JP2017024923A - Ceramic composite material - Google Patents

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直哉 東松
Naoya Higashimatsu
直哉 東松
史仁 小川
Fumihito Ogawa
史仁 小川
敏正 三輪
Toshimasa Miwa
敏正 三輪
宮田 明弘
Akihiro Miyata
明弘 宮田
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Ibiden Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic composite material that has a heat resistant property and an anti-corrosion property to high temperature steam without the use of radioactive elements, elements having toxicity, or rare elements.SOLUTION: Provided is a ceramic composite material comprising a substrate made of a SiC/SiC composite material, and a carbon layer covering the substrate, and in which rare metals, toxic elements and radioactive elements are not used. The SiC/SiC composite material comprises SiC fibers and a matrix made of a CVD-SiC material, and since the CVD-SiC material is a material deposited while the raw material gas is being decomposed, pores are not likely to be formed and a dense and strong substrate can be formed, and because of this, when a carbon layer such as a pyrolytic carbon layer is formed on the top of it, a coat film that is difficult to be deformed and peeled off even when a force is applied from the outside can be obtained, and a ceramic composite material which is hard for a gas to penetrate, which can sufficiently separate the SiC/SiC composite material and water inside, and which has an anti-corrosion property to hot steam can be obtained.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、セラミック複合材に関する。   The present invention relates to a ceramic composite material.

エンジニアリングセラミックスとして知られているSiCは、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐酸化性に優れることから、半導体製造装置、高温炉のルツボ、治具などの構造材料として高温環境下で使用されている。   SiC, known as engineering ceramics, has excellent heat resistance, thermal shock resistance, wear resistance, and oxidation resistance, so it can be used in high-temperature environments as a structural material for semiconductor manufacturing equipment, crucibles in high-temperature furnaces, jigs, etc. Has been.

しかしながら、特許文献1は、SiCなどの珪素含有セラミックスが高温水蒸気に対する耐食性がなく、セラミックの消耗が激しく寿命が短いことを指摘している。このような課題を解決するために、特許文献1では、窒化珪素、炭化珪素及びサイアロンから選択された少なくとも1種の珪素含有セラミックスからなる基体と、該基体の表面に設けられた表面層とを具備した耐食性セラミックスにおいて、前記表面層が、周期律表第IIIa族元素で安定化された酸化ジルコニウムからなり、且つ該表面層中のAl及びSiの含有量が合計で1質量%以下に抑制されていることを特徴とする耐食性セラミックスが提案されている。
このような耐食性セラミックスによれば、周期律表第IIIa族元素で安定化された酸化ジルコニウム(以下、単に安定化ジルコニアと呼ぶことがある)からなる表面層中には、高温水蒸気との反応によって消耗の激しいAl及びSiの含有量が一定量以下の少量に抑制されており、この結果、かかる表面層は、高温水蒸気腐食に強く、珪素を含むセラミックスの表面を保護することができることが記載されている。
However, Patent Document 1 points out that silicon-containing ceramics such as SiC do not have corrosion resistance to high-temperature steam, and the ceramic is consumed so much that its life is short. In order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a substrate made of at least one silicon-containing ceramic selected from silicon nitride, silicon carbide, and sialon, and a surface layer provided on the surface of the substrate. In the corrosion-resistant ceramic provided, the surface layer is made of zirconium oxide stabilized with a group IIIa element of the periodic table, and the content of Al and Si in the surface layer is suppressed to 1% by mass or less in total. Corrosion resistant ceramics characterized by the above have been proposed.
According to such a corrosion-resistant ceramic, in the surface layer made of zirconium oxide stabilized with Group IIIa element of the periodic table (hereinafter, sometimes simply referred to as stabilized zirconia), the reaction with high-temperature water vapor causes It is described that the content of highly consumed Al and Si is suppressed to a small amount below a certain amount, and as a result, such a surface layer is resistant to high temperature steam corrosion and can protect the surface of ceramics containing silicon. ing.

また、特許文献2では、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ことを特徴とする管状体が記載されている。   Further, in Patent Document 2, an SiC layer is formed on at least the outer surface of a tubular fiber-reinforced carbonaceous substrate made of an aggregate made of ceramic fibers and a carbonaceous material filled between the ceramic fibers, and the fiber-reinforced carbon A tubular body is described in which silicon atoms are diffused from the boundary region between the carbonaceous substrate and the SiC layer toward the inside of the fiber-reinforced carbonaceous substrate.

特開2003−201191号公報JP 2003-201191 A 特開2009−210266号公報JP 2009-210266 A

特許文献1において、酸化ジルコニウムの安定化のために使用される周期律表第IIIa族元素とは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuなどである。これらの元素は希少金属であるため、これらを用いた耐食性セラミックスは、高価な素材となる。また、これらの希少金属を用いて耐食性セラミックスを大量生産すると、希少金属を大量に消費し資源を枯渇させる原因となるため、希少金属を回収する手段を確立しなければならない。また、Pm(promethium)は、放射性元素であるため、耐食性セラミックスに使用した場合には厳密に管理し、使用後は回収しなければならない。
しかしながら、上記の耐食性セラミックスは耐熱性を有し、化学的に安定であるため、希少金属を容易に分離し回収することができない。
In Patent Document 1, the Group IIIa elements of the periodic table used for stabilization of zirconium oxide are Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu. Since these elements are rare metals, corrosion-resistant ceramics using them are expensive materials. Further, mass production of corrosion-resistant ceramics using these rare metals consumes a large amount of rare metals and depletes resources, so a means for recovering rare metals must be established. Further, since Pm (promium) is a radioactive element, it must be strictly controlled when used in corrosion-resistant ceramics and must be recovered after use.
However, since the above corrosion-resistant ceramics have heat resistance and are chemically stable, rare metals cannot be easily separated and recovered.

特許文献2では、基材が炭素のマトリックスからなり、最表面がSiCからなるので、熱水または高温水蒸気中で使用した際にSiCの溶出がおこり、そもそも耐食性を有していない。   In Patent Document 2, since the base material is made of a carbon matrix and the outermost surface is made of SiC, SiC is eluted when used in hot water or high-temperature steam, and has no corrosion resistance in the first place.

本発明では、前記課題を鑑み、放射性の元素、毒性を有する元素、希少な元素を用いることなく、耐熱性および高温水蒸気に耐食性を有するセラミック複合材を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a ceramic composite material having heat resistance and corrosion resistance to high-temperature steam without using radioactive elements, toxic elements, and rare elements.

前記課題を解決するため、本発明のセラミック複合材は、
(1)SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなる。
In order to solve the above problems, the ceramic composite material of the present invention comprises:
(1) It consists of a base material made of SiC / SiC composite and a carbon layer covering the base material.

本発明のセラミック複合材によれば、SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなるので、希少金属、有毒な元素、放射性元素を用いていない。また、珪素のクラーク数は25.8%(2位)であり、炭素は0.08%(14位)である。これは、最もクラーク数の大きな周期律表第IIIa族元素であるCeの0.0045%(28位)よりも大きく、これらは、ともに入手しやすい元素である。このため、回収、分離の必要性も低い。また、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有している上に、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。   According to the ceramic composite material of the present invention, since it consists of a base material made of SiC / SiC composite material and a carbon layer covering the base material, rare metals, toxic elements and radioactive elements are not used. Moreover, the Clark number of silicon is 25.8% (2nd place), and carbon is 0.08% (14th place). This is larger than 0.0045% (28th position) of Ce, which is the Group IIIa element of the periodic table having the largest Clark number, and these are easily available elements. For this reason, the necessity of collection | recovery and isolation | separation is also low. In addition, both the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. It protects and a base material does not contact | connect high temperature water vapor | steam, and consumption of SiC can be prevented.

また、本発明のセラミック複合材は、次の態様であることが好ましい。
(2)前記SiC/SiC複合材は、SiC繊維と、CVD−SiC材からなるマトリックスとからなる。
Moreover, it is preferable that the ceramic composite material of this invention is the following aspect.
(2) The SiC / SiC composite material includes SiC fibers and a matrix made of a CVD-SiC material.

CVD−SiC材は、原料ガスが分解しながら沈積する素材であるため、気孔ができにくく、緻密で強固な基材を形成することができる。このため、この上に形成される炭素層は、外部から力が加わっても変形しにくく、はがれにくい被膜を得ることができる。   Since the CVD-SiC material is a material that is deposited while the source gas is decomposed, it is difficult to form pores, and a dense and strong base material can be formed. For this reason, the carbon layer formed on this can obtain the film which is hard to deform | transform and to which it is hard to peel even if force is applied from the outside.

(3)前記炭素層は、熱分解炭素層である。 (3) The carbon layer is a pyrolytic carbon layer.

本発明のセラミック複合材の炭素層が熱分解炭素層であると、緻密で強固なセラミック層を得ることができる。また、熱分解炭素は基材に沈積する際に同時に熱分解が起こり、沈積後に分解ガスの発生に伴う炭素層からの原子の脱離がない。このため、気体が浸透しにくく、内部のSiC/SiC複合材と水を十分に隔離することができ、熱水蒸気に対する耐食性のあるセラミック複合材を得ることができる。   When the carbon layer of the ceramic composite of the present invention is a pyrolytic carbon layer, a dense and strong ceramic layer can be obtained. In addition, pyrolytic carbon undergoes thermal decomposition at the same time as depositing on the substrate, and there is no desorption of atoms from the carbon layer due to generation of cracked gas after deposition. For this reason, it is difficult for gas to permeate, the internal SiC / SiC composite material and water can be sufficiently separated, and a ceramic composite material having corrosion resistance against thermal steam can be obtained.

(4)前記炭素層は、ガラス状炭素層である。 (4) The carbon layer is a glassy carbon layer.

本発明のセラミック複合材の炭素層がガラス状炭素層であると、緻密で強固なセラミック層を得ることができる。また、ガラス状炭素は原料である炭素前駆体が無秩序に配列し、方向性ができにくいので、熱膨張係数が、3〜4×10−6/℃であり、基材であるSiC/SiC複合材と同等である。このため、ガラス状炭素層は熱がかかってもはがれにくく、熱水蒸気に対する耐食性のあるセラミック複合材を得ることができる。 When the carbon layer of the ceramic composite of the present invention is a glassy carbon layer, a dense and strong ceramic layer can be obtained. Moreover, since the carbon precursor which is raw material arranges the carbon precursor which is a raw material in random order, it is difficult to be oriented, so the thermal expansion coefficient is 3-4 × 10 −6 / ° C., and the SiC / SiC composite which is the base material It is equivalent to the material. For this reason, the glassy carbon layer is difficult to peel off even when heated, and a ceramic composite material having corrosion resistance against hot water vapor can be obtained.

(5)前記炭素層は、厚さが5〜200μmである。 (5) The carbon layer has a thickness of 5 to 200 μm.

炭素層の厚さが5μm以上であると、十分な厚さを有しているので外部から衝撃が加わっても、欠けにくくすることができる。炭素層の厚さが200μm以下であると、熱膨張係数差による基材との応力を小さくすることができるので、変形しにくくすることができる。   If the thickness of the carbon layer is 5 μm or more, the carbon layer has a sufficient thickness, so that even if an impact is applied from the outside, it can be made difficult to chip. When the thickness of the carbon layer is 200 μm or less, the stress with the base material due to the difference in thermal expansion coefficient can be reduced, so that deformation can be made difficult.

(6)前記セラミック複合材はパイプ形状である。 (6) The ceramic composite material has a pipe shape.

本発明のセラミック複合材がパイプ状であると、熱水、熱水蒸気を流通させるパイプとして好適に利用することができる。また、基材がSiC/SiC複合材であり高強度の素材であるので、内部または外部より圧力が加わる圧力配管、真空配管として好適に利用することができる。   When the ceramic composite material of the present invention is in a pipe shape, it can be suitably used as a pipe for circulating hot water and hot water vapor. Moreover, since a base material is a SiC / SiC composite material and is a high intensity | strength material, it can utilize suitably as a pressure piping and vacuum piping to which a pressure is applied from the inside or the exterior.

(7)前記炭素層は、前記パイプ形状のセラミック複合材の内面側及び外面側に形成されている。 (7) The carbon layer is formed on an inner surface side and an outer surface side of the pipe-shaped ceramic composite material.

炭素層がパイプ形状のセラミック複合材の内面側及び外面側に形成されていると、使用環境に対応したセラミック複合材が得られる。
一般に、SiCは、雰囲気の酸素濃度が高い場合には、SiOの被膜を形成し酸化の進行を抑制し、雰囲気の酸素濃度が低い場合には、SiOの被膜を形成しにくく酸化が進行する。熱水蒸気、熱水に曝された場合は、酸素濃度が低く酸化が進行しやすくなる。
本発明のセラミック複合材は、酸素濃度が高い部分では、炭素層が酸化されSiCが露出するとともに、SiCの表面が速やかに酸化し、SiOの薄い被膜が形成される。これに対し熱水蒸気、熱水など雰囲気の酸素濃度が低い場合には、SiC/SiC複合材からなる基材の表面を覆う炭素層が酸化から保護している。このため、炭素層が内面側及び外面側に形成されたパイプ形状のセラミック複合材は使用される環境に応じたふさわしい保護膜を得ることができる。パイプ形状のセラミック複合材としては、例えば蒸気タービン設備の配管、ケーシングなどが挙げられる。
When the carbon layer is formed on the inner surface side and the outer surface side of the pipe-shaped ceramic composite material, a ceramic composite material corresponding to the use environment can be obtained.
In general, when the atmosphere oxygen concentration is high, SiC forms a SiO 2 film and suppresses the progress of oxidation, and when the atmosphere oxygen concentration is low, it is difficult to form a SiO 2 film and oxidation proceeds. To do. When exposed to hot water vapor or hot water, the oxygen concentration is low and oxidation tends to proceed.
In the ceramic composite material of the present invention, in the portion where the oxygen concentration is high, the carbon layer is oxidized to expose SiC, and the surface of SiC is rapidly oxidized to form a thin coating of SiO 2 . On the other hand, when the oxygen concentration in the atmosphere such as hot water vapor or hot water is low, the carbon layer covering the surface of the base material made of the SiC / SiC composite material protects against oxidation. For this reason, the pipe-shaped ceramic composite material in which the carbon layers are formed on the inner surface side and the outer surface side can provide a protective film suitable for the environment in which it is used. Examples of the pipe-shaped ceramic composite include piping and casings for steam turbine equipment.

(8)前記セラミック複合材は、熱交換パイプである。 (8) The ceramic composite material is a heat exchange pipe.

熱交換パイプでは、例えば、熱水と、高温空気との熱交換が行われる。熱水は、SiCの表面にSiO被膜を形成させることができないが、表面に有する炭素層によってSiCの消耗を防止することができる。他方、燃焼ガスなどの高温空気に曝される側は、表面の炭素層が燃焼することによってSiCが露出する。SiCは酸素含有量の多い燃焼ガスに曝されることによって表面にSiO膜を形成し、酸化の進行が妨げられる。 In the heat exchange pipe, for example, heat exchange between hot water and high-temperature air is performed. Hot water is not able to form a SiO 2 film on the surface of the SiC, it is possible to prevent the consumption of SiC by the carbon layer having a surface. On the other hand, on the side exposed to high-temperature air such as combustion gas, SiC is exposed by burning the carbon layer on the surface. When SiC is exposed to a combustion gas having a high oxygen content, a SiO 2 film is formed on the surface, and the progress of oxidation is hindered.

(9)前記セラミック複合材は、原子炉用チャンネルボックスまたは核燃料被覆管である。 (9) The ceramic composite is a nuclear reactor channel box or a nuclear fuel cladding.

原子炉用チャンネルボックスおよび核燃料被覆管は、沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉などに用いられている。これらの原子炉では、加圧水に沈められて用いられることになるが、SiCのみの場合には、熱水に対してSiOの被膜を形成することができず、腐食し、少しずつSiCの溶出が起こる。これに対して、本発明のセラミック複合材では、表面が炭素層で覆われているので、SiCの溶出を防止することができ、腐食を防止することができる。また、基材がSiC/SiC複合材であるので、原子炉のトラブルによって大気開放された場合であっても、燃焼は表面の炭素層のみにとどまり、構造部材の破損を防ぐことができる。 Reactor channel boxes and nuclear fuel cladding are used in boiling water reactors, pressurized water reactors, and the like. In these nuclear reactors, they are used by being submerged in pressurized water. However, in the case of SiC alone, a coating of SiO 2 cannot be formed against hot water, and corrodes, and SiC is gradually eluted. Happens. On the other hand, in the ceramic composite material of the present invention, since the surface is covered with the carbon layer, the elution of SiC can be prevented and corrosion can be prevented. In addition, since the base material is a SiC / SiC composite material, even if the atmosphere is opened to the atmosphere due to the trouble of the nuclear reactor, the combustion is limited to the carbon layer on the surface, and damage to the structural member can be prevented.

(10)前記セラミック複合材は、超臨界水または亜臨界水の反応容器である。 (10) The ceramic composite is a reaction vessel for supercritical water or subcritical water.

水の臨界点の温度は374℃、圧力は22.1MPaである。臨界点では高温、高圧下の水は、液体と気体との中間的な性質をもち、反応性が非常に強くなる。また、このような条件に至らない亜臨界の状態でも、強い反応性を有している。本発明のセラミック複合材は、表面に炭素層を有しているので、超臨界水または亜臨界水の反応容器として好適に利用することができる。   The critical point temperature of water is 374 ° C., and the pressure is 22.1 MPa. At the critical point, water at high temperature and high pressure has an intermediate property between liquid and gas and becomes very reactive. Moreover, it has strong reactivity even in a subcritical state that does not reach such conditions. Since the ceramic composite of the present invention has a carbon layer on the surface, it can be suitably used as a reaction vessel for supercritical water or subcritical water.

本発明のセラミック複合材によれば、SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなるので、希少金属、有毒な元素、放射性元素を用いていない。また、珪素のクラーク数は25.8%(2位)であり、炭素は0.08%(14位)である。これは、最もクラーク数の大きな周期律表第IIIa族元素であるCeの0.0045%(28位)よりも大きく、これらは、ともに入手しやすい元素である。このため、回収、分離の必要性も低い。また、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有している上に、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。   According to the ceramic composite material of the present invention, since it consists of a base material made of SiC / SiC composite material and a carbon layer covering the base material, rare metals, toxic elements and radioactive elements are not used. Moreover, the Clark number of silicon is 25.8% (2nd place), and carbon is 0.08% (14th place). This is larger than 0.0045% (28th position) of Ce, which is the Group IIIa element of the periodic table having the largest Clark number, and these are easily available elements. For this reason, the necessity of collection | recovery and isolation | separation is also low. In addition, both the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. It protects and a base material does not contact | connect high temperature water vapor | steam, and consumption of SiC can be prevented.

本発明のセラミック複合材の表面を構成する熱分解炭素の熱水による反応試験に用いた試料1の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。It is the photograph of the sample 1 used for the reaction test by the hot water of the pyrolytic carbon which comprises the surface of the ceramic composite material of this invention, (a) is the surface photograph before a test, (b) is the laser microscope photograph before a test. It is a partial area of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b). 本発明の比較例1と同等の表面であるCVD−SiC材の熱水による反応試験に用いた試料2の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。It is the photograph of the sample 2 used for the reaction test by the hot water of the CVD-SiC material which is the surface equivalent to the comparative example 1 of this invention, (a) is the surface photograph before a test, (b) is the laser before a test. It is a micrograph and is a partial region of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b). 本発明の比較例2と同等の表面である研磨されたCVD−SiC材の熱水による反応試験に用いた試料3の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。It is the photograph of the sample 3 used for the reaction test by the hot water of the polished CVD-SiC material which is the surface equivalent to the comparative example 2 of this invention, (a) is the surface photograph before a test, (b) is a test. It is a previous laser micrograph and is a partial region of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b).

(1)本発明のセラミック複合材は、SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなる。 (1) The ceramic composite material of the present invention includes a base material made of a SiC / SiC composite material and a carbon layer covering the base material.

本発明のセラミック複合材によれば、SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなるので、希少金属、有毒な元素、放射性元素を用いていない。また、珪素のクラーク数は25.8%(2位)であり、炭素は0.08%(14位)である。これは、最もクラーク数の大きな周期律表第IIIa族元素であるCeの0.0045%(28位)よりも大きく、これらは、ともに入手しやすい元素である。このため、回収、分離の必要性も低い。また、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有している上に、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。   According to the ceramic composite material of the present invention, since it consists of a base material made of SiC / SiC composite material and a carbon layer covering the base material, rare metals, toxic elements and radioactive elements are not used. Moreover, the Clark number of silicon is 25.8% (2nd place), and carbon is 0.08% (14th place). This is larger than 0.0045% (28th position) of Ce, which is the Group IIIa element of the periodic table having the largest Clark number, and these are easily available elements. For this reason, the necessity of collection | recovery and isolation | separation is also low. In addition, both the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. It protects and a base material does not contact | connect high temperature water vapor | steam, and consumption of SiC can be prevented.

SiC/SiC複合材は、SiC繊維の骨材と、SiCのマトリックスとからなる。SiC繊維の骨材はどのような形態で用いられてもよい。例えば、複数本束ねられ、ストランドを構成し、ストランドを巻回することによって得られるフィラメントワインディング体を利用することができる。このほか、ストランドを編んだブレーディング体、ストランドを織った織布、SiC繊維を無秩序に積層した不織布、SiC繊維を抄造した抄造体などが利用できる。SiCのマトリックスは、特に限定されないがポリカルボシランなどのSiC前駆体を焼成したPIP(Polymer Impregnation and Pyrolysis)法によるPIP−SiC材のマトリックス、CVD法によるCVD−SiC材のマトリックスなどが利用できる。   The SiC / SiC composite material is composed of an aggregate of SiC fibers and a matrix of SiC. The aggregate of SiC fiber may be used in any form. For example, a filament winding body obtained by bundling a plurality of strands to form a strand and winding the strand can be used. In addition, a braided body in which strands are knitted, a woven fabric in which strands are woven, a nonwoven fabric in which SiC fibers are randomly stacked, a papermaking body in which SiC fibers are made, and the like can be used. The SiC matrix is not particularly limited, and a PIP-SiC material matrix by a PIP (Polymer Implication and Pyrolysis) method in which a SiC precursor such as polycarbosilane is fired, a CVD-SiC material matrix by a CVD method, or the like can be used.

(2)本発明のセラミック複合材のSiC/SiC複合材は、SiC繊維と、CVD−SiC材からなるマトリックスとからなることが好ましい。
CVD−SiC材は、原料ガスが分解しながら沈積する素材であるため、気孔ができにくく、緻密で強固な基材を形成することができる。このため、この上に形成される炭素層は、外部から力が加わっても変形しにくく、はがれにくい被膜を得ることができる。また、希少金属、有毒な元素、放射性元素を用いていない上に、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有し、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。
(2) The SiC / SiC composite material of the ceramic composite material of the present invention is preferably composed of SiC fibers and a matrix made of a CVD-SiC material.
Since the CVD-SiC material is a material that is deposited while the source gas is decomposed, it is difficult to form pores, and a dense and strong base material can be formed. For this reason, the carbon layer formed on this can obtain the film which is hard to deform | transform and to which it is hard to peel even if force is applied from the outside. In addition, rare metals, toxic elements, and radioactive elements are not used, and the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. Therefore, even if exposed to high temperature water vapor, the carbon layer is protected, the base material does not come into contact with high temperature water vapor, and consumption of SiC can be prevented.

CVD−SiC材は、以下のようにして得ることができる。SiC繊維からなる骨材をCVD炉内に入れ、例えば1000〜1800℃に炉内を加熱する。次に原料ガスであるメタンと、シランガスを炉内に導入し、骨材の表面に熱分解したSiCを沈積させる。得られたSiCは、CVD−SiC材であり、骨材の表面に沈積した段階ですでにSiCが得られているため、沈積後に分解させる必要がないので、緻密な被膜を形成することができる。   The CVD-SiC material can be obtained as follows. Aggregates made of SiC fibers are put in a CVD furnace, and the inside of the furnace is heated to 1000 to 1800 ° C., for example. Next, methane, which is a raw material gas, and silane gas are introduced into the furnace, and thermally decomposed SiC is deposited on the surface of the aggregate. The obtained SiC is a CVD-SiC material, and since SiC has already been obtained when it is deposited on the surface of the aggregate, it is not necessary to decompose after deposition, so that a dense film can be formed. .

(3)本発明のセラミック複合材の炭素層が熱分解炭素層である場合、緻密で強固なセラミック層を得ることができる。また、熱分解炭素は基材に沈積する際に同時に熱分解が起こり、分解ガスの発生に伴う炭素層からの原子の脱離がない。このため、気体が浸透しにくく、内部のSiC/SiC複合材と水を十分に隔離することができ、熱水蒸気に対する耐食性のあるセラミック複合材を得ることができる。また、CVD−SiC材は、原料ガスが分解しながら沈積する素材であるため、気孔ができにくく、緻密で強固な基材を形成することができる。このため、この上に形成される炭素層は、外部から力が加わっても変形しにくく、はがれにくい被膜を得ることができる。同時に、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有している上に、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。 (3) When the carbon layer of the ceramic composite of the present invention is a pyrolytic carbon layer, a dense and strong ceramic layer can be obtained. In addition, pyrolytic carbon undergoes thermal decomposition at the same time as it is deposited on the substrate, and there is no detachment of atoms from the carbon layer due to generation of decomposition gas. For this reason, it is difficult for gas to permeate, the internal SiC / SiC composite material and water can be sufficiently separated, and a ceramic composite material having corrosion resistance against thermal steam can be obtained. Further, since the CVD-SiC material is a material that is deposited while the source gas is decomposed, it is difficult to form pores, and a dense and strong base material can be formed. For this reason, the carbon layer formed on this can obtain the film which is hard to deform | transform and to which it is hard to peel even if force is applied from the outside. At the same time, both the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. It protects and a base material does not contact | connect high temperature water vapor | steam, and consumption of SiC can be prevented.

熱分解炭素層は、以下のようにして得ることができる。SiC/SiC複合材をCVD炉内に入れ、例えば1000〜2500℃に炉内を加熱する。次に原料ガスであるメタンを炉内に導入し、SiC/SiC複合材の表面に熱分解炭素を沈積させる。得られた熱分解炭素は、熱分解炭素層となる。   The pyrolytic carbon layer can be obtained as follows. The SiC / SiC composite material is put in a CVD furnace, and the inside of the furnace is heated to 1000 to 2500 ° C., for example. Next, methane as a raw material gas is introduced into the furnace, and pyrolytic carbon is deposited on the surface of the SiC / SiC composite material. The obtained pyrolytic carbon becomes a pyrolytic carbon layer.

(4)本発明のセラミック複合材の炭素層がガラス状炭素層である場合、緻密で強固なセラミック層を得ることができる。また、ガラス状炭素は原料である炭素前駆体が無秩序に配列し、方向性ができにくいので、熱膨張係数が、3〜4×10−6/℃であり、基材であるSiC/SiC複合材と同等である。このため、ガラス状炭素層は熱がかかってもはがれにくく、熱水蒸気に対する耐食性のあるセラミック複合材を得ることができる。 (4) When the carbon layer of the ceramic composite of the present invention is a glassy carbon layer, a dense and strong ceramic layer can be obtained. Moreover, since the carbon precursor which is raw material arranges the carbon precursor which is a raw material in random order, it is difficult to be oriented, so the thermal expansion coefficient is 3-4 × 10 −6 / ° C., and the SiC / SiC composite which is the base material It is equivalent to the material. For this reason, the glassy carbon layer is difficult to peel off even when heated, and a ceramic composite material having corrosion resistance against hot water vapor can be obtained.

ガラス状炭素層を得るための炭素前駆体は熱分解してガラス状炭素となるものであれば特に限定されない。例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリ塩化ビニル、コプナ樹脂、ポリ塩化ビニリデン、セルロース、フルフリルアルコール樹脂などが挙げられる。   The carbon precursor for obtaining the glassy carbon layer is not particularly limited as long as it is thermally decomposed to become glassy carbon. For example, phenol resin, furan resin, polyvinyl chloride, copna resin, polyvinylidene chloride, cellulose, furfuryl alcohol resin and the like can be mentioned.

(5)本発明の前記炭素層は、厚さが5〜200μmであることが好ましい。 (5) The carbon layer of the present invention preferably has a thickness of 5 to 200 μm.

炭素層の厚さが5μm以上であると、十分な厚さを有しているので外部から衝撃が加わっても、欠けにくくすることができる。炭素層の厚さが200μm以下であると、熱膨張係数差による基材との応力を小さくすることができるので、変形しにくくすることができる。   If the thickness of the carbon layer is 5 μm or more, the carbon layer has a sufficient thickness, so that even if an impact is applied from the outside, it can be made difficult to chip. When the thickness of the carbon layer is 200 μm or less, the stress with the base material due to the difference in thermal expansion coefficient can be reduced, so that deformation can be made difficult.

炭素層の厚さは、熱分解炭素層であれば、CVD工程の製膜時間、原料ガスの濃度、製膜温度などにより適宜調整することができる。また、ガラス状炭素層であれば、炭素前駆体の溶質濃度、塗布回数などにより適宜調整することができる。   If it is a pyrolytic carbon layer, the thickness of a carbon layer can be suitably adjusted with the film-forming time of a CVD process, the density | concentration of raw material gas, the film-forming temperature, etc. Moreover, if it is a glassy carbon layer, it can adjust suitably with the solute density | concentration of a carbon precursor, the frequency | count of application | coating, etc.

(6)本発明のセラミック複合材はパイプ形状であることが好ましい。 (6) The ceramic composite material of the present invention preferably has a pipe shape.

本発明のセラミック複合材がパイプ状であると、熱水、熱水蒸気を流通させるパイプとして好適に利用することができる。また、基材がSiC/SiC複合材であり高強度の素材であるので、内部または外部より圧力が加わる圧力配管、真空配管として好適に利用することができる。   When the ceramic composite material of the present invention is in a pipe shape, it can be suitably used as a pipe for circulating hot water and hot water vapor. Moreover, since a base material is a SiC / SiC composite material and is a high intensity | strength material, it can utilize suitably as a pressure piping and vacuum piping to which a pressure is applied from the inside or the exterior.

パイプ形状とは、中空の管であれば特に限定されない。断面の形状は、例えば円形、楕円形、正方形、長方形、6角形、多角形などが挙げられる。両端が開放していてもよく、両端または一端が閉鎖していてもよい。   The pipe shape is not particularly limited as long as it is a hollow pipe. Examples of the cross-sectional shape include a circle, an ellipse, a square, a rectangle, a hexagon, and a polygon. Both ends may be open, and both ends or one end may be closed.

本発明のパイプ形状のセラミック複合材は、基材がSiC繊維の骨材と、CVD−SiC材のマトリックスとからなるSiC/SiC複合材であって、炭素層が熱分解炭素層であることが好ましい。CVD−SiC材は、原料ガスが分解しながら沈積する素材であるため、気孔ができにくく、緻密で強固な基材を形成することができる。このため、この上に形成される炭素層は、外部から力が加わっても変形しにくく、はがれにくい被膜を得ることができる。また、希少金属、有毒な元素、放射性元素を用いていない上に、SiC/SiC複合材、炭素層とも耐熱性を有し、SiC/SiC複合材からなる基材が炭素層で覆われているので、高温水蒸気に曝されても炭素層が保護し、基材が高温水蒸気と接することがなく、SiCの消耗を防止することができる。   The pipe-shaped ceramic composite material of the present invention is a SiC / SiC composite material whose base material is composed of an aggregate of SiC fibers and a matrix of a CVD-SiC material, and the carbon layer is a pyrolytic carbon layer. preferable. Since the CVD-SiC material is a material that is deposited while the source gas is decomposed, it is difficult to form pores, and a dense and strong base material can be formed. For this reason, the carbon layer formed on this can obtain the film which is hard to deform | transform and to which it is hard to peel even if force is applied from the outside. In addition, rare metals, toxic elements, and radioactive elements are not used, and the SiC / SiC composite material and the carbon layer have heat resistance, and the base material made of the SiC / SiC composite material is covered with the carbon layer. Therefore, even if exposed to high temperature water vapor, the carbon layer is protected, the base material does not come into contact with high temperature water vapor, and consumption of SiC can be prevented.

(7)本発明の前記炭素層は、前記パイプ形状のセラミック複合材の内面側及び外面側に形成されていることが好ましい。 (7) It is preferable that the carbon layer of the present invention is formed on the inner surface side and the outer surface side of the pipe-shaped ceramic composite material.

炭素層がパイプ形状のセラミック複合材の内面側及び外面側に形成されていると、使用環境に対応したセラミック複合材が得られる。
一般に、SiCは、雰囲気の酸素濃度が高い場合には、SiOの被膜を形成し酸化の進行を抑制し、雰囲気の酸素濃度が低い場合には、SiOの被膜を形成しにくく酸化が進行する。熱水蒸気、熱水に曝された場合は、酸素濃度が低く酸化が進行しやすくなる。
本発明のセラミック複合材は、酸素濃度が高い部分では、炭素層が酸化されSiCが露出するとともに、SiCの表面が速やかに酸化し、SiOの薄い被膜が形成される。これに対し熱水蒸気、熱水など雰囲気の酸素濃度が低い場合には、SiC/SiC複合材からなる基材の表面を覆う炭素層が酸化から保護している。このため、炭素層が内面側及び外面側に形成されたパイプ形状のセラミック複合材は使用される環境に応じたふさわしい保護膜を得ることができる。パイプ形状のセラミック複合材としては、例えば蒸気タービン設備の配管、ケーシングなどが挙げられる。
When the carbon layer is formed on the inner surface side and the outer surface side of the pipe-shaped ceramic composite material, a ceramic composite material corresponding to the use environment can be obtained.
In general, when the atmosphere oxygen concentration is high, SiC forms a SiO 2 film and suppresses the progress of oxidation, and when the atmosphere oxygen concentration is low, it is difficult to form a SiO 2 film and oxidation proceeds. To do. When exposed to hot water vapor or hot water, the oxygen concentration is low and oxidation tends to proceed.
In the ceramic composite material of the present invention, in the portion where the oxygen concentration is high, the carbon layer is oxidized to expose SiC, and the surface of SiC is rapidly oxidized to form a thin coating of SiO 2 . On the other hand, when the oxygen concentration in the atmosphere such as hot water vapor or hot water is low, the carbon layer covering the surface of the base material made of the SiC / SiC composite material protects against oxidation. For this reason, the pipe-shaped ceramic composite material in which the carbon layers are formed on the inner surface side and the outer surface side can provide a protective film suitable for the environment in which it is used. Examples of the pipe-shaped ceramic composite include piping and casings for steam turbine equipment.

(8)本発明のセラミック複合材は、熱交換パイプとして用いることができる。 (8) The ceramic composite material of the present invention can be used as a heat exchange pipe.

熱交換パイプでは、例えば、熱水と、高温空気との熱交換が行われる。熱水は、SiCの表面にSiO被膜を形成させることができないが、表面に有する炭素層によってSiCの消耗を防止することができる。他方、燃焼ガスなどの高温空気に曝される側は、表面の炭素層が燃焼することによってSiCが露出する。SiCは酸素含有量の多い燃焼ガスに曝されることによって表面にSiO膜を形成し、酸化の進行が妨げられる。 In the heat exchange pipe, for example, heat exchange between hot water and high-temperature air is performed. Hot water is not able to form a SiO 2 film on the surface of the SiC, it is possible to prevent the consumption of SiC by the carbon layer having a surface. On the other hand, on the side exposed to high-temperature air such as combustion gas, SiC is exposed by burning the carbon layer on the surface. When SiC is exposed to a combustion gas having a high oxygen content, a SiO 2 film is formed on the surface, and the progress of oxidation is hindered.

熱交換パイプは、例えば円形のパイプ形状のセラミック複合材を多数本並行して整列させ、組み合わせて用いることができる。パイプ形状のセラミック複合材の内側と外側に熱媒体を流通させ、セラミック複合材を通して熱交換することができる。熱媒体としては、水、蒸気、空気、オイルなどが挙げられる。炭素層との反応性がわからない場合、当該熱媒体と接する側の表面には、炭素層を有していることが好ましい。炭素層との反応性がなければ、炭素層がセラミック複合材の腐食を防止し、炭素層と当該熱媒体との反応性があれば、炭素層が酸化し、SiCが露出する。SiCの表面には、SiOの保護膜が速やかに形成され、セラミック複合材の腐食を防止する。 As the heat exchange pipe, for example, a large number of circular pipe-shaped ceramic composite materials can be aligned in parallel and used in combination. A heat medium can be circulated inside and outside the pipe-shaped ceramic composite material, and heat can be exchanged through the ceramic composite material. Examples of the heat medium include water, steam, air, and oil. When the reactivity with the carbon layer is not known, it is preferable to have a carbon layer on the surface in contact with the heat medium. If there is no reactivity with the carbon layer, the carbon layer prevents corrosion of the ceramic composite, and if there is reactivity between the carbon layer and the heat medium, the carbon layer is oxidized and SiC is exposed. A protective film of SiO 2 is quickly formed on the surface of SiC to prevent corrosion of the ceramic composite material.

(9)本発明のセラミック複合材は、原子炉用チャンネルボックスまたは核燃料被覆管として用いることができる。 (9) The ceramic composite material of the present invention can be used as a nuclear reactor channel box or a nuclear fuel cladding tube.

原子炉用チャンネルボックスおよび核燃料被覆管は、沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉などに用いられている。これらの原子炉では、加圧水に沈められて用いられることになるが、SiCのみの場合には、熱水に対してSiOの被膜を形成することができず、腐食し、少しずつSiCの溶出が起こる。これに対して、本発明のセラミック複合材では、表面が炭素層で覆われているので、SiCの溶出を防止することができ、腐食を防止することができる。また、基材がSiC/SiC複合材であるので、原子炉のトラブルによって大気開放された場合であっても、燃焼は表面の炭素層のみにとどまり、構造部材の破損を防ぐことができる。 Reactor channel boxes and nuclear fuel cladding are used in boiling water reactors, pressurized water reactors, and the like. In these nuclear reactors, they are used by being submerged in pressurized water. However, in the case of SiC alone, a coating of SiO 2 cannot be formed against hot water, and corrodes, and SiC is gradually eluted. Happens. On the other hand, in the ceramic composite material of the present invention, since the surface is covered with the carbon layer, the elution of SiC can be prevented and corrosion can be prevented. In addition, since the base material is a SiC / SiC composite material, even if the atmosphere is opened to the atmosphere due to the trouble of the nuclear reactor, the combustion is limited to the carbon layer on the surface, and damage to the structural member can be prevented.

(10)本発明のセラミック複合材は、超臨界水または亜臨界水の反応容器として用いることができる。 (10) The ceramic composite material of the present invention can be used as a reaction vessel for supercritical water or subcritical water.

水の臨界点の温度は374℃、圧力は22.1MPaである。臨界点では高温、高圧下の水は、液体と気体との中間的な性質をもち、反応性が非常に強くなる。また、このような条件に至らない亜臨界の状態でも、強い反応性を有している。本発明のセラミック複合材は、表面に炭素層を有しているので、超臨界水または亜臨界水の反応容器として好適に利用することができる。   The critical point temperature of water is 374 ° C., and the pressure is 22.1 MPa. At the critical point, water at high temperature and high pressure has an intermediate property between liquid and gas and becomes very reactive. Moreover, it has strong reactivity even in a subcritical state that does not reach such conditions. Since the ceramic composite of the present invention has a carbon layer on the surface, it can be suitably used as a reaction vessel for supercritical water or subcritical water.

超臨界水とは、374℃以上かつ22.1MPa以上の環境下の水の状態である。亜臨界水とは、下記のB及びCの範囲を除くAの範囲の環境下の水の状態である。
A:100℃以上かつ0.1013MPa以上
B:100℃かつ0.1013MPa
C:374℃以上かつ22.1MPa以上
Supercritical water is the state of water in an environment of 374 ° C. or higher and 22.1 MPa or higher. The subcritical water is the state of water under the environment in the range A excluding the following ranges B and C.
A: 100 ° C. or more and 0.1013 MPa or more B: 100 ° C. and 0.1013 MPa
C: 374 ° C. or higher and 22.1 MPa or higher

本発明の実施例及び比較例について以下説明する。   Examples of the present invention and comparative examples will be described below.

<実施例1>
SiC繊維を1600本束ねストランドを構成し、得られたストランドを製織し、ブレーディング体を形成する。ブレーディング体は、内径φ10mm、厚さ0.5mmのパイプ形状である。得られたブレーディング体を骨材とし、骨材の隙間にCVD−SiC材を充填し基材を得る。
CVD−SiC材は、CVD炉を用いて形成する。CVD炉内にブレーディング体を入れ、1200℃に加熱し、原料ガスであるシランガスとメタンを導入し、骨材の隙間にCVD−SiC材よりなるマトリックスを形成させ、SiC/SiC複合材の基材を得る。
<Example 1>
A strand is formed by bundling 1600 SiC fibers, and the obtained strand is woven to form a braided body. The braiding body has a pipe shape with an inner diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm. The obtained braided body is used as an aggregate, and a CVD-SiC material is filled in the gap between the aggregates to obtain a base material.
The CVD-SiC material is formed using a CVD furnace. A braided body is placed in a CVD furnace, heated to 1200 ° C., silane gas and methane, which are raw material gases, are introduced, a matrix made of a CVD-SiC material is formed in the gap between the aggregates, and the base of the SiC / SiC composite material Get the material.

次に、原料ガスをメタンに切り替え、基材の表面に熱分解炭素層を形成する。熱分解炭素層の厚さは30μmである。熱分解炭素層は、パイプ形状の基材の内面及び外面の両方に沈積させることができる。   Next, the source gas is switched to methane, and a pyrolytic carbon layer is formed on the surface of the substrate. The thickness of the pyrolytic carbon layer is 30 μm. The pyrolytic carbon layer can be deposited on both the inner and outer surfaces of the pipe-shaped substrate.

得られたセラミック複合材は、SiC/SiC複合材の基材の表面に熱分解炭素層が形成されたセラミック複合材である。   The obtained ceramic composite is a ceramic composite in which a pyrolytic carbon layer is formed on the surface of a SiC / SiC composite base material.

<実施例2>
SiC繊維を1600本束ねストランドを構成し、得られたストランドを巻回し、フィラメントワインディング体を形成する。フィラメントワインディング体は、内径φ100mm、厚さ2mmのパイプ形状である。得られた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CVD−SiC材を充填し基材を得る。
CVD−SiC材は、CVD炉を用いて形成する。CVD炉内にフィラメントワインディング体を入れ、1200℃に加熱し、原料ガスであるシランガスとメタンを導入し、骨材の隙間にCVD−SiC材からなるマトリックスを形成させ、SiC/SiC複合材の基材を得る。
<Example 2>
A strand is formed by bundling 1600 SiC fibers, and the obtained strand is wound to form a filament winding body. The filament winding body has a pipe shape with an inner diameter of 100 mm and a thickness of 2 mm. The obtained filament winding body is used as an aggregate, and a CVD-SiC material is filled in the gap between the aggregates to obtain a base material.
The CVD-SiC material is formed using a CVD furnace. A filament winding body is placed in a CVD furnace, heated to 1200 ° C., silane gas and methane as raw material gases are introduced, a matrix made of a CVD-SiC material is formed in the gap between the aggregates, and the substrate of the SiC / SiC composite material is formed. Get the material.

次に、基材をフェノール樹脂溶液に浸漬したのち、120℃で、乾燥、硬化させ、次いで1000℃で焼成し、基材の表面にガラス状炭素層を形成する。ガラス状炭素層の厚さは30μmである。ガラス状炭素層は、パイプ形状の基材の内面及び外面の両方に被覆させることができる。   Next, after immersing a base material in a phenol resin solution, it is dried and cured at 120 ° C., and then fired at 1000 ° C. to form a glassy carbon layer on the surface of the base material. The thickness of the glassy carbon layer is 30 μm. The glassy carbon layer can be coated on both the inner and outer surfaces of the pipe-shaped substrate.

得られたセラミック複合材は、SiC/SiC複合材よりなる基材の表面にガラス状炭素層が形成されたセラミック複合材である。   The obtained ceramic composite is a ceramic composite in which a glassy carbon layer is formed on the surface of a substrate made of a SiC / SiC composite.

<実施例3>
SiC繊維を1600本束ねストランドを構成し、得られたストランドを製織し、ブレーディング体を形成する。ブレーディング体は、内径φ10mm、厚さ0.5mmのパイプ形状である。得られたブレーディング体を骨材とし、骨材の隙間にPIP−SiC材を充填し基材を得る。
PIP−SiC材は、骨材の隙間にSiC前駆体(ポリカルボシラン)を含浸し、焼成することによって得ることができる。ポリカルボシランの溶液中に骨材を浸漬し、乾燥後焼成することによってPIP−SiC材からなるマトリックスを形成させ、SiC/SiC複合材の基材を得る。
<Example 3>
A strand is formed by bundling 1600 SiC fibers, and the obtained strand is woven to form a braided body. The braiding body has a pipe shape with an inner diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm. The obtained braided body is used as an aggregate, and a PIP-SiC material is filled in the gap between the aggregates to obtain a base material.
The PIP-SiC material can be obtained by impregnating an SiC precursor (polycarbosilane) in the gap between the aggregates and firing. A matrix made of a PIP-SiC material is formed by immersing the aggregate in a solution of polycarbosilane, followed by drying and firing to obtain a SiC / SiC composite base material.

炭素層は、CVD炉を用いて形成する。CVD炉内に基材を入れ、1500℃に加熱し、原料ガスであるメタンを導入し、基材の表面に熱分解炭素層を形成させ、セラミック複合材を得る。熱分解炭素層の厚さは30μmである。熱分解炭素層は、パイプ形状の基材の内面及び外面の両方に沈積させることができる。   The carbon layer is formed using a CVD furnace. A base material is put in a CVD furnace, heated to 1500 ° C., methane as a raw material gas is introduced, a pyrolytic carbon layer is formed on the surface of the base material, and a ceramic composite material is obtained. The thickness of the pyrolytic carbon layer is 30 μm. The pyrolytic carbon layer can be deposited on both the inner and outer surfaces of the pipe-shaped substrate.

<比較例1>
実施例1において、炭素層を形成しないで、SiC/SiC複合材の基材をそのまま用いる。本比較例において、表面はCVD−SiC材である。
<Comparative Example 1>
In Example 1, a SiC / SiC composite base material is used as it is without forming a carbon layer. In this comparative example, the surface is a CVD-SiC material.

<比較例2>
CVD−SiC法で得られたCVD−SiC材の平板を研磨し、平滑な表面を有するCVD−SiC材を比較例2とする。
<Comparative example 2>
A CVD-SiC material having a smooth surface obtained by polishing a flat plate of a CVD-SiC material obtained by the CVD-SiC method is referred to as Comparative Example 2.

<評価試験>
本発明のセラミック複合材の耐食性を検証するため、実施例1〜3、比較例1,2において表面に露出する熱分解炭素およびSiCを評価用試料とし、評価用試料を300℃、8MPaの水に80時間浸漬させ、浸漬前後の変化を比較した。
試料1は、基材の表面に炭素層が形成されている。試料2は、基材の表面にCVD−SiC層が形成されている。試料3は、CVD−SiC層の表面がさらに研磨されている。すなわち、試料1、試料2は、表面が製膜により形成された面であり、試料3は研磨加工により平滑化されている。
なお、試料1は表面が炭素層であり、実施例1〜3と同等の材質である。特に熱分解炭素であるので、表面が熱分解炭素層である実施例1、3と同一材質である。
試料2は、表面がCVD法で形成したままのCVD−SiC材であり、比較例1と同一の表面である。
試料3は、表面がCVD法で形成したままのCVD−SiC材を研磨し平滑化したものであるので、比較例2と同一の表面である。
<Evaluation test>
In order to verify the corrosion resistance of the ceramic composite of the present invention, pyrolytic carbon and SiC exposed on the surface in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were used as evaluation samples, and the evaluation sample was 300 ° C. and 8 MPa water. For 80 hours, and the changes before and after immersion were compared.
Sample 1 has a carbon layer formed on the surface of the substrate. In Sample 2, a CVD-SiC layer is formed on the surface of the base material. In Sample 3, the surface of the CVD-SiC layer is further polished. That is, Sample 1 and Sample 2 are surfaces whose surfaces are formed by film formation, and Sample 3 is smoothed by polishing.
In addition, the surface of the sample 1 is a carbon layer, and is the same material as Examples 1-3. Since it is especially pyrolytic carbon, it is the same material as Example 1 and 3 whose surface is a pyrolytic carbon layer.
Sample 2 is a CVD-SiC material whose surface is still formed by the CVD method, and is the same surface as Comparative Example 1.
Since the sample 3 is obtained by polishing and smoothing a CVD-SiC material whose surface is formed by the CVD method, it is the same surface as the comparative example 2.

試料1および試料3のサイズは3×4×40mm、試料2のサイズはφ10×29mm厚さ0.5mmのパイプ状である。   Sample 1 and sample 3 are 3 × 4 × 40 mm in size, and sample 2 is in the form of a pipe having a diameter of φ10 × 29 mm and a thickness of 0.5 mm.

表1は、試験前後の重量変化を示している。図1は本発明のセラミック複合材の表面を構成する熱分解炭素の熱水による反応試験に用いた試料1の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。図2は、本発明の比較例1の表面と同等のCVD−SiC材の熱水による反応試験に用いた試料2の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。図3は本発明の比較例2と同等である研磨したCVD−SiC材の熱水による反応試験に用いた試料3の写真であり、(a)は試験前の表面写真、(b)は試験前のレーザー顕微鏡写真であり(a)の写真の一部領域である。(c)は試験後のレーザー顕微鏡写真であり(b)の写真と同一箇所である。   Table 1 shows the change in weight before and after the test. FIG. 1 is a photograph of Sample 1 used for a reaction test of pyrolytic carbon constituting the surface of the ceramic composite of the present invention using hot water, (a) is a surface photograph before the test, and (b) is a photograph before the test. It is a laser micrograph and is a partial region of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b). FIG. 2 is a photograph of Sample 2 used in a reaction test with hot water of a CVD-SiC material equivalent to the surface of Comparative Example 1 of the present invention, (a) is a surface photograph before the test, and (b) is a test. It is a previous laser micrograph and is a partial region of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b). FIG. 3 is a photograph of Sample 3 used in a reaction test with hot water of a polished CVD-SiC material equivalent to Comparative Example 2 of the present invention, (a) is a surface photograph before the test, and (b) is a test. It is a previous laser micrograph and is a partial region of the photograph of (a). (C) is a laser micrograph after the test, which is the same location as the photo of (b).

熱分解炭素層からなる試料1は、試験前後で重量変化はなかった。図1に示すように、試験前である図1(b)と試験後である図1(c)との間に外観変化もなかった。CVD−SiCからなる試料2、3は、試験により重量増加が確認された。面の状態によって、重量変化の大きさが異なり、表面の凹凸の大きい製膜面の方が重量の増加量が大きかった。図2、図3に示すように、熱水試験後に試料2、3ともに表面CVD−SiCの脱落が確認された。   Sample 1 consisting of the pyrolytic carbon layer had no weight change before and after the test. As shown in FIG. 1, there was no change in appearance between FIG. 1B before the test and FIG. 1C after the test. Samples 2 and 3 made of CVD-SiC were confirmed to increase in weight by testing. The amount of change in weight differs depending on the state of the surface, and the amount of increase in weight was larger for the film-formed surface having a large surface roughness. As shown in FIGS. 2 and 3, surface CVD-SiC was confirmed to drop off in both samples 2 and 3 after the hot water test.

CVD−SiCからなる試料2、3において、表面の脱落が起こっているにもかかわらず重量が増加しているのは、高温、高圧の水によるSiCの表面の酸化反応と、表面の脱落反応が同時に起きているためと考えられる。長期間試験を継続すると、脱落が増え、重量減に転ずると考えられる。   In Samples 2 and 3 made of CVD-SiC, the weight is increased despite the occurrence of surface detachment because of the oxidation reaction of the SiC surface by high-temperature and high-pressure water and the surface detachment reaction. This is probably because they are awake at the same time. If the test is continued for a long period of time, dropout will increase and the weight will decrease.

以上のように、炭素の一形態である熱分解炭素の被覆は、高温高圧の水に対して耐食性を有していることが確認された。このため、試料1の結果より、熱分解炭素の表層を有する複合材は、高温高圧の水に対する高い耐食性を有していることがわかる。また、熱分解炭素と同一材質であるガラス状炭素であっても、同様に高温高圧の水に対する高い耐食性を有していると考えられる。   As described above, it was confirmed that the coating of pyrolytic carbon, which is one form of carbon, has corrosion resistance against high-temperature and high-pressure water. For this reason, it can be seen from the results of Sample 1 that the composite material having a surface layer of pyrolytic carbon has high corrosion resistance against high-temperature and high-pressure water. Further, even glassy carbon, which is the same material as pyrolytic carbon, is considered to have high corrosion resistance to high-temperature and high-pressure water as well.

また、本発明のセラミック複合材は、炭素と珪素とからなるので、放射性の元素、毒性を有する元素、希少な元素を用いることなく、耐熱性および高温水蒸気に耐食性を有することが確認された。   Further, since the ceramic composite material of the present invention is composed of carbon and silicon, it was confirmed that the ceramic composite material has heat resistance and corrosion resistance to high-temperature steam without using radioactive elements, toxic elements, and rare elements.

Claims (10)

SiC/SiC複合材からなる基材と、前記基材を覆う炭素層とからなることを特徴とするセラミック複合材。 A ceramic composite material comprising a base material made of a SiC / SiC composite material and a carbon layer covering the base material. 前記SiC/SiC複合材は、SiC繊維と、CVD−SiC材からなるマトリックスとからなることを特徴とする請求項1に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 1, wherein the SiC / SiC composite material includes SiC fibers and a matrix made of a CVD-SiC material. 前記炭素層は、熱分解炭素層であることを特徴とする請求項1または2に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 1, wherein the carbon layer is a pyrolytic carbon layer. 前記炭素層は、ガラス状炭素層であることを特徴とする請求項1または2に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 1, wherein the carbon layer is a glassy carbon layer. 前記炭素層は、厚さが5〜200μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 1, wherein the carbon layer has a thickness of 5 to 200 μm. 前記セラミック複合材はパイプ形状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 1, wherein the ceramic composite material has a pipe shape. 前記炭素層は、前記パイプ形状のセラミック複合材の内面側及び外面側に形成されていることを特徴とする請求項6に記載のセラミック複合材。 The said carbon layer is formed in the inner surface side and outer surface side of the said pipe-shaped ceramic composite material, The ceramic composite material of Claim 6 characterized by the above-mentioned. 前記セラミック複合材は、熱交換パイプであることを特徴とする請求項6または7に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 6, wherein the ceramic composite material is a heat exchange pipe. 前記セラミック複合材は、原子炉用チャンネルボックスまたは核燃料被覆管であることを特徴とする請求項6または7に記載のセラミック複合材。 The ceramic composite material according to claim 6 or 7, wherein the ceramic composite material is a nuclear reactor channel box or a nuclear fuel cladding tube. 前記セラミック複合材は、超臨界水または亜臨界水の反応容器であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミック複合材。
The ceramic composite material according to claim 1, wherein the ceramic composite material is a reaction vessel for supercritical water or subcritical water.
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