AbstractA thermal stress analysis system has been developed which enables the accurate analysis of multilayer composites such as functionally graded materials. The method is based on a strain suppression technique and Timoshenko's beam theory. In this paper a design method for a tungsten copper graded composite for high heat flux components is proposed. The thermal stress properties of the graded composites have been analysed using the thermal stress analysis system by paying attention to the reduction of thermal stress. A tungsten/copper graded composite for a high heat flux sink has been chosen for the residual stress analyses in the case of uniform heating during fabrication and tungsten surface heating with temperature differences during operation. It has been verified that an approach based on an equivalent heat transfer coefficient λeq = constant is useful for optimizing the tungsten/copper graded profile. Also, the specimen geometry of a tungsten/copper graded composite for an electron beam irradiation test has been determined by the design method.The optimized tungsten copper graded composite has been fabricated using a new sintering and infiltration technique. The first phase in the fabrication process is to make sintered tungsten with graded pores; in the second phase, molten copper is infiltrated into the graded pores. Finally, the electron beam irradiation test has shown that the tungsten/copper graded composite can successfully endure a stationary heat flux of up to 15 MW m−2.
熱応力解析システムが開発され、傾斜機能材料などの多層複合材料の精密な解析が可能となった。本手法はひずみ抑制手法とティモシェンコはり理論に基づいている。本論文では、高熱流束部品用のタングステン/銅傾斜複合材料の設計手法を提案する。傾斜複合材料の熱応力特性は、熱応力低減に着目して本熱応力解析システムを用いて解析された。高熱流束シンク用のタングステン/銅傾斜複合材料について、製造時の均一加熱および運転時の温度差を伴うタングステン表面加熱の場合の残留応力解析が実施された。等価熱伝達係数λeq = 定数に基づくアプローチが、タングステン/銅傾斜プロファイルの最適化に有効であることが検証された。また、電子ビーム照射試験用のタングステン/銅傾斜複合材料の試験片形状が、本設計手法により決定された。最適化されたタングステン/銅傾斜複合材料は、新規の焼結・溶浸技術を用いて作製された。製造プロセスの第一段階では、傾斜した気孔を有する焼結タングステンを作製し、第二段階では、溶融銅を傾斜した気孔内に溶浸させた。最後に、電子ビーム照射試験により、タングステン/銅傾斜複合材料が最大15 MW m−2の定常熱流束に耐え得ることが実証された。