中國(guó)粉體網(wǎng)訊  ADS加速器被世界科學(xué)界公認(rèn)為解決大量放射性廢物、降低深埋儲(chǔ)藏風(fēng)險(xiǎn)的最具潛力的工具，其所用加速器流強(qiáng)要求很高，尤其對(duì)加速器的穩(wěn)定性要求極高。但是，目前面向核燃料包殼管應(yīng)用的研究仍然比較薄弱，材料強(qiáng)度降低、熱導(dǎo)率下降、密封性差、服役壽命短等是這一領(lǐng)域中最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。

圍繞這一難題，在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“先進(jìn)核裂變能的燃料增殖與嬗變”的支持下，中科院黃慶課題組帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)核用連續(xù)碳化硅纖維、中間層涂層、復(fù)合材料制備與加工技術(shù)、輻照損傷與性能預(yù)測(cè)開(kāi)展了系統(tǒng)研究，并取得了一系列代表性的成果。

黃慶介紹，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子調(diào)控獲得低氧含量碳化硅纖維，首次提出含有Al-C化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)的高鋁（高于1wt%）碳化硅纖維有望形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核用特種纖維材料。同時(shí)，突破了液態(tài)超支化聚碳硅烷（LHBPCS）制備技術(shù)，其陶瓷化產(chǎn)物接近SiC化學(xué)計(jì)量比，氧含量低（~0.1%）。

另一方面，傳統(tǒng)中間層界面在核能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用中遇到很大的挑戰(zhàn)，其最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是纖維與基體之間的界面層在輻照下體積腫脹失配，從而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致復(fù)合材料容錯(cuò)性失效，這是碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料輻照后強(qiáng)度降低、熱導(dǎo)率下降、腐蝕加速和裂變氣體溢出的根本原因。

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在前期與北京大學(xué)薛建明和王宇鋼等研究小組系統(tǒng)研發(fā)了三元層狀MAX相輻照損傷機(jī)制和缺陷結(jié)構(gòu)的演變行為，首次提出并實(shí)現(xiàn)三元層狀MAX相材料作為SiCf/SiC中間層，重離子輻照研究表明該新型中間層具有很好的抗腫脹特性。

ADS核燃料陶瓷包殼管工程應(yīng)用重大挑戰(zhàn)之一是碳化硅復(fù)合材料端封問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用Ti-Si-C三元相圖控制連接層物相梯度分布，獲得高強(qiáng)度、低界面應(yīng)力、耐輻照和耐腐蝕的可靠連接，實(shí)現(xiàn)了TiC/Ti3SiC2全碳化物梯度連接層連接SiC，有效解決了界面熱應(yīng)力問(wèn)題，所得連接結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度高達(dá)325MPa。此外，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出碳化硅陶瓷無(wú)縫連接解決方案，并研發(fā)出系列“可犧牲”型陶瓷焊料實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷及復(fù)合材料一體化封接。

隨著研究的不斷推進(jìn)及其與有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、高溫熔鹽化學(xué)、真空鍍膜、材料計(jì)算等多學(xué)科的交叉融合，研究團(tuán)隊(duì)不斷取得系列突破。該研究方向也入選了中國(guó)科協(xié)2018年度“重大科學(xué)問(wèn)題與工程技術(shù)難題”，并獲批國(guó)家發(fā)改委“十三五”科教基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)項(xiàng)目“新能源技術(shù)與材料綜合研發(fā)平臺(tái)——碳化硅纖維及復(fù)合材料研發(fā)及應(yīng)用平臺(tái)”。

在研究人員看來(lái)，上述系列研究成果有望推動(dòng)核燃料包殼管的選型和實(shí)際應(yīng)用。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/漫道）

注：圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！