CN1969344A - 电缆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

电缆和以及电缆的方法。电缆的实施方案例如可用作高架的电力传输线。

Description

电缆及其制造方法

背景技术

通常复合物(包括金属基复合材料(MMCs))是已知的。复合物通常包括用纤维、微粒、晶须、或纤维(例如短纤维或长纤维)强化的基质。金属基复合材料的例子包括铝基复合金属丝(例如嵌入碳化硅、碳、硼、或多晶的α氧化铝纤维的铝基质)、钛基复合带(例如嵌入碳化硅纤维的钛基质)、以及铜基复合带(例如，嵌入碳化硅或硼纤维的铜基质)。聚合物基复合物的例子包括在环氧树脂基质中的碳或石墨纤维，在聚酯树脂中的玻璃或聚芳基酰胺纤维，以及环氧树脂中的碳以及玻璃纤维。

复合金属丝(例如，金属基复合金属丝)的一种用途是作为裸露的高架电力输送电缆的强化构件。一种对电缆的常见需求是由于对现有传输基础结构的电力传输容量增加的需要而引起的。

对于高架的电力传输应用的电缆希望的性能要求包括耐腐蚀性、环境的耐久性(例如UV和湿气)，高温下耐强度损失，抗蠕变性，和比较高的弹性模数，低密度，低的热膨胀系数，高导电性，以及高强度。虽然包括铝基复合金属丝在内的高架电力传输电缆是已知的，对于一些应用中仍存在相应要求，例如对于更希望的下垂性能。

发明内容

一方面，本发明提供电缆，包括：

具有热膨胀系数的纵向芯，所述的芯包括至少一种芳族聚酰胺，陶瓷，硼，聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)，石墨，碳，钛，钨或形状记忆合金；和聚集在一起的多个导线，其热膨胀系数大于所述芯的热膨胀系数，其中所述的多个导线包括至少一种铝导线，铜导线，铝合金导线，或铜合金导线，其中多个导线绞合在芯的周围，其中电缆的应力参数不大于20MPa(在一些实施方式中，不大于19MPa，18MPa，17MPa，16MPA，15Pa，14MPa，13MPa，12MPa，11MPa，10MPa，9MPa，8MPa，7MPa，6MPa，5MPa，4MPa，3MPa，2MPa，1MPa，或甚至不大于0MPa；在一些实施方式中，为0MPa～20MPa，0Mpa～15MPa，0MPa～10MPa，或0Mpa～5MPa)，条件是如果所述纵向的芯包括金属基复合导线，该芯独立地包括(即不作为所述金属基复合金属丝的一部分)至少一种芳族聚酰胺，陶瓷，硼，聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)，石墨，碳，钛，钨，或形状记忆合金。在某些实施方式中，多个导线的抗拉断裂强度至少90为MPa，或甚至至少为100MPa(按照ASTM B557/B557M(1999)计算)。

一些实施方式中，所述芯包括至少一种芳族聚酰胺，陶瓷，硼，聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)，石墨，碳，钛，钨，或形状记忆合金的纤维(通常是连续纤维)。一些实施方式中，所述芯包括复合物，所述复合物包括纤维和基质材料(例如，金属和/或聚合材料)。

另一个方面中，本发明提供制造本发明的电缆的方法，所述方法包括：

围绕纵向的芯绞合多个导线，其中多个导线包含至少一种铝导线、铜导线、铝合金线、或铜合金导线，所述芯包括至少一种芳族聚酰胺、陶瓷、硼、聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)、石墨、碳、钛、钨、或形状记忆合金，以提供初步的绞合电缆；和使所述初步绞合的电缆经受闭式模具作用以得到电缆，其中所述的闭式模具有内径，其中电缆具有外径，且其中模具的内径为电缆外部直径的1.00～1.02倍。

本发明中，除非另作说明，下列术语如下定义：

″陶瓷″表示玻璃，晶体陶瓷，玻璃-陶瓷，和其组合。

″连续纤维″表示与纤维平均直径相比长度是相对无限的纤维。通常这表示纤维的纵横比(即纤维的长度与纤维平均直径的比)为至少1×10⁵(一些实施方式中，至少1×10⁶，甚至至少1×10⁷)。通常这样的纤维的长度为至少50米级别的，和长度甚至可以为千米或以上的级别。

″形状记忆合金″指进行Martensitic转变的金属合金，所述转变使得该金属合金在低于转变温度下由双晶机理(twinning mechanism)是可变形的，其中在加热到转变温度以上，双晶结构恢复原来的位相时，这样的变形是可恢复的。

根据本发明的电缆可用作例如电力输送电缆。通常，本发明的电缆显示出改善的下垂性能(即，减少下垂)。

附图说明

图1-5是本发明的电缆的示例性实施方式的横截面示意图。

图6是根据本发明的用于将纤维浸渗入熔融金属的示例性超声浸渗装置的示意图。

图7，7A，和7B是用于制备本发明的电缆的示例性绞合装置的示意图。

图8是说明性的实施例的电缆下垂数据图。

图9是说明性的实施例和预示性实施例1的电缆下垂数据图。

图10是本发明的电缆的示例性实施方式的横截面示意图。

详细说明

本发明涉及电缆和制造电缆的方法。本发明的示例性电缆10的一个剖视图见图1。电缆10包括芯12和双层的绞合圆线14，其中芯12包括导线16(如所示的复合导线)。

本发明的另一种示例性电缆20的剖视图见图2。电缆20包括芯22和三层绞合线24，其中芯22包括导线26(如所示的复合导线)。

本发明的另一种示例性电缆30的剖视图见图3。电缆30包括芯32和梯形的绞合线34，其中芯32包括导线36(如所示的复合导线)。

本发明的另一种示例性电缆40的剖视图见图4。电缆40包括芯42和绞合线44。

一些实施方式中，芯的纵向的热膨胀系数在至少约-75℃～约450℃的温度范围内，为约5.5ppm/℃～约7.5ppm/℃。

组成所述芯的材料的例子包括，芳族聚酰胺，陶瓷，硼，聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)，石墨，碳，钛，钨，和/或形状记忆合金。一些实施方式中，所述材料以纤维的形式(通常为连续丝)。一些实施方式中，包括芳族聚酰胺的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约200℃的温度范围内，为约-6ppm/℃～约0ppm/℃。一些实施方式中，包括陶瓷的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内为约3ppm/℃～约12ppm/℃。一些实施方式中，包括硼的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内，为约4ppm/℃～约6ppm/℃。一些实施方式中，包括聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)的芯的纵向热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内，为约-6ppm/℃～约0ppm/℃。一些实施方式中，包括石墨的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内，为约-2ppm/℃～约2ppm/℃。一些实施方式中，包括碳的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内，为约-2ppm/℃～约2ppm/℃。一些实施方式中，包括钛的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约800℃的温度范围内，为约10ppm/℃～约20ppm/℃。一些实施方式中，包括钨的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～1000℃的温度范围内，为约8ppm/℃～约18ppm/℃。一些实施方式中，包括形状记忆合金的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约1000℃的温度范围内，为约8ppm/℃～约25ppm/℃。一些实施方式中，包括玻璃的芯的纵向的热膨胀系数在至少约20℃～约600℃的温度范围内，为约4ppm/℃～约10ppm/℃。

用于芯的纤维的例子包括聚芳基酰胺纤维，陶瓷纤维，硼纤维，聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)纤维，石墨纤维，碳纤维，钛纤维，钨纤维，和/或形状记忆合金纤维。

示例性硼纤维是可商业得到的，例如从Lowell，MA的TextronSpecialty Fibers，Inc.。通常，这些纤维的长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的硼纤维的纤维平均直径为约80微米～约200微米。更通常，纤维平均直径不大于150微米，最通常为95微米～145微米。一些实施方式中，硼纤维的平均抗拉强度为至少3GPa，或甚至至少3.5GPa。一些实施方式中，硼纤维的模量为约350GPa～约450GPa，或甚至为约350GPa～约400GPa。

一些实施方式中，陶瓷纤维的平均抗拉强度为至少1.5GPa，2GPa，3GPa，4GPa，5GPa，6GPa，或甚至至少6.5GPa。一些实施方式中，陶瓷纤维的模量为140GPa～约500GPa，或甚至为140GPa～约450GPa。

示例性碳纤维是市场上有售的，例如由Alpharetta，GA的AmocoChemicals，以商标″THORNEL CARBON″，以2000，4000，5,000，和12,000的纤维束，Stamford，CT的Hexcel Corporation，由Sacramento，CA的Grafil，Inc.(Mitsubishi Rayon Co.的子公司)以商标″PYROFIL″，Tokyo，Japan的Toray，以商标″TORAYCA″，Toho Rayon of Japan，Ltd.以商标″BESFIGHT″，St.Louis，-MO的Zoltek Corporation以商标″PANEX″和″PYRON″，和Wyckoff，NJ的Inco Special Products(涂覆镍的碳纤维)，以商标″12K20″和″12k50″出售的那些。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的碳纤维的纤维平均直径为约4微米～约12微米，约4.5微米～约12微米，甚至约5微米～约10微米。一些实施方式中，碳纤维的平均抗拉强度为至少1.4GPa，至少2.1GPa，至少3.5GPa，或甚至至少5.5GPa。一些实施方式中，所述碳纤维的模量大于150GPa～不大于450GPa，或甚至不大于400GPa。

示例性石墨纤维是市场有售的，例如，由Alpharetta，GA的BPAmoco，以商标″T-300″，以1000，3000，和6000的纤维束销售。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的石墨纤维的纤维平均直径为约4微米～约12微米，约4.5微米～约12微米，甚至约5微米～约10微米。一些实施方式中，石墨纤维的平均抗拉强度为至少1.5GPa，至少2GPa，至少3GPa，或甚至至少4GPa。一些实施方式中，所述石墨纤维的模量为约200Gpa～约1200GPa，或甚至约200GPa～约1000GPa。

示例性钛纤维，例如可由TIMET，Henderson，NV得到。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的钛纤维的纤维平均直径为50微米～约250微米。一些实施方式中，所述钛纤维的平均抗拉强度为至少0.7GPa，1GPa，1.5GPa，2GPa，或甚至至少2.1GPa。一些实施方式中，所述陶瓷纤维的模量为约85Gpa～约100GPa，或甚至约85～约95GPa。

示例性钨纤维，例如可从California Fine Wire Company，GroverBeach，CA得到。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，所述连续的钨纤维的纤维平均直径为约100微米～约500微米，约150微米～约500微米，或甚至约200微米～约400微米。一些实施方式中，所述钨纤维的平均抗拉强度为至少0.7GPa，1GPa，1.5GPa，2GPa，或甚至至少2.3GPa。一些实施方式中，所述钨纤维的模量大于400GPa～约不大于420GPa，或甚至不大于415GPa。

示例性的形状记忆合金纤维例如可从Johnson Matthey，WestWhiteland，PA得到。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，所述连续的形状记忆合金纤维的纤维平均直径为约50微米～约400微米，约50～约350微米，或甚至约100微米～约300微米。一些实施方式中，形状记忆合金纤维的平均抗拉强度为至少0.5GPa，或甚至至少1GPa。一些实施方式中，所述形状记忆合金纤维的模量为约20GPa～约100GPa，或甚至约20GPa～约90GPa。

示例性聚芳基酰胺纤维例如可从DuPont，Wilmington，DE以商标″KEVLAR″得到。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的聚芳基酰胺纤维的纤维平均直径为10微米～约15微米。一些实施方式中，聚芳基酰胺纤维的平均抗拉强度为至少2.5GPa，3GPa，3.5GPa，4GPa，或甚至至少4.5GPa。一些实施方式中，所述聚芳基酰胺纤维的模量为约80GPa～约200GPa，或甚至约80GPa～约180GPa。

示例性的聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)纤维，例如可从ToyoboCo.，Osaka，Japan以商标″ZYLON″得到。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)纤维的纤维平均直径为8微米～约15微米。一些实施方式中，所述聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)纤维的平均抗拉强度为至少3GPa，4GPa，5GPa，6GPa，或甚至至少7GPa。一些实施方式中，所述聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)纤维的模量为约150GPa～约300GPa，或甚至约150～约275GPa。

陶瓷纤维的例子包括金属氧化物(例如氧化铝)纤维，氮化硼纤维，碳化硅纤维，和任何这些纤维的组合。通常，氧化陶瓷纤维是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷和玻璃的混合物(即纤维可含有结晶陶瓷和玻璃两相)。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，所述连续的陶瓷纤维的纤维平均直径为约5微米～约50微米，约5微米～约25微米，约8微米～约25微米，或甚至约8微米～约20微米。一些实施方式中，结晶陶瓷纤维的平均抗拉强度为至少1.4GPa，至少1.7GPa，至少2.1GPa，或甚至至少2.8GPa。一些实施方式中，所述结晶陶瓷纤维的模量大于70GPa～约不大于1000GPa，或甚至不大于420GPa。

单丝陶瓷纤维的例子包括碳化硅纤维。通常，碳化硅单丝纤维是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷和玻璃的混合物(即纤维可含有结晶陶瓷和玻璃两相)。通常，这些纤维长度在至少50米的级别，和长度甚至可以在千米或以上的级别。通常，连续的碳化硅单丝纤维的纤维平均直径为100微米～约250微米。一些实施方式中，结晶陶瓷纤维的平均抗拉强度为至少2.8GPa，至少3.5GPa，至少4.2GPa，或甚至至少6GPa。一些实施方式中，所述结晶陶瓷纤维的模量大于250GPa～约不大于500GPa，或甚至不大于430GPa。

另外，示例性玻璃纤维例如可从Corning Glass，Corning，NY得到。通常，连续玻璃纤维的纤维平均直径为3微米～约19微米。一些实施方式中，玻璃纤维的平均抗拉强度为至少3GPa，4GPa，或甚至至少5GPa。一些实施方式中，玻璃纤维的模量为约60GPa～95GPa，或约60～约90GPa。

一些实施方式中陶瓷和碳纤维是以束的形式。束在纤维领域是已知的，表示多个(单独的)纤维(通常至少100个纤维，更通常至少400个纤维)以粗纱状的形式集中在一起。一些实施方式中，束包括每束至少780单根纤维，和有时，每束至少2600个单根纤维。可以得到各种长度的陶瓷纤维束，包括300米，500米，750米，1000米，1500米，1750米，和更长的。纤维的横截面形状可是圆形的或椭圆的。一些碳纤维的实施方式中，束包括每束至少2,000，5,000，12,000，或甚至至少50,000单根纤维。

氧化铝纤维例如记载在美国专利4,954,462(Wood等人)和5,185,29(Wood等人)。一些实施方式中，氧化铝纤维是多晶的α氧化铝纤维，和在理论的氧化物基础上，基于氧化铝纤维的总重量，包括大于99wt％的Al₂O₃和0.2-0.5wt％的SiO₂。另一个方面中，一些希望的多晶的α氧化铝纤维，包括平均粒度小于1微米(或甚至一些实施方式中小于0.5微米)的α氧化铝。另一个方面中，一些实施方式中，多晶的α氧化铝纤维的平均抗拉强度为至少1.6GPa(一些实施方式中，至少2.1GPa，或甚至，至少2.8GPa)。示例性的α氧化铝纤维由3MCompany，St.Paul，MN.以商标″NEXTEL 610″销售。

铝硅酸盐纤维记载在例如美国专利4,047,965(Karst等人)中。示例性铝硅酸盐纤维由3M Company of St.Paul，MN.以商标″NEXTEL440″，″NEXTEL 550″，和″NEXTEL 720″销售。

铝硼硅酸盐纤维记载在例如美国专利3,795,524(Sowman)中。示例性铝硼硅酸盐纤维由3M Company.以商标″NEXTEL 312″销售。

氮化硼纤维可例如，如美国专利3,429,722(Economy)和5,780,154(Okano等人)所述制备。

示例性碳化硅纤维，例如由San Diego，CA的COI Ceramics以商标″NICALON″，以500纤维束，由Japan的Ube Industries，以商标″TYRANNO″，和由Midland，MI的Dow Corning以商标″SYLRAMIC″销售。

示例性碳化硅单丝纤维例如由Lowell，MA的Textron SpecialtyMaterials以商标″SCS-9″，″SCS-6″和″Ulra-SCS″，和由Gainesville，VA的Atlantic Research Corporation以商标″Trimarc″销售。

可商业得到的纤维通常包括在制造期间加入纤维的有机胶料，以提供润滑性能和在处理期间保护保护纤维束。所述胶料，在与聚合物的拉挤成型期间可有助于处理，以制备聚合物复合芯导线。所述胶料可以例如，通过从所述纤维溶解或燃烧掉胶料而除去。通常，希望在形成金属基复合导线以前除去胶料。

纤维可具有涂层，例如，以提高纤维的润湿性，以减少或防止纤维和熔融金属基材料之间的反应。提供这些涂层的这类涂料和方法，在纤维和复合物技术领域中是已知的。

一些实施方式中，芯中的至少85％(一些实施方式中，至少90％，或甚至至少95％)数目的纤维是连续的。

用于复合芯和导线的示例性基质材料包括聚合物(例如，环氧树脂，酯，乙烯基酯，聚酰亚胺，聚酯，氰酸盐酯，酚树脂，双马来酰亚胺树脂和热塑性树脂)，和金属(例如高纯的(例如大于99.95％)的铝元素或纯铝与其他的元素的合金，比如铜)。通常，金属基材料的选择应使得该基质材料不与纤维明显发生化学反应(即对于纤维材料是相对化学惰性的)，例如，以避免在纤维外部上提供防护层的需要。示例性金属基材料包括铝，锌，锡，镁，和其合金(例如铝和铜的合金)。一些实施方式中，希望基质材料包括铝和其合金。

一些实施方式中，金属基质包括至少98wt％的铝，至少99wt％的铝，大于99.9wt％的铝，或甚至大于99.95wt％的铝。示例性铝和铜的铝合金包括至少98wt％的铝和高达2wt％的铜。一些实施方式中，有用的合金是1000，2000，3000，4000，5000，6000，7000和/或8000系列铝合金(Aluminum Association指定)。尽管往往对于制备高抗张强度导线希望更高纯度的金属，较低纯度形式的金属也可使用。

适当的金属是可商业得到的。例如，以品名为″SUPER PUREALUMINUM；99.99％ Al″从Pittsburgh，PA.的Alcoa得到的铝。铝合金(例如，铝-2wt％铜(0.03wt％杂质))可以，例如，从New York NY.的Belmont Metals得到。锌和锡，例如可从Metal Services，St.Paul，MN(″纯锌″；99.999％纯度和″纯锡″；99.95％纯度)得到。例如，镁以品名″PURE″从Magnesium Elektron，Manchester，England得到。镁合金(例如，WE43A，EZ33A，AZ81A，和ZE41A)可以例如从TBVIET，Denver，CO.得到。

基于纤维和基质材料的总合体积计，复合芯和导线通常包括至少15体积百分数(一些实施方式中至少20，25，30，35，40，45，或甚至50体积百分数)的纤维。基于纤维和基质材料的总合体积计，更通常复合芯和导线包括40～75(一些实施方式中，45～70)体积百分数的纤维。

通常芯的平均直径是约1毫米～约15毫米。一些实施方式中，希望芯的平均直径至少是1毫米，至少2毫米，或甚至高达约3毫米。通常复合导线的平均直径是约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。一些实施方式中，希望复合导线的平均直径至少是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。

复合芯和导线可使用现有技术已知的方法制备。例如可通过连续的金属基质浸渗方法制备连续的金属基复合导线。一种适当的方法记载于例如美国专利6,485,796(Carpenter等人)中。可以通过现有技术已知的拉挤成型方法制备包括聚合物和纤维的导线。

用于制备连续的金属基导线的一个示例性装置60的示意图见图6。连续纤维束61从供应线轴62供应，并校准成环状束和纤维，在热清洗的同时通过管式炉63。然后在进入含有熔融金属基材料65(本发明也称为“熔融金属”)的坩埚67以前，将纤维束61在真空室64中抽真空。通过引出装置(caterpuller)70将纤维束61从供应线轴62拉出。超声波探头66位于在纤维邻近的熔融体65中，以帮助熔融体65浸渗入纤维束61。尽管一些冷却可发生在导线71完全离开坩埚67以前，导线71的熔融金属通过出口模68从坩埚67中出来之后冷却并固化。通过经由冷却装置69传送的冲击导线71的气体或液体流，可增强导线71的冷却。导线71收集到线轴72上。

正如以上的讨论，热清洗纤维有助于除去或减少胶料，吸附的水，及可以存在于纤维表面上的其它不稳定的或挥发性的材料的量。通常，希望将纤维热清洗至纤维表面上的碳含量小于22％区域份数。通常，管式炉63的温度至少为300℃，更通常，至少为1000℃，且尽管具体的温度和时间可基于，例如所用的具体纤维的清洗需要而定，纤维在该温度下至少驻留于管式炉63内几秒。

在一些实施方式中，纤维束61在进入熔融体67之前被抽真空，已经发现使用这种抽真空可以降低或消除缺陷的形成，例如局部区域的干纤维(即没有渗入基质的纤维区域)。通常，纤维束61在一些实施方式中的真空中抽真空到，不大于20托，不大于10托，不大于1托，或甚至不大于0.7托。

示例性的适当的真空系统64具有尺寸与纤维束61束的直径相配的入口管。入口管可以例如为不锈钢或氧化铝管，且通常至少约20-30厘米长。适当的真空室64通常直径为约2-20厘米，长度为约5-100厘米。真空泵的功率，在一些实施方式中，至少约0.2-1立方米/分钟。抽真空的纤维束61经由真空系统64上的插入金属浴的管插入熔融体65(即被引入熔融体65的时候，该抽真空的纤维束61束处于真空状态)，尽管熔融体65通常处于大气压力下。出口管的内径基本上与纤维束61束的直径相配。部分出口管浸于熔融金属中。在一些实施方式中，约0.5-5厘米的管浸于熔融金属中。选择在熔融金属材料中稳定的管。通常适当的管的例子包括氮化硅和氧化铝管。

通常通过利用超声波来提高熔融金属对纤维束61束的浸渗。例如，将振动探头66位于熔融金属65中，使得其非常接近于纤维束61束。

在一些实施方式中，使振动探头66以约19.5-20.5kHz和在空气中约0.13-0.38毫米(0.005-0.015英寸)的振幅振动。另外，在一些实施方式中，将振动探头连接到钛波导管上，其反过来连接到超声换能器(例如从Sonics & Materials，Danbury CT得到)上。

在一些实施方式中，纤维束61束在探头顶部的约2.5毫米之内(在一些实施方式中约1.5毫米之内)。在一些实施方式中，探头顶部由铌，或铌合金，比如95wt.％Nb-5wt.％ Mo和91wt.％Nb-9wt.％ Mo制成，并且可以例如从PMTI，Pittsburgh，PA.得到。合金可以制成例如，长度12.7厘米(5英寸)和直径为2.5厘米(1英寸)的圆筒。通过改变其长度，可以将圆筒调到需要的振动频率(例如，约19.5-20.5kHz)。对于关于使用超声波制备金属基复合制品的另外的细节，参见，例如美国专利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日提交的美国申请09/616,741，和2002年1月24日公开的，公开号为WO02/06550的PCT申请。

通常，熔融金属65是脱气的(例如，在浸渗期间和/或之前，降低溶于熔融金属65中的气体的量(例如，铝中的氢))。熔融金属65的脱气方法是在金属加工技术领域中熟知的。熔融体65的脱气往往可降低导线中的气体孔隙率。对于熔融铝，在一些实施方式中熔融体65的氢浓度小于约0.2，0.15，或甚至小于约0.1cm³/100克铝。

设置出口模68是为提供需要的导线直径。通常，希望沿其长度为均匀的圆线。例如，用于含有58vol％氧化铝纤维的铝复合导线的氮化硅出口模的直径与导线71的直径相同。在一些实施方式中，希望出口模68由氮化硅制成，尽管也可使用其他的材料。本领域中用于出口模的其他的材料包括常规的氧化铝。然而，申请人已经发现，氮化硅出口模的磨损明显地小于常规的氧化铝模，由此对于提供需要的直径和形状的导线是更有用的，尤其是相对更长长度的导线。

通常，导线71在离开出口模68之后，通过使其与经由冷却装置69传送的液体(例如，水)或气体(例如，氮气，氩气，或空气)接触而冷却导线71。这些冷却有助于提供希望的圆形和均匀特性，和避免空隙。导线71收集在线轴72上。

众所周知，金属基复合导线中缺陷的存在，比如金属间相；干纤维；例如由收缩或内部气体(例如氢或水汽)空隙导致的孔隙度等，可导致性能降低，比如导线强度。因此，希望减少或最小化这些特征的存在。

对于包括导线的芯，在一些实施方式中希望使导线保持在一起，例如，通过具有或者不具有粘合剂或粘结剂的带材进行外包裹(参见，例如美国专利6,559,385 B1(Johnson等人))。例如，本发明的另一种具有带材包裹的芯的示例性电缆的剖视图见图5。电缆50包括芯52和双层绞合线54，其中芯52包括用带材55包裹的导线56(如所示的复合导线)。例如，可使用现有技术已知的方法，通过在中心导线的周围绞合(例如，成螺旋形缠绕)第一层导线制备芯。通常，成螺旋形绞合的芯往往包括少至7个单独的导线到50个或更多的导线。绞合装置是现有技术已知的(例如，行星式电缆扭绞机比如得自Bergamo，Italy的Cortinovis，Spa的那些，和得自Watson Machinery International，Patterson，NJ的那些)。在被成螺旋形共同缠绕之前，将单独的导线提供到分离的线轴上，其然后被放入多个电机驱动的绞合装置滑架中。通常，成品绞合电缆的每个层具有一个滑架。各层的导线在各个滑架的出口聚集，并且在第一中心导线或在之前的层上排列。在所述电缆的绞合过程期间，通过各种滑架的中心拉出中心金属线，或中间的未完成的、仍将会有缠绕于其上的一个或多个附加层的绞合电缆，每个滑架在绞合电缆上加入一层。作为一层加入的单独的导线从它们各自的线轴同时被拉出，同时通过电机驱动的滑架被旋转绕在电缆的中心轴上。对于每个所需的层依次进行。可以例如将带材施加到得到的绞合芯上，以有助于将绞合线保持在一起。一种示例性的施加带材的机器是可从Watson Machine International商业得到的(例如，型号300的Concentric Taping Head)。示例性带材包括金属箔带材(例如，铝箔带材(例如从3M Company，St Paul，MN以商标″Foil/Glass Cloth Tape 363″)得到)，聚酯背衬的带材；和玻璃加固背衬的带材。在一些实施方式中，带材的厚度为0.05毫米～0.13毫米(0.002～0.005英寸)。

在一些实施方式中，包裹带材，使得每个连续的包裹邻接以前的包裹，而无间隙和重叠。在一些实施方式中，例如，可以包裹带材使得连续的包裹是间隔的，以在每个包裹之间留下间隙。

芯，复合导线，电缆等的长度，为至少100米，为至少200米，为至少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。

用于围绕芯绞合以提供本发明电缆的导线是现有技术中已知的。铝导线是可商业得到的，例如从Nexans，Weyburn，Canada或SouthwireCompany，Carrolton，GA以商标″1350-H19 ALUMINUM″和″1350-H0ALUMINUM″得到。通常，铝导线的热膨胀系数在至少约20℃～约500℃的温度范围内，为约20ppm/℃～约25ppm/℃。在一些实施方式中，铝导线(例如，″1350-H19铝″)具有的抗拉断裂强度为至少138MPa(20ksi)，至少158Mpa(23ksi)，至少172Mpa(25ksi)或至少186Mpa(27ksi)或至少200Mpa(29ksi)。在一些实施方式中，铝导线(例如，″1350-H0 ALUMINUM″)的抗拉断裂强度为大于41MPa(6ksi)～不大于97MPa(14ksi)，或甚至不大于83MPa(12ksi)。铝合金导线是可商业得到的，例如从Sumitomo Electric Industries，Osaka，Japan以商标″ZTAL″，或从Southwire Company，Carrolton，GA以品名″6201″得到。在一些实施方式中，铝合金导线的热膨胀系数在至少约20℃～约500℃的温度范围内，为约20ppm/℃～约25ppm/℃。铜导线是可商业得到的，例如从Southwire Company，Carrolton，GA.。通常，铜导线的热膨胀系数在至少约20℃～约800℃的温度范围内，为约12ppm/℃～约18ppm/℃。铜合金导线(例如，铜青铜比如Cu-Si-X，Cu-Al-X，Cu-Sn-X，Cu-Cd；其中X＝Fe，Mn，Zn，Sn和或Si；例如从Southwire Company，Carrolton，GA.可商业得到；氧化物分散强化的铜例如从OMG Americas Corporation，Reasearch Triangle Park，NC以名称″GLIDCOP″得到)。在一些实施方式中，铜合金导线的热膨胀系数在至少约20℃～800℃的温度范围内，为约10ppm/℃～约25ppm/℃。所述导线可以以任何的各种形状(例如，环状的，椭圆的，和梯形的)。

通常，可通过在芯上铰合导线制备本发明的电缆。所述的芯可包括，例如单线，或绞合线(例如成螺旋形缠绕的导线)。在一些实施方式中，例如为7，19或37个导线。制备本发明的电缆的示例性装置80见图7，7A和7B。在常规的行星式绞合机的端部设置芯材料的线轴81，其中线轴81自由地旋转，通过制动系统能施加应力，在所述制动系统中应力可以在放线期间施加到所述芯上(在一些实施方式中，为0-91kg(0-200lbs.))。芯90通过线轴滑架82，83，通过闭式模具84，85，绕过绞盘轮86连接到卷带轴87。

在应用外部绞合层之前，将单独的导线提供到分离的线轴88上，所述线轴置于所述绞合装置的若干个电机驱动的滑架82，83中。在一些实施方式中，将导线89A，89B从线轴88拉出所需的应力通常为4.5-22.7kg(10-50lbs.)。通常，成品绞合电缆的各层均具有一个滑架。在每个滑架的出口，各层的导线89A，89B在闭式模具84，85处汇集，并在中心金属线之上或在以前的层之上排列。在相反的方向成螺旋形绞合所述层，使得外层得到右转扭绞。在所述电缆的绞合过程期间，通过不同滑架的中心拉出中心金属线，或中间的未完成的、将仍有缠绕于其上的一个或多个附加层的绞合电缆，每个滑架在绞合电缆上加入一层。从它们各自的线轴同时拉出作为一层加入的独立导线，同时将其通过电机驱动的滑架旋转缠绕在电缆的中心轴上。对于所需的各层依次进行该步骤。结果得到成螺旋形绞合的电缆91，其可以切割和方便地处理而不会有损其形状或散开。

该处理绞合电缆的能力是希望的特征。尽管不希望限于理论，因为在制造期间，所述的金属导线经受的应力--包括弯曲应力作用--超过了导线材料的屈服应力，但是低于极限应力或破坏应力，所以所述的电缆可保持其螺旋形绞合结构。当导线绕中心导线或之前的层的相对小的半径成螺旋形缠绕时，赋予该应力。在闭合模具84，85上施加另外的应力，所述的模具在制造期间对电缆施加径向力和剪切力。从而导线可发生塑性变形，并保持它们的螺旋形绞合形状。

通过闭式模具，使给定层的芯材料和导线紧密接触。参照图7A和7B，通常这样设计闭合模具84A，85A的尺寸，使其能够最小化缠绕层的导线的变形应力。将闭式模具的内径设计为适合于外层直径的大小。为最小化层的导线上的应力，这样设计闭式模的尺寸，使得其比电缆的外径大0-2.0％(即模内径是电缆外径的1.00到1.02倍)。图7A和7B所示的示例性闭合模具是圆筒，并例如通过使用螺栓或其他的适当的连接方法，将其保持在适当的位置。所述模具可例如由硬化的工具钢制备。

如果需要，可使得到的成品电缆通过其他的绞合站，并最终缠绕到具有足够的直径以避免电缆损伤的卷带轴87上。在一些实施方式中，可能希望使用现有技术已知的矫直电缆的方法。例如，成品电缆可以通过矫直机设备，该设备由线性地分两排排列的辊(每个辊例如为，10-15厘米(4-6英寸))组成，其中例如每排中具有5-9个辊。可以改变两排辊之间的距离使得辊刚好碰到电缆，否则导致电缆严重的弯曲。两排辊位于电缆的相对侧，其中一排中的辊与由其他的排中相对的辊所产生的间隔相匹配。这样所述的两排可以彼此补偿。在电缆通过矫直装置时，该电缆在辊上来回弯曲，使得传导体中的绞合线拉伸到相同的长度，从而减少或消除绞合线的松弛。

在一些实施方式中，为便于提供应力参数小于零的电缆，希望能在高于环境温度(例如22℃)的高温(例如，至少25℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃，200℃，250℃，300℃，400℃，或甚至在一些实施方式中，至少500℃)下提供芯。所述的芯可以加热到需要的温度，例如通过加热线轴芯(例如将芯置于烘箱内的金属(例如钢)上几个小时)。将加热的线轴芯置于绞合机的放线线轴(参见，例如图7的放线线轴81)上。希望高温线轴在绞合工艺中的同时，所述的芯仍处在或接近所需的温度(通常在约2小时之内)。另外可能希望形成电缆外层的、放线线轴上的导线保持在环境温度。即，希望在绞合工艺期间，所述的芯与形成外层的导线之间存在温差。

在一些实施方式中，希望在至少100kg，200kg，500kg，1000kg，或甚至至少5000kg的芯应力下进行绞合。

在本发明电缆的一些实施方式中(例如应力参数小于零的电缆)，希望能将绞合到芯周围的导线保持在一起，例如通过具有或者不具有粘合剂或粘结剂的带材包裹。例如，本发明另一种示例性电缆的剖视图110见图10。电缆110包括具有导线芯116的芯112和双层绞合线114，其中电缆110包裹有带材118。例如，可以将带材施加到得到的绞合电缆，以有助于将绞合线保持在一起。在一些实施方式中，使用常规的缠绕设备用胶带包裹电缆。施加带材的一种示例性机器是可从Watson Machine International商业得到的(例如，型号300 ConcentricTaping Head)。示例性的带材包括金属箔带材(例如，铝箔带材(例如从3M Company，St Paul，MN以商标″Foil/Glass Cloth Tape 363″)得到的)，聚酯背衬带材；和玻璃加固背衬的带材。在一些实施方式中，带材的厚度为0.05毫米～0.13毫米(0.002～0.005英寸)。

在一些实施方式中，包裹带材使得每个连续的包裹与之前的重叠。在一些实施方式中，包裹带材使得每个连续的包裹与以前的包裹邻接而无间隙和重叠。在一些实施方式中，例如，可以包裹带材以使得连续的包裹是间隔的，以在各包裹之间留下间隙。

在一些实施方式中，在在绞合工艺期间，在电缆处于应力的同时包裹电缆。参照图7，例如，缠绕设备将位于最后的闭式模具85和成品卷筒86之间。

测定下垂的方法

选择传导体的长度为30-300米，末端是常规的环氧树脂接头，确保该层基本上保持相同的相对位置，如同制造状态一样。外部导线延伸穿过环氧树脂接头并从另一侧出来，然后重构以使得可以利用常规的终端连接器能连通AC电源。环氧树脂接头浇铸在铝粗锌插座中，所述插座其连接到用于保持应力的螺旋扣上。在一侧，将测力计连接到螺丝扣上，然后在两端将该螺旋扣连接到拉眼。所述拉眼连接到大的混凝土柱上，其足够大以最小化在应力作用下的该体系的端部偏移。对于该试验，把应力拉到传导体标定断裂强度的10～30％的值范围。使用九个热电偶，在沿传导体长度的三个位置测量温度(在总的(到拉眼到拉眼)间隔的1/4，1/2和3/4位置处)。在各个位置，所述的三个热电偶位于传导体内三个不同的径向位置；在外部导线绞合线之间，在内部导线绞合线之间，和邻近于(即接触)外部芯导线的位置。使用拉线电位计(得自SpaceAge Control，Inc Palmdale，CA)，在沿传导体长度的三个位置(间隔距离的1/4，1/2和3/4处)测量下垂值。设置在这些位置是为了测量三个位置的垂直位移。将AC电流施加到传导体，以使温度增加到希望值。传导体的温度从室温(约20℃(68))上升到约240℃(464)，上升速度为60-120℃/分钟(140-248/分钟)。所有热电偶的最高温度被用作对照。

在从室温(约20℃(68))到约240℃(464)之间一度间隔的各种温度下，使用下式计算传导体(Sag_total)的下垂值：

${\mathrm{Sag}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{Sag}}_{1/2}-\left(\frac{{\mathrm{Sag}}_{1/4}+{\mathrm{Sag}}_{3/4}}{2}\right)---\left(1\right)$

其中：

Sag_1/2＝在传导体间距的1/2距离处测量的下垂

Sag_1/4＝在传导体间距的1/4距离处测量的下垂

Sag_3/4＝在传导体间距的3/4距离处测量的下垂

有效的″内部间隔″长度是1/4和3/4位置之间的水平距离。这些是用于计算下垂的间隔长度。

应力参数的推导

测量的下垂和温度数据以下垂相对于温度作图。使用AlcoaFujikura Ltd.Greenville，SC的商标为″SAG10″(版本3.0更新3.9.7)的软件程序中可得到的Alcoa Sag10图解法，拟合计算曲线和测量数据。在″SAG10″中以″嵌入的铝应力″标注的应力参数是拟合参数，如果使用铝以外的材料(例如铝合金)，所述应力参数可以改变以拟合其他参数，并且所述应力参数调节预示图表上膝点的位置以及在高温下的后膝点区域的下垂量。应力参数理论的说明提供在Alcoa Sag10 UsersManual(Version 2.0)：Theory of Compressive Stress in Aluminum ofACSR。需要将以下的传导体参数输入Sag10软件；面积，直径，单位长度重量和标定断裂强度。需要将以下的线负荷条件输入Sag10软件；间隔长度，在室温下(20-25℃)的初始张力。需要将以下的参数输入Sag10软件以执行压缩应力计算：插入导线应力，导线面积(作为总面积的份数)，传导体中导线层的个数，传导体中绞线股数，芯绞合线的个数，各导线层的绞合层系数。需要将表(见下表1)中的应力-应变系数输入″SAG10″软件。

表1

初始导线
						A0	A1	A2	A3	A4	AF
						成品导线(10年蠕变)
B0	B1	B2	B3	B4	α(Al)
初始的芯
						C0	C1	C2	C3	C4	CF
						成品芯(10年蠕变)
D0	D1	D2	D3	D4	α(芯)

也指定参数TREF，其是参考系数的温度。

应力-应变曲线多项式的定义

首先五个数值A0-A4是第4级多项式的系数，其表示初始的导线曲线乘以面积比：

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{InitialWire}}=A0+A1\mathrm{\ϵ}+A2{\mathrm{\ϵ}}^2+A3{\mathrm{\ϵ}}^3+A4{\mathrm{\ϵ}}^4---\left(2\right)$

AF是导线的最终模量

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{FinalWire}}=\mathrm{AF\ϵ}---\left(3\right)$

其中ε是以％表示的传导体伸长，σ是以psi表示的应力

B0-B4是第4级多项式的系数，其表示导线最后10年的蠕变曲线乘以面积比：

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{FinalWire}}=B0+B1\mathrm{\ϵ}+B2{\mathrm{\ϵ}}^2+B3{\mathrm{\ϵ}}^3+B4{\mathrm{\ϵ}}^4---\left(4\right)$

Cα(Al)是导线的热膨胀系数。C0-C4是第4级多项式的系数，表示初始的曲线仅乘以复合芯的面积比。

CF是复合芯的最终模量

D0-D4是第4级多项式的系数，其表示复合芯最后10年的蠕变曲线乘以面积比

α(芯)是复合芯的热膨胀系数。

拟合计算和测量数据时，最佳拟合(i)通过改变应力参数值，拟合计算曲线与测量数据，在高温下(140-240℃)使曲线拟合，和(ii)实测曲线的拐点(膝点)近似拟合计算曲线，和(iii)要求初始的计算下垂拟合初始的测量下垂(即，初始应力在24℃(75)是1432kg，产生12.5cm(5英寸)的下垂)。因此导出与测量数据最佳拟合的应力参数的值。这些结果是电缆的″应力参数″。

根据本发明的电缆可被用于各种应用，包括高架电力输送电缆。

通过下列实施例进一步说明本发明的实施方式和优点，但是不应该将这些实施例中所述的特定材料和量，及其他的条件和细节解释为不当地限制本发明。所有的份数和百分比以重量计，除非另外指出。

实施例

说明性的实施例

如下制备说明性实施例的电缆导线。使用图6所示的装置60制备导线。从供应线轴62提供十一(11)束10,000旦的α氧化铝纤维(由3M Company，St.Paul以商标″NEXTEL 610″销售)，校准成环状束，以305cm/min(120in./min)的速度，通过加热到1100℃的1.5m(5英尺.)长的氧化铝管63进行热清洗。然后在进入含有金属铝(99.99％铝)基质材料(得自Beck Aluminum Co.，Pittsburgh，PA)的熔融(熔融金属)65的坩埚67以前，在真空室64抽空热清洗的纤维61。通过引出装置70从供应线轴62拉出纤维。超声波探头66位于在纤维邻近的熔融体65中，以有助于熔融体65浸渗入纤维61的束。导线71的熔融金属通过出口模68退出坩埚67之后冷却和固化，尽管一些冷却或许发生在导线71完全地退出坩埚67以前。另外，通过经由冷却装置69传送的氮气流冲击导线71而增强导线71的冷却。导线71收集到线轴72上。

在进入熔融体67以前对纤维61抽真空。真空室的压力大约20托。真空系统64具有尺寸与纤维束61的直径相配的25厘米长的氧化铝入口管。真空室64长为21厘米，直径为10厘米。真空泵的功率是0.37m³/分钟。抽真空后的纤维束61经由真空系统64上插入金属浴的管而插入金属65中(即被引入熔融体54的时候，抽真空后的纤维61在真空状态下)。出口管的内径与纤维束61的直径相配。一部分出口管以5厘米的深度浸于熔融金属中。

通过利用位于熔融金属65中的非常接近于纤维61的振动探头66，增强熔融金属65到纤维61的浸渗。探头66以19.7kHz和在空气中0.18毫米的(0.007英寸)的振幅驱动振动。另外，探头连接到钛波导，其反过来连接到超声换能器(例如从Sonics & Materials，Danbury CT得到)。

纤维61在探头端部的2.5毫米之内。探头端部是由91wt.％Nb-9wt.％Mo的铌合金组合物(得自PMTI，Pittsburgh，PA)制成的。合金可以制成长度12.7厘米(5英寸.)直径为2.5厘米(1英寸)的圆筒。通过改变其长度将圆筒调到需要的19.7kHz的振动频率。

熔融金属65在浸渗之前脱气(例如，降低溶于熔融金属中的气体量(例如，氢))。使用轻便的得自Brummund Foundry Inc，Chicago，IL的旋转脱气装置。使用的气体是氩气，氩气流速是1050升每分钟，通过设定在50升每分钟的马达的空气流速提供速度，持续时间是60分钟。

设置氮化硅出口模68以提供需要的导线直径。出口模的内径是2.67毫米(0.105英寸)。

绞合芯在Wire Rope Company in Montreal，Canada.的绞合装置上绞合。电缆在中心具有一个导线，在第一层具有右转扭绞的六个导线。在被成螺旋形共同缠绕之前，独立的导线设置在分离的线轴上，其然后被放入绞合装置的电机驱动的滑架中。滑架具有用于成品绞合电缆层的六个线轴。层的导线在滑架的出口聚集，并且在中心金属线上排列。在电缆绞合工艺期间，中心金属线通过滑架中心拉出，滑架给绞合电缆加入一层。作为一层加入的单独导线从它们各自的线轴同时拉出，同时通过电机驱动的滑架旋转绕到电缆的中心轴上。得到的是成螺旋形的绞合芯。

使用常规包裹设备(型号300 Concentric Taping Head得自WatsonMachine International，Paterson，NJ)，用胶带包裹绞合芯。带状背衬是具有玻璃纤维的铝箔带材，并且具有压敏聚硅氧烷粘合剂(以商标″Foil/Glass.Cloth Tape 363″得自3M Company，St.Paul，MN)。带材18的总厚度是0.0072英寸(0.18毫米)。带材宽0.75英寸(1.90厘米)。

成品芯的平均直径是0.324英寸(8.23毫米)，绞合线层的捻距是21.3英寸(54.1厘米)。

第一梯形铝合金导线由铝/锆棒制备，所述铝/锆棒直径为9.53毫米(0.375英寸)；得自Lamifil N.V.，(Hemiksem，Belguim under thetrade designation″ZTAL″)，抗拉强度153.95Mpa(22,183psi)，伸长13.3％，导电性为60.4％IACS。第二梯形导线由铝/锆棒制备，所述铝/锆棒直径为9.53毫米(0.375英寸)(″ZTAL″)，拉伸强度132.32MPa(19,191psi)，伸长10.4％，导电性60.6％IACS。在室温下使用现有技术已知的五媒介冲模，并且最后使用梯形的成形模压延棒。拉丝模由碳化钨组成。碳化钨拉模的几何形状为60°入射角，16-18°缩小角，轴承长度为模直径的30％，和60°后间隙角(back relief angle)。该模面是高度抛光的。使用拉制用油润滑和冷却冲模。在设定为40-50℃的温度下，牵引系统以设定在60-100升每分钟每冲模的速度传送该油。最后的成形模包括两个水平硬化钢(硬度60RC)成型辊，具有高度抛光的工作面。辊槽的设计基于需要的梯形断面。辊安装在位于拉盒和外侧拉块之间的辊台上。最后的成形辊减小，降低导线的面积约23.5％。面积缩小的量足以将金属移动进入辊槽的角内，并足以填充成型辊之间的距离。排列和安装成型辊使得梯形导线的管帽面对拉块和线轴转筒的表面。形成之后，使用模板检查和检验导线的剖面。

然后将导线缠绕到线轴上。得到导线的各种性能列于下表2。梯形形状的″有效直径″指与梯形形状的横截面积具有相同面积的圆的直径。绞合装置安装有20个线轴(第一导线的8个用于绞合第一内层，第二导线的12个用于绞合第二外层)，从这些的子集中取出导线用于试验，其是″样品线轴″。

表2

	有效直径，毫米(英寸)	拉伸强度，MPa(psi)	伸长，％	导电性IACS％
					内层
第1线轴导线	4.54(0.1788)	168.92(24,499)	5.1	59.92
					第4线轴导线	4.54(0.1788)	159.23(23,095)	4.3	60.09
第8线轴导线	4.54(0.1788)	163.39(23,697)	4.7	60.18

外层
					第1线轴导线	4.70(0.1851)	188.32(27,314)	4.7	60.02
第4线轴导线	4.70(0.1851)	186.27(27,016)	4.3	60.09
					第8线轴导线	4.70(0.1851)	184.73(26,793)	4.3	60.31
第12线轴导线	4.70(0.1851)	185.50(26,905)	4.7	59.96

由Nexans，Weyburn，SK使用常规的行星式绞合机和如上所述的芯和(内部和外部)导线制备电缆，用作对比例。用于制备电缆的装置80的示意图见图7，7A，和7B。

在常规的行星式绞合机80的端部设置芯的线轴81，其中线轴81自由地旋转，能通过制动系统施加应力。在放线期间施加到芯的应力是45kg(100lbs.)。芯在室温下(约23℃(73))输入。该芯通过线轴滑架82，83的中心，通过闭式模具84，85，绕绞盘轮86并连接到常规的卷线轴87(直径152厘米(60英寸))。

在应用外部绞合层89之前，由分离的线轴88提供单独的导线，所述线轴置于绞合装置的若干电机驱动的滑架82，83中。从线轴88拉出导线89需要的应力设为11-14kg(25-30lbs.)。绞合站由滑架和闭式模具组成。在各个绞合站，各层的导线89分别在每个滑架的出口、在闭式模具84，85处汇集，并分别在中心金属线之上或在以前的层之上排列。因此，该芯通过两个绞合站。第一站中，8股导线在芯上左捻绞合。在第二站中，12股导线在以前的层上右捻绞合。

通过应用的闭式模具84，85使给定层的芯材料和导线接触。闭式模具是圆筒(见7A和7B)，并使用螺钉保持在适当位置。所述模具由硬化工具钢组成，并能够完全闭合。

成品电缆通过绞盘轮86，并最终缠绕到卷带轴87(直径91厘米(36英寸))上。成品电缆通过由线性地排列于两排的辊组成的矫直机设备(各个辊是12.5厘米(5英寸))，每排7个辊。设定两排辊之间的距离，使得辊刚好碰到电缆。两排辊位于电缆的相对侧，一排中的辊与由其他的排中相对辊产生的间隔相匹配。因此，这两排可以彼此补偿。电缆通过矫直装置时，电缆在辊上来回弯曲，使得传导体中的绞合线拉伸到相同的长度，从而消除松弛的绞合线。

内层由8个梯形导线组成，外侧层直径为15.4毫米(0.608英寸)，单位长度质量353kg/km(237lbs/kft.)，左转扭绞20.3厘米(8英寸)。内层的封闭单元(由硬化工具钢制造；硬度60Re)设定在内径15.4毫米(0.608英寸)。因此该封闭单元设定在与电缆直径准确相同的直径。

外层由12个梯形导线组成，外侧层直径为22.9毫米(0.9015英寸)，单位长度质量507.6kg/km(341.2lbs/kft)，右转扭绞25.9厘米(10.2英寸)。铝合金导线的单位长度的总质量是928.8kg/km(624.3lbs./kft.)，芯的单位长度的总质量是136.4kg/km(91.7lbs./kft.)和单位长度的总传导体质量是1065kg/km(716.0lbs./kft.)。外层的封闭单元(由硬化工具钢制造；硬度60Re)设定在内径0.9015英寸(22.9毫米)。因此该封闭单元设定在与成品电缆直径准确相同的直径。

使用手持式测力计(得自McMaster-Card，Chicago，IL)测量内部导线和外部导线应力(如放线线轴)，并调整到13.5-15kg(29-33lbs.)，使用与线轴相同的测量方法，通过闸将芯的放线应力设定在大约90kg(198lbs.)。另外，不使用矫直机，电缆不缠绕，而是让其径直前进并置于地板上。芯在室温下(约23℃(73))输入。

绞合机以15m/min(49ft/分钟)运转，使用常规的绞盘轮驱动，标准矫直装置，和常规的152厘米(60英寸)直径卷带轴。

使用以下的″Cut-end Test Method″测试得到的传导体。待试验的一部分传导体直接置于地板上，在两端均夹上3.1-4.6m(10-15ft.)长的子部分。然后切割该传导体以分离该部分，仍在两端夹持。然后放开一个夹持器，没有发现层的移动。然后检查传导体该部分的层相互之间的移动。使用直尺测量确定每个层相对于芯的移动量。外部的铝层相对于复合芯缩进；以芯作为零点参考位置，内部铝层缩回0.16英寸(4毫米)和外层缩回0.31英寸(8毫米)。

同样由Kinectrics，Inc.Toronto，Ontario，Canada使用以下″Sag TestMethod I″评价说明性实施例的电缆。传导体的长度用常规的环氧树脂接头封端，除铝/锆导线延伸穿过该环氧树脂接头并且从另一侧伸出、然后重构以使用常规的终端连接器连接到AC电源之外，确保该层基本上保持于制造状态的相同的相对位置。环氧树脂接头浇铸在铝粗锌插座中，所述插座连接到用于保持张力的螺旋扣。在一侧，测力计连(5000千克(kg)负荷量)接到螺丝扣，然后在两端将螺旋扣连接到拉眼。将拉眼连接到大的混凝土柱上，其足够大以最小化在应力作用下体系的端部偏移。用于该试验，把应力拉到传导体标定断裂强度的20％。从而将2082kg(4590lb)的力施加到电缆。在沿传导体长度的三个位置(在总的(拉眼到拉眼)间隔距离的1/4，1/2和3/4处)，使用九个热电偶(每个位置三个；J-类型得自Omega Corporation，Stamford，CT)测量温度。在各个位置，该三个热电偶位于传导体之内的三个不同的径向位置；在外部铝绞合线之间，内部铝绞合线之间，和邻近于(即接触)外部芯导线的位置。使用拉线电位计(得自SpaceAge Control，IncPalmdale，CA)，在沿传导体长度的三个位置(间隔距离的1/4，1/2和3/4处)测量下垂值。设置这些位置以测量三个位置的垂直位移。将AC电流施加到传导体，以使温度增加到希望值。传导体的温度从室温(约20℃(68))上升到约240℃(464)，上升速度为60-120℃/分钟(140-248/分钟)。所有热电偶的最高温度被用作对照。为实现240℃(464)需要约1200安培。

使用下式计算在不同温度下传导体(Sag_total)的下垂值：

${\mathrm{Sag}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{Sag}}_{1/2}-\left(\frac{{\mathrm{Sag}}_{1/4}+{\mathrm{Sag}}_{3/4}}{2}\right)$

其中：

Sag_1/2＝在传导体间距的1/2处测量的下垂

Sag_1/4＝在传导体间距的1/4处测量的下垂

Sag_3/4＝在传导体间距的3/4处测量的下垂

表3(以下)总结了固定输入的试验参数。

表3

参数	值
		总间隔长度	68.6m(225ft.)
有效的间隔长度*-m(ft.)	65.5m(215ft.)
		北固定点的高度	2.36m(93.06in.)
南固定点的高度	2.47m(97.25in.)
		传导体重量	1.083kg/m(0.726lbs./ft.)
初始应力(@20％ RTS*)	2082kg(4590lb)
		测力计载荷量	5000kg(1100lbs)测力计

^*标称的拉伸强度

对得到的下垂和温度数据(说明性实施例的″结果数据″)作图，然后使用由Alcoa Fujikura Ltd.，Greenville，SC以商标″SAG10″(版本3.0更新3.9.7)得到的软件程序中具有的Alcoa Sag10图解法拟合计算的曲线。应力参数是″SAG10″中标称为″嵌入的铝应力″的拟合参数，其在预计图中调节膝点的位置以及在高温下后膝点区域的下垂量。应力参数理论的说明提供在Alcoa Sag10 Users Manual(Version 2.0)：Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR。用于675kcmil电缆的传导体参数如表4-7(以下)所示，将其输入Sag10软件。最佳拟合(i)通过改变应力参数值，拟合″结果数据″与计算曲线，使得在高温下(140-240℃)拟合曲线，和(ii)″结果数据″曲线的拐点(膝点)近似拟合计算曲线，和(iii)要求初始的计算下垂拟合初始的″结果数据″下垂(即初始应力在22℃(72)是2082kg，产生27.7cm(10.9英寸)的下垂)。对于该实施例，3.5MPa值(500psi)的应力参数提供了对″结果数据″的最佳拟合。图8显示由Sag10计算的下垂(线82)和测量的下垂(绘图数据83)。

将以下的传导体数据输入″SAG10″软件：

表4

SAG10中的传导体参数

面积                      381.6mm²(0.5915in²)

直径                      2.3cm(0.902in)

重量                      1.083kg/m(0.726lb./ft.)

RTS：                     10,160kg(22,400lbs.)

表5

线负荷条件

间隔长度                  65.5m(215ft.)

初始应力(在22℃(72))    2082kg(4,590lbs.)

表6

压缩应力计算的选项

嵌入铝应力                  (3.5MPa(500psi)

铝面积(作为总面积的份数)    0.8975

铝层个数：                  2

铝绞合线个数                20

芯绞合线个数                7

绞合扭绞系数

外层                        11

内层                        13

Sag10的应力应变参数；TREF＝22℃(71)

软件执行的输入参数(见表7，以下)

表7

初始的铝
						A0	A1	A2	A3	A4	AF
17.7	56350.5	-10910.9	-155423	173179.9	79173.1
						成品铝(10年蠕变)
B0	B1	B2	B3	B4	α(Al)
						0	27095.1	-3521.1	141800.8	-304875.5	0.00128
初始的芯
						C0	C1	C2	C3	C4	CF
-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	33746.7
						成品芯(10年蠕变)
D0	D1	D2	D3	D4	α(芯)
						-95.9	38999.8	-40433.3	87924.5	-62612.9	0.000353

应力-应变曲线多项式的定义

首先五个数值A0-A4是第4级多项式的系数，其表示初始的铝曲线乘以面积比：

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{InitialWire}}=A0+A1\mathrm{\ϵ}+A2{\mathrm{\ϵ}}^2+A3{\mathrm{\ϵ}}^3+A4{\mathrm{\ϵ}}^4$

AF是铝的最终模量

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{FinalWire}}=\mathrm{AF\ϵ}$

其中ε是以％表示的传导体伸长，σ是以psi表示的应力

B0-B4是第4级多项式的系数，其表示铝最后10年的蠕变曲线乘以面积比：

$\frac{A_{\mathrm{Wire}}}{A_{\mathrm{total}}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{FinalWire}}=B0+B1\mathrm{\ϵ}+B2{\mathrm{\ϵ}}^2+B3{\mathrm{\ϵ}}^3+B4{\mathrm{\ϵ}}^4$

cα(Al)是铝的热膨胀系数。

C0-C4是第4级多项式的系数，表示初始曲线仅乘以复合芯的面积比。

CF是复合芯的最终模量

D0-D4是第4级多项式的系数，其表示复合芯最后10年蠕变的曲线乘以面积比

α(芯)是复合芯的热膨胀系数。

预期的实施例1

用如说明性实施例所述的方法制备电缆，除如下不同外：绞合用以形成芯的复合导线由碳纤维复合物(在双马来酰胺基树脂基体中的碳纤维)导线组成。这些导线以商标″CFCC″可得自Tokyo RopeManufacturing Company，Ltd.Tokyo，Japan。所述复合导线将具有与说明性实施例的复合导线相同的直径。

实施例

利用记载于说明性实施例的Alcoa Sag10图解法模型，预计记载于预期性实施例1中的电缆的温度与下垂的关系。使用Sag10模型和说明性实施例的方法得到下垂对温度的曲线。将如表8-11(以下)所示的传导体参数输入Sag10软件。用于预期性实施例1的压缩应力参数值是3.5MPa(500psi)。另外对于55MPa(8000psi)的压缩应力值作下垂对温度曲线。图9表明说明性实施例和预期性实施例1的下垂对温度曲线。说明性实施例的测量数据表示为作图数据93，说明性实施例的计算曲线表示为线92。使用应力参数3.5MPa(500psi)的预期性实施例1的计算曲线表示为线94。应力参数为55MPa(8000psi)的另外的计算曲线表示为线96。

将以下的传导体数据输入″SAG10″软件：

表8

SAG10中的传导体参数

面积                381.6mm²(0.677in²)

直径                2.3cm(0.902in.)

重量                1.007kg/m(0.677lb/ft.)

RTS：               11,045kg(24,350lbs.)

表9

线负荷条件

间隔长度            65.5m(215ft.)

初始应力(在72)    2082kg(4,590lbs.)

表10

                   压缩应力计算的选项

嵌入铝应力值

                                   500(预期性实施例1)

                                   8000(另外的曲线)

铝面积(作为总面积的份数)           0.8975

铝层的个数：                       2

铝绞合线的个数                     20

芯绞合线的个数                     7

绞合线扭绞系数

外层                               11

内层                               13

Sag10的应力应变参数；TREF＝22℃(71)

表11

初始的铝
						A0	A1	A2	A3	A4	AF
17.7	56350.5	-10910.9	-155423	173179.9	79173.1
						成品铝(10年蠕变)
B0	B1	B2	B3	B4	α(Al)
						0	27095.1	-3521.1	141800.8	-304875.5	0.00128
初始的芯
						C0	C1	C2	C3	C4	CF
0	23575	0	0	0	23575
						成品芯(10年蠕变)
D0	D1	D2	D3	D4	α(芯)
						0	23575	0	0	0	0.000033

显然本领域技术人员可不偏离本发明的范围和原则作各种修改和变更，应理解为本发明不应不当地限于本发明中的说明性的实施方式。

Claims (14)

1.一种电缆，包括：

具有热膨胀系数的纵向的芯，所述的芯包括至少一种芳族聚酰胺、陶瓷、硼、聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)、石墨、碳、钛、钨、或形状记忆合金的；和

多个导线，其总的热膨胀系数大于所述芯的热膨胀系数，其中所述多个导线包括至少一种铝导线、铜导线、铝合金导线、或铜合金导线，其中所述多个导线绞合到所述芯的周围，

其中所述电缆的应力参数不大于20MPa，条件是如果所述纵向的芯包括金属基复合导线，该芯独立地包括至少一种芳族聚酰胺、陶瓷、硼、聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)、石墨、碳、钛、钨、或形状记忆合金。

2.如权利要求1的电缆，其中所述电缆的应力参数不大于15MPa。

3.如权利要求1的电缆，其中所述电缆的应力参数不大于10MPa。

4.如权利要求1的电缆，其中所述电缆的应力参数不大于5MPa。

5.如权利要求1的电缆，其中所述电缆的应力参数为0MPa～15MPa。

6.如权利要求1的电缆，其中所述电缆的应力参数为0MPa～10MPa。

7.如权利要求1的电缆，其中所述芯包括含有连续纤维的复合物，所述连续纤维为至少一种在聚合物基体中的芳族聚酰胺、陶瓷、硼、聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)、石墨、碳、钛、钨、或形状记忆合金。

8.如权利要求1的电缆，其中所述芯包括含有在聚合物基体中的连续陶瓷的复合物。

9.如权利要求1的电缆，其中所述导线和芯是连续的，并至少为150米长。

10.如权利要求1的电缆，其中所述芯包括直径1毫米～12毫米的导线。

11如权利要求1的电缆，其中所述芯包括直径1毫米～4毫米的导线。

12.如权利要求1的电缆，其中所述芯的导线成螺旋形绞合，以使其绞捻系数为10～150。

13.如权利要求1的电缆，其中所述导线的形状是梯形的。

14.一种制备电缆的方法，所述方法包括：

围绕纵向的芯绞合多个导线，其中所述多个导线包括至少一种铝导线、铜导线、铝合金导线、或铜合金导线，所述芯包括至少一种芳族聚酰胺、陶瓷、硼、聚(p-亚苯基-2，6-苯并二噁唑)、石墨、碳、钛、钨、或形状记忆合金，以提供初步绞合的电缆；和

使所述初步绞合的电缆经过闭式模具，以提供如权利要求1的电缆，其中闭式模具具有内径，其中所述电缆具有外径，其中模具内径是电缆外径的1.00～1.02倍。

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