碳纳米管增强UO2燃料力学性能研究

摘要

利用粉末冶金法制备碳纳米管(CNTs)增强二氧化铀(UO2)复合燃料芯块,研究了复合燃料的弯曲强度、压缩强度和硬度等力学性能,分析了CNTs掺杂量和长径比(L/D)对复合燃料力学性能的影响规律,探讨了CNTs的增强机理。结果表明:随CNTs掺杂量的增加,UO2-CNTs复合燃料的弯曲强度、压缩强度和硬度都有所提高,当掺杂CNTs体积含量为12%时,复合燃料的弯曲强度、压缩强度和硬度达到峰值,分别提高约45.65%、37.01%和19.61%,当掺杂CNTs体积含量超过12%后,复合燃料的力学性能增加呈下降趋势;掺杂不同L/D的CNTs对复合燃料力学性能影响不同,当掺杂CNTs的L/D为9×10^3时,复合燃料的弯曲强度、压缩强度和硬度提高最大,分别提高约57.61%、54.32%和34.87%。SEM分析表明,掺杂适合体积含量和L/D的CNTs是影响复合燃料力学性能的关键因素,否则会导致CNTs在UO2基体中团聚,不利于燃料力学性能的提高;CNTs对UO2燃料力学性能的强化源于外部载荷从UO2基体向CNTs的转移过渡,通过纤维桥联、纤维拔出吸收断裂功,改变裂纹行为等方式来实现。