JPH04357497A - ホウ素／炭素複合系中性子遮蔽材の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中性子吸収性能、熱的
および機械的性質に優れ、かつ高強度のホウ素／炭素複
合材の製造方法に関する。本発明によるホウ素／炭素複
合材は、原子炉容器内炉心周り中性子遮蔽体、炉心内制
御棒等の構成材料として適している。

【０００２】

【従来の技術】従来より、中性子吸収性能、熱的および
機械的性質に優れたホウ素／炭素複合材の製造方法とし
ては各種のものが提案されている。たとえば、第１の方
法としては、特開昭５２−１０５９１７号公報にコーク
スと炭化ホウ素を２００ｋｇ／ｃｍ２以上の加圧下で、
かつ２０００℃以上で焼結する方法の開示がある。また
、第２の方法としては、特開昭５４−８１３１５号公報
に炭化ホウ素（Ｂ４　Ｃ）２５〜６０体積％、遊離炭素
５０〜５体積％からなり、熱硬化性樹脂で結合された密
度１．４〜１．８ｇ／ｃｍ３　の炭化ホウ素／炭素複合
材の製造方法の開示がある。また、第３の方法としては
、特開昭６２−１０８７６７号公報にピッチを熱処理し
て生成したメソフェーズ小球体１００重量部と、耐熱性
無機材質粒子（炭化ホウ素Ｂ４　Ｃ）１〜５０重量部を
常温で成型後、焼成する方法の開示がある。さらに、第
４の方法としては、第３の方法の改良方法に係り、特開
平１−１０００６３号公報にメソフェーズ小球体を粉砕
して微粉化するとともに、焼成時に減圧し、焼結助材と
して人造黒鉛を添加して強度増加を図る方法の開示があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記第１の方
法の場合には２０００℃以上の超温度で加圧成型する必
要があり、この加圧加熱成型設備が極めて高価であるた
め経済的でないなどの問題を有する。また、第２方法の
場合には、結合材として熱硬化性樹脂を使用しており、
樹脂の炭化収率が低いため比較的低密度であり、強度増
加が望めないとともに、樹脂由来の炭素は不定型であり
機械加工性、潤滑性が不良であるなどの問題を有する。 また、第３の方法の場合には、得られる複合材の強度レ
ベルが低く、また中性子吸収率を上げるために炭化ホウ
素の体積含有率を増加させると複合材の強度が低下する
ため、高強度かつ高中性子吸収能を有する複合材を得る
ことは困難であった。さらに第４の方法の場合にも、あ
る程度の強度増加は望めるもののＢ４　Ｃ含有率が高々
５５重量％で、曲げ強度も５２０ｋｇ／ｃｍ２と比較的
低いものであった。

【０００４】そこで、本発明の主たる課題は、中性子吸
収性能および曲げ強度等の機械的性質に優れたホウ素／
炭素複合材を廉価に製造する方法を提供するものである
。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題は、ホウ素およ
び炭化ホウ素の一種または二種の粉末６０〜８５体積％
と、バインダーピッチ１５〜４０体積％とを主体とする
原料を混合し、４８０〜６００℃の温度で加圧加熱成型
後、非加圧下で焼成することで解決できる。

【０００６】

【作用】本発明においては、バインダーとして加熱時溶
融する低揮発分のバインダーピッチを使用する。溶融性
の良好なピッチを使用することによりセラミックス粉に
対するバインダー性が改善され、多量のセラミックス粉
を添加してもバインダー性が不足することがなくなり、
強度の低下が少なくなるとともに、揮発分が少ないこと
により炭化収率が向上するため複合材の密度ならびに強
度増加を図ることができる。また、バインダーピッチの
使用により炭素マトリックスは容易に黒鉛化性組織とな
りその後２０００℃程度で焼成することにより摺動特性
および加工性に優れた黒鉛組織となる。なお、前記バイ
ンダーピッチとしては、コールタールピッチや石油ピッ
チを熱処理して得られる、高軟化点でかつ流動性を有す
る低揮発分のバインダーピッチ、具体的には、揮発分２
５％以下、軟化点（島津製作所（株）社製高化式フロー
テスターでの測定値）が２３０℃以上、流動点３５０℃
以下のピッチを使用するのが望ましい。また、その添加
量は１５〜４０体積％とされる。１５体積％未満の場合
には十分な接着力が得られず強度増加が望めず、また４
０体積％を超えるとホウ素または炭化ホウ素の含有割合
の低下により中性子吸収能が低下し、またバインダーが
過剰となり成型性が悪化するため強度が低下する。

【０００７】なお、前記ホウ素含有粉末粉とバインダー
ピッチに加え、さらに炭素繊維、アルミナ繊維等のセラ
ミックス繊維を、２０体積％以下の範囲で添加すること
も可能である。前記繊維の添加により成型から焼成時の
割れの抑制や、製品としての靱性の向上などを図ること
ができる。

【０００８】一方、本発明で用いられるホウ素含有粉末
粉としては、ホウ素および炭化ホウ素の一種または二種
の粉末６０〜８５体積％を使用する。高い中性子吸収能
を確保するためには、少なくともその添加率が６０体積
％以上必要であり、一方８５体積％を超えると、バイン
ダーピッチが１５体積％以下となり強度が低下する。ま
た、前記ホウ素含有粉末粉の粒径は、大き過ぎると複合
材の強度が著しく低下するため、好ましくは平均粒径で
２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下とされる。

【０００９】他方、加圧加熱成型の目的は、ピッチの発
泡およびそれに起因する低密度化を抑制し緻密性を担保
するためである。加圧はピッチが溶融〜固化する温度域
のみで行えばよいため、本発明の場合には４８０〜６０
０℃の温度で加圧加熱成型し、その後非加圧下で高温焼
成する。ピッチが固化するためには少なくとも４８０℃
以上、好ましくは５００℃以上の温度が必要であり、ま
た６００℃を超えるとピッチの収縮に伴う成型体の収縮
が大きくなり、加圧拘束下では成型体に割れが生じ易く
なるため好ましくない。

【００１０】本発明での加圧成型は、高々数十〜数百ｋ
ｇ／ｃｍ２程度あれば十分であり、具体的には好ましく
は２０ｋｇ／ｃｍ２以上、より好ましくは６０ｋｇ／ｃ
ｍ２以上とされる。 ここで、加圧する温度範囲については、室温状態から加
圧加熱最高温度までの全範囲である必要はなく、最高温
度に達するまでの一部の温度範囲、具体的にはピッチが
固化する５００℃近傍の温度域において加圧するだけで
も、加圧加熱成型しない場合に比較して製品複合材の強
度、耐摩耗性などを著しく改善することができる。

【００１１】加圧加熱成型によって得られた前記成型体
を、その後非加圧下で、たとえば２０００℃程度の温度
で焼成するが、焼成時の雰囲気は、複合材中の炭素の酸
化を抑制するため、酸化性ガスを含まないことが望まし
い。 具体的には、窒素、アルゴン等の不活性ガス、水素等の
還元ガス、あるいは真空雰囲気で行うことが望ましい。

【００１２】以上の方法により製造されるホウ素／炭素
複合材は、従来の常温焼結法や、樹脂マトリックス法と
比べて、高いホウ素含有粉末含有率と強度を有し、中性
子吸収能、熱的および機械的性質に優れる。また、加圧
加熱成型温度は、６００℃以下の温度で足りるため、従
来のような１６００℃以上の超高温域まで加熱し加圧す
るホットプレス成型と比べて、加圧加熱成型装置設備が
非常に安価となり経済的に有利となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例に基づき詳説す
る。 （実施例１）ホウ素含有粉末粉として、電気化学工業（
株）製Ｂ４　Ｃ粉〔商標名；デンカボロンＦ１〕（ホウ
素含有率７５ｗｔ％以上、Ｃ含有量２０〜２５ｗｔ％、
公称粒径１０μｍ以下）と、バインダーピッチとしてコ
ールタールを５０Ｔｏｒｒ減圧の下で４４０℃で熱処理
して得られた軟化点２５５℃、流動点３１０℃、揮発分
２１％の高軟化点ピッチとを用いて、本発明に係るホウ
素／炭素複合材を製造した。

【００１４】具体的には、Ｂ４　Ｃ粉１６４ｇと高軟化
点ピッチ３６ｇを秤量後、内容積２ｌのポリ製広口ビン
に入れ、５分間激しく振って混合し、この混合原料を図
１に示される加圧加熱成型装置の内径１００ｍｍのステ
ンレス製金枠５に仕込み、加圧加熱成型を行った。

【００１５】前記加圧加熱成型装置は、金枠５の上下開
口に嵌合する上下金型３、４により成型材料６を押圧成
型するとともに、前記上下金型３、４と上下プレスヘッ
ド１、２との間に熱板７、７およびその断熱材８、８を
介在させることによって加圧と同時に加熱できるように
なっている。

【００１６】前記加圧加熱成型装置により加圧加熱成型
に際しては、室温から３００℃までは１ｋｇ／ｃｍ２の
プレス圧の下で５℃／分の昇温速度で昇温させ、３００
℃〜５２０℃までは８０ｋｇ／ｃｍ２のプレス圧の下で
５℃／Ｈｒの昇温速度で昇温し、１時間その状態を保持
した後、冷却し成型体を得、この成型体を粉コークスに
詰め、窒素ガス雰囲気中で１５℃／Ｈｒの昇温速度で１
０００℃まで昇温し、４時間保持後放冷して炭化し、次
にこの炭化した成型体を、内径１５０ｍｍφの黒鉛化炉
を用いてアルゴン気流中１０℃／分の昇温速度で２００
０℃まで昇温して黒鉛化した。こうして得られたホウ素
／炭素複合材から寸法１０ｍｍ×１０ｍｍ×６０ｍｍの
試験片を切り出し、曲げ強度（スパン４０ｍｍ）および
ショア硬度試験を行った。その試験結果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】上記表１より明らかとなるように、公知の
製造方法（特開昭５４−８１３１５号公報、特開平１−
１０００６３　号公報）の場合には前述の如く、高々５
００ｋｇ／ｃｍ２程度であるのに対して、本発明法によ
るホウ素／炭素複合材の場合には、１５００ｋｇ／ｃｍ
２程度の曲げ強度を確保することができ、優れた強度性
を有することが判明される。

【００１９】

【発明の効果】以上詳説のとおり、本発明に係るホウ素
／炭素複合材の場合には、ホウ素含有率を高く設定し中
性子吸収能を確保しながら、かつ高曲げ強度を確保する
ことができ、たとえば原子炉用中性子吸収材として好適
な中性子遮蔽材を得ることができる。また、極めて低温
域での加熱成型であるため加圧加熱成型装置が簡単かつ
廉価となり、それがもたす経済効果も多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した加圧加熱成型装置の縦断面図
である。

【符号の説明】

１…上プレスヘッド、２…下プレスヘッド、３…上金型
、４…下金型、５…金枠、６…成型材料、７…熱板、８
…断熱材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホウ素および炭化ホウ素の一種または二種
   の粉末６０〜８５体積％と、バインダーピッチ１５〜４
   ０体積％とを主体とする原料を混合し、４８０〜６００
   ℃の温度で加圧加熱成型後、非加圧下で焼成することを
   特徴とするホウ素／炭素複合系中性子遮蔽材の製造方法
   。