JPH0585508B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0585508B2 JPH0585508B2 JP1002007A JP200789A JPH0585508B2 JP H0585508 B2 JPH0585508 B2 JP H0585508B2 JP 1002007 A JP1002007 A JP 1002007A JP 200789 A JP200789 A JP 200789A JP H0585508 B2 JPH0585508 B2 JP H0585508B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plasma
- aln
- weight
- materials
- sic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
［産業上の利用分野］
本発明は、AlN−SiCウイスカーの複合焼結体
であつて、耐放射線、耐プラズマ性、耐熱衝撃
性、耐スパツタ性に優れた核融合炉用セラミツク
ス材料に関する。 ［従来の技術］ AlNは熱伝導率が高く、溶融金属との濡れ性
も低い等の優れた性質をもち、種々の用途開発が
なされている。一方、核融合炉第一壁等の炉材料
として従来から検討されているSiC材、炭素材、
コーテイング材等は、熱的に苛酷で、かつ放射
線・プラズマの照射にさらされる雰囲気では、満
足のゆく性能を得ることはできない。すなわち、
放射線・プラズマ照射による損傷に耐えられない
か、あるいは蒸発等によつてプラズマを汚染し、
プラズマ温度を低下させるという問題があつた。 ［発明が解決しようとする課題］ 従来から検討されてきたSiC，TiC，Ｃ，等の
セラミツクス材料は、プラズマ汚染の問題は比較
的小さいが、熱衝撃等による損傷が大きく、また
金属材料ではプラズマ汚染の問題があつた。プラ
ズマの温度を規定する要素としてプラズマとプラ
ズマを閉じ込める真空容器壁面（第一壁）との相
互作用による影響があげられる。物理スパツタリ
ング或いは化学スパツタリングにより、第一壁構
成材が不純物として、水素の同位体で構成される
プラズマ内に混入し、その結果、プラズマからの
熱損失が増大しプラズマ温度が上昇しないという
問題がおこる。不純物が熱損失を左右する要素に
以下の２つがある。 プラズマ中の不純物量 プラズマ中の不純物の原子番号（Ｚ） 不純物量が増加する程熱損失は大きくなり、ま
た不純物の原子番号（Ｚ）が大きい程、熱損失が
著しく大きくなる。 それ故、プラズマ・壁相互作用による不純物混
入の影響を最小限にするには、壁材料をスパツタ
リングされにくく、しかも原子番号の低い物質
（低Ｚ材）にすることが考えられる。低Ｚ材とし
てＢ，Be，Ｃ単体や、TiC，SiC，Si3N4，B4Ｃ
等の化合物がその候補として挙げられる。他方、
第一壁は単にプラズマに対する不純物の混入のみ
を問題とすれば良いというものでなく、プラズマ
からの入熱問題、或いは構造材としての機械的強
度を含めた材料特性を十分吟味しなければならな
い。本発明は、プラズマ汚染が小さく、しかも熱
衝撃、耐スパツタ性に優れたセラミツクス材料に
関するものである。 ［課題を解決すべき手段］ 本発明者らは上記の実状に鑑みて、AlN焼結
体の改良を種々試みたところ、特定のSi−Al−
Ｃ−Ｎとからなるセラミツクスを複合、緻密化せ
しめることによつて、核融合炉第一壁材等として
優れた性能が得られることを見出したのである。
すなわち、核融合炉等に用いる材料では、材料が
放射化された後、放射能の半減期が問題となる。
たとえば炉体の修理を行う場合、半減期が長いと
放射能が人体に無害なレベルまで低下するのに長
期間を必要とし、その間修理作業が実施できない
という問題等がある。半減期の短い材料として有
望な元素はSi，Al，Ｃ，Ｎ等の低原子番号から
なる材料であり、一方、これより原子番号（Ｚ）
が低いBe，Ｂについては放射線による損傷が大
きい。現在用いられている低原子番号材料として
はグラフアイト、SiC，TiC等がある。しかし、
グラフアイトは真空特性や、強度に問題がある。
SiCについては含有Ｃ量によりスパツタリング特
性が変動すること、TiCは放射線の半減期が長い
等の問題がある。 本発明者等は低放射能化材料として、スパツタ
リング特性がすぐれ熱伝導率も高く、さらに機械
的強度も高い材料の開発を目的として鋭意研究を
進めてきた。本発明は、AlN粒子と該AlN粒子
を結合するマトリツクスとからなり、マトリツク
スが0.1〜50重量％を占め、マトリツクスの50重
量％以上がSiCウイスカーで残部はAl，Siの酸化
物からなる核融合炉用セラミツクス材料である。
本セラミツクス材料を核融合炉材料として用いた
場合に長寿命が得られる理由としては、本セラミ
ツクス材料は、AlN等の焼結助剤として一般的
に用いられているY2O3，CeO2等のプラズマ温度
を低下させる要因となる高い原子番号の元素を含
んでおらず、構成元素がいずれも低原子番号の元
素であり、しかも従来にない、高強度、高靱性
で、しかも熱衝撃性に優れているために熱的、機
械的損傷が小さく、かつ放射線プラズマに対する
耐性も高いためである。特にAlN粒子とSiCウイ
スカーを主たる構成相とした材料が優れた性能を
示す。かかる材料は、適宜金属材料、特にはMo
基材と接合して用いる。 本発明のセラミツクス材料は、通常の焼結法に
したがつて製造できるが、窒化アルミニウム粉末
とマトリツクスを形成する焼結助剤の粉末に加
え、SiCウイスカーを上記の割合で混合使用し、
かつ、焼結は窒素雰囲気中において1700〜2100℃
の温度で行なう必要がある。焼結方法はホツトプ
レス又は熱間静水圧プレス等の加圧下での焼結が
好ましい。 使用するAlN粉末は常法により工業的に製造
されるものでよいが、粉末製造上混入する酸素や
金属又はその酸化物などの不純物は焼結体の熱伝
導率を低下させるので、高純度のものを用いるこ
とが好ましい。 焼結助剤は、15重量％を越えると焼結体の熱伝
導率が低下するなど、特性が劣化するため、添加
量は15重量％以下が望ましく、又、無添加でもよ
い。 SiCウイスカーの添加量は0.1〜50重量％のマト
リツクス中の50重量％以上、すなわち助剤の最大
添加量を考慮すれば全体の0.05〜25重量％以上必
要であり、上限は全体の45重量％である。SiCウ
イスカー量が0.05重量％未満では添加による効果
がなく、又、50重量％を越えると緻密化が困難と
なる。 以上のAlN粉末とマトリツクス成分、SiCウイ
スカーとを混合して窒素雰囲気中において1700〜
2100℃で焼結することにより、優れた機械的強度
をもつと共に、緻密でポアがなくAlN粒子の粒
界強度が大きな窒化アルミニウム質焼結体が得ら
れる。 ［実施例］ 次に実施例並びに比較例によつて本発明を具体
的に説明する。 実施例 １ 金属不純物量0.1％以下で酸素含有量1.2重量
％、平均粒径0.8μのAlN粉末に、下表に示した焼
結助剤成分およびSiCウイスカーを添加混合しホ
ツトプレスにより1850℃の温度及び200Kg／cm2の
加圧力で窒素雰囲気中において、１時間焼結し
て、各焼結体試料を得た。焼結助剤としては、平
均粒径0.5μで純度99％のものを用い、SiCウイス
カーとしては、平均0.5μ径で長さ30μのものを用
いた。 比較例としてSiCウイスカーのないもの（No.
10）も製造した。 得られた試料について、曲げ強度、熱伝導率、
イオン照射（Arイオン、発生電圧8kV、発生電
流0.5mA、照射角30°）による耐スパツタ時間を
表１に示す。この結果から本発明の有効性が判
る。
であつて、耐放射線、耐プラズマ性、耐熱衝撃
性、耐スパツタ性に優れた核融合炉用セラミツク
ス材料に関する。 ［従来の技術］ AlNは熱伝導率が高く、溶融金属との濡れ性
も低い等の優れた性質をもち、種々の用途開発が
なされている。一方、核融合炉第一壁等の炉材料
として従来から検討されているSiC材、炭素材、
コーテイング材等は、熱的に苛酷で、かつ放射
線・プラズマの照射にさらされる雰囲気では、満
足のゆく性能を得ることはできない。すなわち、
放射線・プラズマ照射による損傷に耐えられない
か、あるいは蒸発等によつてプラズマを汚染し、
プラズマ温度を低下させるという問題があつた。 ［発明が解決しようとする課題］ 従来から検討されてきたSiC，TiC，Ｃ，等の
セラミツクス材料は、プラズマ汚染の問題は比較
的小さいが、熱衝撃等による損傷が大きく、また
金属材料ではプラズマ汚染の問題があつた。プラ
ズマの温度を規定する要素としてプラズマとプラ
ズマを閉じ込める真空容器壁面（第一壁）との相
互作用による影響があげられる。物理スパツタリ
ング或いは化学スパツタリングにより、第一壁構
成材が不純物として、水素の同位体で構成される
プラズマ内に混入し、その結果、プラズマからの
熱損失が増大しプラズマ温度が上昇しないという
問題がおこる。不純物が熱損失を左右する要素に
以下の２つがある。 プラズマ中の不純物量 プラズマ中の不純物の原子番号（Ｚ） 不純物量が増加する程熱損失は大きくなり、ま
た不純物の原子番号（Ｚ）が大きい程、熱損失が
著しく大きくなる。 それ故、プラズマ・壁相互作用による不純物混
入の影響を最小限にするには、壁材料をスパツタ
リングされにくく、しかも原子番号の低い物質
（低Ｚ材）にすることが考えられる。低Ｚ材とし
てＢ，Be，Ｃ単体や、TiC，SiC，Si3N4，B4Ｃ
等の化合物がその候補として挙げられる。他方、
第一壁は単にプラズマに対する不純物の混入のみ
を問題とすれば良いというものでなく、プラズマ
からの入熱問題、或いは構造材としての機械的強
度を含めた材料特性を十分吟味しなければならな
い。本発明は、プラズマ汚染が小さく、しかも熱
衝撃、耐スパツタ性に優れたセラミツクス材料に
関するものである。 ［課題を解決すべき手段］ 本発明者らは上記の実状に鑑みて、AlN焼結
体の改良を種々試みたところ、特定のSi−Al−
Ｃ−Ｎとからなるセラミツクスを複合、緻密化せ
しめることによつて、核融合炉第一壁材等として
優れた性能が得られることを見出したのである。
すなわち、核融合炉等に用いる材料では、材料が
放射化された後、放射能の半減期が問題となる。
たとえば炉体の修理を行う場合、半減期が長いと
放射能が人体に無害なレベルまで低下するのに長
期間を必要とし、その間修理作業が実施できない
という問題等がある。半減期の短い材料として有
望な元素はSi，Al，Ｃ，Ｎ等の低原子番号から
なる材料であり、一方、これより原子番号（Ｚ）
が低いBe，Ｂについては放射線による損傷が大
きい。現在用いられている低原子番号材料として
はグラフアイト、SiC，TiC等がある。しかし、
グラフアイトは真空特性や、強度に問題がある。
SiCについては含有Ｃ量によりスパツタリング特
性が変動すること、TiCは放射線の半減期が長い
等の問題がある。 本発明者等は低放射能化材料として、スパツタ
リング特性がすぐれ熱伝導率も高く、さらに機械
的強度も高い材料の開発を目的として鋭意研究を
進めてきた。本発明は、AlN粒子と該AlN粒子
を結合するマトリツクスとからなり、マトリツク
スが0.1〜50重量％を占め、マトリツクスの50重
量％以上がSiCウイスカーで残部はAl，Siの酸化
物からなる核融合炉用セラミツクス材料である。
本セラミツクス材料を核融合炉材料として用いた
場合に長寿命が得られる理由としては、本セラミ
ツクス材料は、AlN等の焼結助剤として一般的
に用いられているY2O3，CeO2等のプラズマ温度
を低下させる要因となる高い原子番号の元素を含
んでおらず、構成元素がいずれも低原子番号の元
素であり、しかも従来にない、高強度、高靱性
で、しかも熱衝撃性に優れているために熱的、機
械的損傷が小さく、かつ放射線プラズマに対する
耐性も高いためである。特にAlN粒子とSiCウイ
スカーを主たる構成相とした材料が優れた性能を
示す。かかる材料は、適宜金属材料、特にはMo
基材と接合して用いる。 本発明のセラミツクス材料は、通常の焼結法に
したがつて製造できるが、窒化アルミニウム粉末
とマトリツクスを形成する焼結助剤の粉末に加
え、SiCウイスカーを上記の割合で混合使用し、
かつ、焼結は窒素雰囲気中において1700〜2100℃
の温度で行なう必要がある。焼結方法はホツトプ
レス又は熱間静水圧プレス等の加圧下での焼結が
好ましい。 使用するAlN粉末は常法により工業的に製造
されるものでよいが、粉末製造上混入する酸素や
金属又はその酸化物などの不純物は焼結体の熱伝
導率を低下させるので、高純度のものを用いるこ
とが好ましい。 焼結助剤は、15重量％を越えると焼結体の熱伝
導率が低下するなど、特性が劣化するため、添加
量は15重量％以下が望ましく、又、無添加でもよ
い。 SiCウイスカーの添加量は0.1〜50重量％のマト
リツクス中の50重量％以上、すなわち助剤の最大
添加量を考慮すれば全体の0.05〜25重量％以上必
要であり、上限は全体の45重量％である。SiCウ
イスカー量が0.05重量％未満では添加による効果
がなく、又、50重量％を越えると緻密化が困難と
なる。 以上のAlN粉末とマトリツクス成分、SiCウイ
スカーとを混合して窒素雰囲気中において1700〜
2100℃で焼結することにより、優れた機械的強度
をもつと共に、緻密でポアがなくAlN粒子の粒
界強度が大きな窒化アルミニウム質焼結体が得ら
れる。 ［実施例］ 次に実施例並びに比較例によつて本発明を具体
的に説明する。 実施例 １ 金属不純物量0.1％以下で酸素含有量1.2重量
％、平均粒径0.8μのAlN粉末に、下表に示した焼
結助剤成分およびSiCウイスカーを添加混合しホ
ツトプレスにより1850℃の温度及び200Kg／cm2の
加圧力で窒素雰囲気中において、１時間焼結し
て、各焼結体試料を得た。焼結助剤としては、平
均粒径0.5μで純度99％のものを用い、SiCウイス
カーとしては、平均0.5μ径で長さ30μのものを用
いた。 比較例としてSiCウイスカーのないもの（No.
10）も製造した。 得られた試料について、曲げ強度、熱伝導率、
イオン照射（Arイオン、発生電圧8kV、発生電
流0.5mA、照射角30°）による耐スパツタ時間を
表１に示す。この結果から本発明の有効性が判
る。
【表】
【表】
実施例 ２
SiCウイスカーとAlN粉末を十分混合し、
1ton／cm2にて型押した後、N2加圧中1850℃で型
押体を20時間加熱した。得られた焼結体はAlN
−SiCウイスカーの複合焼結体となつていた。得
られた試料について、曲げ強度、熱伝導率、イオ
ン照射（Arイオン、発生電圧8kV、発生電流
0.5mA、照射角30°）について調べた。得られた
結果を表２に示す。同時に比較例としてSiCのみ
の場合をNo.16に示した。
1ton／cm2にて型押した後、N2加圧中1850℃で型
押体を20時間加熱した。得られた焼結体はAlN
−SiCウイスカーの複合焼結体となつていた。得
られた試料について、曲げ強度、熱伝導率、イオ
ン照射（Arイオン、発生電圧8kV、発生電流
0.5mA、照射角30°）について調べた。得られた
結果を表２に示す。同時に比較例としてSiCのみ
の場合をNo.16に示した。
【表】
［発明の効果］
本発明は、機械的特性、熱的特性に優れた
AlN−SiCウイスカーの複合焼結体であるセラミ
ツクス材料で、このものは核融合炉用材料として
有用なものである。
AlN−SiCウイスカーの複合焼結体であるセラミ
ツクス材料で、このものは核融合炉用材料として
有用なものである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ AlN粒子と該AlN粒子を結合するマトリツ
クスとからなり、マトリツクスが0.1〜50重量％
を占め、マトリツクスの50重量％以上がSiCウイ
スカーで残部はAl，Siの酸化物からなることを
特徴とする核融合炉用セラミツクス材料。 ２ 金属材料と接合してなる請求項１記載の核融
合炉用セラミツクス材料。 ３ 金属材料がモリブデンである請求項２記載の
核融合炉用セラミツクス材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1002007A JPH02184570A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 核融合炉用セラミックス材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1002007A JPH02184570A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 核融合炉用セラミックス材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02184570A JPH02184570A (ja) | 1990-07-19 |
| JPH0585508B2 true JPH0585508B2 (ja) | 1993-12-07 |
Family
ID=11517332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1002007A Granted JPH02184570A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 核融合炉用セラミックス材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02184570A (ja) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5766797U (ja) * | 1980-10-08 | 1982-04-21 | ||
| JPS5834385A (ja) * | 1981-08-25 | 1983-02-28 | 住友電気工業株式会社 | 高温プラズマ容器内壁の被覆方法 |
| JPS58184299A (ja) * | 1982-04-21 | 1983-10-27 | 株式会社東芝 | プラズマ発生装置用コ−テイング壁 |
| JPS6278160A (ja) * | 1985-09-30 | 1987-04-10 | 日本特殊陶業株式会社 | 複合強化焼結体 |
| JPS6355162A (ja) * | 1986-08-22 | 1988-03-09 | 株式会社日立製作所 | 高熱伝導性焼結体及びその製造方法 |
| JPH0653614B2 (ja) * | 1988-03-30 | 1994-07-20 | 日本原子力研究所 | 核融合炉用セラミックス材料 |
-
1989
- 1989-01-10 JP JP1002007A patent/JPH02184570A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02184570A (ja) | 1990-07-19 |
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