專利名稱：金屬基體復(fù)合電線、電纜和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在金屬基體中用基本上連續(xù)的纖維增強的復(fù)合電線(compositewire)和加有這種電線的電纜。
背景技術(shù)：
很久以來金屬基體復(fù)合材料(MMC)由于其兼具高的強度和剛性以及低的重量等性能而被認為是有前途的材料。MMC一般包括用纖維增強的金屬基體。金屬基體復(fù)合材料的例子包括鋁基體復(fù)合電線(例如在鋁基體中含碳化硅、碳、硼或多晶α-氧化鋁纖維)、鈦基體復(fù)合帶(例如在鈦基體中含碳化硅纖維)和銅基體復(fù)合帶(例如在銅基體中含碳化硅纖維)。
人們特別感興趣的是在裸露的高架電力傳輸電纜中使用某些金屬基體復(fù)合電線作為增強元件。在這種電纜中對新材料的需求受下述需求的驅(qū)動，即由于負載增加和違反規(guī)定操作而使電流發(fā)生變化所導(dǎo)致的需要提高已有傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的電力傳輸容量。對這種新材料的基本性能要求包括耐腐蝕性、環(huán)境耐久性(例如耐UV和濕氣)、在高溫下對強度損失的抵抗性和耐蠕變性。
影響工作性能的重要性質(zhì)有彈性模量、密度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性和強度。一般通過對各成分(即金屬基體材料和纖維)的選擇、各成分的純度以及纖維的體積分數(shù)來控制這些性質(zhì)。在這些性質(zhì)中，特別強調(diào)開發(fā)由高的拉仲強度和剛性的纖維制成的電線。
已知在電線中存在諸如金屬間相、孔隙率[例如由于收縮或內(nèi)部氣體(如氫氣或水蒸氣)空隙所致]、尤其是干(即未涂覆的)纖維等缺陷會損害電線的性質(zhì)如強度。這些缺陷可能是由于各成分(即金屬基體材料和纖維)中的雜質(zhì)、各成分間的不相容性以及基體材料不完全滲入纖維中造成的。
人們需要具有良好且穩(wěn)定的機械性質(zhì)的、基本上連續(xù)的金屬基體復(fù)合電線。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及基本上連續(xù)的纖維金屬基體復(fù)合材料。本發(fā)明的實施方案涉及金屬基體復(fù)合材料(例如復(fù)合電線)，它具有多根包含在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維。將本發(fā)明的金屬基體復(fù)合材料制成在彈性模量、密度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性和強度上具有所需性質(zhì)的電線。
本發(fā)明提供一種金屬基體復(fù)合電線，它包括至少一根絲束(通常是多根絲束)，所述絲束包含多根在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維。纖維選自陶瓷纖維、碳纖維和它們的混合物。金屬基體材料的熔點不大于1100℃(一般不大于1000℃，可以不大于900℃、800℃或甚至700℃)。重要的是，電線的長度至少為300米(較好是，按優(yōu)選的順序排列，至少約為400米，至少約為500米，至少約為600米，至少約為700米，至少約為800米，至少約為900米，和至少約為1000米)，并且彎曲破裂值(bend failure value)為零。這就意味著當(dāng)按實施例所述的“電線耐久性試驗”(Wire Proof Test)進行測試時，電線在至少300米(較好是，按優(yōu)選的順序排列，至少約400米，至少約500米，至少約600米，至少約700米，至少約800米，至少約900米，和至少約1000米)的長度上具有零斷裂。
在另一個實施方案中，提供了一種制造本發(fā)明復(fù)合電線的方法。這種方法包括提供所含體積的熔融金屬基體材料；提供超聲波能量，使至少一部分所含體積的熔融金屬基體材料振動；將至少一根包含多根基本上連續(xù)纖維的絲束(一般是多根絲束)浸入所含體積的熔化的基體材料中，其中纖維選自陶瓷纖維、碳纖維和它們的混合物；提供超聲波能量，使至少一部分所含體積的熔融金屬基體材料振動，以使至少一部分熔融的金屬基體材料滲入多根纖維中，從而獲得滲過的多根纖維；在使熔融的金屬基體材料固化的條件下，從所含體積的熔融金屬基體材料中抽出滲過的多根纖維，獲得本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線。
在另一個實施方案中，提供了一種包括至少一種本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線的電纜。
定義本文所用的下述術(shù)語的定義是“基本上連續(xù)的纖維”是指與纖維的平均直徑相比，纖維的長度相對來說是無限長的。一般來說，這意味著纖維的長寬比(即纖維的長度與纖維的平均直徑之比)至少約為1×105，較好至少約為1×106，更好至少約為1×107。一般來說，這種纖維的長度的數(shù)量級至少約為50米，并且甚至可以具有數(shù)量級為千米或更大的長度。
“縱向排列”是指纖維在與電線長度方向相同的方向上取向。
附圖的簡要說明

圖1是顯示只存在纖維而沒有基體的局部區(qū)域的金屬基體復(fù)合電線的截面的顯微照片。
圖2是顯示收縮孔隙率的金屬基體復(fù)合電線的截面的掃描電子顯微照片。
圖3是顯示由于存在俘獲氣體(例如氫氣或水蒸氣)而產(chǎn)生空隙的金屬基體復(fù)合電線的截面的掃描電子顯微照片。
圖4是顯示微孔隙率的金屬基體復(fù)合電線的截面的掃描電子顯微照片。
圖5是用熔融的金屬滲透纖維時所用的超聲波設(shè)備的示意圖。
圖6是三點彎曲強度測試設(shè)備的示意圖。
圖7是電線耐久性測試設(shè)備的示意圖。
圖8和9是含有復(fù)合金屬基體芯的高架電力傳輸電纜的兩個實例的示意性截面圖。
圖10是在繞多根股線(strand)施加固定裝置前，絞合電纜實例的端視圖。
圖11是電力傳輸電纜實例的端視圖。
圖12是三點彎曲強度測試所用的試驗樣品的截面圖。
較好實施方案的詳細描述本發(fā)明提供具有明顯改善的機械性質(zhì)、長度較長的金屬基體復(fù)合電線，具體體現(xiàn)在，例如，長度至少為300米的本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線的彎曲破裂值為零。盡管不想受理論束縛，但據(jù)認為這種改善的性質(zhì)是由于減少或消除了局部缺陷(例如在電線制造過程中在電線中的局部干纖維、由于收縮或內(nèi)部氣體空隙所致的局部孔隙率、微孔隙率和/或局部金屬間化合物)獲得的。
盡管已知在電線中存在的諸如金屬間相、干纖維、由于收縮或內(nèi)部氣體(如氫氣或水蒸氣)空隙等原因所致的孔隙率等缺陷會損害電線的性質(zhì)(如強度)，并且不想受理論束縛，但申請人發(fā)現(xiàn)并確信在已知的金屬基體復(fù)合電線中沿電線長度方向上存在的缺陷比已有技術(shù)中已知的缺陷還要普遍。例如，測試或分析1米長電線的性質(zhì)和其它特征，并不一定意味著10米、50米、100米等長度的電線也會始終如一地具有所需程度的性質(zhì)或特征。在電線中的這種缺陷包括局部金屬間相、局部干(即未涂覆的)纖維(例如參見圖1)、由于收縮(例如參見圖2)或內(nèi)部氣體空隙(例如參見圖3)所致的孔隙率和微孔隙率(例如參見圖4)。據(jù)認為這種缺陷會顯著地損害金屬基體復(fù)合電線的性質(zhì)(如強度)。盡管不想受理論束縛，但我們認為與已有技術(shù)相比，由申請人的發(fā)明方法制成的較好電線沿其長度方向明顯減少了(或消除了)一種或多種這樣的缺陷，從而獲得了具有明顯改善性能的電線，它具體體現(xiàn)在，例如在至少300米的長度上電線的彎曲破裂值為零。
本發(fā)明提供包括纖維增強的金屬基體復(fù)合材料的電線和電纜。本發(fā)明的復(fù)合電線包括至少一根絲束，該絲束包含多根包封在基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的增強纖維，例如陶瓷(如Al2O3基)增強纖維，所述基體包括一種或多種金屬[如高純元素鋁或純鋁與其它元素(如銅)的合金]。較好是，至少約85％數(shù)量的纖維在本發(fā)明的電線中基本上是連續(xù)的?？梢栽陔娎|中，較好是在電力傳輸電纜中加入至少一根本發(fā)明的電線。
基本上連續(xù)的增強纖維的平均纖維直徑較好至少約為5微米。平均纖維直徑一般不大于約50微米，更一般是不大于約25微米。
纖維的模量較好不大于約1000GPa，更好不大于約420GPa。纖維的模量較好大于約70GPa。
可用于制造本發(fā)明金屬基體復(fù)合材料的基本上連續(xù)的纖維的例子包括陶瓷纖維，例如金屬氧化物(如氧化鋁)纖維和碳化硅纖維，以及碳纖維。一般來說，陶瓷氧化物纖維是結(jié)晶陶瓷和/或結(jié)晶陶瓷與玻璃的混合物(即纖維可以包含結(jié)晶陶瓷和玻璃相)。
陶瓷纖維的平均拉伸強度較好至少約為1.4GPa，更好至少約為1.7GPa，再好至少約為2.1GPa，最好至少約為2.8GPa。碳纖維的平均拉伸強度較好至少約為1.4GPa，更好至少約為2.1GPa，再好至少約為3.5GPa，最好至少約為5.5GPa。
絲束是纖維領(lǐng)域中皆知的，它是指多根(單個)纖維(一般是至少100根纖維，更一般是至少400根纖維)以繩狀的形式聚集起來。絲束較好包含至少780根單個纖維/絲束，更好包含至少2600根單個纖維/絲束。各種長度的陶瓷纖維絲束都可以使用，包括300米和更長的長度。纖維的截面形狀可以是圓形或橢圓形的。
制造氧化鋁纖維的方法在已有技術(shù)中是已知的，它包括在美國專利No.4,954,462(Wood等)中披露的方法，所述專利的內(nèi)容在此參考引用。
氧化鋁纖維較好是多晶α-氧化鋁基纖維，以理論氧化物為基準，并以氧化鋁纖維的總重量計，所述纖維包含大于約99重量％的Al2O3和約0.2-0.5重量％的SiO2。另一個方面，較好的多晶α-氧化鋁基纖維包含平均粒度小于1微米(更好小于0.5微米)的α-氧化鋁。另一個方面，較好的多晶α-氧化鋁基纖維的平均拉伸強度至少為1.6GPa(較好至少為2.1GPa，更好至少為2.8GPa)。較好的α-氧化鋁纖維可以商品名“NEXTEL 610”商購于3M Company，St.Paul，MN。
合適的硅鋁酸鹽纖維見述于美國專利No.4,047,965(Karst等)中，該專利的內(nèi)容在此參考引用。以理論氧化物為基準，并以硅鋁酸鹽纖維的總重量計，硅鋁酸鹽纖維較好包含約67-85重量％的Al2O3和約33-15重量％的SiO2。以理論氧化物為基準，并以硅鋁酸鹽纖維的總重量計，某些較好的硅鋁酸鹽纖維包含約67-77重量％的Al2O3和約33-23重量％的SiO2。以理論氧化物為基準，并以硅鋁酸鹽纖維的總重量計，一種較好的硅鋁酸鹽纖維包含約85重量％的Al2O3和約15重量％的SiO2。以理論氧化物為基準，并以硅鋁酸鹽纖維的總重量計，另一種較好的硅鋁酸鹽纖維包含約73重量％的Al2O3和約27重量％的SiO2。較好的硅鋁酸鹽纖維可以商品名為“NEXTEL 440”的陶瓷氧化物纖維、商品名為“NEXTEL 550”的陶瓷氧化物纖維和商品名為“NEXTEL 720”的陶瓷氧化物纖維商購于3M Company。
合適的硅鋁硼酸鹽(aluminoborosilicate)纖維見述于美國專利No.3,795,524(Sowman)中，該專利的內(nèi)容在此參考引用。以理論氧化物為基準，并以硅鋁硼酸鹽纖維的總重量計，硅鋁硼酸鹽纖維較好包含約35-75重量％[更好約55-75重量％]的Al2O3；大于0重量％[更好至少約為15重量％]并小于約50重量％[更好小于約45％，最好小于約44％]的SiO2；和大于約5重量％[更好小于約25重量％，再好約為1-5重量％，最好約為10-20重量％]的B2O3。較好的硅鋁硼酸鹽纖維可以商品名“NEXTEL 312”商購于3M Company。
合適的碳化硅纖維可以商購，例如以商品名“NICALON”、以500根纖維的絲束商購于COI Ceramics，San Diego，CA，以商品名“TYRANNO”商購于UbeIndustries，Japan，和以商品名“SYLRAMIC”商購于Dow Corning，Midland，MI。
合適的碳纖維可以商購，例如以商品名“THORNEL CARBON”購于AmocoChemicals of Alpharetta，GA的含2000、4000、5000和12000根纖維的絲束；以商品名“PYROFIL”購于Grafil，Inc.of Sacramento，CA(Mitsubishi RayonCo.的子公司)；以商品名“TORAYCA”購于Toray of Tokyo Japan；以商品名“BESFIGHT”購于Toho Rayon of Japan，Ltd.；以商品名“PANEX”和“PYRON”購于Zoltek Corporation of St.Louis，MO；以商品名“12K20”和“12K50”購于Inco Special Products of Wyckoff，NJ(鎳涂覆的碳纖維)。
商購纖維一般包括在其制造過程中加到纖維中的有機膠料，以提供潤滑性并在處置過程中保護纖維股線。據(jù)認為上膠往往能減少纖維的斷裂，減少靜電，并在諸如轉(zhuǎn)變成織物的過程中減少灰塵的量。例如，可以通過將膠料(sizing)溶解或燃燒掉而將其去除。較好是在形成本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線之前除去膠料。這樣，在形成鋁基體復(fù)合電線之前，陶瓷氧化物纖維是不含任何原來在其上面的膠料的。
在纖維上涂覆涂料，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。使用涂料，例如，可以提高纖維的潤濕性，減少或防止纖維與熔融金屬基體材料之間的反應(yīng)。這種涂料和提供這種涂料的方法在纖維和金屬基體復(fù)合材料的領(lǐng)域中是已知的。
以纖維和基體材料的總體積計，本發(fā)明的電線較好包含至少15體積％[按優(yōu)選性增大的順序，更好至少為20、25、30、35、40或50體積％]的纖維。一般來說，以纖維和基體材料的總體積計，本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線包含約30-70(較好約40-60)體積％的纖維。
按優(yōu)選的順序排列，本發(fā)明電線的長度至少為300米，至少約為400米，至少約為500米，至少約為600米，至少約為700米，至少約為800米，和至少約為900米，當(dāng)電線為這些長度時，按本文所述的電線耐久性試驗進行測試時它們的斷裂為零(即彎曲破裂值為零)。
本發(fā)明電線的平均直徑較好至少約為0.5毫米(mm)，更好至少約為1mm，再好至少約為1.5mm。另一個方面，本發(fā)明電線的平均拉伸強度較好至少約為350MPa。
可以對基體材料加以選擇，使基體材料不與纖維材料明顯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(即基體材料相對于纖維材料而言是較為化學(xué)惰性的)，從而(例如)無需在纖維的外部提供保護性涂層。較好的金屬基體材料包括鋁、鋅、錫和它們的合金(例如鋁和銅的合金)?；w材料更好包括鋁和它的合金。所報道的鋁、鋅、錫的熔點分別為660℃、420℃和232℃。對于鋁基體材料，基體較好包含至少98重量％的鋁，更好至少99重量％的鋁，再好大于99.9重量％的鋁，最好大于99.95重量％的鋁。較好的鋁和銅的鋁合金包含至少約98重量％的Al和高達約2重量％的Cu。盡管較高純度的金屬對制造較高拉伸強度的電線來說往往是較好的，但較低純度的金屬也是有用的。
合適的金屬可以商購。例如，鋁可以商品名“SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al”商購于Alcoa of Pittsburgh，PA。鋁合金(例如Al-2重量％Cu(0.03重量％雜質(zhì)))可以得自Belmont Metals，New York，NY。鋅和錫可以購于例如MetalServices，St.Paul，MN(“純鋅”；99.999％純度，和“純錫”；99.95％純度)。錫合金的例子包括92重量％Sn-8重量％Al(它可以這樣制得，例如將鋁加到550℃的熔融錫浴中，使混合物在使用前靜置12小時)。錫合金的例子包括90.4重量％Zn-9.6重量％Al(它可以這樣制得，例如將鋁加到550℃的熔融鋅浴中，使混合物在使用前靜置12小時)。
對制造本發(fā)明金屬基體復(fù)合電線所用的特定的纖維、基體材料和工藝步驟加以選擇，以獲得具有所需性質(zhì)的金屬基體復(fù)合電線。例如，對纖維和金屬基體材料加以選擇，使它們彼此之間充分相容并與電線的制造過程充分相適應(yīng)，以便制得所需的電線。關(guān)于制造鋁和鋁合金基體復(fù)合材料的某些較好方法的另外細節(jié)(例如)披露于美國專利申請序號No.08/492,960的未審定申請和于1996年5月21日公開的公開號No.WO 97/00976的PCT申請中，這些專利申請的內(nèi)容在此參考引用。
本發(fā)明的連續(xù)金屬基體復(fù)合電線例如可以通過連續(xù)金屬基體滲入法制得。制造本發(fā)明電線的較好設(shè)備的示意圖示于圖5中。從供料卷筒50供給基本上連續(xù)的陶瓷和/或碳纖維51的絲束，將其拉直成圓形束，并進行熱清洗，同時使其通過管爐52。然后在真空室53中將纖維抽空，之后進入包含金屬基體材料61熔體(在此也稱為“熔融金屬”)的坩鍋54。用履帶式拉拔機(caterpuller)55從供料卷筒50拉出纖維。在熔體中靠近纖維的地方放置超聲波探針56，以幫助熔體滲入絲束51中。在通過出口模頭57離開坩鍋54之后，電線的熔融金屬冷卻并固化，盡管某些冷卻可以發(fā)生在其完全離開坩鍋54之前。通過氣流或液流58可以增強電線59的冷卻。將電線59收集在卷筒60上。任選地采用下面實施例所述的電線耐久性試驗按序地對電線進行測試。
對纖維進行熱清洗有助于除去或減少膠料、吸收的水和其它可能存在于纖維表面上的短效或揮發(fā)性物質(zhì)的量。宜對纖維進行熱清洗，直到纖維表面上的碳含量小于22％面積分數(shù)。管爐的溫度一般至少約為300℃，更一般至少為1000℃，且維持至少幾秒鐘，盡管具體的溫度和時間(例如)取決于所用具體纖維的清洗需要。
在纖維進入熔體之前宜對其進行抽空，因為發(fā)現(xiàn)采取這種抽空往往會減少或避免形成諸如含有干纖維的局部化區(qū)域的缺陷。按優(yōu)選性增大的順序，宜在真空中對纖維抽空達不大于20托，不大于10托，不大于1托，不大于0.7托。
合適的真空系統(tǒng)的一個例子是尺寸與纖維束的直徑相匹配的入口管。入口管(例如)可以是不銹鋼或氧化鋁管，其長度一般至少為30cm。合適的真空室的直徑一般約為2-20cm，長度一般約為5-100cm。真空泵的容量較好至少為0.2-0.4立方米/分鐘。通過真空系統(tǒng)上的插入鋁浴的管子將抽空的纖維插入熔體中(即當(dāng)抽空的纖維加到熔體中時它是處于真空狀態(tài)的)，盡管熔體一般基本上在大氣壓的壓力下。出口管的內(nèi)徑主要與纖維束的直徑相匹配。一部分出口管浸在熔融的鋁中。較好是約0.5-5cm的管浸在熔融的金屬中。對管加以選擇，使其在熔融的金屬材料中是穩(wěn)定的。通常合適的管的例子包括氮化硅和氧化鋁管。
一般采用超聲波來促進熔融的金屬滲入到纖維中。例如，在熔融的金屬中靠近纖維的地方放置振動角。纖維較好在距振動角頂(horn tip)2.5mm的范圍內(nèi)，更好在距振動角頂1.5mm的范圍內(nèi)。角頂較好由鈮或鈮的合金如95重量％Nb-5重量％Mo和91重量％Nb-9重量％Mo制成，并且可以從如PMTI，Pittsburgh，PA制得。關(guān)于使用超聲波制造金屬基體復(fù)合材料的另外細節(jié)(例如)參見美國專利No.4,649,060(Ishikawa等)、4,779,563(Ishikawa等)和4,877,643(Ishikawa等)，美國專利申請序號No.08/492,960的申請，和在1996年5月21口公開的公開號No.WO 97/00976的PCT申請，這些專利申請的內(nèi)容在此參考引用。
較好是在滲透的過程中和/或滲透前，使熔融的金屬脫氣[例如減少溶解在熔融金屬中的氣體(如氫氣)的量]。使熔融的金屬脫氣的方法在金屬加工領(lǐng)域中是熟知的。使熔體脫氣往往會降低電線中氣體的孔隙率。對于熔融的鋁，按優(yōu)選的順序排列，熔體的氫氣濃度較好小于0.2、0.15和0.1cm3/100g鋁。
設(shè)置出口模頭，以提供所需的電線直徑。一般希望電線沿其長度方向統(tǒng)一是圓形的。出口模頭的直徑通常略大于電線的直徑。例如，用于含約50體積％氧化鋁纖維的鋁復(fù)合電線的氮化硅出口模頭的直徑比電線的直徑小約3％。出口模頭較好由氮化硅制成，盡管其它的材料也是可以用的。在已有技術(shù)中用作出口模頭的其它材料包括常規(guī)的氧化鋁。然而，申請人發(fā)現(xiàn)氮化硅出口模頭比常規(guī)的氧化鋁模頭明顯不容易被磨損，因此，它在為電線，尤其是在電線的整個長度上提供所需的直徑和形狀上更為有用。
一般來說，在電線離開出口模頭后，將電線與液體(如水)或氣體(如氮氣、氬氣或空氣)接觸使其冷卻。這種冷卻有助于提供所需的圓度和均一的特征。
所得電線的直徑一般并非是完整的圓形。最小和最大直徑之比(即對于電線長度上的某一給定點，最短直徑與最長直徑之比，該比值對于完整的圓形來說應(yīng)為1)一般至少為0.9，按優(yōu)選性增大的順序，較好至少為0.90、0.91、0.92、0.93、0.94和0.95。電線的截面形狀例如可以是圓形、橢圓形、正方形、矩形或三角形。本發(fā)明電線的截面形狀較好是圓形或接近圓形。本發(fā)明電線的平均直徑較好至少為1mm，更好至少為1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm。
本發(fā)明的金屬基體復(fù)合電線可用于各種用途。它們尤其可用于高架電力傳輸電纜。
本發(fā)明的電纜可以是均相的(即僅包括一種類型的金屬基體復(fù)合電線)或非均相的(即包括多種次級電線如金屬電線)。作為非均相電纜的一個例子，芯可以包括多根本發(fā)明的電線，而皮可以包括多根次級電線(如鋁電線)。
可以使本發(fā)明的電纜絞合在一起。絞合的電纜一般包括中心電線和繞中心電線螺旋形絞合的第一層電線。電纜絞合是其中各股電線以螺旋形排列的方式結(jié)合起來制成成品電纜的方法[例如參見美國專利No.5,171,942(Powers)和5,554,826(Gentry)，這些專利的內(nèi)容在此參考引用]。所得螺旋形絞合的電線提供比具有相同截面面積的實心棒大得多的柔韌性。螺旋形排列也是有利的，這是因為電纜在處理、安裝和使用的過程中受到彎曲時，絞合的電纜能保持其全部的圓形截面形狀。螺旋形卷繞的電纜可以包括少至7根單股，更通常的結(jié)構(gòu)是包含50或更多根股線。
本發(fā)明一個例舉的電力傳輸電纜示于圖8中，其中本發(fā)明的電力傳輸電纜130可以是19根單個復(fù)合金屬基體電線134的芯132，該芯被30根單個鋁或鋁合金電線138的外套136所包圍。類似地，如圖9所示，作為許多替換方案中的一種，本發(fā)明的高架電力傳輸電纜140可以是37根單個復(fù)合金屬基體電線144的芯142，該芯被21根單個鋁或鋁合金電線148的外套146所包圍。
圖10說明了絞合電纜80的又一個實例。在此實例中，絞合電纜包括中心金屬基體復(fù)合電線81A和沿中心金屬基體復(fù)合電線81A螺旋形卷繞的金屬基體復(fù)合電線的第一層82A。此實例還包括沿第一層82A螺旋形絞合的金屬基體復(fù)合電線81的第二層82B。在任何層中可以包括任何合適數(shù)目的金屬基體復(fù)合電線81。而且，若希望的話，在絞合電纜80中可以包括兩層以上的層。
本發(fā)明的電纜可用作裸露的電纜，或者它可以用作直徑較大電纜的芯。本發(fā)明的電纜也可以是多根電線(在多根電線的周圍有固定裝置)的絞合電纜。固定裝置可以是帶狀外包裝紙(tape overwrap)如圖10中所示的83，它例如帶有或不帶粘合劑。
本發(fā)明的絞合電纜可用于許多用途。認為這種絞合電纜特別適用于高架電力傳輸電纜，因為它兼具重量低、強度高、導(dǎo)電性好、熱膨脹系數(shù)低、使用溫度高和耐腐蝕性等性能。
這種傳輸電纜90的一個較好實例的端視圖示于圖11中。這種傳輸電纜包括芯91，該芯可以是本文所述絞合芯中的任何一種。電力傳輸電纜90也包括至少一層在絞合芯91周圍的導(dǎo)體層。如圖所示，電力傳輸電纜包括兩層導(dǎo)體層93A和93B。在需要時可以使用更多的導(dǎo)體層。各導(dǎo)體層較好包含多種已有技術(shù)中已知的導(dǎo)體電線。用于導(dǎo)體電線的合適的材料包括鋁和鋁合金?？梢圆捎靡延屑夹g(shù)中已知的合適的電纜絞合裝置在絞合芯91的周圍絞合導(dǎo)體電線。
在其它的應(yīng)用中，包括絞合電纜本身用作最終制品，或者用作中間制品或不同后續(xù)制品中的組分，較好是絞合電纜在多根金屬基體復(fù)合電線81的周圍不含電力導(dǎo)體層。
關(guān)于由金屬基體復(fù)合電線制成的電纜的其它細節(jié)例如披露于與本申請同一天申請的美國專利申請序號為No.09/616,784的申請,美國專利申請序號為No.08/492,960的申請和在1996年5月21日公開的公開號No.WO 97/00976的PCT申請中，這些專利申請的內(nèi)容在此參考引用。關(guān)于制造金屬基體復(fù)合材料和含它的電纜的其它細節(jié)例如披露于與本申請同一天申請的美圍專利申請序號No.09/616,594、09/616,589和09/616,741的未審定申請中。
實施例用下述實施例對本發(fā)明作了進一步說明，但不應(yīng)認為在這些實施例中所述具體的材料和其用量以及其它的條件和細節(jié)對本發(fā)明構(gòu)成不適當(dāng)?shù)南拗?。對本發(fā)明所作的各種改進和改變對本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者而言是顯而易見的。除非另有說明，所有的份數(shù)和百分數(shù)均以重量計。
測試方法三點彎曲強度測試采用三點彎曲法測量彎曲強度，所述三點彎曲法源自ASTM標準E855-90，測試方法B，它公開于ASTM 1992標準年度書(Annual Book of Standards)，第3節(jié)，03.01卷，由ASTM，Philadelphia，PA出版，該書的內(nèi)容在此參考引用。三點彎曲強度是會導(dǎo)致測試樣品斷裂成兩塊或更多塊分離碎片的施加在電線外表面上的標稱應(yīng)力。試驗在室溫(約20℃)下在隨意選擇的樣品上使用通用的試驗機架進行，所述試驗機架裝有三點彎曲夾具和連續(xù)記錄負載的裝置(兩者都得自MTS，Eden Prai rie，MN)。在三點彎曲中測到的樣品的三點彎曲強度σb，即長度與其深度的關(guān)系用公式1表示σb=ymFl4I---(1)]]>其中F是用負載傳感器記錄的最大負載，l是試驗間距(即兩個支架之間的距離)，ym是從中心軸到測試樣品表面的垂直距離(見圖12)，I是面積的二次矩。參見圖12，面積的二次矩測量均勻部分對水平軸242附近的彎曲的耐受性。面積的二次矩由下述公式表示 其中b(y)是在y處的部分的寬度。為計算面積的二次矩I提供合適近似值的公式是眾所周知的。對這些公式加以選擇以適合于樣品的截面。例如，對于圓形或接近圓形的截面，面積的二次矩I用下述公式表示I=πd464---(3)]]>其中d是截面的直徑。對于不完整圓形的電線，使電線的短軸在試驗設(shè)備中垂直地取向來測量三點彎曲強度。使用測微計(精度至少為+/-2％)測量電線的直徑。實施例中的電線都不是完整的圓形(但接近圓形)。因此，要測量最小和最大直徑(對于電線上同樣的點)。實施例中電線的最小與最大直徑之比都大于0.9。對于各試驗樣品，沿15厘米長每隔5厘米測量最小直徑，總共得到三次直徑測量讀數(shù)。由于實施例中電線的截面都接近圓形，所以使用公式3(見上面)來計算面積的二次矩I。該公式所用的直徑d是三次最小直徑讀數(shù)的平均值。
在三點對稱負載中將試驗樣品裝載成簡單的橫梁。單向增加負載直到電線斷裂，獲得彎曲強度。記錄破裂P時的負載，按公式1(和公式3)計算三點彎曲強度。試驗設(shè)備的示意圖示于圖6中。該設(shè)備由兩個可調(diào)節(jié)的支架214、施加負載的裝置212和測量負載的裝置216組成。支架是硬化的鋼釘，其支承端的半徑為3mm。支架之間的距離可以沿樣品的縱向軸調(diào)節(jié)。待測試的樣品標為211。
試驗樣品是直的，沒有波紋或扭曲。間距是電線最小直徑(d)的15至22倍。樣品的全部長度至少是電線最小直徑(d)的50倍。將樣品對稱地放在支架上，用手輕輕地粘上，使支架上的摩擦最小。
下述電線耐久性試驗所用的三點彎曲強度是8個樣品的三點彎曲強度的平均值。
電線耐久性試驗在室溫(約20℃)下，使用示意圖7所示的設(shè)備，以測得的三點彎曲強度的設(shè)定值，按彎曲的方式連續(xù)地對電線進行耐久性試驗。電線(待測試的)21從卷筒20上供給，繞過第一和第二組三輥22和24，在試驗間距L上偏移4cm，即輥23的直徑，最后收集在卷筒29上。驅(qū)動卷筒29，以從卷筒20拉動電線通過試驗設(shè)備。輥組22和24是直徑為40mm的鋼軸承。輥組22和24中各輥的外表面分別具有中心位于輥直徑附近的小的V形凹槽。V形凹槽的深度約為1mm，寬度約為1mm。將測試的電線裝在V形凹槽中，使其在試驗的過程中沿與輥軸相垂直的方向運行。在各輥組22和24中位于下面的兩個輥之間中心至中心的距離為100mm。各輥組22和24中位于上面的輥對稱地置于各自位于下面的兩個輥之間。各輥組22和24中位于上面的輥的垂直位置是可調(diào)節(jié)的。各輥組22和24中位于上面和下面的輥的外表面之間的距離等于按上述三點彎曲強度試驗計算而得的(平均最小)電線直徑(即d)。該距離能支撐電線21，但在最小張力(即小于1牛頓)的作用下在輥組22和24中位于上面和下面的輥之間不會發(fā)生自由滑移。中心輥23是外徑為40mm的鋼軸承，它對稱地位于輥組22和24之間。對于按上述三點彎曲強度試驗計算的(平均最小)直徑(即d)為大于或等于1.5mm的電線，在位于卷筒20和29之間的電線上的張力不大于100牛頓。對于按上述三點彎曲強度試驗計算的(平均最小)直徑(即d)為小于1.5mm的電線，在位于卷筒20和29之間的電線上的張力不大于20牛頓。電線耐久性試驗的間距L是指在輥組22和24中內(nèi)輥之間的中心至中心的距離。將間距L設(shè)置為按上述三點彎曲強度試驗計算而得的(平均最小)電線直徑(即d)的120-260倍。中心輥的偏移δ是指電線通過輥組22和24以及輥23的下表面時中心線之間的距離。用以0.1-10米/分鐘的速度運行的電線進行耐久性試驗。對中心輥的偏移δ進行設(shè)置，以施加相當(dāng)于在三點彎曲強度試驗中確定的電線三點彎曲強度值75％的應(yīng)力。
使試驗的電線受到相當(dāng)于三點彎曲強度值(按上述三點彎曲強度試驗獲得)75％的應(yīng)力的中心輥23的偏移δ用下述公式4表示δ=L224Eym(0.75σb)---(4)]]>其中L是間距，E是電線的楊氏模量，ym的定義如上述三點彎曲強度試驗中所述，σb是三點彎曲強度(由上述三點彎曲強度試驗確定)。對于圓柱形或接近圓柱形的電線，電線最小直徑的軸在電線耐久性試驗設(shè)備中垂直取向，偏移用下述公式表示δ=L212Ed(0.75σb)---(5)]]>其中d是(平均最小)電線直徑(由上述三點彎曲強度試驗確定)，E是電線的模量。電線的楊氏模量E用下述公式確定E＝fEf(6)其中f是纖維的體積分數(shù)(由下述方法確定)，Ef是纖維的楊氏模量。當(dāng)局部電線強度小于三點彎曲強度的75％時，所施加的偏移容易使電線斷裂。
采用標準金相顯微照像技術(shù)測量纖維的體積分數(shù)。將電線的截面拋光，在稱為NIH IMAGE(1.61版)的計算機程序-一種由國家健康學(xué)會研究服務(wù)分部(Research Services Branch of the National Institutes of Health)開發(fā)的公共領(lǐng)域圖象加工程序(得自網(wǎng)站http//rsb.info.nih.gov/nih-image)的幫助下，使用密度曲線函數(shù)(density profiling function)測量纖維的體積分數(shù)。這種軟件測量了電線典型的面積的平均灰色標度強度。
將一片電線安裝在安裝樹脂(以商品名“EPOXICURE”得自Buehler Inc.，LakeBluff，IL)上。使用常規(guī)的研磨機/拋光機和常規(guī)的金剛石漿料對安裝的電線拋光，最后的拋光步驟采用以商品名“DIAMOND SPRAY”得自Struers，West Lake，OH的1微米金剛石漿料進行，獲得拋光的電線截面。以150x的放大率拍攝拋光的電線截面的掃描電子顯微鏡(SEM)的顯微照片。在拍攝SEM顯微照片時，調(diào)節(jié)圖像的閾值水平(threshold level)，使所有的纖維都在零強度，從而獲得二元圖像。用NIH IMAGE軟件分析SEM顯微照片，將二元圖像的平均強度除以最大強度，獲得纖維的體積分數(shù)。確信這種確定纖維體積分數(shù)的方法的準確度為+/-2％。
實施例1按下述方法制備實施例1的鋁復(fù)合電線。參看圖5，將1500旦尼爾氧化鋁纖維(以商品名“NEXTEL 610”購自3M Company；在1996產(chǎn)品小冊子中報道的楊氏模量為373GPa)的66根絲束拉直成單束。在空氣中在1000℃時讓此單束以1.5m/min的速度通過1米管爐(得自ATS，Tulsa OK)，對其進行熱清洗。然后讓此束經(jīng)氧化鋁入口管(直徑為2.7mm，長度為30cm；其直徑與纖維束的直徑相匹配)進入真空室(直徑為6cm；長度為20cm)，在1.0托時對該束抽空。真空室裝有泵抽容量為0.4m3/min的機械真空泵。在離開真空室后，抽空的纖維經(jīng)部分浸漬在(約5cm)熔融鋁浴中的氧化鋁出口管(內(nèi)徑為2.7mm，長度為25cm)進入熔融的鋁浴中。在726℃時使鋁(99.94％的純Al；得自NSA ALUMINUM，HAWESVILLE，KY)熔化，制成熔融的鋁浴。將熔融的鋁保持在約726℃，通過浸在鋁浴中的碳化硅多孔管(得自Stahl Specialty Co，Kingsville，MO)使800cm3/min的氬氣鼓泡，使上述熔融的鋁連續(xù)地脫氣。按下述方法測量熔融鋁中的氫含量，將熔融鋁樣品放在具有0.64cm×12.7cm×7.6cm空腔的銅坩鍋中淬火，采用標準化質(zhì)譜儀試驗分析法(得自LECO Corp.，St.Joseph，MI)分析所得固化鋁錠的氫含量。
采用超聲波滲透法促進熔融的鋁滲入纖維束中。使用與超聲波轉(zhuǎn)換器(得自Sonics & Materials，Danbury CT)相連的波導(dǎo)提供超聲波振動。波導(dǎo)由91重量％Nb-9重量％Mo的圓柱形棒組成，所述圓柱形棒的直徑為25mm，長度為90mm，與10mm的中心螺桿相連，所述螺桿擰成長度為482mm、直徑為25mm的鈦波導(dǎo)(90重量％Ti-6重量％Al-4重量％V)。Nb-9重量％Mo的棒由PMTI，Inc.，Large，PA供給。鈮棒置于距纖維束中心線2.5mm的范圍內(nèi)。在20kHz時運行波導(dǎo)，在頂部有20微米的位移。用以1.5米/分鐘的速度運行的履帶式拉拔機(得自TulsaPower Products，Tulsa OK)通過熔融的鋁浴拉出纖維束。
滲有鋁的纖維束經(jīng)氮化硅出口模頭(內(nèi)徑為2.5mm，外徑為19mm，長度為12.7mm；得自Branson and Bratton Inc.，Burr Ridge，IL)離開坩鍋。離開熔融的鋁浴后，使用兩股氮氣流幫助電線冷卻。更具體地說，在帶有5個孔的側(cè)面上分別穿出兩個內(nèi)徑為4.8mm的帶有塞子的管?？椎闹睆綖?.27mm，沿30mm的長度相距6mm定位。氮氣以100升/分鐘的流速流過管，經(jīng)小的側(cè)孔離開。在各管上的第一個孔距出口模頭約50mm，距電線約6mm。放置各管，在電線的每一側(cè)上放置一個。然后將電線繞到卷筒上。經(jīng)感應(yīng)耦合等離子體分析測定，實施例1鋁基體的組成是0.03重量％Fe、0.02重量％Nb、0.03重量％Si、0.01重量％Zn、0.003重量％Cu和余量的Al。在制造電線時，鋁浴的氫含量約為0.07cm3/100gm鋁。
為實施例1制備10個直徑為2.5mm的鋁復(fù)合電線的卷筒。各卷筒繞有至少300米的電線；某些線圈繞有多至600米的電線。
按“彎曲強度試驗”，采用50.8mm的試驗間距測量電線的彎曲強度，所得的值為1.79GPa。測定電線的平均纖維含量為52體積％，采用公式6測定其模量為194GPa。然后按“電線耐久性試驗”，采用406mm的間距和38.1mm的偏移，對電線進行耐久性試驗。所有的10個電線線圈都通過電線耐久性試驗，沒有任何斷裂。
實施例2除了下述不同外，基本上按實施例1所述制備3個鋁復(fù)合電線的線圈，經(jīng)感應(yīng)耦合等離子體分析測定，實施例2鋁基體的組成是0.08重量％Si、0.03重量％Fe、0.02重量％Nb、0.01重量％Zn、0.002重量％Cr、0.003重量％Cu和余量的Al。各線圈的長度至少為300米，它們都通過“電線耐久性試驗”，沒有任何斷裂。
對比例A除了纖維束的直徑為2.0mm并且電線的纖維含量為45體積％外，基本上按PCT/US96/07286中實施例2所述的方法制備1個長度為100米的鋁基體復(fù)合電線線圈，所述專利申請的內(nèi)容在此參考引用。在制造電線時，確認鋁熔體的氫含量約為0.2-0.3cm3/100gm鋁。
按“彎曲強度試驗”，采用50.8mm的試驗間距測量電線的彎曲強度，所得的值為2.07GPa。采用公式6計算電線的模量為165GPa。然后按“電線耐久性試驗”，采用305mm的間距和40.6mm的偏移，對電線進行耐久性試驗。在此耐久性試驗的過程中，對比例A的電線在7米之后就發(fā)生斷裂，并且在54米之后再次發(fā)生斷裂。此時停止試驗，用掃描電子顯微鏡觀察在斷裂點處的破裂表面。在破裂表面上觀察到“干纖維”。
實施例3除了下面不同外，基本上按實施例1所述制備1個鋁復(fù)合電線的線圈。使用5個2,000特(g/1000米)碳化硅纖維[由Nippon Carbon Co.制造，并以商品名“NICALON CG GRADE”得自Dow Corning，Midland，MI(現(xiàn)在購自COI Ceramics，San Diego，CA)；在Dow Corning數(shù)據(jù)表中報道的纖維模量為220Gpa]的絲束代替鋁纖維。讓纖維束通過氧化鋁入口管(直徑為1.2mm，長度為25cm；其直徑與纖維束的直徑相匹配)進入真空室，在9托時對熱清洗過的碳化硅纖維束抽空。在真空室中通入氬氣，保持9托壓力。將角放置在距纖維束中心線0.6mm的范圍內(nèi)。用履帶式拉拔機以3.6米/分鐘的速度經(jīng)熔融的鋁浴拉出纖維束，滲過的纖維束經(jīng)內(nèi)徑為1mm的氮化硅出口模頭離開坩鍋。
所得450米長電線的直徑為1.08mm。按“彎曲強度試驗”，采用15.8mm的試驗間距測量電線的彎曲強度，所得的值為1.8GPa。測定電線的平均纖維含量為48體積％，采用公式6確定其模量為106GPa。然后按“電線耐久性試驗”，采用254mm的試驗間距和40.6mm的偏移，對電線進行耐久性試驗。電線通過電線耐久性試驗，沒有任何斷裂。
對比例B對比例B是得自Nippon Carbon Co.的300米長的鋁基體復(fù)合電線。據(jù)報道該電線是使用SiC纖維[先前以商品名“HI-NICALON”購自Dow Corning(現(xiàn)在購自COI Ceramics)]制成的。電線的纖維含量為52.5體積％。SiC(“HI-NICALON”)纖維的模量據(jù)報道為270GPa。電線的直徑為0.82mm。
按“彎曲強度試驗”，采用15.8mm的試驗間距測量電線的彎曲強度，所得的值為2.3GPa。采用公式6計算電線的模量為140GPa。然后采用254mm的間距和81mm的偏移，對電線進行耐久性試驗。在此耐久性試驗的過程中，對比例B的電線在6米之后就發(fā)生斷裂，并且在12米和15米之后分別再次發(fā)生斷裂。此時停止試驗，用掃描電子顯微鏡觀察在斷裂點處的破裂表面。在破裂表面上觀察到“干纖維”。
實施例4除了下面不同外，基本上按實施例1所述制備1個鋁復(fù)合電線的線圈。4個2000旦尼爾硅鋁硼酸鹽纖維(以商品名“NEXTEL 440”購自3M Company；～70重量％Al2O3，～28重量％SiO2，和～2重量％B2O3；在1996(98-0400-5207-2)產(chǎn)品小冊子中報道的楊氏模量為190GPa)的絲束。讓纖維束經(jīng)氧化鋁入口管進入真空室，在0.7托時對纖維抽空。將角放置在距纖維束中心線0.6mm的范圍內(nèi)。用履帶式拉拔機以4.5米/分鐘的速度經(jīng)熔融的鋁浴拉出纖維束，滲過的纖維束經(jīng)內(nèi)徑為1mm的氮化硅出口模頭離開坩鍋。
所得450米長電線的直徑為1.0mm。按“彎曲強度試驗”，采用15.8mm的試驗間距測量電線的彎曲強度，所得的值為0.75GPa。測定電線的平均纖維含量為40體積％，采用公式6確定其模量為76GPa。然后按“電線耐久性試驗”，采用254mm的間距和30mm的偏移，對電線進行耐久性試驗。電線的整個長度都通過電線耐久性試驗，沒有任何斷裂。
實施例5實施例5證實加工速度對復(fù)合電線性能的影響。除了電線的加工速度在1.5米/分鐘至4米/分鐘之間變化外，基本上按實施例1所述制備直徑為2.5mm的鋁基體復(fù)合電線。視在電線耐久性試驗中檢測到的斷裂的出現(xiàn)率，在給定速度下制成的電線的長度在20至30米之間變化。若電線不斷裂，則其長度至少為300米；否則制成足夠的電線以收集至少三次斷裂。此實施例表明，在速度低如1.5m/min和2.3m/min時，電線在電線耐久性試驗中在運行300米電線后不斷裂(即零斷裂)。在速度約為3.55m/min時，電線平均每隔6米斷裂一次。在速度為4m/min時，電線平均每隔1米斷裂一次。對于沒有通過電線耐久性試驗的樣品，進行試驗直到至少三次斷裂。用掃描電子顯微鏡觀察斷裂的破裂表面。在破裂表面上觀察到干纖維(即未滲透的纖維)。
實施例6實施例6證實電線的直徑和加工速度對復(fù)合電線性能的影響。除了電線的直徑在1mm至2.5mm之間變化并且電線的速度對于各電線直徑來說也發(fā)生變化外，基本上按實施例1所述制備鋁基體復(fù)合電線。
對于直徑為1mm的電線，以6.1m/min的速度對其加工，電線在300米的長度上通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。當(dāng)速度大于或等于約10m/min時，電線由于干纖維而發(fā)生斷裂。
對于直徑為2.5mm的電線，在2.3m/min的加工速度時，電線在300米的長度上通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。當(dāng)速度大于或等于約4m/min時，電線由于干纖維而發(fā)生斷裂。
實施例7實施例7證實真空、加工速度和電線直徑對加工速度的影響。除了真空在約1托至760托(大氣壓)之間變化外，基本上按實施例1所述制備鋁基體復(fù)合電線。
當(dāng)以2.3m/min的加工速度并在1托的真空下制造電線時，直徑為2.5mm的電線在300米的長度上通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。當(dāng)以2.3m/min的加工速度并在大氣壓(即760托)下制造電線時，直徑為2.5mm的電線始終在電線耐久性試驗中發(fā)生斷裂。用鋁不能完全滲透纖維束。速度降至小于0.1m/min，電線仍然不能被滲透。對于此直徑，真空能使直徑為2.5mm的電線滲透。
當(dāng)以6.1m/min的加工速度并在1托的真空下制造電線時，直徑為1mm的電線在300米的長度上通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。在3m/min的加工速度并且沒有真空(即760托)時，直徑為1mm的電線在300米的長度上通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。當(dāng)以6.1m/min的加工速度并且沒有真空(即760托)下制造電線時，直徑為1mm的電線始終在電線耐久性試驗中發(fā)生斷裂。
實施例8實施例8證實表面污染對復(fù)合電線性能的影響?；旧习磳嵤├?所述制備電線。以1.5m/min的速度讓纖維通過設(shè)置在1000℃的直徑為3cm、長度為0.3m的管爐，對其進行熱清洗。多根300米長的電線線圈通過電線耐久性試驗，即為零斷裂。
在熱清洗之前和之后，評價陶瓷纖維(“NEXTEL 610”)的表面化學(xué)性能。在1000℃加熱纖維12秒鐘，對其進行清洗。采用化學(xué)分析電子能譜(ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis)(ESCA)(也稱為X-射線光電子能譜(XPS))分析纖維。所用的ESCA設(shè)備以商品名“HP5950A”購自Hewlett-Packard of PaloAlto，CA。ESCA設(shè)備包括半球形的電子能量分析儀，它以恒定的能量通行方式進行操作。X-射線源是鋁K-α。探針角度是相對于分析儀校正透鏡軸而言測得的38°光電子起飛角度。使用軟件和儀器制造商提供的靈敏系數(shù)計算定量數(shù)據(jù)。加熱后的碳譜表明小于22％面積分數(shù)的碳在纖維上。
除了下述不同外，基本上按實施例1所述制備電線，在2cm段的纖維上噴射以商品名“CITRUS CLEANER”購自3M Company的清潔劑，在管爐后有目的地引入局部的碳污染。在引入表面污染的地方，電線在電線耐久性試驗中確實發(fā)生斷裂。
也使用用指紋玷污的纖維制備電線。這樣玷污的樣品的碳譜測得大于34％/面積分數(shù)。據(jù)認為，這種碳污染增加了接觸角并使?jié)B透損失。
實施例9此實施例證實熔體中氫的影響。除了在制造電線前不用氬氣使熔體至少脫氣24小時外，基本上按實施例1所述制備電線。電線的直徑為2.5mm，加工速度為2.3m/min。該電線在電線耐久性試驗中在300米的長度上至少斷裂三次。對破裂表面加以分析，盡管不想受理論束縛，但認為斷裂的原因是由于從氫氣產(chǎn)生了大量的空隙?？障兜闹睆郊s為0.5mm，長度為2-3mm或更長。在不按實施例1所述對熔體進行脫氣處理的情況下，典型的氫氣濃度約為0.3cm3/100g鋁。
除了在制造電線前用氬氣使熔體脫氣2小時外，基本上按實施例1所述制備電線。電線的直徑為2.5mm，加工速度為2.3m/min。電線通過電線耐久性試驗，沒有斷裂。在對熔體進行脫氣處理后，典型的氫氣濃度約為0.07-0.1cm3/100g鋁。
在不偏離本發(fā)明范圍和精神的情況下，對本發(fā)明所作的各種改進和改變對本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者來說是顯而易見的，并且應(yīng)明白的是本發(fā)明對在此所述例舉性的實施方案并不構(gòu)成不適當(dāng)?shù)南拗啤?br> 權(quán)利要求
1.一種金屬基體復(fù)合電線，它包含至少一根絲束，所述絲束包含多根在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維，其中纖維選自陶瓷纖維、碳纖維和它們的混合物，金屬基體的熔點不大于1100℃，電線的長度至少為300米，對于300米的電線，彎曲破裂值為零。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合電線，它包含多根含纖維的絲束。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中金屬基體的熔點不大于1000℃。
4.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中金屬基體的熔點不大于700℃。
5.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中金屬基體包含鋁、鋅、錫或它們的合金。
6.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中金屬基體包含鋁或它的合金。
7.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中以基體的總重量計，金屬基體包含至少98重量％的鋁。
8.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中至少約85％數(shù)量的纖維是基本上連續(xù)的。
9.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，以電線的總體積計，它包含至少約15體積％并且不大于約70體積％的纖維。
10.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中纖維是陶瓷纖維。
11.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中纖維是陶瓷氧化物纖維。
12.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中纖維是多晶α-氧化鋁基的纖維。
13.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，其中以各根纖維的金屬氧化物的總含量計，多晶α-氧化鋁基的纖維包含至少99重量％的Al2O3。
14.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，它的長度至少為600米，并且在600米的長度上，彎曲值為零。
15.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合電線，它的長度至少為900米，并且在900米的長度上，彎曲值為零。
16.一種電纜，它包含至少一根金屬基體復(fù)合電線，該電線包含至少一根絲束，所述絲束包含多根在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維，其中纖維選自陶瓷纖維、碳纖維和它們的混合物，金屬基體的熔點不大于1100℃，電線的長度至少為300米，對于300米的電線，彎曲破裂值為零。
17.如權(quán)利要求16所述的電纜，它包含多根含纖維的絲束。
18.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中金屬基體的熔點不大于1000℃。
19.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中金屬基體的熔點不大于700℃。
20.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中金屬基體包含鋁、鋅、錫或它們的合金。
21.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中金屬基體包含鋁或它的合金。
22.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中纖維是陶瓷纖維。
23.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中纖維是陶瓷氧化物纖維。
24.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中纖維是多晶α-氧化鋁基纖維。
25.如權(quán)利要求17所述的電纜，其中電線是螺旋形絞合的。
26.如權(quán)利要求25所述的電纜，它還包含多根次級電線。
27.如權(quán)利要求17所述的電纜，它包含芯和皮，其中芯包含復(fù)合電線，而皮包含次級電線。
28.一種制造金屬基體復(fù)合電線的方法，所述電線包含多根在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維，所述方法包括提供所含體積的熔融金屬基體材料，其中金屬基體材料的熔點不大于1100℃；將至少一根包含多根基本上連續(xù)纖維的絲束浸入所含體積的熔化的基體材料中，其中纖維選自陶瓷纖維、碳纖維和它們的混合物；提供超聲波能量，使至少一部分所含體積的熔融金屬基體材料振動，使至少一部分熔融的金屬基體材料滲入多根纖維中，從而獲得滲過的多根纖維；和在使熔融的金屬基體材料固化的條件下，從所含體積的熔融金屬基體材料中抽出滲過的多根纖維，獲得包含至少一根含多根纖維的絲束的金屬基體復(fù)合電線，其中纖維在金屬基體中是基本上連續(xù)、縱向排列的，金屬基體的熔點不大于1100℃，電線的長度至少為300米，對于300米的電線，彎曲破裂值為零。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，它包含多根含纖維的絲束。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中金屬基體的熔點不大于1000℃。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中金屬基體的熔點不大于700℃。
全文摘要
金屬基體復(fù)合電線(59)包括多根在金屬基體中的基本上連續(xù)、縱向排列的纖維(51)。當(dāng)按特定的試驗進行測試時，該電線在至少300米的長度上具有零斷裂。
文檔編號D07B1/06GK1441853SQ01812777
公開日2003年9月10日 申請日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月14日
發(fā)明者H·E·德福, M·W·卡彭特, C·麥卡洛, P·S·溫納 申請人:3M創(chuàng)新有限公司