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論文

Impacts of friction stir processing on irradiation effects in vacuum-plasma-spray coated tungsten

小沢 和巳; 谷川 博康; 森貞 好昭*; 藤井 英俊*

Fusion Engineering and Design, 98-99, p.2054 - 2057, 2015/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.41(Nuclear Science & Technology)

低放射化フェライト鋼(F82H)は先進核融合炉の構造材料候補である。第一壁ならびにダイバータではプラズマスパッタ抑制のため、タングステン被膜が必須とされている。F82H鋼に、真空プラズマ溶射法でタングステン(W)を皮膜し、その後摩擦攪拌処理(FSP)にて強化した試料に対しイオン照射実験を実施し、WとF82Hの各要素のイオン照射後の硬さと微細組織に及ぼす細粒化の影響を調べた。これまでの結果からは、800$$^{circ}$$C、5.4dpaでイオン照射したFSP-W皮膜の顕著な照射硬化は認められていない。

論文

Modification of vacuum plasma sprayed tungsten coating on reduced activation ferritic/martensitic steels by friction stir processing

谷川 博康; 小沢 和巳; 森貞 好昭*; Noh, S.*; 藤井 英俊*

Fusion Engineering and Design, 98-99, p.2080 - 2084, 2015/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:28.02(Nuclear Science & Technology)

核融合炉内機器のプラズマ対向壁材料として有力視されているタングステン(W)皮膜形成法として真空プラズマ溶射(VPS)法が現実的手法として期待されている。しかし、VPS-Wでは空孔率が高いことから、バルクWに比べて熱伝導率が著しく引く、強度も低くなる、といった課題を示している。そこで本研究では、VPS-W皮膜の摩擦撹拌処理(FSP)による強化を試みた。その結果、FSP処理により空孔率が低く、バルクW並の強度と熱伝導率を有する細粒Wに強化することに成功した。

論文

Evaluation of damage accumulation behavior and strength anisotropy of NITE SiC/SiC composites by acoustic emission, digital image correlation and electrical resistivity monitoring

野澤 貴史; 小沢 和巳; 朝倉 勇貴*; 香山 晃*; 谷川 博康

Journal of Nuclear Materials, 455(1-3), p.549 - 553, 2014/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:30.82(Materials Science, Multidisciplinary)

SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の有力な候補材である。本論文は、アコースティックエミッション(AE)測定,電気抵抗(ER)測定,デジタル画像相関(DIC)法等の様々な手法により複合材料の損傷許容性,強度異方性を明らかにすることを目的とした。AEの結果より、2D複合材において、引張及び圧縮試験ともに比例限度応力(PLS)以前より損傷の蓄積が開始することが明らかとなった。波形データの予備検討結果から、AE検出強度は微視的なき裂発生に起因し、強い界面摩擦力からき裂発生後も応力-ひずみ曲線において線形的な振る舞いをしていたことが示唆された。繊維のすべりがPLS近傍で開始し、結果として非線形挙動を示すと考えられる。一方で、ノッチ試験片を用いた予備的な引張試験より、いずれの負荷方位においても複合材料は原則としてノッチ鈍感であることが示唆された。詳細な破損メカニズムについて、ER, DIC試験の結果と併せて、議論する予定である。

論文

Stress envelope of silicon carbide composites at elevated temperatures

野澤 貴史; Kim, S.*; 小沢 和巳; 谷川 博康

Fusion Engineering and Design, 89(7-8), p.1723 - 1727, 2014/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:51.53(Nuclear Science & Technology)

SiC/SiC複合材料は先進核融合DEMOブランケットの有力な候補材である。DEMO設計のため、SiC/SiC複合材料の高温強度安定性を特定する必要があり、さらに、独特な織物構造のため、強度異方性を明らかにする必要がある。そのため、本研究は、高温でのさまざまなモードの試験により機械的特性を評価し、設計のための応力包括線の特定を行った。本研究では、SiC/PyCの多層被覆界面を有する平織Tyranno-SA3繊維強化CVIマトリックス複合材料を評価した。引張,圧縮試験は高温用の微小試験片技術により行い、面内剪断試験は混合破壊モードが複合材に適用できるという仮定のもと、非主軸の引張試験により推定した。なお、すべての試験は真空下で行った。予備的評価の結果、比例限度応力と最大強度ともに1000度以下では有意な劣化が生じ得ないことを明らかにした。また、高温の圧縮,面内剪断データも同様に、総じて強度劣化は認められなかった。これらの結果より、設計のための高温での応力包括線を最終的に得た。

論文

Re-defining failure envelopes for silicon carbide composites based on damage process analysis by acoustic emission

野澤 貴史; 小沢 和巳; 谷川 博康

Fusion Engineering and Design, 88(9-10), p.2543 - 2546, 2013/10

 被引用回数:11 パーセンタイル:19.82(Nuclear Science & Technology)

SiC/SiC複合材料は核融合DEMOブランケットの有力な候補材である。潜在的な擬延性破壊のため、このクラスの複合材料の破損シナリオを特定することは実用化に向けた設計コードの開発において重要であることは疑う余地はない。本研究は、擬延性SiC/SiC複合材料の破損挙動を明らかにし、強度マップを得ることである。そのため、引張,圧縮及び面内剪断モードによる破損過程の詳細をアコースティックエミッション(AE)法により明らかにし、特に、AE試験の結果にウェーブレット解析を適用することにより、損傷蓄積過程を分類した。特筆すべきは、引張及び圧縮試験ともに、マトリックスクラックが比例限度応力以下で生じている点であり、これはSiC繊維の表面粗さに起因して強い繊維/マトリックス界面摩擦力が得られたことによるものと結論づけられた。本論文では、より現実的かつ合理的な破損クライテリアとして、実際のマトリックスクラック応力を参照し、破損包括線を改定したものを示す。

論文

Characterization of failure behavior of silicon carbide composites by acoustic emission

野澤 貴史; 小沢 和巳; 谷川 博康

Ceramic Materials for Energy Applications II, p.95 - 110, 2012/11

本研究はさまざまな試験モードによるSiC/SiC複合材料の破損挙動の解明を目的とし、複合材料の破損を検出するためにアコースティックエミッション法を適用したものである。平織の化学気相浸透法で作製されたSiC/SiC複合材料を対象に、引張及び圧縮モードにおいて荷重負荷方位を変えた試験より、複合材料の異方性を議論したところ、軸強度及び面内強度それぞれにおいて損傷蓄積過程にアコースティックエミッションの挙動に違いが認められた。特に、引張と圧縮試験において損傷密度に違いが認められた。また、ウェーブレット解析により特性周波数の時間応答を評価することで破損モードとの関連付けを行った。

論文

Determination and prediction of axial/off-axial mechanical properties of SiC/SiC composites

野澤 貴史; 小沢 和巳; Choi, Y.-B.*; 香山 晃*; 谷川 博康

Fusion Engineering and Design, 87(5-6), p.803 - 807, 2012/08

 被引用回数:19 パーセンタイル:10.83(Nuclear Science & Technology)

SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の候補材料である。さまざまな織物構造からなる複合材料に固有の異方性を検討することは、さまざまな破損モードによる主軸及び非主軸機械的特性を正確に予測するうえで必要不可欠である。本研究はさまざまな破損モード試験における複合材料のき裂進展挙動を明らかにし、強度異方性マップを獲得し、その予測手法を検討した。得られた強度異方性マップより、複合材料は混合破壊モードであることが明らかになり、また、面内剪断に加え、軸異方性のため主軸/非主軸の引張及び圧縮による、独立した計5つのパラメータに依存していることが明らかとなった。また本研究では、Tsai-Wuモデルにより、強度異方性がよく記述できることを示した。

報告書

実験炉組合せ照射(JRR-3⇔常陽)及びホット施設(WASTEF,JMTRホットラボ,MMF,FMF)の作業計画と作業報告; 長寿命プラント照射損傷管理技術に関する研究開発

松井 義典; 高橋 広幸; 山本 雅也; 仲田 祐仁; 吉武 庸光; 阿部 和幸; 吉川 勝則; 岩松 重美; 石川 和義; 菊地 泰二; et al.

JAEA-Technology 2009-072, 144 Pages, 2010/03

JAEA-Technology-2009-072.pdf:45.01MB

日本原子力研究開発機構は、平成17年10月に日本原子力研究所と核燃料サイクル開発機構との統合によって誕生した。この統合を最大限に利用したプロジェクトが、旧電源開発促進対策特別会計法及び特別会計に関する法律(エネルギー対策特別会計)に基づく文部科学省からの受託事業「長寿命プラント照射損傷管理技術に関する研究開発」である。この「長寿命プラント照射損傷管理技術に関する研究開発」において、材料の照射損傷評価指標の確立に重要な、世界で類のない、高速実験炉「常陽」と研究用原子炉であるJRR-3を利用した組合せ照射材を平成18年から平成19年の約2年間の短期間で取得した。本報告は、これら常陽,JRR-3の実験炉施設及びWASTEF, JMTRホットラボ,MMF, FMFのホット施設を利用した組合せ照射における作業計画から作業結果及び照射試験における照射温度と照射量の評価をまとめたものである。

口頭

長寿命プラント照射損傷管理技術に関する研究開発,3; WASTEFを利用したJRR-3再照射用キャプセルの組立・解体技術

宇佐美 浩二; 市瀬 健一; 沼田 正美; 遠藤 慎也; 小野澤 淳; 高橋 広幸; 菊地 泰二; 石川 和義; 吉川 勝則; 仲田 祐仁; et al.

no journal, , 

「長寿命プラント照射損傷管理技術に関する研究開発」において、材料の照射損傷評価指標の確立に必要な常陽-JRR-3組合せ照射試料を取得するため、ホット試験施設(WASTEF:$$underline{Wa}$$ste $$underline{S}$$afety $$underline{Te}$$sting $$underline{F}$$acility)を利用したJRR-3再照射用キャプセルの組立技術を開発し、世界初の実炉組合せ照射を可能とした。

口頭

SiC/SiCモデル複合材料の界面力学特性評価

小沢 和巳; 野澤 貴史; 谷川 博康; 加藤 雄大*; Snead, L. L.*

no journal, , 

先進SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の候補材料である。4種類の単繊維束(Hi-Nicalon Type-S (HNLS), Tyranno-SA3, Sylramic, Sylramic-iBN)に化学気相浸透法を用いてマトリックスを付与させた一方向繊維強化SiC/SiCモデル複合材料(ミニコンポジット)を用いて、除荷・再負荷サイクル引張試験による界面強度特性評価を実施した。サイクル引張試験後のヒステリシスループ解析の結果、Tyranno-SA3, Sylramic, Sylramic-iBN複合材料の引張強度は界面摩応力の増加とともに増加していたが、HNLS複合材料はこれに当てはまらなかった。HNLS複合材料は、他に比べ大きな径方向残留引張応力とより平滑な表面繊維粗さに起因して最大の引張強度が達成されたと考えられる。一方で、他の3種類の複合材料では、比較的大きな繊維表面粗さによって生じるクランピング応力の影響を引張強度が強く受けていることが考えられる。

口頭

Evaluation of damage tolerance of neutron-irradiated SiC/SiC composites

小沢 和巳; 加藤 雄大*; 野澤 貴史; Snead, L. L.*

no journal, , 

先進SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の先進ブランケット材料候補である。破壊抵抗に及ぼす中性子照射効果を調べるために、HFIR-18Jにて$$sim$$5.9$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$(${it E}$$$>$$0.1MeV), 800, 1300$$^{circ}$$Cの条件にて中性子照射した先進SiC/SiC複合材料を片側切欠き三点曲げ試験により評価した。非線形破壊力学に基づいたエネルギー収支解析、同条件で照射した引張試験並びにヒステリシスループ解析による界面摩擦応力解析の結果をすべて考慮すると、この条件における破壊抵抗に及ぼす中性子照射効果は重要ではないと結論づけられた。

口頭

Strength and interfacial properties of single fiber-tow CVI SiC/SiC minicomposites

小沢 和巳; 加藤 雄大*; 野澤 貴史; 谷川 博康; Snead, L. L.*

no journal, , 

先進SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の先進ブランケット材料として非常に魅力的である。本研究では、繊維と界面相厚さの違いによる影響を調べるために、非照射SiC/SiCミニコンポジットの引張強度特性と繊維/マトリックス界面強度特性を評価した。繊維表面粗さが界面摩擦応力に強い影響を及ぼしていること、並びに、その関係が最大引張強度に影響を与えることを実験的に明らかにした。また、引張強度並びに界面摩擦強度の界面相厚さ依存性も確認した。

口頭

単繊維押し抜き試験によるSiC/SiCモデル複合材料の界面局所力学特性評価

小沢 和巳; 野澤 貴史; 谷川 博康

no journal, , 

先進SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の候補材料として考えられる。近化学量論組成SiC繊維束(Tyranno-SA3、Hi-Nicalon Type-S)に化学気相浸透(CVI)法を用いてマトリックスを付与させ、SiC/PyC多層界面被覆を施した一方向繊維強化SiC/SiCモデル複合材料(ミニコンポジット)を、除荷・再負荷サイクル引張試験後のヒステリシスループ解析と単繊維押し抜き試験により界面強度特性を評価した。サイクル引張試験の結果、最も内側のPyC厚さが$$sim$$240, $$sim$$1150nmのHi-Nicalon Type-S材(TypeS-240, TypeS-1150)のみ擬延性破壊挙動を呈し、それ以外は極端に低い繊維体積率(5-10%)が主因の脆性破壊挙動を示した。TypeS-240, TypeS-1150の複合材料中の有効繊維束強度は元来の79-104%, 70-85%であった。ヒステリシスループ解析の結果からは、TypeS-240はTypeS-1150の約1.4倍の界面摩擦強度を示した。これらのミニコンポジットはともにCurtinのGlobal Load Sharing条件を満たし擬延性破壊挙動を示したが、後者は低い界面摩擦強度が原因で複合材料中にて元来の繊維束強度を発揮できなかったと考えられる。単繊維押し抜き試験からは界面相厚さ並びに繊維表面粗さ効果が認められた。

口頭

SiC/SiCモデル複合材料の引張・界面強度特性評価

小沢 和巳; 野澤 貴史; 谷川 博康

no journal, , 

繊維表面の熱分解界面相厚さが240, 1150nmである多層被覆界面を施した一方向繊維(Hi-Nicalon Type-S)強化ミニコンポジット(TypeS-240, TypeS-1150)に対し、除負荷/再負荷サイクル引張試験を実施した。TypeS-240, TypeS-1150の複合材料中の有効繊維束強度は元来の79-104%, 70-85%であった。ヒステリシスループ解析の結果からは、TypeS-1150はTypeS-240の約0.7倍の界面摩擦応力を示し、単繊維押し抜き試験でもこの界面摩擦応力の界面相厚さ依存性が確認できた。これらのミニコンポジットはともに擬延性破壊挙動を示したが、TypeS-1150は低い界面摩擦応力が原因で複合材料中にて元来の繊維束強度を発揮できなかったと考えられる。

口頭

アコースティックエミッション法による核融合炉用SiC/SiC複合材料の破損挙動の評価

野澤 貴史; 小沢 和巳; 谷川 博康

no journal, , 

核融合炉用SiC/SiC複合材料の最大の特徴は、繊維/マトリックス(F/M)界面での繊維の引き抜きによる擬延性を獲得することにある。本研究は、アコースティックエミッション(AE)法を適用することで、核融合炉用SiC/SiC複合材料の擬延性過程の詳細を解明することを主目的に、特にAEデータにウェーブレット解析を初めて適用することで破損時のAE挙動の時間応答について評価を行った。その結果、引張試験における応力-ひずみ曲線の比例限度応力以下において、マトリックスクラックの進展が開始し、F/M界面での繊維の滑りと同時に擬延性挙動に移行することが明らかとなった。今回の核融合炉用SiC/SiC複合材料は、その粗い繊維表面に起因して強い摩擦力を有することに起因しており、開発初期の材料系のようにF/M界面の摩擦力が弱いものと大きく異なるものである。

口頭

Tensile and interfacial properties of SiC/SiC minicomposites

小沢 和巳; 野澤 貴史; 谷川 博康

no journal, , 

SiC/SiC複合材料は核融合ブランケット機能材料として研究開発が進められている。より損傷が許容される複合材料の創製のためには、照射前後での繊維/界面特性が系統的に理解される必要がある。この目的のためにはモデルコンポジット(ミニコンポジット)を用いたアプローチが適している。本研究では、高結晶性かつ近化学量論組成のSiC繊維を用いた非照射SiC/SiC複合材料の引張・界面強度特性に及ぼす繊維の違いと界面厚さに及ぼす影響を調べた。除負荷-再負荷サイクル引張試験とその後のヒステリシスループ解析や単繊維押し抜き試験の結果、(1)繊維表面粗さが界面摩擦応力、並びに応力ひずみ曲線やヒステリシスループ幅に代表される引張特性に顕著な影響を与えること、(2)界面層厚さも界面・引張強度特性に強い影響を及ぼすことが判明した。

口頭

Microstructure investigation on SiC by nano-infiltration transient eutectic process after triple ion beam bombardment

小沢 和巳; 小柳 孝彰*; 田口 富嗣; 野澤 貴史; 谷川 博康; 近藤 創介*; 檜木 達也*

no journal, , 

SiC/SiC複合材料は核融合DEMO炉の機能・構造材料候補である。核変換ヘリウム及び水素が微細組織(特にキャビティスウェリング)に及ぼす影響を調べるため、ナノインフィルトレーション遷移共晶(NITE)法で作製されたモノリシックSiC(助剤として6wt%のY$$_{2}$$O$$_{3}$$-Al$$_{2}$$O$$_{3}$$を含む)を1000$$^{circ}$$C, 10dpa, 130appmHe/dpa, 40・400appmH/dpaの条件下でイオン照射した後、TEM微細組織観察に供した。その結果、この照射条件下では、SiC結晶粒内に生じる直径2nm程度のキャビティ形成に及ぼす顕著な水素効果は確認できず、形成は高密度であるもののサイズが小さいため、スウェリングに顕著な影響が生じないことが明らかとなった。加えて、SiC-YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)粒界上には同条件でイオン照射したCVI-SiC試料と比べて3-5倍程度の大きさのキャビティの形成が確認されたが、数密度が極端に低いため、これらもスウェリングに寄与することはないことが示唆される。今後は、純SiC中には存在しない不純物であるYAG粒内とその周辺の微細組織発達過程を明らかにしていく。

口頭

ナノインフィルトレーション遷移共晶法で作製されたモノリシックSiCのイオン照射後微細組織に及ぼす核変換水素の影響

小沢 和巳; 小柳 孝彰*; 田口 富嗣; 野澤 貴史; 谷川 博康; 近藤 創介*; 檜木 達也*

no journal, , 

先進SiC/SiC複合材料は核融合実証(DEMO)炉の候補材料として期待されている。炉材料としての実現のためには、核変換反応生成物であるHeとHの与える影響を、微細組織のレベルから明らかにすることが望まれている。高純度な$$beta$$-SiCの方のHe効果は理解が進んでいるものの、新規製法であり、マトリックスにプロセス添加剤に由来する第二相を含むNITE(ナノインフィルトレーション遷移共晶)法SiC/SiC複合材料ではその知見が著しく限られている。そこで、本研究では、上記材料のモノリシック成分であるNITE-SiCに対し二重・三重イオン同時照射を実施し、1000$$^{circ}$$C, $$sim$$30dpaまでの、キャビティ又はループ等に代表される点欠陥クラスター微細組織発達過程に及ぼす核変換H原子の影響について検討した。

口頭

デジタル画像相関法を用いた核融合炉用SiC/SiC複合材料の層間剥離挙動評価

野澤 貴史; 中田 隼矢; 小沢 和巳; 谷川 博康

no journal, , 

SiC/SiC複合材料は核融合炉用先進ブランケットの有力な候補材料である。核融合環境下では、プラズマからの熱・中性子負荷のため、材料内に過度な熱勾配が生じ、熱膨張やスウェリングの違いに起因して残留ひずみが発生する。その際、複合材料固有の織物構造に起因した異方性のため、試験モードの中でも特に脆弱な層間剥離挙動の理解は構造安定性を議論するうえで極めて重要な課題となる。本研究は、層間剥離挙動の解明を主目標に、くさび型試験片を用いた圧縮負荷による層間剥離試験を行った。特に、瞬時的な破壊の過程を高速度ビデオカメラで観察すると同時に、デジタル画像相関法を併用することで材料表面の局所ひずみ分布の微視き裂の蓄積に伴う変化を可視化する手法について検討を行った。本講演では、層間剥離メカニズムの詳細について明らかにすると同時に、引張や径圧縮試験などの従来試験法で得られた知見との違いについても議論する。

口頭

Tensile and interfacial properties of unidirectional advanced SiC/SiC minicomposites

小沢 和巳; 野澤 貴史; 谷川 博康; 加藤 雄大*; Snead, L. L.*

no journal, , 

SiC/SiC複合材料は核融合ブランケット機能材料として研究開発が進められている。より損傷が許容される複合材料の創製のためには、照射前後での繊維/界面特性が系統的に理解される必要がある。この目的のためにはモデルコンポジット(ミニコンポジット)を用いたアプローチが適している。除負荷-再負荷サイクル引張試験とその後のヒステリシスループ解析や単繊維押し抜き試験を用いて、高結晶性かつ近化学量論組成のSiC繊維を用いた非照射SiC/SiC複合材料の引張・界面強度特性に及ぼす繊維の違いと界面厚さに及ぼす影響を調べた。その結果、(1)繊維表面粗さが界面摩擦応力、並びに応力ひずみ曲線やヒステリシスループ幅に代表される引張特性に顕著な影響を与えること、(2)界面層厚さも界面・引張強度特性に強い影響を及ぼすことが判明した。

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