Study on fracture behavior of 2D-C/C composite for application to control rod of very high temperature reactor

VHTR制御棒への適用を目指したC/C複合材料の破壊挙動の研究

角田 淳弥 ; 藤田 一郎; 柴田 大受 ; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Park, J. Y.*

Sumita, Junya; Fujita, Ichiro; Shibata, Taiju; Makita, Taiyo*; Takagi, Takashi*; Kunimoto, Eiji*; Sawa, Kazuhiro; Kim, W. J.*; Park, J. Y.*

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。C/Cコンポジットの亀裂進展は複雑なので、その破壊挙動はC/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。本研究では、炭素繊維とマトリックスの層構造である2次元C/Cコンポジットについて、モードII破壊特性を評価するため、酸化させた端面切欠き試験片を用いて曲げ試験を実施した。その結果、層間破壊靱性値は酸化率が大きくなるにつれて減少した。これは、破壊靱性がマトリックスの酸化によって減少したことによるもので、その減少率はマトリックスのタイプに依存することがわかった。また、亀裂は繊維束間で発生し、繊維を断裂させることなく繊維束間に沿って成長することがわかった。繊維とマトリックス間で発生した亀裂は、繊維束間の層間ボイドに集まり、その後マトリックスを通って成長すると考えられる。

For control rod element of Very High Temperature Reactor, carbon fiber reinforced carbon matrix composite (C/C composite) is one of the major candidate materials for its high strength and thermal stability. Since the crack propagation of the C/C composite is complicated, the fracture behavior is one of the most important subjects of the design methodology for the control rod with the C/C composite. In this study, in order to assess the Mode-II fracture behavior of the two-dimensional (2D-) C/C composite which has the layer structure of laminas composed of fibers and matrix, bending test with oxidized end notched flexure specimen was carried out. The interlaminar fracture toughness decreased with increasing the oxidation for the 2D-C/C composite. The oxidized matrix causes reduction of fracture toughness and the reduction ratio is dependent on the matrix type. The crack initiates at the boundary between fiber bundles and grows along them without breaking the fiber. It is thought that the cracks which were initiated at the interface between matrix and fiber were gathered into the voids in the boundary between fiber bundles, and then the crack grows up in the matrix.