特許 6868601 ＳｉＣ繊維を内包する管状体およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6868601

(24)【登録日】2021年4月14日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】ＳｉＣ繊維を内包する管状体およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/84 20060101AFI20210426BHJP

   G21C 3/06 20060101ALI20210426BHJP

   G21C 3/07 20060101ALI20210426BHJP

   C04B 35/80 20060101ALI20210426BHJP

   C04B 35/569 20060101ALI20210426BHJP

   C04B 41/87 20060101ALI20210426BHJP

   B32B 1/08 20060101ALI20210426BHJP

   B32B 5/26 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/84

   G21C3/06 100

   G21C3/06 200

   G21C3/07

   C04B35/80 600

   C04B35/569

   C04B41/87 E

   B32B1/08 Z

   B32B5/26

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-206259(P2018-206259)

(22)【出願日】2018年11月1日

(65)【公開番号】特開2020-70216(P2020-70216A)

(43)【公開日】2020年5月7日

【審査請求日】2019年12月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】591034280

【氏名又は名称】株式会社フェローテックマテリアルテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河原 史朋

【審査官】 手島 理

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０２０−０２９３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０１９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／００２９１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／００２９１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０８８８２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／００−３５／８４

Ｃ０４Ｂ ４１／００−４１／７２

Ｂ３２Ｂ １／００−４３／００

Ｇ２１Ｃ ３／００− ３／６４

Ｇ２１Ｃ ２１／００−２１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管形状に形成されＳｉＣ材料からなる第１ＳｉＣ層と、
前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って一方向に螺旋状に巻回して設けられる第１溝と、
前記第１溝に沿って巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる第１ＳｉＣ繊維層と、
前記第１ＳｉＣ繊維層よりも外側に前記一方向と異なる方向に巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる第２ＳｉＣ繊維層と、
前記第１ＳｉＣ層と、前記第１ＳｉＣ繊維層と、前記第２ＳｉＣ繊維層と、を被覆するＳｉＣ材料からなる第２ＳｉＣ層と、
を備え、
前記第１ＳｉＣ繊維層と前記第２ＳｉＣ繊維層の交差する部分は、前記第１ＳｉＣ繊維層と前記第２ＳｉＣ繊維層とが離間して形成される、
ＳｉＣ繊維を内包する管状体。

【請求項2】

前記第１ＳｉＣ繊維層の厚さは、前記第１溝の深さよりも小さく、前記第１溝の縁部分は曲面で形成される、
請求項１に記載のＳｉＣ繊維を内包する管状体。

【請求項3】

前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って前記一方向と異なる方向に螺旋状に回巻して設けられ、前記第１溝よりも深さが浅い第２溝と、
を備え、
前記第２ＳｉＣ繊維層は、前記第２溝に沿って巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる、
請求項１または２に記載のＳｉＣ繊維を内包する管状体。

【請求項4】

前記第１ＳｉＣ層は、焼結ＳｉＣである請求項１から３のいずれか１項に記載の管状体。

【請求項5】

ＳｉＣ材料を管形状に第１ＳｉＣ層を形成し、前記管形状の前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って螺旋状に第１溝を形成する工程と、
前記第１溝に沿って、複数のＳｉＣ繊維かなる第１ＳｉＣ繊維層を形成する工程と、
前記第１ＳｉＣ繊維層の外側に前記第１ＳｉＣ層と離間して第２ＳｉＣ繊維層を形成する工程と、
前記第１ＳｉＣ層と、前記第１ＳｉＣ繊維層と、前記第２ＳｉＣ繊維層を被覆する第２ＳｉＣ層を形成する工程と、
を備えるＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＳｉＣ繊維を内包する管状体およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

原子力および宇宙航空分野等の高い耐久性が要求される特殊環境や極限環境で使用される管状体の材料として、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ；炭化ケイ素）の適用が提案されている。ＳｉＣ材料は、耐熱性と化学的安定性に優れ、熱伝導率と機械的強度が高く、軽量であり、中性子経済性も良好であり、高温水との反応性も低い。このため、例えばＳｉＣ材料を用いた管状体を原子力燃料被覆管として用いることで、従来のジルカロイ（ジルコニウムの合金）製よりも安全かつ効率の高い原子力燃料被覆管となることが期待されている。

【0003】

また、捻じれなどに対する強度を高めるために、ＳｉＣ繊維を含む複合材で形成された管状体が提案されている。特許文献１に記載された管状体では、複数のＳｉＣ繊維が束ねられたヤーン（ストランド）を織り上げて骨材を形成する。組み上げた骨材に、ＳｉＣ前駆体を塗布したのち焼成することでＳｉＣ層を形成する。形成したＳｉＣ層に対してさらに化学気相成長法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下ＣＶＤ法）を用いてＣＶＤ−ＳｉＣ層を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−１６６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１の管状体は、第１のヤーンと第２のヤーンを備え、第１のヤーンと第２のヤーンが上下交互に組み上げられる（特許文献１の図３参照）。このようにヤーンが上下交互に組み上げられた場合、ヤーンが重なった部分では、ヤーン同士が密着する。ヤーン同士が密着すると、ヤーンを形成する各ＳｉＣ繊維の間にＳｉＣ材料が十分に充填されないおそれがある。ＳｉＣ前駆体の充填が不十分となると空隙が残り、熱伝導率が悪くなり、管状体としてのエネルギー効率も低下するという問題がある。

【0006】

本願発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体およびその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するための第１局面としては、管形状に形成されＳｉＣ材料からなる第１ＳｉＣ層と、前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って一方向に螺旋状に回巻して設けられる第１溝と、前記第１溝に沿って巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる第１ＳｉＣ繊維層と、前記第１ＳｉＣ繊維層よりも外側に前記一方向と異なる方向に巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる第２ＳｉＣ繊維層と、前記第１ＳｉＣ層と、前記第１ＳｉＣ繊維層と、前記第２ＳｉＣ繊維層と、を被覆するＳｉＣ材料からなる第２ＳｉＣ層と、を備え、前記第１ＳｉＣ繊維層と前記第２ＳｉＣ繊維層の交差する部分は、前記第１ＳｉＣ繊維層と前記第２ＳｉＣ繊維層とが離間して形成される、ＳｉＣ繊維を内包する管状体、といったものが考えられる。ここで、管形状の断面は円形でも多角形でもよい。

【0008】

この局面においては、第１ＳｉＣ繊維層は、第１溝に沿って設けられる。このため、ＳｉＣ繊維の束の巻き方を規制することができる。これにより、菅状体に対して第１ＳｉＣ繊維層の位置や厚さのバラツキをおさえることができる。この結果、第１ＳｉＣ繊維層の位置や厚さに応じて、第１ＳｉＣ繊維層よりも外側にある第２ＳｉＣ繊維層と第１ＳｉＣ繊維層を離間させることが容易になる。このため、第１ＳｉＣ繊維層と、第２ＳｉＣ繊維層が密着せず、第２ＳｉＣ層を形成する際に、第１ＳｉＣ繊維層と、第２ＳｉＣ繊維層の間に、第２ＳｉＣ層を形成するＳｉＣが充填されやすい。この結果、ＳｉＣ繊維の間に空隙が残ることを防止でき、熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供できる。さらに、ＳｉＣ材料にＳｉＣ繊維を内包する一体構造のＳｉＣ複合材（モノリシックセラミックス）を管状体に用いることで、該ＳｉＣ複合材の脆性的瞬時破壊を防止し、連続破壊のない管状体を提供できる。すなわち、複合効果を高めた管状体が提供できる。

【0009】

第２の局面においては、前記第１ＳｉＣ繊維層の厚さは、前記第１溝の深さよりも小さく、前記第１溝の縁部分は曲面で形成される、といったものが考えられる。

【0010】

この局面においては、第１ＳｉＣ繊維層の厚さは、第１溝の深さよりも小さいため、第１ＳｉＣ繊維層と第２ＳｉＣ繊維層を、確実に離間して設けることができる。また、第１溝にＳｉＣ繊維を巻きつける際に、ＳｉＣ繊維が第１溝の縁部分に引っ掛かることを防止できる。これにより、第１ＳｉＣ繊維層と、第２ＳｉＣ繊維層をより確実に離間して設けることができる。

【0011】

第３の局面では、前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って前記一方向と異なる方向に螺旋状に回巻して設けられ、前記第１溝よりも深さが浅い第２溝と、を備え、前記第２ＳｉＣ繊維層は、前記第２溝に沿って巻き付けられた複数のＳｉＣ繊維からなる、といったものが考えられる。

【0012】

この局面においては、第１溝に加えて、第１溝より深さが浅い第２溝を設けることができる。これにより、２つのＳｉＣ繊維の束の巻き方を規制することができる。この結果、第１ＳｉＣ繊維層と第２ＳｉＣ繊維層を、確実に離間して設けることができる。

【0013】

第４の局面では、前記第１ＳｉＣ層は、焼結ＳｉＣである、といったものが考えられる。焼結ＳｉＣは、焼き入れ前の固体状態において加工しやすい。第１溝を焼き入れ前に加工し形成することで、第１溝の形成時の製造コストを下げることができる。この結果、低コストかつ熱伝導率の高いＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供することができる。

【0014】

上述したＳｉＣ部材を製造する方法として、第５の局面のようにすることが考えられる。

【0015】

第５の局面においては、ＳｉＣ材料を管形状に第１ＳｉＣ層を形成し、前記管形状の前記第１ＳｉＣ層の外周に沿って螺旋状に第１溝を形成する工程と、前記第１溝に沿って、複数のＳｉＣ繊維からなる第１ＳｉＣ繊維層を形成する工程と、前記第１ＳｉＣ繊維層の外側に前記第１ＳｉＣ層と離間して第２ＳｉＣ繊維層を形成する工程と、前記第１ＳｉＣ層と、前記第１ＳｉＣ繊維層と、前記第２ＳｉＣ層を被覆する第２ＳｉＣ層を形成する工程と、を備えるＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造方法が考えられる。

【0016】

この局面においては、第１ＳｉＣ繊維層は、ＳｉＣ繊維を第1溝に沿って形成される。第２ＳｉＣ繊維層は、第１ＳｉＣ繊維層と離間して形成される。第２ＳｉＣ層は、第１ＳｉＣ繊維層と第２ＳｉＣ繊維層が離間した隙間に充填され、第１ＳｉＣ層と、第１ＳｉＣ繊維層と、第２ＳｉＣ繊維層を被覆する。これにより、各ＳｉＣ繊維の間に空隙が残ることが防止できる。この結果、熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係るＳｉＣ繊維を内包する管状体の構造を示す斜視図。

【図2】本発明に係るＳｉＣ繊維を内包する管状体のＡ−Ａ断面における断面図。

【図3】本発明に係る第１ＳｉＣ層の側面図および第１溝と第２溝の拡大図。

【図4】本発明に係るＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造工程を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）全体構成
図１は、ＳｉＣ繊維を内包する管状体１の構造を示す斜視図である。また、図２は、ＳｉＣ繊維を内包する管状体のＡ−Ａ断面における断面図である。図２のＡ−Ａ断面は、後述する第１ＳｉＣ繊維層５と、第２ＳｉＣ繊維層６が交差する部分の断面である。図１および図２に示すように、管状体１は、第１ＳｉＣ層２と、第１ＳｉＣ層２の外周に沿って設けられる第１溝３および第２溝４（図１の破線参照）と、第１溝３に沿って設けられる複数のＳｉＣ繊維Ｙからなる第１ＳｉＣ繊維層５と、第２溝４に沿って設けられる複数のＳｉＣ繊維Ｙからなる第２ＳｉＣ繊維層６と、第２ＳｉＣ層７と、を備える。本実施形態の一例として、管状体１が原子力燃料被覆管であれば、第１ＳｉＣ層２の厚さと、第２ＳｉＣ層７の厚さの合計が１ｍｍ程度である。

【0019】

図３は、第１ＳｉＣ層２の側面図である。また、図３の拡大図は、第１溝３および第２溝４を拡大した拡大図である。図３に示すように、第１ＳｉＣ層２は、ＳｉＣ材料を管形状に形成した部材である。第１ＳｉＣ層の厚さは、一例として５００μｍ程度である。本実施形態では、第１ＳｉＣ層２は、加工性の優れた焼結ＳｉＣ材によって形成される。

【0020】

第１ＳｉＣ層２の外周には、第１溝３と、第２溝４が設けられる。第１溝３は、深さＴ１で、管形状の外周に沿って一律の幅で第１ＳｉＣ層２の一端から他端まで、一方向（本実施形態では時計回り）に螺旋状に回巻して設けられる。第１溝３には、複数のＳｉＣ繊維Ｙを束ねたヤーン（ストランド）Ｎ１が、第１溝３に沿って巻きつけられることで、第１ＳｉＣ繊維層５が形成される。一例として、ヤーンＮ１の厚さは５０μｍから２００μｍであり、この場合、第１溝３の深さＴ１は、ヤーンＮ１の厚さよりも大きい３００μｍ程度あればよい。第１溝３の縁部分には、フィレット部（曲面）８が設けられ、ＳｉＣ繊維を巻きつける際に、ＳｉＣ繊維が縁部分に引っ掛かることを防止している。

【0021】

第２溝４は、第１溝３の深さＴ１より浅い深さＴ２で形成され、第１ＳｉＣ層２の一端から他端まで、一律の幅で第１溝３と異なる方向（本実施形態では反時計回り）に螺旋状に回巻して設けられる。第２溝４には、複数のＳｉＣ繊維Ｙを束ねたヤーン（ストランド）Ｎ２が、第２溝４に沿って巻きつけられることで、第２ＳｉＣ繊維層６が形成される。第２溝４の縁部分にも第１溝３と同様にフィレット部（曲面）８が設けられ、ＳｉＣ繊維を巻きつける際に、ＳｉＣ繊維が縁部分に引っ掛かることを防止している。

【0022】

ここで、第２溝４の深さＴ２は、第１溝３にヤーンＮ１が巻かれた状態で、第２溝４の底部がヤーンＮ１の表面と接触しない値に設定される。一例として、第１溝３の深さが３００μｍでありヤーンＮ１の厚さが１００μｍの場合、深さＴ２は１００μｍとすれば、第２溝４の底部と第１溝３に巻かれたヤーンＮ１の表面との距離は１００μｍとなり、第２溝４の底部と第１溝３に巻かれたヤーンＮ１の表面とが離間することとなる。このように、第２溝４の底部が、第１溝３に巻かれたヤーンＮ１の表面と接触しない設定するとこで、ヤーンＮ１とヤーンＮ２が交差する部分（図２参照）で、ヤーンＮ１とヤーンＮ２の間に隙間ができる。この隙間に後述する第２ＳｉＣ層７を形成するＳｉＣ材料が充填されることで、第１ＳｉＣ繊維層５と第２ＳｉＣ繊維層６とが離間して形成できる。また、この隙間にＳｉＣ材料が充填されることで、ヤーンＮ１とヤーンＮ２を形成する複数のＳｉＣ繊維の間にもＳｉＣ材が充填され、各ＳｉＣ繊維の間に空隙が多量残存することを防止できる。なお、第１溝３と第２溝４の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、第１溝３と、第２溝４の幅は異なっていてもよいし一律でなくともよい。すなわち、第１溝３の深さＴ１が、第２溝４の深さＴ２より深ければよい。

【0023】

第２ＳｉＣ層７は、第１ＳｉＣ層２と、第１ＳｉＣ繊維層５と、第２ＳｉＣ繊維層６とを被覆する。本実施形態では、第２ＳｉＣ層７は、ＣＶＤ法によってＳｉＣ膜が形成されたＣＶＤ−ＳｉＣ材でできた層である。しかし、これに限定されるものではなく、ＭＩ（Ｍｅｌｔ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、ＰＩＰ法（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）法、ＣＶＩ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖｐａｐｏｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法など、各種手法によってＳｉＣ膜を形成してもよい。第２ＳｉＣ層７の厚さは、一例として５００μｍ程度である。

【0024】

（２）製造方法
図４は、本実施形態におけるＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造工程を示す図である。まず、押し出し成型により管形状の焼結ＳｉＣ基材となるグリーン体を製造する（ステップ１）。その後、成形したグリーン体を切削加工することで第１溝３と、第２溝４を形成する（ステップ２、ステップ３）。なお、押し出し成型する際に、第１溝３と、第２溝４を同時に形成してもよい。

【0025】

次に、第１溝３と第２溝４を加工したグリーン体を、イナート（不活性）ガスの雰囲気下で２２００℃で焼結させることにより第１ＳｉＣ層２を形成する（ステップ４）。その後、第１溝３に沿って、複数のＳｉＣ繊維Ｙを束ねたヤーンＮ１を巻付けて、第１ＳｉＣ繊維層５を形成する（ステップ５）。

【0026】

次に、ＣＶＤ法によりヤーンＮ１が巻き付けられた第１ＳｉＣ層２に対して、１回目のＳｉＣ膜を形成する。その後、必要に応じて、切削等により外形を整える。なお、外形を整える際に、第２溝４を形成してもよい（ステップ６）。

【0027】

次に、第２溝４に沿って複数のＳｉＣ繊維Ｙを束ねたヤーンＮ２を巻きつけて、第２ＳｉＣ繊維層６を形成する（ステップ７）。その後、ＣＶＤ法によりヤーンＮ２を巻きつけた第１ＳｉＣ層２の外周全面に２回目のＳｉＣ膜を形成し、第２ＳｉＣ層７を形成する（ステップ８）。その後、管状体の外形（直径及び長さ等）を加工（切削／切断等）で調整する（ステップ９）。最後に、管状体の研削／研磨・面取り・洗浄処理を行う（ステップ１０）。

【0028】

（３）変形例
本願発明の実施の形態は、以上の実施例に限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとりうることは言うまでもない。

【0029】

例えば、上記実施形態では、第２溝４について説明したが、第２溝４を設けなくてもよい。すなわち、第１溝３にヤーンＮ１を巻き付けたのち、第１回目のＳｉＣ膜を形成し外形を整え、その後第１ＳｉＣ層２の外周にヤーンＮ２を巻き付けててもよい。この場合、第２溝４を切削する手間が省ける。この結果、より低コストであるＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供できる。

【0030】

また、上記実施形態では、ＳｉＣ繊維層が２層の管状体の製法について説明したが、ＳｉＣ繊維層は３層以上形成することもできる。このようにＳｉＣ繊維層を重ねることで管状体の強度を向上できる。

【0031】

また、上記実施形態では管状体１は、原子力燃料被覆管として種々数値を用いて説明したが、これに限定されるものではない。原子力燃料被覆管以外の用途の管状体に対して、本発明を用いてもよい。また、本実施形態で用いた数値を適宜変更した管状体であってもよい。。

【0032】

（４）作用、効果
このような構成であれば、第１溝３および第２溝４によって、ヤーンＮ１とヤーンＮ２の位置を規制することができる。これにより、ヤーンＮ１とヤーンＮ２が交差する位置で、ヤーンＮ１とヤーンＮ２の間に隙間が生まれ、この隙間にＳｉＣ材料が充填され第２ＳｉＣ層７が形成される。すなわち、第１ＳｉＣ繊維層５と、第２ＳｉＣ繊維層６を離間して設けることができる。このため、ヤーンＮ１とヤーンＮ２を形成する複数のＳｉＣ繊維Ｙの隙間にもＳｉＣ材料が充填されやすくなり、ＳｉＣ繊維間に空隙が多量残存することを防止することができる。この結果、熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造方法を提供することができる。

【符号の説明】

【0033】

１…ＳｉＣ繊維を内包する管状体、２…第１ＳｉＣ層、３…第１溝、４…第２溝、
５…第１ＳｉＣ繊維層、６…第２ＳｉＣ繊維層、７…第２ＳｉＣ層、
８…フィレット部（曲面）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】