JP2003302486A

JP2003302486A - 中性子吸収材

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Publication number: JP2003302486A
Application number: JP2002107678A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Sogabe; 敏明曽我部; Yumi Onishi; 由美大西
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-24
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: JP3973954B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放射線発生装置および原子力用等に使用され
る靭性が高くホウ素が均一に分散した中性子吸収材を提
供する。【解決手段】１〜５０重量％のホウ素と、残部が炭素
繊維とマトリックスとで構成されるホウ素混合２Ｄ−炭
素繊維強化炭素複合材料で形成された中性子吸収材であ
って、前記炭素繊維の容量分率が少なくとも２０容量％
であり、前記ホウ素のホウ素源に平均粒径５μｍ以下の
炭化ホウ素粉末を使用し、少なくとも１８００℃以上の
温度で熱処理を施し、炭素材料のＸ線回折法の学振法に
よる（００２）面の面間隔が０．３４１ｎｍ以下である
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射線発生装置及
び原子力用等に使用されるホウ素を含有する２Ｄ−炭素
繊維強化炭素複合材料（以下、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材とい
う。）からなる中性子吸収材に関する。

【０００２】

【従来の技術】ホウ素の同位体において質量数が１０の
ものは中性子吸収断面積が大きく、ホウ素またはホウ素
化合物は中性子吸収材として利用される。原子炉では、
ウラン等の核分裂を制御する制御棒、反応度調整並びに
核反応の暴走を防ぐための安全装置等に用いられる。

【０００３】現在、中性子吸収材としてのホウ素混合炭
素材料は、例えば、特許第１８２０５０２号や１９９３
年２月発行のＩＡＥＡ−ＴＥＣＤＯＣ−６９０"Ｔｈｅ
ｓｔａｔｕｓｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｄｅｖｅｌ
ｏｐｍｅｎｔｆｏｒｇａｓｃｏｏｌｅｄｒｅａ
ｃｔｏｒｓ"で示されているように、炭素または炭素前
駆体の粉末と炭化ホウ素粉末を混合し成形後熱処理する
ことによって得られる粒子結合型のものがもっぱら使用
されている。尚、ここでいう炭素は広義の意味で用いて
おり所謂黒鉛質のものも含む。

【０００４】Ｃ／Ｃ複合材は、人造黒鉛材料すなわち電
極材や等方性黒鉛の欠点である低靭性、脆性破壊する機
械的特性の欠点を大幅に改善した材料である。従ってＣ
／Ｃ複合材を基材にホウ素を含有した材料が得られれば
その用途に大きな有益性をもたらすことになる。とりわ
け高い安全性が要求される原子力産業分野においての利
用は今後、重要となってくるものと考えられる。

【０００５】Ｃ／Ｃ複合材にホウ素若しくはその炭化物
を存在せしめる方法として、例えば、金属アルコキシド
を用いてホウ素を微分散させる方法は広く研究されてい
る。しかしながら、アルコキシドが高価で大量にホウ素
を存在させるのには不向きである。また、中性子吸収材
として使われるＣ／Ｃ複合材に、加熱含浸装置（熱間静
水圧加圧装置）を用いて酸化ホウ素を含浸せしめ、１５
００℃以上の高温で熱処理を行なってホウ素もしくはそ
の炭化物を存在せしめる方法が示されている（特許第３
０３４９１９号）。この方法ではホウ素の微分散が可能
であるという利点がある。しかし、加熱含浸装置（熱間
静水圧加圧装置）を必要としコスト高となる他、装置の
大きさに制限を有する。

【０００６】また、通常のフェルトＣ／Ｃ複合材の製造
工程内で炭化ホウ素粉末を混合する方法（特開平５−３
０６１８０号）などが知られる。しかし、炭素繊維がフ
ェルトで、マトリックスを熱分解炭素によって高密度化
するこの方法は、フェルトＣ／Ｃ複合材しか適用できな
いことやコストが高いこと等の問題がある。

【０００７】また、特許第３０５８１８０号では、耐酸
化材作製におけるマトリックスとなる熱硬化性樹脂、コ
ールタール又はピッチに炭化ホウ素粉末を混ぜ合わせた
ものを塗布する方法とホウ素含有ガスの熱分解によって
Ｃ／Ｃ複合材内にホウ素を含有させる方法を示してい
る。炭素繊維を織布、編布、不織布、短繊維、炭素質フ
ェルトを使用する場合を示している。ここでは、炭化ホ
ウ素粉末を使用した場合、炭化ホウ素をとりわけ２Ｄ−
Ｃ／Ｃ複合材中に均一分散させる具体案に欠ける。ま
た、中性子吸収材については触れられていない。一般
に、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は炭素繊維が束状に存在してお
り、繊維束内部の炭素繊維中に炭化ホウ素粉末を均一に
分散させることがより困難であり、またそのことを解決
する手段を見出すことが本発明に至るプロセスである。

【０００８】炭化ホウ素粉末をホウ素源として使用する
こと自体は、上記の例示意外に一般に良く知られた事柄
であるが、コスト面も考慮して工業材料として利用しう
るホウ素が均一に含有されている２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材が
得られていない状態である。

【０００９】また、現在、最も一般に使用されている２
Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材としては、二次元クロスを用いたもの
若しくは一次元クロスを方向を違えて交互に積層したも
のがある。２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は、三次元以上の多次元
Ｃ／Ｃ複合材に対して、織りの装置や技術も平易である
こと、機械的特性が通常の用途では充分なものが得られ
ることから、実用材として広く使用されている。しかし
ながら、とりわけ、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材にホウ素を均一
に存在せしめることが１Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材やフェルトＣ
／Ｃ複合材に比べて困難であることから、実用材として
の開発は充分になされていなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、Ｃ／Ｃ複合
材の特性である高強度、高靭性の特性を損なうことな
く、製造的にも簡便な方法で２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材中にホ
ウ素が均一に分散したホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材料
で構成される中性子吸収材を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、発明者らは鋭意研究の結果、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材に
均一にホウ素を分散させるための炭化ホウ素粉末の選定
と製造工程がきわめて重要であることを見出し、本発明
を完成させるに至った。すなわち、本発明に係る中性子
吸収材は、１〜５０重量％のホウ素と、残部が炭素繊維
とマトリックスとで構成されるホウ素混合２Ｄ−炭素繊
維強化炭素複合材料で形成された中性子吸収材であっ
て、炭素繊維の容量分率が少なくとも２０容量％であ
り、前記ホウ素のホウ素源に平均粒径５μｍ以下の炭化
ホウ素粉末を使用し、少なくとも１８００℃以上の温度
で熱処理を施し、炭素材料のＸ線回折法の学振法による
（００２）面の面間隔が０．３４１ｎｍ以下であること
を特徴とする。とりわけ、製造方法が簡便であり実用性
に優れているという観点から２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材の開発
においては炭素繊維の２次元織りクロスおよび一次元シ
ートを用いた。

【００１２】すなわち、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材の炭素繊維
とマトリックスの両方に均一に炭化ホウ素粉末を微分散
させるための手法を見出した。単純に炭化ホウ素粉末を
混合したのでは炭化ホウ素粉末同士の凝集が生じて部分
的に炭化ホウ素粉末が集合して均一な分散状態が得られ
ない。この問題は、スーパーミキサーなどを用いて炭化
ホウ素粉末を剪断力を掛けながら充分に解砕したものを
用いて、他のマトリックスまたはマトリックス前駆体と
も凝集しないように混合することによって解決される。

【００１３】使用する炭化ホウ素粉末の粒径は、出来る
だけ細かい方が微分散しやすいが、平均粒径としては５
μｍ以下、好ましくは１〜３μｍにするのが適当であ
る。平均粒径を５μｍ以下にすることによって機械的強
度の低下を防ぎ、炭化ホウ素を材料中に均一に分散する
ことができる。炭化ホウ素粉末の平均粒径が１μｍより
かなり細かい、例えば、０．５μｍ以下になるとコスト
が高くなるという欠点が生じる。

【００１４】炭素繊維の分率は少なくとも２０容量％で
ある。より好ましくは２０〜５５容量％が適当である。
炭素繊維の分率が５５容量％を超えると、繊維クロス同
士の結合力を充分に保つことができず本発明においては
現実的には作製が困難である。また、２０容量％未満で
あると炭素繊維の効果が少なくなり靭性が上がらない。

【００１５】また、前記炭素繊維が、細密織りスパンヤ
ーンクロス、長繊維連続糸クロスの二次元織りクロス、
一次元長炭素繊維シートのいずれか、または短炭素繊維
と前記クロスもしくはシートとで構成されるものであ
る。二次元クロスとしては、繊維径が１０〜２０μｍで
フィラメント数が１０００から１２０００のものが一般
に入手可能である。長繊維連続糸の朱子折りや平織りの
もの、繊維を紡いだ細密織りスパンヤーンクロスなどが
ある。それぞれ用途に応じて適宜選択できる。

【００１６】バインダー成分としてのマトリックスは、
液状の合成樹脂から、また液状の合成樹脂及び合成樹脂
粉末から生じる炭素化物を含むものである。また、メソ
カーボン小球体及び／または残留揮発分を５〜１５重量
％含む炭素粉末を含むものである。合成樹脂としては、
炭素化収率が高いフェノール樹脂を用いることが好まし
い。これによって、製造コストの低減が可能となる。ま
た、フェノール樹脂を用いることによって、補強材とし
て短繊維チョップを加えることも出来る。なお、フェノ
ール樹脂の他に、フラン樹脂、ポリイミド樹脂等を用い
ることも可能である。

【００１７】また、本発明に係るホウ素混合２Ｄ−Ｃ／
Ｃ複合材は、まず、炭化ホウ素粉末が混合されたマトリ
ックス前駆体を作製後、このマトリックス前駆体を炭素
繊維クロス表面に均一に塗布し、積層して成形体とし、
焼成、黒鉛化することによって製造される。具体的に
は、以下の通りである。

【００１８】まず、マトリックス前駆体を作製する。常
温で液状の合成樹脂を用いる混合の際には、スーパーミ
キサーなどを用いて剪断力を掛けながら充分に解砕し
た、ホウ素源となる炭化ホウ素粉末が再凝集しないよう
にエタノールなどのアルコール中に分散させた後、この
分散液を液状の合成樹脂と充分に攪拌しながらスラリー
を作製し、スラリー状のマトリックス前駆体とする。

【００１９】次に、炭素繊維とマトリックス前駆体を組
み合わせて成形体を作製する。成形体の作製にあたって
はマトリックスと炭素繊維が充分に均一に組み合わされ
ていることが必要である。二次元クロスや一次元シート
などの炭素繊維に、作製したスラリー状のマトリックス
前駆体を塗布する。塗布は、はけ塗りやドクターブレー
ドを用いて表面に塗布する方法やスラリーをこれら炭素
繊維に擦り込むように浸透させる方法によって行われ
る。

【００２０】マトリックス前駆体に、炭化ホウ素粉末以
外に、バインダー成分としての合成樹脂の他に、場合に
よってはメソカーボン小球体や揮発分を５〜１５重量％
含む炭素粉末や短繊維チョップ等の短炭素繊維を加えて
混合する。合成樹脂の種類には特に指定はないが、炭素
化収率が高いことコストなどの入手の面からフェノール
樹脂やフラン樹脂が適当である。更には、常温で液状の
合成樹脂を用いる混合の際には、まず、炭化ホウ素粉末
が再凝集しないようにエタノールなどのアルコール中に
分散させた後、この分散液を合成樹脂及び他のマトリッ
クス成分と充分に攪拌しながらスラリー状とし、マトリ
ックス前駆体を作製する。

【００２１】常温で固体粉末状の合成樹脂を用い、合成
樹脂粉末とメソカーボン小球体、揮発分を５〜１５重量
％含む炭素粉末や短炭素繊維などを加える場合には、固
体微粒子化により、炭化ホウ素粉末とこれら粉末を一体
化させる。これによって、それぞれ均一分散が成される
とともにバインダーを有効に働かせることが出来、機械
的特性が向上する。固体微粒子化の操作には、例えば市
販の微粒子複合化装置を用いて行なう。

【００２２】また、上記スラリーと一体化した固体微粒
子を併用することもできる。すなわち、例えば、炭素繊
維クロスまたはシートにスラリーを塗布した後に固体微
粒子をその上に載せて炭素繊維クロスまたはシートを積
層していくことも出来る。マトリックス前駆体の成分と
して合成樹脂以外に例えば、揮発分が１０重量％である
メソカーボン小球体や５〜１５重量％、好ましくは７〜
１２重量％の揮発分を含む炭素粉末を加えて高密度化す
ることが出来る。この時、これらから生じる炭素の量を
多く設定するとマトリックス中に大きなクラックを生じ
て機械的強度を著しく減じることになる。これは、メソ
カーボン小球体や揮発分を含む炭素粉末は収縮するが炭
素繊維は収縮しないために内部応力を生じてそれを開放
する際にクラックが生じるものである。これを防止する
ためには、１５重量％を超えるような高い揮発分を有す
るようなものを使用しないことと、メソカーボン小球体
や揮発分を含む炭素粉末から生じる炭素の量をマトリッ
クス全体の３０容量％程度以下にする必要がある。

【００２３】スラリーを塗布したクロスやシートは所望
の厚み、例えば３〜３０ｍｍに積層してプリプレグ積層
体とする。その積層体を成形するには常法に従って行
う。すなわち、ホットプレス法や真空バッグ成形によっ
て成形体とすることができる。真空バッグ成形は、パイ
プ状や三次元的な形状を有する大型の成形体を得るため
に有効である。ホットプレス法では、その成形条件はそ
れぞれ使用した合成樹脂の種類や炭素繊維の種類や量、
成形体の大きさ等の条件で設定する必要があるが、概ね
５〜１５ｋｇ/ｃｍ²の加圧下で最高温度１５０〜３００
℃で行われる。真空バッグ法では、一般に加圧力の最高
が大気圧となる。

【００２４】熱処理は、炭素化工程である。熱処理は目
的温度まで一回の工程で行ってもよいし、２回以上の工
程に分けても良い。すなわち、一回目の熱処理では、８
００℃乃至１０００℃の熱処理を窒素ガス雰囲気中など
の非酸化性雰囲気下で行い、次に、炭化ホウ素が置換固
溶し始める１８００℃以上の熱処理を施して、ホウ素を
材料中にさらに微分散させる。黒鉛結晶性をある程度高
めるために、最終の熱処理を２３００℃を超える温度に
上げると、ホウ素の作用によって黒鉛結晶粒が大きく成
長しすぎて、場合によっては炭素繊維とマトリックスが
部分的に一体化し炭素繊維の形状が崩れ炭素繊維による
補強効果が無くなり、機械的強度の劣化を招いてしま
う。従って機械的強度が必要な場合は最終の熱処理を２
３００℃以下、好ましくは、２０００℃から２２００℃
にするのが良い。

【００２５】原子炉用中性子吸収材の用途では特に、残
存酸化ホウ素量が少ないことが求められる。これは、残
存する酸化ホウ素の含有量が多いと、高温条件下で中性
子吸収材として使用した場合に、中性子吸収材から蒸発
した酸化ホウ素が比較的低温部に析出固着して金属製品
を腐食したり、互いに固着するという問題を防止するた
めである。酸化ホウ素は、製造工程中の、比較的低温で
の熱処理時に、主として熱処理雰囲気下の不純物酸素と
炭化ホウ素との反応によって形成されると考えられる。
本発明においても、１０重量％のホウ素を含む２Ｄ−Ｃ
／Ｃ複合材料の作製において、窒素ガスを流しながら１
０００℃の熱処理を施した場合、１重量％の酸化ホウ素
が残存していることが化学測定によって確認された。従
って、酸化ホウ素を除去するためには、温度を上げるの
みでも除去されるが、最終の熱処理を不活性ガス雰囲気
の減圧下、好ましくは５Ｔｏｒｒ以下で行なうとより効
果的に除去することができ、酸化ホウ素の含有量が０．
２重量％以下のホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材とするこ
とができる。

【００２６】機械的強度を向上させるためには、いずれ
かの熱処理後にピッチ若しくは液状のフェノール樹脂な
どの合成樹脂を材料中の開気孔に含浸して再び熱処理を
施すと良い。この操作は二回以上繰り返すことができ
る。

【００２７】このように、Ｃ／Ｃ複合材中にホウ素が均
一に分散した中性子吸収材が、簡便な方法で作製され
る。

【００２８】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００２９】セラミックス粉末としては、平均粒径１μ
ｍ及び３μｍの炭化ホウ素粉末を使用した。使用したセ
ラミックス粉末は市販のものをそのまま用いるか、また
は分級して用いた。平均粒径はレーザー回折式粒度分布
測定装置で確認した。

【００３０】炭素繊維の容量分率の計算には次の値を使
用した。炭素粉末は炭素化収率９０％、真密度２g／ｃ
ｍ³であった。２０００℃でレゾール型フェノール樹脂
は炭素化収率５０％、真密度１．５g／ｃｍ³で、粉末フ
ェノール樹脂は炭素化収率７０％、真密度１．５g／ｃ
ｍ³であった。炭化ホウ素粉末は密度２．５g／ｃｍ³の
ものを用いた。スパンヤーンクロスの真密度は１．８g
／ｃｍ³、長炭素繊維連続糸平織りクロス、長炭素繊維
連続糸シートおよび短繊維の真密度は２.０g／ｃｍ³と
した。

【００３１】（実施例１）炭素繊維１００重量部に対し
て、スーパーミキサーを用いて剪断力を掛けながら充分
に解砕した９６重量部に相当する平均粒径３μｍの炭化
ホウ素粉末をエチルアルコール中に添加し、充分に攪拌
しながら分散させた。エチルアルコールの量は次に加え
る樹脂量とほぼ等量用いた。これに、液状の合成樹脂と
して、レゾール型フェノール樹脂を炭素繊維との重量比
が１．１となるように加えて充分に攪拌しながら分散さ
せスラリーとし、マトリックス前駆体を調整した。この
スラリーを炭素繊維２Ｄクロスの細密織りスパンヤーン
クロス（繊維径約１０μｍのＰＡＮ系）にドクターブレ
ードを用いて均一に塗布した。この時、クロス内部まで
スラリーが浸透するように予めスラリーをクロスに擦り
込むように塗布し、残りのスラリーを表面に塗布する工
夫を行った。これら、スラリーを塗布したクロスを積層
して風乾させた。尚、クロスの大きさは８０ｍｍ×８０
ｍｍで１５枚重ねて約７ｍｍの厚みのプリプレグ積層体
とした。次に、常法に従って熱圧成形を行った。成形
は、約１０ｋｇ/ｃｍ²の圧力を掛けながら１１０℃から
加圧を開始して、１６０℃で１時間保持することによっ
て行った。その後、２６０℃で乾燥機中で１６時間の熱
処理を行って成形体とした。この成形体を、窒素ガスを
流しながら約１０℃／時間の昇温速度で１０００℃の熱
処理を施した。その後、アルゴンガス雰囲気５Ｔｏｒｒ
の下、２０００℃で熱処理を施して、ホウ素混合２Ｄ−
Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭素繊維の容量分率は、３５容量
％であった。

【００３２】ホウ素の定量はマンニットール滴定法など
の化学滴定の手法を用いて測定した。全ホウ素量は２
９．９重量％であった。酸化ホウ素の濃度は０．０２重
量％であった。Ｘ線回折法の学振法による（００２）面
の面間隔は０．３３９ｎｍであった。

【００３３】曲げ強さ測定用の試験片は、５×８×５５
ｍｍの直方体を用いた。２次元クロスの場合はクロスの
面方向を長手方向にし、また、５ｍｍの方向がクロスの
積層方向である。曲げ試験はインストロン試験機を用い
てスパン４０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／
ｍｉｎとして室温下、３点曲げで行った。本発明のホウ
素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材はいずれも脆性的な破壊をす
ることなく、通常市販の２Ｄ−Ｃ／Ｃが示すようなクロ
スヘッド変位を示し、本来の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材が有す
る靭性を保持していることが確認された。かさ密度は
１．５８g／ｃｍ³であった。曲げ強度は、７０ＭＰａで
あった。

【００３４】（実施例２）炭素繊維１００重量部に対し
て、５重量部に相当する平均粒径３ｍの炭化ホウ素粉末
を使用し、レゾール型フェノール樹脂を炭素繊維との重
量比が１．５となるように加えた以外は、実施例１と同
様にしてホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭素繊
維の容量分率は、４５容量％であった。全ホウ素量は
２．２重量％であった。酸化ホウ素の濃度は０．０１重
量％であった。かさ密度は１．５０g／ｃｍ³であった。
曲げ強度は、８０ＭＰａであった。

【００３５】（実施例３）炭素繊維１００重量部に対し
て、２１０重量部に相当する平均粒径３μｍの炭化ホウ
素粉末を使用した以外は、実施例１と同様にしてホウ素
混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭素繊維の容量分率
は、２６容量％であった。全ホウ素量は４２．７重量％
であった。酸化ホウ素の濃度は０．０４重量％であっ
た。かさ密度は１．６０g／ｃｍ³であった。曲げ強度
は、４５ＭＰａであった。

【００３６】（実施例４）平均粒径１μｍの炭化ホウ素
粉末を用いた以外は、実施例１と同様にしてホウ素混合
２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭素繊維の容量分率は、３
５容量％であった。全ホウ素量は２９．５重量％であっ
た。酸化ホウ素の濃度は０．０２重量％であった。かさ
密度は１．５９g／ｃｍ³であった。曲げ強度は、７５Ｍ
Ｐａであった。

【００３７】（実施例５）炭素繊維２Ｄクロスに、長炭
素繊維連続糸平織りクロス（ＰＡＮ系、引っ張り強度３
５００ＭＰａ、引っ張り弾性率２３０ＧＰａ、繊維径約
７μｍ、フィラメント数６０００）を用いた以外は実施
例１と同様にしてホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得
た。炭素繊維の容量分率は、２９容量％であった。全ホ
ウ素量は２９．７重量％であった。酸化ホウ素の濃度は
０．０２重量％であった。かさ密度は１．６２g／ｃｍ³
であった。曲げ強度は、７５ＭＰａであった。

【００３８】（実施例６）炭素繊維２Ｄクロスに、一次
元長炭素繊維連続糸シート（ピッチ系、引っ張り強度３
６００ＭＰａ、引っ張り弾性率６５０ＧＰａ、繊維径約
１０μｍ、シートの厚み０．２９ｍｍ）を用いた以外は
実施例１と同様にしてホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を
得た。炭素繊維の容量分率は、３２容量％であった。全
ホウ素量は２９．９重量％であった。酸化ホウ素の濃度
は０．０２重量％であった。かさ密度は１．６７g／ｃ
ｍ³であった。曲げ強度は、７２ＭＰａであった。

【００３９】（実施例７）炭素繊維１００重量部に対し
て、７５重量部に相当する平均粒径３μｍの炭化ホウ素
粉末をエチルアルコール中に添加し、充分に攪拌しなが
ら分散させた。エチルアルコールの量は次に加える樹脂
量とほぼ等量用いた。これに、液状の合成樹脂として、
レゾール型フェノール樹脂を炭素繊維との重量比が１．
１となるように加えて充分に攪拌しながら分散させスラ
リーとし、マトリックス前駆体を調整した（マトリック
ス前駆体Ａ）。このスラリーを実施例５と同様の平織り
クロスにドクターブレードを用いて均一に塗布した。こ
の時、クロス内部までスラリーが浸透するように予めス
ラリークロスに擦り込むように塗布し、残りのスラリー
を表面に塗布する工夫を行った。マトリックス前駆体と
して、２つのマトリックス前駆体を作製した。１つは、
材料中の炭素繊維１００重量部にして７５重量部の平均
粒径３μｍの炭化ホウ素粉末と粉末フェノール樹脂を炭
素繊維との重量比が０．４となるようにスーパーミキサ
ーで剪断力を掛けながら充分に混合した。ミキサーの羽
の回転速度は２０００ｒｐｍで時間は３分間であった。
このプロセスを怠ると炭化ホウ素粉末および粉末フェノ
ール樹脂がそれぞれ充分に混ざり合うことが困難とな
る。この混合粉末を、マトリックス前駆体Ａを塗布した
上に均一に塗布した。それ以外の工程は実施例１と同様
にしてホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭素繊維
の容量分率は、２８容量％であった。全ホウ素量は３
６．９重量％であった。酸化ホウ素の濃度は０．０４重
量％であった。かさ密度は１．６２g／ｃｍ³であった。
曲げ強度は、５０ＭＰａであった。

【００４０】（実施例８）マトリックス前駆体として、
炭素繊維１００重量部に対して、１４８重量部に相当す
る量の平均粒径３μｍの炭化ホウ素粉末と、炭素繊維と
の重量比が０．４となる量の炭素粉末（ピッチと平均粒
径１μｍの人造黒鉛を熱間混練り後に粉砕を行った平均
粒径５μｍ、揮発分１０重量％の炭素粉末）とをスーパ
ーミキサーで剪断力を掛けながら充分に混合した。ミキ
サーの羽の回転速度は２０００ｒｐｍで時間は３分間で
あった。このプロセスを怠ると炭化ホウ素粉末および炭
素粉末がそれぞれ充分に混ざり合うことが困難となる。
この混合粉末をエチルアルコール中に充分に攪拌しなが
ら分散させた。アルコールの量は次に加える樹脂量とほ
ぼ等量用いた。次に、レゾール型フェノール樹脂を炭素
繊維との重量比が１．１となるように加えて充分に攪拌
しながら分散させスラリーとした。それ以外の工程は実
施例１と同様にしてホウ素混合Ｃ／Ｃ複合材を得た。炭
素繊維の容量分率は、３０容量％であった。全ホウ素量
は３４．２重量％であった。酸化ホウ素の濃度は０．０
３重量％であった。かさ密度は１．４５g／ｃｍ³であっ
た。曲げ強度は、４０ＭＰａであった。

【００４１】図１および図２にそれぞれ実施例１のクロ
ス積層面の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）像とその部分のＸ線
マイクロアナライザーによって得られた、ホウ素の分布
状態を示す。ＳＥＭ像より繊維とマトリックスが緻密に
組み合わされ複合化されているのが分かる。ホウ素の分
布図よりホウ素がマトリックス部およびクロスの部分に
も均一に分散されているのが分かる。以上より、本発明
のホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材料は、炭素繊維とマト
リックスが緻密に組み合わさり、また、ホウ素が材料全
体に均一分布している。

【００４２】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材中に簡易な方法でホウ素を均一に分
散することができ、ホウ素源を分散させた場合であって
も、強度、靭性等の特性が低下することもなく、２Ｄ−
Ｃ／Ｃ複合材を中性子吸収材として適用することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例１のクロス積層面の走査型顕微鏡
（ＳＥＭ）による写真である。

【図２】図１の像の部分のＸ線マイクロアナライザーに
よって得られた、ホウ素の分布状態を示す写真を示す図
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１〜５０重量％のホウ素と、残部が炭素
繊維とマトリックスとで構成されるホウ素混合２Ｄ−炭
素繊維強化炭素複合材料で形成された中性子吸収材であ
って、前記炭素繊維の容量分率が少なくとも２０容量％であ
り、前記ホウ素のホウ素源に平均粒径５μｍ以下の炭化
ホウ素粉末を使用し、少なくとも１８００℃以上の温度
で熱処理を施し、炭素材料のＸ線回折法の学振法による
（００２）面の面間隔が０．３４１ｎｍ以下であること
を特徴とする中性子吸収材。
【請求項２】前記炭化ホウ素粉末が、剪断力を掛けな
がら解砕されたものである請求項１に記載の中性子吸収
材。
【請求項３】前記ホウ素混合２Ｄ−炭素繊維強化炭素
複合材料中の酸化ホウ素の含有量が０．２重量％以下で
ある請求項１に記載の中性子吸収材。
【請求項４】前記炭素繊維が、細密織りスパンヤーン
クロスまたは長炭素繊維連続糸クロスの二次元織りクロ
スもしくは一次元長炭素繊維シートのいずれか、または
短炭素繊維と前記クロスもしくはシートとで構成されて
いる請求項１に記載の中性子吸収材。
【請求項５】前記マトリックスが、液状の合成樹脂か
ら、または液状の合成樹脂及び合成樹脂粉末から生じる
炭素化物を含むものである請求項１乃至４のいずれかに
記載の中性子吸収材。
【請求項６】前記マトリックスが、メソカーボン小球
体及び／または残留揮発分を５〜１５重量％含む炭素粉
末を含むものである請求項５に記載の中性子吸収材。