JPH0687654A

JPH0687654A - 炭化ホウ素／炭素複合材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0687654A
Application number: JP4233843A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Maruyama; 忠司丸山; Yoshinori Inoue; 賢紀井上; Shigeharu Ukai; 重治鵜飼; Kiyoshi Sutani; 潔酢谷; Yoshihiko Sunami; 好彦角南
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Nippon Steel Corp; Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1992-09-01
Publication date: 1994-03-29

Abstract

(57)【要約】【目的】高い曲げ強度の中性子吸収材を簡単に製造す
る。【構成】バインダーピッチ15〜40体積％と、残部が２種
類の粒径の異なる炭化ホウ素の粉末を成型焼成する。

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、かつ高強度を有し、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
として適している炭化ホウ素／炭素複合材およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、中性子吸収性能、熱的および機械
的性質に優れた炭化ホウ素／炭素複合材あるいはその製
造方法としては各種のものが提案されている。例えば、
特開昭52-105917 号公報には、コークスと炭化ホウ素
を200 kg/cm²以上の加圧下で、かつ2000℃以上で焼結し
て製造する方法の開示がある。

【０００３】また、特開昭54-81315号公報では、炭化
ホウ素（B₄C ）25〜60体積％、遊離炭素５〜50体積％か
らなり、熱硬化性樹脂で結合された密度1.4 〜1.8 ｇ／
cm³の炭化ホウ素／炭素複合材の製造方法の開示があ
る。

【０００４】特開昭62-108767 号公報には、ピッチを
熱処理して生成したメソフェーズ小球体100 重量部に対
して、耐熱性無機材質粒子（炭化ホウ素B₄C ）１〜50重
量部を常温で成型後、焼成する方法の開示がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記各法には
以下の難点がある。上記の場合には、2000℃以上の超
高温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。また上記の場合には、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
度となり、強度上昇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。

【０００６】上記の方法の場合にも、メソフェ−ズ小
球体から発生するガスにより焼成後も密とはならず得ら
れる複合材の強度レベルが低いという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、複合材の気孔率を低減
し、曲げ強度等の機械的性質に優れた炭化ホウ素／炭素
複合材およびその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、バインダー
ピッチ40〜15体積％を含み、２種の粒径の異なる、炭化
ホウ素粉末を含むことで解決できる。製造方法として
は、２種の粒径の異なる炭化ホウ素粉末と、バインダー
ピッチ40〜15体積％とを混合した後、480 〜600 ℃の温
度で加圧加熱成型した後、非加圧下で焼成することで解
決できる。

【０００９】ここに、本発明に係る炭化ホウ素／炭素複
合材は、15〜40体積％の黒鉛と、残部が平均粒径の異な
る２種類の炭化ホウ素粉末ＸおよびＹからなり、炭化ホ
ウ素粉末Ｘの平均粒径は炭化ホウ素粉末Ｙの平均粒径の
１／２以下であり、炭化ホウ素粉末Ｘが１０体積％以
上、炭化ホウ素粉末Ｙが３０体積％以上含まれているこ
とを特徴とするものである。

【００１０】また、その製造方法は、黒鉛と、平均粒径
の異なる２種類の炭化ホウ素粉末ＸおよびＹ（但し、炭
化ホウ素粉末Ｘの平均粒径は、炭化ホウ素粉末Ｙの平均
粒径の１／２以下）を、下記の配合比で混合した後、４
８０〜６００℃の温度範囲で加圧加熱成型し、その後に
焼成することを特徴とするものである。

【００１１】黒鉛：１５〜４０体積％炭化ホウ素粉末Ｘ：１０体積％以上炭化ホウ素粉末Ｙ：３０体積％以上

【００１２】

【作用】本発明では、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。溶融性良好な
ピッチを使用することにより、炭化ホウ素粉末に対する
バインダー性が改善され、多量の炭化ホウ素粉末を添加
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。

【００１３】さらに、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、非加圧下であっても
気孔率の小さい、高強度の黒鉛組織となる。

【００１４】ここで、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25％以下、軟化点350 ℃以下の
ピッチを使用するのが望ましい。

【００１５】また、その添加量は15〜40体積％とされ
る。15体積％未満の場合は十分な接着力が得られず強度
増加が望めず、また40体積％を超えるとホウ素の原子数
密度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。

【００１６】本発明によれば、炭化ホウ素系粉末とし
て、２種以上の粒径の異なる炭化ホウ素粉末を使用する
ことにより、複合材の気孔率を低減できる。これは、粒
径の大きな炭化ホウ素粉末が充填された空隙に粒径の小
さな炭化ホウ素含有粉末が充填され、充填性が向上する
ためである。

【００１７】このような効果を十分得るためには、２種
の粉末の平均粒径が２倍以上異なることが好ましい。ま
た、その比率としては、平均粒径の大きい粉末Ｙを体積
比率で30体積％以上、平均粒径が粉末Ｙ１／２以下の粉
末Ｘを10体積％以上とすることが必要である。炭化ホウ
素粉末をこのような粒度構成とすることにより、複合材
の気孔率を、炭化ホウ素粉末が単一粒度の時よりも小さ
くすることができ、強度を高めることができる。ここ
で炭化ホウ素粉末の平均粒径としては複合材の強度面か
ら粒径が大きなものも、小さなものも100 μｍ以下が好
ましい。

【００１８】なお、前記炭化ホウ素粉末とバインダーピ
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。

【００１９】加圧加熱成型する目的は、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確保する
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 〜600 ℃の温
度で加圧加熱成型し、その後非加圧下で高温で焼成す
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やすくなるため
好ましくない。

【００２０】本発明での加圧成型は、高々数十〜数百kg
/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/cm²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 ℃近傍の温度域のみを加圧するだけでも、加圧
加熱成型しない場合、すなわち常温成型に比較して製品
複合材の強度、耐磨耗性などを著しく改善することがで
きる。

【００２１】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、好ましくは1800℃以上、例えば
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、アルゴン等の不活性ガス、あるいは真空雰囲気中
で行うことが望ましい。

【００２２】以上の方法により製造される炭化ホウ素／
炭素複合材では、従来の常温焼成法や、樹脂マトリック
ス法に比べて、高い強度を有するため、中性子吸収能を
向上するために炭化ホウ素の配合量を高めて、高いホウ
素の原子数密度を確保することが可能となる。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。

【００２３】

【実施例】次に実施例により本発明の効果を明らかにす
る。（実施例１）炭化ホウ素（B₄C ）粉末（ホウ素含有率75
重量％以上、炭素含有率20〜25重量％）として、平均粒
径30μｍの粉末Ａ、平均粒径７μｍの粉末Ｂ、平均粒径
１２μｍの粉末Ｃの３種を使用した。また、バインダー
ピッチとしては、コールタールを50Torrの減圧下、440
℃で熱処理して得られた、軟化点255 ℃、流動点310
℃、揮発分21％の高軟化点ピッチを用いた。

【００２４】これらの原料を、表１の配合でブレンド
し、広口ビンに入れ、５分間激しく振って混合した。こ
の混合原料を、出来上がりの複合材の厚みが11mmになる
分量ずつ内径100 mmの金型に仕込み、加圧加熱成型し
た。加圧加熱成型は、室温から300 ℃までは１kg/cm²の
プレス圧下で５℃／Hrの昇温速度で昇温し、300 ℃から
520 ℃までは80kg/cm²のプレス圧下で５℃／分の昇温速
度で昇温し、１時間保持後、冷却し成型体を得た。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1000℃まで昇温し、４時間保持後放
冷して炭化した。次にこの炭化した成型体を、内径150
mmφの黒鉛化炉を用いてアルゴン気流中10℃／分の昇温
速度で2150℃まで昇温して黒鉛化した。

【００２５】得られた複合材から、10×10×長さ60mmの
テストピースを切り出し、見掛け密度、真密度、曲げ強
度（スパン40mm）の測定を行った。その結果を表１に示
す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１より明らかなように、１種類の粒度の
炭化ホウ素粉を使用した試験番号３、４では、気孔率が
18％以上と高く、ピッチの配合量が少ない試験番号５で
も気孔率が高く曲げ強度が低い。また２種の粉末の平均
粒径の比が１／２以下とならない試験番号６でも気孔率
が高い。一方、２種の粉末の平均粒径の比が１／２以下
の炭化ホウ素粉を混合使用した本発明例である試験番号
１、２では、気孔率は、13.5％以下と低く、高い曲げ強
度が得られる。かくして、ホウ素の原子数密度が高く中
性子遮蔽性能の優れた複合材が得られることが判った。

【００２８】（実施例２）表１の本発明例１と同じ原料
を用い、実施例１と同様の成型装置、成型圧力で、成型
温度のみ種々変更して、成型後の状況を観察した。結果
を、表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】本発明例である試験番号２〜５の、成型最
高温度500 〜580 ℃の場合は、成型体に割れがなく良好
であるのに対して、成型最高温度がこの範囲を外れる試
験番号５、６では成型時割れが発生し良好な成型体が得
られないことがわかる。

【００３１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ホウ素の
原子数密度を高く設定し中性子吸収性能を確保するため
に、炭化ホウ素の含有量を増しても、高曲げ強度を確保
することができ、例えば原子炉用中性子吸収材として好
適な中性子遮蔽材の使用が期待ができる。また、本発明
法は極めて低温域での加熱成型であるため加圧加熱成型
が簡単かつ廉価となり、それがもたらす経済効果も大で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鵜飼重治茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力炉・核燃料開発事業団大洗工学センター内 (72)発明者酢谷潔大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者角南好彦大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１５〜４０体積％の黒鉛と、残部が平均粒
径の異なる２種類の炭化ホウ素粉末ＸおよびＹからな
り、炭化ホウ素粉末Ｘの平均粒径は炭化ホウ素粉末Ｙの
平均粒径の１／２以下であり、炭化ホウ素粉末Ｘが１０
体積％以上、炭化ホウ素粉末Ｙが３０体積％以上含まれ
ていることを特徴とする、炭化ホウ素／炭素複合材。
【請求項２】黒鉛と、平均粒径の異なる二種類の炭化ホ
ウ素粉末ＸおよびＹ（ただし、炭化ホウ素粉末Ｘの平均
粒径は、炭化ホウ素粉末Ｙの平均粒径の１／２以下）
を、下記の配合比で混合した後、４８０〜６００℃の温
度範囲で加圧加熱成型し、その後に焼成することを特徴
とする、炭化ホウ素／炭素複合材の製造方法。黒鉛：１５〜４０体積％炭化ホウ素粉末Ｘ：１０体積％以上炭化ホウ素粉末Ｙ：３０体積％以上