金屬包覆的金屬基體複合導線的製作方法

2023-04-23 15:49:11

專利名稱：金屬包覆的金屬基體複合導線的製作方法
背景技術：
通常，金屬基體複合物(MMC)是已知的。MMC通常包括用顆粒、須狀物、短纖維或長纖維增強的金屬基體。金屬基體複合物的實例包括鋁基體複合導線(例如，在鋁基體中嵌入碳化矽、碳、硼或多晶α氧化鋁纖維)、鈦基體複合帶(例如，在鈦基體中嵌入碳化矽纖維)和銅基體複合帶(例如，在銅基體中嵌入碳化矽或硼纖維)。金屬基體複合導線尤其引人注意的一種應用是作為在裸露架空電力傳輸電纜中的增強部件和電導體。提高現有傳輸基礎設施的電傳輸容量的需求推動了新電纜的特定需求。
用於架空電力傳輸的電纜的適當性能要求包括耐腐蝕性、環境耐久性(例如UV和溼度)、溫度升高時的耐強度下降性、抗蠕變性、以及相對高的彈性模量、較低的密度、較低的熱膨脹係數、較高的電導率和/或較高的強度。儘管包含鋁基體複合導線的架空電力傳輸電纜是已知的，在一些應用中對例如具有改進的斷裂應變值和/或尺寸均勻性的鋁基體複合導線存在持續的需求。
在另一方面，常規的金屬基體複合導線要經歷彈性變形，直到施加力足夠大以造成斷裂為止。通常，常規的金屬基體複合導線不具備如常規金屬導線中普遍存在的塑性變形。由於常規的金屬基體複合導線不具有永久變形(permanent set)，因此必須使用額外的裝置來將導線保持在電纜狀態。在本領域中需要能夠經受塑性變形的連續金屬基體複合導線。
進一步地，在一些實施方式中，需要控制金屬基體複合導線的尺寸(直徑、圓度及其均勻度)。常規的金屬基體複合導線會難以具有高度的尺寸公差，其原因在於，例如在使用常規固相金屬加工技術(例如拉製法)中的困難。本領域中需要用較高的尺寸精度製備而其承重能力沒有降低的金屬基體複合導線。

發明內容
本發明涉及金屬(例如鋁及其合金)包覆的金屬(例如鋁及其合金)基體複合導線。本發明的實施方式涉及具有與金屬基體複合導線的外表面相結合的經熱加工的金屬包覆層的金屬基體複合導線。依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合物形成的導線具有關於彈性模量、密度、熱膨脹係數、電導率、強度、斷裂應變和/或塑性變形的所需性能。
本發明提供一種金屬包覆的金屬基體複合導線，其包括覆蓋在金屬基體複合導線上的金屬包覆層，該金屬基體複合導線具有至少一股絲束(通常為多股絲束)，該絲束在金屬基體內含有多個彼此縱向定位的連續纖維。該金屬包覆層材料的熔點不高於1100℃(通常不高於1000℃，可以不高於900℃、800℃，或者甚至不高於700℃)。通常，該金屬包覆的金屬基體複合導線的長度至少為100米(在一些實施方式中，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、至少900米，或者甚至至少1000米)。該金屬包覆的金屬基體複合導線在至少100米的長度(在一些實施方式中，至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、至少700米、至少800米、至少900米，或者甚至至少1000米)上，還具有至少0.95的圓度值(在一些實施方式中，為至少0.97、至少0.98，或者甚至至少0.99)、不超過0.9％的圓度均勻度值(在一些實施方式中，不超過0.5％，或者甚至不超過0.3％)和不超過0.2％的直徑均勻度值。
在另一方面，本發明提供了一種具有塑性變形性質的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中在一些實施方式中，其長度為至少100米、至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、至少700米、至少800米、至少900米，或者甚至至少1000米。塑性變形性質是指該導線通過彎曲導線具有永久變形。
在另一方面，本發明提供了一種能有效消除反衝(recoil)效應的金屬包覆的金屬基體複合導線，並且其中，在一些實施方式中，在至少100米、至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、至少700米、至少800米、至少900米，或者甚至至少1000米的長度經受初次斷裂時，防止二次斷裂。
在另一方面，本發明提供一種金屬包覆的金屬基體複合導線，其與沒有金屬包覆層的金屬基體複合導線的斷裂應變相比，具有更大的斷裂應變。
在另一方面，本發明提供一種包括至少一股依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜。
除非特別說明，在此所用的下列術語的定義如下「連續纖維」是指與平均纖維直徑相比其長度相對無窮大的纖維。通常，這是指纖維具有至少為1×105(在一些實施方式中，至少為1×106，或者甚至至少1×107)的縱橫比(即纖維的長度和纖維的平均直徑的比值)。通常，這種纖維具有大約至少為50米的長度，甚至可以具有大約幾千米或更長的長度。
「縱向定位」是指纖維相對於導線長度的取向與導線的長度方向相同。
「圓度值」是用於表徵導線橫截面形狀接近圓周程度的量度，如以下實施例所述，其是由在導線的指定長度上所測各個圓度值的平均值來定義的。
「圓度均勻度值」是在導線的指定長度上所測的單個圓度值的差異係數，如以下實施例所述，其是所測各個圓度值的標準偏差除以所測各個圓度值的平均值所得的比值。
「直徑均勻度值」是在導線的指定長度上所測的各個直徑的平均值的差異係數，如以下實施例所述，其是所測各個直徑的平均值的標準偏差除以所測各個直徑的平均值所得的比值。
常規的金屬基體複合導線可以在經歷初次斷裂之後表現出二次斷裂。在這些情況下，一次斷裂之後導線會迅速發生反衝，這會導致二次斷裂。因此，需要一種可阻止二次斷裂的連續金屬基體複合導線。本發明的金屬包覆的金屬基體複合導體的實施方式是針對這種需求的。


圖1是本發明的一種示例性的金屬包覆的金屬基體複合導線的示意性橫截面視圖。
圖2是用於製備依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線的一種以切線模式運行的示例性雙槽包覆機的透視圖。
圖3是用於製備依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線的包覆機中的一種示例性的加工壓模裝置的示意性橫截面視圖。
圖4是依照本發明用於將熔融金屬滲透到纖維中的一種示例性的超聲裝置的示意圖。
圖5和6是兩種包含依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線的架空電力輸送電纜的示例性實施方式的示意性橫截面視圖。
圖7是一種包含依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的均質電纜的示意性橫截面視圖。
圖8是實施例1中製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的熱膨脹係數圖。
圖9是實施例2中製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的應力應變性能圖。
圖10是實施例3中製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的位移和復位圖。
圖11是用於彎曲保持測試的幾何構造的示意性視圖。
圖12是鬆弛半徑與彎曲半徑的示例圖，其示出了依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的塑性變形。
具體實施例方式
本發明提供包含金屬包覆的纖維增強的金屬基體複合物的導線和電纜。本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線包含與金屬基體複合導線的外表面相結合的經熱加工的韌性金屬包覆層。儘管沒有理論約束，但相信本發明的一些實施例為導線提供了顯著提高的性能。至少一種依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線可以構成電纜(例如電力輸送電纜)。
圖1提供了依照本發明的方法製備的一種示例性的金屬包覆的纖維增強金屬基體複合導線20的橫截面視圖。金屬包覆的纖維增強金屬基體複合導線20在下文中稱為金屬包覆複合導線或MCCW，其包含與金屬基體複合導線26的外表面24相結合的韌性金屬包覆層22。金屬基體複合導線26也可以被稱作芯線26。韌性金屬包覆層22具有大約為環形的形狀，其厚度為t。在一些實施方式中，金屬基體複合導線26位於MCCW 20縱向的中心。
本發明的方法涉及包覆金屬基體複合導線26。可以使用如下所述及如圖2和3中所示的方法包覆金屬基體複合導線26，形成金屬包覆的複合導線(MCCW)20。
參照圖2，可以使用包覆機(例如Model 350；可獲自BWE Ltd，Ashford，England，UK，商品名「CONKLAD」)，用韌性金屬進料28包覆芯線26，形成MCCW 20。包覆機30包括在擠壓輪34之上或與其相鄰的滑塊(shoe)32。滑塊32包括一模腔36(圖3)，通過在其一端的進口導模38和另一端的出口擠壓模40進出。擠壓輪34包括至少一個外圍槽42(通常為兩個外圍槽)，用於進料到模腔36中。
在一些實施方式中，包覆機30以切線模式操作。在如圖2中所示的切線模式中，產品中心線(即MCCW 20)與包覆機30的擠壓輪34相切。這可以是希望達到的，因為芯線26不應當穿過任何足以使導線斷裂的小半徑彎曲處。通常，芯線26將沿直線路徑。
將芯線26在直徑足以防止芯線26的彎曲超過導線的彈性極限的捲軸(未示出)上提供到包覆機30。使用帶制動的續料系統來控制芯線26在捲軸上的張力。芯線26的張力保持足以防止芯線26的纏繞開卷的最低水平。芯線26在穿過設備之前通常不經過預加熱，但在一些實施方式中預加熱是需要的。非必要地，在使用與如下所述類似的方法包覆進料28之前可以對芯線26進行清洗。
芯線26可以在位於擠壓輪34之上或與其相鄰的滑塊32處穿過包覆機30。圖3中提供了滑塊32的橫截面詳細圖。滑塊32包括入口導模38、模腔36和出口擠壓模40。芯線26通過以下方式直接穿過滑塊32(即擠壓裝置)，即穿過入口導模38進入，通過模腔36並發生包覆，從出口擠壓模40離開。出口模40比芯線26更大，以容納包覆厚度t。MCCW 20在從滑塊32的遠端離開之後連到卷繞輥筒(未示出)。
在引入到包覆機30之前，可選地，對韌性金屬包覆物的進料28進行清洗，除去表面汙染。一種適當的清洗方法是可由BWE Ltd.提供的標準軌道(parorbital)清洗系統。這種方法使用一種弱鹼性清洗溶液(例如氫氧化鈉的稀釋水溶液)，然後用酸性中和劑(例如稀釋的乙酸或其它有機酸的水溶液)，最後用水衝洗。在該標準軌道清洗系統中，清洗液體是熱的並沿導線高速流動，該導線在液體中搖動。超聲波清洗及化學清洗也是適合的。
參照圖2和3，包覆機30的操作如下所述，通常為連續的運行過程。首先，芯線26可以如上所述地穿過包覆機30。將進料28引入(在一些實施方式中為兩股)到旋轉擠壓輪34(在一些實施方式中包含沿其外圍的雙凹槽42)。每個凹槽42接受一股進料28。
擠壓輪34旋轉，從而將進料28推入模腔36中。擠壓輪34的運動供給足夠的壓力，結合模腔的熱量36，用於塑化進料28。進料材料在模腔36內的溫度通常低於材料的熔點溫度。該材料進行熱處理，使得其在使得在變形過程中發生再結晶的溫度和應變率下進行塑性變形。通過保持進料材料的溫度低於其熔點，使進料28形成的包覆層22與以熔融態形式添加進料28相比，其硬度更高。例如，對於熔點為約660℃的鋁進料，溫度通常為約500℃。
進料28在芯線26的兩側進入模腔36，幫助均衡芯線26周圍的進料28的流量和壓力。擠壓輪34的運動將由於通過滑塊32對進料28的再定向和變形而增塑的進料28填充到模腔36中。包覆機30在滑塊32內通常的操作壓力範圍為14-40kg/mm2。為成功包裹芯線26，滑塊32內的壓力通常接近操作範圍的下端，在操作過程中通過調節擠壓輪34的速度按要求進行改變。對輪34的速度進行調整直到在模腔36中達到可將增塑的進料28從出口模40繞芯線26擠出而不會達到損壞芯線26的壓力的情況。(如果輪的速度過低，進料不能從出口模40被擠出，或者從出口模40擠出的進料28不能將芯線26從出口模40拉出。如果輪的速度過高，芯線26會被剪斷和切斷。)此外，模腔36中的溫度和壓力通常被控制使包覆材料(增塑的進料28)結合到芯線26上，同時也足夠低，以防止對更脆的芯線26的損害。這也有利於平衡進入到模腔36中的進料28的壓力，使得芯線26位於增塑的進料28的中心。通過使芯線26位於模腔36的中心，增塑的進料28在芯線26的周圍形成了同心環管芯。
離開包覆機30的MCCW 20的線速度的實例為約50m/min。張力是不需要的，通常收集產品(即MCCW 20)的卷繞輥筒也不提供張力，因為擠出的進料28拉著芯線26與其一起穿過包覆機30。在離開包覆機之後，MCCW 20通過水槽(未示出)進行冷卻，然後纏繞在卷繞輥筒上。
包覆材料金屬包覆層22可由任何具有延展性的金屬或金屬合金組成。在一些實施方式中，金屬包覆層22選自韌性金屬材料，包括金屬合金，其與芯線26的材料組分(即纖維和基體材料)不會發生明顯的化學反應。
用於金屬包覆層22的示例性韌性金屬材料包括鋁、鋅、錫、鎂、銅及其合金(例如鋁和銅的合金)。在一些實施方式中，金屬包覆層22包含鋁及其合金。對於鋁包覆材料，在一些實施方式中，包覆層22包括至少99.5重量％的鋁。在一些實施方式中，有用的合金為1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000和8000系列鋁合金(鋁業協會(Aluminum Association)名稱)。適合的金屬可商購得到。例如，鋁和鋁合金可獲自，例如Alcoa，Pittsburgh，PA。鋅和錫可獲自，例如Metal Services，St.Paul，MN(「純鋅」；99.999％純度；和「純錫」；99.95％純度)。例如，鎂可獲自Magnesium Elektron，Manchester，England，商品名稱「PURE」。鎂合金(例如WE43A、EZ33A、AZ81A和ZE41A)可獲自TIMET，Denver，CO。銅及其合金可獲自South Wire，Carrollton，GA。
MCCW 20可在芯線26上形成，該芯線通常包含至少一股含許多連續的縱向定位的纖維(例如陶瓷(如氧化鋁基的)增強纖維)的絲束，所述纖維包埋在含一種或多種金屬(例如高純度(如高於99.95％)單質鋁或者純鋁與其它元素如銅的合金)的基體中。在一些實施方式中，金屬基體複合導線26中至少約85％(在一些實施方式中，至少90％，或甚至至少95％)數目的纖維是連續的。下面對適用於本發明的MCCW 20中的金屬基體複合導線26的纖維和基體選擇進行描述。
纖維適用於本發明的MCCW 20中的製備金屬基體複合物26的連續纖維包括陶瓷纖維，例如金屬氧化物(例如氧化鋁)纖維、硼纖維、氮化硼纖維、碳纖維，以及上述纖維中任意的組合物。通常，陶瓷氧化物纖維是結晶陶瓷和/或結晶陶瓷和玻璃的混合物(即纖維可以含有結晶陶瓷和玻璃兩相)。通常，這意味著纖維的縱橫比(即纖維的長度和纖維的平均直徑的比值)至少為1×105(在一些實施方式中，至少為1×106，或者甚至至少1×107)。通常，這種纖維的長度約為至少50米，甚至可以具有約幾千米或更長的長度。典型的，連續增強纖維的平均纖維直徑至少為約5微米，其平均纖維直徑不超過50微米。更典型的平均纖維直徑不超過25微米，最典型的範圍為8微米～20微米。
在一些實施方式中，陶瓷纖維的平均拉伸強度為至少1.4GPa、至少1.7GPa、至少2.1GPa，或甚至至少為2.8GPa。在一些實施方式中，碳纖維的平均拉伸強度為至少1.4GPa、至少2.1GPa、至少3.5GPa，或甚至至少為5.5GPa。在一些實施方式中，陶瓷纖維的模量大於70GPa～約不超過1000GPa，或甚至不超過420GPa。實施例中給出了拉伸強度和模量的測試方法。
在一些實施方式中，用於製備芯線26的至少一部分連續纖維是成絲束的。絲束在纖維技術中是已知的，是指許多根(單根)聚集成繩狀的纖維(典型地至少為100根纖維，更典型地至少為400根纖維)。在一些實施方式中，絲束每束包含至少780根纖維，在一些實施例中，每束包含至少2600根單纖維。陶瓷纖維絲束的長度可以不同，包括300米、500米、750米、1000米、1500米、1750米或者更長。纖維的橫截面形狀可以是圓形或者橢圓形的。
例如在美國專利4,954,462(Wood等)和5,185,29(Wood等)中描述了氧化鋁纖維。在一些實施方式中，氧化鋁纖維是多晶α氧化鋁纖維，以理論氧化物基準，按照氧化鋁纖維的總重量計，其包含大於99wt.％的Al2O3和0.2～0.5wt.％的SiO2。在另一方面，一些優選的多晶α氧化鋁纖維包含平均粒度小於1微米(或者甚至，在一些實施方式中，小於0.5微米)的α氧化鋁。在另一方面，多晶α氧化鋁纖維的平均拉伸強度為至少1.6GPa(在一些實施方式中，至少為2.1GPa，或甚至至少為2.8GPa)。示例性的α氧化鋁纖維可以以「NEXTEL 610」商品從3M Company，St.Paul，MN購得。
例如在美國專利4,047,965(Karst等)中描述了鋁矽酸鹽纖維。示例性的鋁矽酸鹽纖維可以以「NEXTEL 440」、「NEXTEL 550」和「NEXTEL 720」商品從3M Company，St.Paul，MN購得。
例如在美國專利3,795,524(Sowman)中描述了鋁硼矽酸鹽纖維。示例性的鋁硼矽酸鹽纖維可以以「NEXTEL 312」商品從3M Company，St.Paul，MN購得。
示例性的硼纖維可獲自例如Textron Specialty Fibers，Inc.，Lowell，MA。
示例性的氮化硼纖維可如美國專利3,429,722(Economy)和5,780,154(Okano等)中所述的方法製備。
示例性的碳化矽纖維，例如，可以以每股絲束中含500根纖維的「NICALON」商品從COI Ceramics，San Diego，CA、以「TYRANNO」商品從Ube Industries，Japan和以「SYLRAMIC」商品從Dow Corning，Midland，MI購得。
示例性的碳纖維，例如，可以以每股絲束中含2000、4000、5000和12000根纖維的「THORNEL CARBON」商品從Amoco Chemicals，Alpharetta，GA、從Hexcel Corporation，Stamford，CT、以「PYROFIL」商品從Grafil，Inc.，Sacramento，CA(Mitsubishi Rayon Co.的子公司)、以「TORAYCA」商品從Toray，Tokyo，Japan、以「BESFIGHT」商品從TohoRayon of Japan，Ltd.、以「PANEX」和「PYRON」商品從Zoltek Corporation，St.Louis，MO以及以「12K20」和「12K50」商品(鎳覆碳纖維)從IncoSpecial Products，Wyckoff，NJ購得。
示例性的石墨纖維，例如，可以以每股絲束中含1000、3000和6000根纖維的「T-300」商品從BP Amoco，Alpharetta，GA購得。
示例性的碳化矽纖維，例如，可以以每股絲束中含500根纖維的「NICALON」商品從COI Ceramics，San Diego，CA、以「TYRANNO」商品從Ube Industries，Japan和以「SYLRAMIC」商品從Dow Corning，Midland，MI購得。
可購得的纖維通常包含在纖維製造過程中加入其中的有機膠料，用以提供潤滑能力並在處理過程中保護纖維線束。該膠料可以通過例如溶解或燃燒將膠料從纖維中除去。通常，希望在形成金屬基體複合導線26之前除去該膠料。
該纖維可以具有塗層，例如用於提高纖維的潤溼性，降低或防止纖維和熔融金屬基體材料之間的反應。這種塗層和提供這種塗層的技術是纖維和金屬基體複合技術中已知的。
基體通常，這樣選擇金屬基體複合導線26的金屬基體，使得該基體材料不會和纖維材料發生明顯的化學反應(即關於纖維材料是相對化學惰性的)，例如，用以消除在纖維外面提供保護性塗料的必要性。選作基體材料的金屬不需要與包覆層22選用的金屬材料相同，但其應當不會與包覆層22發生明顯的化學反應。示例性的金屬基體材料包括鋁、鋅、錫、鎂、銅及其合金(例如鋁和銅的合金)。在一些實施方式中，基體材料優選包括鋁及其合金。
在一些實施方式中，金屬基體包含至少98wt.％的鋁、至少99wt.％的鋁、大於99.9wt.％的鋁，或者甚至大於99.95wt.％的鋁。示例性的鋁和銅的合金中包含至少98wt.％的鋁和至多2wt.％的銅。在一些實施方式中，有用的合金為1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000和/或8000系列鋁合金(Aluminum Association名稱)。儘管高純度的金屬往往優選用於製造拉伸強度更高的導線，但是也可以使用較低純度的金屬。
適合的金屬可以商購得到。例如，鋁可獲自，例如Alcoa，Pittsburgh，PA，商品名「SUPER PURE ALUMINUM；99.99％AL」。鋁合金(例如AL-2wt.％Cu(0.03wt.％雜質))可獲自，例如Belmont Metals，NewYork，NY。鋅和錫可獲自，例如Metal Services，St.Paul，MN(「純鋅」；99.999％純度；和「純錫」；99.95％純度)。例如，鎂可獲自MagnesiumElektron，Manchester，England，商品名稱「PURE」。鎂合金(例如WE43A、EZ33A、AZ81A和ZE41A)可獲自TIMET，Denver，CO。
適用於本發明的MCCW 20中的金屬基體複合導線26包括基於纖維和基體材料的總體積計，含至少15體積％(在一些實施方式中，至少20、25、30、35、40、45或甚至50體積％)的纖維的那些。通常，用於本發明的方法中的芯線26包含以纖維和基體材料(即沒有包覆層)的總體積計，範圍為40～70(在一些實施方式中為45～65)體積％的纖維。
芯線26的平均直徑通常為約0.07毫米(0.003英寸)～約3.3毫米(0.13英寸)。在一些實施方式中，芯線26的平均直徑優選為至少1毫米、至少1.5毫米，或甚至直到約2.0毫米(0.08英寸)。
製備芯線通常，連續芯線26可通過例如連續金屬基體滲透工藝進行製備。例如在美國專利6,485,796(Carpenter等)中描述了一種適用的工藝。
圖4中示出了一種用於製備用於本發明的MCCW 20的連續金屬基體導線26的示例性裝置。從供料捲軸46中提供連續的陶瓷和/或碳纖維44的絲束，匯聚成為圓形截面的線束，對於陶瓷纖維，在通過管式爐48時進行加熱淨化。然後將纖維44在真空室50中抽空，再進入裝有金屬基體材料熔體54(也稱為「熔融金屬」)的爐缸52中。這些纖維由caterpuller 56從供料捲軸46上拉出。將超聲波探頭58置於熔體54中靠近纖維的位置，促進熔體54滲透到絲束44中。導線26中的熔融金屬從出口模60離開爐缸52之後進行冷卻並固化，儘管在導線26完全離開爐缸52之前會受到一定程度的冷卻。導線26的冷卻可以通過衝擊到導線26上的氣流或液流62來增強。導線26收集到捲軸64上。
如上所述，加熱淨化陶瓷纖維可幫助除去或降低可能存在於纖維表面的膠料、吸附的水分和其它不穩定或易揮發物質的量。通常，優選地將陶瓷纖維加熱淨化直到纖維表面的碳含量低於22％(面積分數)。典型地，管式爐54的溫度至少為300℃，更典型地至少為1000℃，使纖維受熱至少幾秒鐘，儘管具體的溫度和時間都由例如所用具體纖維的淨化要求來決定。
在一些實施方式中，纖維44在進入熔體54之前進行抽空，因為已經觀察到，使用這種抽空方法可以減少或消除諸如乾燥纖維匯聚不均勻區域(即沒有基體滲透的纖維區域)等缺陷的形成。通常在一些實施方式中，纖維44在不高於20託、不高於10託、不高於1託和不高於0.7託的真空中進行抽空。
一種示例性的適合的真空系統50是一根進口管，其大小與纖維束44的直徑配合。例如，該進口管為不鏽鋼或氧化鋁管，其長度通常至少為30釐米。合適的真空室50通常其直徑為約2～20釐米，長度為約5～100釐米。在一些實施方式中，真空泵的容量至少為0.2～0.4立方米/分鐘。抽空的纖維44通過真空系統中的一根插入到金屬浴池中的管子被插入到熔體54中(即抽空的纖維44在被引入到熔體54中時處於真空狀態)，儘管熔體54通常處於大氣壓力狀態。出口管的內徑基本配合纖維束44的直徑。出口管的一部分浸在熔融金屬中。在一些實施方式中，管子中有0.5～5釐米浸在熔融金屬中。管子的選擇應當使其在熔融金屬材料中是穩定的。通常適合的管子的實例包括氮化矽和氧化鋁管。
熔融金屬54向纖維44中的浸透通常通過使用超聲波來強化。例如，將振動杆(vibrating horn)58置於熔融金屬54中，使其靠近纖維44。在一些實施方式中，該纖維44與杆頂端的距離在2.5毫米內(在一些實施方式中在1.5毫米內)。在一些實施方式中，該杆頂端是由鈮或鈮合金製備的，例如95wt.％Nb-5wt.％Mo和91wt.％Nb-9wt.％Mo，其可獲自，例如PMTI，Pittsburgh，PA。關於使用超聲波製備金屬基體複合物製品的另外的細節可參照例如美國專利4,649,060(Ishikawa等)、4,779,563(Ishikawa等)和4,877,643(Ishikawa等)、6,180,232(McCullough等)、6,245,425(McCullough等)、6,336,495(McCullough等)、6,329,056(Deve等)、6,344,270(McCullough等)、6,447,927(McCullough等)和6,460,597(McCullough等)、6,485,796(Carpenter等)、6,544,645(McCullough等)、2000年7月14日提出的美國申請09/616,741、2002年1月24日公布的PCT申請WO02/06550。
通常，熔融金屬54在進行滲透過程中和/或在滲透之前進行脫氣(例如降低溶解在熔融金屬54中的氣體(如氫)的量)。對熔融金屬54進行脫氣的技術在金屬加工領域中是已知的。對熔體54的脫氣通常會減少導線中的氣孔。對於熔融鋁，熔體54中的氫含量，在一些實施方式中，小於0.2、0.15或甚至小於0.1cm3/100g鋁。
出口模60構造成提供所需的導線直徑。通常，需要在其長度方向上具有均勻圓度的導線。出口模60的直徑通常略小於導線26的直徑。例如，用於含50體積％氧化鋁纖維的鋁複合導線的氮化矽出口模的直徑比導線26的直徑小3％。在一些實施方式中，出口模60需要由氮化矽製成，儘管其它材料也可以使用。在本領域中其他已被用作出口模的材料包括常規氧化鋁。然而申請人發現，氮化矽出口模的磨損明顯低於常規氧化鋁模，因此更有利於提供所需直徑和形狀的導線，尤其是在很長的導線長度上。
通常，導線26在離開出口模60之後，會通過與液體(例如水)或氣體(例如氮氣、氬氣或空氣)62接觸進行冷卻。這種冷卻有利於提供所需的圓度和均勻性以及無孔隙性。導線26在捲軸64上收集。
金屬基體複合導線中存在的缺陷例如金屬間相、幹纖維、例如隨收縮或內部氣體(例如氫氣或水蒸汽)孔隙產生的多孔性，等等。已知這些缺陷會導致其性能的降低，例如導線20的強度。因此需要減少這種特徵的存在或使其最小化。
金屬包覆的金屬基體複合導線(MCCW)本發明的包覆方法製備了示例性的金屬包覆的金屬基體複合導線20，其與未包覆的導線26相比具有改進的性能。對於具有通常為圓形橫截面形狀的芯線26，製成的導線的橫截面形狀通常並不是理想的圓形。本發明的包覆方法為不規則形狀的芯線26提供了補償，製成了相對較圓的金屬包覆產品(即MCCW 20)。包覆層22的厚度t可以不同，以補償芯線26形狀的不一致。該方法將芯線26置於中心，因此改進了其規格和公差，例如MCCW 20的直徑和圓度。在一些實施方式中，依照本發明的具有通常為圓形橫截面形狀的MCCW 20的平均直徑為至少1毫米、至少1.5毫米、2毫米、2.5毫米、3毫米，或甚至3.5毫米。
在至少100米的MCCW 20的長度上，MCCW 20的最小直徑和最大直徑的比值(參見圓度值測試，其中理想圓形導線的該比值為1)通常至少為0.9，在一些實施方式中，至少為0.92、至少為0.95、至少為0.97、至少為0.98或甚至至少為0.99。在至少100米的MCCW 20的長度上，其圓度均勻度(參見下文的圓度均勻度測試)通常不超過0.9％，在一些實施方式中，不超過0.5％，或者甚至不超過0.3％。在至少100米的MCCW 20的長度上，其直徑均勻度(參見下文的直徑均勻度測試)通常不超過0.2％。
由本發明的方法製備的MCCW 20在拉伸應用中發生初次斷裂之後需要阻止二次斷裂方式，例如微壓曲(micro-bukling)和一般壓曲。MCCW 20的金屬包覆層22起到了阻止金屬基體複合導線26的快速反衝的作用，抑制了在初次斷裂的過程中或其後產生的會引起二次斷裂的壓力衝擊波。金屬包覆層22塑性變形，消除了芯線26的快速反衝。在需要MCCW 20表現出抑制二次斷裂的情況中，需要金屬包覆層22的厚度t足以吸收和抑制壓力衝擊波。對於直徑約為0.07毫米～3.3毫米的芯線26，希望包覆層的厚度t的範圍為0.2毫米～6毫米，或者更希望的範圍為0.5毫米～3毫米。例如，近似壁厚t為約0.7毫米的金屬包覆層22適用於標稱2.1毫米直徑的鋁複合導線26，從而形成直徑約為3.5毫米(0.14英寸)的MCCW 20。
還希望根據本發明製造的MCCW 20表現出塑性變形的能力。常規的金屬基體複合導線通常表現彈性彎曲模式，而不表現出塑性變形，也不經歷材料斷裂。有利地，本發明的MCCW 20在彎曲及隨後釋放時保持一定的彎曲量(即，塑性變形)。在多根導線要絞合或纏繞成電纜的應用中，該塑性變形的能力是有用的。MCCW 20可擰成電纜並保持彎曲結構而不需要額外的保持裝置，例如膠帶或粘結劑。在希望MCCW 20具有永久變形(即，塑性變形)的情況中，包覆層22具有的厚度t足以抵抗芯線26回到初始(未彎曲)狀態的回彈力。對於直徑約為0.07～3.3mm的芯線26，希望包覆層厚度t在0.7mm～約3mm的範圍。例如，近似壁厚約0.7mm的金屬包覆層適用於具有標稱2.1mm直徑的鋁複合導線26，從而形成直徑約為3.5毫米(0.14英寸)的MCCW20。
依照本發明的方法製備的MCCW 20的長度為至少100米、至少200米、至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、至少700米、至少800米，或者甚至至少900米。
金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線可以用於多種用途，包括用於架空電力輸送電纜。
包含依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜可以是如圖7中所示的均質的(即僅包含例如MCCW 20的導線)或者如圖5和6中所示的非均質的(即包含多種次級導線，例如金屬導線)。作為非均質電纜的實例，電纜芯線中可以包含多個依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線，以及包含多個次級導線(例如鋁導線)的外殼，例如如圖5中所示。
包含依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜可以是絞合的。絞合電纜通常包括中心導線和圍繞中心導線的第一層螺旋絞合的導線。通常，電纜的絞合過程是將各根絞合導線以螺旋排列的方式結合生產最終電纜(參見例如美國專利5,171,942(Powers)和5,554,826(Gentry))。所得的螺旋絞合導線繩能提供比具有相同橫截面積的實心棒大得多的柔韌性。其螺旋排列也是有利的，因為當絞合電纜在處理、安裝和使用中彎曲時，該絞合電纜能夠保持其總體的圓形橫截面形狀。螺旋纏繞導線可以包含少到只有3根單股，直到含有50股或更多的更普通的結構。
圖5中示出了一種示例性的包含依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜，其中電纜66可以是包含多個單獨的金屬包覆的金屬基體複合導線70的電纜芯線68，其由多個單獨的鋁或鋁合金導線74組成的夾套72包圍。任何層中可以包含任何適當數量的金屬包覆的金屬基體複合導線70。另外，導線的類型(例如金屬包覆的金屬基體複合導線和金屬導線)可以在任何層或導線中混合。此外，在絞合電纜66中可以根據需要包含超過兩層。如圖6中示出了許多替換方案中的一種，電纜76，其可以是由多個單獨的金屬導線80組成的電纜芯線78，由多個單獨的金屬包覆的金屬基體複合導線84組成的夾套82包圍。單獨的電纜可以相結合成為導線繩結構，例如包含互相絞合在一起的7根電纜的導線繩。
圖7示出了依照本發明的絞合電纜86的另一種實施方式。在該實施方式中，絞合電纜是均質的，使得電纜中的所有導線都是依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線88。可以包括任何適當數量的金屬包覆的金屬基體複合導線88。
包含依照本發明製備的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜可以被用作裸露的電纜，或者可以用作更大直徑電纜的電纜芯線。而且，包含依照本發明的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜可以是由多個導線以及該多個導線周圍的保持裝置所構成的絞合電纜。該保持裝置可以是，例如外包裝帶，可以帶有或者不帶粘合劑或者膠粘劑。
根據本發明的包含金屬包覆的金屬基體複合導線的絞合電纜在許多應用中是有用的。這種絞合電纜被認為特別適合用在架空電力傳輸電纜中，因為其將相對低的重量、高強度、良好的電導率、低熱膨脹係數、高使用溫度和耐腐蝕性組合於一身。
另外關於包覆的金屬基體複合導線的其它細節可以參見，例如2004年2月13日提出的申請號為10/778488的美國在審申請中。
本發明的優點和實施方式通過下述實施例進一步描述，但在這些實施例中引用的具體材料及其用量，以及其它條件和細節不應當被理解為對本發明不恰當的限定。除非特別指出，所有的份數和百分比均以重量計。
實施例測試方法導線抗張強度MCCW 20的抗張性能是基本如ASTM E345-93中所述的方法進行測量的，使用了張力試驗儀(獲自Instron Corp.，Canton，MA的商品「INSTRON」；8562型試驗儀)，其裝有機械校準裝置(獲自Instron Corp.的商品「INSTRON」；型號為8000-072)，其由數據採集系統(獲自InstronCorp.的商品「INSTRON」；型號為8000-074)驅動。
測試使用了兩種不同的計量長度；一種為3.8釐米(1.5英寸)，另一種為63釐米(25英寸)計量長度，樣品裝備有1018低碳鋼管，將其放置在導線的末端，以可保證通過測試設備的握緊。導線樣品的實際長度比樣品計量長度長20釐米(8英寸)，以滿足楔形夾的安裝。對於直徑為2.06毫米(0.081英寸)或更小的金屬包覆的金屬基體複合導線，管子的長度為15釐米(6英寸)，其OD(即，外徑)為6.35毫米(0.25英寸)，其ID(即，內徑)為2.9～3.2毫米(0.11～0.13英寸)。ID和OD應當儘可能同心。對於直徑為3.45毫米(0.14英寸)的金屬包覆的金屬基體複合導線，管子的長度為15釐米(6英寸)，其OD(外徑)為7.9毫米(0.31英寸)，其ID(內徑)為4.7毫米(0.187英寸)。鋼管和導線樣品都用酒精清洗，在距離導線樣品每端10釐米(4英寸)處做標記，使得卡管可以正確定位，以獲得所需的3.8釐米(1.5英寸)或63釐米(25英寸)的計量長度。用帶有塑料噴嘴(獲自Technical Resin Packaging，Inc.)的密封噴槍(以「SEMCO」商品，型號250獲自Technical Resin Packaging，Inc.，Brooklyn Center，MN)在每個卡管的孔中裝滿環氧粘合劑(可以「SCOTCH-WELD 2214 HI-FLEX」商品，高韌性粘合劑，件號62-3403-2930-9，獲自3M Company)。將多餘的環氧樹脂從管中去除，將導線插入管中直到導線上的標記。一旦將導線插入卡管中，將導線固定在適當位置的同時將額外的環氧樹脂注射到管中，保證管中充滿樹脂。(樹脂回充至管中，直到環氧樹脂剛好沿在計量長度的基準處的導線的周圍擠出，同時將導線保持原位)。當兩個卡管都正確定位在導線上時，將樣品置於薄片校正固定裝置中，其在環氧固化周期中保持卡管和導線正確的同心排列。隨後將該組件置於固化爐中，在150℃保持90分鐘，固化環氧樹脂。
使用試驗架上的機械校正裝置在Instron Tester中小心對準試驗架以獲得所需的對準。在測試過程中，使用約為14～17MPa(2～2.5ksi)的機械夾緊壓力將鋸齒狀的V-槽水力鉗夾夾住卡管的外部僅5釐米(2英寸)。
在位置控制模式下使用的應變率為0.01釐米/釐米(0.01英寸/英寸)。使用動態應變計量伸長計(以「INSTRON」商品，型號2620-824獲自Instron Corp.)測量應變。伸長計的刀口之間的距離為1.27釐米(0.5英寸)，量器位於計量長度的中心，用橡皮圈進行保護。使用測微計在沿導線的三個位置上的測量或者測量橫截面積並計算提供相同橫截面積的有效直徑，對導線的直徑進行測定。抗張測試結果提供了實施例的斷裂負載、抗張強度、抗張模量和斷裂應變的數據。測試十組樣品，並從中計算其平均值、標準偏差和差異係數。
纖維強度使用張力試驗儀(可以「INSTRON 4201」購自Instron Corp.，Canton，MA)對纖維強度進行測量，測試按照ASTM D 3379-75(高分子量的單絲材料的抗張強度和楊氏模量標準測試方法)所述進行。樣品的計量長度為25.4毫米(1英寸)，應變率為0.02毫米/毫米。為得到纖維絲束的抗張強度，從纖維絲束中任選10根單纖維絲，對每根單絲都進行測試，確定其斷裂負載。
使用光學顯微鏡(可以「DOLAN-JENNER MEASURE-RITEVIDEO MICROMETER SYSTEM」，型號M25-0002購自Dolan-JennerIndustries，Inc.，Lawrence，MA)的附件在放大1000倍時對纖維的直徑進行光學測量。該裝置利用校準的鏡臺測微計來使用反射光觀測。每根單絲的斷裂應力以每單位面積的負載計。
熱膨脹係數(CTE)CTE的測量是根據1995年公布的ASTM E-238進行的。該測試在膨脹計(獲自「UNITHERM 1091」商品)上進行，其使用的導線長度為5.1釐米(2英寸)。使用一固定裝置來保持樣品，其包括兩個鋁筒，鋁筒的外徑為10.7毫米(0.42英寸)，鑽有6.4毫米(0.25英寸)的內徑。將樣品在每一側用固定螺絲夾緊。樣品的長度從每個固定螺絲的中心測量。用美國國家標準與技術研究院(National Institute ofStandards and Technology)(NIST)鑑定的熔融石英校準標準樣品(以「Fused Silica」商品獲自NIST，Washington，DC)對每個溫度範圍進行至少兩次校準。在-75℃～500℃的溫度範圍，加溫斜率為5℃，在實驗室大氣下測試樣品。測試結果為一組尺寸膨脹和溫度相對應的數據，在加熱過程中每50℃收集一組，在冷卻過程中每10℃收集一組。由於CTE是膨脹變化和溫度之比，因此數據需要處理以獲得CTE值。使用繪圖軟體包(以「EXCEL」商品獲自Microsoft，Redmond，WA)對膨脹對應溫度的數據進行做圖。使用軟體中的標準函數擬合對上述數據擬合成二階冪函數，得到曲線的方程。計算該方程的導數，得到線性函數。該方程給出了與溫度相關的膨脹變化率。該方程在關注的溫度範圍內做出，例如-75～500℃，給出了CTE相對溫度的圖示。該方程也用於獲得任何溫度下的瞬時CTE。
CTE的變化被認為依照以下的方程
αc1＝[EfαfVf+Emαm(1-Vf)]/(EfVf+Em(1-Vf))，其中Vf＝纖維體積分數，Ef＝纖維抗張模量，Em＝基體抗張模量(原位)，αc1＝複合物在長度方向上的CTE，αf＝纖維CTE，αm＝基體CTE。
直徑導線的直徑是根據在沿導線長度上的四個點處的測微器讀數進行測量的。通常導線並不是理想的圓形，因此有長的和短的方面。通過旋轉導線得到讀數，以保證長的和短的方面都能夠測量到。公布的直徑為長的和短的方面的平均值。
纖維體積分數纖維的體積分數通過標準金相學技術進行測量。將導線的橫截面擦光，使用密度剖面功能(density profiling function)加上稱為NIHIMAGE(1.61版)的電腦程式的幫助來測量纖維的體積分數，該電腦程式是由National Institutes of Health的Research Services Branch開發的一種公用的圖像處理程序。該軟體測量了導線的代表性區域的平均灰階強度。
將一截導線安放在裝配樹脂中(以「EPOXICURE」獲自Buehler Inc.，Lake Bluff，IL)。使用常規的磨光機/拋光機(獲自Struers，West Lake，OH)和常規的金剛石漿對裝好的導線進行磨光，在最後的磨光步驟中使用1微米的金剛石漿(以「DIAMOND SPRAY」商品獲自Struers)，得到導線的磨光的橫截面。用掃描電子顯微鏡(SEM)在150倍數下拍攝磨光的導線橫截面的顯微照片。在拍攝SEM顯微照片時，將圖像的閾值調整到對所有纖維為零強度，生成二元圖像。用NIH IMAGE軟體對SEM顯微照片進行分析，通過使二元圖像的平均強度除以最大強度就得到了纖維的體積分數。該方法用於確定纖維體積分數的誤差被認為是+/-2％。
圓度值圓度值是表徵該導線橫截面形狀接近圓形程度的量度，定義為指定長度上所測的單個圓度值的平均。用於計算平均值的單個圓度值如下使用旋轉雷射測微計(以「ODAC 30J ROTATING LASERMICROMETER」商品購自Zumbach Electronics Corp.，Mount Kisco，NY購得，軟體「USYS-100」，版本BARU13A3)來測定，設定測微計使其記錄在導線每旋轉180°的過程中每100毫秒時的導線直徑。每次180°旋轉要花費10秒。測微計將從每次180°旋轉獲得的數據報告發送到操作資料庫中。該報告包含在旋轉周期中收集的100個數據點的最小值、最大值和平均值。該導線的速度為1.5米/分鐘(5英尺/分鐘)。對於在旋轉周期中收集的100個數據點，「單個圓度值」是最小直徑和最大直徑的比值。圓度值則為在指定長度上所測的單個圓度值的平均值。單個平均直徑為100個數據點的平均值。
圓度均勻度值圓度均勻度值，是在指定長度上所測的單個圓度值的差異係數，是所測單個圓度值的標準偏差除以所測單個圓度值的平均值所得的比值。該標準偏差根據以下方程確定 其中n是抽樣總體的數目(即為了計算用於確定直徑均勻度值所測的單個圓度值的標準偏差，n為在指定長度上所測圓度值的數目)，x是抽樣總體的測量值(即為了計算用於確定直徑均勻度值所測的單個圓度值的標準偏差，x為在指定長度上所測的單個圓度值)。用於確定平均值所測的單個圓度值可由如上所述的圓度值測量的方法得到。
直徑均勻度值直徑均勻度值，是在指定長度上所測的單個平均直徑的差異係數，其定義為所測單個平均直徑的標準偏差除以所測單個平均直徑的平均值所得的比值。所測單個平均直徑是用如上所述的用於圓度值的方法獲得的100個數據點的平均值。標準偏差採用方程(1)計算而得。
實施例1使用34束1500但尼爾的「NEXTEL 610」氧化鋁陶瓷纖維製備鋁基體複合導線。每束都包含約420根纖維。該纖維的橫截面基本呈圓形，其平均直徑範圍為約11～13微米。纖維的平均抗張強度(如上所測的)範圍為2.76～3.58GPa(400～520ksi)。單個纖維的強度為2.06～4.82GPa(300～700ksi)。纖維(多束的形式)通過熔體表面被送入鋁的熔融浴中，以水平方向通過2個石墨輥的下面，然後以45°角通過熔體表面離開熔體，此處放置了一個模體，然後被送到卷繞捲軸(例如如美國專利6,336,495(McCullough等)中所述的，圖1)。在氧化鋁爐缸中將鋁(＞99.95％鋁，獲自Belmont Metals，New York，NY)熔融，該爐缸尺寸為24.1釐米×31.3釐米×31.8釐米(9.5」×12.5」×12.5」)(獲自Vesuvius McDaniel，Beaver Falls，Pa)。熔融鋁的溫度約為720℃。將含95％鈮和5％鉬的合金(獲自PMTI Inc.，Large，PA)製成圓筒狀，其尺寸為12.7釐米(5英寸)長×2.5釐米(1英寸)直徑。該圓筒被用作超聲波杆執行器，通過將其調到所需的振動(即通過改變其長度來調節)，振動頻率為20.06～20.4kHz。該執行器的振幅大於0.002釐米(0.0008英寸)。執行器的頂端平行引到輥之間的纖維，使得其間距離為＜2.5毫米(＜0.1英寸)。該執行器與鈦波導相連接，鈦波導又連接到超聲波換能器上。然後將基體金屬滲透到纖維中形成具有相對均勻的橫截面和直徑的導線。由該方法製備的導線的直徑為2.06毫米(0.081英寸)。
位於出口側的模體是由氮化硼製成的，其相對熔體表面傾斜45°角，包含一個內徑適合導入一內徑為2毫米(0.08英寸)的氧化鋁導絲器的孔。該導絲器使用氧化鋁糊粘合到位。一旦離開該模，就使用氮氣對導線進行冷卻，以防止在該工藝中將導線和纖維拉出的橡膠驅動輥的損壞和燃燒。然後將導線在帶凸緣的木質捲軸上卷繞起來。
根據橫截面的顯微照片(200倍的放大率)估算的纖維的體積百分比約為45體積％。
導線的抗張強度為1.03～1.31GPa(150～190ksi)。
室溫下的拉伸率約為0.7～0.8％。拉伸率是在抗張實驗中由伸長計測量的。
鋁複合導線(ACW)被作為用於依照本發明的方法包覆的芯線26(參見圖1和2)。其提供在36英寸OD、30英寸ID和3英寸寬的捲軸上，該捲軸置於一松卷系統中。使用制動系統(breaking system)將ACW 26的張力保持最小值，使得其張力剛好能夠防止鋁複合導線的捲軸不會開卷。待包覆的ACW 26在穿過包覆機30並連接到出口側的卷繞輥之前不經過表面清潔和預加熱。
包覆機(Model 350；可獲自BWE Ltd，Ashford，England，UK，商品名「CONKLAD」)以切線模式運行(參見圖2)，其是指產品中心線(例如MCCW 20)與擠出輪34呈切線方式運行。在操作中，參見圖2，將鋁進料28(EC137050；9.5毫米直徑的標準桿，可獲自Pechiney，France)從兩個松卷輥(未示出)上鬆開，進入旋轉擠出輪34的外圍凹槽42，該擠出輪為雙凹槽標準無軸輪。使用標準的標準軌道(parorbital)清洗系統(由BWE Ltd.開發)對進料鋁28進行表面清潔，以在使用前去除表面的氧化物、膜、油汙、油脂或任何形式的粘性表面汙染物。
ACW 26在滑塊32的入口模38處被引入包覆機30。ACW 26直接穿過擠壓裝置(滑塊32)和出口擠壓模40(另外，參見圖3)。模腔36為BWE型32(可獲自BWE Ltd，Ashford，England，UK)。兩個鋁進料杆在芯線26的兩側進入模腔36中，使壓力和金屬流量相同。加熱模腔36控制鋁的溫度為約500℃。擠出輪36的運動和加熱都由模腔36提供，用塑化鋁28填充模腔36。鋁28塑性環繞ACW 26流動，並流出出口模40。出口模40比ACW 26更大，其內徑為3.45毫米，以適應包覆層的厚度。
調節擠壓輪36的速度，直到鋁環繞ACW 26從出口模40擠出，腔室內壓力足以造成包覆層22和ACW 26之間的一些局部結合。此外，擠出的鋁28將芯線26拉出通過出口模40，這樣收集MCCW 20產品的卷繞輥不需要使用張力。產品離開機器的線速度約為50m/min。在離開機器之後，導線穿過水槽進行冷卻，然後被纏繞到卷繞輥上。這樣一個包覆的ACW樣品就製備完成了(304米(1000英尺)長)，其包覆壁厚為0.7毫米。
MCCW 20包含標稱2.06毫米(0.081英寸)直徑的ACW 26和鋁包覆層22，產生的MCCW 20的直徑為3.5毫米(0.140英寸)。不規則形狀的ACW 26在包覆層22中得到了補償，產生了非常圓的產品。MCCW 20中的面積分數為33％ACW和67％鋁包覆層。已知ACW 26中的纖維體積分數為45％，則MCCW 20中的淨纖維體積分數為約15％。
使用上述的導線抗張強度測試，實施例1中所製備的導線的測試如下(3.8釐米(1.5英寸計量長度))

實施例1的MCCW 20經過測試測量其沿導線軸的熱膨脹係數(CTE)。其結果如圖8中示出的CTE相對於溫度的圖線。在溫度為-75℃～+500℃的範圍內CTE的範圍為～14～19ppm/℃。
還對實施例1的MCCW 20測量了導線的圓度值、圓度均勻度值和直徑均勻度值。
平均直徑＝3.57毫米(0.141英寸)直徑均勻度值＝0.12％導線圓度值＝0.9926圓度均勻度值＝0.29％導線長度＝130米(427英尺)實施例2實施例2的製備方法與實施例1中所述類似，除了該芯線26在進入入口導模38之前使用感應加熱將其加熱到300℃(表面芯線溫度)。這樣形成了304米(1000英尺)長度和0.70毫米(0.03英寸)的包覆層壁厚的包覆導線(MCCW 20)。
使用如上所述的導線抗張強度測試，測試在實施例2中製造的包覆導線(MCCW 20)。63.5cm(25英寸計量長度)

對實施例2的包覆導線(MCCW 20)進行分析，確定鋁包覆層的屈服強度。圖9中示出了實施例2的包覆導線的應力-應變行為的曲線圖。在0.04～0.06％應變範圍處斜率存在變化，這與鋁包覆層的屈服度有關。芯線本身並不會表現出該屈服性能。圖9說明屈服的產生發生在0.042％應變時。因此屈服強度為模量與屈服應變的乘積。純鋁的抗張模量為69GPa(10ksi)。因此計算的屈服應力為29.0MPa(4.2ksi)。
比較例1使用上述的導線抗張強度測試對AMC芯線26(直徑為2.06毫米(0.081英寸))(由實施例1中所述製備的)的斷裂張力進行了測試。在測試後用目測觀察記錄斷裂數。在計量長度等於或大於380毫米(15英寸)的導線上觀察到了多處斷裂。對於直到635毫米(25英寸的)計量長度，其斷裂數目通常為2～4。使用高速攝影機(以「KODAK」商品購自Kodak，Rochester，NY(Kodak HRC 1000，500幀/秒；放置與樣品距離61釐米(2英尺)))記錄斷裂機理。該視頻顯示了在每個導線中的斷裂次序，初次(第一次)斷裂為張力性質，所有之後的斷裂(即二次斷裂)表現為作為可操作機理之一的普通壓縮彎折。其它斷裂表面的斷口顯微觀察(SEM)也證明了其它二次斷裂機理為壓縮微彎折。
實施例3對AMC芯線26(直徑為2.06毫米(0.081英寸)，包覆有0.7毫米(0.03英寸)的鋁包覆層22)(由實施例1中所述製備的)的斷裂張力進行了測試。該包覆導線(MCCW 20)為635毫米(25英寸)的計量長度。在初次張力斷裂(斷裂負載平均為4900N)之後該包覆導線沒有表現出二次斷裂。通過再次夾住斷裂導線(MCCW 20)的較長線段並再次測試其承受拉力(計量長度仍保持大於38.1釐米(15英寸))，證明了沒有二次斷裂。再次測試時，包覆導線(MCCW 20)表現出略高的斷裂負載(～5000N)。該結果表明包覆導線內沒有隱藏的二次斷裂位置。負載-位移也明確顯示了初次拉伸斷裂發生時鋁包覆層22的作用，如圖10中的曲線圖所示。負載的急劇下降與ACW 26的初次斷裂有關，然而，負載不會瞬間降低為零；鋁包覆層22承擔了一部分的負載，該包覆層伸長並抑制了瞬間反衝，如圖中箭頭90的區域所示。
彎曲保持特測試彎曲保持測試表明了變形後的曲線保持的彎曲量。如果沒有保持彎曲，導線是完全彈性的。如果保持了一定量的彎曲，該導線或該導線的至少一部分具有塑性變形因此保持了彎曲形狀。彎曲保持測試通常在低於所測試導線的斷裂強度的力和彎曲角度進行。
用手將一定長度的MCCW 20(如上所述)進行捲曲成圓環，形成如圖11中所示的卷狀樣品92。卷狀樣品92是封閉的圓環，其圓周的特定直徑為約20.3釐米(8英寸)～134.6釐米(53英寸)。
對於每個卷狀樣品92，測量了卷狀樣品100的弦長L。測量了垂直於弦長L並從弦長L的中點到卷狀樣品92的邊緣的線段長度y。根據方程2計算每個樣品的初始彎曲半徑Rinitial，其中x＝L。
y2+x22y=R---(2)]]>下表1中給出了實施例4-13中的L、y和Rinitial。
表1

然後鬆開卷狀樣品92的末端，使該包覆導線(MCCW 20)鬆弛到最終曲線形式。在該鬆弛導線上測量Y』和L』，計算最終的彎曲半徑Rfinal。下表2中示出了不同實施例的結果。
表2

圖12中繪出了鬆弛半徑與彎曲半徑的關係。
使用兩種理論模型，即內徑模型和塑性鉸模型，來預測MCCW為保持13.0英寸(33.0釐米)變形(set)所需的包覆層厚度。下述計算方法確定了半徑為r的芯線周圍的包覆層所需的厚度t，r為保持MCCW最終的鬆弛彎曲半徑ρ所需的。兩種模型對於韌性金屬在包覆層中的屈服方式不同。
中心芯線的彎矩為Mbw=EIzzw---(3)]]>固體圓形橫截面積的面積矩Izzw為Izzw=r44---(4)]]>其中r為芯線的半徑，E為芯線的彈性模量，ρ為MCCW的彎曲半徑。
內徑模型預測導線的平衡狀態發生在包覆層材料中包覆層內邊處的張力等於包覆材料的屈服強度時。即σx＝Y，其中σx為包覆材料中的張力，Y為包覆材料的屈服強度。
導線在該狀態下的彎矩ML為ML=xIzzcr---(5)]]>包覆層的圓環面積矩Izzc定義為Izzc=((r+t)4-r4)4---(6)]]>第二種模型，塑性鉸模型使用如下方程平衡狀態下的彎矩MP定義為MP=xIzzP(r+t)---(7)]]>塑性鉸模型的面積矩IzzP為
IzzP=((r+t)4-r4)2---(8)]]>導線的鬆弛最終狀態確定在芯線的彎矩與MCCW的彎曲屈服力矩相等處。
對於內徑模型，其發生在Mbw＝ML(9)對於塑性鉸模型，其發生在Mbw＝MP(10)可通過求解方程7和8，得到包覆層厚度t作為芯線半徑r、包覆層材料屈服強度Y、MCCW的彎曲半徑和芯線的彈性模量的函數。
下述實施例中使用了下面的參數芯線半徑r＝.040英寸芯線彈性模量E＝24MSIMCCW彎曲半徑ρ＝13英寸包覆層屈服應力σx＝9000ksi已知所測的導線的彎曲半徑(13.0英寸，33.0釐米)和包覆層材料的假定屈服強度(9ksi)(62MPa)，計算出的包覆層厚度為包覆層厚度英計(釐米)計算值(內徑模型) 0.030(0.076)計算值(塑性鉸模型)0.027(0.069)測量值0.030(0.076)不脫離本發明的範圍和精神，對本發明的不同改進和變化對於本領域的技術人員將變得顯而易見，應當理解為本發明不被在此提出的示例性實施方式不正當限定。
權利要求
1.一種金屬包覆的金屬基體複合導線，包括金屬基體複合芯，具有外表面，該金屬基體複合芯包括至少一股絲束，其中該絲束含有多個彼此縱向定位的連續纖維，所述纖維包含陶瓷或碳纖維中的至少一種；金屬基體，其中每股絲束定位在該金屬基體中；和金屬包覆層，其覆蓋在金屬基體複合芯的外表面上，其中該金屬包覆層的熔點不高於1100℃，其中該金屬包覆的金屬基體複合導線在至少100米的長度上，表現至少0.95的圓度值、不超過0.9％的圓度均勻度值和不超過0.2％的直徑均勻度值。
2.如權利要求1的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬基體複合芯包含多股絲束。
3.如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆的金屬基體複合導線是可塑性變形的。
4.如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中當所述金屬基體複合芯的一部分經受初次斷裂時，所述金屬包覆層可有效消除反衝效應，並防止在所述金屬包覆的金屬基體複合導線的線段上發生二次斷裂。
5.如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中，與沒有金屬包覆層的金屬基體複合導線的斷裂應變相比，所述金屬包覆層具有更大的斷裂應變。
6.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬基體複合芯的金屬基體包括鋁、鋅、錫、鎂、銅或其合金中的至少一種。
7.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬基體複合芯的金屬基體包括鋁或其合金中的至少一種。
8.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中以金屬基體複合芯的金屬總重量計，金屬基體複合芯的金屬基體含有至少98wt.％的鋁。
9.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆層的熔點不高於1000℃。
10.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆層的熔點不高於700℃。
11.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆層包括鋁、鋅、錫、鎂、銅或其合金中的至少一種。
12.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆層包括鋁或其合金中的至少一種。
13.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中以金屬包覆層的總重量計，金屬包覆層含有至少98wt.％的鋁。
14.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述金屬包覆層的厚度範圍為0.2毫米～6毫米。
15.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中每股絲束中至少85％的纖維是連續的。
16.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中以金屬基體複合芯的總體積計，金屬基體複合芯含有40～70體積％的纖維。
17.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述纖維為陶瓷氧化物纖維。
18.如權利要求5的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中所述纖維是多晶α氧化鋁纖維。
19.如權利要求18的金屬包覆的金屬基體複合導線，其中以纖維中的總金屬氧化物含量計，所述纖維含有至少99wt.％的Al2O3。
20.一種包括至少一股如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜。
21.如權利要求20的電纜，進一步包含多股所述金屬包覆的金屬基體複合導線，它們螺旋形絞合形成均質電纜。
22.如權利要求20的電纜，進一步包含多個次級導線。
23.一種包含多股如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線的電纜，其中所述導線在永久變形中螺旋形絞合。
24.一種包含電纜芯和外殼的電纜，其中所述電纜芯包含至少一股如權利要求2的金屬包覆的金屬基體複合導線，所述外殼包含次級導線。
25.一種金屬包覆的鋁基體複合導線，包括鋁基體複合導線，具有外表面，該鋁基體複合導線包括至少一股絲束，其中該絲束含有多個彼此縱向定位的連續纖維，所述纖維包含陶瓷或碳纖維中的至少一種；鋁基體，其中每股絲束定位在該鋁基體中；和金屬包覆層，其覆蓋在鋁基體複合導線的外表面上，其中該金屬包覆層的熔點不高於1100℃，其中該金屬包覆的鋁基體複合導線在至少100米的長度上，具有至少0.98的圓度值、不超過0.5％的圓度均勻度值和不超過0.2％的直徑均勻度值。
26.如權利要求25的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述鋁基體複合導線包含多股絲束。
27.如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆的鋁基體複合導線是可塑性變形的。
28.如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中當所述鋁基體複合導線經受初次斷裂時，所述金屬包覆層可有效消除反衝效應，並防止所述金屬包覆的鋁基體複合導線發生二次斷裂。
29.如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中，與沒有金屬包覆層的鋁基體複合導線的斷裂應變相比，所述金屬包覆層具有更大的斷裂應變。
30.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述鋁基體複合導線的鋁基體包括鋁或其合金中的至少一種。
31.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中以鋁基體複合導線中鋁的總重量計，鋁基體複合導線的鋁基體含有至少98wt.％的鋁。
32.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆層的熔點不高於1000℃。
33.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆層的熔點不高於700℃。
34.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆層包括鋁、鋅、錫、鎂、銅或其合金中的至少一種。
35.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆層包括鋁或其合金中的至少一種。
36.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中以金屬包覆層的總重量計，金屬包覆層含有至少98wt.％的鋁。
37.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述金屬包覆層的厚度範圍為0.2毫米～6毫米。
38.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中每股絲束中至少85％的纖維是連續的。
39.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中以鋁基體複合導線的總體積計，鋁基體複合導線含有40～70體積％的纖維。
40.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述纖維為陶瓷氧化物纖維。
41.如權利要求29的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中所述纖維是多晶α氧化鋁纖維。
42.如權利要求41的金屬包覆的鋁基體複合導線，其中以纖維中的總金屬氧化物含量計，所述纖維含有至少99wt.％的Al2O3。
43.一種包括至少一股如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線的電纜。
44.如權利要求43的電纜，進一步包含多股所述金屬包覆的鋁基體複合導線，它們螺旋形絞合形成均質電纜。
45.如權利要求43的電纜，進一步包含多個次級導線。
46.一種包含多股如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線的電纜，其中所述導線在永久變形中螺旋形絞合。
47.一種包含電纜芯和外殼的電纜，其中所述電纜芯包含至少一股如權利要求26的金屬包覆的鋁基體複合導線，所述外殼包含次級導線。
全文摘要
金屬包覆的金屬基體複合導線，其包含與金屬基體複合導線的外表面結合的經熱加工的金屬包覆層，該金屬基體複合導線在金屬基體內包含多個連續的縱向定位的纖維。
文檔編號C22C47/08GK1918671SQ200580004926
公開日2007年2月21日 申請日期2005年1月3日 優先權日2004年2月13日
發明者科林·麥卡洛, 赫維·E·德韋, 道格拉斯·E·詹森 申請人:3M創新有限公司