JPH03122064A - 黒鉛・銅接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は黒鉛質材料と調質材とを一体に接合した黒鉛・
銅接合体およびその製造方法に係り、特に黒鉛質材料の
割れが少なく、耐久性に優れた黒鉛・銅接合体およびそ
の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、新しいエネルギー発生装置として核融合炉の開発
が進められている。核融合炉は超高温度のプラズマを生
成し、その熱によって原子を４１１４成する原子核同志
を融合し、その反応熱を取り出すものである。

核融合炉内のプラズマに対向し熱遮蔽を行う耐熱材料と
して、黒鉛質材料が有望視され、冷却用の金属材料と一
体化した接合体が使用される。そして冷却用の金属材料
としては伝熱性が優れた銅材料が一般的に採用される。

一方黒鉛質材料としては耐熱性が優れた等方性黒鉛が採
用される。

しかしながら等方性黒鉛の線膨脹率は銅材料の１／３程
度であるため、接合面積を大きく設定して両者を一体に
接合した場合には、熱膨脹差によって両部材が変形し黒
鉛に割れが発生するおそれが高い。

この割れの発生を防止するため従来、例えば第５図（ａ
）に示すように黒鉛質材料１と銅製の被接合材２との間
に、曲げ強度が低く変形し易い銅製のピン３を多数介装
し、ピン３の両端をそれぞれろう付接合して接合体を構
成する場合がある。

この場合、熱膨脹差に基づく変位が部材間に発生しても
、その変位はピン３の変形により吸収されるため、両部
材に応力が作用することも少なく黒鉛質材料１に割れが
発生す条ことも少ない。

また第５図（ｂ）に示すように黒鉛質材料１と被接合材
２との間に、緩衝材として例えばモリブデンのような黒
鉛質材料１に近い線膨脹率を有する金属層４を形成して
構成されるものもある。

この場合、黒鉛質材料１と金属層４との間で熱膨脹差が
少なくなるため、黒鉛質材料１に割れが発生することは
少ない。

さらに第５図（ｃ）に示すように、黒鉛質材料ｌおよび
被接合材２の１辺の大きさを数胴に設定し、両部材の接
合面積を小さく設定して構成した接合体も採用される。

この場合は両部材の熱膨脹差による変位量が小さくなる
ため、割れを発生するおそれが少ない。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら前記第５図（ａ）に示す接合体においては
、両部材の全面を接合する場合と比較して接合面積が大
幅に減少するため、黒鉛質材料に対する冷却効率が大幅
に低下する問題点がある。

例えば半径ｒのピンを間隔ｒをおいて接合面全面に縦ｎ
本、横ｍ本だけ配置した場合のピンの全段面積Ｓは下記
（１）式で与えられる一方、全面接合した場合の断面積
Ｓ。は下記（２）式で与えられる。

− ３＝ｎＩＩｍ・πｒ　　　　　−（１）Ｓ　　＝　（３
ｎ−１）　　（３ｍ−１）　ｒ２−　（２）すなわち全
面接合からピン接合にするき、接合断面積は１７３程度
に減少し、冷却効果が大幅に低下してしまう。

また第５図（ｂ）に示すようにモリブデンを緩衝材とし
て両部材間に挿入した接合体においては、モリブデンの
熱伝導率が銅と比較して１／３程度であるため、たとえ
全面接合により構成しても、接合体の冷却効率が低下す
る問題がある。

一方策５図（ｃ）に示すように両部材の接合面積を小さ
く設定した場合には、実際の広大な核融合炉のプラズマ
対向面を被覆する際の作業工数が膨大になり、実用的で
はない。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、製造時および使用時において黒鉛質材料の割れや
変形が少なく、実用可能な形状寸法で製作することがで
きる黒鉛・銅接合体およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明に係る黒鉛・銅接合体
は、タイル状に形成した複数の黒鉛質材料要素を互いに
隣接するように銅製の被接合材表面に配設し各黒鉛質材
料要素と被接合材とを一体に接合するとともに、隣接す
る黒鉛質材料要素の境界に対向する被接合材表面にスリ
ットを形成する一方、被接合材の変形を容易にするため
の変形溝を被接合材の裏面に形成したことを特徴とする
。

また本発明に係る黒鉛・銅接合体の製造方法は、銅製の
被接合材の表面にスリットを形成する一方、被接合材の
変形を容易にするための変形溝を裏面に形成した被接合
材の表面に、上記スリットで囲まれた領域を接合面とす
るタイル状の黒鉛質材料要素を相互に隣接するように配
設し、しかる後に減圧条件下でホットプレスすることに
より各黒鉛質材料要素を被接合材表面に接合し、−鉢体
した接合体を形成することを特徴とする。

（作用） 上記構成に係る黒鉛・銅接合体およびその製造方法によ
れば、黒鉛質材料が、予めタイル状に分割された複数の
黒鉛質材料要素を被接合材表面に隣接するように配設し
て構成され、さらに各黒鉛質材料要素が被接合材表面の
スリットで囲まれる狭い領域に個別に接合されるため、
各黒鉛質材料要素と被接合材との熱膨張差による変位が
少なく、黒鉛質材料要素の割れを効果的に防止すること
ができる。

特に被接合材の表面にスリットが形成される一方裏面に
変形溝が形成されているため、製造時または使用時にお
ける温度の急変による被接合材の変形はスリットおよび
変形溝において吸収される。

そのため被接合体全体のそりによる変形が小さく、黒鉛
質材料の割れをより効果的に防止でき、耐久性に優れた
大型の黒鉛・銅接合体を得ることができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図（ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ本発明に係
る黒鉛・銅接合体の一実施例を示す正面図および側面図
であり、製造時における状態を示している。

すなわち本実施例に係る黒鉛・銅接合体は、１辺が約２
５ｍｍのタイル状に形成した５個の黒鉛質材料要素１ａ
を互いに隣接するように銅製の被接合材２の表面に配設
し各黒鉛質材料要素１ａと被接合材２とを一体に接合す
るとともに、隣接する黒鉛質材料要素１ａの境界Ｂに対
向する被接合材２表面にスリット５を形成する一方、被
接合材２の変形を容易にするための変形溝６を被接合材
２の裏面に形成して構成される。また被接合材２は、黒
鉛質材料要素１ａの幅（２５ｍｍ）より大きく形成され
ており、黒鉛質材料要素１ａの幅より突出したタブ部２
ａを両側縁に有している。変形溝６は、黒鉛質材料要素
１ａの配列方向と平行に穿設された縦方向変形ｒｌｔ６
ａと、直角に穿設された横方向変形溝６ｂとからなり、
各変形溝６ａ、６ｂの大きさは通常幅２ｍｍ、深さ５ｍ
ｍ程度に設定される。

また各黒鉛質材料要素１ａと被接合材２との接合面に、
両部材に対するぬれ性を改善するための活性金属膜７と
してのチタン箔８を介装するとともに、隣接する黒鉛質
材料要素１ａ、ｌａの間に黒鉛シート９を介装する一方
、各スリット５内にも黒鉛シート１０を装填している。

チタン箔８の厚さは３０μｎ程度、黒鉛シート９，１０
の厚さは０．　５ｍｍ程度に設定される。

上記のように各種材料を組み合わせた接合体を、約１０
’Ｔｏ＋を程度の真空炉内に入れ銅−チタンの共晶温度
以上、例えば９００〜１０００℃の条件下で、加圧して
保持するホットプレス処理に供する。加圧操作は、黒鉛
質材料要素１ａの上面に荷重を作用させ、加圧強度が数
１０〜数１００　ｇ／ｄとなるように設定される。なお
加圧状態の保持時間は５〜３Ｑｍｉｎとする。

ホットプレス処理によってチタン箔８と被接合材２との
間で両部材が溶解してチタンと銅とからなる融液を生成
し、この融液を介して被接合材２の銅原子とチタン原子
とが相互に拡散し、共晶組成物が迅速に形成される。こ
のとき融液は活性を有するため各黒鉛質材料要素１ａに
対するぬれ性が優れており、各黒鉛質材料１ａのボア内
に侵入し凝固する。その結果各黒鉛質材料１ａは、被接
合材２のスリットで囲まれた各領域で形成される接合面
に一体に接合される。

次に一体化した接合体を、共晶温度以下、さらに室温ま
で冷却し、真空炉から取り出した後、被接合材２の両側
縁に形成していたタブ部２ａ、２ａを切断して所定寸法
の黒鉛・銅接合体が得られる。

本実施例に係る黒鉛・銅接合体によれば、タイル状に分
割された複数の微少な黒鉛質材料要素１ａが被接合材２
の表面に隣接するように配設され、黒鉛質材料要素１ａ
が、被接合材２の表面のスリット５で囲まれる狭い領域
に個別に接合されるため、各黒鉛質材料要素１ａと被接
合材２との熱膨脹差による変位が少なく、製造時の冷却
過程および使用時における黒鉛質材料要素１ａの割れを
効果的に防止することができる。特に製造時および使用
時における被接合材２の熱膨張による変形やクリープ変
形は、被接合材２の表面および裏面にそれぞれ形成され
たスリット５および変形溝６ａ。

６ｂによって吸収される。そのため、被接合材２全体の
そりによる変形が小さく、黒鉛質材料１の割れをより効
果的に抑止することが可能となり、耐久性に優れた大型
の黒鉛・銅接合体を得ることができる。すなわち、ホッ
トプレス終了後に接合体の温度を降下させると、黒鉛質
材料要素１ａおよび被接合材２が双方とも収縮する。こ
のとき接合部近傍においては被接合材２の収縮が黒鉛質
材料要素１ａによって拘束される。一方、黒鉛質材料要
素１ａを接合しない裏面側においても収縮するが、その
収縮による変位は各変形溝６ａ、６ｂにおいて吸収され
るため、被接合材２全体が上方にそるおそれは少ない。

ちなみに変形溝を全く形成しない接合体と、本実施例の
ように変形溝６ａ。

６ｂを形成した接合体とについて、冷却後において、そ
れぞれの接合体がそる高さを比較測定したところ、長さ
７５ｍｍ当りに前者が１ｍｍであり、後者は全く観察さ
れなかった。また本実施例方法に準じて、１辺が２５ｍ
ｍの正方タイル状の黒鉛質材料要素１ａを１４個直列に
配置して長尺の黒鉛・銅接合体を形成した場合において
も、接合体のそりは観察されなかった。

ところで本実施例に係る製造方法を採用する場合、ホッ
トプレス工程において、接合面に生成した融液の一部が
、黒鉛質材料要素１ａ、ｌａの境界Ｂおよびスリット５
内に侵入して、黒鉛質材料要素１ａ、ｌａに割れを発生
させたり、被接合材２の強度を低下させるおそれがある
。すなわち、融液中のＴ１原子の一部は黒鉛と反応して
脆弱な炭化物を生成する傾向があり、黒鉛質材料要素１
ａおよび被接合材２の強度特性や寿命を低下させるおそ
れがある。

しかしながら本実施例方法によれば隣接した黒鉛質材料
要素１ａ間に黒鉛シート９が介装されるとともにスリッ
ト５内にも黒鉛シート１０が充填されているため、核部
に融液か侵入して部材強度を低下させたり、割れを発生
させるおそれは少ない。

また従来のように被接合材の幅と、黒鉛質材料の幅とを
同一に形成した場合には両部材の接合面の周縁には被接
合材の自由端部が形成され、熱膨脹差による被接合材の
変形が生じ易く、黒鉛質材料の周縁に亀裂が発生し易い
。

しかしながら本実施例の被接合材２のように、黒鉛質材
料要素１ａの接合面の両側縁にタブ部２ａを形成するこ
とにより、各黒鉛質材料要素１ａの接合部近傍において
は被接合材２の自由端部が形成されない。すなわち被接
合材２の中央部の変形はタブ部２ａによって拘束される
ため、核部における黒鉛質材料要素１ａの割れを効果的
に防止することができる。

また第２図に示すように被接合材２の接合面周囲に面取
り加工を施し、予め０．５ｍｍ程度の面取り部１１を形
成しておくと、ホットプレス操作時に接合面に生じた余
剰の融液が、面取り部１１に形成された空隙１２に流入
してフィレットを形成する。そのため接合に寄与しない
余剰の融液が周囲に広がって構成部材の強度特性を低下
させるおそれがより少なくなる。

次に本発明の他の実施例について第３図および第４図を
参照して説明する。第３図および第４図は、第１図（ａ
）（ｂ）に示した実施例とは異なり、黒鉛質材料要素１
ａを被接合材２表面に、３列×１０個だけ多数配列して
構成した大型の黒鉛・銅接合体のそれぞれ平面図、断面
図を示す。被接合材２の外周部には枠状のタブ部１３が
一体に形成されている。そしてこの構成体を真空炉にお
いて前記実施例と同一条件でホットプレス処理を行った
後に、被接合材２の外周部を形成するタブ部１３を切断
して所定形状寸法の黒鉛・銅接合体としたものである。

このように大型の接合体を製造した場合においても各黒
鉛質材料要素１ａの割れや被接合材２の変形が少なかっ
た。特に接合体全体のそりの高さは全長についていずれ
も０．１ｍｍ以内に抑制することが可能となり、寸法精
度が高く割れの少ない大型の接合体を製造できることが
実証された。

なお、本願発明者は黒鉛材料中にカーボン繊維を含浸さ
せて強度を高めたＣ／Ｃコンポジットを黒鉛質材料とし
て採用し、同様に接合体を製造したところ、前記実施例
と同様に割れや変形が少なく、より構造強度が大きい接
合体が得られた。また活性金属膜としてチタン箔の代わ
りに活性金属ろう材を使用しても同様な効果が得られる
ことも確認した。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係る黒鉛・銅接合体およびその
製造方法によれば、黒鉛質材料が、予めタイル状に分割
された複数の黒鉛質材料要素を被接合材表面に隣接する
ように配設して構成され、さらに黒鉛質材料要素が被接
合材表面のスリットで囲まれる狭い領域に個別に接合さ
れるため、各黒鉛質材料要素と被接合材との熱膨張差に
よる変位が少なく、黒鉛質材料要素の割れを効果的に防
止することができる。

特に被接合材の表面にスリブＩ・か形成される一方、裏
面に変形溝が形成されているため、製造時および使用時
における温度の急変による被接合材の変形はスリットお
よび変形溝において吸収される。そのため被接合材全体
のそりによる変形が小さく、黒鉛質材料の割れをより効
果的に防止でき、耐久性に優れた大型の黒鉛・銅接合体
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　　（ｂ）は、それぞれ本発明に係る黒
鉛・銅接合体の一実施例を示す正面図および側面図、第
２図は接合体の要部を拡大して示す側断面図、第３図は
他の実施例を示す平面図、第４図は第３図におけるＩＶ
−ＩＶ矢視断面図、第５図（ａ）、　　（ｂ）、　　（
ｃ）はそれぞれ従来の接合体の構成を示す図であり、第
５図（ａ）は黒鉛質材料と被接合材との間にビンを介装
した接合体の断面図、第５図（ｂ）は両部材間に金属層
を形成した接合体の断面図、第５図（ｃ）は両部材の接
合面積を小さくした接合体の断面図である。 １・・・黒鉛質材料、１ａ・・・黒鉛質材料要素、２・
・・被接合材、２ａ・・タブ部、３・・・ピン、４・・
・金属層、５・・・スリット、６・・・変形溝、６ａ・
・・縦方向変形溝、６ｂ・・・横方向変形溝、７・・・
活性金属膜、８・・・チタン箔、９・・・黒鉛シート、
１０・・・黒鉛シート、１１・・・面取り部１．１２・
・・空隙、１３・・・タブ部。 ＋ａ １α ２ １ユ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タイル状に形成した複数の黒鉛質材料要素を互いに
   隣接するように銅製の被接合材表面に配設し各黒鉛質材
   料要素と被接合材とを一体に接合するとともに、隣接す
   る黒鉛質材料要素の境界に対向する被接合材表面にスリ
   ットを形成する一方、被接合材の変形を容易にするため
   の変形溝を被接合材の裏面に形成したことを特徴とする
   黒鉛・銅接合体。 ２、銅製の被接合材の表面にスリットを形成する一方、
   被接合材の変形を容易にするための変形溝を裏面に形成
   した被接合材の表面に、上記スリットで囲まれた領域を
   接合面とするタイル状の黒鉛質材料要素を相互に隣接す
   るように配設し、しかる後に減圧条件下でホットプレス
   することにより各黒鉛質材料要素を被接合材表面に接合
   し、一体化した接合体を形成することを特徴とする黒鉛
   ・銅接合体の製造方法。 ３、各黒鉛質材料要素と被接合材との接合面に、両部材
   に対するぬれ性を改善するための活性金属膜を介装する
   とともに、隣接する黒鉛質材料要素の間に黒鉛シートを
   介装したことを特徴とする請求項２記載の黒鉛・銅接合
   体の製造方法。