韓紹華，薛丁琪

(福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福州　350108)

致謝：特別感謝福建省高端裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心對本研究工作的大力支持。

?

基于核應(yīng)用下碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料的連接研究進展

韓紹華，薛丁琪

(福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福州350108)

SiC陶瓷及其復(fù)合材料憑借其自身固有的核輻射下的穩(wěn)定性而有望成為新一代核裂變以及未來核聚變反應(yīng)堆中重要的結(jié)構(gòu)材料。能否滿足核應(yīng)用環(huán)境下各種苛刻條件而實現(xiàn)完美連接是其能夠得到最終應(yīng)用的關(guān)鍵。本文綜述了目前國際上基于核應(yīng)用上SiC陶瓷及其復(fù)合材料的幾種連接工藝的發(fā)展情況。

SiC陶瓷及其復(fù)合材料； 核應(yīng)用； 連接工藝

1　引　言

碳化硅(Silicon Carbide, SiC)陶瓷是一種非常重要的工程材料，因其具有硬度大、強度高、熱力學(xué)性能好、熱導(dǎo)率高、抗熱沖擊性好以及出色的抗氧化性等特點而廣泛應(yīng)用于有色金屬冶煉、鋼鐵、冶金以及航空航天等領(lǐng)域[1-4]。與陶瓷材料相比，碳化硅陶瓷基復(fù)合材料不但具有上述優(yōu)點，而且彌補了陶瓷材料韌性和強度方面的缺陷，擴大了碳化硅基材料的工業(yè)應(yīng)用范圍。特別是SiC還具有良好的載體遷移率、低中子活性、輻照穩(wěn)定性等優(yōu)點而被廣泛研究作為新一代核裂變以及未來核聚變反應(yīng)堆中的重要結(jié)構(gòu)材料之一[5-11]。

2　SiC陶瓷及其復(fù)合材料在核工業(yè)應(yīng)用中的連接

自SiC陶瓷出現(xiàn)以來，國內(nèi)外的科研機構(gòu)就已經(jīng)對SiC與其自身以及與異種材料的連接進行了大量的研究，出現(xiàn)了多種應(yīng)用于不同場合下的連接方法[12]。但這些方法很難應(yīng)用于核工業(yè)下SiC材料的連接[13-18]，這主要是因為核反應(yīng)堆中部件服役環(huán)境嚴(yán)峻，對接頭性能的要求很高，甚至高過航空航天的標(biāo)準(zhǔn)，這些要求體現(xiàn)為：(1)核反應(yīng)堆中部件尺寸巨大且形狀復(fù)雜，要在盡可能低的溫度和壓力下進行連接；(2)接頭必須具備在常溫和高溫下穩(wěn)定的熱力學(xué)性能；(3)工作狀態(tài)下的接頭可以抵抗住高溫下強粒子的輻照而不發(fā)生任何災(zāi)難性的破壞；(4)在反應(yīng)堆退役后，接頭內(nèi)不會產(chǎn)生高半衰期的有害元素，從而有利于材料的退役處理，而不至于對人類和環(huán)境造成大的危害[47]。針對上述要求，科學(xué)家們在一一否定了現(xiàn)有成熟的連接工藝和連接材料后，調(diào)整研究思路，開展了新一輪關(guān)于SiC連接的研究，但這些研究都還處在實驗室研究階段，在核環(huán)境下的穩(wěn)定性尚都沒有定論，距離實際應(yīng)用還有很長的路要走。

碳化硅材料的連接可以根據(jù)接頭處是否生成SiC從而分為SiC基接頭，非SiC基接頭以及機械連接。如表1所示。SiC基接頭通常可以由SiC陶瓷體的制備以及SiC/SiC復(fù)合材料的基體致密化方法得到，多為熱壓燒結(jié)法的改進；而非SiC基接頭的連接方法就是采用非SiC基材料作為中間層，多屬于釬焊法。下面主要對其中一些具有應(yīng)用潛力的方法進行簡單介紹。

表1基于核應(yīng)用下SiC的連接方法

Tab.1Joining method of SiC ceramics for nulcear applications

分類連接方法優(yōu)點缺點SiC基先驅(qū)體陶瓷釬焊法納米浸漬瞬時液相燒結(jié)法最大相釬焊法與基體材料間的相容性好,無熱膨脹系數(shù)差異且熱化學(xué)穩(wěn)定性高SiC中間層制備工藝復(fù)雜,對工藝要求比較高非SiC基玻璃陶瓷釬焊法釬焊法工藝簡單,操作容易,成本低,尤其適用于大型復(fù)雜部件的連接接頭穩(wěn)定性普遍較差機械連接機械連接纖維共織法工藝簡單,可拆卸,部件可換應(yīng)力集中,密封性差

2.1先驅(qū)體陶瓷釬焊法 (preceramic polymers)

先驅(qū)體陶瓷釬焊法就是將先驅(qū)體預(yù)置于母材之間然后在一定的熱處理條件下裂解為陶瓷并實現(xiàn)與母材的連接[19]。裂解產(chǎn)物多為Si-C或Si-O-C基陶瓷，根據(jù)裂解產(chǎn)物的不同，接頭的性能和顯微組織結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生很大的不同，表2中列舉了幾種常見的先驅(qū)體材料。這種方法具有接頭處熱應(yīng)力小，連接溫度低、連接壓力小甚至無需加壓、工藝成本低等特點。但在這一方法中，先驅(qū)體在轉(zhuǎn)化過程中會釋放出大量氣體并發(fā)生嚴(yán)重的體積收縮，目前多是采用第二相填充的方法進行致密度的控制。但第二相與基體間不同的熱物理性能所引起的輻照下的相對穩(wěn)定性問題導(dǎo)致該方法不適合作為核應(yīng)用上SiC材料的永久性連接。

表2先驅(qū)體陶瓷

Tab.2Preceramic polymers

轉(zhuǎn)化條件轉(zhuǎn)化產(chǎn)物聚碳硅烷[20]1500℃、N2Si-C聚硅氧烷[21-23]1200℃、ArSi-O-C含氫聚甲基硅氧烷[24]1200℃,、空氣Si-O-C氫化聚碳硅烷[25]850℃、ArSi-C聚甲基硅烷[26]800-1200℃、N2Si-C

2.2納米浸漬瞬時液相燒結(jié)法(NITE)

納米浸漬瞬時液相燒結(jié)法(Nano-Infiltrated and Transient Eutectic phase, NITE)是基于SiC陶瓷的液相燒結(jié)工藝的改進，多用于SiC陶瓷及其復(fù)合材料的制備，是一種相對較新的制備方法。將納米尺寸的SiC粉末顆粒與少量Al2O3-Y2O3-SiO2燒結(jié)添加劑混合物以漿體或流延成型制成的薄片作為連接材料，在5～20 MPa的連接壓力、1800 ℃的加熱溫度、Ar的氣氛中進行燒結(jié)，最終獲得高強度的SiC接頭[27-32]。這種連接方法最大的優(yōu)勢在于接頭處生成的SiC陶瓷純度及致密度都極高，不存在異質(zhì)接頭處易出現(xiàn)的熱應(yīng)力等問題，故其在輻照下的穩(wěn)定性問題也相對容易研究。在已知的材料里，SiC在粒子輻照下會產(chǎn)生最大的膨脹率，因此在接頭處生成非SiC相時都會不可避免的產(chǎn)生由于不同伸縮率而導(dǎo)致的橫向裂紋。而在這種方法中則不會出現(xiàn)這個問題。但這種方法的局限性在于對連接工藝的要求很高，很難實現(xiàn)無壓及低溫連接，這對大型以及復(fù)雜SiC部件的連接上是相對難以應(yīng)用的[33]。

2.3最大相(Max Phase)釬焊法

這一研究目前主要集中在美國西北太平洋國家實驗室[34-37]。這種方法主要是依靠接頭處生成最大相(Max Phase) Ti3SiC2并實現(xiàn)與SiC基體的連接。Ti3SiC2同時具有金屬和陶瓷材料的良好性能：熔點高(3000 ℃)，密度低(4.52 g/cm3)，良好的導(dǎo)電(4.5×106Ω-1m-1)和導(dǎo)熱性能(37 W/mK)，高彈性模量(320 GPa)，以及非常高的抗熱震性。尤其重要的是這種材料還顯示出了令人滿意的輻照穩(wěn)定性[38]，因此也是比較有應(yīng)用潛力的一種中間層材料。這種方法可以細(xì)分為三大類：一種是直接采用預(yù)制的Ti3SiC2粉末作為連接材料[39-41]；第二類就是通過中間層材料(Ti的箔片)與母材的相互反應(yīng)生成Ti3SiC2相。這種方式下多是采用磁控濺射或間接擴散焊來實現(xiàn)單質(zhì)Ti與SiC的相互反應(yīng)，不適合大型復(fù)雜核工業(yè)部件的連接，因此在這里不再贅述。

第三種分類就是利用中間層反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)原位生成Ti3SiC2相并同時實現(xiàn)與SiC的連接[42]。將TiC和Si的粉末以3∶2的比例混合后以流延成型法制成200微米厚的薄片然后置于被連接材料之間，在氬氣保護、30 MPa連接壓力下加熱到1200～1400 ℃并保溫1 h。雖然生成的產(chǎn)物中除了Ti3SiC2還同時含有TiC，Ti-Si的化合物，但這些產(chǎn)物的出現(xiàn)可以在一定程度上起到緩解SiC與Ti3SiC2之間較大的熱膨脹系數(shù)差異(SiC與Ti3SiC2的熱膨脹系數(shù)分別為4.4×10-6K-1和9.1×10-6K-1，TiC的為7.4×10-6K-1)，而作為連接過程中唯一可能出現(xiàn)液態(tài)形式的低熔點Ti-Si化合物則有利用界面處的潤濕行為。

2.4玻璃陶瓷釬焊法 (glass-ceramics)

玻璃陶瓷(glass-ceramics)是通過控制玻璃體析晶而獲得的多晶陶瓷材料，因此同時具有玻璃和陶瓷的優(yōu)點：耐熱、抗震性好、熱穩(wěn)定性好、絕緣性能良好、可自我密封等。玻璃陶瓷釬焊法屬于非SiC基接頭的連接，但由于玻璃陶瓷的性能可調(diào)，所以在這種方法中由于熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的界面熱應(yīng)力問題很小。

意大利都靈理工大學(xué)的Ferraris教授[34, 43-45]等使用玻璃陶瓷對SiC陶瓷及其復(fù)合材料的連接進行了大量的研究，最終選用潤濕性較好的CaO-50.3wt%Al2O3(CA)作為化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)SiC的連接材料。CA中的氧化鋁和氧化鈣都是目前確定在核輻射下穩(wěn)定性較好的材料[35]，可以在較低溫度以及常壓條件下與SiC形成密封性良好的接頭，連接工藝簡單，成本低。但玻璃陶瓷材料在強中子輻照下的穩(wěn)定性仍然備受爭議。這主要是因為玻璃陶瓷中的結(jié)晶相與非晶相在輻照條件下，會產(chǎn)生完全相反的輻照行為(膨脹或收縮)，導(dǎo)致兩種相間產(chǎn)生微氣孔甚至完全分離從而使接頭斷裂嚴(yán)重影響到接頭的強度。另外，這種材料中的玻璃相在其軟化點溫度以上非常容易分解，類似與最大相連接法，這種方法是否可用于核應(yīng)用上SiC的永久性連接仍然是個疑問。

2.5其它連接工藝

除了上述幾種最受關(guān)注的幾種方法外，還出現(xiàn)了多種不同于傳統(tǒng)方式的加熱方法來對SiC材料進行連接，包括微波加熱、激光加熱以及放電等離子加熱等。這些方法都具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點。在高溫下所處的時間較短，有效保護了基體材料，特別是SiC/SiC復(fù)合材料中不耐高溫的SiC纖維。

微波助燃燃燒反應(yīng)法(microwave ignited combustion synthesis)是采用微波(微波發(fā)生器的頻率為2.45 GHz，功率為1.2 kW)點燃Ti-Si-C連接層中的燃燒反應(yīng)并實現(xiàn)SiC陶瓷的連接[46-49]。在加壓壓力僅為1MPa的情況下，SiC接頭的力學(xué)性能最高超過了45 MPa。但燃燒反應(yīng)自身就是一個高度非平衡的反應(yīng)過程，影響參數(shù)眾多，而微波加熱的方式更加大了其復(fù)雜性，加大了對反應(yīng)過程控制以及對機理深入挖掘的難度。最終導(dǎo)致了接頭平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差大，即實驗結(jié)果的可重復(fù)性差。

SiC還具有的一個性質(zhì)就是可以對很寬范圍內(nèi)的波長進行吸收。因此除了微波，SiC還可以被激光良好加熱。德國的德累斯頓工業(yè)大學(xué)針對非氧化物陶瓷的激光連接工藝已經(jīng)有著超過10年的研究經(jīng)驗[50-52]。在這項連接工藝中，主要是利用激光束的能量對接頭處的玻璃陶瓷或金屬釬料進行加熱熔化，然后液相的流動形成密封性良好的釬焊接頭。

放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)也是一種首先廣泛應(yīng)用于材料制備，之后逐漸運用到連接工藝的一種加熱方法，主要依靠流過石墨模具的脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱來進行材料的加熱。Grasso等[53]使用30 μm厚純Ti箔片成功將CVD SiC陶瓷進行了連接。得到的接頭，其彎曲強度接近母材，且接頭尺寸精度較高。但這種方法下，對連接壓力、連接溫度以及連接前對材料表面的處理都有著很高的要求。因此，其在大型、復(fù)雜SiC部件連接的應(yīng)用上仍然具有很大挑戰(zhàn)性。

3　接頭的性能評估

3.1接頭的抗輻射性能評估

與其它應(yīng)用領(lǐng)域的SiC接頭的性能評估相比，除了要在不同溫度下進行力學(xué)性能的測試外，核工業(yè)上SiC接頭還要嚴(yán)格接受實際應(yīng)用劑量下的強粒子的輻射，并對輻照后的接頭再次進行性能的檢驗并與輻照前的性能相比較以分析其在強輻照下的穩(wěn)定性[54]。玻璃陶瓷釬焊法、最大相釬焊法以及NITE法是目前研究的最為深入的三種連接方法，也是已經(jīng)進行輻照性能評估的僅有的幾個方法。各自接頭的輻照實驗結(jié)果如表3所示。

表3不同連接方法下SiC接頭輻照實驗結(jié)果[12]

Tab.3Radiation results of SiC joints obtained by different joining methods

連接方法輻照計量和時間輻照后力學(xué)性能玻璃陶瓷釬焊法800℃下5dpa81%最大相釬焊法800℃下5dpa84%NITE法830℃下5.9dpa34%

玻璃陶瓷釬焊法和最大相釬焊法在接受了800℃下5dpa強粒子輻照后，其接頭的剪切強度分別為未接受輻照前的81%和84%，可見性能下降的并不多。而NITE法在830 ℃、5.9 dpa的粒子輻照結(jié)果顯示，其接頭發(fā)生了較大的性能惡化，剪切強度僅為未輻照前的34%。這種現(xiàn)象主要歸因于燒結(jié)添加劑的使用[12]。因此，這種連接方法仍然需要工藝方法上的進一步改進。

3.2接頭的力學(xué)性能評估

圖1　沙漏型剪切接頭試樣[58]Fig.1　Hourglass joint sample for Shear test

由于缺乏針對核應(yīng)用下SiC陶瓷及其復(fù)合材料接頭力學(xué)性能測試的標(biāo)準(zhǔn)，不同連接方法下得到的接頭都是在不同形式下進行的性能測試，因此它們之間很難進行比較分析[55]。出于對制造成本的考慮，更重要的是對輻照后試驗材料處理的考慮，因此要求強度測試的接頭的尺寸要盡可能微觀。陶瓷體最主要的斷裂方式為剪切和拉伸，其中又以剪切為最常見。在剪切強度測試方法中，只有扭轉(zhuǎn)試樣能夠表達真實的剪切載荷且最適合小型的對接接頭[56]。扭轉(zhuǎn)試樣的橫截面一般有圓形和正方形兩種，其中又以圓形扭轉(zhuǎn)試樣最接近真實剪切應(yīng)力，但圓柱形試樣會與夾持工具間產(chǎn)生較大的摩擦力而影響測試結(jié)果，因此，綜合這兩種截面，一種稱為漏斗型(hour-glass)的扭轉(zhuǎn)試樣也被初步確定下來，這種試樣因為其對接后類似一個時間漏斗而得名(如圖1所示)。但這種形狀也存在一定的問題，例如，圓角區(qū)的長度過短以及夾持處形狀導(dǎo)致的其周長處應(yīng)力大小呈微小周期性變化等[57]，因此仍然處于實驗測試和模擬分析的研究階段。由此可見，除了對碳化硅陶瓷連接工藝的研究，對接頭力學(xué)性能測試的標(biāo)準(zhǔn)的建立也亟待解決。

4　結(jié)束語

由于核應(yīng)用環(huán)境下的特殊要求，使得SiC陶瓷及其復(fù)合材料的連接變得更加困難和復(fù)雜。絕大多數(shù)已經(jīng)成熟的用于一般工業(yè)場合的連接工藝和連接材料都受到了摒棄，而正在開展中的僅有的幾項連接方法又都是優(yōu)缺點并存，可以說核工業(yè)應(yīng)用下，關(guān)于SiC材料的連接的研究工作任重而道遠(yuǎn)。我們也可以看到，許多富有創(chuàng)新性的、新穎的連接方法正在不斷的研究中。像微波加熱，放電等離子等局部、快速、環(huán)保的加熱方式也逐漸等到應(yīng)用。特別是從制備SiC基接頭的立場出發(fā)，許多SiC陶瓷體的制備方法被加以創(chuàng)新和改進繼而運用到SiC材料的連接中。例如，化學(xué)氣相沉積法、液相燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等等。而其它的陶瓷制品的成型方法，例如，流延成型法，也在連接工藝中加以采納，與其它粉末、漿料等形式的連接材料得到的接頭相比，也顯示出了一定的優(yōu)越性。但從SiC塊體的制備，特別是燒結(jié)制備的難度來看，如何在盡量少或不適用燒結(jié)添加劑、無壓、低溫等條件限制下設(shè)計出適合核工業(yè)應(yīng)用的連接方法的挑戰(zhàn)很大。碳化硅的可靠連接性研究無疑會對未來核工業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵性的作用。

致謝：特別感謝福建省高端裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心對本研究工作的大力支持。

[1]Shinoda Y,Nagano T,Gu H,et al.Superplasticity of Silicon Carbide[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,1999,82(10): 2916-2918.

[2]SomiyaS,Inomata Y.Silicon Carbide Ceramics-1[M]. Springer 1991: 214-248.

[3]Vaen R,Kaiser A,Frster J,et al.Densification of ultrafine SiC powders[J].Journalofmaterialsscience,1996,31(14): 3623-3637.

[4]Shinoda Y,Yoshida M,Akatsu T,et al.Effect of Amount of Boron Doping on Compression Deformation of Fine-Grained Silicon Carbide at Elevated Temperature[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2004,87(8): 1525-1529.

[5]Snead L L,Katoh Y,Connery S.Swelling of SiC at intermediate and high irradiation temperatures[J].JournalofNuclearMaterials,2007, 367: 677-684.

[6]Henager C H.Swelling and time-dependent crack growth in SiC/SiC composites[J].JournalofNuclearMaterials,2007, 367: 742-747.

[7]Taylor N P and Forrest R A. Neutronic aspects of the safety and environmental performance of silicon carbide as blanket structural material[J].FusionEngineeringandDesign,2001,54(3-4): 617-625.

[8]Hegeman J B J, Laan J G V D, Kranenburg M V, et al. Mechanical and thermal properties of SiCf/SiC composites irradiated with neutrons at high temperatures[J]. Fusion Engineering and Design, 2005,75-9: 789-793.

[9]Katoh Y and Snead L. Irradiation creep behavior of silicon carbide[A]in: Transactions of the American Nuclear Society, 2008: 98.

[10]Heinisch H L,Greenwood L R,Weber W J,et al.Displacement damage in silicon carbide irradiated in fission reactors[J].JournalofNuclearMaterials, 2004,327(2-3): 175-181.

[11]Kondo S,Katoh Y,Snead L L.Cavity swelling and dislocation evolution in SiC at very high temperatures[J].JournalofNuclearMaterials,2009, 386: 222-226.

[12]Katoh Y,Snead L L,Cheng T,et al.Radiation-tolerant joining technologies for silicon carbide ceramics and composites[J].JournalofNuclearMaterials,2014,448(1-3): 497-511.

[13]Noda T,Kohyama A,Katoh Y.Recent progress of SiC-fibers and SiC/SiC-composites for fusion applications[J].PhysicaScripta,2001,91: 124-129.

[14]Nozawa T,Hinoki T,Hasegawa A,et al.Recent advances and issues in development of silicon carbide composites for fusion applications[J].JournalofNuclearMaterials, 2009,386: 622-627.

[15]Giancarli L,Aiello G,Caso A,et al.R&D issues for SiCf/SiC composites structural material in fusion power reactor blankets[J].FusionEngineeringandDesign,2000,48(3-4): 509-520.

[16]Jones R H,Giancarli L,Hasegawa A,et al.Promise and challenges of SiCf/SiC composites for fusion energy applications[J].JournalofNuclearMaterials,2002, 307: 1057-1072.

[17]Riccardi B,Giancarli L,Hasegawa A,et al.Issues and advances in SiCf/SiC composites development for fusion reactors[J].JournalofNuclearMaterials,2004, 329-33: 56-65.

[18]Katoh Y,Snead L L,Henager C H,et al.Current status and critical issues for development of SiC composites for fusion applications[J].JournalofNuclearMaterials,2007, 367: 659-671.

[19]劉偉，羅永明，徐彩虹.硅基聚合物陶瓷前驅(qū)體作為連接劑的研究進展[J].宇航材料工藝. 2011,41(1): 14-20.

[20]Yajima S,Shishido T,Okamura K.SiC bodies sintered with three-dimensional cross-linked polycarbosilane[J].SciencereportsoftheResearchInstitutes,TohokuUniversity.Ser.A,Physics,chemistryandmetallurgy,27,83, 1979.

[21]Yuan X K,Xu B S.Fabrication and life prediction of SsiC ceramic joint joined with silicon resin YR3370[J].ChineseJournalofAeronautics,2007,20: 81-85.

[22]Colombo P,Sglavo V,Pippel E,et al.Joining of reaction-bonded silicon carbide using a preceramic polymer[J].JournalofMaterialsScience,1998,33:2405-2412.

[23]Colombo P,Riccardi B,Donato A,et al.Joining of SiC/SiCf ceramic matrix composites for fusion reactor blanket applications[J].JournalofNuclearMaterials,2000,278: 127-135.

[24]Henager C H Jr,Shin Y,Blum Y,el al.Coating and joining for SiC and SiC-composites for nuclear energy systems[J].JournalofNuclearMaterials,2007,367-370:1139-1143.

[25]Lewinsohn C A,Jones R H,Colombo P,et al.Silicon carbide-based materials for joining silicon carbide composites for fusion energy applications[J].JournalofNuclearMaterials,2002,307-311: 1232-1236.

[26]Wang X,Wang J,Wang H.Joining of SiC ceramic via a novel liquid preceramic polymer (V-PMS)[J].CeramicInternational,2015,41(6): 7283-7288.

[27]Katoh Y,Kohyama A,Nozawa T,et al.SiC/SiC composites through transient eutectic-phase route for fusion applications[J].JournalofNuclearMaterials,2004,329-33: 587-591.

[28]Shimoda K,Park J S,Hinoki T,et al.Microstructural optimization of high-temperature SiC/SiC composites by NITE process[J].JournalofNuclearMaterials,2009,386: 634-638.

[29]Kishimoto H,Ozawa K,Hashitomi O,et al.Microstructural evolution analysis of NITE SiC/SiC composite using TEM examination and dual-ion irradiation[J].JournalofNuclearMaterials,2007,367: 748-752.

[30]Koyanagi T,Kondo S,Hinoki T.The influence of sintering additives on the irradiation resistance of NITE SiC[J].JournalofNuclearMaterials,2011,417(417): 435-439.

[31]Shimoda K,Kohyama A,Hinoki T.High mechanical performance SiC/SiC composites by NITE process with tailoring of appropriate fabrication temperature to fiber volume fraction[J].CompositesScienceandTechnology,2009,69(10): 1623-1628.

[32]Park J S,Kohyama A,Hinoki T,et al.Efforts on large scale production of NITE-SiC/SiC composites[J].JournalofNuclearMaterials,2007,367: 719-724.

[33]Jung H C,Park Y H,Parket J S,et al.R&D of joining technology for SiC components with channel[J].JournalofNuclearMaterials,2009,386: 847-851.

[34]Ferraris, M,Salvo M,Casalegno V,et al.Joining of SiC-based materials for nuclear energy applications[J].JournalofNuclearMaterials,2011,417(1): 379-382.

[35]Katoh Y,Kotani M,Kohyama,et al.Microstructure and mechanical properties of low-activation glass-ceramic joining and coating for SiC/SiC composites[J].JournalofNuclearMaterials,2000,283: 1262-1266.

[36]Henager C H,Shin Y,Blumet Y,et al.Coatings and joining for SiC and SiC-composites for nuclear energy systems[J].JournalofNuclearMaterials,2007, 367:1139-1143.

[37]Henager C H J.Joining of SiC/SiC composites for fusion applications[C]. International Conference on Fusion Reactor Materials -13, Nice, 2007.

[38]Huang Q,Liu R D,Lei G H,et al.Irradiation resistance of MAX phases Ti3SiC2and Ti3AlC2: Characterization and comparison[J].JournalofNuclearMaterials,2015,465:640-647.

[39]董紅英,李樹杰,賀躍輝. 用Ti3SiC2粉料連接反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷[J].中國有色金屬學(xué)報. 2005,15(7): 1051-1056.

[40]Dong H,Li S J,Teng Y Y,et al.Joining of SiC ceramic-based materials with ternary carbide Ti3SiC2[J].MaterialsScienceandEngineering:B, 2011,176(1): 60-64.

[41]Zhou X,Han Y H,Shen X F,et al.Fast joining SiC ceramics with Ti3SiC2tape film by electric field-assisted sintering technology[J].JournalofNuclearMaterials,2015, 466:322-327.

[42]Jiménez C,Mergia K,Lagos M,et al.Joining of ceramic matrix composites to high temperature ceramics for thermal protection systems[J].JournalofEuropeanCeramicSociety,2016,36(3):443-449.

[43]Ferraris M,Montorsi M,Salvo M.Glass coating for SiCf/SiC composites for high-temperature application[J].ActaMaterialia,2000,48(18-19): 4721-4724.

[44]Ferraris M,Salvo M,Isola C,et al.Glass-ceramic joining and coating of SiC/SiC for fusion applications[J].JournalofNuclearMaterials,1998,263:1546-1550.

[45]Ferraris M,Salvo M,Casalegno V,et al.Joining of machined SiC/SiC composites for thermonuclear fusion reactors[J].JournalofNuclearMaterials,2008,375(3): 410-415.

[46]Ferraris M, Salvo M, Casalegno V, et al. Joining and intergration issues of ceramic matrix composites for nuclear applications[A]in: Processing and Properties of Advanced Ceramics and Composites II, 2010,220:172-186.

[47]Poli G,Sola R,Veronesi P.Microwave-assisted combustion synthesis of NiAl intermetallics in a single mode applicator: Modeling and optimisation[J].MaterialsScienceandEngineeringa-StructuralMaterialsPropertiesMicrostructureandProcessing,2006,441(1-2): 149-156.

[48]Rosa R,Veronesi P,Leonelli C,et al.Microwave Activated Combustion Synthesis and Compaction in Separate E and H Fields: Numerical Simulation and Experimental Results[J].AdvancesinScienceandTechnology,2011,63: 197-202.

[49]Rosa R,Veronesi P,Han S,et al.Microwave assisted combustion synthesis in the system Ti-Si-C for the joining of SiC: Experimental and numerical simulation results[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2013,33(10): 1707-1719.

[50]Herrmann M,Schonfeld K,Klemm H,et al.Laser-supported joining of SiC-fiber/SiCN ceramic matrix composites fabricated by precursor infiltration[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2014,34(12): 2913-2924.

[51]Herrmann M,Lippmann W,Hurtado A.Y2O3-Al2O3-SiO2-based glass-ceramic fillers for the laser-supported joining of SiC[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2014,34(8): 1935-1948.

[52]Herrmann M,Mrisel P,Lippmann W,et al.Joining technology-A challenge for the use of SiC components in HTRs[J].NuclearEngineeringandDesign，2016, In press.

[53]Grasso S,Tatarko P,Rizzo S,et al.Joining of β-SiC by spark plasma sintering[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2014,34(7): 1681-1686.

[54]Henager C H J,Nguyen B N,Kurtz R J,et al.Modeling and testing miniature torsion specimens for SiC joining development studies for fusion[J].JournalofNuclearMaterials,2015,466: 253-268.

[55]Jung H C,Hinoki T,Katoh Y,et al.Development of a shear strength test method for NITE-SiC joining material[J].JournalofNuclearMaterials,2011,417(1-3): 383-386.

[56]Ferraris M,Salvo M,Rizzo S,et al.Torsional Shear Strength of Silicon Carbide Components Pressurelessly Joined by a Glass‐Ceramic[J].InternationalJournalofAppliedCeramicTechnology,2012,9(4): 786-794.

[57]erraris M,Ventrella A,Salvo M,et al.Comparison of shear strength tests on AV119 epoxy-joined /carbon composites[J].CompositesPartB:Engineering,2010,41(2): 182-191.

[58]Ferraris M,Salvo M,Casalegno V,et al.Joining of SiC-based materials for nuclear energy applications[J].JournalofNuclearMaterials,2011,417(1-3): 379-382.

Study Progress on Joining of SiC Ceramics and SiC/SiC Composites for Nuclear Applications

HANShao-hua,XUEDing-qi

(School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

Due to the inherit high irradiation stability, SiC ceramics and SiC/SiC composites are competitive material candidates for advanced fission and fusion reactor designs. Whether they can be actually applied for nuclear applications is highly depending on the establishment of the radiation-tolerant joining technologies which are capable of withstanding in harsh nuclear environment. This article will introduce some of the most promising joining methods.

SiC ceramics and SiC/SiC composites；nuclear applications；joining technology

國家自然科學(xué)基金青年基金(51305081)；福建省教育廳A類面上基金(JA13052)；福州大學(xué)科研啟動基金(022519)

韓紹華(1983- )，女，博士，講師.主要從事碳化硅及其復(fù)合材料連接工藝的研究.

TQ174

A

1001-1625(2016)05-1520-07