JPH0859376A - 銅合金溶浸炭素材料及びその製造法並びに銅合金溶浸炭素材料を用いたプラズマ対向材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属との接合強度及び耐熱衝撃性に優れた銅
合金溶浸炭素材料及びその製造法並びに銅合金溶浸炭素
材料を用いたプラズマ対向材。 【構成】 銅合金が炭素材料の表面から０．５mm以上の
深さにわたり溶浸された銅合金溶浸炭素材料及び銅合金
又は溶融後銅合金となる銅粉とチタン粉との混合物を炭
素材料上に配置した後、真空中又は不活性ガス雰囲気中
で加熱、溶融して炭素材料の表面から０．５mm以上の深
さにわたり銅合金を溶浸する銅合金溶浸炭素材料の製造
法並びに上記の銅合金溶浸炭素材料を冷却体と冶金的に
接合した核融合装置のプラズマ対向材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面に銅合金を溶浸し
た炭素材料、特に核融合炉のブラズマ対向材に好適な銅
合金溶浸炭素材料及びその製造法並びに銅合金溶浸炭素
材料を用いたプラズマ対向材に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素材料は優れた耐熱性及び化学安定性
を有することから、高温下で使用される各種の部材とし
て極めて有用である。この優れた特長を生かし、かつ冷
却効率の向上、機械的強度の補強等の目的から、炭素材
料と金属とを冶金的に接合した部材が、核融合装置のプ
ラズマ対向材、半導体製造装置等で要求されている。炭
素材料と金属の冶金的な接合の方法としては、炭素材料
と金属の間にろう材を介したろう付けが一般的に行われ
ている。

【０００３】しかし、単なるろう付けの場合、炭素材料
と金属の熱膨張係数の相違から双方が剥離しやすい、炭
素材料表面に気孔が存在するため、接合の強度、信頼性
が低い等の問題がある。また、ろう材にチタン、クロム
等の活性金属を添加し、炭素材料と金属との界面に活性
金属の炭化物層を形成することが必要であるが、この金
属炭化物層の厚さを均一に制御する事が困難であること
から、接合強度の信頼性に問題があった。

【０００４】このような問題を解決する手法として、例
えば特開昭６２−１３０３８３号公報では、高融点低ス
パッタリング率材料（黒鉛等）と高熱伝導率金属（銅
等）とを、接合面の金属含有率がプラズマ面よりも高く
なるように加圧一体化し、熱膨張係数差を緩和して冷却
管と接合する方法を提案している。また特開平５−１８
６２７６号公報には、表面が緻密で、内部が疎である炭
素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃ複合材）にＨＩＰ（ホッ
ト・アイソスタティック・プレス（熱間等方圧プレ
ス））より銅などの高熱伝導率材料を含浸し、銅組成に
傾斜機能性を持たせた接合用材料を提案している。さら
に、特開昭６３−３１０７７８号公報では、炭素材料の
接合面をメタライズした後、ニッケルなどの応力緩和層
を介して金属基材と接合する方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】炭素材料の有する耐熱
性及び化学安定性を有効に利用する為には、接合面の反
対側の面には金属が含有されないことが必要である。特
開昭６２−１３０３８３号公報に示される方法では、黒
鉛と金属とを加圧一体化するため、プラズマに対向する
面を黒鉛のみにした場合、黒鉛粒子同士の結合は弱いた
め、強固な表面を形成する事は出来ない。

【０００６】また、特開平５−１８６２７６号公報に示
される方法では、加圧含浸による銅の浸入深さはＣ／Ｃ
複合材の気孔分布に依存する。このため、プラズマ対向
面に金属を全く含有せず、かつ接合面の銅含有量を充分
なものとするためには、気孔分布の厳密な制御が必要で
あり、そのようなＣ／Ｃ複合材の量産は困難であると考
えられる。

【０００７】さらに、特開昭６３−３１０７７８号公報
に示される方法では、応力緩和層を介して接合を行うた
め、２面の接合となり、接合の工程が複雑になる。ま
た、メタライズ層と炭素材料では熱膨張係数が異なるた
め、熱応力により、その界面から剥離が発生するおそれ
もある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、銅合金が炭素
材料の表面から０．５mm以上の深さにわたり溶浸された
銅合金溶浸炭素材料及び銅合金又は溶融後銅合金となる
銅粉とチタン粉との混合物を炭素材料中に配置した後、
真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱、溶融して炭素材
料の表面から０．５mm以上の深さにわたり銅合金を溶融
する銅合金溶浸炭素材料並びに上記の銅合金溶浸炭素材
料を冷却体と冶金的に接合した核融合装置のプラズマ対
向材に関する。

【０００９】本発明において用いられる炭素材料は、一
般に知られている等方性や異方性の人造黒鉛材、Ｃ／Ｃ
複合材等であり、特に制限はないが、炭素材料の開気孔
を通じて銅合金を溶浸するため５％以上の開気孔率を有
する炭素材料を用いることが好ましく、８％以上の開気
孔率を有する炭素材料であればより好ましい。また、開
気孔率が小さい場合には、ブラスト処理、空気酸化、電
解酸化等の手法により、炭素材料表面に開気孔を形成し
ても良い。

【００１０】炭素材料表面からの銅合金の溶浸深さは
０．５mm以上が必要とされ、０．５mm未満であると、目
的の一つである炭素材料と銅合金の熱膨張係数差の緩和
が不十分となる。また溶浸深さは最大でも、溶浸面（Ａ
面）の反対側の面の表面（Ｂ面）から２mm以上離れた深
さまでであることが好ましい。なお、銅合金の溶浸深さ
は軟Ｘ線透過写真、断面のＥＰＭＡ（エレクトロン・プ
ローブ・マイクロ・アナリシス）分析等の手法により銅
合金の存在が確認される深さをいう。

【００１１】本発明でいう銅合金とは、銅とチタンとか
ら成る合金をいう。銅を使用するのは、高い熱伝導率、
比較的低温で溶融可能、低価格性等の理由からであると
同時に、一般に冷却体には銅が使用されるため、冷却体
との接合が容易になる利点もある。ただし、銅単体を溶
融させても、炭素材料とは濡れないため、濡れ性を改善
する活性な金属を添加する必要がある。そのため本発明
では添加金属に、炭素材料と反応して炭化物を形成する
チタンを使用する。

【００１２】銅合金の組成は、濡れ性改善の効果、合金
の溶浸の容易さ、銅の熱伝導率、耐熱衝撃性等の点で銅
が９８〜６０重量％及びチタンが２〜４０重量％の範囲
であることが好ましい。

【００１３】銅合金の炭素材料への溶浸は、上述した組
成を有する箔又は板状の銅合金を炭素材料上に配置し加
熱、溶融するか若しくは上述した組成となるよう配合し
た溶融後銅合金となる銅粉とチタン粉との混合物を炭素
材料上に配置し加熱、溶融するといういずれかの方法で
行う。なお、混合物を用いる方法では、混合物の形態は
単に銅粉とチタン粉との混合粉でも良いが、これらの混
合粉に有機バインダー、溶剤等を加えてペースト状に
し、これを炭素材料上に塗布して加熱、溶融する手法を
用いると、より均一な溶浸が可能となるので好ましい。

【００１４】ペースト状にしたものを用いる手法におい
て、有機バインダーには、公知の熱硬化性樹脂及び熱可
塑性樹脂が用いられ、特に制限はないが、炭化率が高い
ものほど、熱処理後の銅合金中に残留する炭素が多くな
るため、アクリル樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、
ポリビニルアルコール、メチルセルロース等の低炭化率
の有機バインダーを用いることが好ましい。

【００１５】また溶剤は、ペーストの作業性から、好ま
しい沸点の範囲は１００〜２００℃程度であり、エチレ
ングリコール、ブタノール等の有機溶剤又は水を有機バ
インダーとの相溶性を考えて選択して用いることが好ま
しい。

【００１６】銅合金又は銅粉とチタン粉との混合物を加
熱、溶融して、炭素材料に溶浸するための加熱温度は、
９５０℃以上が好ましく、１０５０℃以上であればより
好ましい。蒸発により組成が変化するおそれがあるた
め、１６００℃以下であることが好ましい。

【００１７】銅、チタン及び炭素材料は酸素と反応しや
すいため、加熱、溶融の雰囲気には酸素がないことが必
要である。また、チタンは窒素とも反応する。このよう
な理由から、加熱、溶融は真空中又は不活性ガス雰囲気
中で行う。真空で加熱、溶融を行う場合には、酸化防止
のため、その真空度は最低でも１Ｐａよりも高真空であ
ることが好ましく、１×１０^-1Ｐａより高真空であれば
より好ましい。

【００１８】雰囲気が不活性ガスの場合には、酸素の含
有量の少ない高純度のガスを用い、例えば酸素不純物が
２０ppm以下のガスを用いることが好ましい。ただし、
窒素ガスはチタンと反応するため、アルゴン、ヘリウム
等窒素ガス以外の不活性ガスを用いることが必要であ
る。

【００１９】なお銅合金の溶浸深さは銅合金の組成、配
置又は塗布量、温度、雰囲気等により変化する。従っ
て、炭素材料の気孔率、細孔径分布に応じてこれらの条
件を最適化することにより、任意の深さの銅合金溶浸層
を得ることが出来る。

【００２０】さらに、炭素材料表面上に形成した銅合金
の厚さにより、表面に存在する炭素の量は変化する。表
面に炭素が多く存在すると、金属との接合の際に障害と
なるため、良好な接合特性を得るためには表面に存在す
る炭素量は１０％重量以下であることが好ましい。

【００２１】銅合金が炭素材料の表面から０．５mm以上
の深さにわたり含浸されている銅合金溶浸炭素材料を、
銅合金の面で冷却体と冶金的に接合することにより、接
合強度及びその信頼性が高い核融合装置のプラズマ対向
材料とすることができる。

【００２２】本発明において冷却体とは、銅、モリブデ
ン、タングステン、鉄、チタン等の金属又はこれらの合
金のことを指し、表面に接合した銅合金溶浸炭素材料を
冷却する働きをするものをいう。その構造は、冷却効率
を高めるため、ガス、水等の液体により冷却を行うこと
が可能な構造を有するものが望ましく、例えばブロック
状又は板状の冷却体に冷媒を流通させるための貫通孔が
設けられている構造、冷却体に冷媒の流通する管を接合
した構造等のものを用いることが好ましい。

【００２３】また冶金的な接合とは、ろう付けによる接
合、拡散接合等を意味し、本発明においては比較的低温
で接合が可能な、ろう付けによる接合が好ましい。ろう
付けにはＡｇ、Ａｇ−Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ、Ｐｄ−
Ａｇ−Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ａ
ｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ等のろう材が用いら
れる。なお上記のろう材にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂｅ、
Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等の活性金属を添加したものを用い
ればろう材の濡れ性が向上するので好ましい。ろう付の
条件は、用いるろう材により適宜選定する。

【００２４】

【実施例】

実施例１〜７及び比較例１〜６ ２５×２５×２５mmの寸法に加工したＣ／Ｃ複合材（日
立化成工業製、商品名ＰＣＣ−２Ｓ、開気孔率８％）を
基材として使用し、また溶融後銅合金となる銅粉（日鉱
シーエスケミカル製、電解銅粉）とチタン粉（和光純薬
製、平均粒径２５０μｍ）との混合粉は、表１に示す配
合割合で混合したものを使用した。

【００２５】次に上記の混合粉並びに混合粉６０重量％
にアルキド樹脂（日立化成工業製、商品名Ｖ９０１）を
３０重量％及びブタノール（和光純薬製、試薬一級）を
１０重量％添加、混合してペースト化したものをそれぞ
れ基材上に配置（塗布）した後、１×１０^-1Ｐａの真空
雰囲気中で、それぞれ表１に示す温度に加熱し、１時間
保持して銅合金溶浸炭素材料を得た。

【００２６】得られた銅合金溶浸炭素材料の銅合金溶浸
深さを軟Ｘ線透過写真で調べた。その結果を表１に示
す。なお銅合金の溶浸状態を調べるため銅合金溶浸炭素
材料の断面をＥＰＭＡで分析したところ、実施例の銅合
金溶浸炭素材料は全て銅合金が表面から内部に向い連続
的に減少していた。さらに銅合金溶浸炭素材料表面の炭
素存在量を上記と同様に分析した結果、銅合金溶浸炭素
材料に銅のブロックを銀ろう付し、引張り試験による接
合強度の測定結果及びそのときの破壊位置を合わせて表
１に示す。但し上記試験において、比較例５は銅合金を
溶浸しないで銅ブロックを銀ろう付したものについて接
合強度を測定し、また比較例６は基材単体の強度を測定
した。

【００２７】次に上記の実施例及び比較例で得られた銅
合金溶浸炭素材料の代表的なもの並びに比較例５の銅合
金を溶浸しない炭素材料について、真空中で電子ビーム
を照射する耐熱衝撃試験を行った。電子ビームの照射エ
ネルギーは、１０ＭＷ/ｍ²及び１５ＭＷ/ｍ²であり、照
射時間はそれぞれ１秒間、照射は最大５回まで行った。
それぞれの照射を行ったときの、剥離までの照射回数を
表３に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例８〜１４及び比較例７〜１１ ２５×２５×２５mmの寸法に加工した等方性黒鉛材（日
立化成工業製、商品名ＰＤ−６００、開気孔率１２％）
を基材として使用し、また溶融後銅合金となる銅粉とチ
タン粉との混合粉（いずれも実施例１〜７で用いたもの
と同様の粉末使用）は、表２に示す配合割合で混合した
ものを使用した。

【００３０】次に上記の混合粉並びに混合粉６５重量％
にポリビニルアルコール（和光純薬製、重合度１５０
０）を２０重量％及び水を１５重量％添加、混合してペ
ースト化したものをそれぞれ基材上に配置（塗布）した
後、アルゴンガス（酸素及び窒素不純物を各々１０ppm
以下）雰囲気中で、それぞれ表２に示す温度に加熱し、
１時間保持して銅合金溶浸炭素材料を得た。

【００３１】得られた銅合金溶浸炭素材料の銅合金溶浸
深さを実施例１〜７と同様の方法で調べた。その結果を
表２に示す。なお銅合金の溶浸状態を調べるため銅合金
溶浸炭素材料の断面をＥＰＭＡで分析したところ、実施
例の銅合金溶浸炭素材料は全て銅合金が表面から内部に
向い連続的に減少していた。さらに銅合金溶浸炭素材料
表面の炭素存在量を上記と同様に分析した結果、銅合金
溶浸炭素材料に銅のブロックを銀ろう付し、引張り試験
による接合強度の測定結果及びそのときの破壊位置を合
わせて表２に示す。但し上記試験において、比較例１０
は銅合金を溶浸しないで銅ブロックを銀ろう付したもの
について接合強度を測定し、また比較例１１は基材単体
の強度を測定した。

【００３２】次に上記の実施例及び比較例で得られた銅
合金溶浸炭素材料の代表的なもの並びに比較例１０の銅
合金を溶浸しない炭素材料について、真空中で電子ビー
ムを照射する耐熱衝撃試験を行った。電子ビームの照射
エネルギーは、５ＭＷ/ｍ²及び１０ＭＷ/ｍ²であり、照
射時間はそれぞれ１秒間、照射は最大５回まで行った。
それぞれの照射を行ったときの、剥離までの照射回数を
合せて表３に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】

【表３】

【００３５】表１、表２及び表３に示されるように、本
発明の実施例になる銅合金溶浸炭素材料は比較例の銅合
金溶浸炭素材料及び銅合金を溶浸しない炭素材料に比較
し、接合強度及び耐熱衝撃性に優れることが示される。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、金属との接合強度及び
耐熱衝撃性に優れた銅合金溶浸炭素材料及びその製造法
並びに該銅合金溶浸炭素材料を用いたプラズマ対向材を
提供することができる。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年９月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、銅合金が炭素
材料の表面から０．５mm以上の深さにわたり溶浸された
銅合金溶浸炭素材料及び銅合金又は溶融後銅合金となる
銅粉とチタン粉との混合物を炭素材料上に配置した後、
真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱、溶融して炭素材
料の表面から０．５mm以上の深さにわたり銅合金を溶融
する銅合金溶浸炭素材料の製造法並びに上記の銅合金溶
浸炭素材料を冷却体と冶金的に接合した核融合装置のプ
ラズマ対向材に関する。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅合金が炭素材料の表面から０．５mm以
   上の深さにわたり溶浸された銅合金溶浸炭素材料。
2. 【請求項２】 銅合金が銅を９８〜６０重量％及びチタ
   ンを２〜４０重量％含む請求項１記載の銅合金溶浸炭素
   材料。
3. 【請求項３】 銅合金の割合が表面から内部に向い連続
   的に減少する請求項１又は２記載の銅合金溶浸炭素材
   料。
4. 【請求項４】 表面に存在する炭素含有量が１０重量％
   以下である請求項１、２又は３記載の銅合金溶浸炭素材
   料。
5. 【請求項５】 銅合金又は溶融後銅合金となる銅粉とチ
   タン粉との混合物を炭素材料上に配置した後、真空中又
   は不活性ガス雰囲気中で加熱、溶融して炭素材料の表面
   から０．５mm以上の深さにわたり銅合金を溶浸すること
   を特徴とする銅合金溶浸炭素材料の製造法。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３又は４記載の銅合金溶
   浸炭素材料を冷却体と冶金的に接合した核融合装置のプ
   ラズマ対向材。