新型多层SiC涂层设计提升1200℃下SiC基核燃料包壳的损伤容限

为解决传统单层SiC涂层脆性断裂问题，Westinghouse公司与合作团队通过设计11层SiC外涂层（总厚~260μm），结合同步辐射X射线计算机断层扫描（XCT）技术，系统研究了SiCf -SiCm 包壳材料在室温和1200℃氩气环境下的力学行为。研究发现多层涂层通过界面裂纹偏转和分叉显著提升损伤容限，初始表面裂纹未影响最终失效过程，为事故容错核燃料（ATF）包壳设计提供了新思路。

　　

在核能领域，传统锆合金燃料包壳在高温事故工况下易发生氧化和氢脆，而连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC_f
-SiC_m
）因其优异的高温强度和抗氧化性被视为事故容错燃料（ATF）包壳的候选材料。然而，为提高气密性施加的单层SiC外涂层存在脆性断裂风险，可能引发灾难性失效。这一矛盾促使Westinghouse Electric Company LLC等机构的研究团队开展创新性研究，其成果发表在《Materials》上。

研究团队采用化学气相沉积（CVD）制备了11层结构的SiC外涂层（总厚度~260μm），结合同步辐射X射线计算机断层扫描（XCT）实时观测技术，在室温和1200℃氩气环境下进行C环压缩实验。通过扫描电镜（SEM）、拉曼光谱和纳米压痕等技术系统表征了材料微观结构、残余应力分布和局部力学性能。

材料与实验
研究选用核级HI-NICALON?-Type-S纤维三维正交编织的SiC_f
-SiC_m
管材，外涂层由11个子层构成。通过XCT测量包壳管几何参数（内径3.74±0.13mm，壁厚1.04±0.021mm），拉曼光谱分析显示外层SiC涂层的残余应力呈梯度分布（表面~50MPa至界面~210MPa），纳米压痕测得涂层平均硬度和弹性模量分别为32.2±0.7GPa和407.2±5.5GPa。

结果
微观结构：SEM显示多层涂层中存在界面孔隙，CMC层包含纤维束间宏观孔（0.52±0.09vol%）和束内微观孔（2.93±0.26vol%）。残余应力：拉曼测量发现SiC纤维芯部存在0.9GPa张应力，而PyC界面处碳相呈现-0.63GPa压应力。力学行为：C环测试表明材料在室温和1200℃下最大环向应力分别为~243.5MPa和~237MPa，高温下出现载荷松弛现象。失效过程：XCT显示裂纹在多层涂层中发生偏转，在CMC层中沿纤维束/基体界面分叉，纤维拔出现象在两种温度下均被观察到。

讨论与结论
该研究首次证实多层SiC涂层通过界面裂纹偏转显著提升损伤容限，其设计优势体现在三方面：（1）梯度残余应力分布不同于单层涂层；（2）3.45vol%的低孔隙率优于传统CVI工艺（8.7-20vol%）；（3）初始裂纹未对齐最大应力方向时不影响最终强度。值得注意的是，纤维编织角度（±45°）导致的基体主导区域成为裂纹快速扩展通道，提示未来需优化纤维架构。

这项研究为ATF包壳设计提供了重要指导：多层涂层结构在保持气密性同时解决了脆性问题，而缺陷容忍度的发现为实际应用中的质量控制提供了新依据。后续研究将聚焦于辐照稳定性评估和极端热化学环境下的氧化行为验证。