電纜及其製造方法

2023-07-18 05:04:36

專利名稱：電纜及其製造方法
背景技術：
通常複合物(包括金屬基複合材料(MMCs))是已知的。複合物通常包括用纖維、微粒、晶須、或纖維(例如短纖維或長纖維)強化的基質。金屬基複合材料的例子包括鋁基複合金屬絲(例如嵌入碳化矽、碳、硼、或多晶的α氧化鋁纖維的鋁基質)、鈦基複合帶(例如嵌入碳化矽纖維的鈦基質)、以及銅基複合帶(例如，嵌入碳化矽或硼纖維的銅基質)。聚合物基複合物的例子包括在環氧樹脂基質中的碳或石墨纖維，在聚酯樹脂中的玻璃或聚芳基醯胺纖維，以及環氧樹脂中的碳以及玻璃纖維。
複合金屬絲(例如，金屬基複合金屬絲)的一種用途是作為裸露的高架電力輸送電纜的強化構件。一種對電纜的常見需求是由於對現有傳輸基礎結構的電力傳輸容量增加的需要而引起的。
對於高架的電力傳輸應用的電纜希望的性能要求包括耐腐蝕性、環境的耐久性(例如UV和溼氣)，高溫下耐強度損失，抗蠕變性，和比較高的彈性模數，低密度，低的熱膨脹係數，高導電性，以及高強度。雖然包括鋁基複合金屬絲在內的高架電力傳輸電纜是已知的，對於一些應用中仍存在相應要求，例如對於更希望的下垂性能。

發明內容
一方面，本發明提供電纜，包括具有熱膨脹係數的縱向芯，所述的芯包括至少一種芳族聚醯胺，陶瓷，硼，聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)，石墨，碳，鈦，鎢或形狀記憶合金；和聚集在一起的多個導線，其熱膨脹係數大於所述芯的熱膨脹係數，其中所述的多個導線包括至少一種鋁導線，銅導線，鋁合金導線，或銅合金導線，其中多個導線絞合在芯的周圍，其中電纜的應力參數不大於20MPa(在一些實施方式中，不大於19MPa，18MPa，17MPa，16MPA，15Pa，14MPa，13MPa，12MPa，11MPa，10MPa，9MPa，8MPa，7MPa，6MPa，5MPa，4MPa，3MPa，2MPa，1MPa，或甚至不大於0MPa；在一些實施方式中，為0MPa～20MPa，0Mpa～15MPa，0MPa～10MPa，或0Mpa～5MPa)，條件是如果所述縱向的芯包括金屬基複合導線，該芯獨立地包括(即不作為所述金屬基複合金屬絲的一部分)至少一種芳族聚醯胺，陶瓷，硼，聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)，石墨，碳，鈦，鎢，或形狀記憶合金。在某些實施方式中，多個導線的抗拉斷裂強度至少90為MPa，或甚至至少為100MPa(按照ASTM B557/B557M(1999)計算)。
一些實施方式中，所述芯包括至少一種芳族聚醯胺，陶瓷，硼，聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)，石墨，碳，鈦，鎢，或形狀記憶合金的纖維(通常是連續纖維)。一些實施方式中，所述芯包括複合物，所述複合物包括纖維和基質材料(例如，金屬和/或聚合材料)。
另一個方面中，本發明提供製造本發明的電纜的方法，所述方法包括圍繞縱向的芯絞合多個導線，其中多個導線包含至少一種鋁導線、銅導線、鋁合金線、或銅合金導線，所述芯包括至少一種芳族聚醯胺、陶瓷、硼、聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)、石墨、碳、鈦、鎢、或形狀記憶合金，以提供初步的絞合電纜；和使所述初步絞合的電纜經受閉式模具作用以得到電纜，其中所述的閉式模具有內徑，其中電纜具有外徑，且其中模具的內徑為電纜外部直徑的1.00～1.02倍。
本發明中，除非另作說明，下列術語如下定義″陶瓷″表示玻璃，晶體陶瓷，玻璃-陶瓷，和其組合。
″連續纖維″表示與纖維平均直徑相比長度是相對無限的纖維。通常這表示纖維的縱橫比(即纖維的長度與纖維平均直徑的比)為至少1×105(一些實施方式中，至少1×106，甚至至少1×107)。通常這樣的纖維的長度為至少50米級別的，和長度甚至可以為千米或以上的級別。
″形狀記憶合金″指進行Martensitic轉變的金屬合金，所述轉變使得該金屬合金在低於轉變溫度下由雙晶機理(twinning mechanism)是可變形的，其中在加熱到轉變溫度以上，雙晶結構恢復原來的位相時，這樣的變形是可恢復的。
根據本發明的電纜可用作例如電力輸送電纜。通常，本發明的電纜顯示出改善的下垂性能(即，減少下垂)。


圖1-5是本發明的電纜的示例性實施方式的橫截面示意圖。
圖6是根據本發明的用於將纖維浸滲入熔融金屬的示例性超聲浸滲裝置的示意圖。
圖7，7A，和7B是用於製備本發明的電纜的示例性絞合裝置的示意圖。
圖8是說明性的實施例的電纜下垂數據圖。
圖9是說明性的實施例和預示性實施例1的電纜下垂數據圖。
圖10是本發明的電纜的示例性實施方式的橫截面示意圖。
詳細說明本發明涉及電纜和製造電纜的方法。本發明的示例性電纜10的一個剖視圖見圖1。電纜10包括芯12和雙層的絞合圓線14，其中芯12包括導線16(如所示的複合導線)。
本發明的另一種示例性電纜20的剖視圖見圖2。電纜20包括芯22和三層絞合線24，其中芯22包括導線26(如所示的複合導線)。
本發明的另一種示例性電纜30的剖視圖見圖3。電纜30包括芯32和梯形的絞合線34，其中芯32包括導線36(如所示的複合導線)。
本發明的另一種示例性電纜40的剖視圖見圖4。電纜40包括芯42和絞合線44。
一些實施方式中，芯的縱向的熱膨脹係數在至少約-75℃～約450℃的溫度範圍內，為約5.5ppm/℃～約7.5ppm/℃。
組成所述芯的材料的例子包括，芳族聚醯胺，陶瓷，硼，聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)，石墨，碳，鈦，鎢，和/或形狀記憶合金。一些實施方式中，所述材料以纖維的形式(通常為連續絲)。一些實施方式中，包括芳族聚醯胺的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約200℃的溫度範圍內，為約-6ppm/℃～約0ppm/℃。一些實施方式中，包括陶瓷的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內為約3ppm/℃～約12ppm/℃。一些實施方式中，包括硼的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內，為約4ppm/℃～約6ppm/℃。一些實施方式中，包括聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)的芯的縱向熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內，為約-6ppm/℃～約0ppm/℃。一些實施方式中，包括石墨的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內，為約-2ppm/℃～約2ppm/℃。一些實施方式中，包括碳的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內，為約-2ppm/℃～約2ppm/℃。一些實施方式中，包括鈦的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約800℃的溫度範圍內，為約10ppm/℃～約20ppm/℃。一些實施方式中，包括鎢的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～1000℃的溫度範圍內，為約8ppm/℃～約18ppm/℃。一些實施方式中，包括形狀記憶合金的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約1000℃的溫度範圍內，為約8ppm/℃～約25ppm/℃。一些實施方式中，包括玻璃的芯的縱向的熱膨脹係數在至少約20℃～約600℃的溫度範圍內，為約4ppm/℃～約10ppm/℃。
用於芯的纖維的例子包括聚芳基醯胺纖維，陶瓷纖維，硼纖維，聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)纖維，石墨纖維，碳纖維，鈦纖維，鎢纖維，和/或形狀記憶合金纖維。
示例性硼纖維是可商業得到的，例如從Lowell，MA的TextronSpecialty Fibers，Inc.。通常，這些纖維的長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的硼纖維的纖維平均直徑為約80微米～約200微米。更通常，纖維平均直徑不大於150微米，最通常為95微米～145微米。一些實施方式中，硼纖維的平均抗拉強度為至少3GPa，或甚至至少3.5GPa。一些實施方式中，硼纖維的模量為約350GPa～約450GPa，或甚至為約350GPa～約400GPa。
一些實施方式中，陶瓷纖維的平均抗拉強度為至少1.5GPa，2GPa，3GPa，4GPa，5GPa，6GPa，或甚至至少6.5GPa。一些實施方式中，陶瓷纖維的模量為140GPa～約500GPa，或甚至為140GPa～約450GPa。
示例性碳纖維是市場上有售的，例如由Alpharetta，GA的AmocoChemicals，以商標″THORNEL CARBON″，以2000，4000，5,000，和12,000的纖維束，Stamford，CT的Hexcel Corporation，由Sacramento，CA的Grafil，Inc.(Mitsubishi Rayon Co.的子公司)以商標″PYROFIL″，Tokyo，Japan的Toray，以商標″TORAYCA″，Toho Rayon of Japan，Ltd.以商標″BESFIGHT″，St.Louis，-MO的Zoltek Corporation以商標″PANEX″和″PYRON″，和Wyckoff，NJ的Inco Special Products(塗覆鎳的碳纖維)，以商標″12K20″和″12k50″出售的那些。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的碳纖維的纖維平均直徑為約4微米～約12微米，約4.5微米～約12微米，甚至約5微米～約10微米。一些實施方式中，碳纖維的平均抗拉強度為至少1.4GPa，至少2.1GPa，至少3.5GPa，或甚至至少5.5GPa。一些實施方式中，所述碳纖維的模量大於150GPa～不大於450GPa，或甚至不大於400GPa。
示例性石墨纖維是市場有售的，例如，由Alpharetta，GA的BPAmoco，以商標″T-300″，以1000，3000，和6000的纖維束銷售。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的石墨纖維的纖維平均直徑為約4微米～約12微米，約4.5微米～約12微米，甚至約5微米～約10微米。一些實施方式中，石墨纖維的平均抗拉強度為至少1.5GPa，至少2GPa，至少3GPa，或甚至至少4GPa。一些實施方式中，所述石墨纖維的模量為約200Gpa～約1200GPa，或甚至約200GPa～約1000GPa。
示例性鈦纖維，例如可由TIMET，Henderson，NV得到。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的鈦纖維的纖維平均直徑為50微米～約250微米。一些實施方式中，所述鈦纖維的平均抗拉強度為至少0.7GPa，1GPa，1.5GPa，2GPa，或甚至至少2.1GPa。一些實施方式中，所述陶瓷纖維的模量為約85Gpa～約100GPa，或甚至約85～約95GPa。
示例性鎢纖維，例如可從California Fine Wire Company，GroverBeach，CA得到。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，所述連續的鎢纖維的纖維平均直徑為約100微米～約500微米，約150微米～約500微米，或甚至約200微米～約400微米。一些實施方式中，所述鎢纖維的平均抗拉強度為至少0.7GPa，1GPa，1.5GPa，2GPa，或甚至至少2.3GPa。一些實施方式中，所述鎢纖維的模量大於400GPa～約不大於420GPa，或甚至不大於415GPa。
示例性的形狀記憶合金纖維例如可從Johnson Matthey，WestWhiteland，PA得到。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，所述連續的形狀記憶合金纖維的纖維平均直徑為約50微米～約400微米，約50～約350微米，或甚至約100微米～約300微米。一些實施方式中，形狀記憶合金纖維的平均抗拉強度為至少0.5GPa，或甚至至少1GPa。一些實施方式中，所述形狀記憶合金纖維的模量為約20GPa～約100GPa，或甚至約20GPa～約90GPa。
示例性聚芳基醯胺纖維例如可從DuPont，Wilmington，DE以商標″KEVLAR″得到。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的聚芳基醯胺纖維的纖維平均直徑為10微米～約15微米。一些實施方式中，聚芳基醯胺纖維的平均抗拉強度為至少2.5GPa，3GPa，3.5GPa，4GPa，或甚至至少4.5GPa。一些實施方式中，所述聚芳基醯胺纖維的模量為約80GPa～約200GPa，或甚至約80GPa～約180GPa。
示例性的聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)纖維，例如可從ToyoboCo.，Osaka，Japan以商標″ZYLON″得到。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)纖維的纖維平均直徑為8微米～約15微米。一些實施方式中，所述聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)纖維的平均抗拉強度為至少3GPa，4GPa，5GPa，6GPa，或甚至至少7GPa。一些實施方式中，所述聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)纖維的模量為約150GPa～約300GPa，或甚至約150～約275GPa。
陶瓷纖維的例子包括金屬氧化物(例如氧化鋁)纖維，氮化硼纖維，碳化矽纖維，和任何這些纖維的組合。通常，氧化陶瓷纖維是結晶陶瓷和/或結晶陶瓷和玻璃的混合物(即纖維可含有結晶陶瓷和玻璃兩相)。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，所述連續的陶瓷纖維的纖維平均直徑為約5微米～約50微米，約5微米～約25微米，約8微米～約25微米，或甚至約8微米～約20微米。一些實施方式中，結晶陶瓷纖維的平均抗拉強度為至少1.4GPa，至少1.7GPa，至少2.1GPa，或甚至至少2.8GPa。一些實施方式中，所述結晶陶瓷纖維的模量大於70GPa～約不大於1000GPa，或甚至不大於420GPa。
單絲陶瓷纖維的例子包括碳化矽纖維。通常，碳化矽單絲纖維是結晶陶瓷和/或結晶陶瓷和玻璃的混合物(即纖維可含有結晶陶瓷和玻璃兩相)。通常，這些纖維長度在至少50米的級別，和長度甚至可以在千米或以上的級別。通常，連續的碳化矽單絲纖維的纖維平均直徑為100微米～約250微米。一些實施方式中，結晶陶瓷纖維的平均抗拉強度為至少2.8GPa，至少3.5GPa，至少4.2GPa，或甚至至少6GPa。一些實施方式中，所述結晶陶瓷纖維的模量大於250GPa～約不大於500GPa，或甚至不大於430GPa。
另外，示例性玻璃纖維例如可從Corning Glass，Corning，NY得到。通常，連續玻璃纖維的纖維平均直徑為3微米～約19微米。一些實施方式中，玻璃纖維的平均抗拉強度為至少3GPa，4GPa，或甚至至少5GPa。一些實施方式中，玻璃纖維的模量為約60GPa～95GPa，或約60～約90GPa。
一些實施方式中陶瓷和碳纖維是以束的形式。束在纖維領域是已知的，表示多個(單獨的)纖維(通常至少100個纖維，更通常至少400個纖維)以粗紗狀的形式集中在一起。一些實施方式中，束包括每束至少780單根纖維，和有時，每束至少2600個單根纖維。可以得到各種長度的陶瓷纖維束，包括300米，500米，750米，1000米，1500米，1750米，和更長的。纖維的橫截面形狀可是圓形的或橢圓的。一些碳纖維的實施方式中，束包括每束至少2,000，5,000，12,000，或甚至至少50,000單根纖維。
氧化鋁纖維例如記載在美國專利4,954,462(Wood等人)和5,185,29(Wood等人)。一些實施方式中，氧化鋁纖維是多晶的α氧化鋁纖維，和在理論的氧化物基礎上，基於氧化鋁纖維的總重量，包括大於99wt％的Al2O3和0.2-0.5wt％的SiO2。另一個方面中，一些希望的多晶的α氧化鋁纖維，包括平均粒度小於1微米(或甚至一些實施方式中小於0.5微米)的α氧化鋁。另一個方面中，一些實施方式中，多晶的α氧化鋁纖維的平均抗拉強度為至少1.6GPa(一些實施方式中，至少2.1GPa，或甚至，至少2.8GPa)。示例性的α氧化鋁纖維由3MCompany，St.Paul，MN.以商標″NEXTEL 610″銷售。
鋁矽酸鹽纖維記載在例如美國專利4,047,965(Karst等人)中。示例性鋁矽酸鹽纖維由3M Company of St.Paul，MN.以商標″NEXTEL440″，″NEXTEL 550″，和″NEXTEL 720″銷售。
鋁硼矽酸鹽纖維記載在例如美國專利3,795,524(Sowman)中。示例性鋁硼矽酸鹽纖維由3M Company.以商標″NEXTEL 312″銷售。
氮化硼纖維可例如，如美國專利3,429,722(Economy)和5,780,154(Okano等人)所述製備。
示例性碳化矽纖維，例如由San Diego，CA的COI Ceramics以商標″NICALON″，以500纖維束，由Japan的Ube Industries，以商標″TYRANNO″，和由Midland，MI的Dow Corning以商標″SYLRAMIC″銷售。
示例性碳化矽單絲纖維例如由Lowell，MA的Textron SpecialtyMaterials以商標″SCS-9″，″SCS-6″和″Ulra-SCS″，和由Gainesville，VA的Atlantic Research Corporation以商標″Trimarc″銷售。
可商業得到的纖維通常包括在製造期間加入纖維的有機膠料，以提供潤滑性能和在處理期間保護保護纖維束。所述膠料，在與聚合物的拉擠成型期間可有助於處理，以製備聚合物複合芯導線。所述膠料可以例如，通過從所述纖維溶解或燃燒掉膠料而除去。通常，希望在形成金屬基複合導線以前除去膠料。
纖維可具有塗層，例如，以提高纖維的潤溼性，以減少或防止纖維和熔融金屬基材料之間的反應。提供這些塗層的這類塗料和方法，在纖維和複合物技術領域中是已知的。
一些實施方式中，芯中的至少85％(一些實施方式中，至少90％，或甚至至少95％)數目的纖維是連續的。
用於複合芯和導線的示例性基質材料包括聚合物(例如，環氧樹脂，酯，乙烯基酯，聚醯亞胺，聚酯，氰酸鹽酯，酚樹脂，雙馬來醯亞胺樹脂和熱塑性樹脂)，和金屬(例如高純的(例如大於99.95％)的鋁元素或純鋁與其他的元素的合金，比如銅)。通常，金屬基材料的選擇應使得該基質材料不與纖維明顯發生化學反應(即對於纖維材料是相對化學惰性的)，例如，以避免在纖維外部上提供防護層的需要。示例性金屬基材料包括鋁，鋅，錫，鎂，和其合金(例如鋁和銅的合金)。一些實施方式中，希望基質材料包括鋁和其合金。
一些實施方式中，金屬基質包括至少98wt％的鋁，至少99wt％的鋁，大於99.9wt％的鋁，或甚至大於99.95wt％的鋁。示例性鋁和銅的鋁合金包括至少98wt％的鋁和高達2wt％的銅。一些實施方式中，有用的合金是1000，2000，3000，4000，5000，6000，7000和/或8000系列鋁合金(Aluminum Association指定)。儘管往往對於製備高抗張強度導線希望更高純度的金屬，較低純度形式的金屬也可使用。
適當的金屬是可商業得到的。例如，以品名為″SUPER PUREALUMINUM；99.99％ Al″從Pittsburgh，PA.的Alcoa得到的鋁。鋁合金(例如，鋁-2wt％銅(0.03wt％雜質))可以，例如，從New York NY.的Belmont Metals得到。鋅和錫，例如可從Metal Services，St.Paul，MN(″純鋅″；99.999％純度和″純錫″；99.95％純度)得到。例如，鎂以品名″PURE″從Magnesium Elektron，Manchester，England得到。鎂合金(例如，WE43A，EZ33A，AZ81A，和ZE41A)可以例如從TBVIET，Denver，CO.得到。
基於纖維和基質材料的總合體積計，複合芯和導線通常包括至少15體積百分數(一些實施方式中至少20，25，30，35，40，45，或甚至50體積百分數)的纖維。基於纖維和基質材料的總合體積計，更通常複合芯和導線包括40～75(一些實施方式中，45～70)體積百分數的纖維。
通常芯的平均直徑是約1毫米～約15毫米。一些實施方式中，希望芯的平均直徑至少是1毫米，至少2毫米，或甚至高達約3毫米。通常複合導線的平均直徑是約1毫米～12毫米，1毫米～10毫米，1～8毫米，或甚至1毫米～4毫米。一些實施方式中，希望複合導線的平均直徑至少是1毫米，至少1.5毫米，2毫米，3毫米，4毫米，5毫米，6毫米，7毫米，8毫米，9毫米，10毫米，11毫米，或甚至至少12毫米。
複合芯和導線可使用現有技術已知的方法製備。例如可通過連續的金屬基質浸滲方法製備連續的金屬基複合導線。一種適當的方法記載於例如美國專利6,485,796(Carpenter等人)中。可以通過現有技術已知的拉擠成型方法製備包括聚合物和纖維的導線。
用於製備連續的金屬基導線的一個示例性裝置60的示意圖見圖6。連續纖維束61從供應線軸62供應，並校準成環狀束和纖維，在熱清洗的同時通過管式爐63。然後在進入含有熔融金屬基材料65(本發明也稱為「熔融金屬」)的坩堝67以前，將纖維束61在真空室64中抽真空。通過引出裝置(caterpuller)70將纖維束61從供應線軸62拉出。超聲波探頭66位於在纖維鄰近的熔融體65中，以幫助熔融體65浸滲入纖維束61。儘管一些冷卻可發生在導線71完全離開坩堝67以前，導線71的熔融金屬通過出口模68從坩堝67中出來之後冷卻並固化。通過經由冷卻裝置69傳送的衝擊導線71的氣體或液體流，可增強導線71的冷卻。導線71收集到線軸72上。
正如以上的討論，熱清洗纖維有助於除去或減少膠料，吸附的水，及可以存在於纖維表面上的其它不穩定的或揮發性的材料的量。通常，希望將纖維熱清洗至纖維表面上的碳含量小於22％區域份數。通常，管式爐63的溫度至少為300℃，更通常，至少為1000℃，且儘管具體的溫度和時間可基於，例如所用的具體纖維的清洗需要而定，纖維在該溫度下至少駐留於管式爐63內幾秒。
在一些實施方式中，纖維束61在進入熔融體67之前被抽真空，已經發現使用這種抽真空可以降低或消除缺陷的形成，例如局部區域的幹纖維(即沒有滲入基質的纖維區域)。通常，纖維束61在一些實施方式中的真空中抽真空到，不大於20託，不大於10託，不大於1託，或甚至不大於0.7託。
示例性的適當的真空系統64具有尺寸與纖維束61束的直徑相配的入口管。入口管可以例如為不鏽鋼或氧化鋁管，且通常至少約20-30釐米長。適當的真空室64通常直徑為約2-20釐米，長度為約5-100釐米。真空泵的功率，在一些實施方式中，至少約0.2-1立方米/分鐘。抽真空的纖維束61經由真空系統64上的插入金屬浴的管插入熔融體65(即被引入熔融體65的時候，該抽真空的纖維束61束處於真空狀態)，儘管熔融體65通常處於大氣壓力下。出口管的內徑基本上與纖維束61束的直徑相配。部分出口管浸於熔融金屬中。在一些實施方式中，約0.5-5釐米的管浸於熔融金屬中。選擇在熔融金屬材料中穩定的管。通常適當的管的例子包括氮化矽和氧化鋁管。
通常通過利用超聲波來提高熔融金屬對纖維束61束的浸滲。例如，將振動探頭66位於熔融金屬65中，使得其非常接近於纖維束61束。
在一些實施方式中，使振動探頭66以約19.5-20.5kHz和在空氣中約0.13-0.38毫米(0.005-0.015英寸)的振幅振動。另外，在一些實施方式中，將振動探頭連接到鈦波導管上，其反過來連接到超聲換能器(例如從Sonics Materials，Danbury CT得到)上。
在一些實施方式中，纖維束61束在探頭頂部的約2.5毫米之內(在一些實施方式中約1.5毫米之內)。在一些實施方式中，探頭頂部由鈮，或鈮合金，比如95wt.％Nb-5wt.％ Mo和91wt.％Nb-9wt.％ Mo製成，並且可以例如從PMTI，Pittsburgh，PA.得到。合金可以製成例如，長度12.7釐米(5英寸)和直徑為2.5釐米(1英寸)的圓筒。通過改變其長度，可以將圓筒調到需要的振動頻率(例如，約19.5-20.5kHz)。對於關於使用超聲波製備金屬基複合製品的另外的細節，參見，例如美國專利4,649,060(Ishikawa等人)，4,779,563(Ishikawa等人)，和4,877,643(Ishikawa等人)，6,180,232(McCullough等人)，6,245,425(McCullough等人)，6,336,495(McCullough等人)，6,329,056(Deve等人)，6,344,270(McCullough等人)，6,447,927(McCullough等人)，6,460,597(McCullough等人)，6,485,796(Carpenter等人)，和6,544,645(McCullough等人)；2000年7月14日提交的美國申請09/616,741，和2002年1月24日公開的，公開號為WO02/06550的PCT申請。
通常，熔融金屬65是脫氣的(例如，在浸滲期間和/或之前，降低溶於熔融金屬65中的氣體的量(例如，鋁中的氫))。熔融金屬65的脫氣方法是在金屬加工技術領域中熟知的。熔融體65的脫氣往往可降低導線中的氣體孔隙率。對於熔融鋁，在一些實施方式中熔融體65的氫濃度小於約0.2，0.15，或甚至小於約0.1cm3/100克鋁。
設置出口模68是為提供需要的導線直徑。通常，希望沿其長度為均勻的圓線。例如，用於含有58vol％氧化鋁纖維的鋁複合導線的氮化矽出口模的直徑與導線71的直徑相同。在一些實施方式中，希望出口模68由氮化矽製成，儘管也可使用其他的材料。本領域中用於出口模的其他的材料包括常規的氧化鋁。然而，申請人已經發現，氮化矽出口模的磨損明顯地小於常規的氧化鋁模，由此對於提供需要的直徑和形狀的導線是更有用的，尤其是相對更長長度的導線。
通常，導線71在離開出口模68之後，通過使其與經由冷卻裝置69傳送的液體(例如，水)或氣體(例如，氮氣，氬氣，或空氣)接觸而冷卻導線71。這些冷卻有助於提供希望的圓形和均勻特性，和避免空隙。導線71收集在線軸72上。
眾所周知，金屬基複合導線中缺陷的存在，比如金屬間相；幹纖維；例如由收縮或內部氣體(例如氫或水汽)空隙導致的孔隙度等，可導致性能降低，比如導線強度。因此，希望減少或最小化這些特徵的存在。
對於包括導線的芯，在一些實施方式中希望使導線保持在一起，例如，通過具有或者不具有粘合劑或粘結劑的帶材進行外包裹(參見，例如美國專利6,559,385 B1(Johnson等人))。例如，本發明的另一種具有帶材包裹的芯的示例性電纜的剖視圖見圖5。電纜50包括芯52和雙層絞合線54，其中芯52包括用帶材55包裹的導線56(如所示的複合導線)。例如，可使用現有技術已知的方法，通過在中心導線的周圍絞合(例如，成螺旋形纏繞)第一層導線製備芯。通常，成螺旋形絞合的芯往往包括少至7個單獨的導線到50個或更多的導線。絞合裝置是現有技術已知的(例如，行星式電纜扭絞機比如得自Bergamo，Italy的Cortinovis，Spa的那些，和得自Watson Machinery International，Patterson，NJ的那些)。在被成螺旋形共同纏繞之前，將單獨的導線提供到分離的線軸上，其然後被放入多個電機驅動的絞合裝置滑架中。通常，成品絞合電纜的每個層具有一個滑架。各層的導線在各個滑架的出口聚集，並且在第一中心導線或在之前的層上排列。在所述電纜的絞合過程期間，通過各種滑架的中心拉出中心金屬線，或中間的未完成的、仍將會有纏繞於其上的一個或多個附加層的絞合電纜，每個滑架在絞合電纜上加入一層。作為一層加入的單獨的導線從它們各自的線軸同時被拉出，同時通過電機驅動的滑架被旋轉繞在電纜的中心軸上。對於每個所需的層依次進行。可以例如將帶材施加到得到的絞合芯上，以有助於將絞合線保持在一起。一種示例性的施加帶材的機器是可從Watson Machine International商業得到的(例如，型號300的Concentric Taping Head)。示例性帶材包括金屬箔帶材(例如，鋁箔帶材(例如從3M Company，St Paul，MN以商標″Foil/Glass Cloth Tape 363″)得到)，聚酯背襯的帶材；和玻璃加固背襯的帶材。在一些實施方式中，帶材的厚度為0.05毫米～0.13毫米(0.002～0.005英寸)。
在一些實施方式中，包裹帶材，使得每個連續的包裹鄰接以前的包裹，而無間隙和重疊。在一些實施方式中，例如，可以包裹帶材使得連續的包裹是間隔的，以在每個包裹之間留下間隙。
芯，複合導線，電纜等的長度，為至少100米，為至少200米，為至少300米，至少400米，至少500米，至少600米，至少700米，至少800米，或甚至至少900米。
用於圍繞芯絞合以提供本發明電纜的導線是現有技術中已知的。鋁導線是可商業得到的，例如從Nexans，Weyburn，Canada或SouthwireCompany，Carrolton，GA以商標″1350-H19 ALUMINUM″和″1350-H0ALUMINUM″得到。通常，鋁導線的熱膨脹係數在至少約20℃～約500℃的溫度範圍內，為約20ppm/℃～約25ppm/℃。在一些實施方式中，鋁導線(例如，″1350-H19鋁″)具有的抗拉斷裂強度為至少138MPa(20ksi)，至少158Mpa(23ksi)，至少172Mpa(25ksi)或至少186Mpa(27ksi)或至少200Mpa(29ksi)。在一些實施方式中，鋁導線(例如，″1350-H0 ALUMINUM″)的抗拉斷裂強度為大於41MPa(6ksi)～不大於97MPa(14ksi)，或甚至不大於83MPa(12ksi)。鋁合金導線是可商業得到的，例如從Sumitomo Electric Industries，Osaka，Japan以商標″ZTAL″，或從Southwire Company，Carrolton，GA以品名″6201″得到。在一些實施方式中，鋁合金導線的熱膨脹係數在至少約20℃～約500℃的溫度範圍內，為約20ppm/℃～約25ppm/℃。銅導線是可商業得到的，例如從Southwire Company，Carrolton，GA.。通常，銅導線的熱膨脹係數在至少約20℃～約800℃的溫度範圍內，為約12ppm/℃～約18ppm/℃。銅合金導線(例如，銅青銅比如Cu-Si-X，Cu-Al-X，Cu-Sn-X，Cu-Cd；其中X＝Fe，Mn，Zn，Sn和或Si；例如從Southwire Company，Carrolton，GA.可商業得到；氧化物分散強化的銅例如從OMG Americas Corporation，Reasearch Triangle Park，NC以名稱″GLIDCOP″得到)。在一些實施方式中，銅合金導線的熱膨脹係數在至少約20℃～800℃的溫度範圍內，為約10ppm/℃～約25ppm/℃。所述導線可以以任何的各種形狀(例如，環狀的，橢圓的，和梯形的)。
通常，可通過在芯上鉸合導線製備本發明的電纜。所述的芯可包括，例如單線，或絞合線(例如成螺旋形纏繞的導線)。在一些實施方式中，例如為7，19或37個導線。製備本發明的電纜的示例性裝置80見圖7，7A和7B。在常規的行星式絞合機的端部設置芯材料的線軸81，其中線軸81自由地旋轉，通過制動系統能施加應力，在所述制動系統中應力可以在放線期間施加到所述芯上(在一些實施方式中，為0-91kg(0-200lbs.))。芯90通過線軸滑架82，83，通過閉式模具84，85，繞過絞盤輪86連接到卷帶軸87。
在應用外部絞合層之前，將單獨的導線提供到分離的線軸88上，所述線軸置於所述絞合裝置的若干個電機驅動的滑架82，83中。在一些實施方式中，將導線89A，89B從線軸88拉出所需的應力通常為4.5-22.7kg(10-50lbs.)。通常，成品絞合電纜的各層均具有一個滑架。在每個滑架的出口，各層的導線89A，89B在閉式模具84，85處匯集，並在中心金屬線之上或在以前的層之上排列。在相反的方向成螺旋形絞合所述層，使得外層得到右轉扭絞。在所述電纜的絞合過程期間，通過不同滑架的中心拉出中心金屬線，或中間的未完成的、將仍有纏繞於其上的一個或多個附加層的絞合電纜，每個滑架在絞合電纜上加入一層。從它們各自的線軸同時拉出作為一層加入的獨立導線，同時將其通過電機驅動的滑架旋轉纏繞在電纜的中心軸上。對於所需的各層依次進行該步驟。結果得到成螺旋形絞合的電纜91，其可以切割和方便地處理而不會有損其形狀或散開。
該處理絞合電纜的能力是希望的特徵。儘管不希望限於理論，因為在製造期間，所述的金屬導線經受的應力--包括彎曲應力作用--超過了導線材料的屈服應力，但是低於極限應力或破壞應力，所以所述的電纜可保持其螺旋形絞合結構。當導線繞中心導線或之前的層的相對小的半徑成螺旋形纏繞時，賦予該應力。在閉合模具84，85上施加另外的應力，所述的模具在製造期間對電纜施加徑向力和剪切力。從而導線可發生塑性變形，並保持它們的螺旋形絞合形狀。
通過閉式模具，使給定層的芯材料和導線緊密接觸。參照圖7A和7B，通常這樣設計閉合模具84A，85A的尺寸，使其能夠最小化纏繞層的導線的變形應力。將閉式模具的內徑設計為適合於外層直徑的大小。為最小化層的導線上的應力，這樣設計閉式模的尺寸，使得其比電纜的外徑大0-2.0％(即模內徑是電纜外徑的1.00到1.02倍)。圖7A和7B所示的示例性閉合模具是圓筒，並例如通過使用螺栓或其他的適當的連接方法，將其保持在適當的位置。所述模具可例如由硬化的工具鋼製備。
如果需要，可使得到的成品電纜通過其他的絞合站，並最終纏繞到具有足夠的直徑以避免電纜損傷的卷帶軸87上。在一些實施方式中，可能希望使用現有技術已知的矯直電纜的方法。例如，成品電纜可以通過矯直機設備，該設備由線性地分兩排排列的輥(每個輥例如為，10-15釐米(4-6英寸))組成，其中例如每排中具有5-9個輥。可以改變兩排輥之間的距離使得輥剛好碰到電纜，否則導致電纜嚴重的彎曲。兩排輥位於電纜的相對側，其中一排中的輥與由其他的排中相對的輥所產生的間隔相匹配。這樣所述的兩排可以彼此補償。在電纜通過矯直裝置時，該電纜在輥上來回彎曲，使得傳導體中的絞合線拉伸到相同的長度，從而減少或消除絞合線的鬆弛。
在一些實施方式中，為便於提供應力參數小於零的電纜，希望能在高於環境溫度(例如22℃)的高溫(例如，至少25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，200℃，250℃，300℃，400℃，或甚至在一些實施方式中，至少500℃)下提供芯。所述的芯可以加熱到需要的溫度，例如通過加熱線軸芯(例如將芯置於烘箱內的金屬(例如鋼)上幾個小時)。將加熱的線軸芯置於絞合機的放線線軸(參見，例如圖7的放線線軸81)上。希望高溫線軸在絞合工藝中的同時，所述的芯仍處在或接近所需的溫度(通常在約2小時之內)。另外可能希望形成電纜外層的、放線線軸上的導線保持在環境溫度。即，希望在絞合工藝期間，所述的芯與形成外層的導線之間存在溫差。
在一些實施方式中，希望在至少100kg，200kg，500kg，1000kg，或甚至至少5000kg的芯應力下進行絞合。
在本發明電纜的一些實施方式中(例如應力參數小於零的電纜)，希望能將絞合到芯周圍的導線保持在一起，例如通過具有或者不具有粘合劑或粘結劑的帶材包裹。例如，本發明另一種示例性電纜的剖視圖110見圖10。電纜110包括具有導線芯116的芯112和雙層絞合線114，其中電纜110包裹有帶材118。例如，可以將帶材施加到得到的絞合電纜，以有助於將絞合線保持在一起。在一些實施方式中，使用常規的纏繞設備用膠帶包裹電纜。施加帶材的一種示例性機器是可從Watson Machine International商業得到的(例如，型號300 ConcentricTaping Head)。示例性的帶材包括金屬箔帶材(例如，鋁箔帶材(例如從3M Company，St Paul，MN以商標″Foil/Glass Cloth Tape 363″)得到的)，聚酯背襯帶材；和玻璃加固背襯的帶材。在一些實施方式中，帶材的厚度為0.05毫米～0.13毫米(0.002～0.005英寸)。
在一些實施方式中，包裹帶材使得每個連續的包裹與之前的重疊。在一些實施方式中，包裹帶材使得每個連續的包裹與以前的包裹鄰接而無間隙和重疊。在一些實施方式中，例如，可以包裹帶材以使得連續的包裹是間隔的，以在各包裹之間留下間隙。
在一些實施方式中，在在絞合工藝期間，在電纜處於應力的同時包裹電纜。參照圖7，例如，纏繞設備將位於最後的閉式模具85和成品捲筒86之間。
測定下垂的方法選擇傳導體的長度為30-300米，末端是常規的環氧樹脂接頭，確保該層基本上保持相同的相對位置，如同製造狀態一樣。外部導線延伸穿過環氧樹脂接頭並從另一側出來，然後重構以使得可以利用常規的終端連接器能連通AC電源。環氧樹脂接頭澆鑄在鋁粗鋅插座中，所述插座其連接到用於保持應力的螺旋扣上。在一側，將測力計連接到螺絲扣上，然後在兩端將該螺旋扣連接到拉眼。所述拉眼連接到大的混凝土柱上，其足夠大以最小化在應力作用下的該體系的端部偏移。對於該試驗，把應力拉到傳導體標定斷裂強度的10～30％的值範圍。使用九個熱電偶，在沿傳導體長度的三個位置測量溫度(在總的(到拉眼到拉眼)間隔的1/4，1/2和3/4位置處)。在各個位置，所述的三個熱電偶位於傳導體內三個不同的徑向位置；在外部導線絞合線之間，在內部導線絞合線之間，和鄰近於(即接觸)外部芯導線的位置。使用拉線電位計(得自SpaceAge Control，Inc Palmdale，CA)，在沿傳導體長度的三個位置(間隔距離的1/4，1/2和3/4處)測量下垂值。設置在這些位置是為了測量三個位置的垂直位移。將AC電流施加到傳導體，以使溫度增加到希望值。傳導體的溫度從室溫(約20℃(68))上升到約240℃(464)，上升速度為60-120℃/分鐘(140-248/分鐘)。所有熱電偶的最高溫度被用作對照。
在從室溫(約20℃(68))到約240℃(464)之間一度間隔的各種溫度下，使用下式計算傳導體(Sagtotal)的下垂值Sagtotal=Sag1/2-(Sag1/4+Sag3/42)---(1)]]>其中Sag1/2＝在傳導體間距的1/2距離處測量的下垂Sag1/4＝在傳導體間距的1/4距離處測量的下垂Sag3/4＝在傳導體間距的3/4距離處測量的下垂有效的″內部間隔″長度是1/4和3/4位置之間的水平距離。這些是用於計算下垂的間隔長度。
應力參數的推導測量的下垂和溫度數據以下垂相對於溫度作圖。使用AlcoaFujikura Ltd.Greenville，SC的商標為″SAG10″(版本3.0更新3.9.7)的軟體程序中可得到的Alcoa Sag10圖解法，擬合計算曲線和測量數據。在″SAG10″中以″嵌入的鋁應力″標註的應力參數是擬合參數，如果使用鋁以外的材料(例如鋁合金)，所述應力參數可以改變以擬合其他參數，並且所述應力參數調節預示圖表上膝點的位置以及在高溫下的後膝點區域的下垂量。應力參數理論的說明提供在Alcoa Sag10 UsersManual(Version 2.0)Theory of Compressive Stress in Aluminum ofACSR。需要將以下的傳導體參數輸入Sag10軟體；面積，直徑，單位長度重量和標定斷裂強度。需要將以下的線負荷條件輸入Sag10軟體；間隔長度，在室溫下(20-25℃)的初始張力。需要將以下的參數輸入Sag10軟體以執行壓縮應力計算插入導線應力，導線面積(作為總面積的份數)，傳導體中導線層的個數，傳導體中絞線股數，芯絞合線的個數，各導線層的絞合層係數。需要將表(見下表1)中的應力-應變係數輸入″SAG10″軟體。
表1

也指定參數TREF，其是參考係數的溫度。
應力-應變曲線多項式的定義首先五個數值A0-A4是第4級多項式的係數，其表示初始的導線曲線乘以面積比AWireAtotalInitialWire=A0+A1+A22+A33+A44---(2)]]>AF是導線的最終模量AWireAtotalFinalWire=AF---(3)]]>其中ε是以％表示的傳導體伸長，σ是以psi表示的應力B0-B4是第4級多項式的係數，其表示導線最後10年的蠕變曲線乘以面積比
AWireAtotalFinalWire=B0+B1+B22+B33+B44---(4)]]>Cα(Al)是導線的熱膨脹係數。C0-C4是第4級多項式的係數，表示初始的曲線僅乘以複合芯的面積比。
CF是複合芯的最終模量D0-D4是第4級多項式的係數，其表示複合芯最後10年的蠕變曲線乘以面積比α(芯)是複合芯的熱膨脹係數。
擬合計算和測量數據時，最佳擬合(i)通過改變應力參數值，擬合計算曲線與測量數據，在高溫下(140-240℃)使曲線擬合，和(ii)實測曲線的拐點(膝點)近似擬合計算曲線，和(iii)要求初始的計算下垂擬合初始的測量下垂(即，初始應力在24℃(75)是1432kg，產生12.5cm(5英寸)的下垂)。因此導出與測量數據最佳擬合的應力參數的值。這些結果是電纜的″應力參數″。
根據本發明的電纜可被用於各種應用，包括高架電力輸送電纜。
通過下列實施例進一步說明本發明的實施方式和優點，但是不應該將這些實施例中所述的特定材料和量，及其他的條件和細節解釋為不當地限制本發明。所有的份數和百分比以重量計，除非另外指出。
實施例說明性的實施例如下製備說明性實施例的電纜導線。使用圖6所示的裝置60製備導線。從供應線軸62提供十一(11)束10,000旦的α氧化鋁纖維(由3M Company，St.Paul以商標″NEXTEL 610″銷售)，校準成環狀束，以305cm/min(120in./min)的速度，通過加熱到1100℃的1.5m(5英尺.)長的氧化鋁管63進行熱清洗。然後在進入含有金屬鋁(99.99％鋁)基質材料(得自Beck Aluminum Co.，Pittsburgh，PA)的熔融(熔融金屬)65的坩堝67以前，在真空室64抽空熱清洗的纖維61。通過引出裝置70從供應線軸62拉出纖維。超聲波探頭66位於在纖維鄰近的熔融體65中，以有助於熔融體65浸滲入纖維61的束。導線71的熔融金屬通過出口模68退出坩堝67之後冷卻和固化，儘管一些冷卻或許發生在導線71完全地退出坩堝67以前。另外，通過經由冷卻裝置69傳送的氮氣流衝擊導線71而增強導線71的冷卻。導線71收集到線軸72上。
在進入熔融體67以前對纖維61抽真空。真空室的壓力大約20託。真空系統64具有尺寸與纖維束61的直徑相配的25釐米長的氧化鋁入口管。真空室64長為21釐米，直徑為10釐米。真空泵的功率是0.37m3/分鐘。抽真空後的纖維束61經由真空系統64上插入金屬浴的管而插入金屬65中(即被引入熔融體54的時候，抽真空後的纖維61在真空狀態下)。出口管的內徑與纖維束61的直徑相配。一部分出口管以5釐米的深度浸於熔融金屬中。
通過利用位於熔融金屬65中的非常接近於纖維61的振動探頭66，增強熔融金屬65到纖維61的浸滲。探頭66以19.7kHz和在空氣中0.18毫米的(0.007英寸)的振幅驅動振動。另外，探頭連接到鈦波導，其反過來連接到超聲換能器(例如從Sonics Materials，Danbury CT得到)。
纖維61在探頭端部的2.5毫米之內。探頭端部是由91wt.％Nb-9wt.％Mo的鈮合金組合物(得自PMTI，Pittsburgh，PA)製成的。合金可以製成長度12.7釐米(5英寸.)直徑為2.5釐米(1英寸)的圓筒。通過改變其長度將圓筒調到需要的19.7kHz的振動頻率。
熔融金屬65在浸滲之前脫氣(例如，降低溶於熔融金屬中的氣體量(例如，氫))。使用輕便的得自Brummund Foundry Inc，Chicago，IL的旋轉脫氣裝置。使用的氣體是氬氣，氬氣流速是1050升每分鐘，通過設定在50升每分鐘的馬達的空氣流速提供速度，持續時間是60分鐘。
設置氮化矽出口模68以提供需要的導線直徑。出口模的內徑是2.67毫米(0.105英寸)。
絞合芯在Wire Rope Company in Montreal，Canada.的絞合裝置上絞合。電纜在中心具有一個導線，在第一層具有右轉扭絞的六個導線。在被成螺旋形共同纏繞之前，獨立的導線設置在分離的線軸上，其然後被放入絞合裝置的電機驅動的滑架中。滑架具有用於成品絞合電纜層的六個線軸。層的導線在滑架的出口聚集，並且在中心金屬線上排列。在電纜絞合工藝期間，中心金屬線通過滑架中心拉出，滑架給絞合電纜加入一層。作為一層加入的單獨導線從它們各自的線軸同時拉出，同時通過電機驅動的滑架旋轉繞到電纜的中心軸上。得到的是成螺旋形的絞合芯。
使用常規包裹設備(型號300 Concentric Taping Head得自WatsonMachine International，Paterson，NJ)，用膠帶包裹絞合芯。帶狀背襯是具有玻璃纖維的鋁箔帶材，並且具有壓敏聚矽氧烷粘合劑(以商標″Foil/Glass.Cloth Tape 363″得自3M Company，St.Paul，MN)。帶材18的總厚度是0.0072英寸(0.18毫米)。帶材寬0.75英寸(1.90釐米)。
成品芯的平均直徑是0.324英寸(8.23毫米)，絞合線層的捻距是21.3英寸(54.1釐米)。
第一梯形鋁合金導線由鋁/鋯棒製備，所述鋁/鋯棒直徑為9.53毫米(0.375英寸)；得自Lamifil N.V.，(Hemiksem，Belguim under thetrade designation″ZTAL″)，抗拉強度153.95Mpa(22,183psi)，伸長13.3％，導電性為60.4％IACS。第二梯形導線由鋁/鋯棒製備，所述鋁/鋯棒直徑為9.53毫米(0.375英寸)(″ZTAL″)，拉伸強度132.32MPa(19,191psi)，伸長10.4％，導電性60.6％IACS。在室溫下使用現有技術已知的五媒介衝模，並且最後使用梯形的成形模壓延棒。拉絲模由碳化鎢組成。碳化鎢拉模的幾何形狀為60°入射角，16-18°縮小角，軸承長度為模直徑的30％，和60°後間隙角(back relief angle)。該模面是高度拋光的。使用拉制用油潤滑和冷卻衝模。在設定為40-50℃的溫度下，牽引系統以設定在60-100升每分鐘每衝模的速度傳送該油。最後的成形模包括兩個水平硬化鋼(硬度60RC)成型輥，具有高度拋光的工作面。輥槽的設計基於需要的梯形斷面。輥安裝在位於拉盒和外側拉塊之間的輥臺上。最後的成形輥減小，降低導線的面積約23.5％。面積縮小的量足以將金屬移動進入輥槽的角內，並足以填充成型輥之間的距離。排列和安裝成型輥使得梯形導線的管帽面對拉塊和線軸轉筒的表面。形成之後，使用模板檢查和檢驗導線的剖面。
然後將導線纏繞到線軸上。得到導線的各種性能列於下表2。梯形形狀的″有效直徑″指與梯形形狀的橫截面積具有相同面積的圓的直徑。絞合裝置安裝有20個線軸(第一導線的8個用於絞合第一內層，第二導線的12個用於絞合第二外層)，從這些的子集中取出導線用於試驗，其是″樣品線軸″。
表2


由Nexans，Weyburn，SK使用常規的行星式絞合機和如上所述的芯和(內部和外部)導線製備電纜，用作對比例。用於製備電纜的裝置80的示意圖見圖7，7A，和7B。
在常規的行星式絞合機80的端部設置芯的線軸81，其中線軸81自由地旋轉，能通過制動系統施加應力。在放線期間施加到芯的應力是45kg(100lbs.)。芯在室溫下(約23℃(73))輸入。該芯通過線軸滑架82，83的中心，通過閉式模具84，85，繞絞盤輪86並連接到常規的卷線軸87(直徑152釐米(60英寸))。
在應用外部絞合層89之前，由分離的線軸88提供單獨的導線，所述線軸置於絞合裝置的若干電機驅動的滑架82，83中。從線軸88拉出導線89需要的應力設為11-14kg(25-30lbs.)。絞合站由滑架和閉式模具組成。在各個絞合站，各層的導線89分別在每個滑架的出口、在閉式模具84，85處匯集，並分別在中心金屬線之上或在以前的層之上排列。因此，該芯通過兩個絞合站。第一站中，8股導線在芯上左捻絞合。在第二站中，12股導線在以前的層上右捻絞合。
通過應用的閉式模具84，85使給定層的芯材料和導線接觸。閉式模具是圓筒(見7A和7B)，並使用螺釘保持在適當位置。所述模具由硬化工具鋼組成，並能夠完全閉合。
成品電纜通過絞盤輪86，並最終纏繞到卷帶軸87(直徑91釐米(36英寸))上。成品電纜通過由線性地排列於兩排的輥組成的矯直機設備(各個輥是12.5釐米(5英寸))，每排7個輥。設定兩排輥之間的距離，使得輥剛好碰到電纜。兩排輥位於電纜的相對側，一排中的輥與由其他的排中相對輥產生的間隔相匹配。因此，這兩排可以彼此補償。電纜通過矯直裝置時，電纜在輥上來回彎曲，使得傳導體中的絞合線拉伸到相同的長度，從而消除鬆弛的絞合線。
內層由8個梯形導線組成，外側層直徑為15.4毫米(0.608英寸)，單位長度質量353kg/km(237lbs/kft.)，左轉扭絞20.3釐米(8英寸)。內層的封閉單元(由硬化工具鋼製造；硬度60Re)設定在內徑15.4毫米(0.608英寸)。因此該封閉單元設定在與電纜直徑準確相同的直徑。
外層由12個梯形導線組成，外側層直徑為22.9毫米(0.9015英寸)，單位長度質量507.6kg/km(341.2lbs/kft)，右轉扭絞25.9釐米(10.2英寸)。鋁合金導線的單位長度的總質量是928.8kg/km(624.3lbs./kft.)，芯的單位長度的總質量是136.4kg/km(91.7lbs./kft.)和單位長度的總傳導體質量是1065kg/km(716.0lbs./kft.)。外層的封閉單元(由硬化工具鋼製造；硬度60Re)設定在內徑0.9015英寸(22.9毫米)。因此該封閉單元設定在與成品電纜直徑準確相同的直徑。
使用手持式測力計(得自McMaster-Card，Chicago，IL)測量內部導線和外部導線應力(如放線線軸)，並調整到13.5-15kg(29-33lbs.)，使用與線軸相同的測量方法，通過閘將芯的放線應力設定在大約90kg(198lbs.)。另外，不使用矯直機，電纜不纏繞，而是讓其徑直前進並置於地板上。芯在室溫下(約23℃(73))輸入。
絞合機以15m/min(49ft/分鐘)運轉，使用常規的絞盤輪驅動，標準矯直裝置，和常規的152釐米(60英寸)直徑卷帶軸。
使用以下的″Cut-end Test Method″測試得到的傳導體。待試驗的一部分傳導體直接置於地板上，在兩端均夾上3.1-4.6m(10-15ft.)長的子部分。然後切割該傳導體以分離該部分，仍在兩端夾持。然後放開一個夾持器，沒有發現層的移動。然後檢查傳導體該部分的層相互之間的移動。使用直尺測量確定每個層相對於芯的移動量。外部的鋁層相對於複合芯縮進；以芯作為零點參考位置，內部鋁層縮回0.16英寸(4毫米)和外層縮回0.31英寸(8毫米)。
同樣由Kinectrics，Inc.Toronto，Ontario，Canada使用以下″Sag TestMethod I″評價說明性實施例的電纜。傳導體的長度用常規的環氧樹脂接頭封端，除鋁/鋯導線延伸穿過該環氧樹脂接頭並且從另一側伸出、然後重構以使用常規的終端連接器連接到AC電源之外，確保該層基本上保持於製造狀態的相同的相對位置。環氧樹脂接頭澆鑄在鋁粗鋅插座中，所述插座連接到用於保持張力的螺旋扣。在一側，測力計連(5000千克(kg)負荷量)接到螺絲扣，然後在兩端將螺旋扣連接到拉眼。將拉眼連接到大的混凝土柱上，其足夠大以最小化在應力作用下體系的端部偏移。用於該試驗，把應力拉到傳導體標定斷裂強度的20％。從而將2082kg(4590lb)的力施加到電纜。在沿傳導體長度的三個位置(在總的(拉眼到拉眼)間隔距離的1/4，1/2和3/4處)，使用九個熱電偶(每個位置三個；J-類型得自Omega Corporation，Stamford，CT)測量溫度。在各個位置，該三個熱電偶位於傳導體之內的三個不同的徑向位置；在外部鋁絞合線之間，內部鋁絞合線之間，和鄰近於(即接觸)外部芯導線的位置。使用拉線電位計(得自SpaceAge Control，IncPalmdale，CA)，在沿傳導體長度的三個位置(間隔距離的1/4，1/2和3/4處)測量下垂值。設置這些位置以測量三個位置的垂直位移。將AC電流施加到傳導體，以使溫度增加到希望值。傳導體的溫度從室溫(約20℃(68))上升到約240℃(464)，上升速度為60-120℃/分鐘(140-248/分鐘)。所有熱電偶的最高溫度被用作對照。為實現240℃(464)需要約1200安培。
使用下式計算在不同溫度下傳導體(Sagtotal)的下垂值Sagtotal=Sag1/2-(Sag1/4+Sag3/42)]]>其中Sag1/2＝在傳導體間距的1/2處測量的下垂Sag1/4＝在傳導體間距的1/4處測量的下垂Sag3/4＝在傳導體間距的3/4處測量的下垂表3(以下)總結了固定輸入的試驗參數。
表3

*標稱的拉伸強度對得到的下垂和溫度數據(說明性實施例的″結果數據″)作圖，然後使用由Alcoa Fujikura Ltd.，Greenville，SC以商標″SAG10″(版本3.0更新3.9.7)得到的軟體程序中具有的Alcoa Sag10圖解法擬合計算的曲線。應力參數是″SAG10″中標稱為″嵌入的鋁應力″的擬合參數，其在預計圖中調節膝點的位置以及在高溫下後膝點區域的下垂量。應力參數理論的說明提供在Alcoa Sag10 Users Manual(Version 2.0)Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR。用於675kcmil電纜的傳導體參數如表4-7(以下)所示，將其輸入Sag10軟體。最佳擬合(i)通過改變應力參數值，擬合″結果數據″與計算曲線，使得在高溫下(140-240℃)擬合曲線，和(ii)″結果數據″曲線的拐點(膝點)近似擬合計算曲線，和(iii)要求初始的計算下垂擬合初始的″結果數據″下垂(即初始應力在22℃(72)是2082kg，產生27.7cm(10.9英寸)的下垂)。對於該實施例，3.5MPa值(500psi)的應力參數提供了對″結果數據″的最佳擬合。圖8顯示由Sag10計算的下垂(線82)和測量的下垂(繪圖數據83)。
將以下的傳導體數據輸入″SAG10″軟體表4SAG10中的傳導體參數面積 381.6mm2(0.5915in2)直徑 2.3cm(0.902in)重量 1.083kg/m(0.726lb./ft.)RTS 10,160kg(22,400lbs.)表5線負荷條件間隔長度 65.5m(215ft.)初始應力(在22℃(72))2082kg(4,590lbs.)表6壓縮應力計算的選項嵌入鋁應力 (3.5MPa(500psi)鋁面積(作為總面積的份數)0.8975鋁層個數 2鋁絞合線個數20芯絞合線個數7絞合扭絞係數外層11內層13Sag10的應力應變參數；TREF＝22℃(71)軟體執行的輸入參數(見表7，以下)表7

應力-應變曲線多項式的定義首先五個數值A0-A4是第4級多項式的係數，其表示初始的鋁曲線乘以面積比AWireAtotalInitialWire=A0+A1+A22+A33+A44]]>AF是鋁的最終模量AWireAtotalFinalWire=AF]]>其中ε是以％表示的傳導體伸長，σ是以psi表示的應力B0-B4是第4級多項式的係數，其表示鋁最後10年的蠕變曲線乘以面積比AWireAtotalFinalWire=B0+B1+B22+B33+B44]]>cα(Al)是鋁的熱膨脹係數。
C0-C4是第4級多項式的係數，表示初始曲線僅乘以複合芯的面積比。
CF是複合芯的最終模量D0-D4是第4級多項式的係數，其表示複合芯最後10年蠕變的曲線乘以面積比α(芯)是複合芯的熱膨脹係數。
預期的實施例1用如說明性實施例所述的方法製備電纜，除如下不同外絞合用以形成芯的複合導線由碳纖維複合物(在雙馬來醯胺基樹脂基體中的碳纖維)導線組成。這些導線以商標″CFCC″可得自Tokyo RopeManufacturing Company，Ltd.Tokyo，Japan。所述複合導線將具有與說明性實施例的複合導線相同的直徑。
實施例利用記載於說明性實施例的Alcoa Sag10圖解法模型，預計記載於預期性實施例1中的電纜的溫度與下垂的關係。使用Sag10模型和說明性實施例的方法得到下垂對溫度的曲線。將如表8-11(以下)所示的傳導體參數輸入Sag10軟體。用於預期性實施例1的壓縮應力參數值是3.5MPa(500psi)。另外對於55MPa(8000psi)的壓縮應力值作下垂對溫度曲線。圖9表明說明性實施例和預期性實施例1的下垂對溫度曲線。說明性實施例的測量數據表示為作圖數據93，說明性實施例的計算曲線表示為線92。使用應力參數3.5MPa(500psi)的預期性實施例1的計算曲線表示為線94。應力參數為55MPa(8000psi)的另外的計算曲線表示為線96。
將以下的傳導體數據輸入″SAG10″軟體表8SAG10中的傳導體參數面積381.6mm2(0.677in2)直徑2.3cm(0.902in.)重量1.007kg/m(0.677lb/ft.)RTS 11,045kg(24,350lbs.)表9線負荷條件間隔長度65.5m(215ft.)初始應力(在72)2082kg(4,590lbs.)
表10壓縮應力計算的選項嵌入鋁應力值500(預期性實施例1)8000(另外的曲線)鋁面積(作為總面積的份數) 0.8975鋁層的個數 2鋁絞合線的個數 20芯絞合線的個數 7絞合線扭絞係數外層 11內層 13Sag10的應力應變參數；TREF＝22℃(71)表11

顯然本領域技術人員可不偏離本發明的範圍和原則作各種修改和變更，應理解為本發明不應不當地限於本發明中的說明性的實施方式。
權利要求
1.一種電纜，包括具有熱膨脹係數的縱向的芯，所述的芯包括至少一種芳族聚醯胺、陶瓷、硼、聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)、石墨、碳、鈦、鎢、或形狀記憶合金的；和多個導線，其總的熱膨脹係數大於所述芯的熱膨脹係數，其中所述多個導線包括至少一種鋁導線、銅導線、鋁合金導線、或銅合金導線，其中所述多個導線絞合到所述芯的周圍，其中所述電纜的應力參數不大於20MPa，條件是如果所述縱向的芯包括金屬基複合導線，該芯獨立地包括至少一種芳族聚醯胺、陶瓷、硼、聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)、石墨、碳、鈦、鎢、或形狀記憶合金。
2.如權利要求1的電纜，其中所述電纜的應力參數不大於15MPa。
3.如權利要求1的電纜，其中所述電纜的應力參數不大於10MPa。
4.如權利要求1的電纜，其中所述電纜的應力參數不大於5MPa。
5.如權利要求1的電纜，其中所述電纜的應力參數為0MPa～15MPa。
6.如權利要求1的電纜，其中所述電纜的應力參數為0MPa～10MPa。
7.如權利要求1的電纜，其中所述芯包括含有連續纖維的複合物，所述連續纖維為至少一種在聚合物基體中的芳族聚醯胺、陶瓷、硼、聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)、石墨、碳、鈦、鎢、或形狀記憶合金。
8.如權利要求1的電纜，其中所述芯包括含有在聚合物基體中的連續陶瓷的複合物。
9.如權利要求1的電纜，其中所述導線和芯是連續的，並至少為150米長。
10.如權利要求1的電纜，其中所述芯包括直徑1毫米～12毫米的導線。
11如權利要求1的電纜，其中所述芯包括直徑1毫米～4毫米的導線。
12.如權利要求1的電纜，其中所述芯的導線成螺旋形絞合，以使其絞捻係數為10～150。
13.如權利要求1的電纜，其中所述導線的形狀是梯形的。
14.一種製備電纜的方法，所述方法包括圍繞縱向的芯絞合多個導線，其中所述多個導線包括至少一種鋁導線、銅導線、鋁合金導線、或銅合金導線，所述芯包括至少一種芳族聚醯胺、陶瓷、硼、聚(p-亞苯基-2，6-苯並二噁唑)、石墨、碳、鈦、鎢、或形狀記憶合金，以提供初步絞合的電纜；和使所述初步絞合的電纜經過閉式模具，以提供如權利要求1的電纜，其中閉式模具具有內徑，其中所述電纜具有外徑，其中模具內徑是電纜外徑的1.00～1.02倍。
全文摘要
電纜和以及電纜的方法。電纜的實施方案例如可用作高架的電力傳輸線。
文檔編號H01B13/02GK1969344SQ200580020147
公開日2007年5月23日 申請日期2005年4月18日 優先權日2004年6月17日
發明者道格拉斯·E·詹森, 科林·麥卡洛, 赫維·E·德韋 申請人:3M創新有限公司