Investigation of microstructural change by X-ray tomography and anisotropic effect on thermal property of thermally oxidized 2D-C/C composite for Very High Temperature Reactor

VHTRのための酸化した2D-C/CコンポジットのX線トモグラフィーによる微細構造変化及び熱特性に対する異方性の効果の検討

角田 淳弥 ; 柴田 大受 ; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘

Sumita, Junya; Shibata, Taiju; Kunimoto, Eiji*; Yamaji, Masatoshi*; Konishi, Takashi*; Sawa, Kazuhiro

2次元炭素繊維強化炭素複合材料(2D-C/Cコンポジット)は、高温下でも高い強度を維持するなど優れた機械的・熱的特性を有しており、超高温ガス炉(VHTR)の炉内構造物、例えば制御棒要素等の候補材の一つである。VHTRの炉内構造物として適用するうえで、2D-C/Cコンポジットの異方性がその特性に与える影響を明らかにしておくことが重要である。特に、2D-C/Cコンポジットの熱特性はその微細構造に強く依存するため、特性変化と微細構造変化の関係を明らかにするためには内部の微細構造を調べる必要がある。本研究では、X線トモグラフィーを用いて酸化した2D-C/Cコンポジットの層間ボイドやトランスバースクラックを明瞭に観察し、酸化した2D-C/Cコンポジットの熱伝導率変化及び熱膨張率変化と酸化率の関係が、繊維の向きごとに経験式を用いて表すことができることを明らかにして、異方性による特性の違いが黒鉛の結晶構造の向きと2D-C/Cコンポジットの微細構造の変化により説明できることを示した。

Two dimensional carbon fiber reinforced carbon composite (2D-C/C composite) is one of the candidate materials for a reactor internals, e.g. control rod element, of Very High Temperature Reactor (VHTR) because of its high strength at high temperature and thermal stability. From the viewpoint of its application to the reactor internals of VHTR, it is important to investigate the anisotropy effect on its properties for the design and safety analysis of VHTR. Moreover, the property of 2D-C/C composite is strongly related to its microstructure, therefore, it is necessary to observe the internal microstructure to investigate the relationship between the microstructural change and the property change. This study has shown that the X-ray tomography could be applied to observe the microstructural change of thermally 2D-C/C composite. The relationship between the thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion (CTE) change and burn-off of thermally oxidized 2D-C/C composite could be expressed by the empirical exponential decay formula in both directions perpendicular and parallel to lamina. It could be explained the direction of hexagonal graphite crystal structure from carbon atoms and microstructural change of 2D-C/C composite.