高線量中性子照射後の原子力グレードSiC/SiC複合材料の強度特性と微細組織
Mechanical properties and microstructures of nuclear-grade SiC/SiC composites after high dose irradiation
小沢 和巳; 小柳 孝彰*; 野澤 貴史; 加藤 雄大*; 近藤 創介*; 谷川 博康; Snead, L. L.*
Ozawa, Kazumi; Koyanagi, Takaaki*; Nozawa, Takashi; Kato, Yutai*; Kondo, Sosuke*; Tanigawa, Hiroyasu; Snead, L. L.*
炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素マトリックス基(SiC/SiC)複合材料は核融合DEMOブランケットの候補材料である。これまで先進SiC繊維は高結晶性SiCと同様の照射下応答を示すと考えられてきたが、最近の報告ではこの考えが覆されつつあり、70dpa超での高線量域における挙動把握が求められていた。そこで本研究では、高線量照射後のSiC/SiC複合材料の強度特性と微細組織に関する知見を得ることを目的とした。供試材はHi-Nicalon Type S繊維で強化され、熱分解炭素相とSiC相の多層被覆界面相を施したSiC/SiC複合材料である。中性子照射はHFIR炉にて行い、照射温度は319, 629C,照射量は100dpaである。照射後、曲げ強度評価を行った。SiC/SiC複合材料は319Cでは脆性破壊を呈し、629Cでは、比例限度応力と最大引張強度に約50%もの劣化が認められた。また、形状変化と微細組織に関するより詳細な知見を得るために、300, 600C, 100dpaの条件でイオン照射実験も実施した。試験後の原子間力顕微鏡観察結果からは両条件でHi-Nicalon Type S繊維に収縮が認められた。加えて、TEM観察結果からは、結晶粒界三重点上に存在するカーボンパケットの消失が認められた。カーボンパケット上の余剰炭素原子がSiC繊維中のSiC粒内に拡散し、繊維の収縮、ひいては繊維の劣化が発生したものと推察される。
A silicon carbide fiber-reinforced silicon carbide matrix (SiC/SiC) composite is a promising candidate material for an advanced fusion DEMO blanket because of the excellent thermo-mechanical / -chemical properties and irradiation tolerance of SiC itself. The irradiation response of highly-crystalline and near-stoichiometric SiC fiber has been assumed to be the same as that of high purity monolithic -SiC. Unfortunately, based on recent data this assumption appears not to be correct. This study mainly aims to investigate mechanical and microstructural changes of the SiC/SiC composite after neutron irradiation to higher dose. In the post neutron irradiation experiments to 100 dpa, ~50% degradation of proportional limit stress and ultimate flexural strength was observed for the composite irradiated at 629C, while the one irradiated at 319C exhibited brittle behavior. In the ion-experiment results, shrinkage of the HNLS fiber was observed for specimens irradiated at 300 and 600C to 100 dpa. The FE-TEM results, EELS analysis and previous our works suggest that the shrinkage would be responsible for the transport of excess carbon atoms from intergranular phase into SiC grains.