JP2016013950A - 管状体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 四角形など多角形のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を製造するための有効な製造方法を提供する。
【解決手段】 長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにＳｉＣ繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のＳｉＣ繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、前記巻回体にＳｉＣ−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、からなり、前記ＳｉＣ繊維層は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい管状体の製造方法。
【選択図】 図３
【解決手段】 長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにＳｉＣ繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のＳｉＣ繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、前記巻回体にＳｉＣ−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、からなり、前記ＳｉＣ繊維層は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい管状体の製造方法。
【選択図】 図３
Description
本発明は、セラミック／セラミック複合材及びＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなる多角形の管状体の製造方法に関する。
ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなる管状体は、高強度のＳｉＣ繊維を骨材とし、主にＳｉＣがマトリックスを構成する。ＳｉＣは、耐熱性を有するとともに耐酸化性のある素材であるので、Ｃ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材）が使用できない酸化雰囲気下で使用できる特徴がある。
特許文献１には、セラミック繊維からなる骨材と前記セラミック繊維間に充填された炭素質とからなる管状の繊維強化炭素質基材の少なくとも外表面にＳｉＣ層が形成され、
前記繊維強化炭素質基材と前記ＳｉＣ層の境界領域から当該繊維強化炭素質基材の内部に向かってケイ素原子が拡散してなる管状体が記載されている。
このような管状体では、セラミック繊維の表面が、炭素質に接しているため、熱応力により発生するクラックを、セラミック繊維表面で止めることができ、管状体の内外を貫通するクラックが発生しにくい上、個々のセラミック繊維に被覆を設ける前処理が必要ないため工程が簡略化でき、性能向上によりさらには原子炉をより高温で運転できるため、エネルギー効率の高い原子炉を提供することができると共に使用寿命が長期化可能であることが記載されている。
前記繊維強化炭素質基材と前記ＳｉＣ層の境界領域から当該繊維強化炭素質基材の内部に向かってケイ素原子が拡散してなる管状体が記載されている。
このような管状体では、セラミック繊維の表面が、炭素質に接しているため、熱応力により発生するクラックを、セラミック繊維表面で止めることができ、管状体の内外を貫通するクラックが発生しにくい上、個々のセラミック繊維に被覆を設ける前処理が必要ないため工程が簡略化でき、性能向上によりさらには原子炉をより高温で運転できるため、エネルギー効率の高い原子炉を提供することができると共に使用寿命が長期化可能であることが記載されている。
しかしながら、前記記載のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体は、円筒形の形状に関する記載があるのみで、四角形など多角形の管状体に関しては何の記載もない。
実際多角形の管状体を製造する際には、円筒形状の管状体には無い課題がある。本発明では、四角形など多角形のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を製造するための有効な製造方法を提供することを目的とする。
実際多角形の管状体を製造する際には、円筒形状の管状体には無い課題がある。本発明では、四角形など多角形のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を製造するための有効な製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための本発明の管状体の製造方法は、
長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにセラミック繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のセラミック繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、
前記巻回体にセラミック−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、
前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、
からなり、前記セラミック繊維層は、最外層のセラミック繊維層が、最外層セラミック繊維層直下のセラミック繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とする。
長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにセラミック繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のセラミック繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、
前記巻回体にセラミック−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、
前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、
からなり、前記セラミック繊維層は、最外層のセラミック繊維層が、最外層セラミック繊維層直下のセラミック繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とする。
前記課題を解決するための本発明の管状体の製造方法は、長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにＳｉＣ繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のＳｉＣ繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、前記巻回体にＳｉＣ−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、からなり、前記ＳｉＣ繊維層は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とする。
ＳｉＣ繊維は高強度、高弾性の繊維であるため、引っ張りに対しては高強度を発揮する一方、歪みに対しては発生する応力が大きく、折れやすい性質を持っている。このため、鋭い曲げ加工が必要な多角形の管状体では、コーナー部分で繊維が折れ、毛羽立ちができやすくなる。本発明では、マンドレルの長手方向の辺にＲ面を有しているので、ＳｉＣ繊維の曲げに伴う応力を小さくでき折れにくくすることができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができ、曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができ、曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
また本発明の管状体の製造方法によれば、マンドレルの軸線に対する巻き角度が異なる複数層のＳｉＣ繊維層を有している。このため、管状体にかかる様々な方向の力に対し、いずれかのＳｉＣ繊維層に張力がかかるように配置される。このため、高強度の管状体を得ることができる。
さらに、複数層のＳｉＣ繊維層は、隙間をＣＶＤ−ＳｉＣによって充填されるので、繊維どうしを強く結びつけることができる。
さらに本発明の管状体の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記巻回工程と、前記ＣＶＤ工程との間に前記巻回体にコーティング材を塗布後、焼成するコーティング工程をさらに有する。
ＣＶＤ工程では高温に曝されるため、熱膨張差でＳｉＣ繊維に負担が掛かり毛羽立ちの発生原因となりやすい。本発明では、ＳｉＣ繊維の毛羽立ちの発生しやすいＣＶＤ工程の前に、コーティング工程を加えることでＳｉＣ繊維に繊維被覆層を形成するとともにＳｉＣ繊維を互いに結び付けているので、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
ＣＶＤ工程の原料ガスを流す段階で毛羽立ちがあると、毛羽立ちにもＣＶＤ−ＳｉＣが沈着し、原料ガスが巻回体の内部に充分行き渡らず、管状体にピンホールなど欠陥ができやすくなるが、このような構成にすることにより、一様にＣＶＤ−ＳｉＣが被覆され、毛羽立ちを原因とする欠陥の発生を抑止することができる。
また、コーティング工程により、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。繊維被覆層はＣＶＤ−ＳｉＣによるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に形成されるので、マトリックスから伸展するクラックをＳｉＣ繊維に伝達しないように応力を分散することができる。
これら作用により、高強度のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
（１）前記巻回工程と、前記ＣＶＤ工程との間に前記巻回体にコーティング材を塗布後、焼成するコーティング工程をさらに有する。
ＣＶＤ工程では高温に曝されるため、熱膨張差でＳｉＣ繊維に負担が掛かり毛羽立ちの発生原因となりやすい。本発明では、ＳｉＣ繊維の毛羽立ちの発生しやすいＣＶＤ工程の前に、コーティング工程を加えることでＳｉＣ繊維に繊維被覆層を形成するとともにＳｉＣ繊維を互いに結び付けているので、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
ＣＶＤ工程の原料ガスを流す段階で毛羽立ちがあると、毛羽立ちにもＣＶＤ−ＳｉＣが沈着し、原料ガスが巻回体の内部に充分行き渡らず、管状体にピンホールなど欠陥ができやすくなるが、このような構成にすることにより、一様にＣＶＤ−ＳｉＣが被覆され、毛羽立ちを原因とする欠陥の発生を抑止することができる。
また、コーティング工程により、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。繊維被覆層はＣＶＤ−ＳｉＣによるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に形成されるので、マトリックスから伸展するクラックをＳｉＣ繊維に伝達しないように応力を分散することができる。
これら作用により、高強度のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
（２）前記最外層のＳｉＣ繊維層は、マンドレルの軸線に対する巻き角度が３０〜６０度である。
最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、３０度以上であると、最外層のＳｉＣ繊維層が管状体に強固に巻き付けられるので、ＳｉＣ繊維層の剥離しにくい管状体を構成することができる。最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、６０度以下であると、マンドレルの長手方向の辺に沿って曲げられるＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径を大きくすることができ、歪みに伴う応力を緩和することができる。
最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、３０度以上であると、最外層のＳｉＣ繊維層が管状体に強固に巻き付けられるので、ＳｉＣ繊維層の剥離しにくい管状体を構成することができる。最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、６０度以下であると、マンドレルの長手方向の辺に沿って曲げられるＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径を大きくすることができ、歪みに伴う応力を緩和することができる。
（３）前記管状体は、断面が四角形である。
四角形の管状体であれば、複数の管状体を規則的に配列することができる上に、管状体の内部に様々なものを収納することができ、空間を有効に利用できる。
四角形の管状体であれば、複数の管状体を規則的に配列することができる上に、管状体の内部に様々なものを収納することができ、空間を有効に利用できる。
（４）前記Ｒ面形状部の曲率半径は、５〜２０ｍｍである。
Ｒ面形状部の曲率半径が、５ｍｍ以上であると、Ｒ面に沿って曲がるＳｉＣ繊維にかかる応力を緩和することができる。Ｒ面形状部の曲率半径が、２０ｍｍ以下であると、Ｒ面形状部によってできる利用できない空間を少なくすることができる。
Ｒ面形状部の曲率半径が、５ｍｍ以上であると、Ｒ面に沿って曲がるＳｉＣ繊維にかかる応力を緩和することができる。Ｒ面形状部の曲率半径が、２０ｍｍ以下であると、Ｒ面形状部によってできる利用できない空間を少なくすることができる。
（５）前記ＳｉＣ繊維は、繊維直径が５〜２０μｍである。
ＳｉＣ繊維の繊維直径が５μｍ以上であると繊維表面に発生する微少な傷などの欠陥の影響を小さくすることができ、折れにくくすることができる。ＳｉＣ繊維の繊維直径が２０μｍ以下であると、曲げに伴って延びる側の外表面に発生する張力を抑制することができ、折れにくくすることができる。
ＳｉＣ繊維の繊維直径が５μｍ以上であると繊維表面に発生する微少な傷などの欠陥の影響を小さくすることができ、折れにくくすることができる。ＳｉＣ繊維の繊維直径が２０μｍ以下であると、曲げに伴って延びる側の外表面に発生する張力を抑制することができ、折れにくくすることができる。
（６）前記コーティング材は、金属元素、シリコン、炭素、ホウ素から選択される１または２以上の元素を含有する化合物である。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
（７）前記管状体は、原子力用である。
本発明から得られる管状体は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で構成され、耐熱性を有している上に、高い強度を備えているので、原子力燃料を収納するチャンネルボックスなど原子力用として好適に利用することができる。
本発明から得られる管状体は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で構成され、耐熱性を有している上に、高い強度を備えているので、原子力燃料を収納するチャンネルボックスなど原子力用として好適に利用することができる。
本発明によれば、マンドレルの長手方向の辺にＲ面を有しているので、ＳｉＣ繊維の曲げに伴う応力を小さくでき折れにくくすることができ、毛羽立ちを防止することができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができる。このため曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
ＣＶＤ工程の原料ガスを流す段階で毛羽立ちがあると、毛羽立ちにもＣＶＤ−ＳｉＣが沈着し、原料ガスが巻回体の内部に充分行き渡らず、管状体にピンホールなど欠陥ができやすくなるが、このような構成にすることにより、一様にＣＶＤ−ＳｉＣが被覆され、毛羽立ちを原因とする欠陥の発生を抑止することができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができる。このため曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
ＣＶＤ工程の原料ガスを流す段階で毛羽立ちがあると、毛羽立ちにもＣＶＤ−ＳｉＣが沈着し、原料ガスが巻回体の内部に充分行き渡らず、管状体にピンホールなど欠陥ができやすくなるが、このような構成にすることにより、一様にＣＶＤ−ＳｉＣが被覆され、毛羽立ちを原因とする欠陥の発生を抑止することができる。
本明細書は、ＳｉＣ繊維と、ＣＶＤ−ＳｉＣのマトリックスにより構成されたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を中心に説明するが、セラミック繊維と、セラミック−ＣＶＤのマトリックスよりなるセラミック／セラミック複合材についても作用効果は同一である。ＳｉＣ繊維はセラミック繊維に対応し、ＣＶＤ−ＳｉＣは、セラミック−ＣＶＤに対応し、置き換えて説明可能である。
セラミック繊維としては、ＳｉＣ、チタンシリコンカーバイド、アルミナ、ＴａＣ、ＴａＮ、ＳｉＯ２などの繊維が挙げられ特に限定されない。ＣＶＤ−ＳｉＣとしては、ＳｉＣ、チタンシリコンカーバイド、アルミナ、ＴａＣ、ＴａＮ、ＳｉＯ２などが挙げられる。また、セラミック繊維、セラミック−ＣＶＤの組合せについては特に限定されない。
セラミック繊維としては、ＳｉＣ、チタンシリコンカーバイド、アルミナ、ＴａＣ、ＴａＮ、ＳｉＯ２などの繊維が挙げられ特に限定されない。ＣＶＤ−ＳｉＣとしては、ＳｉＣ、チタンシリコンカーバイド、アルミナ、ＴａＣ、ＴａＮ、ＳｉＯ２などが挙げられる。また、セラミック繊維、セラミック−ＣＶＤの組合せについては特に限定されない。
本明細書において、マンドレルの軸線とは、マンドレルの長手方向の中心軸である。
本明細書において、マンドレルの軸線に対する巻き角度とは、ＳｉＣ繊維がマンドレルの軸線に平行な線と交わる角度である。０度の場合、ＳｉＣ繊維はマンドレルの長手方向に巻回され、９０度の場合、マンドレルを周回するように巻回される。
本明細書において、マンドレルの軸線に対する巻き角度とは、ＳｉＣ繊維がマンドレルの軸線に平行な線と交わる角度である。０度の場合、ＳｉＣ繊維はマンドレルの長手方向に巻回され、９０度の場合、マンドレルを周回するように巻回される。
本発明の管状体の製造方法は、長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにＳｉＣ繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のＳｉＣ繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、前記巻回体にＳｉＣ−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、からなり、前記ＳｉＣ繊維層は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とする。
ＳｉＣ繊維は高強度、高弾性の繊維であるため、引っ張りに対しては高強度を発揮する一方、歪みに対しては発生する応力が大きく、折れやすい性質を持っている。このため、鋭い曲げ加工が必要な多角形の管状体では、コーナー部分で繊維が折れ、毛羽立ちができやすくなる。本発明では、マンドレルの長手方向の辺にＲ面を有しているので、ＳｉＣ繊維の曲げに伴う応力を小さくでき折れにくくすることができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができ、曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
また、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さくなるように、マンドレルに巻回することにより、ＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径をより大きくすることができ、曲げに伴う応力を緩和することができる。さらに、マンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいＳｉＣ繊維層を最外層に配置することにより、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりも折れにくくできる。つまり毛羽立ちし易いＳｉＣ繊維層を、毛羽立ちしにくいＳｉＣ繊維層で覆い、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
また本発明の管状体の製造方法によれば、マンドレルの軸線に対する巻き角度が異なる複数層のＳｉＣ繊維層を有している。このため、管状体にかかる様々な方向の力に対し、いずれかのＳｉＣ繊維層に張力がかかるように配置される。このため、高強度の管状体を得ることができる。
さらに、複数層のＳｉＣ繊維層は、隙間をＣＶＤ−ＳｉＣによって充填されるので、繊維どうしを強く結びつけることができる。
さらに本発明の管状体の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記巻回工程と、前記ＣＶＤ工程との間に前記巻回体にコーティング材を塗布後、焼成するコーティング工程をさらに有する。
ＣＶＤ工程では高温に曝されるため、熱膨張差でＳｉＣ繊維に負担が掛かり毛羽立ちの発生原因となりやすい。本発明では、ＳｉＣ繊維の毛羽立ちの発生しやすいＣＶＤ工程の前に、コーティング工程を加えることでＳｉＣ繊維に繊維被覆層を形成するとともにＳｉＣ繊維を互いに結び付けているので、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
（１）前記巻回工程と、前記ＣＶＤ工程との間に前記巻回体にコーティング材を塗布後、焼成するコーティング工程をさらに有する。
ＣＶＤ工程では高温に曝されるため、熱膨張差でＳｉＣ繊維に負担が掛かり毛羽立ちの発生原因となりやすい。本発明では、ＳｉＣ繊維の毛羽立ちの発生しやすいＣＶＤ工程の前に、コーティング工程を加えることでＳｉＣ繊維に繊維被覆層を形成するとともにＳｉＣ繊維を互いに結び付けているので、毛羽立ちの発生を抑えることができる。
ＣＶＤ工程の原料ガスを流す段階で毛羽立ちがあると、毛羽立ちにもＣＶＤ−ＳｉＣが沈着し、原料ガスが巻回体の内部に充分行き渡らず、管状体にピンホールなど欠陥ができやすくなるが、このような構成にすることにより、一様にＣＶＤ−ＳｉＣが被覆され、毛羽立ちを原因とする欠陥の発生を抑止することができる。
また、コーティング工程により、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。繊維被覆層はＣＶＤ−ＳｉＣによるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に形成されるので、マトリックスから伸展するクラックをＳｉＣ繊維に伝達しないように応力を分散することができる。
これら作用により、高強度のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
また、コーティング工程により、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。繊維被覆層はＣＶＤ−ＳｉＣによるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に形成されるので、マトリックスから伸展するクラックをＳｉＣ繊維に伝達しないように応力を分散することができる。
これら作用により、高強度のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
（２）前記最外層のＳｉＣ繊維層は、マンドレルの軸線に対する巻き角度が３０〜６０度である。
最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、３０度以上であると、最外層のＳｉＣ繊維層が管状体に強固に巻き付けられるので、ＳｉＣ繊維層の剥離しにくい管状体を構成することができる。最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、６０度以下であると、マンドレルの長手方向の辺に沿って曲げられるＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径を大きくすることができ、歪みに伴う応力を緩和することができる。
最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、３０度以上であると、最外層のＳｉＣ繊維層が管状体に強固に巻き付けられるので、ＳｉＣ繊維層の剥離しにくい管状体を構成することができる。最外層のＳｉＣ繊維層のマンドレルの軸線に対する巻き角度が、６０度以下であると、マンドレルの長手方向の辺に沿って曲げられるＳｉＣ繊維の曲げの曲率半径を大きくすることができ、歪みに伴う応力を緩和することができる。
（３）前記管状体は、断面が四角形である。
四角形の管状体であれば、複数の管状体を規則的に配列することができる上に、管状体の内部に様々なものを収納することができ、空間を有効に利用できる。
四角形の管状体であれば、複数の管状体を規則的に配列することができる上に、管状体の内部に様々なものを収納することができ、空間を有効に利用できる。
（４）前記Ｒ面形状部の曲率半径は、５〜２０ｍｍである。
Ｒ面形状部の曲率半径が、５ｍｍ以上であると、Ｒ面に沿って曲がるＳｉＣ繊維にかかる応力を緩和することができる。Ｒ面形状部の曲率半径が、２０ｍｍ以下であると、Ｒ面形状部によってできる利用できない空間を少なくすることができる。
Ｒ面形状部の曲率半径が、５ｍｍ以上であると、Ｒ面に沿って曲がるＳｉＣ繊維にかかる応力を緩和することができる。Ｒ面形状部の曲率半径が、２０ｍｍ以下であると、Ｒ面形状部によってできる利用できない空間を少なくすることができる。
（５）前記ＳｉＣ繊維は、繊維直径が５〜２０μｍである。
ＳｉＣ繊維の繊維直径が５μｍ以上であると繊維表面に発生する微少な傷などの欠陥の影響を小さくすることができ、折れにくくすることができる。ＳｉＣ繊維の繊維直径が２０μｍ以下であると、曲げに伴って延びる側の外表面に発生する張力を抑制することができ、折れにくくすることができる。
ＳｉＣ繊維の繊維直径が５μｍ以上であると繊維表面に発生する微少な傷などの欠陥の影響を小さくすることができ、折れにくくすることができる。ＳｉＣ繊維の繊維直径が２０μｍ以下であると、曲げに伴って延びる側の外表面に発生する張力を抑制することができ、折れにくくすることができる。
（６）前記コーティング材は、金属元素、シリコン、炭素、ホウ素から選択される１または２以上の元素を含有する化合物である。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
（７）前記管状体は、原子力用である。
本発明から得られる管状体は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で構成され、耐熱性を有している上に、高い強度を備えているので、原子力燃料を収納するチャンネルボックスなど原子力用として好適に利用することができる。
本発明から得られる管状体は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で構成され、耐熱性を有している上に、高い強度を備えているので、原子力燃料を収納するチャンネルボックスなど原子力用として好適に利用することができる。
本発明の管状体の製造方法の実施形態１について説明する。（図１）
実施形態1の管状体の製造方法は、巻回工程（ａ）、コーティング工程（ｂ）、ＣＶＤ工程（ｃ）、マンドレル除去工程（ｄ）とからなる。
実施形態1の管状体の製造方法は、巻回工程（ａ）、コーティング工程（ｂ）、ＣＶＤ工程（ｃ）、マンドレル除去工程（ｄ）とからなる。
＜巻回工程＞図１（ａ）
本発明のマンドレルは、ＳｉＣ繊維を巻回したまま焼成、ＣＶＤ処理がされるので耐熱性を有するものであればよく、特に限定されない。例えば、黒鉛、ＳｉＣなどが利用できる。黒鉛としては、等方性黒鉛材などが利用でできる。等方性黒鉛材は、ＳｉＣと熱膨張係数が近いので加熱、冷却の過程で熱歪みが発生しにくい。
また、黒鉛は後のマンドレル除去工程で、空気酸化させて除去することができる利点もある。
黒鉛のマンドレルを回転させながら、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。ＳｉＣ繊維は特に限定されない。例えば、宇部興産社製ＳｉＣ繊維「チラノＳＡ」を用いることができる。繊維直径は７．５μｍである。
黒鉛のマンドレル１は、断面が１３０ｍｍの辺の長さの正方形であり、コーナー部分は１０ｍｍのＲ面形状部２がなされている。また、黒鉛のマンドレルの長さは１０００ｍｍである。図２にそのマンドレルの斜視図を示す。マンドレル１の長手方向の４辺にはＲ面形状部を有している。
本発明のマンドレルは、ＳｉＣ繊維を巻回したまま焼成、ＣＶＤ処理がされるので耐熱性を有するものであればよく、特に限定されない。例えば、黒鉛、ＳｉＣなどが利用できる。黒鉛としては、等方性黒鉛材などが利用でできる。等方性黒鉛材は、ＳｉＣと熱膨張係数が近いので加熱、冷却の過程で熱歪みが発生しにくい。
また、黒鉛は後のマンドレル除去工程で、空気酸化させて除去することができる利点もある。
黒鉛のマンドレルを回転させながら、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。ＳｉＣ繊維は特に限定されない。例えば、宇部興産社製ＳｉＣ繊維「チラノＳＡ」を用いることができる。繊維直径は７．５μｍである。
黒鉛のマンドレル１は、断面が１３０ｍｍの辺の長さの正方形であり、コーナー部分は１０ｍｍのＲ面形状部２がなされている。また、黒鉛のマンドレルの長さは１０００ｍｍである。図２にそのマンドレルの斜視図を示す。マンドレル１の長手方向の４辺にはＲ面形状部を有している。
実施形態１の巻回工程を、図３を用いて説明する。
１層目（ａ）では、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対し４５度となるようにマンドレルの長手方向に交互に移動させながら巻回する。交互に移動しながら巻回するので、表面に菱形の模様が形成されるヘリカル巻きとなる。
２層目（ｂ）では、マンドレルの軸線に対し０度となるように、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。
３層目（ｃ）では、マンドレルの軸線に直交するように、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。このような巻き方は、フープ巻きである。
４層目（ｄ）では、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対し４５度となるように交互に移動させながら巻回する。交互に移動しながら巻回するので、表面に菱形の模様が形成されるヘリカル巻きとなる。
このように４層のＳｉＣ繊維層を有する巻回体が得られる。
１層目（ａ）では、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対し４５度となるようにマンドレルの長手方向に交互に移動させながら巻回する。交互に移動しながら巻回するので、表面に菱形の模様が形成されるヘリカル巻きとなる。
２層目（ｂ）では、マンドレルの軸線に対し０度となるように、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。
３層目（ｃ）では、マンドレルの軸線に直交するように、複数のＳｉＣ繊維を束ねたストランドの形態で巻回する。このような巻き方は、フープ巻きである。
４層目（ｄ）では、ＳｉＣ繊維をマンドレルの軸線に対し４５度となるように交互に移動させながら巻回する。交互に移動しながら巻回するので、表面に菱形の模様が形成されるヘリカル巻きとなる。
このように４層のＳｉＣ繊維層を有する巻回体が得られる。
最外層である４層目のＳｉＣ繊維層は、マンドレルの軸線に対し４５度の巻き角度であり、最外層ＳｉＣ繊維層直下の３層目のＳｉＣ繊維層は、マンドレルの軸線に対し９０度の巻き角度である。このような構成にすることにより最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい巻回体がえられる。
長辺にＲ面形状部を有するマンドレルにＳｉＣ繊維を巻回するので、ＳｉＣ繊維に大きな曲げ応力が加わりにくくすることができる。
また、３層目のＳｉＣ繊維は、マンドレルの軸線に直交するようにＳｉＣ繊維が巻回されるのでマンドレルのＲ面形状部の曲率半径と同等の曲率半径で巻回される。これに対し、最外層の４層目のマンドレルでは、マンドレルの軸線に対し４５度の角度で巻回されるので、実際巻回されるＳｉＣ繊維の曲率半径は（１／ｃｏｓ４５°）倍、すなわち１．４１倍に緩和され、より折れにくくすることができる。
このような構成にすることにより、より折れにくくなったＳｉＣ繊維層で最外層が構成されるので、毛羽立ちを効率良く防止することができる。
長辺にＲ面形状部を有するマンドレルにＳｉＣ繊維を巻回するので、ＳｉＣ繊維に大きな曲げ応力が加わりにくくすることができる。
また、３層目のＳｉＣ繊維は、マンドレルの軸線に直交するようにＳｉＣ繊維が巻回されるのでマンドレルのＲ面形状部の曲率半径と同等の曲率半径で巻回される。これに対し、最外層の４層目のマンドレルでは、マンドレルの軸線に対し４５度の角度で巻回されるので、実際巻回されるＳｉＣ繊維の曲率半径は（１／ｃｏｓ４５°）倍、すなわち１．４１倍に緩和され、より折れにくくすることができる。
このような構成にすることにより、より折れにくくなったＳｉＣ繊維層で最外層が構成されるので、毛羽立ちを効率良く防止することができる。
＜コーティング工程＞図１（ｂ）
コーティング工程は必須ではないが、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を破壊しにくくする効果があるため、管状体の製造方法に用いることが望ましい。この効果について以下に説明する。
巻回体に、コーティング材を塗布した後焼成する。コーティング材としては、金属元素、シリコン、炭素、ホウ素から選択される１または２以上の元素を含有する化合物である。
実施形態１ではコーティング材として、フェノール樹脂を用い、焼成によって、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
他のコーティング材としては、例えば、ポリカルボシラン、ポリオルガノボロンシラザン、フラン樹脂などの有機物、有機金属化合物、ナノシリカなどのセラミック微細粒子などが利用できる。
焼成は、例えば４００〜１０００℃で処理することができる。焼成雰囲気は、形成する繊維被覆層の形態によって適宜選択することができ、例えば、カーボン系の繊維被覆層の場合には還元性雰囲気、酸化物系の繊維被覆層には酸化性雰囲気とすることにより、望ましい繊維被覆層を得ることができる。
コーティング工程は必須ではないが、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を破壊しにくくする効果があるため、管状体の製造方法に用いることが望ましい。この効果について以下に説明する。
巻回体に、コーティング材を塗布した後焼成する。コーティング材としては、金属元素、シリコン、炭素、ホウ素から選択される１または２以上の元素を含有する化合物である。
実施形態１ではコーティング材として、フェノール樹脂を用い、焼成によって、ＳｉＣ繊維の表面に繊維被覆層を形成する。
これらの化合物は、焼成によってＳｉＣ繊維の表面に残留し、繊維被覆層を形成する。繊維被覆層が、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックスとＳｉＣ繊維との界面に介在することにより、マトリックスからのクラックの伸展を抑制する作用がある。
他のコーティング材としては、例えば、ポリカルボシラン、ポリオルガノボロンシラザン、フラン樹脂などの有機物、有機金属化合物、ナノシリカなどのセラミック微細粒子などが利用できる。
焼成は、例えば４００〜１０００℃で処理することができる。焼成雰囲気は、形成する繊維被覆層の形態によって適宜選択することができ、例えば、カーボン系の繊維被覆層の場合には還元性雰囲気、酸化物系の繊維被覆層には酸化性雰囲気とすることにより、望ましい繊維被覆層を得ることができる。
＜ＣＶＤ工程＞
こうして得られた巻回体を、ＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ−ＳｉＣにより被覆する。
成膜温度は、例えば１０００〜１８００℃が利用できる。原料ガスは特に限定されない。例えば、シランガス／メタンガスの混合ガス、シランガス／メタンガスの混合ガス、メチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）などが利用できる。他に炉内分圧を調整するための水素ガスなどを適宜利用することができる。
ＣＶＤの形式は特に限定されないが、炉内のヒーターの輻射で炉内全体を暖めるホットウォール型、マンドレル内部に組み込まれたヒーターにより、巻回体のみを暖めるコールドウォール型のいずれでも利用することができる。コールドウォール型を用いた場合には、原料ガスを供給するノズルに被膜は形成されにくいので、効率良く成膜することができ、厚い被膜を容易に得ることができる。
なお、ＣＶＤ−ＳｉＣは、ＳｉＣ繊維間を充填するだけではなく、さらに沈積することによって、ＣＶＤ−ＳｉＣのみからなる表層部を有している。
こうして得られた巻回体を、ＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ−ＳｉＣにより被覆する。
成膜温度は、例えば１０００〜１８００℃が利用できる。原料ガスは特に限定されない。例えば、シランガス／メタンガスの混合ガス、シランガス／メタンガスの混合ガス、メチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）などが利用できる。他に炉内分圧を調整するための水素ガスなどを適宜利用することができる。
ＣＶＤの形式は特に限定されないが、炉内のヒーターの輻射で炉内全体を暖めるホットウォール型、マンドレル内部に組み込まれたヒーターにより、巻回体のみを暖めるコールドウォール型のいずれでも利用することができる。コールドウォール型を用いた場合には、原料ガスを供給するノズルに被膜は形成されにくいので、効率良く成膜することができ、厚い被膜を容易に得ることができる。
なお、ＣＶＤ−ＳｉＣは、ＳｉＣ繊維間を充填するだけではなく、さらに沈積することによって、ＣＶＤ−ＳｉＣのみからなる表層部を有している。
＜マンドレル除去工程＞
こうして得られたマンドレルを除去することにより、四角形のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
マンドレルの除去の方法は、特に限定されない。機械的に切削加工して除去する切削法、酸化雰囲気炉で燃焼させる燃焼法、油圧など外部からの力で引き抜く引き抜き法など、どのような方法でも利用でき、これらを併用しても良い。
さらに、管状体の両端を切断し、形状を整える。
こうして得られたマンドレルを除去することにより、四角形のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
マンドレルの除去の方法は、特に限定されない。機械的に切削加工して除去する切削法、酸化雰囲気炉で燃焼させる燃焼法、油圧など外部からの力で引き抜く引き抜き法など、どのような方法でも利用でき、これらを併用しても良い。
さらに、管状体の両端を切断し、形状を整える。
次に得られた管状体について説明する。図４は実施形態１の製造方法で得られた管状体の外観写真である。図５は、実施形態１の製造方法で得られた管状体の断面図である。
ＳｉＣ繊維層４と、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックス５を有している。ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックス５は、繊維間を充填するのみならず、さらに沈積し、ＣＶＤ−ＳｉＣのみからなる表層部を有している。
このようにして得られた管状体は、複数層のＳｉＣ繊維層４と、前記複数層のＳｉＣ繊維層を被覆する繊維被覆層８と、前記ＳｉＣ繊維層の隙間を充填するとともに外表面を構成するＣＶＤ−ＳｉＣ５とからなるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなる多角形の管状体であって、前記管状体の長手方向の辺は、Ｒ面６を有し、前記ＳｉＣ繊維層４は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい。
ＳｉＣ繊維層４と、ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックス５を有している。ＣＶＤ−ＳｉＣからなるマトリックス５は、繊維間を充填するのみならず、さらに沈積し、ＣＶＤ−ＳｉＣのみからなる表層部を有している。
このようにして得られた管状体は、複数層のＳｉＣ繊維層４と、前記複数層のＳｉＣ繊維層を被覆する繊維被覆層８と、前記ＳｉＣ繊維層の隙間を充填するとともに外表面を構成するＣＶＤ−ＳｉＣ５とからなるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなる多角形の管状体であって、前記管状体の長手方向の辺は、Ｒ面６を有し、前記ＳｉＣ繊維層４は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい。
また実施形態１の製造方法により得られる管状体１０は、マンドレルの軸線に対する巻き角度が異なる複数層のＳｉＣ繊維層４を有している。このため、管状体１０にかかる様々な方向の力に対し、いずれかのＳｉＣ繊維層４に張力がかかるように配置される。
複数層のＳｉＣ繊維層４は、隙間をＣＶＤ−ＳｉＣ５によって充填されるので、繊維どうしを強く結びつくことができる。このため高強度の管状体１０を得ることができる。
また、管状体１０の長手方向の辺は、Ｒ面６を有しているので、ＳｉＣ繊維が緩やかに曲がり、延びる側の繊維表面にかかる張力を小さくすることができる。ＳｉＣ繊維層４は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい。このため、繊維の毛羽立ちが少なく、ＣＶＤによって形成されるマトリックスは、毛羽立ちしたＳｉＣ繊維７への付着が少なく、ピンホールの少ないＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
また、管状体１０の長手方向の辺は、Ｒ面６を有しているので、ＳｉＣ繊維が緩やかに曲がり、延びる側の繊維表面にかかる張力を小さくすることができる。ＳｉＣ繊維層４は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さい。このため、繊維の毛羽立ちが少なく、ＣＶＤによって形成されるマトリックスは、毛羽立ちしたＳｉＣ繊維７への付着が少なく、ピンホールの少ないＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体を得ることができる。
原子力用途の燃料集合体材料にとして用いられる薄肉長尺角筒、薄肉長尺円筒などの様々な形状にも利用することができる。
１ マンドレル
２ Ｒ面形状部
３ マンドレルの軸線
４ ＳｉＣ繊維層
５ ＣＶＤ−ＳｉＣ（マトリックス）
６ Ｒ面
７ ＳｉＣ繊維
８ 繊維被覆層
１０ 管状体
２ Ｒ面形状部
３ マンドレルの軸線
４ ＳｉＣ繊維層
５ ＣＶＤ−ＳｉＣ（マトリックス）
６ Ｒ面
７ ＳｉＣ繊維
８ 繊維被覆層
１０ 管状体
Claims (9)
- 多角形の管状体の製造方法であって
長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにセラミック繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のセラミック繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、
前記巻回体にセラミック−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、
前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、
からなり、前記セラミック繊維層は、最外層のセラミック繊維層が、最外層セラミック繊維層直下のセラミック繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とするセラミック／セラミック複合材からなる多角形の管状体の製造方法。 - 多角形の管状体の製造方法であって
長手方向の辺にＲ面形状部を有する多角形マンドレルにＳｉＣ繊維を巻回し、マンドレルの軸線に対する巻き角度の異なる複数層のＳｉＣ繊維層が積層された巻回体を得る巻回工程と、
前記巻回体にＳｉＣ−ＣＶＤを被覆し、被覆体を形成するＣＶＤ工程と、
前記被覆体からマンドレルを除去するマンドレル除去工程と、
からなり、前記ＳｉＣ繊維層は、最外層のＳｉＣ繊維層が、最外層ＳｉＣ繊維層直下のＳｉＣ繊維層よりもマンドレルの軸線に対する巻き角度が小さいことを特徴とするＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなる多角形の管状体の製造方法。 - 前記巻回工程と、前記ＣＶＤ工程との間に
前記巻回体にコーティング材を塗布後、焼成するコーティング工程をさらに有することを特徴とする請求項1または２に記載の管状体の製造方法。 - 前記最外層のＳｉＣ繊維層は、マンドレルの軸線に対する巻き角度が３０〜６０度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の管状体の製造方法
- 前記管状体は、断面が四角形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の管状体の製造方法。
- 前記Ｒ面形状部の曲率半径は、５〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の管状体の製造方法。
- 前記ＳｉＣ繊維は、繊維直径が５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の管状体の製造方法。
- 前記コーティング材は、金属元素、シリコン、炭素、ホウ素から選択される１または２以上の元素を含有する化合物であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の管状体の製造方法。
- 前記管状体は、原子力用であることを特徴とする請求項１〜８に記載の管状体の製造方法
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