專利名稱：鋁基復(fù)合導(dǎo)線、電纜和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存在于鋁基質(zhì)中的經(jīng)基本連續(xù)的氧化陶瓷纖維增強(qiáng)的復(fù)合導(dǎo)線和摻入了這些導(dǎo)線的電纜。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)久以來(lái)，金屬基復(fù)合材料(MMC)由于其綜合具有高強(qiáng)度和高剛性以及重量低而被人們認(rèn)為是一種具有使用前景的材料。MMC通常包括用纖維增強(qiáng)的金屬基質(zhì)。在選擇纖維時(shí)，人們已廣泛認(rèn)識(shí)到需要具有高強(qiáng)度、高彈性模量和低熱膨脹系數(shù)的增強(qiáng)纖維。
特別感興趣的是將導(dǎo)線形式的金屬基復(fù)合材料用作裸的架空電力傳輸電纜中的增強(qiáng)部件。由于負(fù)荷增加和因調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的電流改變的緣故，需要增加現(xiàn)有的傳輸設(shè)施的電力傳送能力，從而產(chǎn)生了對(duì)這種電纜中新材料的需求。對(duì)于這類新的材料，其所需的性能要求包括抗腐蝕性、環(huán)境耐受性(如耐UV和耐潮濕)、高溫下的強(qiáng)度的保留以及抗蠕變性。
重要的性能是彈性模量、密度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性和強(qiáng)度。這些性能通常由組成物的選擇和純度(即金屬基質(zhì)的材料和纖維含量)以及纖維體積分?jǐn)?shù)所決定。在這些性能中，研究的重點(diǎn)是由拉伸強(qiáng)度和剛性高的纖維制成的導(dǎo)線。重點(diǎn)集中在生產(chǎn)高強(qiáng)度的材料，部分是由于認(rèn)為要使復(fù)合材料在經(jīng)濟(jì)上能與常規(guī)的材料如鐵競(jìng)爭(zhēng)，其強(qiáng)度應(yīng)盡可能高。例如，在Ouchi等的《使用SiC纖維增強(qiáng)的鋁復(fù)合導(dǎo)線的復(fù)合導(dǎo)體的機(jī)械性質(zhì)》〔(Mechanical Properties of Composite Conductorsusing SiC Fiber Reinforced Aluminum Composite Wires)，《國(guó)家電學(xué)協(xié)會(huì)論文集》(TheElectricity Society National Symposium)，1996〕中，公開(kāi)了一種用高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)的鋁導(dǎo)線，其商品名稱為“NICALON”，該文描述了需要用于架空電力傳輸電纜的“高強(qiáng)度”MMC導(dǎo)線。
仍需要具有適當(dāng)性能的復(fù)合材料，以用于各種電纜中，尤其是架空電力傳輸電纜。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及基本連續(xù)的纖維鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及鋁基復(fù)合材料制品，較佳是細(xì)長(zhǎng)的金屬?gòu)?fù)合材料制品，如導(dǎo)線、帶子等。這類制品較佳包含存在于含鋁基質(zhì)中(如高純度的鋁或其合金)的、基本連續(xù)的、縱向定位的纖維。較佳的是，導(dǎo)線的基質(zhì)包括至少占基質(zhì)總重量99.95重量％的鋁。
將本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料制成具有所需的強(qiáng)度重量比和熱膨脹特性、高導(dǎo)電率和低模量的導(dǎo)線。這種導(dǎo)線能很好地適用作電力傳輸電纜中的纜芯材料，因?yàn)樗鼈兙哂心芨倪M(jìn)現(xiàn)有技術(shù)電力傳輸電纜的電學(xué)和物理學(xué)特質(zhì)。
本發(fā)明的材料宜于導(dǎo)線和電纜是有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)樵谑軣釙r(shí)，由于其熱膨脹系數(shù)低下垂得較少。此外，與金屬導(dǎo)線或用高模量材料增強(qiáng)的復(fù)合導(dǎo)線相比，當(dāng)電纜承受高的機(jī)械負(fù)荷(如受到冰和風(fēng)的負(fù)荷)時(shí)，由于其模量低的緣故，使用本發(fā)明的導(dǎo)線能減少對(duì)支撐塔的張力。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種鋁基復(fù)合材料制品，該制品在基質(zhì)(包括鋁)中包含許多纖維。在此實(shí)施例中，以理論氧化物計(jì)，纖維包含約35-75重量％的Al2O3、0到約50重量％的SiO2、大于約5重量％的B2O3，這些百分比是以相應(yīng)纖維總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。在此實(shí)施例中，導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度中具有非線性的熱膨脹系數(shù)、不大于約105GPa(15Msi)的模量和至少約350MPa(50ksi)的平均拉伸強(qiáng)度。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線在基質(zhì)(包括鋁)中包含許多基本連續(xù)、縱向定位的纖維。在此實(shí)施例中，以理論氧化物計(jì)，纖維包括約35-75重量％的Al2O3、0到約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，這些百分比是以相應(yīng)纖維總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。在此實(shí)施例中，導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度中具有非線性的熱膨脹系數(shù)、不大于約105Gpa(15Msi)的模量和至少約350MPa(50ksi)的平均拉伸強(qiáng)度。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種制造鋁基復(fù)合導(dǎo)線的方法，該導(dǎo)線包含在基質(zhì)(包含鋁)中的許多基本連續(xù)的、縱向定位的纖維。該方法包括提供包容體積(contained volume)的熔融基質(zhì)材料；將許多基本連續(xù)的纖維浸入包容體積的該熔融基質(zhì)材料中，以理論氧化物計(jì)，該纖維包含約35-75重量％的Al2O3、0到約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，這些百分比是以相應(yīng)纖維總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)；施加超聲波能量，使包容體積的該熔融基質(zhì)材料中至少有一部分振動(dòng)，以使至少一部分熔融基質(zhì)材料滲入并潤(rùn)濕許多纖維，這樣提供許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維；在允許該熔融基質(zhì)材料固化的條件下，從包容體積的該熔融基質(zhì)材料中取出許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維，從而提供包含許多纖維的鋁基復(fù)合材料，其中所述纖維基本連續(xù)，縱向定位在含鋁基質(zhì)中，并且所述導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度中具有非線性的熱膨脹系數(shù)、不大于約105Gpa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電纜，該電纜中至少有一根鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位于含鋁基質(zhì)中的纖維。在此實(shí)施例中，以理論氧化物計(jì)，所述纖維包括約35-75重量％的Al2O3、0到約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，這些百分比是以相應(yīng)纖維總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。此外，在此實(shí)施例中，所述導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度中具有非線性的熱膨脹系數(shù)、不大于約105GPa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的纖維。在此實(shí)施例中，氧化陶瓷纖維具有不大于173GPa(25Msi)的模量，所述導(dǎo)線具有不大于約105GPa的模量。
在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電纜，該電纜中至少有一根鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線包括許多基本連續(xù)的、縱向定位于含鋁基質(zhì)中的纖維。在此實(shí)施例中，所述纖維具有不大于約240GPa(35Msi)的模量，所述導(dǎo)線具有不大于約105GPa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
定義在本文中，所使用的術(shù)語(yǔ)的表示如下“基本連續(xù)的纖維”指其長(zhǎng)度與平均有效纖維直徑相比，是相對(duì)無(wú)窮大的纖維。這通常是指纖維的縱橫比(即纖維的長(zhǎng)度與平均有效直徑之比)至少約為1×105，較佳至少約為1×106，更佳至少約為1×107。這些纖維的長(zhǎng)度通常至少約為50米，甚至可有幾千米的長(zhǎng)度甚或更長(zhǎng)。
“平均有效直徑”指面積與測(cè)量對(duì)象的截面積相同的圓的直徑。例如，截面為圓形的纖維或?qū)Ь€具有一個(gè)可測(cè)出的直徑，使用該直徑，根據(jù)πd2/4可準(zhǔn)確計(jì)算出其面積。截面為非環(huán)狀的、橢圓形的、卵圓形的或不規(guī)則形狀的纖維或?qū)Ь€不具有一個(gè)可測(cè)出的直徑，但是它們的截面面積是可以測(cè)量的，因此可以計(jì)算出產(chǎn)生具有該相同截面面積的圓的直徑。這個(gè)直徑就稱為有效直徑。平均有效直徑是幾個(gè)計(jì)算得到的有效直徑的數(shù)值平均值。
“縱向定位的”指纖維的取向與導(dǎo)線的長(zhǎng)度方向相同。
“熱膨脹系數(shù)(CTE)”指在纖維和/或?qū)Ь€的縱向方向上，熱膨脹隨著所測(cè)量的指明溫度范圍而變化的比值。即熱膨脹系數(shù)＝(尺寸變化)/(溫度變化)瞬時(shí)CTE值是在特定溫度下計(jì)算的熱膨脹-溫度曲線的斜率(即，熱膨脹-溫度曲線方程的導(dǎo)數(shù))。
“在-75℃到500℃溫度中的非線性CTE”指在百分比熱膨脹-溫度曲線上特定溫度范圍內(nèi)的拐點(diǎn)之間的部分，其二階曲線擬合的斜率為正負(fù)斜率交替出現(xiàn)。
“平均拉伸強(qiáng)度”指測(cè)得的幾個(gè)纖維、導(dǎo)線或電纜樣品的拉伸強(qiáng)度的數(shù)值平均值。
“縱向拉伸強(qiáng)度”指當(dāng)在纖維、導(dǎo)線或電纜的長(zhǎng)軸方向上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使該纖維、導(dǎo)線或電纜破壞的應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力也等于施加給樣品的最大應(yīng)力。應(yīng)力S＝L/A，其中L是在進(jìn)行張力試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的最大負(fù)荷，A是樣品測(cè)量前的截面面積。
“模量”指縱向拉伸模量。它是在纖維、導(dǎo)線或電纜的長(zhǎng)軸方向上測(cè)得的拉伸剛性。它表示所測(cè)量的樣品在給定的應(yīng)變?cè)黾臃秶驊?yīng)變范圍內(nèi)單位應(yīng)變的平均應(yīng)力。對(duì)于導(dǎo)線，在0-0.05％應(yīng)變之間測(cè)量模量。
“電纜模量”指電纜的彈性拉伸模量。通過(guò)使用拉伸測(cè)試設(shè)備給電纜施加和卸載負(fù)荷，獲得負(fù)載-卸載變形曲線，從而獲得電纜模量。給電纜時(shí)間足夠的負(fù)荷，使電纜的結(jié)構(gòu)性伸長(zhǎng)被拉緊后，該電纜產(chǎn)生彈性變形。將曲線卸載區(qū)域的數(shù)據(jù)用于計(jì)算電纜模量。這在《電纜理論》〔Theory of Wire Rope，《電纜測(cè)試》(Testingof Wire Rope)，第6章，George A.Costello，Springer-Verlag(1997)〕中有進(jìn)一步的描述?？墒褂孟率龇匠蹋伤鶞y(cè)得的負(fù)載-卸載數(shù)據(jù)計(jì)算電纜模量E＝ΔF/Ae其中，E是電纜的計(jì)算值；ΔF是測(cè)量區(qū)域中測(cè)量的負(fù)荷變化；A是測(cè)試前測(cè)定的電纜中導(dǎo)線的總截面面積；e是測(cè)量區(qū)域中所測(cè)得的電纜長(zhǎng)度的變化；具體而言，e＝(lf-l0)/l0其中，l0是測(cè)量區(qū)域電纜的初始長(zhǎng)度，lf是測(cè)量區(qū)域電纜的最終長(zhǎng)度。
“平均破壞應(yīng)變”指平均的破壞應(yīng)變，它是幾個(gè)樣品中測(cè)得的破壞應(yīng)變的數(shù)值平均值。破壞應(yīng)變是單位長(zhǎng)度樣品的延長(zhǎng)或延伸。它可表示為e＝(lf-lo)/lo其中，e是單位長(zhǎng)度樣品的延長(zhǎng)或延伸；lf是樣品的最終標(biāo)距；lo是樣品的最初標(biāo)距。
“纖維理論破壞應(yīng)變”指使用平均纖維拉伸強(qiáng)度計(jì)算得到的導(dǎo)致纖維破壞的應(yīng)變，它表示為應(yīng)力＝模量×應(yīng)變因而應(yīng)變＝應(yīng)力/模量。對(duì)于商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維，測(cè)得的平均拉伸應(yīng)力為1.68GPa(244Ksi)，其模量為151GPa(22Msi)。因此，應(yīng)變是1.1％，纖維理論破壞應(yīng)變?yōu)?.1％。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是顯示本發(fā)明兩根導(dǎo)線樣品的膨脹百分比與溫度的關(guān)系圖，這兩根導(dǎo)線樣品分別含有3M公司(St.Paul，MN)銷售的商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維(第1和第2條曲線)，它們與含有3M公司(St，Paul，MN)銷售的商品名稱為“NEXTEL610”的纖維的導(dǎo)線(第3條曲線)相比。
圖2是對(duì)圖1的由商品名稱為“NEXTEL 610”制得的導(dǎo)線(圖1的第3條曲線)與由商品名稱為“NEXTEL 312”(圖1的第2條曲線)膨脹百分比與溫度關(guān)系的擬合曲線。
圖3是從圖2擬合曲線得到的瞬時(shí)CTE的圖。
圖4是由商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維和純鋁制得的導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度-纖維體積分?jǐn)?shù)圖。
圖5是由商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維和純鋁制得的導(dǎo)線的破壞拉伸應(yīng)變-纖維體積分?jǐn)?shù)圖。實(shí)際破壞應(yīng)變相對(duì)于纖維理論破壞應(yīng)變百分比在另一應(yīng)變軸上表示。
圖6是由商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維和純鋁制得的導(dǎo)線的拉伸模量-纖維體積分?jǐn)?shù)圖。
圖7和8是具有復(fù)合金屬基纜芯的架空電力傳輸電纜的兩個(gè)實(shí)施例的示意性截面圖。
圖9是本發(fā)明的絞合電纜一個(gè)實(shí)施例的端視圖，該電纜在許多纖維束周圍有保持裝置。
圖10是本發(fā)明電力傳輸電纜實(shí)施例的端視圖。
圖11是本發(fā)明電纜的下垂-導(dǎo)體溫度圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明是以以下發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的可使用通常認(rèn)為不適合用于加強(qiáng)的纖維來(lái)生產(chǎn)低強(qiáng)度材料，這些材料在現(xiàn)在的用途如架空電力傳輸?shù)陌l(fā)展中可直接與高性能的材料競(jìng)爭(zhēng)。本發(fā)明提供一些制品，較佳是細(xì)長(zhǎng)的金屬?gòu)?fù)合材料制品，如導(dǎo)線、帶子等，這些制品包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在基質(zhì)中的纖維，該基質(zhì)包含鋁(如高純度的鋁或其合金)。
本發(fā)明提供復(fù)合材料制品，如導(dǎo)線和電纜，這些制品包含纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)線包括許多基本連續(xù)的、縱向定位的、包埋于基質(zhì)中的增強(qiáng)纖維(較佳的是氧化陶瓷，最佳的是Al2O3基的增強(qiáng)纖維)，該基質(zhì)包含鋁，可能還任選地包含一種或多種其它金屬(較佳是高純度的鋁單質(zhì)或純鋁與其它元素如銅的合金)。較佳的是，至少約85數(shù)目％的纖維在本發(fā)明的導(dǎo)線中是連續(xù)的?？蓪⒈景l(fā)明至少一個(gè)導(dǎo)線組裝在電纜(較佳是傳輸電纜)中。纖維基本連續(xù)的增強(qiáng)纖維，其平均有效纖維直徑較佳至少約為5微米，不超過(guò)約50微米，更佳不超過(guò)約25微米。
優(yōu)選的纖維是熱膨脹系數(shù)不超過(guò)約10×10-6/℃(25℃-1000℃)的纖維。多晶α-Al2O3纖維的熱膨脹系數(shù)通常不超過(guò)約8×10-6/℃。加入其它氧化物，如SiO2、B2O3、Cr2O3或它們的混合物，可減少熱膨脹系數(shù)。因?yàn)檫@些物質(zhì)的加入還會(huì)將纖維的拉伸強(qiáng)度減小到約1.4GPa，所以并不期望使用這類纖維能生產(chǎn)有用的電纜。
更佳的是，纖維的熱膨脹系數(shù)不超過(guò)約7.9×10-6/℃(25-500℃)，最佳不超過(guò)約5×10-6/℃(25-500℃)。較佳的是，纖維的熱膨脹系數(shù)至少約為3×10-6/℃(25-500℃)，更佳至少約為2×10-6/℃(25-500℃)。
較佳的是，纖維的平均拉伸強(qiáng)度至少約為1.4GPa，更佳至少約為1.7GPa，還更佳至少約為2.1GPa，最佳至少約為2.8GPa。
較佳的是，纖維的模量不大于約240GPa(35Msi)，更佳不超過(guò)約173Gpa(25Msi)。較佳的是，纖維的模量大于約69GPa(10Msi)。
各種纖維的彈性模量和強(qiáng)度如下纖維模量〔Msi(GPa)〕 伸長(zhǎng)％ 拉伸強(qiáng)度〔ksi(MPa)〕“NEXTEL 312” 22(152)1.2 250(1720)“NEXTEL 440” 27(186)1.1 300(2070)“NEXTEL 610” 54(372)0.8 400(2750)“ALTEX” 30(207) 0.9 300(2070)“NEXTEL 720” 38(262)0.8 300(2070)“ALMAX” 48(331) 0.5 260(1790)較佳的是，本發(fā)明纖維的平均破壞應(yīng)變不大于約2.5％，更佳不大于約1.2％，最佳不大于約1.0％。
可用于生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的、基本連續(xù)的氧化陶瓷纖維的例子包括氧化陶瓷(如鋁硼硅酸鹽)纖維。通常，氧化陶瓷纖維是結(jié)晶陶瓷和/或結(jié)晶陶瓷與玻璃的混合物(即纖維可含有結(jié)晶陶瓷和玻璃相)。
可以購(gòu)得單絲狀的陶瓷纖維，或者集聚成紗絨或絲束狀的陶瓷纖維。絲束在纖維領(lǐng)域中是已知的，指許多單根纖維(通常至少100根纖維，更通常至少400根纖維)被集聚成繩狀。每股紗線或絲束較佳包括至少780根纖維。陶瓷纖維有各種各樣的長(zhǎng)度，包括300米以及更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。纖維可具有圓形或橢圓形截面。
優(yōu)選的纖維包括適當(dāng)?shù)匿X硼硅酸鹽纖維，這在美國(guó)專利第3795524號(hào)(Sowman)中有描述。較佳的是，以理論氧化物集，鋁硼硅酸鹽纖維包含約35-75重量％(更佳約55-75重量％)的Al2O3；大于0(更佳至少約為15重量％)而小于約50重量％(更佳小于約45重量％，最佳小于約44％)的SiO2；大于約5重量％(較佳小于約25重量％，更佳約1-5重量％，最佳約10-20重量％)的B2O3，上述百分比是以鋁硼硅酸鹽的總重量為基礎(chǔ)。優(yōu)選的鋁硼硅酸鹽纖維是從3M公司購(gòu)得的商品名稱為“NEXTEL 312”的纖維。
其它合適的纖維包括從3M公司購(gòu)得的商品名稱為“NEXTEL 550”和“NEXTEL 312”的纖維。
市售獲得的纖維一般包含在纖維制造過(guò)程中加到纖維上的有機(jī)上漿材料，以提供潤(rùn)滑性，并在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中保護(hù)纖維束。據(jù)認(rèn)為上漿材料可以在例如制成織物時(shí)減少纖維的斷裂，減少靜電的產(chǎn)生，并減少灰塵的量。通過(guò)溶解或燃燒，可除去上漿材料。較佳的是，在形成本發(fā)明的鋁基復(fù)合導(dǎo)線前，先除去上漿材料。通過(guò)此方法，在形成鋁基復(fù)合導(dǎo)線前，氧化陶瓷纖維上就沒(méi)有涂覆物質(zhì)。
在纖維上存在涂覆物質(zhì)也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。可使用涂層來(lái)例如增強(qiáng)纖維的潤(rùn)濕性，減少或阻止纖維與熔融金屬基材料間的反應(yīng)。這類涂層和提供這類涂層的技術(shù)在纖維和金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域中是已知的。導(dǎo)線以導(dǎo)線的總體積計(jì)，本發(fā)明的導(dǎo)線較佳包含至少約15體積％的纖維，更佳至少約25體積％的纖維，最佳至少約28體積％的纖維。較佳的是，以導(dǎo)線的總體積計(jì)，它們包含不超過(guò)約65體積％的纖維，更佳不超過(guò)約55體積％的纖維，最佳不超過(guò)約50體積％的纖維。某些優(yōu)選的電纜還包含這些體積的纖維。
按照優(yōu)選順序，本發(fā)明的導(dǎo)線長(zhǎng)度至少約為50米，至少約為100米，至少約為200米，至少約為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，至少約為900米。導(dǎo)線密度通常為每立方厘米約2.5-2.8克。
本發(fā)明導(dǎo)線的平均有效直徑較佳至少約為0.25毫米(mm)，更佳至少約為1mm，最佳至少約為1.5mm。
本發(fā)明導(dǎo)線較佳具有出人意料的非線性熱膨脹系數(shù)(CTE)。更佳的是，本發(fā)明導(dǎo)線具有圖1的曲線1或2表示的熱膨脹系數(shù)性能，關(guān)于這方面將在實(shí)施例1中進(jìn)一步闡述。
本發(fā)明導(dǎo)線較佳具有至少約為350MPa(50ksi)的平均拉伸強(qiáng)度。更佳的是，本發(fā)明的導(dǎo)線的平均拉伸強(qiáng)度不超過(guò)約1400MPa(200ksi)，最佳是不超過(guò)約700MPa(100ksi)。
較佳的是，對(duì)于所有的纖維，本發(fā)明導(dǎo)線的縱向拉伸強(qiáng)度至少約為纖維理論破壞應(yīng)變的90％，更佳的是，對(duì)于少于或等于35體積％的纖維百分比，縱向拉伸強(qiáng)度至少約為纖維理論破壞應(yīng)變的95％?？筛鶕?jù)表示部分中所述的方程計(jì)算纖維理論破壞應(yīng)變。用于測(cè)定這些值的纖維強(qiáng)度測(cè)得為1.68GPa(244ksi)。
較佳的是，本發(fā)明的導(dǎo)線的模量不超過(guò)約105GPa(15Msi)，更佳不超過(guò)約84GPa(12Msi)。較佳的是，本發(fā)明的導(dǎo)線的模量至少約為40GPa(6Msi)，更佳至少約為49GPa(7Msi)。纖維體積分?jǐn)?shù)較低的導(dǎo)線通常會(huì)出現(xiàn)較低的模量值。令人驚訝的是，導(dǎo)線模量可小于69GPa(10Msi)，這個(gè)值是鋁的模量，通導(dǎo)線模量常小于該復(fù)合導(dǎo)線中任一種材料的模量。
較佳的是，本發(fā)明導(dǎo)線的平均破壞應(yīng)變不大于約2.5％，更佳不大于約1.2％，最佳不大于約1.0％。
金屬基材料包括鋁和其合金(如鋁和銅的合金)。較佳的是，鋁基質(zhì)至少含有98重量％的鋁，更佳的是，至少含有99重量％的鋁，還更佳的是，大于99.9重量％的鋁，最佳的是大于99.95重量％的鋁。較佳的鋁和銅的鋁合金含有至少約98重量％的Al和至多約2重量％的Cu。鋁和鋁合金可從市場(chǎng)上購(gòu)得。例如，可從Alcoa of Pittsburgh(PA)購(gòu)得名為“SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al”的鋁?？蓮腂elmont Metals(紐約，NY)購(gòu)得鋁合金，如Al-2重量％Cu(0.03重量％雜質(zhì))。
選擇本發(fā)明具體使用的纖維、基質(zhì)材料和生產(chǎn)金屬基復(fù)合導(dǎo)線的方法來(lái)提供具有所需性能的鋁基復(fù)合導(dǎo)線。例如，選擇能充分相容的纖維和鋁基材料，以及生產(chǎn)所需導(dǎo)線的制造方法。
關(guān)于生產(chǎn)鋁和鋁合金基導(dǎo)線優(yōu)選技術(shù)的其它細(xì)節(jié)，在例如美國(guó)待授權(quán)申請(qǐng)08/492960和PCT申請(qǐng)WO97/00976(1996年5月21日出版)中公開(kāi)。
可采用例如金屬基滲透法制造本發(fā)明的連續(xù)金屬基復(fù)合導(dǎo)線。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該方法包括提供包容體積的熔融基質(zhì)材料；將許多基本連續(xù)的纖維浸入包容體積的該熔融基質(zhì)材料中；施加超聲波能量，使包容體積的該熔融基質(zhì)材料中至少有一部分發(fā)生振動(dòng)，使至少一部分熔融基質(zhì)材料滲入并潤(rùn)濕許多纖維，這樣提供許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維；在允許該熔融基質(zhì)材料固化的條件下，從該包容體積的熔融基質(zhì)材料中拉出許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維，從而提供包含許多纖維的鋁基復(fù)合材料。
將超聲波能量用作基質(zhì)滲透輔助手段有助于克服纖維束不能完全被基質(zhì)滲透的問(wèn)題。例如，美國(guó)系列號(hào)08/492960和PCT申請(qǐng)WO97/00976(1997年5月21日出版)以及美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)09/616589(與本文同一天提交申請(qǐng))中公開(kāi)的方法就是解決這一問(wèn)題的方法。
因?yàn)樵诶w維和基質(zhì)之間可能發(fā)生反應(yīng)，所以較佳的是以很快的速度處理導(dǎo)線，以減少這類反應(yīng)的發(fā)生。一個(gè)特殊的優(yōu)選實(shí)施例中，纖維的浸沒(méi)長(zhǎng)度，即纖維與熔融鋁接觸的長(zhǎng)度是23厘米(9英寸)，處理導(dǎo)線的速度至少約為96厘米/分鐘(30英寸/分鐘)。已發(fā)現(xiàn)，38厘米/分鐘(15英寸/分鐘)的速度會(huì)引起纖維和基質(zhì)間的反應(yīng)，而76厘米/分鐘(30英寸/分鐘)的導(dǎo)線速度就不引起反應(yīng)。電纜本發(fā)明的鋁基復(fù)合導(dǎo)線具有廣泛用途，特別可用于架空電力傳輸電纜中。
本發(fā)明的電纜可以是同質(zhì)的(即僅包含一種類型的金屬基復(fù)合導(dǎo)線)，也可以是非同質(zhì)的(即包含許多次級(jí)導(dǎo)線，如金屬導(dǎo)線)。作為非同質(zhì)電纜的一個(gè)例子，纜芯中可有許多本發(fā)明的導(dǎo)線和一個(gè)外層，該外層中有許多次級(jí)導(dǎo)線(如鋁導(dǎo)線)。
本發(fā)明的導(dǎo)線可以是絞合的或非絞合的。絞合電纜一般包括中心導(dǎo)線和第一層導(dǎo)線，該第一層導(dǎo)線螺旋環(huán)繞在該中心導(dǎo)線周圍。電纜絞合是將一根根導(dǎo)線螺旋排列成最終電纜的方法〔如，美國(guó)專利第5171942號(hào)(Powers)和5554826號(hào)(Gentry)〕。所得的螺旋絞合電纜或?qū)Ь€繩索能提供遠(yuǎn)比相等截面面積的實(shí)心導(dǎo)體要大得多的柔韌性。螺旋狀排列的有利性還在于絞合電纜在處理、安裝和使用過(guò)程中彎曲時(shí)能維持其總體圓形的截面形狀。螺旋纏繞的電纜可包括至少7根導(dǎo)線到含有50或更多根導(dǎo)線的更常規(guī)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)電力傳輸電纜的例子顯示在圖7中，圖中本發(fā)明的電力傳輸電纜130可以是由19根復(fù)合金屬基導(dǎo)線134組成的纜芯132，該纜芯132被護(hù)套136包圍，而該護(hù)套由30根鋁或鋁合金導(dǎo)線138組成。同樣，在圖8中，作為另一選擇，本發(fā)明的架空電力傳輸電纜140可以是由37根復(fù)合金屬基導(dǎo)線144組成的纜芯142，該纜芯被21根鋁或鋁合金導(dǎo)線148組成的護(hù)套146環(huán)繞。
圖9闡述絞合電纜80的又一實(shí)施例。在此實(shí)施例中，絞合電纜包括中心金屬基復(fù)合導(dǎo)線81A和導(dǎo)線的第一層82A，該第一層82A螺旋環(huán)繞在該中心金屬基復(fù)合導(dǎo)線81A的周圍。此實(shí)施例還包括金屬基復(fù)合導(dǎo)線81的第二層82B，該第二層82B螺旋絞合在第一層82A的周圍。在任何一層中可以有任何數(shù)目的金屬基復(fù)合導(dǎo)線81。此外，如果需要，在絞合的導(dǎo)線80中可包含兩層以上。
本發(fā)明的電纜可用作裸的電纜，或者用作較大直徑電纜的纜芯。同時(shí)，本發(fā)明的電纜還可以是許多導(dǎo)線的絞合電纜，在導(dǎo)線的周圍具有保持裝置。所述保持裝置可以是例如帶狀包裝紙，同時(shí)含有或不含有絞合劑或者粘合劑。
本發(fā)明的絞合電纜可用于許多用途?？梢哉J(rèn)為，這些絞合電纜在架空電力傳輸電纜中特別適用，因?yàn)樗鼈兙C合具備了低重量、高強(qiáng)度、良好導(dǎo)電率、低熱膨脹系數(shù)、高的使用溫度和抗腐蝕性等性能。
圖10顯示的是這種傳輸電纜的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的端視圖。這種傳輸電纜包括纜芯91，該纜芯可以是本文所述的任何一種絞合纜芯。電力傳輸電纜90還包括環(huán)繞在絞合纜芯91周圍的至少一個(gè)導(dǎo)體層。如圖中所示，電力傳輸電纜包括兩個(gè)導(dǎo)體層93A和93B。根據(jù)需要可使用更多的導(dǎo)體層。較佳的是，各導(dǎo)體層93包括許多本領(lǐng)域已知的導(dǎo)體線。用于導(dǎo)體線的合適材料包括鋁和鋁合金。可采用本領(lǐng)域已知的適當(dāng)電纜絞合裝置將導(dǎo)體線絞合在絞合纜芯91的周圍。
在絞合電纜自身就可用作最終制品、或者該電纜用作不同的隨后制品的中間制品或部件的其它用途中，較佳的是該絞合電纜在其許多金屬基復(fù)合導(dǎo)線的周圍沒(méi)有導(dǎo)電層。
較佳的是，包括許多本發(fā)明非絞合導(dǎo)線的電纜具有不超過(guò)約105GPa(15Msi)的電纜模量。較佳的是，包括本發(fā)明非絞合導(dǎo)線的電纜具有至少約42GPa(6Msi)的電纜模量，更佳的是至少約49GPa(7Msi)。通常，由于導(dǎo)線的螺旋纏繞層的絞合構(gòu)型，絞合電纜的模量比非絞合電纜的模量小。這使得該電纜的剛性比導(dǎo)線直線平行排列的電纜要小。因此，較佳的是，包括本發(fā)明許多絞合導(dǎo)線的電纜的電纜模量至少約為包括相同數(shù)目、相同截面面積和相同類型的非絞合導(dǎo)線的電纜的模量的75％，更佳至少約為85％，最佳至少約為95％。
關(guān)于由本發(fā)明的導(dǎo)線制得的電纜的其它信息在與本發(fā)明同一天提交的美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)09/616784中有描述。
實(shí)施例本發(fā)明將結(jié)合下述實(shí)施例進(jìn)一步闡述，但是，在這些實(shí)施例中所引用的特定的材料及其量，以及其它條件和細(xì)節(jié)，都不應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域中的熟練技術(shù)人員將會(huì)理解本發(fā)明可以有各種修改和變動(dòng)。除非另有說(shuō)明，否則所有的份和百分比都以重量計(jì)。測(cè)試方法纖維強(qiáng)度使用拉伸試驗(yàn)機(jī)(從Instron of Canton，MA購(gòu)得的Instron 4201測(cè)試機(jī))和ASTMD 3379-75中所述的試驗(yàn)方法(高模量單絲材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，Standard Test Methods for Tensile Strength and Young′s Modulus forHigh Modulus Single-Filament Materials)測(cè)量纖維強(qiáng)度。樣品的標(biāo)距為25.4mm(1英寸)，應(yīng)變率為0.02mm/mm。
為了確定纖維束的拉伸強(qiáng)度，從纖維束中隨機(jī)選出10根單纖維，測(cè)試每根單纖維，測(cè)出其斷裂負(fù)荷。隨機(jī)選出的這10根纖維的強(qiáng)度范圍在1.31-1.96GPa(191-285ksi)。平均的單纖維拉伸強(qiáng)度為1.68GPa(244ksi)。使用光學(xué)顯微鏡(Dolan-Jenner Measure-Rite Video Micrometer System，M25-0002型，從LawrenceMA的Doaln-Jenner Industries，Inc.購(gòu)得)的附件，以1000的放大倍數(shù)從光學(xué)上測(cè)量纖維的直徑。該裝置使用具有經(jīng)校準(zhǔn)的鏡臺(tái)測(cè)微尺在反射光照射條件下觀察。
各單纖維的斷裂應(yīng)力計(jì)算為單位面積的負(fù)荷量。
導(dǎo)線拉伸強(qiáng)度采用與ASTM E345-93基本上相同的方法，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)(商品名稱為“INSTRON”，從Instron公司，Canton，MA購(gòu)得的8562型測(cè)試機(jī))測(cè)試復(fù)合導(dǎo)線的拉伸特性，該測(cè)試機(jī)裝有機(jī)械校準(zhǔn)裝置(商品名稱“INSTRON”，從Instron公司購(gòu)得的8000-075型)，該裝置由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(商品名稱“INSTRON”，從Instron公司購(gòu)得的8000-074型)驅(qū)動(dòng)。
使用5厘米(2英寸)標(biāo)距樣品進(jìn)行測(cè)試，在導(dǎo)線的兩端裝上1018軟鋼管接頭，以確保在測(cè)試裝置上能夾緊。導(dǎo)線樣品的實(shí)際長(zhǎng)度是20厘米(8英寸)，比標(biāo)距長(zhǎng)，以適應(yīng)接頭夾具的安裝。對(duì)于直徑為2.06mm(0.081英寸)或以下的復(fù)合導(dǎo)線，該管長(zhǎng)15厘米(6英寸)，OD(即外直徑)為6.35毫米(0.25英寸)，和ID(即內(nèi)直徑)為2.9-3.2毫米(0.115-0.125英寸)。ID和OD應(yīng)盡可能同心。先用醇洗凈鋼管和導(dǎo)線樣品，從導(dǎo)線樣品的各端標(biāo)出10厘米(4英寸)的距離，使夾具鋼管得以正確放置，從而獲得所需的標(biāo)距5.0厘米。使用密封膠噴槍(商品名稱為“SEMCO”，從TechnicalResin Packaging公司，Brooklyn Center，MN購(gòu)得，250型)向各夾具管的孔中填充環(huán)氧樹(shù)脂絞合劑(商品名稱為“SCOTCH-WELD 2214 HIFLEX”，一種延展性高的絞合劑，從3M公司購(gòu)得，件號(hào)62-3403-2930-9)，該噴槍裝有塑料噴嘴(從Technical Resin Packaging公司購(gòu)得)。從管口上除去過(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂，將導(dǎo)線插入管中，插到導(dǎo)線上的標(biāo)記處為止。導(dǎo)線插入夾具管中后，將額外的環(huán)氧樹(shù)脂注射到管中，同時(shí)維持該導(dǎo)線處于適當(dāng)?shù)奈恢?，以確保該管被注滿樹(shù)脂。(將樹(shù)脂反填充到管中，直到環(huán)氧樹(shù)脂剛好在標(biāo)距的基準(zhǔn)點(diǎn)上被壓出導(dǎo)線的周圍，同時(shí)維持導(dǎo)線處于適當(dāng)?shù)奈恢?。當(dāng)兩根夾具管都正確地放置在導(dǎo)線上后，將樣品放到接頭對(duì)準(zhǔn)裝置中，以便該裝置能在環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程中維持著夾具管和導(dǎo)線的正確對(duì)準(zhǔn)。接著將該裝配件放到固化爐中，維持在150℃90分鐘，使環(huán)氧樹(shù)脂固化。
使用試驗(yàn)架上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)裝置小心對(duì)準(zhǔn)Instron測(cè)試機(jī)中的試驗(yàn)架，以獲得所需的對(duì)準(zhǔn)。在測(cè)試過(guò)程中，使用V字形凹槽液壓叉鉗施加大約2-2.5ksi(14-17MPa)的機(jī)械夾持壓力僅將夾具管的外面5厘米(2英寸)夾住。
以位置控制模式使用0.01mm/mm(0.01英寸/英寸)的應(yīng)變率。使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)片伸長(zhǎng)計(jì)(商品名稱為“INSTRON”，從Instron公司獲得，2620-824型)檢測(cè)應(yīng)變。伸長(zhǎng)計(jì)刃緣間的距離是1.27厘米(0.5英寸)，規(guī)片放置在標(biāo)距的中心，并用橡皮帶固定。使用測(cè)微計(jì)沿著導(dǎo)線測(cè)量其三個(gè)位置上的導(dǎo)線直徑，或者通過(guò)測(cè)量截面面積，然后計(jì)算可產(chǎn)生相同的截面面積的有效直徑。由拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)提供該樣品的破壞負(fù)荷、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)。測(cè)試5份樣品，就每個(gè)性能獲得平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)。
熱膨脹系數(shù)(CTE)根據(jù)1995年出版的ASTM E-228測(cè)量CTE。在膨脹計(jì)(商品名稱為“UNITHERM 1091”上測(cè)量2英寸(5.1cm)長(zhǎng)的導(dǎo)線。在測(cè)試前，先使用(NIST)經(jīng)檢定的熔凝二氧化硅校正參考樣品(商品名稱為“Fused Silica”，從華盛頓區(qū)的NIST購(gòu)得)進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)室空氣氣氛中，在-75℃到500℃的溫度中測(cè)試樣品，溫度以5℃升溫。測(cè)試所得的數(shù)據(jù)是一組膨脹伸長(zhǎng)對(duì)溫度的數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)是在加熱期間按每10℃采集的。由于CTE是膨脹隨溫度變化率，所以需要對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，以獲得CTE值。使用標(biāo)準(zhǔn)的圖形軟件包(“EXCEL”，微軟，Redmond，WA)對(duì)膨脹-溫度數(shù)據(jù)繪圖。使用該軟件中的標(biāo)準(zhǔn)擬合函數(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次冪函數(shù)擬合，獲得該曲線的方程。計(jì)算這個(gè)方程的導(dǎo)數(shù)，得到一個(gè)線性函數(shù)。這個(gè)方程表示膨脹隨溫度變化率。在感興趣的溫度范圍內(nèi)按此方程繪圖，如在-75℃到500℃的溫度范圍內(nèi)，獲得CTE-溫度的圖形顯示。該方程還可用來(lái)獲得任何溫度的瞬時(shí)CTE。在非線性表現(xiàn)的例子中，將膨脹-溫度曲線細(xì)分成拐點(diǎn)間的區(qū)域，在該區(qū)域可令人滿意地進(jìn)行上述二次冪函數(shù)擬合。
CTE通常依賴于纖維體積分?jǐn)?shù)，雖然在感興趣的范圍內(nèi)，預(yù)期且假定CTE不隨纖維體積分?jǐn)?shù)有明顯的變化。假定CTE按以下方程發(fā)生變化αc1＝〔EfαfVf+Emαm(1-Vf)〕/(EfVf+Em(1-Vf))式中Vf＝纖維體積分?jǐn)?shù)Ef＝纖維拉伸模量Em＝基質(zhì)拉伸模量(原位)αc1＝縱向方向上的復(fù)合材料CTEαf＝纖維CTEαm＝基質(zhì)CTE直徑在導(dǎo)線上的4個(gè)點(diǎn)用千分尺測(cè)量導(dǎo)線的直徑。通常，導(dǎo)線截面不是完美的圓形，因此存在長(zhǎng)和短的方向。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線以確保長(zhǎng)和短方向都被測(cè)量，從而獲取讀數(shù)。直徑取長(zhǎng)方向和短方向上的讀數(shù)平均值。
纖維體積百分?jǐn)?shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的金相技術(shù)測(cè)量纖維體積分?jǐn)?shù)。將導(dǎo)線的截面拋光，在計(jì)算機(jī)程序的幫助下使用密度分布剖面函數(shù)測(cè)量纖維體積百分?jǐn)?shù)，該程序稱為NIHIMAGE(1.61版)，是一個(gè)供公眾使用的圖像處理程序，由國(guó)家健康研究會(huì)研究服務(wù)部開(kāi)發(fā)的軟件(可從http//rsb.info.nih.gov/nih-image獲得)。這個(gè)軟件測(cè)量導(dǎo)線截面一代表性區(qū)域的平均灰度標(biāo)亮度。
將一根導(dǎo)線固定在固定樹(shù)脂上(商品名稱為“EPOXICURE”，由Buehler In.，Lake Bluff，IL購(gòu)得)。使用常規(guī)的研磨機(jī)/拋光機(jī)(從Strueres，West Lake，OH購(gòu)得)和常規(guī)的金剛石粉漿將該固定的導(dǎo)線截面拋光，最后的拋光步驟使用1微米粒徑的金剛石粉漿(商品名稱“DIAMOND SRPAY”，從Strueres購(gòu)得)進(jìn)行拋光，最后獲得具有拋光截面的導(dǎo)線。使用掃描電子顯微鏡(SEM)以150倍的放大倍數(shù)對(duì)拋光導(dǎo)線的截面拍攝，獲得其金相照片。當(dāng)獲得SEM金相照片時(shí)，將圖像的閾值水平調(diào)整到所有的纖維都在0亮度，以產(chǎn)生雙區(qū)域的圖像。使用NIH IMAGE軟件分析該SEM金相照片，用此雙區(qū)域圖像的平均亮度除以最大亮度，得到纖維體積分?jǐn)?shù)。這種方法所測(cè)得的纖維體積分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確度可認(rèn)為為+/-2％。
下面描述制造各種復(fù)合金屬基的特殊例子。實(shí)施例1此實(shí)施例中的導(dǎo)線根據(jù)國(guó)際出版物WO97/00976所公開(kāi)的方法和說(shuō)明制得。將20根1800旦尼爾鋁硼硅酸鹽纖維(商品名稱“NEXTEL 312”，購(gòu)自3M公司)的絲束排列為12mm(0.5英寸)寬的帶子，然后放到99.97％純鋁(從紐約的BelmontMetals購(gòu)得)的熔融浴中，該浴裝在24.1cm×31.3cm×31.8cm的氧化鋁鋁坩堝中(從Beaver Falls，PA的Vesuvius McDaniel購(gòu)得)。熔融鋁的溫度大約為720℃。從固定在筒子架上的卷筒上拉出各根纖維束，然后使各纖維束通過(guò)熔融鋁的表面，此時(shí)筒子架給每根纖維束施加60克(g)的張力。在進(jìn)入該熔體中后，將這些纖維束排列成1.2厘米寬的帶狀。對(duì)至少一部分熔體和纖維束施加超聲波振動(dòng)，促進(jìn)該纖維帶被金屬熔體所滲透，此時(shí)該超聲波射聲器放在該纖維帶上方1.25mm距離內(nèi)。該射聲器由95％鈮和5％鉬的合金制成，它的形狀為長(zhǎng)12.7厘米直徑2.5厘米的圓柱體。改變?cè)搱A柱體的長(zhǎng)度，使其在所需的20.0-20.4kHz振動(dòng)頻率運(yùn)作。驅(qū)動(dòng)器的振幅大約為0.002厘米。射聲器連接于一鈦波導(dǎo)管，該波導(dǎo)管又連接于超聲換能器(購(gòu)自Sonics & Materials，Danbury CT)。纖維被基質(zhì)材料滲透，然后從出口模中拉出，該出口模由低純度氧化鋁制得。該模的內(nèi)直徑為1.98毫米。由此方法制得的導(dǎo)線的直徑約為0.20厘米。
圖1的曲線1和2是使用由此方法制得的兩根導(dǎo)線樣品的熱膨脹-溫度數(shù)據(jù)繪制的圖，溫度范圍在-75℃(最小)到500℃?？蓪?shù)據(jù)細(xì)分成三個(gè)區(qū)域，從這些區(qū)中可計(jì)算出各不同區(qū)域的CTE，如對(duì)圖1的曲線2已進(jìn)行這樣的操作，該曲線在圖2中表示為曲線2a。R2是曲線擬合接近度的統(tǒng)計(jì)學(xué)衡量。當(dāng)R2＝1時(shí)，該曲線的方程與實(shí)驗(yàn)所得的曲線嚴(yán)格一致。對(duì)于-75℃到20℃的區(qū)域，曲線由下述方程表示y＝(5.3918×10-6)x2+(1.0314×10-3)x-2.2245×10-2R2＝9.9930×10-1CTE從2.2線性增加到12.5。對(duì)于20℃到225℃區(qū)域，曲線由下述方程表示y＝(1.6630×10-6)x2+(9.2031×10-4)x-1.3358×10-2R2＝9.9649×10-1CTE從8.4線性下降到2.5。對(duì)于225-500℃區(qū)域，曲線由下述方程表示y＝(1.2136×10-7)x2+(6.0436×10-4)x-1.2290×10-2R2＝9.9994×10-1CTE從3.3線性增加到4.7。
圖3是上述三個(gè)方程的導(dǎo)數(shù)圖，這些導(dǎo)數(shù)就是CTE，該圖清楚地闡述了“NEXCEL 312”纖維增強(qiáng)的導(dǎo)線的非線性CTE行為。因而，在整個(gè)-75℃到500℃的溫度范圍里，CTE明顯地為非線性。圖3中20-25℃和200-225℃的不連續(xù)是由于將數(shù)據(jù)分成三組并對(duì)各區(qū)域進(jìn)行分別處理所得到的人為結(jié)果。
5個(gè)樣品的拉伸試驗(yàn)得到0.441-0.524GPa(64-76ksi)的拉伸強(qiáng)度，平均值為0.486GPa(71ksi)。破壞應(yīng)變?yōu)?.82-0.99％，其平均為0.88％，平均拉伸模量為74GPa(10.7Msi)。纖維體積分?jǐn)?shù)為45.5％。導(dǎo)線直徑為0.0785英寸(1.99毫米)。計(jì)算此導(dǎo)線的纖維理論破壞應(yīng)變的百分比，結(jié)果為80％。實(shí)施例2基本上如實(shí)施例1所述制造導(dǎo)線，但使用10根1800旦尼爾鋁硼硅酸鹽纖維束(商品名稱為“NEXTEL 312”，3M公司)。5個(gè)樣品的拉伸試驗(yàn)得到0.317-0.441GPa(46-64ksi)的拉伸強(qiáng)度，平均為0.372GPa(54ksi)，破壞應(yīng)變?yōu)?.90-1.24％，平均為1.07％，平均拉伸模量為92GPa(8.0Msi)。纖維體積分?jǐn)?shù)為28％。導(dǎo)線直徑為0.071英寸(1.80毫米)。計(jì)算此導(dǎo)線的纖維理論破壞應(yīng)變的百分比，結(jié)果為97％。實(shí)施例3基本上如實(shí)施例1所述制造導(dǎo)線，但使用22根1800旦尼爾的鋁硼硅酸鹽纖維束(商品名稱為“NEXTEL 312”，3M公司)。5個(gè)樣品的拉伸測(cè)試得到0.482-0.622GPa(70-93ksi)的拉伸強(qiáng)度，平均為0.565GPa(82ksi)。破壞應(yīng)變?yōu)?.80-0.99％，平均為0.86％，平均拉伸模量為55GPa(13.3Msi)。纖維體積分?jǐn)?shù)為49％。導(dǎo)線直徑為0.0794英寸(2.02毫米)。此導(dǎo)線的纖維理論破壞應(yīng)變百分比計(jì)算為78％。實(shí)施例4基本上如實(shí)施例1所述制造導(dǎo)線，但1800旦尼爾鋁硼硅酸鹽纖維(商品名稱為“NEXTEL 312”，3M公司)的纖維束根數(shù)在10、11、12、13、14、15、16、17、18、20和22束的范圍內(nèi)改變。使用各導(dǎo)線樣品的5個(gè)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將所得數(shù)據(jù)點(diǎn)以纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和拉伸模量繪制在圖4、5和6中。圖4顯示應(yīng)力隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。圖5顯示應(yīng)變隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而減少。圖6顯示模量隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。實(shí)施例5設(shè)計(jì)制造了兩種電纜纜芯，都是以實(shí)施例1所述的“NEXTEL 312”增強(qiáng)的導(dǎo)線的性能為基礎(chǔ)。第一設(shè)計(jì)具有非絞合(即，縱向排列的導(dǎo)線)的6/1構(gòu)型，即6根外導(dǎo)線緊密地環(huán)繞在1根中心導(dǎo)線的周圍。第二設(shè)計(jì)具有絞合的6/1構(gòu)型，即6根外導(dǎo)線螺旋地絞合在1根中心導(dǎo)線的周圍，其“絞擰系數(shù)”為18。絞合電纜的“絞擰系數(shù)”如下計(jì)算用一單股導(dǎo)線完成一個(gè)螺旋旋轉(zhuǎn)達(dá)到的絞合電纜的長(zhǎng)度除以包括該股導(dǎo)線的層的標(biāo)稱外直徑。該絞合電纜纜芯的模量由于此螺旋絞擰而減少到實(shí)施例1中的非絞合電纜纜芯的模量的95％。
使用下述方程，基于實(shí)施例1所述的“NEXTEL 312”纖維增強(qiáng)的導(dǎo)線的性能，計(jì)算了兩種設(shè)計(jì)電纜的幾個(gè)性能纜芯直徑由下面的方程表示Dc＝3×Dw式中，
Dw是構(gòu)成纜芯的導(dǎo)線的直徑，對(duì)于實(shí)施例5中使用的“NEXTEL 312”導(dǎo)線為2.0毫米；纜芯的總面積由下面的方程表示Ac＝Nw×(π/4×Dw2)式中，Nw是纜芯中使用的導(dǎo)線的數(shù)目，對(duì)于實(shí)施例5所述的6/1纜芯構(gòu)型為7；纜芯重量由下述方程表示W(wǎng)c＝A×12×(dw×Fec)式中，dw是用于制造纜芯的導(dǎo)線的密度，對(duì)于實(shí)施例5使用的“NEXTEL 312”導(dǎo)線為0.098lb/立方英寸(2.7g/cc)；Fec是纜芯的電額定因子，對(duì)于實(shí)施例5的非絞合纜芯為0；Fec是纜芯的電額定因子，對(duì)于實(shí)施例5的絞合纜芯為0.4％；纜芯斷裂強(qiáng)度由下述方程表示Sc＝(Sw×Fmc)×Ac式中，Sw是用于制造纜芯的導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度，或者對(duì)于實(shí)施例5使用的導(dǎo)線為0.490GPa；Fmc是纜芯機(jī)械額定因子，對(duì)于實(shí)施例5的纜芯構(gòu)型為96％；纜芯模量由下面的方程表示Mc＝Mw×FSc式中，Mw是纜芯使用的導(dǎo)線的模量，對(duì)于實(shí)施例5的導(dǎo)線為73.8GPa；FSc是纜芯絞合因子，或者對(duì)于實(shí)施例5的非絞合纜芯為100％；FSc為纜芯絞合因子，或者對(duì)于實(shí)施例5的絞合纜芯為95.6％；纜芯抗性由下面的方程表示Rc＝〔1/Cw×1.228)/A〕×5.28×(1+Fec)式中，Cw是31.7％IACS(國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)，International Annealed Copper Standard)電纜直徑由下面的方程表示
D＝3×Dw+4×Da式中，Dw是用在纜芯中的導(dǎo)線的直徑，或者對(duì)于實(shí)施例6纜芯中使用的“NEXTEL312”導(dǎo)線為2.0毫米；Da是用于電纜中的導(dǎo)體線的直徑，對(duì)于實(shí)施例6中用于電纜中的Al導(dǎo)體線為0.1013；電纜的總面積由下面的方程表示A＝Nw×π/4×Dw2+Na×π/4×Da2式中，Nw是纜芯中的導(dǎo)線的數(shù)目，對(duì)于實(shí)施例6的6/1電纜纜芯構(gòu)型為7；Na是導(dǎo)體線的數(shù)目，對(duì)于數(shù)量6的26/7電纜構(gòu)型為26；電纜的重量用下述方程表示W(wǎng)＝f×A×12×(dw×Fec)+(1-f)×A×12×(da×Fea)式中，f是纜芯的面積百分?jǐn)?shù)，對(duì)于實(shí)施例6的26/7電纜構(gòu)型為0.14；dw是纜芯中使用的導(dǎo)線的密度，對(duì)于實(shí)施例6中用于電纜的纜芯中的“NEXTEL 312”導(dǎo)線為0.098lb/立方英寸(2.7g/cc)；Fec是纜芯的電額定因子，對(duì)于實(shí)施例6的電纜纜芯為0.4％；da是導(dǎo)體線的密度，對(duì)于實(shí)施例6中用于電纜中的Al導(dǎo)線為0.097lb/立方英寸(2.7g/cc)；Fea是Al的電額定因子，或者2.5％；電纜的斷裂強(qiáng)度由下面的方程表示S＝(Sw×Fmc)×f×A+(Sa×Fmc)×(1-f)×A式中，Sw是用于纜芯中的導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度，對(duì)于實(shí)施例6中使用電纜的纜芯中的“NEXTEL 312”導(dǎo)線為0.490GPa；Sa是導(dǎo)體線的拉伸強(qiáng)度，對(duì)于實(shí)施例6中使用于電纜中的Al導(dǎo)體線為0.179GPa；Fmc是纜芯的機(jī)械額定因子，對(duì)于實(shí)施例6的電纜為93％；Fma是鋁導(dǎo)線的機(jī)械額定因子，對(duì)于實(shí)施例6中用于電纜中的Al導(dǎo)線為93％；
電纜的模量由下面的方程表示M＝f×Mc+(1-f)×Ma式中，Mc＝Mw×FSc，或者M(jìn)c等于絞合纜芯的模量，其中Mw是用于纜芯中的導(dǎo)線的模量，對(duì)于實(shí)施例6中使用纜芯中的“NEXTEL312”導(dǎo)線為10,700,000psi；Ma是Al導(dǎo)線的模量，對(duì)于用于實(shí)施例6的電纜中的Al導(dǎo)線為7,960,000psi；FSc是纜芯絞合因子，對(duì)于實(shí)施例電纜的纜芯為99.6％；電纜的CTE由下面的方程表示E＝f×(Mc/M)×Ew+(1-f)×(Ma/M)×Ea式中，Ew是用于纜芯中的導(dǎo)線的CTE，對(duì)于用作實(shí)施例6的纜芯中的“NEXTEL312”導(dǎo)線為4.7×10-6/℃；Ea是導(dǎo)體線的CTE，對(duì)于用作實(shí)施例6的電纜中的Al導(dǎo)體為23.0×10-6/℃；電纜的電阻由下面的方程計(jì)算R＝1(1/Rc+1/Ra)式中，Rc＝1/(Cw×1.228)/(f×A)×5.28×(1+Fec)，是絞合纜芯的電阻；Ra＝1/(Ca×1.228)/(1-f)×A×5.28×(1+Fea)，是絞合鋁導(dǎo)線的電阻；Cw是用于纜芯中的導(dǎo)線的導(dǎo)電率，或者對(duì)于用于實(shí)施例6的纜芯的“NEXTEL312”導(dǎo)線為31.7％IACS；Ca是導(dǎo)體的導(dǎo)電率，或者對(duì)于實(shí)施例6電纜的Al導(dǎo)線的導(dǎo)電率為61.2％IACS。
所計(jì)算得到的兩種電纜設(shè)計(jì)的性能列于表1中
表1電纜設(shè)計(jì)物的計(jì)算電纜性能
實(shí)施例6使用與實(shí)施例5類似的絞合纜芯電纜設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電力傳輸電纜，但本例電纜的絞擰系數(shù)為50.8，并且具有兩個(gè)外層，是螺旋絞合的圓形截面1350鋁導(dǎo)線作為導(dǎo)體的層。電纜為26/7構(gòu)型，7根“NEXTEL 312”纖維增強(qiáng)的導(dǎo)線螺旋絞合成中心纜芯，10根螺旋絞合的中間層鋁導(dǎo)體環(huán)繞在該纜芯的周圍，16根導(dǎo)線螺旋絞合而成的外層鋁導(dǎo)體絞合在該中間層導(dǎo)體的周圍。外層導(dǎo)體線中使用的鋁的性能在鋁1350-H19的ASTM B 230說(shuō)明(電用導(dǎo)線)中有詳細(xì)說(shuō)明。鋁導(dǎo)線具有179MPa(26ksi)的拉伸強(qiáng)度，絞合鋁導(dǎo)線的最終模量為54.9GPa(7.96Msi)。此導(dǎo)體模型的計(jì)算性能列在表2中。
表226/7“NEXTEL 312”纜芯導(dǎo)體設(shè)計(jì)的計(jì)算性能
為了證實(shí)具有“NEXTEL 312”纖維增強(qiáng)纜芯的導(dǎo)體的功能，使用預(yù)測(cè)用于架空傳輸線的導(dǎo)電體的下垂-張力性能的計(jì)算機(jī)程序，比較本導(dǎo)體的下垂-張力性能與基于常規(guī)ACSR(鋼增強(qiáng)的鋁導(dǎo)體，Aluminum Conductor Steel Reinforced)導(dǎo)體模型的導(dǎo)體模型的下垂-張力性能，該ACSR導(dǎo)體模型的幾何形狀和尺寸與本“NEXTEL 312”模型的相同。這個(gè)軟件包可從Alcoa Conductor Accessories andAlcoa Conductor Products公司(Pittsburg，PA)購(gòu)得，名為SAG10軟件。該軟件使用的數(shù)據(jù)為ACSR電纜模型的導(dǎo)體性能和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是該軟件提供的導(dǎo)體數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分，加上與在非常規(guī)電纜模型如表2中的“NEXTEL 312”纖維增強(qiáng)的電纜模型中使用的實(shí)驗(yàn)材料的性能一致的輸入數(shù)據(jù)。使用該軟件來(lái)計(jì)算各種機(jī)械負(fù)荷條件和導(dǎo)體操作溫度?！癗EXTEL 312”纖維增強(qiáng)的電纜模型和ACSR電纜模型的性能列在表3中。
表3兩種電纜設(shè)計(jì)物的計(jì)算性能
該軟件使用實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變和熱伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是該軟件包含的數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。對(duì)于由增強(qiáng)纜芯和外層鋁單獨(dú)構(gòu)成的雙金屬導(dǎo)體(如ACSR)，對(duì)于每一材料具有分開(kāi)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和熱膨脹數(shù)據(jù)。
使用738英尺(225米)的排纜跨距和1980lbs(8.8kN)的初始安裝張力，對(duì)兩種電纜模型的可比較安裝進(jìn)行計(jì)算機(jī)計(jì)算。計(jì)算得到的導(dǎo)體在達(dá)到300℃溫度內(nèi)的下垂如圖11所示。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，“NEXTEL 312”纜芯(圖11的曲線1)的下垂小于ACSR纜芯模型的下垂。這些結(jié)果表明，“NEXTEL 312”纜芯設(shè)計(jì)在這方面比常規(guī)的ACSR電纜設(shè)計(jì)較好。由于“NEXTEL 312”纜芯導(dǎo)體的下垂小于類似設(shè)計(jì)的ACSR纜芯導(dǎo)體，所以它可在更高的溫度下操作。它還能在下垂不超過(guò)ACSR下垂的情況下，在更高的溫度下傳輸比類似設(shè)計(jì)的ACSR導(dǎo)體要多的電流。下垂的減少還使得在使用于新的線路上時(shí)塔高和成本減少。
還使用國(guó)家電力安全標(biāo)準(zhǔn)重負(fù)荷條件(0.5英寸冰，4lbs風(fēng)，K＝0.3)，在厚冰和風(fēng)負(fù)荷條件下計(jì)算這兩種電纜模型的下垂和張力行為。排纜跨距同樣為738ft.(225米)，兩種電纜設(shè)計(jì)都以1980lbs(8.8kN)的相同初始張力安裝。表4中顯示的這些計(jì)算結(jié)果表明，在最大負(fù)荷條件下，“NEXTEL 312”纜芯設(shè)計(jì)的張力比ACSR模型低12％。“NEXTEL 312”纜芯設(shè)計(jì)對(duì)塔產(chǎn)生減少的機(jī)械負(fù)荷可轉(zhuǎn)化成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的ACSR導(dǎo)體設(shè)計(jì)的塔成本的減少和安全系數(shù)的增加。雖然“NEXTEL 312”纜芯設(shè)計(jì)的電纜不如鋼電纜堅(jiān)固，但是它在重負(fù)荷下的最大張力遠(yuǎn)在其斷裂強(qiáng)度以下和建議的容許限度內(nèi)。令人驚訝的是，用強(qiáng)度比鋼低得多的材料增強(qiáng)的本發(fā)明電纜的性能有明顯的增加。
表4最大負(fù)荷條件下的下垂和張力計(jì)算
本文將所引用的專利、專利文件和出版物的完整公開(kāi)完整地納入作為參考，正如它們各自被單獨(dú)納入作為參考一樣。在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員將理解對(duì)本發(fā)明作出的各種修改和變動(dòng)。應(yīng)理解，本發(fā)明并不會(huì)受到本文所示的闡述性實(shí)施方式和實(shí)施例不恰當(dāng)?shù)南拗?，這些實(shí)施例和實(shí)施方式僅僅是例子而已，本發(fā)明的范圍僅由下面的權(quán)利要求來(lái)限制。
權(quán)利要求
1.一種鋁基復(fù)合材料制品，其特征在于，該制品包含許多存在于含鋁基質(zhì)中的纖維，以理論氧化物計(jì)，所述纖維包含約35-75重量％的Al2O3、大于0少于約50重量％的SiO2、大于約5重量％的B2O3，以上百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維中總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)；此外，該導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度范圍內(nèi)具有非線性熱膨脹系數(shù)、具有不大于約105GPa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料制品，其特征在于，所述制品是細(xì)長(zhǎng)的復(fù)合材料制品。
3.一種鋁基復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的纖維，以理論氧化物計(jì)，所述纖維包含約35-75重量％的Al2O3、大于0少于約50重量％的SiO2、大于約5重量％的B2O3，以上百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維中總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)；此外，該導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度范圍內(nèi)具有非線性熱膨脹系數(shù)、具有不大于約105GPa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，所述基質(zhì)包含至少占該基質(zhì)總重量99.95重量％的鋁。
5.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，至少有85％數(shù)目的所述纖維是基本連續(xù)的。
6.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，以相應(yīng)纖維的總金屬氧化物含量為基礎(chǔ)，SiO2所占的量至少約為15重量％。
7.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，以相應(yīng)纖維的總金屬氧化物含量為基礎(chǔ)，B2O3所占的量至少約為25重量％。
8.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，以導(dǎo)線的總體積為基礎(chǔ)，它含有不超過(guò)約65體積％的纖維。
9.如權(quán)利要求8所述的導(dǎo)線，其特征在于，以導(dǎo)線的總體積為基礎(chǔ)，它含有至少約15體積％的纖維。
10.如權(quán)利要求9所述的導(dǎo)線，其特征在于，以導(dǎo)線的總體積為基礎(chǔ)，它含有不超過(guò)約55體積％的纖維。
11.如權(quán)利要求10所述的導(dǎo)線，其特征在于，以導(dǎo)線的總體積為基礎(chǔ)，它含有約28-50體積％的纖維。
12.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的熱膨脹性能由圖1的曲線1或2表示。
13.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的模量至少約為42GPa。
14.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，導(dǎo)線的模量約為48-84GPa。
15.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的平均破壞應(yīng)變不大于約2.5％。
16.如權(quán)利要求15所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的平均破壞應(yīng)變不大于約1.2％。
17.如權(quán)利要求16所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的平均破壞應(yīng)變不大于約1.0％。
18.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，對(duì)于所有纖維部分，導(dǎo)線的縱向拉伸應(yīng)變至少約為纖維理論破壞應(yīng)變的90％。
19.如權(quán)利要求18所述的導(dǎo)線，其特征在于，對(duì)于少于或等于35體積％纖維的纖維部分，導(dǎo)線的縱向拉伸應(yīng)變至少約為纖維理論破壞應(yīng)變的95％。
20.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，所述纖維還包含約10-20重量％的B2O3，該氧化物指理論氧化物，該百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維的總金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。
21.如權(quán)利要求3所述的導(dǎo)線，其特征在于，導(dǎo)線的長(zhǎng)度至少約為300米。
22.一種生產(chǎn)鋁基復(fù)合導(dǎo)線的方法，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的纖維，其特征在于，該方法包括提供包容體積的熔融基質(zhì)材料；將許多基本連續(xù)的纖維浸入包容體積的該熔融基質(zhì)材料中，以理論氧化物計(jì)，該纖維包含約35-75重量％的Al2O3、0到約50重量％的SiO2、大于約5重量％的B2O3，這些百分比是以相應(yīng)纖維總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)；施加超聲波能量，使包容體積的該熔融基質(zhì)材料中至少有一部分振動(dòng)，使至少一部分熔融基質(zhì)材料滲入并潤(rùn)濕許多纖維，這樣就獲得許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維；在允許該熔融基質(zhì)材料固化的條件下，從包容體積的該熔融基質(zhì)材料中拉出許多經(jīng)滲透潤(rùn)濕的纖維，從而提供包含許多纖維的鋁基復(fù)合材料，其中所述纖維基本連續(xù)，縱向定位在含鋁基質(zhì)中，所述導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度范圍內(nèi)具有非線性的熱膨脹系數(shù)、具有不大于約105Gpa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
23.一種電纜，其特征在于，該電纜包含至少一根鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的纖維，以理論氧化物計(jì)，所述纖維含有約35-75重量％的Al2O3、大于0少于約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，以上百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維中總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)；此外，該導(dǎo)線在-75℃到500℃的溫度范圍內(nèi)具有非線性熱膨脹系數(shù)、具有不大于約105GPa的模量和至少約為350MPa的平均拉伸強(qiáng)度。
24.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述基質(zhì)包含至少占該基質(zhì)總重量99.95重量％的鋁。
25.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，至少有85％數(shù)目的所述纖維是基本連續(xù)的。
26.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，SiO2所占的量至少約為15重量％。
27.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，B2O3所占的量至少約為25重量％。
28.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，導(dǎo)線的熱膨脹性能由圖1的曲線1或2表示。
29.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，電纜含有至少約15體積％的纖維。
30.如權(quán)利要求29所述的電纜，其特征在于，所述電纜含有不超過(guò)約65體積％的纖維。
31.如權(quán)利要求30所述的電纜，其特征在于，所述電纜含有約28-50體積％的纖維。
32.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述電纜中有許多非絞合的導(dǎo)線。
33.如權(quán)利要求32所述的導(dǎo)線，其特征在于，所述電纜的電纜模量不超過(guò)約105GPa。
34.如權(quán)利要求32所述的導(dǎo)線，其特征在于，所述電纜的電纜模量至少約為42GPa。
35.如權(quán)利要求34所述的電纜，其特征在于，所述電纜具有約49-84GPa的電纜模量。
36.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述電纜中有許多絞合的導(dǎo)線。
37.如權(quán)利要求36所述的電纜，其特征在于，所述導(dǎo)線是螺旋絞合的。
38.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述電纜還含有許多次級(jí)導(dǎo)線。
39.如權(quán)利要求38所述的電纜，其特征在于，所述次級(jí)導(dǎo)線是金屬導(dǎo)線。
40.如權(quán)利要求39所述的電纜，其特征在于，所述金屬導(dǎo)線是鋁導(dǎo)線。
41.如權(quán)利要求38所述的電纜，其特征在于，所述電纜包含一個(gè)纜芯和一個(gè)外層，該纜芯包含所述復(fù)合導(dǎo)線，該外層包括所述次級(jí)導(dǎo)線。
42.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述電纜中還有帶狀包裝紙。
43.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述纖維還包含約10-20重量％的B2O3，所述氧化物是指理論氧化物。
44.如權(quán)利要求23所述的電纜，其特征在于，所述導(dǎo)線的長(zhǎng)度至少約為300米。
45.一種鋁基復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的氧化陶瓷纖維，其中該氧化陶瓷纖維的模量不超過(guò)約173GPa，該導(dǎo)線的模量不超過(guò)約105GPa。
46.如權(quán)利要求45所述的復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，所述導(dǎo)線的平均拉伸強(qiáng)度至少約為350MPa。
47.如權(quán)利要求45所述的復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，所述纖維的模量大于約69GPa。
48.如權(quán)利要求45所述的復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，所述纖維的平均拉伸強(qiáng)度至少約為1400MPa。
49.如權(quán)利要求45所述的復(fù)合導(dǎo)線，其特征在于，以理論氧化物計(jì)，所述纖維包含約35-75重量％的Al2O3、大于0少于約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，以上百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維中總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。
50.如權(quán)利要求45所述的導(dǎo)線，其特征在于，所述導(dǎo)線的導(dǎo)電率至少約為IACS的21％。
51.一種電纜，其特征在于，該電纜包含至少一根鋁基復(fù)合導(dǎo)線，該導(dǎo)線包含許多基本連續(xù)的、縱向定位在含鋁基質(zhì)中的氧化陶瓷纖維，該纖維的模量不超過(guò)約240GPa，該導(dǎo)線的模量不超過(guò)約105GPa、平均拉伸強(qiáng)度至少約為350MPa。
52.如權(quán)利要求51所述的電纜，其特征在于，所述纖維的模量不超過(guò)約173GPa。
53.如權(quán)利要求52所述的電纜，其特征在于，所述纖維的模量不超過(guò)約69GPa。
54.如權(quán)利要求52所述的電纜，其特征在于，所述纖維的平均拉伸強(qiáng)度至少約為1400MPa。
55.如權(quán)利要求52所述的電纜，其特征在于，以理論氧化物計(jì)，所述纖維包含約35-75重量％的Al2O3，大于0少于約50重量％的SiO2和大于約5重量％的B2O3，以上百分?jǐn)?shù)是以相應(yīng)纖維中總的金屬氧化物含量為基礎(chǔ)。
全文摘要
將氧化陶瓷纖維包埋在含鋁基質(zhì)中制成的導(dǎo)線(134)和電纜(130)。
文檔編號(hào)C04B41/51GK1446267SQ01812750
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月14日
發(fā)明者C·麥卡洛, D·E·約翰遜 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司