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TW200538274A - Metal-cladded metal matrix composite wire - Google Patents

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TW200538274A
TW200538274A TW94101336A TW94101336A TW200538274A TW 200538274 A TW200538274 A TW 200538274A TW 94101336 A TW94101336 A TW 94101336A TW 94101336 A TW94101336 A TW 94101336A TW 200538274 A TW200538274 A TW 200538274A
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TW
Taiwan
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metal
matrix composite
composite wire
clad
aluminum
Prior art date
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TW94101336A
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TWI370056B (en
Inventor
Colin Mccullough
Herve Emile Deve
Douglas Ellis Johnson
Original Assignee
3M Innovative Properties Co
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Filing date
Publication date
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Publication of TW200538274A publication Critical patent/TW200538274A/zh
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Publication of TWI370056B publication Critical patent/TWI370056B/zh

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Description

200538274 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種覆有金屬之金屬基質複合線。 【先前技術】 大體上，金屬基質複合物（MMCs)人所知。]viMCs通常包 括以微粒、晶須、短纖維或長纖維增強之金屬基質。金屬 基質複合物之實例包括··鋁基複合線（例如植入一鋁基中之 石厌化矽、碳、硼、或多晶α氧化鋁纖維）、鈦基複合帶（例如 •植入一鈦基中之碳化矽纖維）、及銅基複合帶（例如植入一銅 基中之碳化矽或碳化硼纖維）。金屬基質複合線之一種特別 受關注的用途係作為架空裸電力傳輸電纜中之增強成分與 電導體。對電纜之一種常見需求係受到提昇現有傳輸基礎 设施之電力傳遞能力之需要所驅動。 對用於架空電力傳輸之電纜所希望之性能要求包括：抗 腐蝕性、環境耐久性（例如，UV與潮濕）、於升高溫度下抗 φ 強度損失性、蠕變阻力、及相對高之彈性模數、低密度、 低熱膨脹係數、高電導率、及高強度。儘管已知有包括铭 基複合線之架空電力傳輸電纜，對於某些應用，持續存在 (例如）對於具有改良之失效應變值及/或尺寸均一性的鋁基 質複合線之需要。 • 於另一恶樣中，習知金屬基質複合線經受彈性變形直至 所施加之力為Θ | 马足以引起失效的幅度。習知金屬基質複合線 、、員示4知金屬線中所常見之塑性變形。由於習知金 屬土貝複合線不採取永久變形，必須採用額外構件保持該 98813.doc 200538274 等線在擰成電纟覽之狀態。此項技術巾存在對於能夠經受塑 性變形之連續性金屬基質複合線之需要。 此外’於某些實施例中，希望具有對金屬基質複合線之 尺寸（直徑、圓度、及其均一性）的控制。習知金屬基質複合 線會難以加工至高水平之尺寸公差，因為（例如）難以使用諸 如拉線之習知固態金屬加工技術。此項技術中存在對於具 有高尺寸精度、但；F減少承載能力之連續性金屬基質複合 線的需要。 【發明内容】 本發明係關於覆有金屬（例如鋁及其合金）之金屬（例如鋁 及其合金）基複合線。本發明之實施例係關於具有與其外表 面相結合之經熱加工之金屬覆層的金屬基質複合線。本發 明之覆有金屬之金屬基質複合線形成顯示關於彈性模數、 饴度、熱膨脹係數、電導率、強度、失效應變、及/或塑性 變形之所要特性的線。 本發明提供一種覆有金屬之金屬基質複合線，其包括一 位於一具有至少一纖維束（通常複數個纖維束）之金屬基質 複合線上之金屬覆層，該纖維束在一金屬基質内包含複數 根連續性、縱向安置之纖維。該金屬覆層之材料具有不高 於1100C之、j：谷點（通常不高於i〇〇〇°c，且不可高於9⑼。◦、 8〇〇°C、或甚至不高於700。〇。通常該覆有金屬之金屬基質 複合線具有至少100米之長度（於某些實施例中，至少3〇〇 米、至少400米、至少500米、至少6〇〇米、至少7〇〇米、至 少800米、至少900米、或甚至至少1〇〇〇米）。該覆有金屬之 98813.doc 200538274 孟屬基質複合線亦顯示在至少1 〇〇米之長度（於某些實施例 中’至少300米、至少400米、至少5〇〇米、至少6〇〇米至 v 700米、至少8〇〇米、至少9〇〇米或甚至至少⑺⑼米）上 至）〇·95(於某些實施例中，至少〇·97、至少〇·98、或甚至 至）0.99)之圓度值、不大於〇 9%(於某些實施例中，不高於 〇·5%、或甚至不高於〇·3%)之圓度均一值、及不大於〇2%之 直控均一值。 於另一態樣中，本發明提供一種覆有金屬之金屬基質複 合線，其顯示出其中於某些實施例中在至少1〇〇米、至少3〇〇 米、至少400米、至少5〇〇米、至少_米、至少米、至 少800米、至少900米、或甚至至少1〇〇〇米之長度上塑性變 形之特性。塑性變形之特性意謂該線藉由將其彎曲而採取 永久變形。 ，於另-態樣中’本發明提供一種其中(於某些實施 當於至少100米之長度（至少300米、至少4〇〇米至少 米、至少600米、至少700米、至少8〇〇米至少9㈧米〆 甚至至少1_米）上經受初始斷裂時有效阻抑回縮作用: 防止二次斷裂之覆有金屬之金屬基質複合線。 於另一態樣中，本發明提供—種覆有金屬之金屬基一 合線，其顯示出比由沒有金屬覆層之金屬基質複合貝後 示之失效應變更大的失效應變。 V斤顯 於又一態樣中，本發明提供一種電纜，其包含至小 發明之覆有金屬之金屬基質複合線。 ^一本 除非本文另作說a月’否則本文所用下列術語如 相出所定 98813.doc 200538274 義： 連績性纖m與平均纖維直徑相比具有相對無限 之長度的纖維。一般而言，此意謂該纖維具有至少ΐχΐ〇5(於 某些實施财，至少1x1q6、或甚至至少ixiQ7)之縱橫比 (意即，該纖維之長度與該纖維之平均直徑之比率)。一般而 言，該等纖維具有約至少50米之長度、且可甚至具有約數 千米或更多之長度。 ，’縱向安置，，意謂該纖維位於相對於該線長度相同之方 向0 ”圓度值”係如下文實例中所描述藉由料長度之該線的 早獨量測圓度值平均值所定義，其為線之橫截面形狀與圓 之圓周有多接近之量測。 ”圓度均-值"為於特定長度之線上所量測之單_圓产值 變化係數，其如下文實例中所描述是單獨量測之圓度值單 獨量測之圓度值平均值的標準偏差比率。 ”直徑均-值”為於經指定長度之線而單獨量測之平均 直徑中變化之係數，如下古香Μ丄^ , 、 /、如下文貫例中所描述定義為所測單 獨直徑除以所測單獨直徑平均值之標準偏差的比率。 習知金屬基質複合線於經歷初始失效之後可顯示出二、 斷裂。於該等狀況下，第-斷裂隨後該線快速回縮可^ 二次斷裂。因&，存在對於抗二次斷裂之連續性金丄 複合線的需要。本發明之覆有金屬之金屬基質複合線二 例致力於該需要。 1 f ^ 【實施方式】 98813.doc 200538274 本發明提供包括由覆有金屬之纖維增強之金屬基質複合 物的線與電纜。本發明之覆有金屬之金屬基質複合線包含 與一金屬基質複合線之外表面相結合之經熱加工的勃性金 屬覆層。儘管不受理論所限制，據信由本發明之某些實施 例可提供具有顯著改良之特性的線。可將至少一根本發明 之覆有金屬之複合線組合為一電纜（例如，一電力傳輸電 纜）。 圖1中提供一根據本發明之方法製造之示範性經覆有金 屬之纖維增強的金屬基質複合線20之橫截面圖。覆有金屬 纖維增強之金屬基質複合線20在下文中稱為覆有金屬複合 線或MCCW，其包括一與一金屬基質複合線26之外表面24 相結合之韌性金屬覆層22。金屬基質複合線26亦可稱為芯 線26。韌性金屬覆層22具有厚度為纟之近似環形形狀。於某 些實施例中，金屬基質複合線26於MCCW 20中縱向居中。 本發明之方法將覆層結合至金屬基質複合線26。可藉由 使用下文所述與圖2及3中說明之方法而對金屬基質複合線 26覆層以形成覆有金屬之複合線（MCCW)20。 參見圖2，可利用一覆層機30 (例如，350型；以商品名 "CONKLAD”購自 BWE Ltd，Ashford，England，UK)以韌性 金屬給料28包覆芯線26以形成MCCW 20。覆層機30包含位 於擠出輪34上或與其相鄰之模瓦32。模瓦32包含一沖模腔 3 6(圖3)，其一端接入一入口導向模38且於另一端接入一出 口擠出模40。擠出輪34包含至少一個饋入沖模腔36之外周 槽42(通常兩個外周槽）。 98813.doc -10- 200538274 某些實施例中，覆層機3〇以切線模式操作。於如圖2所示 切線模式中，該產品中心線（意即MCCW 20)於覆層機30之 知出輪34的切線上運行。希望如此是由於芯線％不應穿過 任何足以使該線斷裂之小半徑彎曲。通常芯線如字沿一直 線路徑前進。 ：^ 6於具有足夠直徑之線軸（未顯示）上提供給覆 層機30以防止芯線26彎曲超過該線之彈性限度。使用一具 有制動之供線系統以控制該線軸上之芯線％的張力。芯線 之張力、准持在足以防止芯線26之線軸鬆開的最小水平。 芯線26在穿過該設備之前一般不經預熱，儘管於某些實施 例中希望進行預熱。視情況而定，芯線26可於覆層之前使 用下文類似於對給料28所述之方法進行清潔。 可使芯線26在位於擠出輪34上或與其相鄰之模瓦32上穿 過覆層機30。模瓦32之橫截面細節於圖3中提供。模瓦32 含有一入口導向模38、沖模腔36及一出口擠出模40。芯線 26藉由進入入口導向模38、通過沖模腔36(其中發生覆層）、 且於出口擠出模40引出而直接通過模瓦32(意即，擠出加 )出口模大於芯線26以谷納覆層厚度γ。26在 引出模瓦32之遠端後與一卷取機（未顯示）相連接。 在引入覆層機30之前，視情況清潔用於韌性金屬覆層之 給料28以除去表面污染物。一種適宜之清潔方法為購自 BWE Ltd之par〇rbital清潔系統。其使用弱鹼性清潔溶液（例 如，氫氧化鈉稀釋水溶液）、隨後酸中和劑（例如，溶於水溶 液中之稀乙酸或其他有機酸）、且進行水沖洗。於parorbital 98813.doc 11 200538274 系統中，清潔液是熱的且沿於該液體中被攪動的線高速流 動。超音波清潔伴隨化學清潔亦適宜。 覆層機30之操作如下文參考圖2與3所述，且通常以一連 、’哭過私運行。首先，芯線26可如上所述穿過覆層機3〇。將 給料28(於某些實施例中為兩桿）引入至一旋轉擠出輪34，該 擠出輪於某些實施例中在外周含有雙槽42。各槽U接受一 桿給料2 8。 擠出輪34旋轉，從而迫使給料28進入沖模腔刊中。擠出 輪34之運動提供足夠壓力，與沖模腔36之熱量組合以增塑 …料28。冲模腔36中之饋入材料的溫度通常低於該材料之 熔融溫度。將材料熱加工以使其在一允許變形過程中發生 重結晶之溫度及應變速率下塑性性變形。藉由保持饋入材 料溫度低於熔點，自給料28形成之覆層22比給料28於熔融 形怨下施用之情況具有更大硬度。例如，用於具有約66〇它 之熔點的鋁給料之溫度一般為約5〇(rc之溫度。 給料28於芯線26之兩側進入沖模腔36以幫助平衡給料“ 在芯線26周圍的壓力及流速。由模瓦32使給料28重新定向 及變形，擠出輪34之運動將沖模腔36中填充以塑性塑性給 料28。覆層機30於模瓦32中具有範圍為14_4〇 kg/mm2之— 般操作壓力。為了芯線26之成功覆層，模瓦32中之壓力通 常應接近操料圍之低端且於操作㈣中藉由調$擠出^ 34之速率而定製。調節輪34之速率直至沖模腔刊中之條= 達到增塑化給料28擠壓出芯線26周圍之出口模4〇，而Z達 到可能發生破壞芯線26之壓力。（若輪速過低，則給料不擠 98813.doc -12- 200538274 出出口模40或自出口模40擠出之給料28未將芯線26經由出 口模40推出。若輪速過高，芯線26將被剪切及剪斷）。 另外，一般對通常控制沖模腔36中之溫度及壓力進行控 制以使覆層材料（塑性塑性給料28)與芯線26黏結，同時亦足 夠低以防止對更脆弱之芯線26造成損傷。平衡給料28進入 沖模腔36之壓力以便將芯線26置於增塑化給料28之中心亦 為有利。藉由將芯線置於沖模腔36内之中心，增塑化給料 28形成一與芯線26之同心環面。 MCCW 20退出覆層機30之線速實例為約50 m/min。由於， 擠出之給料28推動芯線26隨其穿過覆層機30，通常卷取機 收集產物（意即，MCCW 20)不需要且不提供張力。退出該 機器之後，使MCCW 20穿過水槽（未顯示）以進行冷卻，且 隨後將其纏繞於一卷取機上。 覆層材料 金屬覆層22可包括任何顯示出延展性之金屬或金屬合 金。於某些實施例中，金屬覆層22係選自包括金屬合金之 韌性金屬材料，該金屬材料不與芯線26之材料組份（意即， 纖維與基質材料）產生顯著化學反應。 用於金屬覆層2 2之示範性韋刃性金屬材料包括紹、鋅、錫、 鎂、銅、及其合金（例如，鋁與銅之合金）。於某些實施例中， 金屬覆層22包括鋁及其合金。對於某些實施例中之鋁覆層 材料，覆層22包含至少99.5重量％之鋁。某些實施例中，可 用之合金為 1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、 及8000系列I呂合金（I呂業協會命名（Aluminum Association 98813.doc -13- 200538274 designations))。適宜之金屬可市售。例如，紹與铭合金可 購自（例如）Alcoa(Pittsburgh，PA)。例如，鋅與錫可講自Metal Services，St· Paul，MN('純辞’’純度為 99.999%且’’純錫’f純度 為99·95%)〇例如，鎂可以商品名丨’PURE’，購自英國曼徹斯特 Magnesium Elektron。鎮合金（例如 WE43A、EZ33A、 AZ81A、及ZE41A)可獲自（例如）TIMET，Denver，CO。銅及 其合金可講自 South Wire(Carrollton，GA)。 可於芯線26上形成MCCW 20，該芯線經常包括至少一個 包含複數根連續性、縱向置放之纖維的纖維束，諸如壓縮 於包括一或多種金屬（例如，高純度（例如大於99.95%)元素 #呂或純紹與諸如銅之其他元素的合金）之基質内的陶曼（如 基於鋁）增強纖維。於某些實施例中，金屬基質複合線26中 至少85數目％(於某些實施例中，至少90%、或甚至至少95%) 之纖維是為連續性的。以下描述對適用於本發明之MCCW 20中之金屬基質複合線26的纖維與基質之選擇。 纖維 用於製造適用於本發明之MCCW 20中之金屬基質複合物 體26的纖維包括：陶瓷纖維，諸如金屬氧化物（如氧化鋁） 纖維、硼纖維、氮化硼纖維、碳纖維、碳化矽纖維、及任 何此等纖維之組合。通常陶瓷氧化物纖維為晶體陶瓷及/或 晶體陶瓷與玻璃之混合物（即一根纖維可同時含有晶體陶 瓷相與玻璃相）。通常此意謂該纖維具有一至少1 X 1〇5(於某 些實施例中，至少1 X 106、或甚至至少1 X 107)之縱橫比（即 纖維之長度與纖維之平均直徑之比率）。通常該等纖維具有 98813.doc -14- 200538274 約至少50米之長度，且可甚至具有約幾千米或更長之長 度。通常連續性增強纖維具有至少5微米之平均纖維直徑至 近似不大於50微米之平均纖維直徑。更通常平均纖維直徑 不大於25微米，最通常在8微米至20微米之範圍内。 • 於某些實施例中，陶瓷纖維具有至少14 GPa、至少1.7 GPa至少2.1 GPa、且或甚至至少2·8 GPa之平均抗張強度。 某些實施例中，碳纖維具有具有至少l 4 GPa(至少21 _ GPa、至少3·5 GPa、且或甚至至少5 5 GPa)之平均抗張強 度。於某些實施例中，陶瓷纖維具有大於70 GPa至近似不 大於lOOOGpa、或甚至不大於42〇GPa之模數。測試抗張強 度及模數之方法於該等實例中給出。 於某些實施例中，至少部分用於製造芯線26之連續性纖 維是成束的。纖維束於纖維技術中為人所知且係指複數根 以類似粗紗形式集合之（獨立）纖維（通常至少100根纖維、更 通常至少400根纖維）。於某些實施例中，纖維束包含每根 φ 纖維束至少780根獨立纖維，且於某些狀況下，每個纖維束 至少2600根獨立纖維。陶瓷纖維之纖維束可提供多種長 度’包括 300 米、500 米、750 米、1〇〇〇 米、1500 米、1750 米、及更長。該等纖維可具有圓形或橢圓形之橫截面形狀。 氧化銘纖維例如描述於美國專利第4,954,462號（冒〇〇(1等 人）與第5,185，29號（Wood等人）中。在某些實施例中，氧化 I呂纖維為多晶α氧化鋁纖維且包含基於理論氧化物以氧化 • 紹纖維之總重量計大於99重量％之α1203與0.2-0.5重量％之
Si〇2。於另一態樣中，某些所要多晶、α氧化鋁纖維包含具 98813.doc -15- 200538274 有小於1微米（或甚至在某些實施例中小於0.5微米）之平均 晶粒尺寸的α氧化鋁。於另一態樣中，某些實施例中多晶、 氧化鋁纖維具有至少1.6 GPa(於某些實施例中，至少2.1 GPa、或甚至至少2.8 GPa)之抗張強度。示範性α氧化鋁纖 維由3Μ公司（St· Paul，ΜΝ)出售，商品名為"NEXTEL 610’，。 鋁矽酸鹽纖維例如描述於美國專利第4,047,965號（Karst 等人）中。示範性鋁矽酸鹽纖維由3M公司（St· Paul，MN)出 售，商品名為”NEXTEL 440，’、"NEXTEL 550”、及"NEXTEL 720，，。 鋁硼矽酸鹽纖維例如描述於美國專利第3,795,524號 (Sowman)中。示範性鋁硼石夕酸鹽纖維為由3M公司出售，商 品名為 ’’NEXTEL 312”。 示範性獨纖維可例如購自Textron Specialty Fibers， Inc.(Lowell，ΜΑ) 〇
氮化硼纖維可（例如）如於美國專利第3,429,722號 (Economy)與第5,780，154(Okano等人）號中所述製得。 示範性碳化石夕纖維例如為：由COI Ceramics(San Diego, C A)出售，商品名為”NIC ALON”，500根纖維為一纖維束； 購自日本Ube Industries，商品名為，，TYRANNO，，；及自Dow Corning (Midland，MI)，商品名為”SYLRAMIC”。 示範性碳纖維例如為：由Amoco Chemicals(Alpharetta， GA)出售，商品名為 ’’THORNEL CARBON”，2000、4000、 5000 、 12,000根纖維為一纖維束 ；Hexcel
Corporation(Stamford，CT);購自 GraHl，Inc.(Sacramento, 98813.doc -16- 200538274 CA)(Mitsubishi Rayon Co之子公司），商品名為 ’’PYROFIL” ； 購自曰本東京之Toray，商品名為 ’’TORAYCA” ； Toho Rayon of Japan，Ltd.，商品名為 丨丨BESFIGHT” ；購自 Zoltek Corporation(St. Louis, MO)，商 品名為，，PANEX’，及”PYRON” ；及購自 Inco Special Products(Wyckoff，NJ)(鎳塗覆之碳纖維），商品名為Π12Κ20Π 及，，12Κ50’，。 示範性石墨纖維（例如）由BP Amoco(Alpharetta，GA)出 售，商品名為”T-300”，1000、3000及6000根纖維為一纖維 束。 示範性碳化石夕纖維為（例如）由COI Ceramics(San Diego, CA)出售，商品名為”NICALON1’，500根纖維為一纖維束； 購自曰本Ube Industries，商品名為1’TYRANNO” ；及購自 Dow Corning(Midland，MI)，商品名為 ’’SYLRAMIC，，。 市售纖維通常包括製造過程中添加於該纖維中之有機漿 料以提供光滑度且於處理過程中保護纖維繩股。可例如藉 由將漿料溶解或自纖維燃燒分離而將其除去。通常希望在 形成金屬基質複合線26之前除去漿料。 該等纖維可具有用於（例如）增強纖維可濕性的塗層以減 少或防止纖維與熔融金屬基質材料間的反應。該等塗層與 用於提供該等塗層之技術在纖維及金屬及複合物技術中為 已知的。 基質 通常選擇金屬基質複合線26之金屬基質以使得該基質材 98813.doc -17- 200538274 料不與纖維材料產生顯著化學反應（意即，對於纖維材料為 相對化學惰性），以（例如）消除在纖維外表面提供一保護塗 層之需要。針對基質材料所選擇之金屬不需為與覆層22相 同之材料，但不應與覆層22產生顯著化學反應。示範性金 屬基質材料包括鋁、鋅、錫、鎂、銅及其合金（例如，铭與 銅之合金）。於某些實施例中，基質材料理想地包括铭及其 合金。 於某些實施例中，該金屬基質包含至少98重量％之铭、 至少99重量％之鋁、大於99.9重量％之鋁、或甚至大於99.95 重量％之鋁。示範性鋁與銅之鋁合金包含至少98重量％之八1 與高至2重量％之Cu。於某些實施例中，可用之合金為 1000 、 2000 、 3000 、 4000 、 5000 、 6000 、 7000及/或8000系 列之铭合金（铭業協會命名）。儘管傾向於希望以更向純度金 屬為製造更高抗張強度之線，但亦可用更低純度形態之金 屬。 適宜之金屬可市售購得。例如，鋁可購自Alcoa(Pittsburgh， PA)，商品名為”SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% ΑΓ。鋁 合金（例如，A1-2重量％Cu(0.03重量％雜質））可購自（例 如）Belmont Metals，New York，NY。鋅與錫可購自（例 如）Metal Services，St· Paul，MN(”純鋅’’；99.999%純度與 n純錫”；99.95%純度）。例如，鎂可購自英國曼徹斯特 Magnesium Elektron，商品名為 ’’PURE’1。鎮合金（例如， WE43A、EZ33A、AZ81A、及 ZE41A)可購自（例如）TIMET， Denver，C〇 〇 98813.doc -18- 200538274 適宜於本發明之MCCW 20之金屬基質複合線26包括彼等 包含基於纖維與基質材料之總組合體積至少丨5體積％(於某 些貫施例中，至少20、25、30、35、40、45、或甚至50體 積％)之纖維。通常用於本發明之方法中的芯線26包含基於 纖維與基質材料之總組合體積（意即，獨立於覆層）4〇至 7〇(於某些實施例中，45至65)體積％範圍内之纖維。 芯線26之平均直徑通常在約〇 〇7毫米（〇 〇〇3英吋）至約3.3 mm (0.13英吋）之間。於某些實施例中，所要芯線％之平均 直徑為至少1 mm、至少1.5 mm、或甚至高至近似2〇 mm(0.08英对）。 製造芯線 通常連續性芯線26可（例如）藉由連續性金屬基質滲透法 而製造。一種適宜之方法描述於（例如）美國專利第 6,485,796號（Carpenter等人）中。 圖4中顯示-用於製造本發明iMccw 2〇中所用之連續
性金屬基貝線2 6的雇爸性裝署ή1*咅η 、土 士 J 丁耗f生衷置不忍圖。連續性陶瓷及/或碳 纖維44之纖維束自供線軸46供應，且對準至一圓形束，且 對於陶m通過f式爐辦進行熱清潔。^後將纖^ 44於真空腔50中抽真空，再使其進入含有金屬基質材料之 溶融體54(在此亦意如”炫融之金屬”）之㈣52中。由履册 ㈣—㈣56自供線軸46拉出纖維。超音波探針58置於^ 近該纖維之炫融體54中以輔助炼融體⑷參透人纖维束料 線…融金屬於經由出口模6〇退出掛銷52後冷卻且固 化’儘管於線26完全退出掛鋼52之前可能已發生一些冷 98813.doc -19- 200538274 卻。線26之冷卻藉由衝擊於線26上之氣流或液流以而加 強。將線26收集於線軸64上。 如上文所料，熱清潔肖兗纖維有助於除去或減少聚 料、吸附水、及其他可能存在於纖維表面上之不穩定或二 發性材料之量。通常希望熱清洗該等陶竟纖維直至該_ 表面之碳含量低於22%之面積分率。通常管式爐54之溫度 為至少3(Hrc ’更通常至少⑽代且於該溫度下歷時至少幾 秒，儘管特殊溫度與時間可取決於（例如）所用特殊纖維之、主 潔需要。 Θ 於某些實施例中，將纖維44於進入炫融體54之前抽真 空’因為已觀察到使用該抽真空易於減少或消除缺陷之形 成’諸如具有乾燥纖維之局部區域(意即，未滲透基質之纖 維區域）。通常於某些實施例中在不大於2〇帅㈣、不大於 10托、不大於1托、及不大於07古…丄 汉个人π〇·7托之真空中將纖維44抽真 空。 / -示範性之適宜真空系統50為—經定徑以匹配該纖維叢 I4之直控的人口管。該人π管可例如為不銹鋼或氧化紹 管’且通常長至少3〇 cm。一適官少亩办 週且之真空腔5〇通常具有直徑 _為2啦至20咖範圍内之直徑’及5啦至1〇—範圍内 之長度。該真空泵之抽氣效率於某些實施例中為至少Ο」至 0.4立方米/分鐘。將經抽真空之纖維44經由一穿入金屬浴之 真空系統50上的管道插入至熔融體增(意即，經抽真空之 纖維44在引入溶融體54時處於真空下），但該炼融體μ通常 處於大氣壓下。該出口瞢夕向尸 ^豕出3之内偟基本上與纖維叢44之直徑 98813.doc •20- 200538274 匹配。將部分出口管浸潰於熔融金屬中。於某些實施例中， 將該管浸潰於熔融金屬中0.5-5 cm。選擇在熔融金屬材料中 穩定的管。通常適宜之管實例包括氮化矽及氧化鋁管。 一般藉由使用超音波而加強熔化金屬54滲透入纖維44。 將一振動喇队58置於熔融金屬54中以使其極為接近纖維 44。於某些實施例中，纖維44位於該制σ八尖端之2.5 mm内 (於某些實施例中於1.5 mm内）。該喇叭尖端於某些實施例 中為鈮或鈮合金（諸如95重量％ Nb-5重量％ Mo及91重量％ Nb-9重量％ Mo)製成，且可獲自（例如）PMTI，Pittsburgh， PA。關於超音波在製造金屬基質複合物技術之用途的額外 細節，例如參見美國專利第4,649,060(Ishikawa等人）、 4,779,563(Ishikawa 等人）、及 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）、及 6,460,597(McCullough 等人）、6,485,796(Carpenter 等人）、6,544,645 號（McCullough等人）；2000年 7 月 14曰申請 序列號為09/616,741之美國申請案；及2002年1月24日公開 之PCT申請案，公開號WO 02/06550。 通常熔融金屬54於滲透過程中及/或滲透之前進行脫氣 (例如減少溶解於熔融金屬54中之氣體量（如氫氣））。用以熔 融金屬54之脫氣的技術為於金屬處理技術中所熟知。熔融 54之脫氣易於減少線中之氣孔。對於熔融鋁，熔融體54之 氫氣濃度於某些實施例中小於0.2、0.15、或甚至小於0.1立 98813.doc -21 - 200538274 方公分/100公克鋁。 將出口模60進行配置以提供所要線直徑。一般而言，通 常希望具有沿其長度圓度均一之線。出口模60之直徑通常 略小於線26之直徑。例如，用於含有5〇體積％氧化鋁纖維 之鋁複合線的氮化矽出口模直徑比線26之直徑小3%。於某 些實施例中，雖然亦可使用其他材料，較理想為由氮化矽 製成出口模60。其他於此項技術中已用作出口模之材料包 括習知氧化！S。然而申請者發現氮切出 小於習知氧化㈣模’纟因此更可用於提供尤其在較= 線長度上該線之所要直徑及形狀。 通常將線26於退出出口模6〇之後藉由使聚⑽與液體 (例如水）或氣體（如氮氣、氬氣或空氣）62接觸而冷卻。該冷 卻有助於提供所要圓度及均—性特徵，及免除孔隙。將線 2 6收集於線轴6 4上。 已知孟屬基貝硬合線中存在缺陷（諸如金屬間相；乾燥纖 維 多孔性等等）可導致減少之特性（諸如線20之強度）。因此， 希望減少或最小化該等特徵之存在。 覆有金屬之金屬基質複合線（MCCW) 本發明之覆層方法產生示範性覆有金屬之金屬基質複合 線20,其與未覆層線26相比較顯示出改進之特性。對於且 =體上圓形橫截面形狀之芯線26，所得線的橫截面形狀 —⑯ Μ月之覆層方法補償不規則形狀
以生成相對圓形之覆有金屬之產物（即MCCW 98813.doc -22- 200538274 20)。覆層22之厚度/可改變以補償芯線26形狀之不一致性且 该方法將芯線2 6置於中心，從而改良規袼及公差，諸如 MCCW 20之直徑及圓度。於某些實施例中，根據本發明之 具有大體上圓形橫截面形狀之MCCW 20的平均直徑為至少 1 mm、至少 1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、或甚至3.5 mm。 MCCW 20之最小與最大直徑之比率（參見圓度值測試，其 中一精確圓線值為1)通常在至少1〇〇米之MCCW 20長度上 為至少0.9’在某些實施例中至少〇·92、至少〇·95、至少〇 97、 至少0.98、或甚至至少〇.99。圓度均一性（參見下文圓度均 一性測試）通常在至少1〇〇米之MCCW 20長度上不大於 0.9%，於某些實施例中不大於〇_5%且不大於〇·3%。直徑均 一性（參見下文直徑均一性測試）通常在至少100米之MCCW 20長度上不大於0.2%。 當施加張力中發生初始失效時，由本發明之方法所製造 之MCCW 20理想地抵抗例如微彎折及一般彎折之二次失效 模式。MCCW 20之金屬覆層22起到防止金屬基質複合線26 之快速回縮且抑制初始失效過程中或其後引起二次失效之 壓縮衝擊波的作用。金屬覆層22塑性變形且緩衝芯線26之 快速回縮。當希望MCCW 20顯示對二次失效之抑制時，將 希望金屬覆層22具有充足厚度ί以吸收及抑制壓縮性衝擊 波。對於一具有〇·〇7 mm至3.3 mm間之近似直徑的芯線26， 將希望覆層厚度ί在自0.2 mm至6 mm之範圍内，或更希望在 〇·5 mm至3 mm之範圍内。例如，具有近似〇·7 mm之近似壁 厚纟之金屬覆層22適於具有標稱為2.1 mm直徑之铭複合線 98813.doc -23- 200538274 26，藉此形成一具有3·5 mm(0.14英忖）之MCCW20。 根據本發明製造之MCCW 20亦希望顯示塑性變形之能 力。習知金屬基質複合線通·常顯示彈性彎曲模式且不顯示 出塑性、交形亦未經歷材料失效。有益的是，本發明之 在寫、曲且隨後釋放時保持一定彎曲量（意即塑性變形）。塑性 ’交形之能力可用於將複數根線絞合或卷成一電纜之應用 中。MCCW 20可被製成電纜且將保持彎曲結構而無需諸如 膠帶或黏合劑之額外保持構件。當希望“€〇界2〇採取永久 變形（即塑性變形）時，覆層22將具有足以對抗芯線26回復至 初始（未彎曲）狀態之反彈力的厚度纟。對於具有〇 〇7至 3.3 mm之近似直徑的芯線26，覆層厚度纟將希望在㈤瓜至 約3 mm之範圍内。例如，一具有約〇·7 mm之大約層厚度/ 金屬復層22適且於具有標稱為2·ι mm直徑之銘複合線 26，藉此形成具有3 5 mm(〇 14英吋）之mccw 。 才據本务明之方法製造之Mccw 20長度為至少1〇〇米、 至V 200米、至少300米、至少4〇〇米、至少5〇〇米、至少6〇〇 米、至少700米、至少800米、或甚至至少9〇〇来。 復有金屬之金屬基質複合線之電纜 根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線可用於包 括架空電力傳輸魏之多種應用中。 -根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線的電 、見可如圖7為均質的（意即僅包括諸如MCCW 20之線）、或諸 於圖5與6中為非均質的（即包括複數根二級線，諸如金屬 泉）非均質電纜之實例為該電纜芯可如圖5中所示包括 98813.doc -24- 200538274 複數根根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線，其 具有一包括複數根二級線（例如鋁線）之外殼。 可將包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線 -的電纜進行絞合。餃合電纜通常包括一中心線及圍繞該中 - 心線螺旋形絞合之第一層線。大體上，電纜絞合為一其中 單獨線之股以螺旋排列組合以製造最終電纜的加工過程 (例如參見美國專利第5，171，942號（Powers)及第5,554,826 癱 號（Gentry))。所得螺旋絞合之線繩提供之可撓性遠遠大於 具有相等橫m面積之固體桿可獲得者。為螺旋排 列，因為紋合電纜在處理、安裝及使用中經受彎曲時保持 其整體圓形橫截面形狀。螺旋纏繞之電纜可包括少至3個獨 立股至更一般含5〇或更多股之構造。 圖5中顯示一包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基 質複合線的示範性電纜，其中電纜66可為一包含複數根獨 立覆有金屬之複合金屬基質線7〇之電纜芯68，該基線由複 φ 數根獨立鋁或鋁合金線％之護套72圍繞。任何適宜數目之 覆有金屬的金屬基質複合線7〇可包括於任何層内。另外， 線型（例如，覆有金屬之金屬基質複合線及金屬線）可混合於 任何層或電規中。此外，若需要則可在絞合電纔^中包括 夕於兩層。作為許多選擇之一種，電纜76如圖6所示可為一 • 具有複數根獨立金屬線8〇之電缓中心78，該等金屬線係由 多根獨立覆有金屬之金屬基質複合線84之護套“所圍繞。 * 獨立電纜可組合成線繩結構，例如一包含絞合至一起之7 根電纜的線繩。 98813.doc -25- 200538274 圖7說明本發明之絞合電纜％的另一實施例。於該實施例 中’ Μ合電為均㈣，以使得電纜中之所有線為根據 本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線88。可包括任何 適宜數目之覆有金屬之金屬基質複合線88。 ° 包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線之電 :可用作裸電纜或其可用作具有更大直徑之電纜的電： ^ °亦及’包含本發明之覆有金屬之金屬基質複合線的電 纜可為在其周圍具有保持構件之複數根線的絞合電纜。該 保持構件可例如為具有或不具有黏合劑之帶狀外包裝、或 膠著劑。 、〆 包含本發明之覆有金屬之金屬基質複合線的絞合電纜可 用於眾夕應用中。據信該等絞合電纜由於其對相對低重 i南強度良好電導率、低熱膨脹係數、高使用溫度、 及抗腐蝕性之組合而尤其為架空電力傳輸電纜所需要。 關於覆層之金屬基質複合線之額外細節可於例如年 2月13日申睛之具有美國序列號第10/778488號的同在申請 中之申請案中發現。 本發明之優勢及實施例由下列實例進一步說明，但該等 貫例中列舉之特殊材料及其量以及其他條件及細節不應詮 釋為過度限制本發明。除非另作說明，否則所彳分數及百 分數為重量％。 實例 測試方法 線抗張強度 98813.doc -26- 200538274 基本上如ASTME345-93中所述，使用一裝配有一機械矯 正器（以商品名"INSTRON”購得；型號8000-072,購自Instron Corp·)的張力測試機（以商品名"INSTRON”購得；8562型測 試機，購自 Instron Corp·，Canton，MA)測定 MCCW 20之抗 張特性，其由一資料捕獲系統（以商品名1’INSTRON”獲得； 型號 8000-074，構自 Instron Corp_)驅動。 使用兩種不同標準距離而執行測試：一種為3.8 cm(l .5英 吋）且另一種為63 cm(25英吋）之標準距離樣品，其於該線之 末端配有101 8個低碳鋼管接頭以允許測試裝置之安全夾 扣。該線樣品之實際長度比樣品標準距離長20 cm(8英吋） 以容納楔形夾之安裝。對於具有2.06 mm(0.081英吋）或更小 直徑的覆有金屬之金屬基質複合線，該等管長度為15 cm(6 英吋）長，0D(即外徑）為6.35 mm(0.25英吋）且ID(即内徑）為 2.9-3.2 111111(0.11至0.13英吋）。10與00應盡可能同軸。對於 具有3.45 mm(0· 14英吋）之直徑的覆有金屬之金屬基質複合 線，該等管長度為15 cm(6英吋）長，OD(即外徑）為7.9 mm (0.31英吋）且ID(即内徑）為4.7 mm(0.187英吋）。該等鋼管及 線樣品以酒精清洗且自該線樣品之各端標記出一 10 cm(4 英吋）之距離以允許適當安置夾管從而獲得3.8 cm( 1.5英吋） 或63 cm(25英吋）之所要標準距離。使用一配有一塑料喷嘴 (購自 Technical Resin Packaging，Inc·)之密封劑喷搶（以商 品名 f’SEMCOn獲得，250型，購自 Technical Resin Packaging， Inc.，Brooklyn Center，MN)以環氧樹脂黏合劑（以商品名 ，’SCOTCH-WELD 2214 HI-FLEX”獲得一種高延展性黏合 98813.doc 27 200538274
劑，以料號62-3403-2930-9講自3似司）填充各夹管之孔。 自管中除去過量之環氧樹脂且將線插人該管内至線上之標 -己處-將°玄線插入該夾管向該管内再注入環氧樹脂， =時維=該線在適當位置以保證管内充滿樹脂。（將樹脂回 肩入至官内直至環氧樹月旨於標準距離之底部剛好沿該線周 圍擠出’同時保持該線於適當位置）。當兩個央管均適當安 線上時’將樣品置放入一接頭矯正器中，該矯正器在 環氧樹脂固化週期過程中保持夹管與線適當同軸對準。隨 後將該總成置於―固化爐内，料在丨坑下歷時90分鐘以· 固化環氧樹脂。 使用名測试框上之機械矯正器將測試框小心定位於 Ins_測4機中以達到所要定位。測試過程中藉由錯齒狀 V-槽水壓π使料似14_17 Mpa(2_2 5㈣之機械箝位壓力 僅夾緊§亥夾緊管之外部5 cm(2英吋）。 於一位置控制模式中使用〇.〇1 cm/cm(〇 〇1英忖/英对）之 應支速率使用一動力應變標準伸長計（以商品名 寫™⑽"獲得，型號262〇-824，講自r她on—.)監控 乂應又#長。十刀口間之距離為127 cm(〇 5英忖）且量規置 於‘準距離之中心且以橡皮帶加固。於沿線之㈣位置使用 測微計量測或由量測橫戴面積且計算有效直徑以得到相同 橫_而測定該線直徑。抗張測試之輸出提供樣品之失 效負荷、抗張強度、抗張模數、及失效應變的資料。測試 十份樣品，從中可計算出平均值、標準偏差及變化係數。 纖維強度 98813.doc -28- 200538274 使用一拉伸測試機（以商品名nINSTR〇N 4201"購自 Instron Corp· Canton，MA)、及於 ASTM D 3379-75 中所述之 測試（高模數單·長絲材料之抗張強度及楊氏（Young’s)模數 標準測試方法）而量測纖維強度。樣品標準距離為25.4 mm( 1 英叶），且應變速率為0.02 mm/mm。為確定一纖維束的抗張 強度，自一束纖維中隨機選出十根單一纖維長絲且測試各 長絲以確定其斷裂負荷。 使用一附件在光學顯微鏡（以商品名’’DOLAN-JENNER MEASURE-RITE VIDEO MICROMETER SYSTEM，，市售， M25-0002型，購自 Dolan_Jenner Industries，Inc.(Lawrence， MA))上以lOOOx放大倍率而目測纖維直徑。該裝置以一校準 階段測微計使用反射光觀測。各獨立長絲之斷裂壓力按每 單位面積負荷之方式計算。 熱膨脹係數（CTE) 根據1995年出版之ASTM E-228而量測CTE。於一膨脹計 (以商品名”UNITHERM 1091’，獲得）上使用5.1 cm(2英吋）之 線長進行工作。使用一儀器固定包含兩個鋁圓柱體的樣 品，該等鋁圓柱體具有鑽入6·4 mm(0.25英吋）内徑之10-7 mm (0.42英吋）外徑。該樣品由定位螺絲於每一側夾住。自 各定位螺絲之中心量測樣品長度。對各溫度範圍以標準與 技術國際協會（NIST)鑒定之熔融二氧化矽校準參考樣品 (以商品名 ’’Fused Silica”購自 NIST(Washington，DC))執行至 少兩次校準。於實驗室空氣氣氛中以5°C之加熱斜率經-75°C 至5 0 0 C之溫度範圍測試樣品。測試之輸出為一組於加熱過 98813.doc -29- 200538274 私中每50 C或冷卻期間每1 〇。〇收集之尺寸膨脹對溫度之資 料由於CTE為膨賸隨溫度之變化速率，資料需要進行處 理以得到CTE之值。使用繪圖軟體包（以商品名” EXCEL，，購 自Microsoft，Redmond，WA)繪製膨脹對溫度之資料。使用 軟體軟體可獲得之標準擬合函數使該等資料擬合為二階冪 函數以得到一曲線等式。計算該等式之導數，得到一線性 函數。該等式代表了膨脹隨溫度之變化速率。該等式所討 論之溫度範圍（例如，_75至_5〇(rc )内作圖得到CTE對溫度之 圖形表示。亦使用该等式獲得於任何溫度下之瞬時CTE。 假定CTE根據等式㈣=[Efafvf ++
Em (1-Vf))而變化，其中：％ =纖維體積含量、纖 維抗張模數、Em=基質抗張模數（就地）、〜!=於縱向方向 之複合物CTE、a产纖維CTE、且基質cte。 直徑 藉由/ 口、線之四個點上取得測微計讀數而量;則線直徑。通 常該線不是精確圓形且因此存在長及短態樣。藉由旋轉該 線取得該等讀數以保證長與短態樣皆得到量測。以長與短 態樣平均值之方式記錄直徑。 〃 纖維艘積含量 猎由標準金相學技術量測纖維體積含量。將線之橫截面 磨光且猎由使用密度分佈函數在稱為麵舰綱（161版） 之计异機程式幫助下而量測了線體積含量，該程式係為一 由美國國家健康研贫所 、 研九服務为支機構研發之公眾領 域圖像處理料。該軟料測了料之代表性區域的平均 98813.doc -30- 200538274 灰度強度。 將一條線埋在鑲埋樹脂（以商品名"EPOXICURE’1購自 Buehler Inc·，Lake Bluff，IL，商品名為"EPOXICURE’，）内。 使用一習知研磨機或拋光機（講自Struers，West Lake，OH) 及習知鑽石液，最終拋光步驟使用1微米鑽石液（以商品名 為"DIAMOND SPRAY”購自Struers)對所鑲埋的線進行拋光 以得到該線之一拋光橫截面。於150x拍攝經拋光之線橫截 面的掃描電子顯微鏡（SEM)顯微照片。當拍攝SEM顯微照片 • 時，調節影像之臨限值位準使所有纖維處於零強度以生成 一二進位影像。以NIH IMAGE軟體分析SEM顯微照片，且 纖維體積含量藉由將二進位影像之平均強度除以最大亮度 而得到纖維體積含量。據信該方法測定纖維體積含量之精 確度為+/- 2%。 圓度值 圓度值為線之橫截面形狀與圓接近程度之量度，其係由 一特定長度上之單一圓度平均值而定義。使用一旋轉雷射 籲 測微計（以商品名，ODAC 30J ROTATING LASER MICROMETER” 購自 Zumbach Electronics Corp·，Mount Kisco, NY ;軟體·· "USYS-100，，、BARU13A3版）如下文所述 測定用於計算平均值之單一圓度值，該測微計設置成記錄 每180度之旋轉過程中每100 msec之線直徑。每掃過180度 ^ 之用10秒鐘完成。該測微計將來自每個180度旋轉之資料記 - 錄發送至一處理資料庫。該記錄含有旋轉週期中收集之1〇〇 個資料點之最小值、最大值、及平均值。線速為1.5米/分鐘 988l3.doc -31 - 200538274 (5英尺/分鐘）。，，單一圓度值 料點夕畀丨古y 轉週期中收集之100個資 枓點之取小直徑與最大 定長度上所量測之單… 亥51度值隨後為-特 丨里W之早一囡度值之 口口 1〇〇個資料點之平均值。 ”值。早-平均直徑為 圓度均一值 圓度均一值為一特定長度上 赵，i盔無、日丨里而之早一圓度值變化係 數其為所測早一圓度值之桿車值兰〜 平的0 Η ^之W偏差除以所測單-圓度值 千句值之比率確定標準偏差： 標準偏差=丨令2-(tx,y ⑴ 一其中η為總體樣品之數目（意即對於計算用於測定直徑均 ^之所測單—圓度值的標準偏差，η為該特定長度上㈣ 早一 Η度值之數目），且,為總體樣品之量測值（意即對於古十 算用於料直徑均-值之所測單—圓度值的標準偏差，X 為該特定長度上所測之單一圓度值）。用於測定平均值之所 測單一圓度值可如上文對於圓度值之描述得到。 直徑均一值 直徑均-值為-特定長度上所測之單一平均直徑的變化 係數，其係由所測單-平均直徑之標準偏差除以所測單一 平均直徑之平均值的比率所定義。所測單一平均直徑為如 上文對於圓度值之描述而獲得的丨〇〇個資料點之平均值。使 用等式（1)計算該標準偏差。 實例1 使用34束 1500旦尼爾（denier)’，NEXTEL610，，氧化鋁陶瓷 98813.doc -32- 200538274 纖維製造鋁基質複合線。各束含有近似420根纖維。該等纖 維橫截面實質上為圓形且具有範圍在近似平均丨卜13微米 之直徑。該等纖維之平均抗張強度（如上述所量測）範圍為 2.76-3.58 GPa (400-520 ksi)。獨立之纖維具有範圍為 2.06-4.82 GPa(300-700 ksi)之強度。將該等纖維（以多重束 之形式）經由溶融體表面饋入至鋁之溶融浴中，進入2個石 墨滾筒下之水平面，且隨後以45度經由熔融體表面自該熔 融體（其中放置一模體）收回，且隨後通入至一捲線轴上（例 •如，如於美國專利第6,336,495號（McCullough等人）中所 述’圖 1)。將紹（購自 Belmont Metals，New York，NY之 >99.95% 的铭）熔融於一具有 24el cm x 31.3 cm x 31.8 cm(9.5ff x 12.5’，x 12.5”）尺寸之氧化鋁坩鍋（購自 Vesuvius McDanieUBeaver Falls，Pa·))中。熔融鋁之溫度近似為 720°C。將 95%鈮與 5%鉬之合金（購自 PMTI Inc (Large，pA)) 定型成一具有12.7 cm(5英吋）長Χ 2·5 cm(1英吋）直徑尺寸 φ 之圓柱體。该圓柱體藉由調至所要振動（即藉由改變長度調 諧），至20·06-20·4 kHz之振動頻率而用作一超音波喇 <形 致動夯。ΰ亥致動态之振幅大於〇·⑼2cm(〇.〇〇〇g英叶）。將該 致動器之尖端平行引入該等滾筒間之纖維，以使它們的間 距為<2.5 英吋）。將該致動器與一鈦波導管連接， 其又與該超音波傳導器連接。尸遺後以基質材步斗滲透該等纖 • 維以形成具有相對均一之橫截面與直徑之線。由該方法製 - 得之線具有2.06 mm(〇_〇81英吋）之直徑。 置於出口端之模體係由氮化硼製得且對熔融表面傾斜判 98813.doc -33 - 200538274 度且含一具有適宜於引入具有2 mm(0.08英叶）内徑之氧化 鋁引線器之内徑的孔。使用氧化鋁漿料將引線器膠合於適 當位置上。自沖模退出後，隨即將該線以氮氣冷卻以防止 損壞及燒壞拉動該線及纖維經過該製程之橡膠驅動滾筒。 隨後將該線纏繞於帶凸緣的木製線軸上。 由橫截面之顯微照片（於200χ放大倍率）估計纖維之體積 百分數為約45體積％。
5亥線之抗張強度為 1 ·〇3-1 ·3 1 GPa( 150-190 ksi)。 至下之延長率為約〇·7-〇·8%。在拉伸測試過程中由 伸長計而量測延長率。 提供鋁複合線（ACW)作為用於根據本發明之方法覆層之 芯線26(如圖1與2中）。其提供於一 36英吋〇D、3〇英吋id、3 英吋寬之線軸上，且該線軸置於供線系統上。使用一制動 系統保持ACW 26之張力最小，以使得該張力剛好足以防止 鋁複合線之線軸鬆開。待覆層之ACW26未經表面清潔且未 經預熱即穿過覆層機3 0且連接至出口側之卷取機。 覆層機（350型，以商品名，，c〇NKLAD”由bwe l吡 Ashford，England，UK出售）以切線模式運行（見圖2)，其顯 示產品中心線沿擠出輪34之切線運行。參考圖2，操作中銘 ^#28(EC137050； , ^ ^ ^ p Pechiney) 由兩個供線鼓（未顯示）供入旋轉擠出輪34(一雙槽桿準盔軸 輪）之外周槽42中。在使用前使用—標準㈣㈣啦潔系、統 (BWE Ltd.研發）對給料紹28進行表 面清潔以除去表面氧化 物、薄膜、油類、 油脂或任何形式之黏性表面污染物。 98813.doc -34· 200538274 將AC W 26於模瓦32之入口硬模38處引入覆層機30。ACW 26直接穿過擠出工具（模瓦32)且再穿出出口擠出模40(見圖 3)。沖模腔36為BWE 32型（購自英國Ashford之BWE Ltd)。 兩個鋁饋入桿於芯線26之兩側進入沖模腔36以均衡壓力與 金屬流。加熱沖模腔36以將鋁溫度控制在約500°C。擠出輪 36之運動與由沖模腔36提供之熱量將沖模腔36填充以增塑 化鋁28。鋁28圍繞ACW 26塑性流動且自出口模40流出。出 口模40比内徑為3·45 mm之ACW 26大以便容納覆層厚度。 調節擠出輪36之速率直至鋁擠壓出環繞於ACW 26之出-口模40，且腔室内之壓力足以弓丨起覆層22與ACW 26之間一 定局部黏合。另外，擠出之鋁28推動芯線26穿過出口模40 以使收集MCCW 20產物之卷取機不施加張力。產物退出該 機器之線速為約5 0 m/min。退出該機器之後，將線經由水 槽冷卻，且隨後纏繞於卷取機上。製造了 一具有0.7 mm覆 層壁厚之覆層ACW之樣品（3〇4 m(1000 ft)長）。 MCCW 20含有標稱為2·〇6 mm(0.08 1英对）直徑之ACW 26 與鋁覆層22以生成直徑為3.6 mm(〇.i40英吋）之MCCW 20。 ACW 26之不規則形狀受覆層22所補償以生成一極圓之產 物。MCCW 20之面積分率為33% ACW，67%鋁覆層。假定 ACW 26中為45%纖維體積含量，MCCW 20具有約15%之淨 纖維體積含量。 使用上述線抗張強度測試，測試了實例1中製造之線（3 ·8 cm(1.5英吋標準距離： 98813.doc -35- 200538274 實例1之MCCW 20 實例1之ACW26 負荷= 5080 士 53 N (1142 士 27 lbs) (COV = 2.4°/〇) 應變=0.87 士 0.04% 模數=97·9 GPa (14·2 土 1·7 Msi) 強度=515 MPa (74.7 士 1.8 ksi) 10次測試 負荷=4199 土 151 N (944 土 34 lbs) (COV = 3.6%) 應變=0.75 士 0.05% 模數=不可用數據 強度=1260 MPa (183 士 7 ksi) 10次測試 測試來自實例1之MCCW 20以量測沿線軸方向之熱膨脹 係數（CTE)。圖8之CTE對溫度的曲線圖中說明該等結果。 CTE在-75°C至+500°C範圍内之溫度下範圍為〜14-19 ppm/〇C。 測試實例1之MCCW 20的線圓度、圓度均一值、及直徑 均^一值。 平均直徑=3.57 mm(0· 141英吋） 直徑均一值=0.12% 線圓度=0.9926 圓度均一值=0.29% 線長度=130 m (427 ft) 實例2 如實例1所述製造實例2，例外情況為將芯線26於插入入 口導向模38之前使用感應加熱加熱至300°C (表面芯溫度）。 此得到304 m( 1000 ft)長度及0.70 mm(0.03英吋）覆層壁厚之 覆層線（MCCW 20)。 使用上述之線抗張強度測試，測試由實例2製造之覆層線 (MCCW20)(63.5 cm(25 英吋標準距離））： 98813.doc -36- 200538274 實例2之MCCW20 實例2之ACW26 負荷=4888 土 107 N (1099 土 24 lbs) (COV = 2.2%) 應變=0.78 士 0.03% 模數=108 GPa (15·6 土 1.8 Msi) 強度=499 MPa (72·4 土 1.6 ksi) 10次測試 負荷=4066 土 147 N (914 土 33 lbs) (COV-3.6%) 應變=0.66 士 0.05 〇/〇 模數=223 GPa (32.3 土 1.5 Msi) 強度=1220 MPa (177 土 6 ksi) 10次測試 分析來自實例2之覆層線（MCCW 20)以測定鋁覆層之屈
服強度。實例2之覆層線的應力-應變行為曲線圖示於圖9 中。於〇·〇4-〇·〇6%之應變範圍内存在斜率變化，其與鋁覆層 之屈服相關。芯線本身不顯示出該屈服行為。圖9顯示屈服 之發生開始於0.042%應變處。因此該屈服強度可為模數乘 以屈服應變。純鋁之抗張模數為69 Gpa(i〇 Msi)。因此屈服 應力计鼻為 29.0 MPa(4.2 ksi)。 對比實例1 使用上述線抗張強度測試來測試直徑為2 06 mm(〇〇8i英 吋）之AMC芯線26(如實例1中所述製造）之張力失效。測試後 目視檢查記錄斷裂數目。在具有標準距離等於或長於 380 mm(15英吋）之線中觀察到多個斷裂。對於標準距離高 至635 mm(25英吋）之線斷裂數目通常在2至4範圍内。使用 一高速攝影機（由Kodak, R〇chester，Νγ以商品名” KODAK" 出售’ Kodak HRC刪、5_/秒；置於距樣品Μ邮英 尺）處）以為失效機制提供證明。錄像顯示各線中之損壞次 \ ° (第）失效貫際上為張性的，且所有隨後之失效（音 即，二次斷裂)顯示了如操作機制之一的通常壓縮彎折。： 料裂表面之斷面顯微分析亦顯示出壓縮微彎折為另一二 98813.doc -37- 200538274 次失效機制。 實例3 測試了覆以0.7 mm(0.03英吋）鋁覆層22的直徑為 2·06 mm(0·081英吋）之AMC芯線26(如實例1中所述）之張力 失效。覆層線（MCCW 20)具有635 mm(25英吋）之標準距 離。該覆層線於一次張力失效後不顯示二次斷裂（失效負荷 平均為4900 N)。藉由再次夾緊斷裂線（MCCW 20)的更長區 段及再次測試其張力（標準距離仍大於38.1 cm(15英忖））而 驗證無二次失效。經再次測試，覆層線（MCCW 20)展示了 稍大之失效負荷（〜5000 N)。此結果顯示了於覆層線中不存 在隱藏之二次斷裂點。負荷轉移亦清晰地顯示了當初始拉 伸失效發生時鋁覆層22之作用，如圖10之曲線圖所示。負 荷之突然下降與ACW26上之一級失效相關，然而，負荷不 立刻降至零；某些負荷由鋁覆層22承受，其如曲線圖之區 域中前頭90所示伸長及緩衝該突然然回縮。 弩曲保留度測試 為·曲保留度測試說明變形後由線所保持之彎曲量。若不 保持彎曲，則該線完全為彈性的。若保留一定某些彎曲量， 痃線或至少部分該線塑性變形以至於保留彎曲形狀。一般 在低於叉測试線之失效強度的彎曲角及力量下操作彎曲保 留度測試。 將一定長度之MCCW 20(如上所述）手工卷成圓環以形成 如圖11之圖表中所示之捲繞樣品92。捲繞樣品92為一圓周 斗寸疋直徑在約20.3 cm(8英吋）至134.0 cm(53英吋）範圍内之 98813.doc -38- 200538274 閉合圓。 對於各捲繞樣品92，量測捲繞樣品100之弦Z的長度。量 測一垂直於弦Z且自弦Z中點至捲繞樣品92之邊緣的線段少 之長度。根據等式2計算出各樣品之初始彎曲半徑R初始，其 中 X = Z L 〇 2 2 2 少 (2) 實例4-13之L、y及R初始之值於下表1中給出。 表1 實例 Lem (英吋） y cm (英吋） R初始cm (英对） 4 91.29 (35.94) 42.62(16.78) 45.75 (18.01) 5 78.11 (30.75) 52.07 (20.50) 40.69(16.02) 6 29.85 (11.75) 4.67(1.84) 26.16(10.30) 7 114.63 (45.13) 32.39 (12.75) 66.90 (26.34) 8 18.77 (7.39) 3.96 (1.56) 13.11 (5.16) 9 44.58 (17.55) 12.29 (4.84) 26.34(10.37) 10 69.85 (27.50) 31.75 (12.50) 35.08 (13.81) 11 13.03 (5.13) 2.46 (0.97) 9.86 (3.88) 12 42.14(16.59) 12.55 (4.94) 23.95 (9.43) 13 28.91 (11.38) 11.40 (4.49) 14.86 (5.85) 接著釋放捲繞樣品92之末端且使覆層線（MCCW 20)鬆弛 至最終捲曲形態。在此經鬆弛之線上量測了尺寸Y’及Lf且 計算出最終彎曲半徑終。不同實例之結果示於下表2中。 表2 實例 1；〇11(英吋） Y’ cm(英吋） R最終cm(英对） 4 124.46(49.00) 26.19(10.31) 87.04(34.27) 5 126.52(49.81) 23.98(9.44) 95.43(37.57) 6 88.27(34.75) 23.29(9.17) 53.47(21.05) 7 116.21(45.75) 31.70(12.48) 69.09(27.20) 8 48.90(19.25) 10.01(3.94) 32.33(12.73) 9 85.73(33.75) 25.10(9.88) 49.15(19.35) 10 93.98(37.00) 19.05(7.50) 67.49(26.57) 98813.doc -39- 200538274 11 47.96(18.88) 10.80(4.25) 32.03(12.61) 12 49.53(19.50) 9.22(3.63) 37.87(14.91) ~ 1T —------ 48.67(19.16) 10.01(3.94) 34.59(13.62)— 圖12中以鬆弛半徑對彎曲半徑作圖。 使用内部半徑模型與塑膠鉸鏈模型兩個理論模型預測 MCCW維持13.0英吋（33.0 cm)之定位所需之覆層厚度。下列 计异確定環繞一具有半徑r之芯線的覆層必要厚度t，該厚度 對於維持MCCW之最終鬆弛彎曲半徑P是必需的。該等模型 對於在覆層中之韌性金屬如何屈服有所不同。 中央芯線之彎矩為·· (3)
P 對於固體圓形橫截面之面積彎矩/zzw為： τ πτ4 lzzw = -- (4) 4 其中r為芯線之半徑、E為芯線之彈性模數且π為mccw之 彎曲半徑。
Y 内4半徑模型預測當於覆層内緣處覆層材料中之應力等 於覆層材料之屈服強度時出現該線之平衡狀態。即σχ = 其中Q為覆層材料中之應力且F為覆層材料之屈服強度 於該狀態中該線之彎矩Μ為·· r 後層，圓環/zzC的面積彎矩定義為： (5) -r 4 第二模型塑膠鉸鏈模型使用以下等式： 平衡時之彎矩定義為： 98813.doc -40- (6) 200538274
Mp
OxIzzP(r + o ⑺ 塑膠鉸鏈模型之面積彎矩L為： 2 (8) 將芯線之彎矩等於MCCW之彎曲屈服力矩處之點確定為 該線經鬆弛之最終態。 對於内部半徑模型此發生於：
Mbw=ML 對於塑膠欽鍵模型此發生於： (9) 可將覆層厚度t作為芯線之半徑r、覆層材料屈服強度γ、 MCCW之彎曲半徑、及芯線之彈性模數的函數對等式7與8 求解。 下列實例使用下列參數：
芯線半徑I· =0.040英忖 芯線彈性模數E = 24 MSI M C C W彎曲半徑Θ = 13英忖 覆層屈服應力⑦=9,000 ksi 給定所量測之線彎曲半徑（13.〇英吋，33〇 cm)及假定之 覆層材料屈服強度（9 ksi)(62 MPa)而由此等參數求出覆層 厚度。 英对（cm) 0.030(0.076) 0.027(0.069) 覆層厚度 計算值（内部半徑模型） 計算值（塑膠鉸鏈模型） 988i3.doc -41 - 200538274 量測值 0.030(0.076) 本發明之不同修正及變更對於熟習此項技術者而言將顯 而易見而不背離本發明之範疇與精神，且應瞭解本發明不 應過度限制於本文所陳述之說明性實施例。 【圖式簡單說明】 圖1為一本發明之示範性覆有金屬之金屬基質複合線的 橫截面示意圖。
圖2為一用於根據本發明製造覆有金屬之金屬基質複合 線的不範性雙凹槽覆層機之透視圖，該覆層機以切線模式 運行。 圖3為一用於根據用於本發明製造覆有金屬之金屬基質 複合線的覆層機中一示範性加工沖模排列之橫截面示意 圖。 圖4為一用於根據本發明以熔融金屬滲透纖維之示範性 超音波裝置的示意圖。
圖5與6為兩個包含本發明之覆有金屬之金屬基質複合線 的架空電力傳輸電纜之示範性實施例的橫截面示意圖。 圖7為一包含依照本發明製造之覆有金屬之金屬基質複 合線的均質電纜橫截面示意圖。 圖8為一於實例丨中製造之覆有金屬之金屬基質複合線的 熱膨脹係數曲線圖。 圖9為於貝例2中製造之覆有金屬之金屬基質複合線的 應力-應變行為曲線圖。 圖10為說明一實例3中製造之覆有金屬之金屬基質複合 98813.doc -42- 200538274 線的位移與回復之曲線圖。 圖11為一在彎曲保留度測試中使用之幾何構造示意圖。 圖12為一鬆弛半徑對彎曲半徑之示範性曲線圖，其說明 根據本發明製造之覆有金屬之金屬基質複合線的塑性變 形。 【主要元件符號說明】 20 經覆有金屬之纖維增強之金屬基質複合
線，MCCW
22 勃性金屬覆層，金屬覆層 24 外表面 26 金屬基質複合線，芯線，MCCW，金屬基質 複合物品，線 28 韌性金屬給料，鋁 30 覆層機 32 模瓦 34 擠出輪 36 沖模腔 38 入口導向模 40 出口擠出模，出口模 42 外週槽 44 陶瓷及/或碳纖維，纖維叢 46 供線轴 48 管式爐 50 真空腔 98813.doc -43 - 200538274 52 坩鍋 54 熔融體 56 履帶 58 超音波探針，振動角 60 出口模 64 線軸 66 電纜 68 電纜芯
70、84、88覆有金屬之複合金屬基質線，覆有金屬之金 屬基質複合線 72、82 護套 7 4 崔S或在S合金線 76 電纜 78 電纜中心 80 金屬線 86 絞合電纜 92 捲繞樣品 98813.doc -44-

Claims (1)

  1. 200538274 十、申清專利範圍· 1 · 一種覆有金屬之金屬基質複合線，其包含： 一具有一外表面之金屬基質複合芯，該金屬基質複合 芯包含： 至少一個纖維束，其中該纖維束包含複數根相對於彼 此縱向定向之連續性纖維，該等纖維包含陶瓷或碳中之 至少一種；
    金屬基質’其中各纖維束係位於該金屬基質内；及 一覆蓋該金屬基質複合芯之外表面的金屬覆層，其中 該金屬覆層具有不高於11〇〇。〇之熔點， /、中该覆有金屬之金屬基質複合線在至少米之長 度上顯示出至少0.95之圓度值、不大於〇 9%之圓度均一 值、及不大於0.2%之直徑均一值。 2. 如請求们之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬基 質複合芯包含複數個纖維束。 3. 如請求項2之覆有金屬之金屬基質 ^ ^ ^ φ ^ 貝设合線，其中該覆有金 屬之金屬基質複合線係為可塑性變形。 4. 如請求項2之覆有金屬之金屬基質 二 是合線，其中當一部分 該金屬基質複合芯經受初始斷裂 七 、’該金屬覆層於一覆 有金屬之金屬基質複合線片段中 復 止二次斷裂。 攻抑制回縮作用且防 複合線，其中該金屬覆 ^基質複合芯所顯示之 5.如請求項2之覆有金屬之金屬基質 層顯示出比由沒有金屬覆層之金 失效應k:更大的失效應變。 98813.doc 200538274 6· nc有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬基 中之屬基質包含铭、鋅、錫、錤、銅或其合金 7· 如請求項5之覆有金屬之全屬美 曾福入碎 $鸯之孟屬基貝硬合線’其中該金屬基 8· 貝複曰心之金屬基質包含鋁或其合金中之至少一種 之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬基 二《心之金屬基質包含以該金屬基質複合芯之金屬總 重ϊ計至少98重量❹/◦之鋁。 9.=Γ員5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 肩具有不高於1000°C之溶點。 10·:請求項5丄之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 層具有不而於7〇〇°c之溶點。 11.2求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 層包含紹、鋅、錫、鎮、銅或其合金中之至少一種。 12. 如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 層包含铭或其合金中之至少一種。 13. 如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 層包含以該金屬覆層之總重量計至少98重量％之鋁。 14. 如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬覆 層具有0.2 mm至6 mm範圍内之厚度。 •如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中各纖維束 之至少85%之纖維係為連續性。 16.如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該金屬基 貝複&心包含以§亥金屬基質複合芯之總體積計在4〇至7〇 98813.doc 200538274 體積％範圍内之纖維。 1 7·如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該等纖維 為陶瓷氧化物纖維。 18.如請求項5之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該等纖維 為多晶α氧化鋁纖維。 19·如請求項18之覆有金屬之金屬基質複合線，其中該等纖 維包含以該等纖維之總金屬氧化物含量計至少99重量％ 之 ΑΙ2Ο3。 ® 20. —種電纜，其包含至少一如請求項2之覆有金屬之金屬基. 質複合線。 21.如請求項20之電纜，其進一步包含複數根經嫘旋絞合以 形成一均質電纜的覆有金屬之金屬基質複合線。 22·如請求項20之電纜，其進一步包含複數根二级線。 23· —種電纜，其包含複數根如請求項2之覆有金屬之金屬基 質複合線’其中該等線以永久定形螺旋絞合。 鲁24· -種電規，其包含-電規芯與—外殼，其中該電㈣包 含至少一如請求項2之覆有金屬之金屬基質複合線且該 外殼包含二級線。 25. —種覆有金屬之鋁基質複合線，其包含. -具有-外表面之鋁基質複合線，該鋁基質複合線包 含·· ^ i少-個纖維束’其中該纖維東包含複數根相對於彼 • 此縱向定向之連續性纖維’該等纖維包含陶变或碳中之 至少一種； 98813.doc 200538274 一銘基質，其中各纖維束係位於該鋁基質内；及 设盖该铭基質複合線之外表面的金屬覆層，其中該 金屬覆層具有不高於ll〇〇°C之熔點， 其中該覆有金屬之鋁基質複合線在至少100米之長度 上顯不出至少0.98之圓度值、不大於0_5〇/〇之圓度均一值、 及不大於0.2%之直徑均一值。 26·如請求項25之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該鋁基質 複合線包含複數個纖維束。 27·如請求項26之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該覆有金 屬之銘基質複合線為可塑性變形。 28·如明求項26之覆有金屬之鋁基複合線，其中當該鋁基質 複合線經受一初始斷裂時，該金屬覆層有效抑制該覆有 金屬之銘基質複合線的回縮作用且防止其二次斷裂。 29_如請求項26之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該金屬覆 層顯示出比沒有金屬覆層之鋁基質複合線所顯示之失效 應變更大的失效應變。 30. 如清求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該鋁基質 複合線之鋁基質包含鋁或其合金中之至少一種。 31. 如請求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該鋁基質 複合線之鋁基質包含以該鋁基質複合芯之鋁總重量計至 少9 8重量％之|呂。 32. 如明求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該金屬覆 層具有不咼於1〇〇〇。〇之炫點。 33. 如凊求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該金屬覆 98813.doc 200538274 層具有不高於700°c之溶點。 34·如請求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該金屬覆 層包含鋁、鋅、錫、鎂、銅或其合金中之至少一種。 3 5 ·如睛求項2 9之復有金屬之基質複合線，其中該金屬覆 層包含鋁或其合金中之至少一種。 36·如請求項29之覆有金屬之銘基質複合線，其中該金屬覆 層包含以該金屬覆層之總重量計至少9 §重量％之銘。 37. 如請求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該金屬覆 層具有在0.2 mm至6 mm範圍内之厚度。 38. 如請求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中各纖維束 之至少85%之纖維係為連續性。 39. 如請求項29之覆有金屬之銘基質複合線，其中該铭基質 稷合線包含以該鋁基質複合線之總體積計在4〇至7〇體積 %範圍内之纖維。 40. 如明求項29之覆有金屬之鋁基質複合線，其中該等纖維 為陶瓷氧化物纖維。 41. 如請求項29之覆有金屬之銘基質複合線，其中該等纖維 為多晶α氧化鋁纖維。 42. :請求項41之覆有金屬之銘基質複合線，其中該等纖維 包含以該等纖維之總金屬氧化物含量計至少99重量％之 ΑΙ2Ο3 〇 種包纜，其包含至少一如請求項26之覆有金屬之 質複合線。 月长項43之電纜，其進一步包含複數根經螺旋絞合以 98813.doc 200538274 形成一均質電纜之覆有金屬之鋁基質複合線。 45. 如請求項43之電纜，其進一步包含複數根二級線。 46. —種電纜，其包含複數根如請求項26之覆有金屬之鋁基 質複合線，其中該等線以永久定形螺旋絞合。 47. —種電纜，其包含一電纜芯與一外殼，其中該電纜芯包 含至少一如請求項26之覆有金屬之鋁基質複合線且該外 殼包含二級線。
    98813.doc
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