JP2016135727A - 管状体 - Google Patents

Abstract

【課題】外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体を提供する。
【解決手段】管状体１０は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１からなる内層体２０と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１からなる外層体３０と、内層体２０と外層体３０とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層４０と、からなる。このため、内層体２０あるいは外層体３０の破壊が生じても他方に直接的に波及しないので、外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体１０を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、管状体に関する。

セラミック材料は、一般に耐熱性、強度、耐食性が高いことから、過酷な環境下で使用する構造材料に広く用いられている。
特許文献１には、過酷な環境の一つである原子力発電所における燃料格納容器障壁等に使用される多層セラミックチューブの発明が記載されている。この多層セラミックチューブは、高純度β型化学量論的炭化ケイ素の内層、連続的β型化学量論的炭化ケイ素ファイバーの中間複合材層、及び細粒炭化ケイ素の外層を有する多層セラミックチューブからなり、原子力発電所または原子炉に使用される燃料棒のための被覆として使用するのに特に好適である。セラミックチューブは高い初期ひび割れ抵抗、剛度、極限強度、及び衝撃／熱衝撃抵抗を兼ね備えていることが記載されている。

すなわち、上記記載された発明は、多層セラミックチューブは、高度の初期ひび割れ抵抗、剛度、及び極限強さと共に、優れた機械的及び熱的衝撃抵抗を備え、このなかで中間複合材層は剛度が低いため、モノリスのひび割れを防止できることが記載されている。

特表２００８−５０１９７７号公報

しかしながら、上記記載された発明は、初期のひび割れ抵抗は備えているものの、一旦破壊が始まると、セラミックチューブ（管状体）を貫通するひび割れあるいは全体的な破損が起こる。特に上記セラミックチューブは、弾性率が高いので、外部、他の部材から加わる歪み、熱応力に対しては、大きな応力を発生し、破損にいたる。
例えば、原子炉内で中性子線照射によって発生するスウェリングなど、内部に挿入した核燃料、部材などが膨張する場合には、他の部材の変形によって歪みを生じさせ、大きな応力を発生させる。

上記課題を鑑み本発明では、外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体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は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなるとともに前記内層体の外側に配置された外層体と、前記内層体と前記外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなる。

本発明によれば、管状体が、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる外層体と、内層体と外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなる。このため、外部、他の部材から歪み、熱応力が加わり内層体あるいは外層体の破壊が生じても他方に直接的に波及しない。また、緩衝層は、外層体と、内層体とを部分的につないでいるので、管状体の外側から外層体または内層体を圧縮させる応力が加わっても、緩衝層が破壊されることにより応力を緩和し、他方に破壊を及びにくくすることができる。

さらに、内層体と、外層体とは、緩衝層により部分的につながれているので、熱が伝わりにくく、外層体あるいは内層体の内部に発生する温度差を緩やかにすることができる。このため、熱が伝達される側の層では、発生する熱応力の大きさを小さくすることができる。また、内層体と、外層体との間の緩衝層は、内層体と外層体とがそれぞれ異なる温度であっても、熱膨張差を容易に吸収することができるので、管状体の破壊を防止することができる。

また、内層体及び外層体はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材よりなる。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、クラックが入っても骨材であるＳｉＣ繊維が切断されにくく全体の形状を保持することができる。さらに、クラックが入っても残ったＳｉＣ繊維の弾力によってクラックが入ったままではあるものの、破損した側の層は元の形状に復元し、管状体としての機能を維持したまま継続して使用することができ、必要に応じて管状体を交換するまで性能を維持することができる。

さらに、本発明の管状体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記緩衝層は、前記内層体と前記外層体との間に架け渡された支持部と、前記支持部間に形成された空隙と、からなる。
本発明の管状体の緩衝層は、支持部と空隙とからなり、内層体と、外層体とは、支持部の部分で接続され、空隙の部分では、接続しない。
このため、緩衝層による内層体と外層体との接続は、相対的に弱くなる。内層体と外層体との間隔が広がる方向に応力が加わった場合には、支持部が破断し、内層体と外層体との間隔が狭まる方向に応力が加わった場合には、支持部が潰れる。このため、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層は保護され、管状体を貫通する破壊を防止することができる。

（２）前記支持部は、多孔質のＳｉＣである。
すなわち、支持部が、多孔体であると、内層体あるいは外層体と比較して緩衝層を破壊しやすくすることができるので、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層はより保護され、管状体を貫通する破壊をより防止することができる。

（３）前記第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材及び／または前記第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、ＳｉＣ繊維からなる骨材とＳｉＣマトリックスとからなり、前記ＳｉＣマトリックスは、ＰＩＰ−ＳｉＣ材またはＣＶＤ−ＳｉＣ材である。なお、ＰＩＰ（Polymer Infiltration and Pyrolysis）−ＳｉＣ材とは、樹脂を前駆体とするＳｉＣ材のことである。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維との境界が明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材ではあるが、表面から沈着し、ＳｉＣ繊維からなる骨材の奥には沈着しにくいので、ＳｉＣ繊維と、ＳｉＣマトリックスとが一体化せず、ＳｉＣ繊維による強化作用を発揮することができる。さらに、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

（４）前記ＳｉＣマトリックスは、ＳｉＣ繊維からなる前記骨材の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材と、前記骨材と前記充填材を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被覆材からなる。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維との境界が明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。一方、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。このため、高強度でありながら気密性の高い管状体を得ることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

（５）前記骨材は、ＳｉＣ繊維のストランドを編んだ組紐体である。
すなわち、組紐体は管状の骨材であり、シートを巻いたときにできる巻き始め、巻き終わりなどの端部がない。このため、組紐体が一重であっても、ほつれやすい端部は無い。このため、内層体及び／または外層体を薄く構成しても十分な強度を発揮でき、緩衝層を有していても、全体の厚みを小さくすることができる。さらに、内層体と外層体との間に空隙を有していても、全体の厚みを小さくすることができ設計の自由度を高めることができる。

（６）前記管状体は、原子力炉用構造部材である。
原子炉用構造部材では、中性子線照射によって発生するスウェリング、温度差など応力の発生原因が多数ある。スウェリングなどが発生すると、物質は膨張し、原子炉構造部材は互いに応力を発生させる。特に燃料棒、チャンネルボックスなど内部に他の部材を挿入して使用する管状体では、内部の部材の膨張は管状体の破損に結びつく。
本発明では、核燃料など内部の部材が膨張して、内層体側に応力がかかっても緩衝層が応力を吸収し、外層体側の破損を防止することができる。このため管状体そのものの破損をしにくくすることができる。また、ＳｉＣは中性子を吸収しにくいので原子炉用構造部材として好適に利用することができる。

本発明によれば、管状体が、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる外層体と、内層体と外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなる。このため、内層体あるいは外層体の破壊が生じても他方に直接的に波及しないので、外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体を提供することができる。

（Ａ）は本発明に係る管状体の全体斜視図であり、（Ｂ）は端面図である。 （Ａ）は熱処理前の図１（Ｂ）における“ＩＩ”位置の拡大断面図であり、（Ｂ）は熱処理後の図１（Ｂ）における“ＩＩ”位置の拡大断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は管状体の製造方法を示す工程図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は外層体と内層体との間に前駆体層が挟まれた挿入ユニットの製造方法を示す工程図である。

本発明の管状体について説明する。

前記課題を解決するための本発明の管状体は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなるとともに前記内層体の外側に配置された外層体と、前記内層体と前記外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなる。

本発明によれば、管状体が、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる外層体と、内層体と外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなる。このため、外部、他の部材から歪み、熱応力が加わり内層体あるいは外層体の破壊が生じても他方に直接的に波及しない。また、緩衝層は、外層体と、内層体とを部分的につないでいるので、管状体の外側から外層体または内層体を圧縮させる応力が加わっても、緩衝層が破壊されることにより応力を緩和し、他方に破壊を及びにくくすることができる。

さらに、内層体と、外層体とは、緩衝層により部分的につながれているので、熱が伝わりにくく、外層体あるいは内層体の内部に発生する温度差を緩やかにすることができる。このため、熱が伝達される側の層では、発生する熱応力の大きさを小さくすることができる。また、内層体と、外層体との間の緩衝層は、内層体と外層体とがそれぞれ異なる温度であっても、熱膨張差を容易に吸収することができるので、管状体の破壊を防止することができる。

また、内層体及び外層体はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材よりなる。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、クラックが入っても骨材であるＳｉＣ繊維が切断されにくく全体の形状を保持することができる。さらに、クラックが入っても残ったＳｉＣ繊維の弾力によってクラックが入ったままではあるものの、破損した側の層は元の形状に復元し、管状体としての機能を維持したまま継続して使用することができ、必要に応じて管状体を交換するまで性能を維持することができる。

さらに、本発明の管状体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記緩衝層は、前記内層体と前記外層体との間に架け渡された支持部と、前記支持部間に形成された空隙と、からなる。
本発明の管状体の緩衝層は、支持部と空隙とからなり、内層体と、外層体とは、支持部の部分で接続され、空隙の部分では、接続しない。
このため、緩衝層による内層体と外層体との接続は、相対的に弱くなる。内層体と外層体との間隔が広がる方向に応力が加わった場合には、支持部が破断し、内層体と外層体との間隔が狭まる方向に応力が加わった場合には、支持部が潰れる。このため、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層は保護され、管状体を貫通する破壊を防止することができる。

（２）前記支持部は、多孔質のＳｉＣである。
すなわち、支持部が、多孔体であると、内層体あるいは外層体と比較して緩衝層を破壊しやすくすることができるので、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層はより保護され、管状体そのものが破壊することをより防止することができる。
なお、多孔質のＳｉＣは、気孔が連続気孔で構成されていることが好ましい。気孔が連続気孔で構成されることにより、支持部が潰れやすくすることができ、管状体を貫通する破壊をより防止することができる。

（３）前記第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材及び／または前記第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、ＳｉＣ繊維からなる骨材とＳｉＣマトリックスとからなり、前記ＳｉＣマトリックスは、ＰＩＰ−ＳｉＣ材またはＣＶＤ−ＳｉＣ材である。なお、ＰＩＰ（Polymer Infiltration and Pyrolysis）−ＳｉＣ材とは、樹脂を前駆体とするＳｉＣ材のことである。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維との境界が明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材ではあるが、表面から沈着し、ＳｉＣ繊維からなる骨材の奥には沈着しにくいので、ＳｉＣ繊維と、ＳｉＣマトリックスとが一体化せず、ＳｉＣ繊維による強化作用を発揮することができる。さらに、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

（４）前記ＳｉＣマトリックスは、ＳｉＣ繊維からなる前記骨材の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材と、前記骨材と前記充填材を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被覆材からなる。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維との境界が明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。一方、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。このため、高強度でありながら気密性の高い管状体を得ることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

（５）前記骨材は、ＳｉＣ繊維のストランドを編んだ組紐体である。
すなわち、組紐体は管状の骨材であり、シートを巻いたときにできる巻き始め、巻き終わりなどの端部がない。このため、組紐体が一重であっても、ほつれやすい端部は無い。このため、内層体及び／または外層体を薄く構成しても十分な強度を発揮でき、緩衝層を有していても、全体の厚みを小さくすることができる。さらに、内層体と外層体との間に空隙を有していても、全体の厚みを小さくすることができ設計の自由度を高めることができる。

（６）前記管状体は、原子力炉用構造部材である。
原子炉用構造部材では、中性子線照射によって発生するスウェリング、温度差など応力の発生原因が多数ある。スウェリングなどが発生すると、物質は膨張し、原子炉構造部材は互いに応力を発生させる。特に燃料棒、チャンネルボックスなど内部に他の部材を挿入して使用する管状体では、内部の部材の膨張は管状体の破損に結びつく。
本発明では、核燃料など内部の部材が膨張して、内層体側に応力がかかっても緩衝層が応力を吸収し、外層体側の破損を防止することができる。このため管状体を貫通する破損をしにくくすることができる。

管状体の製造方法は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体の外側に第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる外層体を前駆体層を挟んで配置し挿入ユニットを形成し、前記挿入ユニットを熱処理することにより前駆体層が焼成され、前記内層体と前記外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる接続層を形成する。

従って、管状体となる挿入ユニットは、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、内層体の外側に接続層を形成する前駆体層を介して接続される第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる外層体とを有する。熱処理により管状体が得られると、前駆体層は、内層体と外層体とを部分的につなぐ接続層となる。
このため、内層体あるいは外層体の破壊が生じても他方に直接的に波及しないので、外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体を提供することができる。

前駆体層の主成分は、焼成することによりＳｉＣが得られるＳｉＣ前駆体からなる。ＳｉＣ前駆体としては、例えばポリカルボシランなどが挙げられる。シリカとカーボン、あるいはシリカと有機物とをＳｉＣ前駆体として使用することができる。シリカの形態は特に限定されず、ナノシリカ、シリカ粉末などが利用できる。

ポリカルボシランをＳｉＣ前駆体として使用した場合には、ポリカルボシランの分子中に含まれる炭素と珪素が焼成によってＳｉＣに変わる。
シリカとカーボンあるいはシリカと有機物とを組み合わせた場合には、シリカに含まれる珪素とカーボンが反応しＳｉＣが得られる。
シリカと有機物とを組み合わせた場合には、シリカに含まれる珪素と有機物に含まれるカーボンが反応しＳｉＣが得られる。

前駆体層には、ＳｉＣ前駆体のほかにＳｉＣ粉を含んでいてもよい。ＳｉＣ粉を含んでいると熱処理を加えたときに、前駆体層が、流出しにくくすることができる。
また、前駆体層にはこのほかに溶媒、分散媒などを含んでいてもよい。溶媒あるいは分散媒としてはアルコール、テトラヒドロフラン、水などが挙げられ、熱処理によって揮散する。分散媒と溶媒の違いはＳｉＣ前駆体が、溶解しているかどうかであって、溶解している場合には溶媒と呼び、溶解していない場合には分散媒と呼ぶ。

本発明の管状体の断面形状は、特に限定されない。丸パイプ形状、角パイプ形状のほか多角形、長方形、菱形、長方形などどのようなものでも利用することができる。
本発明の管状体は、内層体が外層体の内側に挿入することができればよく、内層体、外層体、緩衝層の大きさ、厚さは特に限定されない。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１（Ａ）は本発明に係る管状体の全体斜視図であり、図１（Ｂ）は端面図である。図２（Ａ）は熱処理前の図１（Ｂ）における“ＩＩ”位置の拡大断面図であり、図２（Ｂ）は熱処理後の図１（Ｂ）における“ＩＩ”位置の拡大断面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は管状体の製造方法を示す工程図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）は外層体と内層体との間に前駆体層が挟まれた挿入ユニットの製造方法を示す工程図である。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、管状体１０は、管状の内層体２０と、内層体２０の外側に配置された管状の外層体３０と、内層体２０と外層体３０とを部分的につなぐ緩衝層４０とを有する。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、内層体２０は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１から形成される（図２参照）。第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１は、ＳｉＣ繊維の骨材２２とＳｉＣマトリックス２３とから構成される。
外層体３０は、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１から形成される。第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１は、ＳｉＣ繊維の骨材３２とＳｉＣマトリックス３３とから構成される。

内層体２０を形成する第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１と、外層体３０を形成する第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１とは、同一の形態であっても良いし、異なっていても良い。なお、以下の説明においては、主に内層体２０を形成する第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１について説明する。
骨材２２は、例えばＳｉＣ繊維のストランドを編んだ組紐体を用いることができる。骨材２２は、このほかにもＳｉＣ繊維の組み方の異なるさまざまな形態の骨材を利用することができる。例えば、織布体、不織布体、フィラメントワインディング体などがある。織布には、平織、綾織などさまざまな形態の織布体を利用することができる。不織布体であれば、抄造体、フェルト体などの形態が挙げられる。

ＳｉＣマトリックス２３の形態も特に限定されない。例えばＳｉＣマトリックス２３は、ＳｉＣ繊維からなる骨材２２の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材２４と、骨材２２と充填材２４の表面を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被覆材２５とからなる。
ＳｉＣマトリックス２３は、これに限定されず、ＰＩＰ−ＳｉＣ材のみ、ＣＶＤ−ＳｉＣ材のみからなってもよい。
ＰｉＰ−ＳｉＣ材は、例えば、ポリカルボシランなどＳｉＣ前駆体を焼成する前駆体法で得ることができる。ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、気体の原料ガスの熱分解よるＣＶＤ法で得ることができる。
骨材２２とＳｉＣマトリックス２３の組み合わせは特に限定されず、どのように組み合わせも適用することができる。

次に、管状体の製造方法について説明する。
図３（Ａ）に示すように、内層体２０を外層体３０の内側に挿入して内層体２０の外側に外層体３０を配置し、図３（Ｂ）に示すように、内層体２０と外層体３０との間に緩衝層４０の前駆体層４３を配置して挿入ユニット１１（図１（Ａ）および図１（Ｂ）においてカッコ書き参照）を形成する。
そして、図３（Ｃ）に示すように、挿入ユニット１１を熱処理することにより、内層体２０と外層体３０とを部分的に接続する（図２（Ｂ）参照）ＳｉＣからなる緩衝層４０を形成して、管状体１０を形成する。

ＳｉＣからなる緩衝層４０の形成について詳しく説明する。管状体の製造方法として、前駆体である樹脂を焼成しＳｉＣを得る前駆体法が利用できる。この方法では、内層体２０と外層体３０との間に前駆体層４３を配置し、挿入ユニットを形成する。（図２（Ａ）参照）次に挿入ユニットを熱処理することにより前駆体層４３を焼成することにより緩衝層を形成し得ることができる。（図２（Ｂ）参照）この前駆体層４３は焼成の過程で有機物などが分解し空隙が形成されるので、多孔質の緩衝層を得ることができる。また、ＳｉＣ前駆体にＳｉＣ粉を加えても良い。ＳｉＣ粉を加えることで焼成の過程における流出を防止でき、効率よく緩衝層を形成することができる。

また、図２（Ｂ）に示すように、緩衝層４０は、内層体２０と外層体３０との間に架け渡された支持部４１と、支持部４１間に形成された空隙４２と、からなる。支持部４１は、多孔質のＳｉＣから形成される。支持部は、緩衝層に部分的に形成されていれば良く、どのような形態で形成されていても良い。例えば、柱状、壁状、メッシュ状などが挙げられる。このほかにも緩衝層に外層体と内層体とをつなぐ空隙がランダムに多数形成された残部が支持部を構成してもよい。

緩衝層４０となる前駆体層４３の形成方法は、種々のものがある。
図４（Ａ）は、外周塗布法、図４（Ｂ）は内周塗布法、図４（Ｃ）は注入法、図４（Ｃ）はディップ法を示している。
＜外周塗布法＞
例えば、外周塗布法では、図４（Ａ）に示すように、内層体２０の外面にＳｉＣ前駆体にＳｉＣ粉を分散した液を塗布した後、内層体２０を外層体３０の内部に挿入して挿入ユニット１１を形成する。なお、ＳｉＣ粉は必須ではなく、使用しなくてもよい。

＜内周塗布法＞
あるいは、図４（Ｂ）に示す内周塗布法では、外層体３０の内面にＳｉＣ前駆体にＳｉＣ粉を分散した液を塗布した後、内層体２０を外層体３０の内部に挿入して挿入ユニット１１を形成する。なお、ＳｉＣ粉は必須ではなく、使用しなくてもよい。

＜注入法＞
また、図４（Ｃ）に示すように、注入法では、外層体３０の内側に内層体２０を挿入し、外層体３０と内層体２０との間の隙間にＳｉＣ前駆体の溶液にＳｉＣ粉を分散した液を注入器４４で注入して、前駆体層４３を形成し、挿入ユニット１１を形成する。なお、ＳｉＣ粉は必須ではなく、使用しなくてもよい。

＜ディップ法＞
あるいは、図４（Ｄ）に示すように、ディップ法では、外層体３０の内側に内層体２０を挿入し、これをＳｉＣ前駆体の溶液にＳｉＣ粉を分散した液４５に浸漬して外層体３０と内層体２０との間に前駆体層４３を形成して挿入ユニット１１を形成する。なお、ＳｉＣ粉は必須ではなく、使用しなくてもよい。

次に、本実施形態の管状体１０の作用・効果について説明する。
本実施形態の管状体１０によれば、管状体１０は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１からなる内層体２０と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１からなる外層体３０と、内層体２０と外層体３０とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層４０と、からなる。
このため、外部や他の部材から歪みや熱応力が加わり、内層体２０あるいは外層体３０の破壊が生じても他方に直接的に波及しない。また、緩衝層４０は、外層体３０と、内層体２０とを部分的につないでいるので、管状体１０の外側から外層体３０または内層体２０を圧縮させる応力が加わっても、緩衝層４０が破壊されることにより応力を緩和し、他方に破壊を及びにくくすることができる。

さらに、内層体２０と、外層体３０とは、緩衝層４０により部分的につながれているので、熱が伝わりにくく、外層体あるいは内層体の内部に発生する温度差を緩やかにすることができる。このため、熱が伝達される側の層では、発生する熱応力の大きさを小さくすることができる。また、内層体２０と、外層体３０との間の緩衝層４０は、内層体２０と外層体３０とがそれぞれ異なる温度であっても、熱膨張差を容易に吸収することができるので、管状体１０の破壊を防止することができる。

また、内層体２０及び外層体３０はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材よりなる。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、クラックが入っても骨材２２、３２であるＳｉＣ繊維が切断されにくく全体の形状を保持することができる。さらに、クラックが入っても残ったＳｉＣ繊維の弾力によってクラックが入ったままではあるものの、破損した側の層は元の形状に復元し、管状体１０としての機能を維持したまま継続して使用することができ、必要に応じて管状体１０を交換するまで性能を維持することができる。

本実施形態の管状体１０によれば、緩衝層４０は、支持部４１と空隙４２とからなり、内層体２０と、外層体３０とは、支持部４１の部分で接続され、空隙４２の部分では、接続しない。
このため、緩衝層４０による内層体２０と外層体３０との接続は、相対的に弱くなる。内層体２０と外層体３０との間隔が広がる方向に応力が加わった場合には、支持部４１が破断し、内層体２０と外層体３０との間隔が狭まる方向に応力が加わった場合には、支持部４１が潰れる。このため、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層は保護され、管状体１０を貫通する破壊を防止することができる。

本実施形態の管状体１０によれば、支持部４１は、多孔質のＳｉＣである。
すなわち、内層体２０と外層体３０とを部分的に接続する支持部４１が、多孔体であると、内層体２０あるいは外層体３０と比較して緩衝層４０を破壊しやすくすることができる。このため、熱応力、外部からの応力が加わりにくい側の層はより保護され、管状体１０を貫通する破壊をより防止することができる。

本実施形態の管状体１０によれば、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１及び／または第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１は、ＳｉＣ繊維からなる骨材２２、３２とＳｉＣマトリックス２３、３３とからなり、ＳｉＣマトリックス２３、３３は、ＰＩＰ−ＳｉＣ材またはＣＶＤ−ＳｉＣ材である。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維と境界とが明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材ではあるが、表面から沈着し、ＳｉＣ繊維からなる骨材の奥には沈着しにくいので、ＳｉＣ繊維と、ＳｉＣマトリックスとが一体化せず、ＳｉＣ繊維による強化作用を発揮することができる。さらに、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

本実施形態の管状体１０によれば、ＳｉＣマトリックス２３、３３は、ＳｉＣ繊維からなる骨材２２、３２の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材２４と、骨材２２、３２と充填材２４を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被覆材２５からなる。
すなわち、ＰＩＰ−ＳｉＣ材は、前駆体層の樹脂を焼成して得られ多孔質であるので内部が緻密なＳｉＣ繊維との境界が明確であり、多孔質のマトリックス側から、亀裂が進展してもＳｉＣ繊維の表面で止まり、ＳｉＣ繊維の破断しにくくできる。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、緻密な素材であるので、ＳｉＣ繊維からなる骨材の有する微細な孔を封止する作用があり、気密性を高くすることができる。このため、高強度でありながら気密性の高い管状体を得ることができる。この効果は、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材とのいずれについても発揮することができる。

本実施形態の管状体１０によれば、骨材２２、３２は、ＳｉＣ繊維のストランドを編んだ組紐体である。
すなわち、組紐体は管状の骨材であり、シートを巻いたときにできる長手方向の、巻き始め、巻き終わりなどの端部がなく、組紐体が一重であっても、ほつれやすい端部は無い。このため、内層体２０及び／または外層体３０を薄く構成しても十分な強度を発揮でき、緩衝層４０を有していても、全体の厚みを小さくすることができる。さらに、内層体２０と外層体３０との間に空隙４２を有していても、全体の厚みを小さくすることができ設計の自由度を高めることができる。

本実施形態の管状体１０によれば、管状体１０は、原子力炉用構造部材である。
原子炉用構造部材では、中性子線照射によって発生するスウェリング、温度差など応力の発生原因が多数ある。スウェリングなどが発生すると、物質は膨張し、原子炉構造部材は互いに応力を発生させる。特に燃料棒、チャンネルボックスなど内部に他の部材を挿入して使用する管状体１０では、内部の部材の膨張は管状体１０の破損に結びつく。
本発明では、核燃料など内部の部材が膨張して、内層体２０に応力がかかっても緩衝層４０が応力を吸収し、外層体３０の破損を防止することができる。このため管状体１０を貫通する破損をしにくくすることができる。

次に、本実施形態の管状体の製造方法の作用・効果について説明する。
本実施形態の管状体１０の製造方法によれば、第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１からなる内層体２０の外側に第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１からなる外層体３０を配置する。そして、内層体２０と外層体３０との間に前駆体層４３を挟んで配置して挿入ユニットを形成し、挿入ユニットを熱処理することにより、前駆体層４３を焼成し内層体２０と外層体３０とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層４０を形成する。

従って、管状体１０は、挿入ユニットの段階では第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材２１からなる内層体２０と、内層体２０の外側に緩衝層４０となる前駆体層４３を介して接続される第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材３１からなる外層体３０とを有する。前駆体層４３は、熱処理されることにより内層体２０と外層体３０とを部分的につなぐ緩衝層４０となる。
このため、内層体２０あるいは外層体３０の破壊が生じても他方に直接的に波及しないので、外部、他の部材、熱応力によって発生する歪みに対し、強い抵抗力を持つＳｉＣからなる管状体１０を提供することができる。

本発明の管状体は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。

（実施例）
次に、具体的な実施例を例示する。
実施例１〜８について共通部分を説明する。
内層体は、外径φ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプを使用する。外層体は内径φ２２ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプを使用する。

ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプは、以下のものを使用する。

＜パイプＡ＞（組紐体＋PIP-SiC材＋CVD-SiC材）
ＳｉＣ繊維を束ねたストランドを用いて組紐体を作成する。得られた組紐体にポリカルボシランを含浸したのち熱処理し、ＳｉＣ化させる。次にＣＶＤ炉に入れて、メタンと、トリクロロシランガスを用いて表面にＳｉＣを沈積させる。
このようにして組紐体を骨材とし、骨材の隙間にＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材を有し、充填材と骨材とを覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＡ」とする。

＜パイプＢ＞（組紐体＋PIP-SiC材）
ＳｉＣ繊維を束ねたストランドを用いて組紐体を作成する。得られた組紐体にポリカルボシランを含浸したのち熱処理し、ＳｉＣ化させる。
このようにして組紐体を骨材とし、骨材の隙間にＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＢ」とする。

＜パイプＣ＞（組紐体＋CVD-SiC材）
ＳｉＣ繊維を束ねたストランドを用いて組紐体を作成する。得られた組紐体をＣＶＤ炉に入れて、メタンと、トリクロロシランガスを用いて表面にＳｉＣを沈積させる。
このようにして組紐体を骨材とし、骨材の隙間および表面にＣＶＤ−ＳｉＣ材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＣ」とする。

＜パイプＤ＞（フィラメントワインディング体＋PIP-SiC材＋CVD-SiC材）
ＳｉＣ繊維を束ねたストランドをマンドレルに巻回しフィラメントワインディング体をを作成する。得られたフィラメントワインディング体にポリカルボシランを含浸したのち熱処理し、ＳｉＣ化させる。次にマンドレルを抜いた後、ＣＶＤ炉に入れて、メタンと、トリクロロシランガスを用いて表面にＳｉＣを沈積させる。
このようにしてフィラメントワインディング体を骨材とし、骨材の隙間にＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材を有し、充填材と骨材とを覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＤ」とする。

＜パイプＥ＞（織布体＋PIP-SiC材＋CVD-SiC材）
ＳｉＣ繊維を平織りした織布をマンドレルに巻回し織布体を作成する。得られた織布体にポリカルボシランを含浸したのち熱処理し、ＳｉＣ化させる。次にマンドレルを抜いた後、ＣＶＤ炉に入れて、メタンと、トリクロロシランガスを用いて表面にＳｉＣを沈積させる。
このようにして織布体を骨材とし、骨材の隙間にＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材を有し、充填材と骨材とを覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＥ」とする。

＜パイプＦ＞（不織布体＋PIP-SiC材＋CVD-SiC材）
ＳｉＣ繊維のフェルトをマンドレルに巻回し不織布体を作成する。得られた不織布体にポリカルボシランを含浸したのち熱処理し、ＳｉＣ化させる。次にマンドレルを抜いた後、ＣＶＤ炉に入れて、メタンと、トリクロロシランガスを用いて表面にＳｉＣを沈積させる。
このようにして不織布体を骨材とし、骨材の隙間にＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材を有し、充填材と骨材とを覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材を有するＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材のパイプが得られる。以下、この構成のパイプを「パイプＦ」とする。

次に具体的な実施例について、表１に従って順に説明する。
表１中「フィラメントワインディング」は「ＦＷ」、「ポリカルボシラン」は「ＰＣＳ」と表記する。

実施例１は、パイプＡを内層体、パイプＡを外層体とし、外周塗布法で前駆体層を形成し、１２００度で熱処理することにより、本発明の管状体を得ることができる。なお、外周塗布法では、ポリカルボシランとＳｉＣ粉の混合液を使用する。

実施例２は、パイプＢを内層体、パイプＡを外層体とし、内周塗布法で前駆体層を形成し、１２００度で熱処理することにより、本発明の管状体を得ることができる。なお、内周塗布法では、ポリカルボシランとＳｉＣ粉の混合液を使用する。

実施例３は、パイプＣを内層体、パイプＡを外層体とし、注入法で前駆体層を形成し、１２００度で熱処理することにより、本発明の管状体を得ることができる。なお、注入法では、ポリカルボシランとＳｉＣ粉の混合液を使用する。

実施例４は、パイプＡを内層体、パイプＤを外層体とし、ディップ法で前駆体層を形成し、１２００度で熱処理することにより、本発明の管状体を得ることができる。なお、ディップ法では、ポリカルボシランの液を使用する。

実施例５は、パイプＥを内層体、パイプＦを外層体とし、外周塗布法で前駆体層を形成し、１２００度で熱処理することにより、本発明の管状体を得ることができる。なお、外周塗布法では、ポリカルボシランとＳｉＣ粉の混合液を使用する。

いずれの管状体も第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなるとともに前記内層体の外側に配置された外層体と、内層体と外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、からなり、破損しにくい管状体を得ることができる。
また、いずれの管状体も中性子を吸収しにくいＳｉＣよりなるので原子炉用構造部材として好適に利用することができる。

本発明の管状体は、原子力炉用構造部材に用いることができる。

１０ 管状体
２０ 内層体
２１ 第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材
２２、３２ 骨材
２３、３３ ＳｉＣマトリックス
２４ 充填材
２５ 被覆材
３０ 外層体
３１ 第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材
４０ 緩衝層
４１ 支持部
４２ 空隙
４３ 前駆体層

Claims (7)

1. 第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなる内層体と、
   第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなるとともに前記内層体の外側に配置された外層体と、
   前記内層体と前記外層体とを部分的につなぐＳｉＣからなる緩衝層と、
   からなる管状体。
2. 前記緩衝層は、前記内層体と前記外層体との間に架け渡された支持部と、前記支持部間に形成された空隙と、からなることを特徴とする請求項１に記載の管状体。
3. 前記支持部は、多孔質のＳｉＣであることを特徴とする請求項２に記載の管状体。
4. 前記第１のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材及び／または前記第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、ＳｉＣ繊維からなる骨材とＳｉＣマトリックスとからなり、
   前記ＳｉＣマトリックスは、ＰｉＰ−ＳｉＣ材またはＣＶＤ−ＳｉＣ材であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の管状体。
5. 前記ＳｉＣマトリックスは、ＳｉＣ繊維からなる前記骨材の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材と、前記骨材と前記充填材を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被覆材とからなることを特徴とする請求項４に記載の管状体。
6. 前記骨材は、ＳｉＣ繊維のストランドを編んだ組紐体であることを特徴とする請求項４又は５に記載の管状体。
7. 前記管状体は、原子力炉用構造部材であることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の管状体。

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