JPH01206037A - 複合強度部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な複合強度部材に係り、特に核融合装置等
の耐熱性が要求される容器の炉壁に好適な複合強度部材
に関する。

〔従来の技術〕

核融合装置として、例えばトーラス型核融合装置は、内
部にプラズマを閉じ込めるほぼ円環状の真空容器が設け
られる。真空容器には、プラズマを所定の空間に保持す
るための磁場を発生させるトロイダル磁場コイルが真空
容器を取り囲み、円環体の長さ方向に所定間隔で複数個
配置されている。更に、プラズマのジュール加熱を行う
とともに、プラズマの位置制御をするための磁場を発生
させるボロイダル磁場コイルが真空容器に沿って複数個
配置されている。

この真空容器材としては、非磁性のニッケル基合金鋼等
が検討されている。しかし、核融合装置における真空容
器は核融合反応によって生じる放射線、例えばｌ　４　
Ｍ　ｅ　Ｖの高速中性子による照射を受けるので、特開
昭５５−９４１８１号に記載されているように、融点の
高いＭｏ又はＷ等が冷却構造を有する金属体にボルトに
よって固定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

Ｍｏ又はＷ等は比較的原子番号が大きいためプラズマ粒
子によってスパッタリングされた原子がプラズマ粒子の
中に入ってプラズマの温度を低下させるといういわゆる
不純物特性が悪い欠点がある。また、上述のようにボル
トで固定されているので、冷却能力が小さく高熱にさら
される核融合装置では前述の不純物特性が更に低下する
。

本発明の目的は、冷却特性が優れ、熱応力が小さく、セ
ラミックの特性を活かした複合体からなる複合強度部材
を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、金属と相容性を有しない繊維が前記金属中に
埋込まれた複合体と、セラミックタイルとの積層体であ
って、前記複合体とセラミックタイルとが冶金的に接合
されていることを特徴とする複合強度部材にある。

前記複合体は銅を主成分とし、炭素繊維が埋込まれてお
り、前記セラミックタイルは少量のベリリウム酸化物が
炭化珪素の粒界に含む焼結体であり、前記複合体とセラ
ミックタイルとがろう接されているものが好ましい。

本発明は、金属と相容性を有しない繊維が前記金属中に
埋込まれた複合体と、セラミックタイルとが冶金的に接
合された積層体であって、該積層体が金属基体に前記複
合体を介して冶金的に接合されていることを特徴とする
複合強度部材にある。

接合は後述（３）に示するうによって行うこと、複合強
度部材は、各セラミックタイル間に前述の如く所定の間
隙を設けて接合させること、中間体も同様に所定の間隙
を設けること、これらの間隙に対向させて金属基体に溝
を設けることが好ましい。複合強度部材は、後述（１）
〜（４）が適用される。

（１）セラミックタイル セラミックタイルは、核融合装置炉壁ではプラズマ粒子
の照射に対して耐スパツタリング性に優れたものとし、
耐熱性で、低原子番号の元素の化合物からなるセラミッ
ク材がよい。

セラミックタイルは、室温で熱伝導率が０．ｏ５ｃａＱ
／ａｍ・ｓｅｃ・℃以上、電気抵抗率が１０″″３Ω・
国以上が好ましい。高い熱伝導率を有するものを使用す
ると冷却効果が大で、スパッタリングされにくい。より
好ましくはｏ、２ｃａＱ／ａｎ−３ｅｃ・℃以上であり
、プラズマ粒子によるスパッタリングに対してセラミッ
クタイルの温度を十分に低く保つことができる。炉壁に
は強力な磁場が作用するので、導電性の高い材料ではう
ず電流による磁場の強力な力を受けるので、室温で１０
−３Ω・ｏｎ以上の電気抵抗率を有し、特に、１０８Ω
・印以上の電気絶縁材が良い。

セラミックタイルは、焼結体がらなり、融点及び分解温
度が１９００’Ｃ以上である化合物の焼結体が好ましい
。前述の耐スパツタリング性の観点からも、セラミック
材の融点及び分解温度は１９００℃以上がよい。

セラミックタイルには、金属の酸化物、炭化物。

窒化物、珪化物等の材料がいずれも使用可能である。酸
化物として、Ｂ　ｅ　Ｏ、Ｍ　ｇ　Ｏ、Ａ　Ｑ　２０３
゜Ｓ　ｉｏｚ、　Ｃａｂ、　Ｔ　ｉｏｚ、　Ｃｒ２０ｓ
、　Ｆ　ｅ２０ａ＋Ｙ２Ｏ３，ＺｒＯ２等、炭化物とし
て、ＣｒａＣ２＋ＮｂＣ，ＺｒＣ，ＢｅｚＣ，ＳｉＣ，
’ｒｉｃ、ｖｃ等、窒化物としてＡ　Ｑ　Ｎ、　Ｓ　ｉ
３Ｎ４．　Ｔ　ｉ　Ｎ。

ＶＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ等、珪化物としてＴｉ珪
化物、Ｚｒ珪化物、■珪化物、Ｎｂ珪化物。

Ｔａ珪化物、Ｃｒ珪化物等が使用可１ｍである。

セラミックタイルには、以上のようしこ、種々の材料が
使用できるが、特に原子番−号力１１４以下である低原
子番号の金属の化合物力１らなるもの力１☆子ましい。

例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂｅの化合物力１好ましい
。これらの化合物として、ＳｉＣ，ＡｌＮ。

Ｓ　１ａＮ４＋　ｔ　Ｂ　ｅｏ、ＡｌｚＯ３，ＭｇＯ，
Ｓ　ｉＯ２、又はこれらの混合物又は化合物、又１まこ
れらの１種以上を主成分とした焼結体が好ましし１゜上
貫己化合物を焼結体の原料として用ｔする力１、又番ま
上記イし合物を生じる他の化合物を用し）、結果として
上シ己化合物が最終焼結体を構成するようしこしてもよ
−。

特に、前述のセラミックタイル材のうち、ベリリウム及
びベリリウム化合物の１種以上をベリリウム量で０．１
〜５重量％含み、８０重量％以上が炭化珪素からなる焼
結体は、室温で０．２ｃａＱ／ａＩｌ−８ｅｃ・℃以上
の高熱伝導率及び室温で１０８Ω・１以上の電気抵抗率
を有し好ましい材料である。更に、酸化ベリリウムを少
量例えば０．０５〜１０重量％を炭化けい素の結晶粒界
に含み、実質的に炭化珪素とからなる焼結体は室温で０
．４ｃａＱ／■・Ｓｅｃ・℃以上の熱伝導率及び室温で
１０８Ω・１以上の電気抵抗率を有するので、特に冷却
構造との関係において好ましいものである。

セラミックタイルは、分割されたセラミックス体を冷却
構造を有する金属体に接合層によって接合面の全面を接
合するのが好ましい。このセグメントはできるだけ大き
い方が製造手数を少なくできるのでよい。しかし、大き
過ぎると接合後の熱応力が大きくなり、割り易くなるの
で、最大でも１ｏｃｌｎ角及び２０ＩＩｌ′１１の厚さ
が好ましい。特に厚さは、５〜１０止ｎが好ましい。セ
ラミックタイル１ま、無加圧焼結、加圧焼結、又は他の
方法のいずれによって製造してもよい。

セラミックタイルは、金属基体及びろう材がプラズマ粒
子による照射を直接受けないように、プラズマからの投
影面からみて端部が重なるように配置するか、埋込むよ
うにするのが好ましい。重ね合せて配置するには、セラ
ミックス体の端部を厚さ方向に段違いに構成するか、傾
斜させるか等の手段がある。又は、セラミックタイルを
その端部で重ね合せなくても、セラミックタイルを所定
の間隙を設けて配列させ、前述のように金属体の溝部に
セラミックス体の棒を挿入させるのもよい。

（２）冷却構造を有する金属基体 金Ｒ基体の材料は、使用温度で非磁性でなければならな
い。金属体として、オーステナイト鋼。

銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、゛チタ
ン、チタン合金及びニッケル基合金などが使用可能であ
る。冷却構造は部分的にシーム溶接された重ね合せ構造
体の非溶接部を高圧空気によって型に入れて膨らませる
ことによって冷媒を流す空間を作るコルゲート構造のも
のが使用可能である。部分的な接合にはその他拡散接合
、圧接、ろう付等によっても可能である。

金属基体には溝が形成される。溝としては、前述のよう
に高圧空気で空間を作るコルゲート構造における凹んだ
部分を利用できる。金属板を切削して所望の溝を形成す
ることもできる。溝は、セラミックタイルの接合におい
て熱応力を軽減できる。また溝の幅はセラミックタイル
をろうによって接合する際に隣接するセラミックタイル
間で余分なろう材がはみ出してセラミックス体同志が繋
がらない程度に広がっていればよい。余分なろう材は溝
部に流れ落ち、互いのセラミックタイル間の間隙に存在
しないので、接合後の互いのセラミックタイルを拘束す
ることがない。従って、接合後の金属基体の冷却による
熱応力を小さくすることができる。溝の幅は１１１１１
以上が好ましい。しかしその幅はセラミックタイルの接
合強度が十分に得られる程度に止めるのがよい。溝は、
１つの金属基体表面に同じ方向に複数本設けるか、縦及
び横方向に複数本設けることができる。製造面では前者
が有利であり応力緩和の点からは後者が好ましい。

金属基体は、複数個のセラミックタイルを接合できるも
のとし、それ自体も分割されたものが好ましい。分割さ
れた金属基体はセラミックタイルを接合後に他の構造体
に機械的に接合するか、又は溶接によって互いに接合し
て核融合装置の炉壁として所定の形状に組立てられる。

組立てに際して冷媒の流通に余分な抵抗が生じないよう
に充分を寸法精度で製作し、それらを慎重に位置合せし
て組立てる必要がある。更に、金属体の各ブロックの組
立てに際しても金属体が直接プラズマ粒子にさらされな
いように前述のように表面がセラミックタイルで被われ
るようにする。

（３）セラミックタイルの接合 セラミックタイルは、金属基体に冶金的に接合される。

冶金的な接合とは、ろう付、拡散接合。

アノ−デックボンデング等による原子的な接合を意味し
、機械的な接合を意味しない。各セラミックタイルは互
いに間隙を設けることにより、加熱を受けたときに熱応
力の発生が小さいこと、及び接合後の金属基体の収縮に
よる接合層の熱応力を緩和し、もってセラミックタイル
の接合による割れ、剥離を防止するとともに、強固な接
合が得られる点にある。間隙がないと接合後の金属体の
収縮による高い残留応力、或いは割れ及び剥離を防止す
ることができない。

間隙の大きさは使用中の膨張及び収縮量を考慮して定め
られる。接合層としてろう付による場合。

それに用いるろう材は金属基体の融点より低いものでな
ければならない。金属基体としてステンレス鋼及びニッ
ケル基合金を使用する場合はマンガンを含有する銅合金
ろう材、銀ろう材が好ましく、約９００℃付近でろう付
できるので、接合時の間隙はこの温度からの冷却に伴う
金属基体の収縮量からセラミックスの収縮量を差引いた
量と同じ長さの間隙使用中における間隙とを加えた量と
すればよい。前述の銅合金ろう材として、マンガン２５
〜５５重量％を含有する銅合金が好ましい。

この合金の融点は８７０℃〜１，０００℃であり、比較
的低い温度で接合できる。特に、３５〜４５重量％のマ
ンガンを含む銅合金が好ましい。このろう材は非酸化物
系のセラミックタイルの接合に有効であり、更に炭化物
の接合に好ましい。更に、炭化物として炭化珪素を主成
分とする焼結体のうち、前述のベリリウム及びベリリウ
ム化合物の１種以上を０．１〜５重量％含み、８０重量
％以上の炭化珪素を有する室温で電気絶縁性を有するも
のの接合に有効であり、特にニッケル基合金への接合に
好ましい。

高温のろう材として、ＪＩＳ現格の銀ろうが使用可能で
ある。銀ろうは、特に酸化物系のセラミックス体として
、例えばアルミナを使用する場合。

その接合面にＭ　ｏ　−Ｍ　ｎ等のメタライズ層を設け
てステンレス鋼又はニッケル基合金に接合するのがよい
。

金属基体としてアルミニウム又はアルミニウム合金を用
いる場合には、ろう材は８〜１５重量％珪素を有するア
ルミニウム合金ろうが好ましい。

このろう合金は５５０〜６２０℃付近の温度でろう付さ
れるので、接合時における各セラミックタイル間の間隙
はそのろう付温度に合せて調節される。このろう材は前
述と同様に炭化珪素を主成分とする焼結体をアルミニウ
ム又はアルミニウム合金に接合するのに有効である。

金属基体へのセラミックタイルの接合は、１つの金属体
の全面にろう材を介在させてセラミックス体を載置させ
、加熱することによってその自重でも接合できるが、１
〜２０ｋｇ／ｃＪの加圧下で加熱することが好ましい。

加熱雰囲気は大気中でもできるが、非酸化性雰囲気中が
好ましい。

接着層の厚さは１０〜１００μｍが好ましい。

（４）中間体 セラミックタイルは、金属体の室温の熱膨脹係数より小
さく、セラミックタイルの熱膨脹係数より大きいそれを
有する金属部材からなる中間体を介して金属体に接合さ
せるのが好ましい。具体的には、タングステン、モリブ
デン、インバー合金。

金属の複合材料及びモリブデン、タングステン。

炭素繊維を埋め込んだ熱伝導率の高い金属の複合材料が
好ましい。特に、炭素繊維を埋め込んだ銅複合材が好ま
しい。

銅−炭素繊維複合材は、銅被覆された炭素繊維を複数本
束ね、これを二次元に織り、高温で焼成することによっ
て二次元的に等方的な熱膨張率を示すようにするのが好
ましい。このものは、銅の熱伝導率を損わずに、室温で
５〜ｌ０ＸＩＯ−’／℃の熱膨脹係数及び室温で０．３
〜１．０ｃａＱ／ｃｍ・Ｓｅｃ・℃の熱伝導率を得るこ
とができる。炭素繊維は３０〜６０体積％含むことが好
ましい。銅基地には炭化物を形成する元素が５重量％以
下含むものが好ましい。

この銅−炭素繊維複合材を中間体とするものは。

金属体に前述の炭化珪素を主成分とする焼結体を接合す
るのに有効である。この中間体は室温で５〜１３　Ｘ　
１０３ｋｇ／　ｎｌ１１２の弾性係数及び室温で３〜１
２　Ｘ　１０−６／’Ｃの熱膨脹係数を有し、特に、室
温の熱膨脹係数が１０　ｘ　１０−Ｂ／℃以上を有する
金属体へのセラミックス体の接合に有効である。

また、前述の弾性係数と熱膨脹係数を有するものであれ
ば、銅−炭素繊維複合体以外でも炭化珪素焼結体を金属
体に割れを生ぜずに容易に接合することができる。

中間体は、セラミックタイルと同様に金属基体に形成さ
れた溝の対応部分に互いに間隙を設けて接合するのが好
ましい。そして、その上に互いに間隙を設けてセラミッ
クタイルを接合するのが好ましい。しかし、中間体は金
属によって構成されるので、冷却構造を有する金属体は
溝を有する必要がなく、金属体の全面に中間体を設け、
その上に間隙を形成させてセラミックタイルを接合させ
ることができる。

セラミックタイルとして炭化珪素を主成分とする焼結体
を使用し、この表面に前述の銅−炭素繊維複合体を接合
するには、前述の銅−マンガン合金ろうを使用するのが
好ましい。更にこの銅−炭素繊維複合体を、アルミニウ
ムからなる金属基体に接合するには予め前記セラミック
タイルと前記複合体とを前述の銅−マンガン合金ろう材
にょって接合後、前記複合体にアルミニウムを重ね約５
４８℃まで加熱し、所定の圧力を加えて接合できる。こ
の場合は前記複合体は銅が主成分であるため、アルミニ
ウムとの間で共晶反応が発生するので、ろう材を使用し
なくても接合できる。

中間材の厚さはセラミックス体に対して熱膨張率差を緩
和し、クツションの役目をするのに０．５〜２１１Ｉ１
１が好ましい。中間体は接合部の熱応力を小さくできる
ので、大きなセラミックス体を接合できる。

〔実施例〕

（実施例１） 第１図は本発明の複合強度部材を用いて炉壁を構成した
トーラス型核融合装置の断面図である。

真空容器１は図示していないが中心線１０を基準にして
円環状（トーラス）で、その周囲にプラズマ２を真空容
器１の空間に閉じ込め、ドーナツ状の磁場を作るための
トロイダル磁場コイル８が真空容器１に添って所定間隙
で配置されている。磁場コイル８は液体Ｈｅによって冷
却される超電導コイルによって構成される。トロイダル
磁場コイル８の周囲にはプラズマ２の位置制御を行うた
めのポロイダルコイル９が複数個配置される。

真空容器１内に真空排気するために図示していないが、
排気装置が接続される。更に真空容器１内にはプラズマ
２側に本発明の炉壁附が設けられ、炉壁３の外側に増殖
ブラケット６及び遮へい体７が設けられている。炉壁主
は増殖ブラケット６に沿って設けられている。炉壁ｙは
冷媒によって強制的に冷却する構造の金属基体５にタイ
ル状のセラミックス体４が接合されている。

第２図は本発明の炉壁すの一部分の一資実例を示す斜視
図である。第３図は第２図Ａ−Ａ’で切断した断面図で
ある。炉壁Ｊは内部に冷媒が通る流路１２が設けられた
冷却構造を有する金属基体５にタイル状のセラミックス
体４が接合層１１によって接合された構造を有する。セ
ラミックタイル４は互いに間隙１４が設けられる。この
炉壁立は、ブロック状に形成され、このものを組合せて
第１図に示す構造で円環状の真空容器に沿って−体のも
のになる。第２図の各ブロックは溶接、ボルト等の手段
によって接合され、第１図の全体構造にされる。第２図
のブロックには２５ケのタイル状のセラミックス体４が
接合されているが、この数は種々変えられる。間隙１４
を設けることによって加熱冷却による熱応力を低くでき
る。第３図の点線は溶接等の接合によって冷却構造の金
属基体５を製造した場合の接合面１５である。

金属体５には、溝１３が縦に一方向に所定の間隙で設け
られている。この溝１３は縦及び横の二方向に設けても
よい。この溝１３は、ろう材によって金属基体５にタイ
ル状のセラミック体４を接合する場合、金属体５の平面
形状と同じ大きさの１枚のろう材を用いた場合、或はセ
ラミックタイルの大きさに合せたろう材を用いた場合で
も、余分なろうを溝１３に流れ込むようにしたものであ
る。その結果、間隙１４にろうが流れ込むのを防ぐこと
ができる。更に、使用中の加熱によるタイル状のセラミ
ックス体の膨張を妨げることがないので、熱応力を低く
できる。また、タイル状のセラミックス体同志が流れ出
たろう材によって接合されることがない。

第４図は本発明の他の例の炉壁Ｊの一部分の斜視図であ
る。第５図は第４図Ｂ−Ｂ’切断の断面図である。炉壁
−β−は、冷却構造を有する金属体５が、プラズマ粒子
２による照射を直接受けないようにタイル状のセラミッ
クス体４を互いに交叉して配置されている。各タイル状
のセラミックス体４は凸部４′及び凹部４″′を有する
階段状に成形され、凸部４′と凹部４１とが互いに交叉
して接合され、間隙１４の部分で金属体５が露出しない
ようにする。凸部４′と凹部４１は、縦方向及び横方向
のいずれも設けられている。金属体５が露出しないよう
にセラミックタイル４を重ね合せるには端部を傾斜させ
る構造、一方を他方に埋め込ませる構造などがある。

第６図は、第４図においてセラミックタイル４をいずれ
も同じ形状に製作し、それを隣接する部分で互いに上下
を交互にして用いた場合の炉壁の断面図である。この断
面は第４図のＢ−Ｂ’切断の断面図に相当する。このＢ
−Ｂ’断面に直角な方向のＢ’−Ｂ″切断断面は第６図
において金属体５に溝１３が設けられていないものであ
る。

更に、このようなタイル状のセラミックス体の構造の他
の例として、第４図のＢ’　−Ｂ”切断の断面図を第６
図において溝１３を設けないものとして、Ｂ−Ｂ’の切
断の断面図を第６図のセラミックタイルを階段状にせず
にストレートとし、溝１３にセラミックス体を挿入する
やり方もできる。

次に、セラミックタイルと金属基体との具体的な接合に
ついて説明する。

金属基体５として、板厚５ＩＩＩｌのアルミニウム板及
び板厚２ｍｎ＋のＪＩＳ規格の５ＵＳ３０４ステンレス
鋼板を用いた。

セラミックタイルとして、理論密度に対して９８％以上
の密度を有するＳｉ３Ｎ＋焼結体、ＡｌｚＯａ焼結体及
び２重量％Ｂｅ○入りＳｉＣ焼結体を使用した。ＳｉＣ
焼結体には、酸化ベリリウムがＳｉＣ焼結体の粒界に存
在していた。焼結体は厚さ１０ｍｍ、２０ｍｍ角である
。これらの焼結体の特性を第１表に示す。これらの焼結
体の接合表面を１０μｍ以下の表面あらさに研摩した。

ろう材として５ＵＳ３０４に対しては、４０重量％Ｍｎ
と残部Ｃｕからなる厚さ２５μｍの箔を用いた。アルミ
ニウムに対しては、セラミックタイルの接合面を金属化
した後、１２重量％Ｓｉと残部Ａｌからなる厚さ５０μ
ｍの箔を用いた。セラミックタイルと金属基体とに５〜
１０ｋｇ／ａＪの圧力を加え、高周波加熱コイルによっ
てＡｒ雰囲気中で加熱した。加熱温度は５ＵＳ３０４に
対しては８６０℃、及びアルミニウムに対しては５８０
℃である。加熱後、自然放冷した。融液は大部分接合面
に残留し、接合の為に使われたが接合面よりわずかに排
出されていた。ＳｉＣ焼結体は、各粉末の混合物をｌ　
、　ＯＯＯｋｇ　／　ｃｎｔで加圧成形した後、１０−
５〜１０−３１−’ルで３００ｋｇ／ａｎｔで加圧しな
がら２，０００℃で１時間加熱保持し、焼結したもので
ある。ＡｌｚＯａ及び５ｉａＮ＋焼結体は市販品である
。

以上のセラミックタイルと金属基体との接合は、セラミ
ックタイルの割れ又は剥難のないきわめて良好なもので
あることが確認された。

第１表 （実施例２） 第７図は、中間体１６を介在させてタイル状のセラミッ
クス体４と冷却構造を有する金属基体５とを接合した１
つのブロックを示す斜視図である。

第８図は、第７図のｃ−ｃ’切断の断面図である。

この例では、セラミックタイル４は第４図と同様に間隙
１４を設けられ、更に金属基体５がプラズマ粒子２によ
る照射を受けないようにセラミックタイル４の端部は階
段状に形成され、互いに重り合って接合されている。

金属基体５には間隙１４に対向して溝１３が設けられる
。間隙１４は使用中の熱膨張による熱応力の発生を極力
押えることのできるものであればよいので、溝１３より
その間隔が小さくて済む。

中間体１６は金属基体５とセラミックタイル４の両者の
中間の熱膨脹係数を有するものである。

中間体１６は、ステンレス鋼、アルミニウムのように熱
膨脹係数の比較的大きい金属基体５とそれより室温の熱
膨脹係数が小さいセラミックタイル４との接合後の熱応
力を小さくできる。特に、中間体１６の室温の熱膨脹係
数とその弾性係数とを適切に選定したものを用いること
により、より熱応力が小さく、大きなセラミックタイル
４が接合できる。

以下、具体的な接合の例を示す。

セラミックタイルとして、実施例１と同様に製造した厚
さＬｏｎｎ、４０ｍｍ角のＳｉＣ焼結体を用い、更に中
間体として銅−炭素繊維複合体を用いた。先ず、セラミ
ックタイルと銅−炭素繊維複合体とを接合し、次いで板
厚２ｍｍのＪＩＳ規格５ＵＳ３０４ステンレス鋼と銅−
炭素繊ｍ複合体とをろう付した。

銅−炭素繊維複合体は次の方法により製造した。

各炭素繊維に所定の厚さに無電解鋼めっきを行い。

この銅めっき炭素繊維を複数本束ね、これを隣接する部
分が互いに交叉するように所定の大きさに織った。この
織物を加圧しながら窒素雰囲気中、８００℃で加圧加熱
し、厚さ１ｍのシート状の複合体を製造した。所定の厚
さにするには、銅めっき炭素繊維束の太さを大きくすれ
ば１枚の織物で所望の厚さの複合体を形成できる。更に
１枚の織物を薄くし、多層にして所望の厚さとすること
ができ、後者の複合体の方が特性の点及び平滑なものが
できる点で有効である。また、織物に限らず、繊維をう
ず巻状にする方法、繊維同志が互いに重り合って配列す
る程度の長さを有する短繊維を分散させる方法等いずれ
の方法でも実施できる。

以上のようにして製造したＣｕ−Ｃ繊維複合体とＳｉＣ
焼結体とを、４０重量％マンガン及び残部銅からなる厚
さ５０μｍのろう材を介在させ、８６０℃、　５〜１０
ｋｇ／ｃＩＩＹで加圧加熱し、接合した。Ｃｕ−Ｃ繊維
複合として体積で、３５％。

４５％及び５４％を含むものを３種製造し、更に、中間
体として、熱膨脹係数及び弾性係数の異なる各種金属及
び合金を用いた。これらの中間体は３５％Ｎｉ及び４２
％Ｎｉを含むアンバー合金。

コバール、５ＵＳ４３０．ハステロイＢ、純Ｎｉ。

Ｍｏ、Ｗである。

以上の各種中間体を用い、ＳｉＣ焼結体とこれらの中間
体との間に４０重量％Ｍｎ及び残部Ｃｕからなる厚さ５
０μｍのろう材を介在させ、更に中間体と５ＵＳ３０４
ステンレス鋼との間に３０重量％Ｃｕ及び７０重量％Ａ
ｇからなる厚さ１００μｍの銀ろうの箔を介在させて、
８６０°Ｃ，５〜１０ｋｇ／ａｌの加圧下、Ａｒ雰囲気
中で加熱し、それぞれ接合した。

第９図は、前述の種々の中間体を使用した場合の中間材
の室温の熱膨脹係数と弾性係数との関係についての接合
の良否を示す図である。図に示す如く、タイル状のＳｉ
Ｃ焼結体の大きさが大きくなると中間体の熱膨脹係数だ
けでなく弾性係数によってＳｉＣ焼結体に割れが発生し
たり剥離が生じることが判明した。Ｃｕ−Ｃ繊維複合体
は弾性係数がマトリックスの金属によって選択できるの
で、割れ及び剥離の生じない接合ができる。図中、ｘ印
はＳｉＣ焼結体に割れが生じたもの、Δ印は接合強度が
５）ｃｇ／ｎｎ”以下のもの、０印は接合強度が３０　
ｋｇ／　ｎｕ”以上のものを示す。その結果、中間材と
して、室温の熱膨脹係数が３〜１２×１０″″６／’Ｃ
及び弾性係数が５〜ｌ　３　Ｘ　１０”ｋｇ／ｌｌｌ１
１２であるものが、高強度の接合が得られることが判明
した。

（実施例３） 次に、金属基体として、板厚５購のアルミニウムを用い
た例を示す。前述の織物からなる厚さ１ｍの３５体積％
の炭素繊維−銅複合体を中間材として用い、これを前述
と同様に４０重量％Ｍｎ及び残部Ｃｕからなるろう材に
よって予め前述のＳｉＣ焼結体に接合した。その後、銅
−炭素繊維複合体を接合面として１００μｍの銅箔を介
在させてアルミニウムからなる金属体上に載置し、Ａｒ
雰囲気中、５８０℃で５〜１０ｋｇ／Ｑｌｆの圧力を加
え、銅とアルミニウムとの共晶反応を利用してこれらを
接合した。

第２表は前述の方法で得られたセラミックタイルの表面
にレーザビームを照射して熱負荷試験を行った結果を示
す。熱負荷試験方法はセラミックタイルの表面に３００
Ｗ／ｃＪのレーザビームを１００秒の周期で照射した。

尚この場合、金属基体側の冷媒として８Ｑ／分の水を流
した。

表に示すように、１，０００　回の熱負荷試験を行った
場合でも、セラミックタイルの破壊又は接合部からのは
く離は全く認められなかった。また、セラミックタイル
側の表面温度及びセラミックタイルと金属基体との接合
部の温度は極めて低く、冷却特性が極めて良いことが立
証された。

第２表 （実施例４） 本実施例では、セラミックタイルとして２重量％ＢｅＯ
及び残部ＳｉＣからなる焼結体、金属体としてコルゲー
ト構造を有する板厚５ｎｍ、２８７ｍ角のＪＩＳ３０４
ステンレス鋼及び中間材として、Ｃｕと３５体積％Ｃ繊
維と複合体を用いた場合の例を示す。

本実施例における全体的な構造は第８図及び第８図と同
様である。

セラミックタイルとして、実施例１で製造したものと同
じく、室温の熱伝導率が０，６ｃａＱ／ａｍ・ｓｅｃ及
び電気絶縁抵抗が１０１２Ω＝１の特性を有し、厚さ１
０圃、４０ｍ＋＋角のＳｉＣ焼結体である。

この焼結体は第８図に示す如く、４′の部分の凸部の厚
さが５層ｍ、奥行き５ｍｍ、４″′の部分の凹部の厚さ
が５　、２　ｔａｎ　、奥行き５Ｉである。

金属基板５の通路１２に流す冷媒には水を採用し、その
通路１２の大きさは幅３５ｍｍ、高さ２ｍである。また
、金属体に設けられた溝１３の大きさは幅２層ｍ、高さ
２　ｎｕである。Ｃｕ−Ｃ繊維複合体は実施例２と同様
に製造した厚さ１ｍｍ、４０＋ｎｍ角のものである。こ
の複合体は、Ｃ繊維３５体積％を有し、Ｃ８１！維を２
層に積層させたものである。

セラミックタイル４と金属基体５との接合として、４０
重量％Ｍｎと残部がＣｕからなる厚さ５０μｍのろう材
Ｃｕ−ｃａｌｌ維とステンレス鋼との接合として厚さ５
０μｍのＪ　Ｉ　ＳＢＡｇ−８の銀ろう材をそれぞれ用
いた。先ず、前記構造を有する金属基体５の接合面に４
０ｍ角のＣｕ　−Ｍ　ｎ合金ろうを載置し、その上に前
記特性を有するＣｕ−Ｃ繊維複合体をお互いに１ｍｍ間
隙で載置し、更に前述の銀ろう材をＣｕ−Ｃ繊維複合体
の表面に並べ１次いでその上に前述のＳｉＣ焼結体を互
いにｌｌｌｌ１１の間隙で４９個載置した。

以上の順序でセットしたものを温度差が５℃以下で加圧
制御の可能な電気炉内に搬入する。次に１０ｋｇ／ａｆ
？の圧力を加えた状態で全体的にＡｒ雰囲気中、８７０
”Ｃで３０秒間加熱保持することにより１回の加熱工程
でセラミックタイル−中間体−金属基体を同時に接合さ
れた。これを電気炉内から取出し、自然放冷させた。

この接合の結果、炉壁は冷却の際金属体側が大きく収縮
するので、曲りが生じたが、ＳｉＣ焼結体には割れ及び
剥離は全く生ぜず、セラミックタイルの接合部の熱応力
も低いものであった。この曲りは室温でプレスで矯正し
た。この矯正は各セラミックタイル間の間隙及び金属体
に設けられた溝によってセうミンクタイルに対する大き
な影響を与えることなく平らな炉壁又はセラミックス側
にわずかに凹ませた炉壁を製作することができた。

このような塑性加工によって接合部の熱応力を更に緩和
する結果となった。

（実施例５） 本実施例は、５ＵＳ３０４の代りに板厚５閤のアルミニ
ウムからなるコルゲート構造を有する金属基体を用いた
、予めＳｉＣ焼結体とＣｕ−（Ｊｉｔ維複合体とを実施
例４と同じろう材で同じ条件で接合し、このＣｕ−Ｃ繊
維複合体を接合面として金属基体との接合に１２重量％
Ｓｉ残部Ａｌからなる厚さ５０μｍのろう材を用い、５
８０℃で、５〜１０ｋｇ／ｃｄの加圧下で加熱し、次い
で炉から取り出し、セラミックタイル表面をバーナで加
熱し金属基体側との温度差をつけながら冷却させた。

その他は実施例４と同じである。

本実施例では、実施例４に比較し金属基体側への曲りを
非常に小さくすることができた。また。

ＳｉＣ焼結体には割れ及び剥離は全く生ぜず、ＳｉＣ焼
結体の接合部の熱応力も低いものであった。この炉壁を
実施例４と同様にセラミックタイル側に凹に曲げて平ら
又はセラミックタイル側に凹の炉壁を製作することがで
きた。

（実施例６） 本実施例では、セラミックタイルとして厚さ１０ｍｍ、
４０ｍｍ角の市販のアルミナ板、金属基体としてコルゲ
ート構造を有する板厚５ｕｗｎ、２８７ｍ角のＪＩＳ３
０４ステンレス鋼を用いた例を示す。本実施例は第２図
及び第３図に示す構造のものである。金属基体の通路１
２及び溝１３の大きさは実施例４と同じである。

金属基体５の接合面に４０ｍｍ角で厚さ５０μｍの４０
重量％Ｍｎ及び残部Ｃｕからなるろうを載置し、その上
にＩＩＩＷｌの間隙を設けて４９ケのアルミナを載置し
た。これを電気炉に挿入し、１０ｋｇ／ｄの加圧下、Ａ
ｒ雰囲気中、８７０℃で３０秒間加熱保持した後、炉よ
り取り出し、自然放冷させた。

この接合の結果、炉壁は金属体側に凹に曲りが生じたが
、アルミナ焼結体には割れ及び剥離は全く生ぜず、良好
なものであった。この曲りは、室温でプレスによって平
らに又はセラミックス体側に凹に矯正することができ、
その結果接合部の熱応力も顕著に緩和できることが判明
された。更に最終的に金属体の溝に別のセラミックス棒
を挿入すれば、金属体の露出を防止でき、構造が簡単な
セラミックタイルが使用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、冷却特性が優れ、熱応力が小さく、セ
ラミックの特性を活かした複合強度部材が得られ、それ
を核融合装置の炉壁に用いることにより優れた特性が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合強度部材を炉壁に適用した一例を
示すトロイダル型核融合装置の真空容器とその周辺の断
面構成図、第２図、第４図及び第７図は本発明の複合強
度部材を使用した炉壁構造を示す斜視図、第３図は第２
図のＡ−Ａ’切断部の断面面、第５図は第４図のＢ−Ｂ
’切断部の断面図、第６図は、第４図のＢ−Ｂ’切断部
の別の例の断面図、第８図は第７図のｃ−ｃ’切断部の
断面図及び第９図は中間体の弾性係数と熱膨脹係数との
関係を示す線図である。 １・・・真空容器、２・・・プラズマ粒子、３・・・炉
壁、４・・・セラミックタイル、５・・・金属基体、８
・・・コイル、１１・・・接合層、１２・・・冷媒の通
路、１３・・・溝、１４・・・間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属と相容性を有しない繊維が前記金属中に埋込ま
   れた複合体と、セラミックタイルとの積層体であつて、
   前記複合体とセラミックタイルとが冶金的に接合されて
   いることを特徴とする複合強度部材。 ２、前記複合体は銅を主成分とし、炭素繊維が埋込まれ
   ており、前記セラミックタイルは少量のベリリウム酸化
   物が炭化珪素の粒界に含む焼結体であり、前記複合体と
   セラミックタイルとがろう接されている特許請求の範囲
   第１項に記載の複合強度部材。 ３、前記セラミックタイルは、前記金属基板の室温にお
   ける熱膨脹係数より小さい熱膨脹係数を有する金属部材
   からなる中間体を介して前記金属基体に接合されている
   特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の複合強度部材
   。 ４、金属と相容性を有しない繊維が前記金属中に埋込ま
   れた複合体と、セラミックタイルとが冶金的に接合され
   た積層体であつて、該積層体が金属基体に前記複合体を
   介して冶金的に接合されていることを特徴とする複合強
   度部材。 ５、前記接合はろうによつて行われている特許請求の範
   囲第４項に記載の複合強度部材。 ６、前記金属基体はその内部を冷媒によつて強制的に冷
   却するコルゲート構造を有する特許請求の範囲第５項に
   記載の複合強度部材。 ７、多数の耐熱性セラミックタイルと金属基体とが冶金
   的に接合された積層構造を有し、前記セラミックタイル
   は少量のベリリウム酸化物を粒界に含む炭化珪素を主成
   分とする焼結体からなる特許請求の範囲第１項記載の複
   合強度部材。 ８、前記ベリリウム酸化物は０．０５〜１０重量％であ
   る特許請求の範囲第７項に記載の複合強度部材。 ９、前記金属基体はその内部を冷媒によつて強制的に冷
   却するコルゲート構造を有する特許請求の範囲第７項又
   は第８項に記載の複合強度部材。 １０、分割された多数の耐熱性セラミックタイルが金属
   基体に冶金的に接合された積層構造を有し、且つ隣接す
   る前記セラミックタイル間には所定の間隙が形成され、
   該間隙に対応する位置に前記金属基体に溝が形成されて
   いる特許請求の範囲第１項に記載の複合強度部材。 １１、前記隣接するセラミックタイルの端部は互いに重
   なり合つている特許請求の範囲第１０項に記載の複合強
   度部材。 １２、前記金属基体はその内部を冷媒によつて強制的に
   冷却するコルゲート構造を有する特許請求の範囲第１０
   項又は第１１項に記載の強度部材。 １３、前記セラミックタイルは、前記金属基体の室温に
   おける熱膨脹係数より小さい熱膨脹係数を有する金属部
   材からなる中間体を介して前記金属基体に接合されてい
   る特許請求の範囲第１０項〜第１２項のいずれかに記載
   の強度部材。 １４、前記セラミックタイルは室温の熱伝導率が０．０
   ５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上及び室温の電気抵抗率
   が１０＾−＾３Ω・ｃｍ以上である特許請求の範囲第１
   ０項〜第１３項のいずれかに記載の複合強度部材。 １５、前記セラミックタイルは、融点及び分解温度が１
   ９００℃以上である化合物の焼結体である特許請求の範
   囲第１０項〜第１４項のいずれかに記載の複合強度部材
   。 １６、前記セラミックタイルは、ベリリウム酸化物を含
   む非酸化物系セラミック焼結体からなる特許請求の範囲
   第１０項〜第１５項のいずれかに記載の複合強度部材。 １７、前記セラミックタイルは、ベリリウム及びベリリ
   ウム化合物の１種以上を含み、８０重量％以上が炭化珪
   素である焼結体からなる特許請求の範囲第１０項〜第１
   ５項に記載の複合強度部材。 １８、前記中間体は、前記金属基体の室温における熱膨
   脹係数より小さい熱膨脹係数を有する繊維が金属に埋込
   まれている特許請求の範囲第１３項〜第１７項のいずれ
   かに記載の複合強度部材。 １９、前記中間体は、室温の弾性係数が５〜１３×１０
   ＾３ｋｇ／ｍｍ＾２及び室温の熱膨張係数が３〜１２×
   １０＾−＾６／℃である特許請求の範囲第１８項に記載
   の複合強度部材。 ２０、前記中間体は、銅を主成分とし、これに３０〜６
   ０体積％の炭素繊維が埋込まれている複合体によつて構
   成されている特許請求の範囲第１９項に記載の強度部材
   。 ２１、前記金属基体とセラミックタイル、前記中間体と
   金属基体又は前記中間体とセラミックタイルとを結合す
   る接合層はろうである特許請求の範囲第１０項〜第２０
   項のいずれかに記載の強度部材。 ２２、前記セラミックタイルが前記炭化珪素を主成分と
   する焼結体であり、前記金属基体が非磁性オーステナイ
   ト系ステレンス鋼であり、これらを接合する接合層は、
   ２５〜５５重量％のマンガンと残部が銅からなる特許請
   求の範囲第２１項に記載の複合強度部材。 ２３、前記セラミックタイルが前記炭化珪素を主成分と
   する焼結体であり、前記金属基体がアルミニウムであり
   、これを接合する接合層は、Ｓｉ８〜１５重量％を含有
   し、主成分がＡｌである合金からなる特許請求の範囲第
   ２１項に記載の複合強度部材。 ２４、前記セラミックタイルは銅を主成分とし、これに
   ３０〜６０体積％の炭素繊維が埋め込まれた複合体を介
   して、２５〜５５重量％のマンガンと残部が実質的に銅
   からろうによつて接合されている特許請求の範囲第２２
   項又は第２３項に記載の複合強度部材。 ２５、前記複合体は非磁性オーステナイト系ステンレス
   鋼からなる金属基体に２５〜５５重量％マンガンを含む
   銅合金ろう材によつて接合されている特許請求の範囲第
   ２４項に記載の複合強度部材。 ２６、前記複合体はアルミニウムからなる金属基体にＳ
   ｉ８〜１５重量％を含有するＡｌ合金からなるろうによ
   つて接合されている特許請求の範囲第２４項に記載の複
   合強度部材。