JP6490915B2 - 管状体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック／セラミック複合材からなる管状体及びそ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、放射線照射等の過酷な条件下においても、耐熱性、強度性および精密加工性に優れるという特性を有するスリーブ（管状体）として、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ）からなる円筒状薄肉スリーブであって、気孔率が４０％以下で、かつ、肉厚が５ｍｍ以下であることを特徴とする円筒状ＳｉＣ複合材料スリーブが記載されている。
しかしながら、前記記載のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材）からなる管状体は、弾性率の高いＳｉＣ繊維を用いている。ＳｉＣ繊維などのセラミック繊維は、耐熱性を備え、高強度であることから、放射線照射等の過酷な条件下などでも使用できる特徴はあるものの、セラミック繊維は有機繊維とは異なり弾性率が高く、曲げにより簡単に折れる、毛羽立ちし易いといった問題がある。このため、組紐体を製織し繊維が折れないようセラミック／セラミック複合材を得ることは困難である。
本発明では、前記課題を鑑み、セラミック繊維を組紐体として用いたセラミック／セラミック複合材であって、製造時の繊維の折れによる欠陥が少なく、高強度で耐熱性を有する高性能な管状体及びその製造方法を提供すること目的とする。
本発明では、前記課題を鑑み、セラミック繊維を組紐体として用いたセラミック／セラミック複合材であって、製造時の繊維の折れによる欠陥が少なく、高強度で耐熱性を有する高性能な管状体及びその製造方法を提供すること目的とする。
≪管状体≫
前記課題を解決するための本発明の管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなる。
前記課題を解決するための本発明の管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなる。
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなるので、セラミック／セラミック複合材を構成し、強靱な管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、以下の態様であることが好ましい。
（Ａ−１）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
（Ａ−１）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック繊維として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
（Ａ−２）前記ＣＶＤセラミック層は、ＣＶＤ−ＳｉＣ層である。
ＣＶＤ法で得られた被膜は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のＣＶＤ−ＳｉＣ層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
（Ａ−３）前記セラミック焼成体層は、ＳｉＣ焼成体層である。
ＳｉＣ焼成体層は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック焼成体層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
（Ａ−４）前記組紐体は、前記セラミック繊維のストランドが製織されてなる。
セラミック繊維は、細い繊維を複数束ねたストランドの形態で使用することにより、しなやかに曲げることができ、毛羽立ちの発生を防ぐことができる。さらに、セラミック繊維は再配列することができるのでストランドの断面形状が自由に変化できる。ストランドは、厚さの薄いバンド状に変形することにより、織目が大きくなりすぎることを防ぐことができ、平滑な表面の管状体を得ることができる。
（Ａ−５）前記組紐体は、織目に空隙を有することを特徴とする。
本発明の管状体は、組紐体の織目に空隙を有することにより、織目に接するセラミック繊維の曲がり方を緩やかにすることができ、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
（Ａ−６）前記空隙の内接円の直径は、０．１〜５ｍｍである。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．１ｍｍ以上であると、織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄い弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄い弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
（Ａ−７）前記セラミック焼成体層は、骨材を含有する。
本発明の管状体は、セラミック焼成体層に、骨材を含有することにより、組紐体の有する凹みに効率良くセラミック焼成体層を充填することができる。これは、セラミック焼成体層に骨材を含有することにより、製造時の収縮を小さく抑えることができ、凹みを解消する能力が大きいからである。このため、平滑な表面の管状体を得ることができる。
（Ａ−８）前記管状体は、原子力用である。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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。
≪管状体の製造方法≫
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、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程と、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程と、前記基材にＣＶＤセラミック層を被覆し管状体を製造するＣＶＤ工程と、からなる。
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、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程と、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程と、前記基材にＣＶＤセラミック層を被覆し管状体を製造するＣＶＤ工程と、からなる。
本発明の管状体の製造方法によれば、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程の後に、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程を有している。このため、ＣＶＤ工程でＣＶＤセラミック層が形成される前に、織目などの厚さが薄い部分があっても、セラミック前駆体が薄い部分に集中的に充填され、前記組紐体の織目を封止するので、平滑な表面の管状体を製造することができる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を被覆するＣＶＤ工程を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を製造することができる。
（Ｂ−１）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック繊維として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を製造することができる。
（Ｂ−２）前記ＣＶＤ工程は、ＳｉＣのＣＶＤ工程である。
ＣＶＤ法で得られた被膜は、耐熱性を備え、高強度であるので、ＳｉＣを化学気相成長（ＣＶＤ）させることにより、高強度で耐熱性の高い管状体を製造することができる。
（Ｂ−３）前記セラミック前駆体は、ＳｉＣ前駆体である。
ＳｉＣ焼成体層は、耐熱性を備え、高強度であるので、ＳｉＣ前駆体を焼成し管状体のセラミック焼成体層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
（Ｂ−４）前記組紐体は、前記セラミック繊維のストランドが製織されてなる。
セラミック繊維は、細い繊維を複数束ねたストランドの形態で使用することにより、しなやかに曲げることができ、毛羽立ちの発生を防ぐことができる。さらに、セラミック繊維は再配列することができるのでストランドの断面形状が自由に変化できる。ストランドは、厚さの薄いバンド状に変形することにより、織目が大きくなりすぎることを防ぐことができ、平滑な表面の管状体を得ることができる。
（Ｂ−５）前記組紐体は、前記織目に空隙を有する。
本発明の管状体の製造方法では、組紐体の織目に空隙を有するように製造することにより、織目に接するセラミック繊維の曲がり方を緩やかにすることができ、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき高強度の管状体を製造することができる。
（Ｂ−６）前記空隙の内接円の直径は、０．１〜５ｍｍである。
本発明の管状体の製造方法は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．１ｍｍ以上であると、織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき高強度の管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を製造することができる。
（Ｂ−７）前記セラミック前駆体は骨材を含有する。
本発明の管状体の製造方法は、セラミック焼成体層に、骨材を含有することにより、組紐体の有する凹みに効率良くセラミック焼成体層を充填することができる。これは、セラミック焼成体層に骨材を含有することにより、製造時の収縮を小さく抑えることができ、凹みを解消する能力が大きいからである。このため、平滑な表面の管状体を得ることができる。
（Ｂ−８）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、セラミック／セラミック複合材で構成され、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、セラミック／セラミック複合材で構成され、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。
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなるので、セラミック／セラミック複合材を構成し、強靱な管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体の製造方法によれば、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程の後に、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程を有している。このため、ＣＶＤ工程でＣＶＤセラミック層が形成される前に、織目などの厚さが薄い部分があっても、セラミック前駆体が薄い部分に集中的に充填され、前記組紐体の織目を封止するので、平滑な表面の管状体を製造することができる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を被覆するＣＶＤ工程を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を製造することができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を被覆するＣＶＤ工程を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を製造することができる。
本明細書において、織目とは、織物の繊維と繊維の間をしめす。繊維が束（ストランド）になっている場合には、ストランドとストランドとの間を示す。織目に空隙を有する場合には、その空隙が織目を構成する。
本明細書において、ＣＶＤセラミック層とは、ＣＶＤ法により形成されたセラミック層を示す。
本明細書において、ＣＶＤセラミック層とは、ＣＶＤ法により形成されたセラミック層を示す。
≪管状体≫
本発明の管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなる。
本発明の管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなる。
本発明の管状体の組紐体とは、糸を組み合わせて作った紐であり、管状に製織されているので中空の紐となる。組紐体の中手方向に切れ目を入れて展開すると、例えば縦糸、緯糸がそれぞれ斜めに交差した織布となる。
ＣＶＤセラミック層は、管状体の内側及び外側のいずれに形成されていてもよいが、内側及び外側の両側に形成されていることが望ましい。両側に形成されていることでより高強度な管状体を得ることができる。
ＣＶＤセラミック層は、管状体の内側及び外側のいずれに形成されていてもよいが、内側及び外側の両側に形成されていることが望ましい。両側に形成されていることでより高強度な管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック繊維とは、特に限定されないが例えば、ＳｉＣ繊維、ＴａＣ繊維、ＷＣ繊維、炭素繊維、ＴａＮ繊維、チタンシリコンカーバイド繊維などが挙げられる。
本発明の管状体のセラミック焼成体とは、焼成されて得られたセラミックであれば良く特に限定されない。例えば、樹脂からなるセラミック前駆体を焼成して得られたセラミック焼成体、セラミックの粉末に焼結助剤を加え焼成したセラミックの焼結体でも良い。
セラミック前駆体としては、ポリカルボシラン、ポリオルガノボロシラザン、ポリメタロキサン、ポリボロシロキサン、ポリカルボシラザンなどが挙げられる。焼成することによりポリカルボシランからはＳｉＣ、ポリオルガノボロシラザンからはＳｉＮＢＣセラミック、ポリメタロキサンからは酸化物系セラミック、ポリオルガノボロシラザンからは、Ｂ−Ｓｉ−Ｃ−Ｎ系セラミック、ポリカルボシラザンからはＳｉ−Ｃ−Ｎ系セラミックが得られる。
セラミック前駆体としては、ポリカルボシラン、ポリオルガノボロシラザン、ポリメタロキサン、ポリボロシロキサン、ポリカルボシラザンなどが挙げられる。焼成することによりポリカルボシランからはＳｉＣ、ポリオルガノボロシラザンからはＳｉＮＢＣセラミック、ポリメタロキサンからは酸化物系セラミック、ポリオルガノボロシラザンからは、Ｂ−Ｓｉ−Ｃ−Ｎ系セラミック、ポリカルボシラザンからはＳｉ−Ｃ−Ｎ系セラミックが得られる。
本発明の管状体のＣＶＤセラミック層は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体とセラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材の表面を覆う。ＣＶＤセラミック層は、化学気相成長法で形成されるので、緻密で高強度な被膜となる。
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなるので、セラミック／セラミック複合材を構成し、強靱な管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材と、前記基材の表面を覆うＣＶＤセラミック層と、からなるので、セラミック／セラミック複合材を構成し、強靱な管状体を得ることができる。
また、前記セラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層を有しているので、セラミック繊維が製織される際、組紐体に織目など厚さが薄い部分があっても、セラミック焼成体層が薄い部分に集中的に充填されるので、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体が得られる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック繊維は、ＳｉＣ繊維であることが好ましい。
ＳｉＣ繊維は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック繊維として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック繊維は、表面にセラミック繊維と組成の異なる繊維被覆層を有していても良い。繊維被覆層としては、熱分解炭素、ＢＮなどが挙げられる。あらかじめセラミック繊維に被覆しておいても、製織工程後に被覆することもできる。繊維被覆層はセラミック焼成体層とセラミック繊維との界面に形成されるので、セラミック焼成体層あるいはＣＶＤセラミック層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。このため、高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体のＣＶＤセラミック層は、ＣＶＤ−ＳｉＣ層であることが好ましい。
ＣＶＤ法で得られた被膜は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のＣＶＤ−ＳｉＣ層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック焼成体層は、ＳｉＣ焼成体層である。
ＳｉＣ焼成体層は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック焼成体層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック繊維は繊維直径が５〜２０μｍであることが好ましい。
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。
本発明の管状体の組紐体は、前記セラミック繊維のストランドが製織されてなることが好ましい。
セラミック繊維は、細い繊維を複数束ねたストランドの形態で使用することにより、しなやかに曲げることができ、毛羽立ちの発生を防ぐことができる。さらに、セラミック繊維は再配列することができるのでストランドの断面形状が自由に変化できる。ストランドは、厚さの薄いバンド状に変形することにより、織目が大きくなりすぎることを防ぐことができ、平滑な表面の管状体を得ることができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数は１００〜１００００本であることが好ましい。ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００本以上であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力のかかりにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数は１００〜１００００本であることが好ましい。ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００本以上であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力のかかりにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００００本以下であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力のかかりにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
本発明の管状体の組紐体は、織目に空隙を有することが好ましい。
本発明の管状体は、組紐体の織目に空隙を有することにより、セラミック繊維どうしの間隔を広げ織目に接するセラミック繊維の曲がり方を緩やかにすることができ、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体の組紐体の織目の空隙の内接円の直径は、０．１〜５ｍｍであることが好ましい。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．１ｍｍ以上であると、セラミック繊維どうしの間隔を広げ織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体の組紐体の織目の空隙の内接円の直径のさらに望ましい範囲は、０．２〜２ｍｍである。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．２ｍｍ以上であると、セラミック繊維どうしの間隔をさらに広げ織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が２ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏をさらに小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が２ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏をさらに小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体のセラミック焼成体層は、骨材を含有することが好ましい。
本発明の管状体は、セラミック焼成体層に、骨材を含有することにより、組紐体の有する凹みに効率良くセラミック焼成体層を充填することができる。これは、セラミック焼成体層に骨材を含有することにより、製造時の収縮を小さく抑えることができ、凹みを解消する能力が大きいからである。このため、平滑な表面の管状体を得ることができる。
骨材としては、セラミックの粒子などが挙げられる。具体的には、ＳｉＣ、ＷＣ、ジルコニア、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライトなどが挙げられ特に限定されない。
骨材としては、セラミックの粒子などが挙げられる。具体的には、ＳｉＣ、ＷＣ、ジルコニア、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライトなどが挙げられ特に限定されない。
本発明の管状体は、原子力用であることが好ましい。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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燃料被覆管、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。このような管状体を用いることにより、炉内が高温に曝されても、冷却水との反応を抑え、水素ガスの発生を防止することができる。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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燃料被覆管、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。このような管状体を用いることにより、炉内が高温に曝されても、冷却水との反応を抑え、水素ガスの発生を防止することができる。
≪管状体の製造方法≫
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、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程と、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程と、前記基材にＣＶＤセラミック層を被覆し管状体を製造するＣＶＤ工程と、からなる。
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、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程と、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程と、前記基材にＣＶＤセラミック層を被覆し管状体を製造するＣＶＤ工程と、からなる。
本発明の管状体の製造方法の組紐体とは、糸を組み合わせて作った紐であり、管状に製織されているので中空の紐となる。組紐体の中手方向に切れ目を入れて展開すると、例えば縦糸、緯糸がそれぞれ斜めに交差した織布となる。
本発明の管状体のセラミック繊維とは、特に限定されないが例えば、ＳｉＣ繊維、ＴａＣ繊維、ＷＣ繊維、炭素繊維、ＴａＮ繊維、チタンシリコンカーバイド繊維などが挙げられる。
本発明の管状体のセラミック繊維とは、特に限定されないが例えば、ＳｉＣ繊維、ＴａＣ繊維、ＷＣ繊維、炭素繊維、ＴａＮ繊維、チタンシリコンカーバイド繊維などが挙げられる。
本発明の管状体の製造方法のセラミック焼成体とは、焼成されて得られたセラミックであれば良く特に限定されない。例えば、樹脂からなるセラミック前駆体を焼成して得られたセラミック焼成体、セラミックの粉末に焼結助剤を加え焼成したセラミックの焼結体でも良い。
セラミック前駆体としては、ポリカルボシラン、ポリオルガノボロシラザン、ポリメタロキサン、ポリボロシロキサン、ポリカルボシラザンなどが挙げられる。焼成することによりポリカルボシランからはＳｉＣ、ポリオルガノボロシラザンからはＳｉＮＢＣセラミック、ポリメタロキサンからは酸化物系セラミック、ポリオルガノボロシラザンからは、Ｂ−Ｓｉ−Ｃ−Ｎ系セラミック、ポリカルボシラザンからはＳｉ−Ｃ−Ｎ系セラミックが得られる。
本発明の管状体の製造方法のＣＶＤ工程では、ＣＶＤセラミック層がセラミック繊維からなる筒状の組紐体とセラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材の表面を覆う。ＣＶＤセラミック層は、化学気相成長法で形成されるので、緻密で高強度な被膜となる。
本発明の管状体の製造方法のＣＶＤ工程では、ＣＶＤセラミック層がセラミック繊維からなる筒状の組紐体とセラミック繊維間を充填するセラミック焼成体層とからなる基材の表面を覆う。ＣＶＤセラミック層は、化学気相成長法で形成されるので、緻密で高強度な被膜となる。
本発明の管状体の製造方法によれば、セラミック繊維を製織し、筒状の組紐体を製造する製織工程の後に、前記組紐体にセラミック前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程を有している。このため、ＣＶＤ工程でＣＶＤセラミック層が形成される前に、織目などの厚さが薄い部分があっても、セラミック前駆体が薄い部分に集中的に充填され、前記組紐体の織目を封止するので、平滑な表面の管状体を製造することができる。さらにＣＶＤ炉に入れられる前に、セラミック焼成体層が繊維どうしを固定することができるのでＣＶＤ炉内で加熱した際に熱膨張差などにより繊維が折れにくく、毛羽立ちを発生しにくくすることができ、確実にＣＶＤセラミック層を沈着させることができる。
さらに、緻密体であるＣＶＤセラミック層を被覆するＣＶＤ工程を有しているので、不浸透性が高く高強度の管状体を製造することができる。
焼成は、例えば８００〜２０００℃で処理することができる。
本発明の管状体の製造方法のセラミック繊維は、ＳｉＣ繊維であることが好ましい。
ＳｉＣ繊維は、耐熱性を備え、高強度であるので、管状体のセラミック繊維として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法のセラミック繊維は、表面にセラミック繊維と組成の異なる繊維被覆層を有していても良い。繊維被覆層としては、熱分解炭素、ＢＮなどが挙げられる。あらかじめセラミック繊維に被覆しておいても、製織工程後に被覆することもできる。繊維被覆層はセラミック焼成体層とセラミック繊維との界面に形成されるので、セラミック焼成体層あるいはＣＶＤセラミック層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。このため、高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体の製造方法のＣＶＤ工程は、ＳｉＣのＣＶＤ工程であることが好ましい。
ＣＶＤ法で得られた被膜は、耐熱性を備え、高強度であるので、ＳｉＣを化学気相成長（ＣＶＤ）させることにより、高強度で耐熱性の高い管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法のセラミック前駆体は、ＳｉＣ前駆体であることが好ましい。
ＳｉＣ前駆体を焼成して得られるＳｉＣ焼成体層は、耐熱性を備え、高強度であるので、ＳｉＣ前駆体を焼成し管状体のセラミック焼成体層として使用することにより、高強度で耐熱性の高い管状体を得ることができる。ＳｉＣ前駆体は、例えばポリカルボシランなどの有機珪素樹脂である。
本発明の管状体製造方法のセラミック繊維は繊維直径が５〜２０μｍであることが好ましい。
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。
本発明の管状体の製造方法の組紐体は、セラミック繊維のストランドが製織されてなることが好ましい。
セラミック繊維は、細い繊維を複数束ねたストランドの形態で使用することにより、しなやかに曲げることができ、毛羽立ちの発生を防ぐことができる。さらに、セラミック繊維は再配列することができるのでストランドの断面形状が自由に変化できる。ストランドは、厚さの薄いバンド状に変形することにより、織目が大きくなりすぎることを防ぐことができ、平滑な表面の管状体を得ることができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数は１００〜１００００本であることが好ましい。ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００本以上であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力の係りにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００００本以下であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力のかかりにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
ストランドを構成するセラミック繊維の数が１００００本以下であると、ストランドを曲げた際にセラミック繊維が自由に再配列しやすく、曲げ応力のかかりにくい薄いバンド状に容易に変形することができる。
本発明の管状体の製造方法の組紐体は、織目に空隙を有することが好ましい。
本発明の管状体の製造方法では、組紐体の織目に空隙を有するように製造することにより、織目に接するセラミック繊維の曲がり方を緩やかにすることができ、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき高強度の管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法の空隙の内接円の直径は、０．１〜５ｍｍであることが好ましい。
本発明の管状体の製造方法は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．１ｍｍ以上であると、織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき高強度の管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄い弱い部分のない平滑な表面の管状体を製造することができる。
本発明の管状体の製造方法は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が５ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏を小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄い弱い部分のない平滑な表面の管状体を製造することができる。
本発明の管状体の組紐体の織目の空隙の内接円の直径のさらに望ましい範囲は、０．２〜２ｍｍである。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が０．２ｍｍ以上であると、セラミック繊維どうしの間隔をさらに広げ織目に接する繊維の曲がり方を緩やかにすることができるので、セラミック繊維にかかる曲げ応力を小さくでき、毛羽立ちのない高強度の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が２ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏をさらに小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体は、管状体を構成する組紐体の織目の空隙の内接円が２ｍｍ以下であると、織目に起因する管状体の表面の起伏をさらに小さくすることができるので、セラミック焼成体層が充填されることにより、肉厚が薄く弱い部分のない平滑な表面の管状体を得ることができる。
本発明の管状体の製造方法のセラミック前駆体は骨材を含有することが好ましい。
本発明の管状体の製造方法は、セラミック焼成体層に、骨材を含有することにより、組紐体の有する凹みに効率良くセラミック焼成体層を充填することができる。これは、セラミック焼成体層に骨材を含有することにより、製造時の収縮を小さく抑えることができ、凹みを解消する能力が大きいからである。このため、平滑な表面の管状体を得ることができる。
骨材としては、セラミックの粒子などが挙げられる。具体的には、ＳｉＣ、ＷＣ、ジルコニア、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライトなどが挙げられ特に限定されない。
骨材としては、セラミックの粒子などが挙げられる。具体的には、ＳｉＣ、ＷＣ、ジルコニア、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライトなどが挙げられ特に限定されない。
本発明の管状体は、原子力用であることが好ましい。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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燃料被覆管、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。このような管状体を用いることにより、炉内が高温に曝されても、冷却水との反応を抑え、水素ガスの発生を防止することができる。
本発明の管状体は、セラミック／セラミック複合材で構成され、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燃料被覆管、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。このような管状体を用いることにより、炉内が高温に曝されても、冷却水との反応を抑え、水素ガスの発生を防止することができる。
以下本発明の実施例について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１の工程フローを示す。図２は、本発明の実施例１の管状体の断面を示し、図の上が管状体の外側、図の下が管状体の内側を示す。図３は、本発明の実施例１の組紐体段階の正面図であり、長手方向が図の上下方向である。図４は、本発明の実施例１の組紐体段階の織目の拡大図である。空隙には、内接円が図示されている。図５は、本発明の実施例１の外観写真である。
本発明の管状体及びその製造方法について、実施例１を用いて順に説明する。
＜製織工程＞図１（ａ）
セラミック繊維１はＳｉＣ繊維を用いた。セラミック繊維は、繊維直径７．５μｍの宇部興産社製ＳｉＣ繊維「チラノＳＡ３」を１６００本束ねたストランドの形態で使用した。６４本のストランドを、ブレーディング装置を用い、内径φ１０ｍｍ、長さ４００ｍｍの組紐体を得た。
セラミック繊維１はＳｉＣ繊維を用いた。セラミック繊維は、繊維直径７．５μｍの宇部興産社製ＳｉＣ繊維「チラノＳＡ３」を１６００本束ねたストランドの形態で使用した。６４本のストランドを、ブレーディング装置を用い、内径φ１０ｍｍ、長さ４００ｍｍの組紐体を得た。
＜基材製造工程＞図１（ｂ）
得られた組紐体に、φ１０ｍｍの黒鉛製の丸棒を挿入し、セラミック前駆体であるポリカルボシランを塗布した。さらに黒鉛製の丸棒とともに１２００℃で焼成したのち、黒鉛の丸棒を抜き取り、基材を得た。得られたセラミック焼成体層２は、ＳｉＣである。
得られた組紐体に、φ１０ｍｍの黒鉛製の丸棒を挿入し、セラミック前駆体であるポリカルボシランを塗布した。さらに黒鉛製の丸棒とともに１２００℃で焼成したのち、黒鉛の丸棒を抜き取り、基材を得た。得られたセラミック焼成体層２は、ＳｉＣである。
＜ＣＶＤ工程＞図１（ｃ）
得られた基材をＣＶＤ炉に入れ、シランガス及びメタンを原料ガスとして導入し、ＣＶＤセラミック層を形成した。ＣＶＤセラミック層はシランガス及びメタンを原料ガスとしたので、ＣＶＤ−ＳｉＣ層である。ＣＶＤの成膜温度は、１２００℃である。
以上の工程により、セラミック繊維１がＳｉＣ繊維、セラミック焼成体層２がＳｉＣ焼成体層、ＣＶＤセラミック層３がＣＶＤ−ＳｉＣ層である断面が円形の管状体が得られた。
得られた基材をＣＶＤ炉に入れ、シランガス及びメタンを原料ガスとして導入し、ＣＶＤセラミック層を形成した。ＣＶＤセラミック層はシランガス及びメタンを原料ガスとしたので、ＣＶＤ−ＳｉＣ層である。ＣＶＤの成膜温度は、１２００℃である。
以上の工程により、セラミック繊維１がＳｉＣ繊維、セラミック焼成体層２がＳｉＣ焼成体層、ＣＶＤセラミック層３がＣＶＤ−ＳｉＣ層である断面が円形の管状体が得られた。
次に得られた管状体１００について説明する。図２は、本発明の実施例１の管状体１００の断面を示し、図の上が管状体１００の外側、図の下が管状体１００の内側を示す。図３は、本発明の実施例１の管状体１００の正面図であり、長手方向が図の上下方向である。図４は、本発明の実施例１の管状体１００を構成する組紐体１０の織目の拡大図である。織目には空隙５を有し、空隙５には、内接円６が図示されている。図５は、本発明の実施例１の外観写真である。
図２は、管状体１００を構成する組紐体１０のある１本のストランドに沿って切断した断面図である。組紐体１０は、展開すると平織りとなるようにストランドが交互に織られている。ストランドが交差する箇所では、ストランドは曲げられ上下に入れ替わっている。
図３は、組紐体段階の正面図である。右回りストランド３２本、左周りのストランド３２本により製織されている。ストランドの交差する織目には、空隙５を有している。
空隙の内接円６の説明図を、図４に示す。組紐体１０における空隙５の内接円６の直径は０．５ｍｍである。図５は得られた管状体１００の外観写真である。管状体１００の外径はφ１１ｍｍ、内径はφ１０ｍｍであった。得られたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体１００は、毛羽立ちはなく、平滑な表面が得られ管状体の表面全体がＣＶＤ−ＳｉＣ層により覆われている。
図３は、組紐体段階の正面図である。右回りストランド３２本、左周りのストランド３２本により製織されている。ストランドの交差する織目には、空隙５を有している。
空隙の内接円６の説明図を、図４に示す。組紐体１０における空隙５の内接円６の直径は０．５ｍｍである。図５は得られた管状体１００の外観写真である。管状体１００の外径はφ１１ｍｍ、内径はφ１０ｍｍであった。得られたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体１００は、毛羽立ちはなく、平滑な表面が得られ管状体の表面全体がＣＶＤ−ＳｉＣ層により覆われている。
＜性能評価＞
得られた実施例１の管状体を１００ｍｍの長さに切断し１２００℃に加熱し、水中投下したが、クラック、割れは発生しなかった。
得られた実施例１の管状体を１００ｍｍの長さに切断し１２００℃に加熱し、水中投下したが、クラック、割れは発生しなかった。
＜比較例＞
ＳｉＣ粉末を原料とし、押出成形、焼結して得たＳｉＣ焼結体を用い、同様に水中投下試験を実施した。長さ１５０ｍｍ、内径１０ｍｍ外径φ１２ｍｍのＳｉＣパイプを同様に１２００℃に加熱し、水中に透過したところ、バラバラに割れた。
比較例１のＳｉＣ焼結体よりなる管状体と、実施例１のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体とを比較し、本発明によれば高強度の管状体を得ることができることが確認された。
ＳｉＣ粉末を原料とし、押出成形、焼結して得たＳｉＣ焼結体を用い、同様に水中投下試験を実施した。長さ１５０ｍｍ、内径１０ｍｍ外径φ１２ｍｍのＳｉＣパイプを同様に１２００℃に加熱し、水中に透過したところ、バラバラに割れた。
比較例１のＳｉＣ焼結体よりなる管状体と、実施例１のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材よりなる管状体とを比較し、本発明によれば高強度の管状体を得ることができることが確認された。
本発明の管状体は、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 セラミック繊維
２ セラミック焼結体層
３ ＣＶＤセラミック層
５ 空隙
６ 内接円
１０ 組紐体
１００ 管状体
２ セラミック焼結体層
３ ＣＶＤセラミック層
５ 空隙
６ 内接円
１０ 組紐体
１００ 管状体
Claims (3)
- ＳｉＣ繊維を製織し、織目に空隙を有するとともに当該空隙の内接円の直径が０．１〜５ｍｍである筒状の組紐体を製造する製織工程と、
前記組紐体に骨材を含有するＳｉＣ前駆体を塗布した後、焼成することにより前記組紐体の織目を封止する基材製造工程と、
前記基材にＣＶＤ−ＳｉＣ層を被覆し管状体を製造するＣＶＤ工程と、
からなることを特徴とする管状体の製造方法。 - 前記組紐体は、前記ＳｉＣ繊維のストランドが製織されてなることを特徴とする請求項１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または２に記載の管状体の製造方法。
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