JPH04260680A - 被覆炭素繊維強化複合材料 - Google Patents

被覆炭素繊維強化複合材料

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JPH04260680A
JPH04260680A JP3060901A JP6090191A JPH04260680A JP H04260680 A JPH04260680 A JP H04260680A JP 3060901 A JP3060901 A JP 3060901A JP 6090191 A JP6090191 A JP 6090191A JP H04260680 A JPH04260680 A JP H04260680A
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哲也 阿部
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村上　義夫
Chihiro Kawai
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Masaya Miyake
雅也 三宅
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Japan Atomic Energy Research Institute
Sumitomo Electric Industries Ltd
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、核融合炉の炉壁材料と
して有用な、被覆炭素繊維強化複合材料に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】低原子番号元素である炭素は、原子価が
低いため高温プラズマ中に昇華されてもプラズマの温度
を低下させないという特徴を有する。そこで、この炭素
をマトリックスとし、炭素繊維を強化材とする炭素繊維
強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）が、核融合炉
の炉壁材料として用いられている。しかも、この炭素繊
維強化炭素複合材料は、融点が高く１５００℃以上の高
温下でも優れた強度特性を示すこと、及び炭素繊維の高
熱伝導特性により大きな熱伝導率が得られるため、強制
冷却が容易であるなど、上記炉壁材料として優れた特性
を備えている。
【０００３】しかしながら、かかる炭素繊維強化炭素複
合材料といえども、長時間の核融合炉の運転においては
発生するエネルギー粒子により大きなエロージョン摩耗
が起こり、又同時に燃料であるトリチウムを大量に吸蔵
するために、核融合炉の保守並びに運転上において看過
し得ない技術的問題を引き起こしている。
【０００４】そこで炭素繊維強化炭素複合材料の大きな
熱伝導率並びに強度を維持しつつ、エネルギー粒子によ
るエロージョン摩耗を防止する方法として、マトリック
スである炭素の一部をホウ素（Ｂ）の炭化物で置換した
炭素繊維強化炭化ホウ素複合材料（Ｃ／Ｂ４Ｃコンポジ
ット）が一部用いられるようになつた。その理由は、ホ
ウ素が炭素よりも低原子番号元素であるため、プラズマ
温度の低下及びエロージョン摩耗が少く、且つトリチウ
ムの吸蔵量も少いからである。
【０００５】又、現在では、炭素繊維強化炭化ホウ素複
合材料の表面にホウ素をコーティングすることにより、
更にエロージョン摩耗に強く、トリチウムの吸蔵を抑え
ることも試みられている。
【０００６】しかし、かかるホウ素被覆炭素繊維強化炭
化ホウ素複合材料においても、基材である炭素繊維強化
炭化ホウ素複合材料とコーティングされたホウ素との間
には熱膨張係数の不整合が存在する。即ち、炭素繊維強
化炭化ホウ素複合材料の熱膨張係数３．５〜４．９×１
０−６Ｋ−１に対し、ホウ素の熱膨張係数は８．３×１
０−６Ｋ−１である。そのため、ＣＶＤ法等によりホウ
素をコーティングした後、全体を室温まで冷却すると、
上記熱膨張係数の差によりホウ素の被覆層に熱亀裂が発
生する欠点があつた。その結果、核融合炉にこの材料を
用いた場合、熱亀裂を通して内部の基材が集中的に摩耗
し、被覆層が剥離することが避けられなかつた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、耐熱衝撃性に優れ、エネルギー粒子による
エロージョン摩耗に強く且つトリチウムの吸蔵が少なく
、核融合炉の炉壁材料として好適な被覆炭素繊維強化複
合材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の被覆炭素繊維強化複合材は、炭素及び／又は
ホウ素の炭化物からなるマトリックス中に強化材として
炭素繊維を含む炭素繊維強化複合材料の基材と、当該基
材の表面に設けた被覆層とからなり、該被覆層の組成が
表面部でホウ素、基材との界面部でホウ素の炭化物、及
び表面部と界面部の中間部でホウ素とホウ素の炭化物の
複合相からなり、当該中間部のホウ素濃度が表面部から
界面部までほぼ連続的に変化していることを特徴とする
。
【０００９】
【作用】本発明による被覆層は、ホウ素（Ｂ）とホウ素
の炭化物の複合相であり、外部に露出する表面部の組成
はエネルギー粒子によるエロージョン摩耗やトリチウム
の吸蔵に対する抵抗性の大きなＢとし、基材との界面部
の組成は熱膨張係数が基材とほぼ同一に選択されたホウ
素の炭化物、例えばＢ４Ｃとしてある。しかも、表面部
と界面部との中間部の組成はＢとＢ４Ｃのようなホウ素
の炭化物の複合相で、Ｂ濃度が表面部から界面部までほ
ぼ連続的に変化した傾斜組成になつている。
【００１０】従って、本発明の被覆炭素繊維強化複合材
料においては、Ｃ／Ｃコンポジット又はＣ／Ｂ４Ｃコン
ポジットの基材に、上記のごとくＢ−Ｂ４Ｃ系の傾斜組
成の被覆層を設けることにより、基材から被覆層の表面
部までの熱膨張係数をほぼ連続的に変化させることが出
来る。例えば、Ｃ／Ｂ４Ｃコンポジットを基材とした場
合、基材の熱膨張係数（３．５〜４．９×１０−６Ｋ−
１）に応じて被覆層の界面部におけるホウ素の炭化物の
熱膨張係数を４〜５×１０−６Ｋ−１程度に設定し、こ
の界面部から表面部におけるＢの熱膨張係数（８．３×
１０−６Ｋ−１）までをほぼ連続的に変化させる。 界面部の熱膨張係数は、ホウ素の炭化物の組成を変える
ことにより変化させることが出来る。
【００１１】その結果、本発明の被覆炭素繊維強化複合
材料は、表面部がエネルギー粒子によるエロージョン摩
耗が少なく且つトリチウムの吸蔵のないホウ素からなる
被覆層を備え、しかも熱膨張係数が基材から被覆層の表
面部までほぼ連続的に変化しているから、熱サイクル下
で被覆層に発生する熱応力を緩和させることができ、被
覆層に熱亀裂が発生することがなくなり、優れた耐熱衝
撃性が得られる。
【００１２】
【実施例】マトリックスとして平均粒径２μｍのＢ４Ｃ
粉末を用い、これに微量のＡｌ２Ｏ３粉末を混合した後
アクリルアマイド系樹脂と混練し、炭素繊維の織布上に
塗布して炭素繊維とＢ４Ｃ粉末からなる複合体シートを
得た。次に、この複合体シートを３０枚積層し、５００
℃で３時間加熱して揮発物を除去した後、２０００℃に
おいて２００Ｋｇ／ｃｍ２の圧力で２時間加圧焼結し、
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍで繊維含有率５０
体積％の基材とすべき炭素繊維強化Ｂ４Ｃ複合材料（Ｃ
／Ｂ４Ｃコンポジット）を製造した。この基材の熱膨張
係数を測定したところ４．７×１０−６Ｋ−１であつた
。
【００１３】被覆層の組成と熱膨張係数の関係を求める
ため、原料ガスとしてＢＣｌ３、ＣＨ４及びＨ２を用い
たＣＶＤ法により、被覆温度１６００℃及び被覆圧力１
００ｔｏｒｒで黒鉛基板上に種々の組成のＢ−Ｂ４Ｃ系
複合相をそれぞれ約５００μｍの厚さに被覆した。基板
を除去した後、各試料について組成並びに試料面と平行
方向の熱膨張係数を測定した。測定結果をＣＶＤ法での
原料ガス流量と共に表１に示した。
【００１４】
【表１】
【００１５】表１の結果から、熱膨張係数が４．７×１
０−６Ｋ−１である前記基材（Ｃ／Ｂ４Ｃコンポジット
）に接する被覆層界面部の組成として試料ｆの組成を採
用し、ＣＶＤ法の原料ガス流量を次のごとく変化させて
、前記基材上にＢ−Ｂ４Ｃ系傾斜被覆層を約２００μｍ
の厚さに形成した。 ＢＣｌ３（ｌ／ｍｉｎ）：１．８（一定）ＣＨ４（ｌ／
ｍｉｎ）：０．４から０まで０．２／ｈｒの割合で減少
Ｈ２（ｌ／ｍｉｎ）：３．００（一定）
【００１６】上
記のごとく製造した本発明の被覆炭素繊維強化複合材料
を、その表面温度が２０００Ｋになるように水素プラズ
マフレーム中に配置し、この状態を３０分間維持した後
冷却して表面状態を確認した。その結果、表面のＢ−Ｂ
４Ｃ系傾斜被覆層に剥離はみられず、熱亀裂の発生もな
かつた。
【００１７】比較のため、同じ基材上にＣＶＤ法により
Ｂのみからなる被覆層を約２００μｍ被覆した比較材料
を製造し、上記と同様の試験を行ったところ、Ｂ被覆層
が剥離し、基材の炭素繊維がエロージョン摩耗を起こし
ていた。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、耐熱衝撃性に優れ、エ
ネルギー粒子によるエロージョン摩耗に強く且つトリチ
ウムの吸蔵が少ない、核融合炉の炉壁材料として好適な
被覆炭素繊維強化複合材料を提供することができる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　炭素及び／又はホウ素の炭化物からな
    るマトリックス中に強化材として炭素繊維を含む炭素繊
    維強化複合材料の基材と、当該基材の表面に設けた被覆
    層とからなり、該被覆層の組成が表面部でホウ素、基材
    との界面部でホウ素の炭化物、及び表面部と界面部の中
    間部でホウ素とホウ素の炭化物の複合相からなり、当該
    中間部のホウ素濃度が表面部から界面部までほぼ連続的
    に変化していることを特徴とする被覆炭素繊維強化複合
    材料。
  2. 【請求項２】　　前記基材から被覆層の表面部まで、熱
    膨張係数がほぼ連続的に変化していることを特徴とする
    、請求項１記載の被覆炭素繊維強化複合材料。
JP3060901A 1991-02-08 1991-02-08 被覆炭素繊維強化複合材料 Pending JPH04260680A (ja)

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JP3060901A JPH04260680A (ja) 1991-02-08 1991-02-08 被覆炭素繊維強化複合材料
EP92102004A EP0498431A1 (en) 1991-02-08 1992-02-06 Coated carbon-fiber-reinforced composite material

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JPS6121973A (ja) * 1984-07-10 1986-01-30 住友電気工業株式会社 炭素繊維強化炭素材料の製造方法
DE68929046T2 (de) * 1988-04-28 1999-12-23 Mitsubishi Jukogyo K.K., Tokio/Tokyo Kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als Innenwände von Kernfusionsreaktoren

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