JPH0881290A

JPH0881290A - 銅合金被覆炭素材料及びその製造法並びに銅合金被覆炭素材料を用いたプラズマ対向材

Info

Publication number: JPH0881290A
Application number: JP6215775A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Hyakki; 康夫百鬼; Yoshihiro Kikuchi; 好洋菊池; Takayuki Suzuki; 孝幸鈴木
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】金属との接合時に、優れた接着性、耐熱衝撃
性を示す、銅合金被覆炭素材料及びその製造法並びに銅
合金被覆炭素材料を用いたプラズマ対向材を提供する。【構成】炭素材料に形成された０．５mm以上の深さを
有する穴または溝に、９００℃を越え、１６００℃未満
の温度で銅合金を溶融させて被覆した銅合金被覆炭素材
料及び銅合金また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に形成された穴または溝上に配置
した後、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱、溶融
して銅合金を被覆する銅合金被覆炭素材料並びに上記の
銅合金被覆炭素材料を銅合金の面で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料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、穴または溝加工を施し
た面に、銅合金が被覆された炭素材料、特に核融合炉の
プラズマ対向材に好適な銅合金被覆炭素材料及びその製
造法並びに銅合金被覆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
と金属と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号公報では、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））に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を提案している。

【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、炭素材料に形
成された０．５ｍｍ以上の深さを有する穴または溝に、
９００℃を越え、１６００℃未満の温度で銅合金を溶融
させて被覆した銅合金被覆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に
形成された穴または溝上に配置した後、真空中又は不活
性ガス雰囲気中で加熱、溶融して銅合金を被覆する銅合
金被覆炭素材料の製造法並びに上記の銅合金被覆炭素材
料を、銅合金の面で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、銅合金は炭素材料
に形成された穴、溝以外に、炭素材料の開気孔にも入り
込み接着強度を向上させるので、３％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い。

【００１０】炭素材料の表面の穴または溝の深さ、形状
及び配置は接着強度、熱伝導率の向上、熱膨張係数差の
緩和等に大きく影響を及ぼす。表面からの穴または溝の
深さは０．５mm以上とされ、０．５mm未満であると、こ
れらの効果があまり得られない。なお穴または溝の深さ
は、１．０〜２．０mmの範囲であれば効果は大きくなる
ためより好ましく、２．０mm以上の深さであればこれら
の特性が大幅に改善されるため、特に好ましい。なお、
穴または溝の深さは最大でも、銅合金で被覆した際に反
対側の面にしみ出さない深さまでであることが好まし
い。より好ましくは、銅合金が浸入した位置と反対側面
までの間隔が２．０mm以上あることが望ましい。なお、
本発明でいう銅合金の浸入深さは軟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】穴または溝の形状及び配置は特に制限はな
く、穴の形状は円形、楕円形、三角形、四角形、多角形
等いずれでもよく、溝の形状も丸底溝（Ｕ字型等）、角
底溝、Ｖ字型等のいずれでも良い。穴または溝の配置
は、一方向に平行に並べる配置、ます目状の配置、多方
向を向いた配置等のいずれでもよく、また、直線状だけ
ではなく、折れ線、円、らせん状、曲線状等の配置でも
良い。穴または溝の数は多くなるに従い熱伝導率の向上
の効果は大きくなるが、あまり多くなりすぎると接着強
度の向上及び熱膨張率差の緩和の効果が小さくなる。こ
のためバランス良く効果を上げるためには、穴または溝
の面積の割合は、炭素材料に対して２０〜８０％の範囲
が好ましい。

【００１２】本発明でいう銅合金とは、銅とチタンから
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。

【００１３】銅合金の重量組成は濡れ性改善の効果、合
金の浸入の容易さ、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。さらに好ましい組成の範囲
は、銅が９６〜７０重量％、チタンが４〜３０重量％で
ある。

【００１４】銅合金の炭素材料への被覆は、上述した組
成を有する箔または板状の銅合金を炭素材料上に配置し
加熱、溶融するかあるい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、より均一な被覆が可能となるので好まし
い。

【００１５】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、熱可塑
性樹脂等が用いられ、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、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バインダーを
用いることが好ましい。

【００１６】また溶剤は、ペーストの安定性及び作業性
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また
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。

【００１７】銅合金または銅粉とチタン粉との混合物を
炭素材料上に配置し、加熱、溶融して、炭素材料を被覆
するための加熱温度（溶融温度）は、９００℃を越え、
１６００℃未満の温度とされ、９００℃未満であると銅
合金が溶融しない、このため９５０℃以上が好ましく、
１０５０℃以上であればより好ましい。一方１６００℃
以上であると蒸発により組成が変化するおそれがある。

【００１８】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
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。

【００１９】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。

【００２０】炭素材料に形成された穴または溝に銅合金
を被覆した銅合金被覆炭素材料を、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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】

【作用】本発明になる銅合金被覆炭素材料は、炭素材料
の表面に銅合金が被覆される以外に該炭素材料に形成さ
れた穴または溝に銅合金が浸入するため、接着面積が増
加し、かつ銅合金が炭素材料中に根を生やしたような構
造となる。この構造により接着強度は向上する。また、
このような構造により熱応力が緩和され、さらに熱伝導
率も向上するため耐熱衝撃性に優れる。なお、金属冷却
体との接合は、金属面どうしの接合となるため、従来の
炭素−金属の接合に比べ、接合強度、信頼性が高い。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。実施例１〜９及び比較例１〜６２５×２５×２５mm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。穴または溝加工は、
図１の（ａ）に示すようにＵ字型の溝（幅１．５mm）１
を加工したものをタイプＡ、図１の（ｂ）に示すように
Ｖ字型の溝（幅１．５mm）２を加工したものをタイプＢ
及び図１の（ｃ）に示すように穴加工として円穴（直径
１．５mm）３を加工したものをタイプＣとした。

【００２５】次に上記の混合粉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
金被覆炭素材料を得た。

【００２６】得られた銅合金被覆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を求めた。
その結果を表１に示す。但し上記試験において、比較例
５は銅合金を被覆しないで銅の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】さらに、上記の実施例及び比較例で得られ
た銅合金被覆炭素材料の代表的なもの並びに比較例５の
銅合金を被覆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（１）１０MW/m²及び（２）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、剥離するまでの
照射回数を表３に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例１０〜１６及び比較例７〜１０２５×２５×２５mm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１〜９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。溝加工は、図２の（ａ）に示すように
Ｕ字型の溝（幅１mm）を３本加工したものをタイプＤ、
図２の（ｂ）に示すようにＵ字型の溝（幅１mm）を６本
加工したものをタイプＥ及び図２の（ｃ）に示すように
Ｕ字型の溝（幅１mm）を縦、横に１０本加工したものを
タイプＦとした。

【００３０】次に上記の混合粉６５重量％にポリビニル
アルコール（和光純薬製、重合度１５００）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
銅合金被覆炭素材料を得た。

【００３１】得られた銅合金被覆炭素材料に銅のブロッ
クを銀ろう付し、実施例１〜９と同様の方法で接合強度
を求めた。その結果を表２に示す。但し上記試験におい
て、比較例９は銅合金を被覆しないで銅のブロックを銀
ろう付したものについて接合強度を測定し、また比較例
１０は基材単体の強度を測定した。

【００３２】さらに、上記の実施例及び比較例で得られ
た銅合金被覆炭素材料の代表的なもの並びに比較例９の
銅合金を被覆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（１）５MW/m²及び（２）１０MW/m²（実施
例１３のみ１５MW/m²まで追加）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、剥離するまでの照射回数を表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被覆炭素材料は、比較例になる
銅合金被覆炭素材料及び銅合金を被覆しない炭素材料に
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被覆炭素材料及びその製造法
並びに該銅合金被覆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。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施例
になる炭素材料に溝及び穴加工した状態を示す斜視図で
ある。

【図２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の他の実施
例になる炭素材料に溝加工した状態を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１Ｕ字型の溝２Ｖ字型の溝３円穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素材料に形成された０．５ｍｍ以上の
深さを有する穴または溝に、９００℃を越え、１６００
℃未満の温度で銅合金を溶融させて被覆した銅合金被覆
炭素材料。
【請求項２】銅合金また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に形成された穴または溝
上に配置した後、真空中または不活性ガス雰囲気中で加
熱、溶融して銅合金を被覆することを特徴とする銅合金
被覆炭素材料の製造法。
【請求項３】請求項１記載の銅合金被覆炭素材料を、
銅合金の面で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。