The fabrication methods and requirements of the fiber, interphase, and matrix of nuclear grade $SiC_f/SiC$ composites are briefly reviewed. A CVI-processed $SiC_f/SiC$ composite with a PyC or $(PyC-SiC)_n$ interphase utilizing Hi-Nicalon Type S or Tyranno SA3 fiber is currently the best combination in terms of the irradiation performance. We also describe important material issues for the application of SiC composites to LWR fuel cladding. The kinetics of the SiC corrosion under LWR conditions needs to be clarified to confirm the possibility of a burn-up extension and the cost-benefit effect of the SiC composite cladding. In addition, the development of end-plug joining technology and fission products retention capability of the ceramic composite tube would be key challenges for the successful application of SiC composite cladding.
Manufactured $SiC_f/SiC$ composites by NITE method was investigated fracture characteristics according to the size of the surface crack. Coated surface crack with a $SiO_2$ colloid in several ways was evaluating the possibility of healing. The strength of CCS and UCS is 313 and 230MPa, respectively and it is about 1/3 of the SPS. Bending strength of $SiC_f/SiC$ composites has no effect with the pre-crack size to the critical crack size. $SiC_f/SiC$ composites can not generate large amount of $SiO_2$ oxides to the bottom of crack, and is only generated randomly on surfaces, and can not contribute to the recovery of bending strength.
In this study, $C_f/SiC$, $SiC_f/SiC$ and $C_f-SiC_f/SiC$ ceramic composites reinforcing carbon fiber, SiC fiber and hybrid fiber were fabricated by hybrid TGCVI and PIP process. After the thermal shock cycle, 3-point bending and Oxy-Acetylene torch test, their mechanical behavior, oxidation and erosion resistance were evaluated. The $C_f/SiC$ composite showed a decrease in mechanical property along with increasing temperature, a pseudo-ductile fracture mode and a large quantity of erosion. The $SiC_f/SiC$ composite exhibited stronger mechanical property and lower erosion rate compared to the $C_f/SiC$, but brittle fracture mode. On the other hand, hybrid type of $C_f-SiC_f/SiC$ composite gave the best mechanical property, more ductile failure mode than the $SiC_f/SiC$, and lower erosion rate than the $C_f/SiC$. During the Oxy-Acetylene torch test, the $SiO_2$ formed by reaction of the SiC matrix with oxygen prevented further oxidation or erosion of the fibers for $C_f-SiC_f/SiC$ and $SiC_f/SiC$ composites particularly. In conclusion, if a hybrid composite with low porosity is prepared, this material is expected to have high applicability as a high temperature thermo-structural composite under high temperature oxidation atmosphere by improving low mechanical property due to the oxidation of $C_f/SiC$ and brittle fracture mode of $SiC_f/SiC$ composite.
$SiC_f$/SiC composites with whiskers and pyrolytic carbon (PyC) coated whiskers in the matrix were fabricated for enhancement of the fracture behaviors by the whisker growing assisted chemical vapor infiltration (WA-CVI) process, respectively. $SiC_f$/SiC composites were also prepared by the conventional CVI process as reference material. The mechanical properties and fracture behaviors were analyzed by comparison of the two types of composites prepared by WA-CVI and conventional CVI. The densities of $SiC_f$/SiC composites were in the range of $2.6{\sim}2.65g/cm^3$. The flexural strengths of composite with whiskers and with those coated by PyC were 650 MPa and 600 MPa, respectively. The tensile strength of composites with whiskers was ${\sim}285$ MPa.
Kim, Daejong;Lee, Jongmin;Park, Ji Yeon;Kim, Weon-Ju
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.50
no.6
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pp.359-363
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2013
Silicon carbide and its composites are being considered as a nuclear fuel cladding material for LWR nuclear reactors because they have a low neutron absorption cross section, low hydrogen production under accident conditions, and high strength at high temperatures. The SiC composite cladding tube considered in this study consists of three layers, monolith CVD SiC - $SiC_f$/SiC composite -monolith CVD SiC. The volume fraction of SiC fiber and surface roughness of the composite layer affect mechanical and corrosion properties of the cladding tube. In this study, various types of SiC fiber preforms with tubular shapes were fabricated by a filament winding method using two types of Tyranno SA3 grade SiC fibers with 800 filaments/yarn and 1600 filaments/yarn. After chemical vapor infiltration of the SiC matrix, the surface roughness and fiber volume fraction were measured. As filament counts were changed from 800 to 1600, the surface roughness increased but the fiber volume fraction decreased. The $SiC_f$/SiC composite with a bamboo-like winding pattern has a smaller surface roughness and a higher fiber volume fraction than that with a zigzag winding pattern.
The characterization of monolithic SiC and SiCf/SiC composite materials fabricated by NITE and RS processes was investigated in conjunction with the detailed analysis of their microstructure and density. The NITE-SiC based materials were fabricated, using a SiC powder with average size of 30 nm. RS- SiCf/SiC composites were fabricated with a complex slurry of C and SiC powder. In the RS process, the average size of starting SiC particle and the blending ratio of C/SiC powder were $0.4\;{\mu}m$ and 0.4, respectively. The reinforcing materials for /SiC composites were BN-SiC coated Hi-Nicalon SiC fiber, unidirectional or plain woven Tyranno SA SiC fiber. The characterization of all materials was examined by the means of SEM, EDS and three point bending test. The density of NITE-SiCf/SiC composite increased with increasing the pressure holding time. RS-SiCf/SiC composites represented a great decrease of flexural strength at the temperature of $1000\;^{\circ}C.$
Lee, Ho Wook;Kim, Daejong;Lee, Hyeon-Geun;Kim, Weon-Ju;Yoon, Soon Gil;Park, Ji Yeon
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.56
no.5
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pp.453-460
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2019
To reduce residual pores of composites and obtain a dense matrix, SiCf/SiC composites were fabricated by chemical vapor deposition (CVI) using SiC nanorods. SiC nanorods were uniformly grown in the thickness direction of the composite preform when the reaction pressure was maintained at 50 torr or 100 torr at 1,100℃. When SiC nanorods were grown, the densities of the composites were 2.57 ~ 2.65 g/㎤, higher than that of the composite density of 2.47 g/㎤ for non-growing of SiC nanorods under the same conditions; grown nanorods had uniform microstructure with reduced large pores between bundles. The flexural strength, fracture toughness and thermal conductivity (room temperature) of the SiC nanorod grown composites were 412 ~ 432 MPa, 13.79 ~ 14.94 MPa·m1/2 and 11.51 ~11.89 W/m·K, which were increases of 30%, 25%, and 25% compared to the untreated composite, respectively.
Kim, Sung-Won;Lee, Moon-Hee;Hwang, Seung-Kuk;Lee, Sang-Pill
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.20
no.2
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pp.149-155
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2017
Mechanical properties of carbon coated $SiC_f/SiC$ composites have been investigated, in conjunction with a detailed analysis of microstructure. Especially, the fracture behavior of $SiC_f/SiC$ composites by the induction of carbon coating layers has been examined. The matrix region of $SiC_f/SiC$ composites with ultra-fine SiC powders were consolidated by a liquid phase sintering (LPS) process, using a sintering additive of $Al_2O_3-Y_2O_3$ powder compound. In this composite, plain and satin- woven Tyranno SA fabrics were also utilized as a reinforcing material. A carbon interfacial layer was coated around satin-woven SiC fabrics. The characterization of LPS-$SiC_f/SiC$ composites was investigated by means of SEM and three point bending test.
Nuclear fuel cladding used in a nuclear power plant must possess superior oxidation resistance in the coolant atmosphere of high temperature/high pressure. However, as was the case for the critical LOCA (loss-of-coolant accident) accident that took place in the Fukushima disaster, there is a risk of hydrogen explosion when the nuclear fuel cladding and steam reacts dramatically to cause a rapid high-temperature oxidation accompanied by generation of a huge amount of hydrogen. Hence, an active search is ongoing for an alternative material to be used for manufacturing of nuclear fuel cladding. Studies are currently aimed at improving the safety of this cladding. In particular, ceramic-based nuclear fuel cladding, such as SiC, is receiving much attention due to the excellent radiation resistance, high strength, chemical durability against oxidation and corrosion, and excellent thermal conduction of ceramics. In the present study, cladding with $SiC_f/SiC$ protective films was fabricated using a process that forms a matrix phase by polymer impregnation of polycarbosilane (PCS) after filament-winding the SiC fiber onto an existing Zry-4 cladding tube. It is analyzed the oxidation and microstructure of the metal cladding with $SiC_f/SiC$ composite protective films using a drop tube furnace for thermal shock test.
The efficiency of fiber reinforced CMC(ceramic matrix composite) on the SiC materials have been investigated, in conjunction with the fabrication process by liquid phase sintering and the characterization. LPS-$SiC_f$/SiC composites was studied with the detailed analysis such as the microstructure, sintered density, flexural strength and fracture behavior. The applicability of carbon interfacial layer has been also investigated in the LPS process. Submicron SiC powder with the constant total amount and composition ratio of $Al_2O_3,\;Y_2O_3$ as sintering additives was used in order to promote the performance of the SiC matrix material. LPS-$SiC_f$/SiC composites were fabricated with hot press under the sintering temperature and applied pressure of $1820^{\circ}C$ and 20MPa for 1hr. The typical property of monolithic LPS-SiC materials was compared with LPS-$SiC_f$/SiC composites.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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