(57)【要約】【課題】  イオン照射環境下においても使用することができる耐熱性構造材料を提供することを課題とする。【解決手段】  ケイ素及び炭化ケイ素を含んでなる金属マトリックス複合材であって、炭化ケイ素の含有量がケイ素に対して5〜50wt%であることを特徴とする複合材。かかる金属マトリックス複合材は、ケイ素と炭化ケイ素の混合粉末を1100℃〜1400℃の温度、20〜40kNの圧力で0.5〜2時間ホットプレスし、その後、更に、1200℃〜1300℃の温度、2MPaの圧力で0.5〜2時間高温等方加圧処理を施すことにより製造することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素及び炭化ケイ素を含んでなる、金属マトリックス複合材。
【請求項２】
炭化ケイ素の含有量がケイ素に対して5〜50wt%である、請求項１記載の金属マトリックス複合材。
【請求項３】
ケイ素と炭化ケイ素の混合粉末を1100℃〜1400℃の温度、20〜40kNの圧力で0.5〜2時間ホットプレスすることにより焼結させた、請求項１又は２に記載の金属マトリックス複合材。
【請求項４】
ホットプレス処理後、更に、1200℃〜1300℃の温度、2MPaの圧力で0.5〜2時間高温等方加圧処理を施した、請求項３記載の金属マトリックス複合材。
【請求項５】
電気伝導性を有しかつ高温強度や低温延性に優れた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属マトリックス複合材。
【請求項６】
1〜2MW/m2×3〜13秒の電子ビーム加熱によって破壊しない、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属マトリックス複合材。
【請求項７】
電子ビーム加熱により表面温度が1500℃に達しても損傷しない、請求項６記載の金属マトリックス複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力分野や宇宙航空分野において使用する構造材料に関する。より特定的には、イオン照射加熱に耐える構造材料として使用することができる金属マトリックス複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで核融合炉を構成する構造材料に関しては種々の研究がなされている（例えば、特許文献１及び２）。
しかしながら、耐熱性を有する構造材料である炭化ケイ素は、電子ビームによる高熱負荷試験により、熱衝撃破壊や絶縁破壊を生じてしまうことから、従来、核融合炉内の高温プラズマ対向材としては利用することはできなかった。
【０００３】
核融合炉心内の耐熱構造体に耐熱セラミックスを用いることは低放射化の観点からも有効であるが、プラズマに直接触れると絶縁破壊がおこったり、プラズマからの高熱負荷が罹ると熱応力破壊を生じたりするため、その利用は未だ実用化されていない。
【特許文献１】特許第３０６６５４６号
【特許文献２】特許第２７５７９７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、電子ビーム照射環境下においても使用することができる耐熱性構造材料を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため鋭意研究した結果、本発明者らは、炭化ケイ素（SiC）粉末とケイ素（Si）粉末を混合成形し、高温高圧で焼結することにより、電気伝導性及び低温延性が付与されることを発見し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち、本発明は、ケイ素及び炭化ケイ素を含んでなる金属マトリックス複合材であって、炭化ケイ素の含有量がケイ素に対して5〜50wt%であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明は、上記の金属マトリックス複合材であって、ケイ素と炭化ケイ素の混合粉末を1100℃〜1400℃の温度、20〜40kNの圧力で0.5〜2時間ホットプレスすることにより焼結させたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、上記の金属マトリックス複合材であって、ホットプレス処理後、更に、1200℃〜1300℃の温度、2MPaの圧力で0.5〜2時間高温等方加圧処理を施したことを特徴とするものである。
【０００９】
更に、本発明は、上記の金属マトリックス複合材であって、電気伝導性を有しかつ高温強度や低温延性に優れた、具体的には、1〜2MW/m2×3〜13秒の電子ビーム加熱で破壊せず、電子ビーム加熱により表面温度が1500℃に達しても損傷しないことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の金属マトリックス複合材は、核融合炉内の高温プラズマに晒される構造体のアーマータイルとして利用することができる。本発明により核融合炉装置の低放射化やコンパクト化が促進される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の金属マトリックス複合材（以下、単にMMCともいう）は、ケイ素及び炭化ケイ素を含んでなるものである。炭化ケイ素の含有量はケイ素に対して5〜50wt%である。かかる複合材は、ケイ素と炭化ケイ素の混合粉末を1100℃〜1400℃の温度、20〜40kNの圧力で0.5〜2時間ホットプレスすることにより焼結した後、更に、1200℃〜1300℃の温度、2MPaの圧力で0.5〜2時間高温等方加圧処理を施すことにより製造することができる。
【００１２】
本発明において使用することができる炭化ケイ素粉末、並びにケイ素粉末の粒子サイズは、数nm〜数μmの範囲である。
本発明の金属マトリックス複合材は、絶縁破壊及び熱応力破壊に対してすぐれた耐性を有する耐熱材料であり、電気伝導性及び低温延性を有するものである。
【００１３】
本発明の一実施態様を以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１４】
遊星ボールミルで微細化したケイ素粉末（99.99%、粒径0.2μm）に対して炭化ケイ素ナノ粉末（平均粒径0.1μm）を5〜50wt%添加し、振とう機で撹拌して混合粉末とした。この混合粉末を、遊星ボールミルを用いたメカニカルアロイング法（機械的合金作成法）により合金化し、粉末粒子を均一に分散させた。
【００１５】
得られた粉末を、冷間等方加圧装置を用いて200MPa×15mmで固め、外径×厚みがφ36mm×5〜15mmである試験体を作成した。この試験体を1100℃〜1400℃の温度、0.5〜5時間で常圧〜50kNのホットプレス（HP）を施した。
【００１６】
ホットプレス処理後、更に、高温等方加圧装置（HIP）により1200℃〜1300℃の温度、2MPaの圧力で、0.5〜2時間HIP処理を施し、金属マトリックス複合材試験体を製造した。
表１に各種HP条件及びその後のHIPとMMCの到達密度を示す。
【００１７】
【表１】
2005154817.tif 000002
【００１８】
表１に示すように、HP処理とHIP処理とを組み合わせることにより高い密度のMMCを製造することができる。
複合材における炭化ケイ素のケイ素に対する含有量と高温強度との関係を図１に示す。図に示すように、炭化ケイ素含有量10wt%で曲げ強さが最大となった。
【００１９】
図２に炭化ケイ素含有量10wt%の複合材におけるのHP処理後のHIP処理条件と曲げ強さの関係を示す。図から、1400℃×0.5時間×20kNのHP処理後、1200℃×0.5時間×2MPaのHIP処理材で曲げ強さが最大となることが分かった。また、その際の試験体の塑性変形を示す、試験温度と変位との関係を図３に示す。図３によると、HP+HIP処理材において、最も低い温度から変位（伸び）が観察された。このことから、HP+HIP処理を施したMMCが、より低温延性の優れた材料であることがわかる。
【００２０】
次いで、表２に示す条件で電子ビーム加熱試験を行い、MMCの絶縁破壊及び熱衝撃破壊について観察した。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
観察結果を図４に示す。電子ビーム加熱試験の結果、本発明の金属マトリックス複合材は表２の条件下では破壊は生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、MMCの炭化ケイ素含有量と曲げ強さの関係を示す図である。
【図２】図２は、10wt%炭化ケイ素添加MMCのHIP処理条件と高温強度との関係を示す図である。
【図３】図３は、10wt%炭化ケイ素含有MMCの低温での伸びを示す図である。
【図４】図４は、熱流速1〜2MW/m2で照射試験中のMMCタイルの様子を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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