹了SiCf/SiC復合材料包殼預制體的制備與試驗方法。試驗材料為Cansas-3303 SiC纖維，采用環(huán)向纏繞和螺旋纏繞結合的鋪層方案。通過調控纏繞張力（0~5 N）、紗寬和纏繞角度等參數(shù)優(yōu)化預制體性能，重點控制壁厚（0.45~0.56 mm）和纖維體積分數(shù)（45%~55%）。利用公式計算壁厚和纖維體積分數(shù)，并通過調整螺旋層層數(shù)、紗寬和角度篩選符合要求的鋪層方案。預制體經(jīng)過CVD和CVI工藝致密化處理后，采用CT掃描、密度測試、拉伸試驗和環(huán)向強度測試等多種方法評估其結構和力學性能，所有試驗均取5個試樣平均值。
2 試驗結果與討論
本章節(jié)重點研究了纏繞張力、鋪層方案、纏繞角度和切點數(shù)對SiCf/SiC復合材料包殼預制體性能的影響。試驗結果表明，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，壁厚和纖維體積分數(shù)滿足要求（壁厚0.45～0.56 mm，纖維體積分數(shù)45%～55%）。螺旋層最優(yōu)纏繞角度為±40°，可減少表面凸起；最優(yōu)切點數(shù)為三切點，有助于降低包殼坯體孔隙率。通過對比兩種鋪層方案，方案二（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）在纖維排布均勻性、纖維體積分數(shù)（53%）和致密化效果方面表現(xiàn)更優(yōu)，所制包殼孔隙率低至6.45%，且力學性能完全滿足指標要求。
不同纏繞張力下預制體的表面形貌
一切點與三切點下預制體的表面形貌
03結束語
（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(shù)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(shù)量較多，表面質量較差；切點數(shù)的增加導致預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。
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