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論文

炭素繊維強化炭素複合材料の原子力分野への応用

石原 正博

炭素, (208), p.135 - 144, 2003/09

炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材)は、高い耐熱性から原子力分野において有望な構造材の一つとして考えられている。出口ガス温度が最大約1000$$^{circ}C$$となる高温ガス炉では、制御棒被覆管や炉心拘束機構などの高性能炉内構造物への応用が期待されている。さらに、核融合炉では、高温で高中性子照射及び粒子衝突を受けるプラズマ対向機器への応用が期待されている。本稿では、両炉へのC/C複合材の応用についての研究開発の現状を述べるとともに、今後の展望について述べる。

論文

高温ガス炉直接発電システム用高強度3D-C/Cコンポジット製タービンディスク模擬試験体の回転強度試験,2

石山 新太郎; 武藤 康

日本金属学会誌, 66(6), p.662 - 669, 2002/06

高温ガス炉ガスタービン発電システム(HTGR-GT)用ターボ機器の軽量化を目的に、目標周速度500m/sを達成するためのC/Cコンポジット材を用いたタービンディスクモデル(外径$$times$$内径$$times$$厚さ=$$phi$$450mm$$times$$$$phi$$250mm$$times$$40mmt)の試作を行うとともに、このディスクモデルの高速回転試験の結果、下記結論が得られた。(1)ディスクモデル周方向,半径方向及び厚み方向への炭素繊維含有量をそれぞれ40vol%,10vol%及び4vol%としたC/Cコンポジットディスクモデルに、SiC化I-CVI法による緻密化処理を施すことにより、ディスク表面から厚み中央部にかけてマトリックス材中に2.5~20$$mu$$mのSiC層を形成することができた。(2)ディスクモデルのSiC化I-CVI処理は、ディスク構造強化ならびに高速回転試験における周方向炭素繊維剥離防止に効果があることが明らかとなった。(3)ディスクモデルの高速回転試験の結果、当初目標周速度(500m/s)を達成した。この達成値は、過去の二~三次元強化C/Cコンポジット製小型ディスク試作体のスピンテストで達成された値としては最高値である。(4)高速回転試験中のディスクモデルの破壊プロセスは、ディスク内径側からの亀裂発生とその伝播が外径表面に至る過程で生じることを明らかにした。

論文

High heat load tests of neutron-irradiated divertor mockups

石塚 悦男; 内田 宗範*; 佐藤 和義; 秋場 真人; 河村 弘

Fusion Engineering and Design, 56-57, p.421 - 425, 2001/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.11(Nuclear Science & Technology)

炭素繊維強化炭素複合材とアルミナ分散強化銅からなるダイバータモックアップを中性子照射し、高熱負荷試験を実施した。試料の照射条件は、照射温度が約300$$^{circ}C$$、照射損傷量が0.3及び0.4dpaであった。高熱負荷試験は、熱流束を5MW/m$$^{2}$$、加熱及び冷却時間を10秒として実施した。この際、冷却水の流速及び圧力は、各々11m/s及び1.5MPaであった。試験の結果、0.3dpaまで照射した試料の表面温度は約800$$^{circ}C$$となり、未照射試料により約400$$^{circ}C$$高くなり、0.4dpaの試料では1100$$^{circ}C$$となることが明らかとなった。この原因は、中性子照射によって、炭素繊維強化炭素複合材の熱伝導率が低下したためと考えられる。さらに、同じ高熱負荷試験条件で1000回の熱サイクル試験を実施した結果、炭素繊維強化複合材とアルミナ分散強化銅の剥離はなく、冷却性能が低下しないことを確認した。

論文

Thermal cycle experiments of neutron-irradiated CFC/Cu mock-ups

佐藤 和義; 石塚 悦男; 内田 宗範*; 河村 弘; 江里 幸一郎; 谷口 正樹; 秋場 真人

Physica Scripta, T91, p.113 - 116, 2001/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.52(Physics, Multidisciplinary)

2種類のアーマ材からなるダイバータ模擬試験体を中性子照射して高熱負荷試験を実施し、アーマ材の影響を調べた。試験体は、1次元及び2次元の炭素繊維強化炭素複合(CFC)アーマ材とアルミナ分散強化銅製冷却構造体からなり、無酸素銅の中間層を介して銀ろうで接合した構造である。試験体の照射温度は280~320$$^{circ}C$$、照射損傷量0.3~0.5dpaである。本試験体をITER定常熱負荷条件を模擬した5MW/m$$^{2}$$で10s間の加熱を実施した結果、照射量0.43dpaの1次元材及び2次元CFC材の表面温度は、それぞれ650$$^{circ}C$$及び1200$$^{circ}C$$に達し、未照射材より高くなった。これ、CFC材の熱伝導率が中性子照射によって低下したためであるが、その低下する割合は1次元及び2次元とも同程度であった。また、1000回の熱サイクル試験を実施した結果、接合部の剥離等は認められなかった。

報告書

炭素繊維の加熱処理にともなう引張特性とX線パラメータの変化

斎藤 保; 馬場 信一; 衛藤 基邦

JAERI-Research 99-070, p.21 - 0, 2000/01

JAERI-Research-99-070.pdf:1.32MB

次世代の高性能材料の一つとしてC/C複合材料は原子力の分野でも注目されている。この材料のもつ軽量で機械的強度が高く、優れた熱特性を示すという利点は主原料となる炭素繊維の特性を生かしたもので、繊維を改良することによりC/C材の機能性をさらに高めることができる。本研究は炭素繊維の高性能化に必要な基礎データを得ることを目的としたもので、繊維の引張特性に及ぼす加熱処理温度の影響を検討した。最高2800$$^{circ}C$$までの所定の温度で加熱処理したPAN系繊維について引張強度とヤング率の変化を測定し、同繊維の熱処理にともなう結晶構造の変化との関係を検討した。その結果、炭素繊維のヤング率の増加を結晶子の配向性の変化と関連づける既存のモデルを改良したほか、繊維の破断強度の低下に及ぼす結晶成長の影響について論じた。

論文

Temperature and angular dependences of sputtering yield of B$$_{4}$$C-carbon fiber composite irradiated with low energy deuterium ions

神保 龍太郎*; 中村 和幸; Bandourko, V.*; 大楽 正幸; 奥村 義和; 秋場 真人

Journal of Nuclear Materials, 266-269, p.1103 - 1107, 1999/00

 被引用回数:5 パーセンタイル:57.45(Materials Science, Multidisciplinary)

次世代核融合実験炉におけるダイバータ表面の化学的スパッター状況をシミュレートする目的で、超低エネルギーイオン源(SLEIS)を用いた。200~700$$^{circ}$$CにおけるB$$_{4}$$C-炭素繊維複合材料のスパッター率はSiC添加CFC材とほぼ等しく、2次元CFC材より明らかに小さいこと、化学的スパッター率は入射角度に依存しないことを明らかにした。

論文

Development of divertor plate with CFCs bouded onto DSCu cooling tube for fusion reactor application

鈴木 哲; 鈴木 隆之*; 荒木 政則; 中村 和幸; 秋場 真人

Journal of Nuclear Materials, 258-263, p.318 - 322, 1998/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:40.77

核融合実験炉用ダイバータ板模擬試験体の高熱負荷実験について報告する。試験体は表面材料に高熱伝導率をもつCFC材料を使用し、冷却管には疲労強度が高く、接合性にも優れたアルミナ分散強化銅製の2重管を使用している。本試験体、並びに比較のための純銅製冷却管をもつ試験体に対して定常熱負荷(20MW/m$$^{2}$$)をくり返し与え、熱疲労強度を評価する実験を行った。その結果、純銅製冷却管をもつ試験体は約400サイクルで冷却管が疲労により破損した。一方、アルミナ分散強化銅製冷却管をもつ試験体は顕著な疲労損傷を受けることなく1000サイクルの負荷に耐えることを実証し、本冷却管の疲労強度における優位性を示した。

論文

Temperature dependence of sputtering yield of carbon fiber-reinforced carbon composites with low energy and high flux deuterium ions

神保 龍太郎*; 中村 和幸; Bandourko, V.*; 奥村 義和; 秋場 真人

Journal of Nuclear Materials, 258-263, p.724 - 728, 1998/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:40.77(Materials Science, Multidisciplinary)

次世代核融合実験炉のダイバータにおけるスパッター条件を模擬する目的で、超低エネルギーイオン源(SLEIS)を用いて、200~800$$^{circ}$$C(化学的スパッター域)における1次元、2次元及び3次元CFC材と等方性黒鉛材及びB$$_{4}$$C添加1次元CFC材の重水素イオンによるスパッター率の温度及び照射角度依存性を調べた。その結果、1~3次元CFC材は、等方性黒鉛と同様な温度依存性を示したが、B$$_{4}$$C添加CFC材は、これらよりやや低い値を示した。B$$_{4}$$C添加CFC材では、照射角度の増加とともにスパッター率が減少したが、1次元CFC材では、照射角度依存性は見られなかった。

論文

核融合炉用プラズマ対向材料としての炭化ホウ素-炭素繊維複合セラミックスの開発,第3報; 電子ビーム照射及びJT-60プラズマ放電による耐熱性評価

神保 龍太郎*; 西堂 雅博; 中村 和幸; 秋場 真人; 鈴木 哲; 大楽 正幸; 中川 師夫*; 鈴木 康隆*; 千葉 秋雄*; 後藤 純孝*

日本セラミックス協会学術論文誌, 105(1228), p.1091 - 1098, 1997/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:80.63(Materials Science, Ceramics)

C/C材の次の新プラズマ対向材料として、B$$_{4}$$Cと炭素繊維から成る複合セラミックスを、ホットプレス法で作り、試験片を冷却せずに、電子ビームとJT-60のプラズマ加熱による熱負荷試験を行って耐熱性を評価した。高熱伝導(640W/m・K)の縦糸と折れ難い高強度(3.5GPa)の横糸炭素繊維から成る平織り(布)を作り、B$$_{4}$$Cを含浸後、渦巻き状にして焼結した複合セラミックスでは、22MW/m$$^{2}$$(5秒)の電子ビーム照射により、表面が2500$$^{circ}$$Cになり、B$$_{4}$$Cが一部溶融しても、クラックは発生しなかった。同材料のタイルをJT-60のダイバータに設置し、中性粒子入射加熱(30MW,2秒)を含む15秒のプラズマ放電を572回繰返しても、局所的溶融は起るものの、クラックの発生は見られなかった。溶融は、表面がB$$_{4}$$Cの融点を越えたためで、ITERで予定されている水冷を行えば、避けられる見込みである。

報告書

Development of oxidation resistant SiC/C compositionally gradient materials

藤井 貴美夫; 中野 純一; 新藤 雅美

JAERI-M 94-001, 15 Pages, 1994/01

JAERI-M-94-001.pdf:0.49MB

表面SiC被覆層、SiC/C中間層及び基材から構成されるSiC/C傾斜組成炭素及びSiC/C傾斜組成炭素繊維強化炭素材の試作材の酸化特性を評価するため、各試作材のSiC/C傾斜組成材以外の3種類の材料、すなわち基材、SiC/C中間層付の基材及び表面SiC被覆材、とともに800$$^{circ}$$Cの空気中で最長100時間の酸化試験を実施した。炭素材及び炭素繊維強化炭素材系ともにSiC/C傾斜組成材が最も優れた耐酸化性を示すこと及びSiC/C傾斜組成材の概念が黒鉛材同様炭素材及び炭素繊維強化炭素材に適応できることを明らかにした。

論文

Thermal diffusivity of neutron-irradiated carbon-carbon composites

松尾 秀人; 長崎 正雅

Journal of Nuclear Materials, 217, p.300 - 303, 1994/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.73(Materials Science, Multidisciplinary)

2種類の二次元炭素繊維強化複合材料をJMTRで最高1.98$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$29fJ)まで640~1070$$^{circ}$$Cで中性子照射し、熱拡散率の変化を調べた。熱拡散率は照射によって低下し、特に照射量の低い時に大きく減少し、照射量の増加とともに徐々に低下する傾向が認められた。照射前の値に規格化した相対的な熱拡散率の変化は、測定温度の低い領域で大きくて、温度が高くなるにしたがって小さくなり、また照射量の増加とともに大きくなる傾向を示した。熱拡散率と密接に関連している熱伝導度の変化についても考察した。

論文

Operation experiences with JT-60U plasma facing components and evaluation tests of B$$_{4}$$C-overlaid CFC/graphites

安東 俊郎; 山本 正弘; 新井 貴; 神永 敦嗣; 笹島 唯之; 西堂 雅博; 神保 龍太郎*; 児玉 幸三; 清水 正亜; 秋場 真人; et al.

Fusion Technology 1992, p.161 - 165, 1993/00

JT-60Uダイバータ板を高精度で取付け調整し、さらにその場で微小テーパ加工を行うことによって、CFC材タイルの損耗を顕著に軽減することができた。またダイバータトレース部のタイル表面には光沢のあるカーボンの再付着層があり、オフトレース部には黒色の煤けた付着層が認められた。カーボンの再付着層に関するプラズマ表面相互作用研究が重要であることが判明した。CVR(気相化学反応)法、CVD法およびプラズマスプレー法により作製したB$$_{4}$$C表面改質CFC/黒鉛材の熱負荷特性、エロージョン収率、重水素リテンション特性およびJT-60U実機試験を行い、CVR-B$$_{4}$$C改質材が最も優れた特性を有すること、またJT-60Uでの使用に十分耐え得ることを確認した。

論文

Effect of neutron irradiation on dimensional changes of carbon-carbon composites

松尾 秀人; 長崎 正雅

Journal of Nuclear Materials, 207, p.330 - 332, 1993/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:48.63(Materials Science, Multidisciplinary)

二次元炭素繊維強化複合材料をJMTRで655~1070$$^{circ}$$Cで最高1.6$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$29fJ)まで照射して、巨視的な寸法、体積、微構造の中性子照射による変化を調べた。巨視的な寸法は、繊維軸のそろった方向では収縮し、それに垂直方向では膨張するが、体積はすべて収縮するのが認められた。これらの変化量は照射前の熱処理温度が高い程小さく、また繊維がランダム配向である程小さいのが認められた。さらに繊維の微構造の変化をみるためにラマンスペクトルを測定した結果、照射による結晶構造の乱れが認められた。これらのことから高温での中性子照射による寸法安定性の良好な材料を開発するための1つの基礎データが得られた。

論文

炭素繊維の径方向熱膨張係数の測定

斎藤 保; 野村 真三; 今井 久

炭素, 146, p.22 - 26, 1991/00

炭素繊維は複合材料に欠かせない重要な素材であるが、その特性測定はきわめて困難である。これはその寸法のためで、とくに直径方向において難しい。ここでは走査電子顕微鏡に高温ステージを取り付け、画像の温度変化を解析することにより、径方向の熱膨張係数を測定した。また、繊維軸まわりの結晶の配向関数を測定し、単結晶の熱膨張係数を用いて同じ熱膨張係数を計算で求めた。2つの異なった方法で得た熱膨張係数は満足のいく、一致を示し、画像解析による熱膨張係数測定法が、炭素繊維の径方向熱膨張の測定に大変有効であることが分かった。

報告書

PEEKをマトリックスとした炭素繊維強化複合材料の電子線照射効果

貴家 恒男; 萩原 幸; 小田島 敏浩*; 坂井 英男*; 中倉 敏行*; 升谷 正宏*

JAERI-M 87-048, 29 Pages, 1987/03

JAERI-M-87-048.pdf:1.51MB

熱可塑性のポリアリルエ-テルスルフォン(PES),ポリアリルエ-テル・エ-テル・ケトン(PEEK)をマトリックスとした炭素繊維複合材料を調整し、その電子線照射効果を検討した。PES複合材料は3MGy以上の照射で層間剥離を起こすようになり劣化した。PEEK複合材料は180MGyの照射後も機械特性の劣化が少なく、繊維破断で破壊し、優れた耐放射線を示した。あらかじめ炭素繊維をPESで表面処理したのち複合化したPEEK-PES複合材料はPEEK複合材料より耐放射線性が劣るが、90MGy照射後も初期強度の85%を保持していた。120MGy以上の照射では繊維破断に加えて層間剥離も起こるようになった。PEEK-PES複合材料の動的粘弾性測定から、繊維表面のPESの劣化により繊維~マトリックス界面が損傷を起こし、複合材料を劣化させる事が明かとなった。

論文

全芳香族ポリマーの放射線照射効果,III; PEEKをマトリックスとした繊維強化複合材の電子線照射効果

貴家 恒男; 萩原 幸; 小田島 敏浩*; 坂井 英男*; 中倉 敏行*; 升谷 正宏*

EIM-85-158, p.53 - 62, 1985/12

ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテル・エーテルケトン(PEEK)をマトリックスとした炭素繊維強化複合材料(それぞれ、PES-CF、PEEK-CF)の電子線照射効果の検討を行った。PES-CFは3MGy照射までは繊維破断型の破壊をするがそれ以上の線量ではマトリックスの劣化によるデラミネーションによって破壊した。PEEK-CFは繊維表面の処理剤としてPESを用いているにもかかわらず、180MGyの大線量照射されても繊維破断型の破壊様式を示した。PEEK-CFについての動的粘弾性測定の結果などの考察から、大線量照射によってCF~PES~PEEK間に化学結合が生成したために、大線量照射後も機械的特性を保持していると推察した。

論文

Analytical chemical studies on electrode processes by column coulometry, 2; Studies on the electrode processes of uranium and plutonium in aqueous solutions

木原 壮林

J.Electroanal.Chem., 45(1), p.45 - 58, 1973/01

 被引用回数:16

塩化物溶液系のウラン、過塩素酸溶液系のプルトニウムの電極反応の機構を炭素繊維を作用電極とするカラム電極を用いて調べた。ウラン、プルトニウムの全イオン種について、酸化還元挙動が明らかになった(U(III)$$rightarrow$$U(O),Pu(III)$$rightarrow$$U(V),Pu(V)の還元、U(IV),Pu(IV)の酸化については特に詳細な検討を行った。本報において、かなり電極反応速度の遅い物質についてもカラム電極でその酸化還元機構を解明しうることが明らかにされた。

口頭

Fabrication of tungsten and carbon clad plates by sinter bonding methods

岸本 弘立*; 俣野 実*; 朝倉 勇貴*; 福本 正勝; 久保 博孝

no journal, , 

Tungsten is one of the candidates for a plasma-facing material in a future fusion device. In the future of JT-60SA, plasma-facing components of carbon are planned to be replaced to those of tungsten. However, tungsten blocks are too heavy for the structure of JT-60SA. Joining of thin tungsten plates to carbon substrates is an alternative candidate. In this study, a tungsten plate has successfully been joined to graphite and carbon fiber composites (CFC) by a sinter bonding method with a thin silicon carbide (SiC) sheet under argon gas atmosphere with a pressure and temperature of 20 MPa and 1900 $$^{circ}$$C, respectively. Composition analysis of the interface indicated that silicon diffuses into the tungsten plate and carbon substrate and carbon diffuses into the tungsten plate. The SiC sheet disappeared after the joining. These results indicate that the SiC sheet plays an important role for joining of the tungsten and carbon plates.

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