KR19990028212A

KR19990028212A - 섬유 강화형 알루미늄 모재 복합 재료

Info

Publication number: KR19990028212A
Application number: KR1019970709523A
Authority: KR
Inventors: 맥컬러프 콜린; 모르텐센 앤드리어스; 에스. 워너 폴; 이. 데브 허브; 엘. 앤더슨 트레이시
Original assignee: 스프레이그 로버트 월터; 미네소타마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: AU5866196A; US6447927B1; DE69611913T2; EP0833952A1; NO976010D0; US6180232B1; NO321706B1; EP0833952B1; US6336495B1; AU707820B2; MY120884A; US6544645B1; WO1997000976A1; NO976010L; CN1101483C; ATE199412T1; CA2225072C; US6245425B1; US6460597B1; DE69611913D1

Abstract

본 발명은 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 모재 또는 원소 알루미늄 및 2% 이하의 구리 합금 모재 내에 포함된 다결정의 α-Al₂O₃섬유가 형성된 복합 금속 모재에 관한 것이다. 결과적으로 생성되는 재료는 고강도 및 저중량을 특징으로 하고, 고전압 송전을 포함하여 여러 분야에 사용하기에 특히 적합하다.

Description

섬유 강화형 알루미늄 모재 복합 재료

연속 섬유 강화형 알루미늄 모재 복합재료(CF-AMCs)는 종래의 합금 및 미립자 금속 모재 복합 재료와 비교하여 뛰어난 특유 성질을 제공한다. 이러한 복합재료의 종방향 강성(剛性, stiffness)은 통상적으로 종래 합금의 강성보다 세배이며, 이러한 복합 재료의 특유 강도는 통상적으로 고강도 강 또는 알루미늄 합금의 강도보다 두배나 크다. 또한, 여러 용도에 있어서, CF-AMCs는 적절한 이방성(異方性, anisotropy) 성질 때문에, 특히 섬유 축의 방향과 다른 방향에서의 고강도 때문에 그래파이트 중합체(graphite-polymer) 복합 재료와 비교하여 상당히 매력적인 재료이다. 또한, CF-AMCs는 허용가능한 사용 온도 범위를 실질적으로 개선시키고, 통상적으로 중합체 모재 복합 재료에서 직면하게 되는 환경 문제도 없다. 이러한 문제들로는 덮고 습기찬 환경에서, 특히 자외선(UV) 복사에 노출되는 경우 박리되고 분해되는 문제 등이 있다.

여러 이점들이 있음에도 불구하고, 공지된 CF-AMCs는 많은 엔지니어링 분야에서 사용하기에는 부적당한 단점들을 갖고 있다. CF-AMCs는 통상적으로 높은 계수 또는 고강도를 특징으로 하지만, 두 가지의 성질을 모두 갖는 경우는 거의 없다. 이러한 특징들은 금속 모재 복합 재료(Metal Matrix Composites)에 수록된 알.비.바갓(R.B.Bhagat)의 "주조 섬유 강화형 금속 모재 복합 재료(Casting Fiber Reinforced Metal Matrix Composites)"의 테이블 V, 아카데믹 프레스(Academic Press),1991년판, pp 43-82에 수록된 알.케이.에버레트(R.K.Everett)와 알.제이.아르세놀트(R.J.Arsenault)의 프로세싱 및 인터페이스(Processing and Interfaces)에 기재되어 있다. 상기 문헌에서, 주조된 CF-AMCs에 대해 수록된 성질들은 고강도 탄소 강화 알루미늄에 단지 1 GPa을 초과하는 강도와 160 GPa을 초과하는 계수(modulus)만을 결합시키며, 이러한 복합재는 횡방향 강도 및 압축 강도가 작고, 내부식성이 나쁘다. 현재, 모든 방향에서 강도 및 계수가 큰 CF-AMCs를 제조하는 가장 만족스러운 접근은 화학증착법(chemical vapor deposition, CVP)에 의해 제조된 섬유에 의하는 것이다. 결과적으로 생성되는 섬유, 통상적으로 보론(boron)은 매우 비싸고 작은 반경의 곡률을 갖는 예비성형품으로 감기에는 너무 크며, 용융 알루미늄에서 화학 반응성이 있다. 이러한 각각의 요인들은 섬유의 가공성(processibility) 및 상업적 바람직성을 현저히 감소시킨다.

또한, 알루미늄 합금 모재 내의 알루미늄 산화물(알루미나) 섬유와 같은 복합 재료는 제조하는 동안에 또 다른 단점이 있다. 특히, 이러한 복합 재료를 제조하는 동안에, 모재 재료가 섬유 다발(bundle)에 완전히 침투하도록 하는 것은 어렵다는 것이 발견되었다. 또한, 당업계에 공지된 많은 복합 금속 재료는 섬유와 주위 모재 사이에서 발생할 수 있는 화학 반응의 결과 충분히 오랫동안 안정적이지 못하고, 그 결과 시간이 지남에 따라 섬유가 분해된다. 다른 경우에 있어서도, 모재 금속이 섬유를 완전히 적시는 것(wetting)은 어렵다는 것이 발견되었다. 이러한 문제들을 극복하기 위해 많은 시도들(그 중에서도, 젖음성(wetability)을 증가시키고 화학 분해를 제한하는 화학적 코팅을 섬유에 제공하고, 압력 차를 이용하여 모재의 침투성을 보조하는 것 등)이 이루어지기는 하였지만, 이러한 시도들을 제한적으로만 성공하였다. 예컨대, 생성되는 모재들은 몇몇 경우에 있어서, 물리적 특성들이 감소하였다. 또한, 섬유 코팅 방법은 통상적으로 제조하는 동안에 몇몇 복잡한 추가 공정들을 필요로 한다.

상기 관점에서, 개선된 강도 및 중량 특성을 제공하고, 지속적인 화학 분해가 없으며, 최소한의 공정 단계를 이용하여 제조할 수 있는 세라믹 섬유 금속 복합 재료에 대한 요구가 있다.

본 발명은 알루미늄 모재(母材, matrix) 내에 세라믹 섬유를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 이러한 복합 재료는 고강도 및 경량의 재료가 요구되는 여러 용도에 적합하다.

도 1은 초음파 에너지를 사용하여 복합 금속 모재 와이어를 제조하는 장치의 개략도.

도 2a 및 도 2b는 복합 금속 모재 코어들을 구비하는 머리위의 고전압 송전 케이블의 두 실시예의 개략도 및 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 재료와 다른 재료의 강도 대 무게비를 비교하는 도표.

도 4a 및 도 4b는 여러 케이블에 대한 스팬 길이의 함수로서 표현한 처짐을 비교하는 그래프.

도 5는 CF-AMC 와이어에 대한 온도의 함수로서 열팽창 계수를 도시하는 그래프.

본 발명은 여러 산업 분야에 이용될 수 있는 연속 섬유 알루미늄 모재 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명의 가장 넓은 형태에 있어서, 본 발명은 고강도 및 고강성의 연속 섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 연속 섬유 알루미늄 모재 복합 재료에 관한 것으로, 상기 고강도 및 고강성의 섬유는 취성이 있는 금속간 화합물 또는 금속간 상(相,phase), 또는 모재/섬유 계면에서 불순물 재료의 편석 영역(segregated domain)을 야기시킬 수 있는 불순물이 없는 모재 재료 내에 함유되어 있다. 모재는 항복 강도(降伏强度, yield strength)가 비교적 작은 것을 선택하고, 반면에 섬유는 인장 강도(tensile strength)가 비교적 큰 것을 선택한다. 또한, 모재가 용융된 상태 및 고체 상태에서 섬유가 모재 내에서 화학적으로 비교적 불활성이 되도록 재료를 선택한다.

특히, 본 발명은 다결정의 α-Al₂O₃연속 섬유(약 2.8 GPa의 인장 강도)를 구비하는 복합 재료에 관한 것으로, 상기 섬유는 원소 알루미늄 모재(약 20 MPa의 항복 강도) 또는 약 2% 이하의 구리를 함유하고 있는 원소 알루미늄 합금(약 80 MPa의 항복 강도) 내에 함유되어 있다. 이러한 복합 구조체는 강도가 크고 중량이 가벼운 반면에 지속적인 분해 가능성을 피할 수 있게 해 준다. 이러한 복합 재료는 종래의 복합 재료와 관련된 많은 공정 단계를 거치지 않고도 제조할 수 있다.

일실시예에 있어서, 본 발명에 따른 연속 섬유 알루미늄 모재 복합 재료는 바람직한 강도 대 무게 특성 및 고전도성을 나타내는 와이어로 성형될 수 있다. 이러한 와이어는 고전압 송전(high voltage power transmission, HVPT) 케이블에서 코어(core) 재료로 사용하기에 적합한데, 왜냐하면 종래에 공지된 HVPT 케이블에 대해 개선점을 제공하는 전기적 특성 및 물리적 특성을 제공하기 때문이다.

본 발명에 따른 섬유 강화형 알루미늄 모재 복합 재료는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 모재 또는 2 wt% 이하의 구리와 순수 알루미늄의 합금 내에 함유되어 있는 다결정의 α-Al₂O₃연속 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 약 100 nm 미만 크기의 등축정(等軸晶, equiaxed grain)을 구비하며, 섬유의 지름은 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이의 범위에 있다. 섬유의 지름은 5 ㎛ 내지 25 ㎛ 범위에 있는 것이 바람직하고, 5 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위에 있는 것이 가장 바람직하다. 바람직한 복합 재료의 섬유 밀도는 약 3.90 g/cm³내지 3.95 g/cm³이다. 바람직한 섬유들이 본원에서 참고로 인용하는 우드(Wood) 등의 미국 특허 제4,954,462호(미네소타, 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩추어링 컴패니에 양도됨)에 개시되어 있다. 이러한 섬유들은 미네소타, 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩추어링 컴패니에서 NEXTEL™ 610 세라믹 섬유라는 상표로 상업적으로 판매되고 있다. 둘러싸고 있는 모재는 섬유 재료와 화학적으로 반응하지 않아, 섬유 외피에 보호 코팅을 제공할 필요성을 제거해주는 재료를 선택한다.

본원에서 사용되는 "다결정(polycrystalline)"이라는 용어는 그레인이 존재하는 섬유의 지름보다 그레인 크기가 더 작은 복수개의 결정 그레인을 현저하게 구비하는 재료를 의미한다. "연속(continuous)"이라는 용어는 섬유의 길이가 섬유의 지름과 비교하여 비교적 무한히 큰 섬유를 의미한다. 실질적으로 표현하자면, 이러한 섬유들은 약 15 cm 내지 몇 미터 이상의 길이를 갖고 있으며, 몇 km 이상의 길이를 가질 수도 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 또는 약 2% 이하의 구리와 원소 알루미늄의 합금 중 하나를 포함하는 모재를 사용하여 우수한 복합재를 제조할 수 있었다. 본원에서 사용되는 "실질적으로 순수한 원소 알루미늄", "순수 알루미늄", 그리고 "원소 알루미늄"이라는 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있고, 이는 0.05 wt% 미만의 불순물을 함유하는 알루미늄을 의미한다. 이러한 불순물은 통상적으로 제2열 및 제3열의 전이 금속뿐만 아니라 제1열의 전이 금속(Ti, V, Cr, Mg, Fe, Co, Ni, Zn), 그리고 란탄 계열의 원소들도 포함한다. 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 용어들은 0.03 wt% 미만, 가장 바람직하게는 0.01 wt% 미만의 Fe를 함유하는 알루미늄을 의미한다. Fe의 함량을 최소화하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 Fe는 알루미늄의 공통 불순물이고, 또한 Fe와 Al이 결합하여 취성이 있는 금속간 화합물(예컨대, Al₃Fe, Al₂Fe 등)을 형성하기 때문이다. 또한, 실리콘 불순물(예컨대, SiO₂로, 이는 용융 알루미늄에서 실리콘이 없도록 감소될 수 있다)을 피하는 것이 특히 바람직한데, 왜냐하면 Fe와 마찬가지로 실리콘은 취성이 있는 상(相, phase)을 형성하며, 알루미늄(그리고 존재하는 Fe)과 반응하여 취성이 있는 Al-Fe-Si 금속간 화합물을 형성하기 때문이다. 복합 재료에 취성이 있는 상이 존재하는 것은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 이러한 상들은 복합 재료가 응력을 받을 때 복합 재료를 파괴시키는 경향이 있기 때문이다. 특히, 취성이 있는 상들로 인해 강화 세라믹 섬유가 파괴되기 전에도 모재를 파괴시켜, 복합재가 파괴된다. 일반적으로, 취성의 금속간 화합물을 형성하는 실질적인 양의 어떤 전이 금속(즉, 주기율표에서 IB 족 내지 VIIIB 족)을 피하는 것이 바람직하다. 본원에서 Fe, Si은 그 공통성으로 인해 야금 공정에서 불순물로서 특정된다.

상기한 제1 열의 각 전이 금속은 용융 알루미늄에 비교적 용해성이 있고, 언급한 것처럼 알루미늄과 반응하여 취성의 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 비교하여, Sn, Pb, Bi, Sb 등과 같은 불순물 금속들은 알루미늄 화합물을 형성하지 않고, 실질적으로 용융 알루미늄에 용해성이 없다. 그 결과, 이러한 불순물들은 섬유/모재 계면에서 편석되는 경향이 있어서 계면에서 복합재의 강도를 약화시킨다. 이러한 편석은 전체 하중 공유 영역(global load sharing domain)(이하에서 설명한다)에 기여함으로써 최종 복합재의 종방향 강도를 촉진시킬 수는 있지만, 불순물이 존재하게 되면 섬유/모재 계면에서 점착력이 떨어져 복합재의 횡방향 강도가 실질적으로 감소하게 된다. 주기율표에서 IA 족과 IIA 족 원소들은 섬유와 반응하는 경향이 있어 복합재에서 섬유의 강도를 현저히 감소시키게 된다. 이러한 점에서 Mg와 Li은 특히 바람직하지 않은 원소들인데, 부분적으로는 가공하는 동안 또는 사용할 때에 일정시간 고온에서 섬유와 금속을 유지해야 하기 때문이다.

본원에서 사용하는 "실질적으로 순수한 원소 알루미늄". "순수 알루미늄", 그리고 "원소 알루미늄"은 강화 섬유 보다는 모재 금속에 적용된다는 것을 이해하여야 하는데, 왜냐하면 섬유들은 그 그레인 구조 내에 Fe(다른 원소들도 가능하다) 화합물 영역을 포함할 수 있기 때문이다. 이러한 영역은 통상적으로 섬유 제조 공정의 잔여물이며, 기껏해야 최종 복합 재료의 전체 특성에는 미미한 영향만을 끼치는데, 왜냐하면 이러한 영역은 비교적 작고 섬유 그레인 내에 완전히 포함되어 있기 때문이다. 그 자체로는, 이들 영역은 복합 재료의 모재와 상호반응하지 않고, 따라서 모재의 오염과 관련된 단점들을 피할 수 있다.

본 발명에 따른 복합재에 사용되는 금속 모재는 강화 섬유에 비해 낮은 항복 강도를 갖는 것을 선택한다. 본 명세서에서, 항복 강도는 강화되지 않은 금속 또는 합금에 대한 표준 인장 시험에서 0.2% 변형량에서의 응력으로 정의된다. 일반적으로, 알루미늄 복합 재료는 모재의 항복 강도에 기초하여 널리 두가지로 분류할 수 있다. 모재의 항복 강도가 비교적 낮은 복합 재료는 주로 강화 섬유의 강도에 의해 지배되는 종방향의 고인장 강도를 갖는다. 본원에서 알루미늄 모재 복합 재료내의 저항복 강도의 알루미늄 모재는 약 150 MPa 미만의 항복 강도를 갖는 모재로서 정의된다. 모재의 항복 강도는, 동일한 조성을 갖고 복합재 모재를 형성하기 위하여 사용되는 모재와 동일한 방식으로 성형된 모재 재료의 샘플에 대해서 측정하는 것이 바람직하다. 따라서, 예컨대 복합 재료에 사용되는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 모재 재료의 항복 강도는 섬유 강화시키지 않은 실질적으로 순수한 원소 알루미늄의 항복 강도를 시험함으로써 결정된다. 시험 방법은 바람직하게는 ASTM 인장 시험 표준 E345-93(금속 박(泊, foil) 인장 시험의 표준 시험 방법)에 따라 수행된다. 모재의 항복 강도가 낮은 복합 재료에서, 모재-섬유 계면 부근에서의 모재의 전단 변형은 꺽인(broken) 섬유 부근에서의 응력 집중을 감소시키고, 전체 응력을 재분배할 수 있게 한다. 이러한 영역에서, 복합 재료는 "혼합칙(rule-of-mixtures)" 강도에 도달한다. 순수 알루미늄의 항복 강도는 13.8 MPa(2 ksi) 미만이고, Al-2 wt% Cu의 항복 강도는 96.5 MPa(14 ksi) 미만이다.

상기한 저항복 강도 모재 복합 재료는 예상된 "혼합칙" 강도보다 작은 복합재 종방향 강도를 나타내는 고항복 강도 모재와 대조될 수 있다. 고강도의 모재를 갖는 복합 재료에서, 특징적인 파괴 양식은 파국적인 균열 전파이다. 복합 재료에서, 고항복 강도 모재는 통상적으로 꺾인 섬유로부터의 전단 변형에 저항성이 있고, 이로 인해 꺾인 섬유 근처에서는 큰 응력이 집중되게 된다. 큰 응력이 집중됨으로써 크랙이 전파할 수 있고, 따라서 "혼합칙" 강도에 도달하기 전에 응력이 집중되는 곳과 가장 가까운 섬유는 파괴되고 복합재는 크게 파괴된다. 이 영역에서의 파괴 양식은 "국부 하중 공유(local load sharing)"에 의한 결과라고 한다. 50 vol.% 섬유를 구비한 금속 모재 복합 재료에 대하여, 항복 강도가 작은 모재가 2.8 GPa(400 ksi) 이상의 강도를 갖는 알루미나 섬유와 결합될 때 강한(즉,>1.17 GPa(170 ksi)) 복합 재료를 만들어 낸다. 따라서, 동일한 섬유 하중에 대해, 복합재 강도는 섬유 강도로 증가하게 된다.

복합재의 강도는, 입자, 휘스커(whisker) 또는 짧은(잘린) 섬유 형태인 알루미나의 작은 영역을 갖는 다결정 α-Al₂O₃섬유 토우(fiber tow)을 침투시켜 개선할 수 있다. 이러한 영역은 통상적으로 20 ㎛, 종종 1μ 미만 정도이며, 섬유 표면에서 물리적으로 고정되며, 복합재 내에서 개개의 섬유들 사이에 공간을 제공한다. 이러한 공간은 섬유 상호간의 접촉을 제거하여 복합재의 강도를 증가시킨다. 섬유 상호간의 접촉을 최소화하기 위하여 재료의 작은 영역들을 이용하는 것에 대한 논의는 야마다(Yamada) 등의 미국 특허 제4,961,990호(일본의 가부시키가이샤 도요타 추오 게큐쇼 및 우베 인더스트리스사에 양도됨)에서 발견할 수 있다.

상기한 바와 같이, 복합 재료를 성형하는데 상당한 장애 중 하나는 주위 모재 재료로 강화 섬유를 충분히 적시는데 어려움과 관련된 것이다. 마찬가지로, 모재 재료로 섬유 토우를 침투시키는 것은 또한 복합 금속 모재 와이어를 생산시 중요한 문제가 되는데, 왜냐하면 연속적인 와이어링 성형 공정은 통상적으로 대기압에서 또는 대기압 근처에서 이루어지기 때문이다. 이러한 문제는 또한 대기압에서 또는 대기압 근처에서의 일괄 공정(batch process)에서 형성된 복합 재료에 대해서도 존재한다.

모재가 섬유에 불완전하게 침투되는 문제는 모재 침투 보조원으로서 초음파 에너지 공급원을 사용하여 극복할 수 있다. 예컨대, 이시카와(Ishikawa) 등의 미국 특허 제4,779,563호(일본의 도쿄에 소재하는 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀러지의 에이전시에 양도됨)에는 실리콘 탄화물 섬유 강화 금속 복합재로부터 예비성형품 와이어, 시트 또는 테이프 생산에 사용하기 위한 초음파 진동 장치를 사용하는 것이 개시되어 있다. 초음파 에너지는 변환기와, 섬유 부근의 용융 모재 재료에 담겨 있는 초음파 "혼(horn)"을 구비하는 진동기를 통해 섬유에 제공된다. 혼은 용융 모재에 용해성이 있다 하더라도 용해성이 거의 없는 재료로 성형하는 것이 바람직한데, 이로 인해 불순물이 모재 속으로 도입되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 경우에, 상업적으로 판매되는 순수 Nb, 또는 95% Nb과 5% Mo의 합금이 만족할만한 결과를 나타낸다는 것이 발견되었다. 사용되는 변환기(transducer)는 통상적으로 Ti을 포함한다.

초음파 혼을 사용하는 금속 모재 성형 시스템의 일실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 다결정의 α-Al₂O₃섬유 토우(10)은 공급 롤(12)로부터 풀려서, 용융된 형태의 모재 금속(18)을 함유하는 용기(16)를 통해 롤러(14)에 의해 당겨진다. 섬유 토우(10)은 용융 모재 금속(18)에 담겨있는 동안에, 섬유 토우(10) 부근의 용융 모재 금속(18)에 담겨 있는 초음파 에너지 공급원(20)에 의해 제공되는 초음파 에너지를 받는다. 초음파 에너지 공급원(20)은 오실레이터(22) 및, 변환기(26)와 혼(27)을 구비하는 진동기(24)를 포함한다. 혼(27)은, 오실레이터(22)에 의해 발생되고 진동기(24) 및 변환기(26)로 전달되는 주파수에서 용융 모재 금속(18)을 진동시킨다. 그와 같이 할 때, 모재 재료는 섬유 토우으로 완전히 침투된다. 모재 재료가 침투된 섬유 토우는 용융 모재로부터 당겨져 권취(take-up) 롤(28) 상에 저장된다.

금속 모재 복합 재료의 제조 공정은 종종 섬유를 "예비성형품(preform)"으로 성형하는 것을 포함한다. 통상적으로, 섬유는 어레이로 감겨 적층된다. 미세한 지름의 알루미나 섬유는 토우내의 섬유가 서로 평행하도록 감긴다. 적층(stacking)은 최종 복합 재료에서 원하는 섬유 밀도를 얻는 방식으로 이루어진다. 섬유는 직사각형 드럼, 휠 또는 후프 둘레에 감음으로써 간단한 예비성형품으로 제조될 수 있다. 또한, 섬유는 실린더 위로 싸여질 수 있다. 이런 식으로 감기거나 싸여진 복수층의 섬유는 절단되고, 적층되며 또는 함께 묶여 원하는 형태로 된다. 섬유 어레이를 조종하는 것은 섬유를 매트(mat)내에 함께 유지하기 위하여 직접적으로 물을 사용하여 또는 유기 접합제와 혼합된 물을 사용하여 보조할 수 있다.

복합재 부분을 제조하는 한 방법은, 섬유를 주형 내에 위치시키고, 주형을 용융 금속으로 채운 다음에 채워진 주형을 상승된 압력으로 가하는 것이다. 이러한 방법은 "강화 복합재의 제조"라는 명칭의 미국 특허 제3,547,180호에 개시되어 있다. 주형은 모재 금속을 오염시키는 오염원이어서는 안된다. 일실시예에 있어서, 주형은 그래파이트, 알루미나 또는 알루미나가 코팅된 강으로 제조될 수 있다. 섬유들은 당업계에서 공지된 것처럼 원하는 형태로 주형에 적층될 수 있는데, 예컨대 주형 벽에 평행하게 또는 서로 수직하게 배열된 층으로 적층될 수 있다. 복합 재료의 형태는 주형이 그 형태로 제조될 수 있는 어떤 형태이다. 직사각형의 드럼, 휠 또는 후프 형태, 원통형 형태 또는 섬유를 주형 공동 내에 적층하거나 또는 적재함으로써 생기는 여러 주형 형태를 포함하여, 많은 예비성형품을 이용하여 섬유 구조체를 성형할 수 있다. 상기한 각각의 예비성형품은 복합재 장치를 제조하기 위한 일괄 공정과 관련된 것이다. 실질적으로 연속적인 와이어, 테이프, 케이블 등을 성형하기 위한 연속 공정이 또한 이용될 수 있다. 통상적으로, 마무리된 부분의 표면을 단지 약간만 기계가공하는 것이 필요하다. 다이아몬드 공구를 사용하여 복합 재료의 블록(block)으로부터 어떤 형태를 기계가공할 수 있다. 따라서, 복잡한 여러 형태를 만들어낼 수 있다.

알루미나 섬유 다발 또는 섬유 토우를 용융 알루미늄으로 침투시킴으로써 와이어 형태를 형성할 수 있다. 이는 섬유 토우를 용융 알루미늄 욕(浴, bath)에 공급함으로써 이루어진다. 섬유를 적시기 위하여, 초음파 혼을 사용하여 섬유가 욕을 통과하는 동안 욕을 휘저을 수 있다.

섬유 강화 금속 모재 복합 재료는 고온(약 300℃ 이상) 저항성이 있고 경량이며, 강한 재료를 필요로 하는 용도에서 중요하다. 예컨대, 복합 재료는 제트 엔진의 가스 터빈 압축기 블레이드, 구조 튜브, 액츄에이터 로드, I-빔, 자동차 연결 로드, 미사일 핀(fin), 플라이 휠 로터, 스포츠 장비(예컨대, 골프 클럽) 및 송전 케이블 지지 코어용으로 사용된다. 금속 모재 복합 재료는 강화시키지 않은 금속과 비교하여 강성, 강도, 피로 저항성 및 마모 특성이 뛰어나다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 복합 재료는 실질적으로 원소 알루미늄 모재 내에 약 30-70% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함한다. 모재는 약 0.03% 미만의 Fe를 함유하는 것이 바람직하고, 좀 더 바람직하게는 약 0.01% 미만의 Fe를 함유한다. 다결정 α-Al₂O₃섬유들의 섬유 함량은 약 40-60 wt% 사이인 것이 바람직하다. 약 20 MPa 미만의 항복 강도를 갖는 모재와, 약 2.8 GPa 이상의 종방향 인장 강도를 갖는 섬유로 형성된 이러한 복합 재료는 우수한 강도 특성을 나타낸다는 것이 발견되었다.

상기한 바와 같이, 모재는 또한 약 2 wt% 이하의 구리 및 원소 알루미늄 합금으로 성형될 수 있다. 실질적으로 순수 알루미늄 모재가 사용되는 실시예에서처럼, 알루미늄/구리 합금 모재를 구비하는 복합 재료는 바람직하게는 40-70 wt% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유, 좀 더 바람직하게는 40-60 wt% 사이의 α-Al₂O₃섬유를 포함한다. 또한, 상기한 것처럼, 모재는 바람직하게는 약 0.03% 미만의 Fe를 함유하고, 좀 더 바람직하게는 약 0.01% 미만의 Fe를 함유한다. 알루미늄/구리 모재의 항복 강도는 바람직하게는 약 80 MPa 미만이고, 상기한 것처럼 다결정 α-Al₂O₃섬유의 종방향 인장 강도는 약 2.8 GPa 이상이다. 각각 약 55-65 vol. %의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 구비하는 원소 알루미늄 모재와 특정 알루미늄/구리 합금 모재의 두 복합 재료의 성질을 아래의 표에 나타내었다.

복합 재료 성질의 요약⁽¹⁾

	순수 Al55-65 vol.% Al₂O₃	Al-2 wt% Cu55-65 vol.% Al₂O₃
종방향의 영 계수, E₁₁ ⁽²⁾	220-260 GPa(32-38 Msi)	220-260 GPa(32-38 Msi)
횡방향의 영 계수, E₂₂	120-140 GPa(17.5-20 Msi)	150-160 GPa(22-23 Msi)
전단 계수, G₁₂	48-50 GPa(6.5-7.3 Msi)	45-47 GPa(6.5-6.8 Msi)
전단 계수, G₂₁	54-57 GPa(7.8-8.3 Msi)	55-56 GPa(8-8.2 Msi)
종방향의 인장 강도, S_11,T	1500-1900 GPa(220-275 ksi)	1500-1800 GPa(220-260 ksi)
종방향의 압축 강도, S_11,C	1700-1800 GPa(245-260 ksi)	3500-3700 GPa(500-540 ksi)
2% 변형률에서의전단 강도, S₂₁-S₁₂	70 MPa(10 ksi)	140 MPa(20 ksi)
1% 변형률에서의횡방향 강도, S₂₂	110-130 MPa(16-19 ksi)	270-320 MPa(39-46 ksi)
⁽¹⁾상기 표에 나타낸 성질들은 55-65 vol.% NEXTEL™ 세라믹 섬유를 함유하는 복합재 상에서 측정된 기계적 성능을 나타낸다.⁽²⁾색인 표시1 = 섬유 방향; 2 = 횡방향;ij:i 응력이 작용하는 평면에 수직한 방향, j = 응력 방향, S = 특별히 언급하지 않으면 최종 강도.

본 발명에 따른 복합 재료는 여러 용도에 사용하기에 적합하기는 하지만, 일실시예에서 본 발명에 따른 재료는 복합 모재 와이어를 성형하는데 사용된다. 이러한 와이어는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄 모재 또는 원소 알루미늄 및 약 2% 이하의 구리 합금으로부터 형성된 모재 내에 함유된 실질적으로 연속적인 다결정의 α-Al₂O₃섬유로부터 형성된다. 이러한 와이어는 섬유 토우내에 배치된 실질적으로 연속적인 다결정의 α-Al₂O₃섬유의 스풀(spool)이 제공되는 방법에 의해 제조된다. 섬유 토우를 용융 모재 재료의 욕을 통해 잡아당긴다. 그 결과 생기는 세그먼트를 응고시키고, 따라서 섬유가 모재 내에 넣어지게 된다. 상기한 것과 같이 초음파 혼을 용융 모재 욕 속으로 떨어뜨리고, 모재가 섬유 토우 속으로 침투하는 것을 보조하기 위해 초음파 혼을 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 것과 같은 복합 금속 모재 와이어는 여러 용도에 유용하다. 이러한 와이어는 경량이고, 강도가 크며, 전기 전도성이 뛰어나며, 열팽창 계수가 작고, 고온에 사용하기에 적합하며, 내부식성이 있기 때문에 머리위의 고전압 송전 케이블(overhead high voltage power transmission cable)에 사용하기에 특히 바람직하다고 여겨진다. 머리위의 고전압 송전 케이블에 사용하기 위한 상기 복합 금속 모재 와이어가 경쟁성을 갖는 것은 전체 전기 송전 장치에 케이블 성능이 상당한 영향을 미치는 결과이다. 전도성이 크고 열팽창이 작으며, 단위 강도당 중량이 작은 케이블은 케이블 스팬(span)을 더 크게 할 수 있고 또는 타워의 높이를 낮출 수 있다. 그 결과, 주어진 전기 송전 시스템에 대한 전기 타워의 제조 비용을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 전도체의 전기적 특성을 개선시킴으로써 송전 시스템에서의 전기 손실을 감소시킬 수 있어 전기 손실을 보상하기 위하여 추가적으로 전력을 발생시킬 필요성을 감소시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 금속 모재 와이어는 머리위의 고전압 송전 케이블에 사용하기에 특히 적합하다고 여겨진다. 일실시예에 있어서, 머리위의 고전압 송전 케이블은 1개 이상의 복합 금속 모재 와이어에 의해 형성된 전도성 코어를 포함할 수 있다. 코어는 복수개의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어에 의해 형성된 1개 이상의 전도성 자켓(jacket)에 둘러싸인다. 수많은 케이블 코어 및 자켓 구조가 당업계에 공지되어 있다. 예컨대, 도 2a에 도시된 바와 같이, 머리위의 고전압 송전 케이블의 단면은 30개의 개개의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어(38)에 의해 둘러싸인 19개의 개개의 복합 금속 모재 와이어(34)의 코어(32)일 수 있다. 마찬가지로, 많은 실시예중 하나로서 도 2b에 도시한 바와 같이, 다른 머리위의 고전압 전송 케이블(30')의 단면은 21개의 개개의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어(38')의 자켓(36')에 의해 둘러싸인 37개의 개개의 복합 금속 모재 와이어(34')의 코어(32')일 수 있다.

케이블 내의 복합 금속 모재 와이어의 wt%는 송전 라인의 설계에 따라 달라진다. 그러한 케이블의 경우에, 전도성 자켓에 사용되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 1350 Al 또는 6201 Al을 포함하여 머리위의 고전압 송전의 당업계에 공지된 여러 재료 중 어느 것일 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 머리위의 고전압 송전 케이블은 전체를 복수개의 연속 섬유 알루미늄 모재 복합 재료 와이어(CF-AMCs)로 구성할 수 있다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 이러한 구조는 강도 대 무게비 및 케이블의 열팽창 계수가 저항 손실을 최소화할 필요성을 압도하는 스팬이 긴 케이블에 사용하기에 적합하다.

여러 요인에 의존하기는 하지만, 머리위의 고전압 송전 케이블의 처짐(sag) 정도는 스팬 길이의 제곱에 따라 변하고 케이블의 인장 강도에 반비례하여 변한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, CF-AMC 재료는 송전 분야에서 케이블에 통상적으로 사용되는 재료에 비해 강도 대 무게비를 실질적으로 개선시킨다. 도 3, 도 4a, 4b 그리고 도 5에 있어서, 대응 밀도가 약 3.2 gm/cm³(약 0.115 lb/in³), 인장 강도가 1.38 GPa(200 ksi), 그리고 30% IACS의 전도율을 갖는 50% 섬유 체적을 가정한 것이다.

CF-AMC 와이어를 포함하는 케이블의 강도가 증가한 결과, 케이블의 처짐은 실질적으로 감소될 수 있다. 스팬 길이의 함수로서 CF-AMC 케이블의 처짐을 통상적으로 사용되는 강 스트랜딩(stranding)(ACSR)(26개의 알루미늄 와이어 자켓에 의해 둘러싸인 7개의 강 와이어 코어를 구비하는 31 wt%의 강)과 등가의 모든 알루미늄 합금 전도체(AAAC)와 비교한 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 모든 케이블은 등가의 전도율과 직경을 갖는다. 도 4a는 약 550 m(약 1800 ft)의 스팬에 대해 ACSR과 비교하여 CF-AMC 케이블이 타워의 높이를 40 % 감소시키는 것을 나타내고 있다. 마찬가지로 CF-AMC는 허용가능한 처짐이 15 m(약 50 ft)라고 가정할 때 스팬의 길이를 약 25% 증가시킬 수 있다. 스팬이 긴 CF-AMC 케이블을 사용하는 또 다른 이점을 도 4b에 도시한다. 도 4b에서, ACSR 케이블은 16 개의 알루미늄 와이어 자켓에 의해 둘러싸인 19개의 강 와이어 코어를 구비하는 72 wt% 강이다.

최대의 작동 온도에서 고전압 송전(HVPT) 케이블의 처짐은 또한 최대의 작동 온도에서의 케이블의 열 팽창 계수(CTE)에 의존한다. 케이블의 최종 CTE는 강화 코어 및 주변 스트랜드의 CTE 및 탄성 계수에 의해 결정된다. 한계 내에서, CTE가 낮고 탄성 계수가 큰 재료가 바람직하다. CF-AMC 케이블에 대한 CTE를 온도의 함수로서 도 5에 나타낸다. 알루미늄 및 강에 대한 참조 값을 또한 나타낸다.

본 발명은 복합 금속 모재 기술을 사용하는 와이어 및 HVPT 케이블에 제한되도록 의도된 것은 아니라는 것을 유의하여야 한다. 오히려, 여러 추가 용도뿐만 아니라 본원에서 설명한 특정 복합 재료를 포함하도록 의도된다. 따라서, 본원에서 설명된 복합 금속 모재 재료는 플라이휠 로터, 고성능의 항공기 부품, 전압 송전기, 또는 고강도 및 저밀도 재료가 바람직한 다른 많은 용도를 포함하여(그러나, 이들에 한정되는 것은 아니다) 여러 용도중 하나에 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 현재 미네소타, 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩처링 컴패니에서 NEXTEL™610 이라는 상표로 판매되고, 미국 특허 제4,954,462호(이전에 합체됨)에 개시되어 있는 다결정의 α-Al₂O₃섬유가 사용될 수 있지만, 본 발명이 그러한 특정 섬유에 제한되도록 의도된 것은 아니라는 것을 유의하여야 한다. 오히려, 임의의 다결정 α-Al₂O₃섬유가 본 발명에 포함되도록 의도된다. 그러나, 그러한 섬유의 인장 강도는 최소한 NEXTEL™ 610 섬유의 인장 강도(약 2.8 GPa) 정도인 것인 바람직하다.

본 발명의 실제에 있어서, 모재는 약 20℃-760℃ 사이의 온도 범위에서 섬유에 대해 화학적으로 불활성이어야 한다. 그 온도 범위는 복합 재료에 대해 예상되는 가공 및 사용 온도 범위이다. 이러한 요구 조건은 전체 복합 재료의 성질을 약화시킬 수 있는 모재와 섬유 사이의 화학 반응을 최소화시킨다. 약 2% 이하의 구리와 원소 알루미늄의 합금을 포함하는 모재 재료의 경우에, 주조된 그대로의( as-cast) 합금의 항복 강도는 약 41.4-55.2 MPa(6-8 ksi)이다. 이 금속 합금의 강도를 증가시키기 위하여, 여러 열처리 방법이 이용된다. 바람직한 일실시예에 있어서, 금속성 섬유와 결합시킨 합금을 약 16시간 동안 520℃에서 가열하고, 이어서 물속으로 급냉하여 약 60℃와 100℃ 사이의 온도에서 유지시킨다. 다음에 복합 재료를 오븐에 넣어 약 190℃에서 유지시키고, 원하는 강도의 모재를 얻을 때까지(통상적으로 0-10 일) 그 온도에서 유지한다. 모재는 5일 동안 약 190℃의 온도에서 유지시킬 때 약 68.9-89.6 MPa(10-13 ksi)의 최고 항복 강도에 도달한다는 것이 발견되었다. 대조하여, 특별히 열처리 되지 않은 순수 알루미늄은 주조된 그대로의 상태에서 약 6.9-13.8 MPa의 항복 강도를 갖는다.

실시예

본 발명의 목적 및 이점을 다음의 실시예에서 설명한다. 그러나 실시예에서 열거한 특정 재료 및 재료의 양, 그리고 다른 조건 및 세부 사항들은 본 발명을 부당하게 제한하여서는 안된다. 모든 부분들 및 %는 다른 설명이 없다면 wt%이다.

시험 방법

섬유의 강도는 인장 시험기(매사추세츠, 캔톤의 인스트론(Instron)에서 판매하는 인스트론 4201 시험기)를 사용하여 측정하였다. 이 시험은 ASTM D 3379-75(고계수의 단일-필라멘트 재료에 대한 인장 강도 및 영 계수를 측정하기 위한 표준 시험 방법)에 설명되어 있다. 시편의 표준 길이는 25.4 mm(1 inch)이고, 변형률은 0/02 mm/mm/min이었다.

섬유 토우의 인장 강도를 정하기 위하여, 열 개의 단일 섬유 필라멘트를 섬유 토우로부터 무작위로 선택하였다. 필라멘트의 파괴 하중(breaking load)을 결정하기 위하여 각각의 필라멘트를 시험하였다. 결정할 토우의 평균 필라멘트 강도를 갖는 10개 이상의 필라멘트를 시험하였다. 무작위로 선택한 각 섬유의 강도는 2.06-4.82 GPa(300-700 ksi)의 범위에 있었다. 각 필라멘트의 평균 인장 강도는 2.76-3.58 GPa(400-520 ksi)의 범위에 있었다.

섬유의 지름은 광학 현미경(매사추세츠, 로렌스의 돌란-제너 마이크로미터, 인코오포레이티드에서 판매하는 돌란-제너 메저-라이트 비데오 마이크로미터 시스템, 모델 M25-0002)에 부착하여 1000배의 배율에서 시각적으로 측정하였다. 상기 장치는 눈금식 단계 마이크로미터로 반사광 관측을 이용하였다.

각 필라멘트의 파괴 응력(breaking stress)은 단위 면적당 하중으로 계산하였다.

섬유의 신장(elongation)은 하중 변위 곡선으로부터 결정하였고, 그 범위는 0.55% 내지 1.3%였다.

본 발명의 실제에 있어서, 평균 섬유 강도는 2.76 GPa(400 ksi)(표준 편차는 통상 15%) 이상이었다. 강화 섬유의 평균 강도가 클수록, 복합 재료의 강도는 더 크다. 본 발명에 따라 제조된 복합재의 강도는 1.38 GPa(200 ksi)(5%의 표준 편차)이상이었고, 섬유의 체적 비율이 60% 이상인 경우에는 종종 1.72 GPa(250 ksi)(5%의 표준 편차) 이상이다.

인장 시험

매사추세츠, 캔톤의 인스트론 코오포레이션에서 판매하는 인스트론 8562 인장 시험기를 사용하여 복합 재료의 인장 강도를 측정하였다. 이 시험은 실질적으로 ASTM E345-93(금속 박의 인장 시험에 대한 표준 시험 방법)에 설명된 금속 박 인장 시험으로 수행하였다.

인장 시험을 수행하기 위하여, 복합 재료를 15.24 cm×7.62 cm×0.13 cm(6"×3"×0.05")의 판으로 만들었다. 다이아몬드 톱을 사용하여, 상기 판을 시험하기 위하여 사용될 7개의 쿠폰(15.24 cm×0.95 cm×0.13 cm(6"×0.375"×0.05"))으로 절단하였다.

순수 알루미늄 또는 2% 구리를 함유한 알루미늄을 구비한 복합 재료의 평균 종방향 강도(작, 시험 방향에 평행한 섬유)는 1.38 GPa(200 ksi)이었다. 함유된 섬유의 체적비가 약 60%인 복합 재료에 대하여, 평균 횡방향 강도(즉, 시험 방향과 수직한 섬유)는 순수 알루미늄을 함유하는 복합 재료에 대해 138 MPa(20 ksi)이었고, 2% 구리를 함유하는 알루미늄 합금으로 제조된 복합 재료에 대해서는 262 MPa(38 ksi)이었다.

여러 복합 금속 모재를 성형하는 특정 실시예를 이하에서 설명한다.

실시예 1 - 섬유 강화형 금속 복합재료의 준비

NEXTEL™ 610 세라믹 섬유들의 알루미나 섬유 토우를 사용하여 복합 재료를 준비하였다. 토우는 420 개의 섬유들을 포함한다. 섬유들의 단면은 실질적으로 둥글고, 섬유의 지름은 평균적으로 약 11-13 ㎛이었다. (상기한 것과 같이 측정된)섬유들의 평균 인장 강도는 2.76-3.58 GPa(400-520 ksi)이었다. 각 섬유들의 강도는 2.06-4.82 GPa(300-700 ksi)이었다.

섬유들을 "예비성형품"으로 감음으로써 금속이 침투하도록 섬유들을 준비하였다. 특히, 섬유들은 증류된 물로 적셔지고, 원주가 약 86.4 cm(34 inch)인 복수층의 직사각형 드럼 둘레로 감아 약 0.25 cm(0.10 inch)두께의 원하는 예비성형품을 만든다.

감긴 섬유들은 드럼으로부터 절단하고 주형 공동 내에 적층하여 원하는 최종 예비성형품 두께를 만들어낸다. 직사각형 판 형태의 그래파이트 주형을 사용하였다. (뉴욕, 브룩클린에 소재하는 벨몬트 메탈스에서 판매하는 등급 99.99%인) 약 1300 g의 알루미늄 금속을 주조 용기 속에 넣는다.

섬유들을 함유하는 주형을 압력 침투 주조 장치 속에 놓는다. 상기 장치에서, 주형을 기밀(氣密, airtight)의 용기 또는 도가니 속에 놓아 진공화시킬 수 있는 챔버의 바닥에 위치시킨다. 알루미늄 금속 편(piece)을 주형 위의 지지판 상의 챔버 속으로 장착한다. 지지판 내에는 작은 구멍(약 2.54 mm의 지름)이 있어서, 용융 알루미늄이 주형 아래로 흐를 수 있도록 해준다. 챔버를 폐쇄하고, 챔버의 압력을 3 밀리토르로 감소시켜 주형 및 챔버로부터 공기를 빼낸다. 알루미늄 금속을 720℃로 가열하고, 주형(그리고 주형 내의 섬유 예비성형품)을 약 670℃로 가열하였다. 알루미늄은 상기 온도에서 용융되지만 주형 위의 지지판 상에 남아있다. 주형을 채우기 위하여, 히터로의 전원을 차단하고, 챔버를 아르곤으로 채워 8.96 MPa(1300 psi)의 압력으로 압축시킨다. 용융 알루미늄은 즉시 지지판 내의 구멍을 통해 주형 속으로 흘러들어간다. 챔버를 대기압으로 감압하기 이전에 온도를 600℃로 떨어뜨릴 수 있었다. 챔버가 실온으로 냉각된 후에, 그 부분을 주형에서 제거하였다. 생성된 샘플의 크기는 15.2 cm×7.6 cm×0.13 cm(6"×3"×0.05")였다.

직사각형의 샘플 복합재편은 60 vol.%의 섬유를 함유한다. 체적비는 유체 이동의 아르키메데스 원리를 이용하여, 그리고 폴리싱된 단면을 200배의 배율에서 찍은 현미경 사진을 검사하여 측정하였다.

그 부분을 인장 시험용 쿠폰으로 절단하였고, 기계 가공은 하지 않았다. 상기한 바와 같이 쿠폰으로부터 측정한 인장 강도는 종방향 강도가 1400 MPa(204 ksi)이었고, 횡방향 강도가 140 MPa(20.4 ksi)이었다.

실시예 2- 금속 모재 복합재료 와이어의 준비

이 실시예에서 사용되는 섬유 및 금속은 실시예 1에서 사용한 것과 동일하다. 알루미나 섬유를 예비성형품으로 제조하지는 않았다. 대신에, 복수개의 토우 형태인 섬유들을 알루미늄 용융 욕 속으로 그리고 권취 스풀 위로 공급하였다. 알루미늄을 크기가 약 24.1 cm×31.3 cm×31.8 cm(9.5"×12.5"×12.5")인 알루미나 도가니(펜실베니아, 비버 폴에 소재하는 베서비우스 맥다니엘(Vesuvius McDaniel)에서 판매)에서 용융시켰다. 용융 알루미늄의 온도는 약 720℃였다. 95%의 Nb과 5%의 Mo 합금을 길이가 약 12.7 cm(5")×지름이 2.5 cm(1")인 크기의 실린더로 성형하였다. 원하는 진동으로 (즉, 길이를 변경시킴으로써 조정된), 약 20.0-20.4 kHz의 진동 주파수로 조정함으로써 초음파 혼 액츄에이터로서 실린더를 사용하였다. 액츄에이터의 진폭은 0.002 cm(0.008")보다 컸다. 차례로 초음파 변환기에 연결된 티타늄 도파관(waveguide)에 액츄에이터를 연결하였다. 섬유들을 모재 재료로 침투시켜 비교적 균일한 단면 및 지름의 와이어로 형성시켰다. 이러한 방법에 의해 제조된 와이어의 지름은 약 0.13 cm(0.05")였다.

200배의 배율에서 단면을 현미경 사진으로 찍어 분석한 섬유의 체적 %는 약 40 vol.%였다.

와이어의 인장 강도는 1.03-1.31 GPa(150-190 ksi)였다.

실온에서의 신장은 약 0.7-0.8%였다. 신장은 인장 시험하는 동안 신장계(extensometer)에 의해 측정하였다.

실시예 3-Al/Cu 합금 모재를 사용한 복합 금속 모재 재료

이 실시예는 순수 알루미늄을 사용하는 대신에, 알루미늄 및 2 wt%의 구리를 함유하는 합금을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 것과 동일하게 실행하였다. 상기 합금은 약 0.02 wt% 미만의 Fe 및 약 0.05 wt% 미만의 총 불순물을 함유한다. 이 합금의 항복 강도는 41.4-103.4 MPa(6-15 ksi)의 범위에 있었다. 이 합금을 다음의 과정에 따라 열처리하였다.

16 시간 동안 520℃로 가열하여 수냉시켰다(수온은 60-100℃ 범위에 있다).

그리고 즉시 190℃의 오븐에 넣어 5일 동안 유지시켰다.

상기 공정은 금속이 710℃로 가열되고 주형(주형 내에 섬유가 구비됨)을 660℃ 이상으로 가열한 것을 제외하고는 인장 시험에 적절한 쿠폰을 만드는 직사각형의 시편을 형성하기 위하여 실시예 1에 대해 설명한 것과 같게 진행되었다.

복합 재료는 60 vol.%의 섬유를 함유한다. 종방향 강도는 1.38-1.86 GPa(200-270 ksi)(10번의 측정에 의한 평균은 1.52 GPa(220 ksi)이다)의 범위에 있었고, 횡방향 강도는 239-328 MPa(35-48 ksi)(10번의 측정에 의한 평균은 262 MPa(38 ksi)이다)의 범위에 있었다.

등가물

본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 여러 변형 및 수정이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 본원에서 개시되고 도시된 실시예에 의해서 부당하게 제한되지 않으며, 이러한 실시예들은 본 발명의 범위에서 단지 예시적으로 제시된 것이고 본 발명은 다음의 청구항에 기재된 것에 의해서만 제한된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

인장 강도가 약 2.8 GPa 이상이고, 섬유 또는 모재 내에 취성을 증가시킬 수 있는 재료의 상(相, phase) 또는 영역이 실질적으로 없는 원소 알루미늄 모재 내에 함유된 1개 이상의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
인장 강도가 약 2.8 GPa 이상이고, 모재 내에 함유된 1개 이상의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 복합 재료로서,

상기 모재는 원소 알루미늄 및 약 2% 이하의 구리의 합금을 포함하고, 섬유 또는 모재 내에 취성을 증가시킬 수 있는 재료의 상 또는 영역이 실질적으로 없는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1개 이상의 섬유는 실질적으로 연속인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 약 30-70% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 약 40-60% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원소 알루미늄 모재는 약 0.03% 미만의 Fe를 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원소 알루미늄 모재는 약 0.01% 미만의 Fe를 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항에 있어서, 상기 모재의 항복 강도는 약 90 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
모재 내에 실질적으로 연속인 복수개의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 와이어로서,

상기 모재는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 그리고 원소 알루미늄 및 약 2% 이하의 구리의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택하는 것을 특징으로 하는 와이어.
제9항에 있어서, 상기 1개 이상의 섬유는 실질적으로 연속인 것을 특징으로 하는 와이어.
머리위의 고전압 송전 케이블로서,

상기 케이블은 복수개의 알루미늄 모재 복합재료 와이어를 포함하고, 상기 와이어 각각은 모재 내에 실질적으로 연속인 복수개의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하며, 상기 모재는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄, 그리고 원소 알루미늄 및 약 2% 이하의 구리의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택하는 것을 특징으로 하는 케이블.
제11항에 있어서, 복수개의 전도성 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어를 포함하는 1개 이상의 전도성 자켓을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 모재 복합 재료 와이어는 약 30-70% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 모재 복합 재료 와이어는 약 40-60% 사이의 다결정 α-Al₂O₃섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 모재 복합 재료 와이어의 모재는 약 0.03% 미만의 Fe를 함유하는 것을 특징으로 하는 제품.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 모재 복합 재료 와이어의 모재는 약 20 MPa 미만의 항복 강도를 갖는 실질적으로 순수한 원소 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 모재 복합 재료 와이어의 모재는 원소 알루미늄 및 약 2% 이하의 구리의 합금을 포함하고, 모재의 항복 강도는 약 90 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 제품.
제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 다결정의 α-Al₂O₃섬유의 종방향 인장 강도는 약 2.8 GPa 이상인 것을 특징으로 하는 제품.
제12항에 있어서, 상기 전도성 자켓의 상기 전도성 알루미늄 와이어는 1350 Al 및 6201 Al로 구성되는 그룹에서 선택하는 것을 특징으로 하는 제품.