第四讲 包壳材料
包被材料
可食用胶作用机理化学作用：食品胶大分子中含有羟基、羧基、烷氧基、糖苷键中的氧原子和肽键中的氮原子外层均含有sp3杂化轨道，轨道中未共用的孤电子对可与水分子带部分正电荷的氢离子结合形成氢键，氢键的键合力极强，当大于食品胶分子链间内聚力时，食品胶分子链舒展，食品胶分子与水结合形成长分子链，且溶解分散在水中，形成热力学稳定体系。
食品胶分子舒展使多种基团充分暴露，各极性基团与极性水分子以氢键或偶极作用力相互制约形成内层水膜，内层水再与外层水作用发生缔合，体积极大的溶胶分子作为骨架，大量的水被束缚，介质的自由移动受到阻碍而产生层流间的阻力，表现出黏稠性。
食用胶(hydrocolloid )也称亲水胶体、水溶胶，是能溶解或分散于水中，并在一定条件下，其分子中的亲水基团，如羧基、羟基、氨基和羧酸根等，能与水分子发生水化作用形成黏稠、滑腻的溶液或凝胶。
在食品加工中起到增稠、增黏、黏附力、凝胶形成力、硬度、脆性、紧密度、稳定乳化、悬浊体等作用，使食品获得所需要各种形状和硬、软、脆、黏、稠等各种口感，故也常称作食品增稠剂、增黏剂、胶凝剂、稳定剂、悬浮剂、胶质等。
种类主要品种植物胶瓜尔豆胶、槐豆胶、罗望子胶、亚麻籽胶、皂荚豆胶△阿拉伯胶、黄蓍胶、印度树胶、刺梧桐胶、桃胶△△果胶、魔芋胶、印度芦荟提取液、菊糖、仙草多糖动物胶明胶、干酪素、酪蛋白酸钠、甲壳素、壳聚糖、乳清分离蛋白、乳清浓缩蛋白、鱼胶微生物胶黄原胶、结冷胶、茁霉多糖、凝结多糖、酵母多糖海藻胶琼脂、卡拉胶、海藻酸(盐)、海藻酸丙二醇酯、红藻胶、褐藻盐藻聚糖化学改性胶羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、微晶纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、变性淀粉、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮被膜剂和胶囊作用食品胶用作被膜剂，可覆盖于食品表面，形成一层保护性薄膜，保护食品不与氧气、微生物接触，起保质、保鲜、保香或上光等作用，也可被制作可食性膜。
此外，还可用作包装食品的外胶囊，主要利用两种含有不同正负电荷的离子化食品胶反应形成复杂化合物，同时形成微细胞膜包覆在芯材表面，被包覆固定的芯材物质在食品中可通过物理压力、pH值或温度变化而释放出来。
第4讲_包壳材料讲解
包壳是反应堆中工况最苛刻的重要部件。其工况条件为：
减小元件破损率、保证包壳的完整性是提高元件燃耗、保证 反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。
对包壳材料的性能要求
核性能：小的中子吸收截面，辐照稳定性
特别是热中子堆或用天然铀作燃料的反应堆，对包壳材料中 子吸收截面的限制十分严格。 对快中子堆，大多数元素的快中子吸收截面很小，选择材料 的余地就较大。但对材料的、及耐蚀性的要求更为突出 通常选用截面小于1巴的金属为主要组分，吸收截面为数巴 的元素作为合金化元素，截面在几十巴的杂质的含量限制在 量级。
锆合金的冶炼
原料：
原子能级海绵锆－低Hf高纯锆 中间合金：添加的合金元素 自耗电极真空熔炼，2～3次
工艺方法
工艺流程
混料压制成块组焊成一次熔炼电极一次真空 自耗电弧熔炼底垫切割、平冒口组焊成二次熔 炼电极二次真空自耗电极熔炼切割底垫、平冒 口组焊成三次熔炼电极三次真空自耗电极熔炼 切割底垫、车光外表面无损探伤切除冒口 化学成分分析质量评判
包壳材料
锆合金及合金化原理 包壳的堆内性能
引言
核燃料芯块外面通常都有一层金属保护层，即燃料包壳：
保护燃料芯块不受冷却剂的侵蚀；
避免燃料中裂变产物外泄，使冷却剂免受污染； 保持燃料元件的几何形状并使之有足够的刚度和机械强度 。 包容核燃料，承受高温、高压和强烈的中子辐照； 包壳内壁受裂变气体压力、腐蚀、燃料肿胀、吸氢致脆和芯 块与包壳的相互作用等危害； 包壳外壁受冷却剂压力、冲刷、振动和腐蚀以及氢脆等威胁。
锆在室温下不易氧化，但随温度升高， 易形成稳定的氧化物 有很强的耐酸、碱能力 氧化时间 在高温水中的耐蚀性也很好。 锆的氧化动力学曲线 在氧化动力学曲线上有一从抛物线型 样品增重随氧化时间 到直线型的“转折点”，在此点之前， 的变化曲线称氧化动 在锆表面生成黑色、致密、呈保护性 力学曲线。用在一定 的非化学计量的氧化锆；在转折点后 温度下样品由于吸收 所生成的氧化膜则为白色﹑疏松的非 氧而增加的重量代表 氧化过程进行的程度 保护性的化学计量氧化锆，易于呈薄 （即样品增重）。 片状剥落
打包材料化学知识点总结
打包材料化学知识点总结一、包装材料的基本分类1. 金属材料：铁、铝、锡、铜等金属制品，如罐头盒、铁桶等2. 塑料材料：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等3. 纸张、纸板、纸质复合材料4. 玻璃材料5. 包装辅助材料：胶带、标签、印刷油墨、胶水、涂料等二、包装材料的性能1. 物理性能：包括材料的强度、硬度、韧性、透明度、拉伸性、耐磨性、密度等2. 化学性能：材料的耐酸碱、耐腐蚀、耐氧化、耐温度的性能3. 吸湿性、透气性、不透光性等特性三、包装材料的加工工艺1. 塑料材料的成型工艺：挤出、压延、注塑、吹塑、挤塑等2. 金属材料的成型工艺：冲压、拉伸、成型、焊接、表面处理等3. 纸张的加工工艺：印刷、覆膜、模切、折叠、胶合等四、包装材料的特殊性能1. 防腐蚀性能：一些食品包装材料需要抗菌、防霉、防腐蚀的性能2. 隔热性能：一些特殊包装材料需要具备隔热保温的特性3. 透明度和透气性：一些特定包装材料需要具备一定的透明度和透气性4. 抗静电性能：一些电子产品的包装材料需要具有抗静电的特性五、包装材料的环保性能1. 循环利用材料：能够回收和再生利用的包装材料2. 生物降解材料：能够在自然环境中被微生物降解的包装材料3. 低碳材料：减少二氧化碳排放量的包装材料4. 无污染材料：不含对人体和环境有害的物质的包装材料六、包装材料的质量检测1. 物理性能测试：包括拉伸测试、压缩测试、冲击测试等2. 化学性能测试：包括耐酸碱性能测试、耐氧化性能测试、耐温度性能测试等3. 生物降解性能测试：包括土壤培养法、培养基法等4. 包装材料的环保标志检测：包括可回收标志、环保认证标志等七、包装材料的应用领域1. 食品包装：包括塑料食品袋、铁罐头盒、玻璃瓶等2. 医药包装：包括塑料药瓶、药盒、药盖等3. 日用品包装：包括洗发水瓶、洗衣粉包装袋、洗衣液盒等4. 电子产品包装：包括泡沫箱、塑料盒、纸箱等综上所述，包装材料是现代生活中不可或缺的一部分，它们在保护产品的同时，也需要具备一定的物理性能、化学性能、特殊性能和环保性能。
5包壳材料详解
Zr-3 过多的锡含量会影响加工成型性，同 时研究证明，在350℃水中和400 ℃蒸汽 中的吸氢与镍的含量有很大关系。因此， 降低了锡含量和镍含量，把镍含量由原来 的0.05%降低到了0.007%，研制了锆-3合 金。
Zr-4
由于减少了镍含量，抗腐蚀性能有所下降，研 究表明：铁、铬、镍的总量保持在0.3%左右可以 得到合适的第二相，获得较好的抗腐蚀性能。因 而把铁含量由原来的0.12%增加到0.18%-0.24% ，这就形成了锆-4合金。 锆-4合金在350 ℃高温水中和400 ℃蒸汽中有更 好的耐腐蚀性能，而吸氢量仅为锆-2合金的1/21/3，其余性能与锆-2相似。它已广泛被用于压水 堆和重水堆中做燃料包壳材料和堆芯结构材料。
2）锆-2.5铌合金
含有2.5 wt%铌的锆合金在高温水中的耐腐蚀 性虽不如锆-锡合金，但吸氢率低，径向蠕变速 率很小，同时可以热处理强化。 锆-2.5铌合金在重水堆上主要用于制作压力管， 在动力堆中用于元件盒壳体的板材及堆芯部件 的结构材料。 锆-2.5铌合金在使用中一个比较大的问题是氢 化物的延迟开裂（DHC）。其原因是在应力梯 度的影响下，氢向裂纹尖端扩散所引起的。
5.1.2 常用的包壳材料
1）铝、镁、锆的合金（中子吸收截面小、 熔点高） 水堆中应用最普遍的是锆－2和锆－4合金 2）不锈钢和镍基合金（优异的高温性能 和价格优势）。快堆中主要考虑高温性能 和抗辐照损伤性能，目前多采用奥氏体不 锈钢，有时也使用镍基合金。
5.2 锆及其合金
5.2.1 金属锆的性能 纯锆是一种银白色，有光泽的延性金属， 473K时理论密度为6.55Mg/m3，熔点为 2125K。 自然界中锆与铪共生，其含量为50:1，铪 的中子吸收截面约为400b，因此锆与铪必 须分离才能用于反应堆做包壳材料。
第四讲 压水堆本体(除堆芯)
之
压水堆堆内构件
压水堆的本体由反应堆堆芯、下部堆内构件、
上部堆内构件、压力容器（包括压力容器筒体及 顶盖）、控制棒组件及其驱动机构等组成。
功能：用来为堆芯组件提供支撑、定位和导向，
组织冷却剂流通，以及为堆内仪表提供导向和支 撑。
（五）堆内构件
1、下部堆内构件
（ 1 ）基本功能
Zr-2和Zr-4合金是普遍应用的包壳材料。
（2）压力容器
压力容器及其内部构件材料所要求的特性应有：
有较高的机械强度；
足够的韧性，使用时不易脆化；
高抗腐蚀性能； 导热性能好； 吸收中子少； 价格低。
压力容器一般选择含锰钼镍的低合金钢，堆内构 件选择奥氏体不锈钢。
3、压力容器的运行限制
器的支承，支承结构
采用强迫通风冷却。
此外，为保证压力容器的制造质量，对其材 料在液态及固态时要进行化学成份分析；在锻压 成形和热处理后要进行机械性能试验和超声波探 伤等等。
60万千瓦压水堆的压力容器，在制造过程比 较顺利及工艺技术比较成熟的条件下，制造周期 约为18—24个月。
顶盖的几何尺寸图
顶盖的重量 55500kg
（2）辐照对脆性转变温度的影响
快中子辐照改变了钢材的晶格结构，使钢材的机械性 能发生变化。辐照使钢材的脆性转变温度升高。因此，在 运行图上，随着反应堆运行年份的增加，即压力容器的 “老化”，压力上部限制曲线会朝高温区平移，如图2-19。 从图上看出，在反应堆正常运行5年后，把压力提高 到15.0MPa，运行温度需要在140℃；20年后，须提高到 195 ℃。
把堆芯重量传递给压力容器； 固定燃料棒、控制棒和堆内测
量仪表装置；
疏散和分配冷却剂流量； 减少 和中子对压力容器的辐
金属包装材料基础知识概述(ppt 46页)
第三章 铝制金属包装材料 第三篇 金属包装材料
2.铝箔及铝箔复合材料 （1）铝箔
铝箔是采用纯度在99.5%以上的电解铝，经过延 压制成。用于复合材料中的铝箔，厚度在0.005～ 0.02mm。铝箔易加工，因而使用量较大。目前，较 薄的铝箔每平方米有五百到六百个孔眼，如果忽视 其必要的强度，而只具防潮性。要想解决无孔眼问 题是困难的。如果它的厚度在20μm(0.020mm)以上， 就可以达到无孔眼而具有防潮性能的要求 。
镀铬板因表面镀铬不能锡焊，因而用于制作三片罐时， 罐身接缝不能采用锡焊法，而要采用缝焊法或粘合剂粘接 法。因此，镀铬板应用于三片罐的数量主要取决于制罐工 业配置缝焊设备的多少或粘合技术掌握的情况。目前二片 拉深罐采用镀铬板的数量逐年增加。
第二章 钢质包装材料
第三篇 金属包装材料
3.用途：
两片罐（饮料、啤酒）
（1）纯铝板和合金铝板
（2）铝箔
（3）镀铝薄膜
一般将厚度小于0.2mm的称箔材，大于0.2mm的称板材。
第二章 钢质包装材料
一、镀锡薄钢板
镀锡薄钢板，俗称马口铁，是用量最大的一种金属包装板 材。以热浸工艺镀铝的称热浸镀锡板，以电镀工艺镀锡的称电 镀锡板。施涂涂料的电镀锡板称为涂料镀锡板(涂料铁)，未涂 涂料的电镀锡板称为电素铁。
（2）铝箔复合薄膜
Al/塑料，如： Al/CPP、 Al/LDPE； Al/纸，如： Al/卡纸。 用途：
70%用于食品包装；17%用于香烟包装，13%用于药 品、化妆品包装。
铝箔复合薄膜还可制作软质包装容器，如：软罐头， BOPET/Al/CPP。
包包皮质知识大全
2． 尼龙布。是化纤材料，耐磨、颜色较丰富、成本低、手感。制作时，在帆布肉渗入一种浆糊形状的物质，用于防水。帆布很耐磨。
12、皮包应如何保养与护理？
1）使用新包前先在表面上打一层蜡以助于防尘。皮包角最易损伤，故在此涂上
B．摸。 再用手摸，人造材料塑料感非常强，光泽亮，冬天手摸有冷凉感，真皮
光滑手摸无冷凉感。
C．闻。真皮闻时有动物脂肪味（即皮臭味），仿皮则有塑胶味。
D．压。用拇指压成品较软部分，在拇指周围真皮会出现许多碎小、均匀花纹，
拇指抬开，花纹消失，即是真皮；而人造材料可能没有花纹，也可能会出现粗大纹
上贴上人造的表面层，不能称"真皮"，而是以天然皮革里层作底基的合成革。
F．水。置细小水珠于其皮表面，数分钟后水珠通过毛孔扩散，可看到明显湿斑，吸收水分。
G．烧。用火烧皮的边角有毛发焦味，仿皮则是塑料味。
H．色。真皮色泽暗亮柔和，仿皮则明亮。
2、怎样护理与保养真皮？
合夏天配时装用。
PU 又称再生皮，再生革。它的特点是质轻、耐磨损不滑、耐寒、耐化学品，但价贵、易撕裂、机械强度差，抗撕裂强度差。PU色彩较少。主要为黑色或啡色。质地较软，适合用于做休闲包，价格亦不高，易脱色。
7、从年龄上分，牛皮有哪三个层？各有何特性？
牛皮可分为小、中、老年龄层。
4、真皮有哪三大特性？
A卫生性：1． 透水性在10 米上。24小时内可透过约800CM的汗液。
2． 透气性100C/小时/CM。
3． 吸湿和排湿性。
B 耐用性。经科学测试每平方米的真皮可承受2.5公斤（2KG/M2）的重量。尽管现
2、二层革：
是厚皮用片皮机剖层而得，头层用来做全粒面革或修面革，二层经过涂饰或贴膜等系列工序制成二层革，它的牢度耐磨性较差，是同类皮革中最廉价的一种。二层牛皮特性：其反面是牛皮的第二层皮料，在表面涂上一层PU树脂，所以也称贴膜牛皮。其价格较便宜，利用率高。其随工艺的变化也制成各种档次的品种，如进口二层牛皮，因工艺独特，质量稳定，品种新颖等特点，为目前的高档皮革，价格与档次都不亚于头层真皮。
第九章 燃料元件包壳材料
第九章燃料元件包壳材料燃料元件是反应堆中核裂变源的核心部件，因此包容燃料芯体和裂变产物的元件包壳是反应堆中工况最苛刻的重要部件。
它面临核燃料，承受着高温、高压和强烈的中子辐照，同时包壳内壁受到裂变气体压力、腐蚀和燃料肿胀以及吸氢致脆和包壳与芯块的相互作用等危害；包壳外壁受到冷却剂压力。
冲刷、振动和腐蚀以及氢脆等威胁。
当燃耗增大和功率剧增时，这些隐患也随之增大，而元件包壳壁又很薄，一旦破损，整个回路将被裂变产物所污染。
因此减小元件破损率、保证元件包壳的完整性是提高元件燃耗，保证反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。
所以对包壳材料的各项性能要求，尤其是核性能要求，比堆内其它结构材料都严格。
9.1 锆合金以锆为基加入其它合金元素组成的合金称为锆合金。
常加的元素有Sn及Nb和Fe，Cr，Ni等。
锆合金比不锈钢的熔点高300-400o C，热膨胀系数小2/3，导热率高18％，热中子吸收截面小一个量级，并对300-4000C的高温高压水和蒸汽具有良好的耐蚀性，适中的相容性好且容易冷加工等。
因此，60年力学性能，与UO2代末锆合金取代了AISI304不锈钢，被广泛用作水冷动力堆的元件包壳及堆芯结构材料并使燃料利用率得到了明显提高。
锆合金的腐蚀、织构、吸氢和应力腐蚀以及芯块与包壳的相互作用等对力学性能危害较大，它们是限制锆合金使用寿命的重要影响因素。
1. 锆合金分类及合金化原理1）分类（1）锆锡合金：Zr-2，Zr-4（2）锆铌合金：Zr-1Nb，Zr-2.5Nb（3）锆锡铌合金：ZIRLO，E635等2）锆合金化目的是为了抵消锆中杂质，尤其是氮的有害影响，以使锆合金保持纯锆的优良耐蚀性能和提高它的强度。
试验表明，锆中加Sn和/或Nb，并配合少量Fe，Cr，Ni能达到上述目的。
（如果Zr 中含氮，N3-能置换氧化物晶格中的氧离子，产生附加空位，故增加了Zr的腐蚀速度。
加入Sn后，N3-及氧离子力图停留在Sn3+离子附近，三者可动性差，空位迁移率低，降低腐蚀速度。
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体心立方(bcc) a
3a 4
2 8 0.68 12 0.291R 6 0.154R <100> 0.633R <110>
密排六方(hcp)
a, c (c/a=1.633)
a 2
1 2
a2 3
c2 4
6 12 0.74 12 0.225R 6
0.414R
晶胞 空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。
a2
( c )2 2
2
3
3 2
a
2
c 8 1.633 a3
CN 12 0.74
•••
•
•• •
•• • ••• • •••
结构特征 点阵常数
原子半径 R
晶胞内原子数
配位数
致密度
四面体间隙
数量 大小
八面体间隙
数量 大小
面心立方(fcc) a
2a 4
4 12 0.74 8 0.225R 4
other.
2 4 ( 3 a)3
∴ For BCC,
34 a3
0.68
2. HCP
Example: Be, Mg, Zn, Cd, α-Zr, Hf
Ti( low temperature)
n＝ 1 12 1 2 3 6
6
2
CN＝12
ξ＝0.74
锆的化学性质
锆的氧化腐蚀机理
根据Hauffe原子价规律，加入同族元素或者第VB，VIB，VIIIB族元素，将增加 氧化膜内的电子浓度，减少膜中阴离子空位，从而抑制氧离子扩散，降低腐蚀速率。
锆合金的合金化目的
Monoclinic（单斜）
a≠b≠c ， α＝β＝90°≠γ α＝γ＝90°≠β
Orthorhombic（正交） a≠b≠c ，α＝β＝γ＝90°
Tetragonal（四方） a＝b≠c ，α＝β＝γ＝90°
Cubic（立方）
a＝b＝c ，α＝β＝γ＝90°
Hexagonal（六方） a＝b≠c ，α＝β＝90°γ＝120°
别是什么？ • 6）简述Zr-Sn合金的发展历程。 • 7）Zr-4合金的氧化腐蚀规律是什么？ • 8）Zr合金内氢化破坏的过程如何？ • 9）消除Zr合金的内氢化措施有哪些？ • 10）简述PCI引发包壳的破损过程。
减小元件破损率、保证包壳的完整性是提高元件燃耗、保证 反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。
1. BCC
Example: α-Fe , V, Nb, β-Zr Ta, Cr, Mo, W, alkali metals
n = 2 atoms/cell CN=8
The number of nearest neighbours around each atom is called —— Coordination Numb含有的原子个数。 • 原子半径：原子核到最外层电子的平均距
离，它集中反映了原子核对核外电子的吸 引力和核外电子间相互排斥的平衡结果。
• 致密度：晶胞内原子球所占体积与晶胞体 积之比值K=nv/V
• 配位数：一个原子（或离子）周围同种原 子（或异号离子）的数目称为原子（或离 子）的配位数，用CN来表示。
包壳材料
• 包壳的堆内行为 • 锆合金及合金化原理
Questions
• 1）对包壳材料的性能要求是什么？ • 2）可考虑用作包壳的候选材料有哪些？ • 3）Zr合金的合金化目的是什么？ • 4）为什么在Zr中加入Sn有助于抵消N的危害，
降低腐蚀速率？ • 5）在Zr中加入Fe、Ni、Nb等合金元素的好处分
Space lattice（空间点阵） is a point array which represents the regularity of atom arrangements.
c
β
a
α
γ
b
Lattice Constants
c
βα
aγ
b
七大晶系
Triclinic(三斜)
a≠b≠c ，α≠β≠γ≠90°
base-centered (C). face-centered (F) ④ Tetr: simple (P). body-centered (I) ⑤ Cubic: simple (P). body-centered (I).
face-centered (F) ⑥ Rhomb: simple (P). ⑦ Hexagonal: simple (P).
Classification of materials based on structure
Regularity in atom arrangement —— periodic or not (amorphous)
Single crystal: Polycrystalline:
in the form of one crystal grain boundaries grains
对包壳材料的性能要求 设计尺寸？
易于加工，成本低
常见的包壳材料
锆的物理性质
• 什么叫做相？相变？密排六方hcp&体心 立方bcc？
• 金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一 组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部 分称为相。固溶体相和化合物相等。
• 由于温度、成分或压力的变化而导致金属或合 金发生相的分解，相的合成或晶体结构的转变 过程称为相变。
Rhombohedral（菱方） a＝b＝c ，α＝β＝γ≠90°
+
+
+
P
I
C
F
7×4＝28
Delete the 14 types which are identical
28－14＝14
2. 14 types of Bravais lattice
① Tricl: simple (P) ② Monocl: simple (P). base-centered (C) ③ Orthor: simple (P). body-centered (I).
Packing fraction Volume of atoms / cell
＝
Volume of unit cell
To determineξ, The atom is looked as a hard
sphere, and the nearest neighbours touch each