CN1252306C - 制造金属基质复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

制造金属基质复合材料制品如导线(59)和带材的方法。金属基质复合材料制品包含许多在金属基质中基本上连续纵向排列的纤维(51)。这些纤维选自陶瓷、硼、碳纤维以及它们的混合物。

Description

制造金属基质复合材料的方法
                           技术领域
本发明涉及制造用金属基质内基本上连续的纤维增强的金属基质复合材料的方法。
                           背景技术
金属基质复合材料(MMC)长期来被认为是有前途的材料，因为它们将较高的强度和硬度与较低的重量结合在一起。MMC一般包括用纤维增强的金属基质。金属基质复合材料的例子包括：铝基质复合导线(例如，铝基质中的碳化硅、碳、硼、或多晶α-氧化铝纤维)、钛基质复合导线和带材(例如，钛基质中的碳化硅纤维)、以及铜基质复合带材(例如，铜基质中的碳化硅纤维)。
已知导线中若存在缺陷，如中间金属相、干(即未经润湿包覆的)纤维、由例如收缩或内部气体(例如，氢气或水蒸气)空隙导致的多孔性等，会使导线的性能如强度下降。这些缺陷可由组分(例如，金属基质和纤维材料)中的杂质、组分的不相容性、以及基质材料没有完全浸渗到纤维中而造成。
特别引起人们兴趣的是，某些金属基质复合导线可用作无遮蔽的架空电力传输电缆中的增强部件。由于负载增加及调节不当导致的电流变化而需要增加现有传输基础结构的电力传输能力，就推动了对电缆中使用新材料的需求。
广泛种类的电缆包括不同直径的各种电缆的使用，在提供更多设计类型电缆结构中是很需要的。例如，不同直径的较多种类的电缆可提供较宽范围直径以及较宽范围硬度或挠性的电缆。电缆有了较宽范围的直径，就可以进行较宽范围的电缆设计，例如更大的电缆直径，以及电缆生产的简易化。这样，就有了对制造具有较大直径基本上连续的金属基质复合导线的方法的需求。
此外，对制造金属基质复合材料制品，例如具有所需的或提高的性能(如高强度)的导线和带材的方法有着不断的需求。
                           发明内容
本发明涉及制造基本上连续的纤维的金属基质复合材料的连续方法。本发明的实施方式涉及制造具有许多在金属基质中的基本上连续纵向排列的纤维的金属基质复合材料(例如复合导线)的方法。本发明方法中的浸渗基本上在大气压力(约1个大气压)下进行，这是与制造金属基质复合材料的压力浸渗方法不同的。根据本发明制造的金属铝基质复合材料较好地显示了所需的性能，如弹性模量、密度、热膨胀系数、电导率和强度。
一方面，本发明提供了一种制造连续细长的金属基质复合材料制品(例如，导线和带材)的方法，该方法包括：
提供制品要包含的熔融金属基质材料；
在真空中对许多至少一种基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维抽真空；
将抽过真空的许多基本上连续的纤维浸入制品要包含的熔融金属基质材料中，此时，将抽过真空的许多基本上连续的纤维在真空下引入熔融金属材料中；
施加超声能量，造成至少一部分制品要包含的熔融金属基质材料产生振动，使得至少一部分熔融金属基质材料浸渗到许多纤维中，从而提供许多浸渗了熔融金属基质的纤维；
在熔融金属基质材料能凝固的条件下，从金属熔体中拉出许多浸渗了熔融金属基质的纤维，提供连续细长的金属基质复合材料制品，该金属复合材料制品包含许多至少一种在金属基质中基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维。较佳的是这许多纤维呈纤维束的形式。
另一方面，本发明提供了一种制造连续细长的金属复合材料制品(例如，导线和带材)的方法，该方法包括：
提供制品要包含的熔融金属基质材料(例如铝)；
将许多至少一种基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维浸入制品要包含的熔融金属基质材料中；
施加超声能量，造成至少一部分熔融金属基质材料产生振动，使得至少一部分熔融金属基质材料浸渗到许多纤维中，从而提供许多浸渗了熔融金属基质的纤维，该熔融金属基质材料的氢含量低于0.2cm3/100g金属(例如铝)，较好低于0.15cm3/100g，更好低于0.1cm3/100g；
在熔融的金属基质材料能凝固的条件下，从金属熔体中拉出这许多浸渗了熔融金属基质的纤维，提供连续细长的金属复合材料制品，该金属复合材料制品包含许多至少一种在金属基质中基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维。较佳的是这许多纤维呈纤维束的形式。
另一方面，由本发明方法制造的制品，其长度最好至少为10米(更好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)。另一方面，根据本发明方法制造的制品，在长度至少为10米(最好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)的范围内，其最小尺寸最好至少是2.5mm(更好至少3mm或3.5mm)。根据本发明方法制造的某些较佳的金属基质复合材料制品，在长度至少为10米(最好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)的范围内，其最小尺寸约为2.5mm-4mm。
另一方面，由本发明方法制造的导线，其长度最好至少为10米(更好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)。另一方面，根据本发明方法制造的导线，在长度至少为10米(最好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)的范围内，其直径最好至少是2.5mm(更好至少3mm或3.5mm)。根据本发明方法制造的某些较佳的金属基质复合导线，在长度至少为10米(最好至少25米、50米、100米、200米、300米、400米、500米、600米、700米、800米、900米、1000米或更长)的范围内，其直径约为2.5mm-4mm。
定义
本文中使用的术语定义如下：
“基本上连续的纤维”是指与平均纤维直径相比，其长度相对无穷大的纤维。一般地，这表示纤维的长宽比(即纤维的长度与平均直径之比)至少约为1×105、最好至少约为1×106、更好至少约为1×107。一般地，这种纤维的长度至少大约为50米，甚至可以达到几千米以上，对于长度小于50米的制品而言，其中纤维的长度一般就是复合材料制品的长度。
“纵向排列”意味着纤维的取向与导线长度的方向相同。
                           附图说明
图1是金属基质复合导线截面的显微镜照片，它示出了仅有纤维存在、没有基质的一个局部区域。
图2是金属基质复合导线截面的扫描电子显微镜照片，它示出了其中的收缩孔隙。
图3是金属基质复合导线截面的扫描电子显微镜照片，它示出了由于夹带气体(例如，氢气或水蒸气)的存在而形成的空隙。
图4是金属基质复合导线截面的扫描电子显微镜照片，它示出了微孔。
图5是用来用熔融金属浸渗到许多纤维之问的带有超声装置的示意图。
图6是三点弯曲强度试验设备的示意图。
图7是导线验证试验设备的示意图。
图8和9是两根具有金属基质复合材料缆芯的架空电力传输电缆的实施方式的截面示意图。
图10是在许多复合材料导线周围施加保持装置前，绞合电缆的一个实施方式的端视图。
图11是电力传输电缆的一个实施方式的端视图。
图12是实施例8中一根铝基质复合导线的断裂面的扫描电子显微镜照片。
图13是实施例8中另一根铝基质复合导线的断裂面的扫描电子显微镜照片。
图14是用于三点弯曲强度试验的样品的截面图。
                            具体实施方式
虽然已知导线中存在的缺陷，如中问金属相、干纤维、由例如收缩或内部气体(例如氢气或水蒸气)空隙导致的多孔性等，会使导线的性能如强度下降。虽然不准备拘泥于理论解释，但申请人发现并认为：已知的金属基质复合导线中沿着导线或带材的长度分布的缺陷比之现有技术中所知的更为普遍。例如，测试或分析了1米长的导线或带材的性能及其它特征，并不一定意味着10米、50米、100米等长度的导线或带材，就同样显示出所需程度的性能或特征。导线或带材中的这些缺陷包括局部的中间金属相、局部干(即未润湿涂覆的)纤维(参见例如图1)、由收缩(参见例如图2)或内部气体空隙(参见例如图3)导致的多孔性，以及微孔性(参见例如图4)。可以认为，这些缺陷会显著地使金属基质复合材料制品的性能如强度下降。虽然不准备拘泥于理论说明，但是由申请人发明的方法制造的较佳的制品，与现有技术相比，据信可大幅度地减少(或消除)一种或多种沿着其长度分布的这些缺陷，由此提供性能显著改善的导线，这些改善的性能显示为：例如在一些实施方式中，在至少300米长的范围内，弯曲断裂数为0。
本发明方法提供了纤维增强的金属基质复合材料制品，如导线、带材和棒。这些复合材料中包含许多包埋在基质内基本上连续纵向排列的增强纤维，如陶瓷(例如Al2O3系)增强纤维，该基质包含一种或多种金属(例如高纯度元素铝或者纯铝与其它元素如铜的合金)。较佳地，至少约85数量％的纤维在金属基质复合材料制品中是基本上连续的。
基本上连续增强纤维的平均直径最好至少约为5微米。较佳地，纤维平均直径不超过约250微米，更好不超过约100微米。对于呈纤维束形式的纤维(如陶瓷氧化物纤维、某些碳化硅纤维(它们也呈单纤维的形式))、碳化硅纤维，平均直径最好不超过约50微米，更好不超过约25微米。
较佳地，纤维的模量不超过约1000Gpa，更好不超过约420Gpa。较佳地，纤维的模量要大于约70Gpa。
可用于制造本发明金属基质复合材料的基本上连续纤维的例子，包括：陶瓷纤维如金属氧化物(例如氧化铝)纤维、碳化硅纤维、硼纤维和碳纤维。陶瓷氧化物纤维一般是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷与玻璃的混合物(即一种可能同时含有结晶陶瓷相和玻璃相的纤维)。
较佳地，陶瓷纤维的平均拉伸强度至少约为1.4Gpa、更好至少约为1.7Gpa、再好至少约为2.1Gpa、最好至少约为2.8Gpa。较佳地，碳纤维的平均拉伸强度至少约为1.4Gpa、更好至少约为2.1Gpa、再好至少约为3.5Gpa、最好至少约为5.5Gpa。
陶瓷纤维以单根纤维或许多纤维聚集在一起(例如作为纱线或纤维束)的形式市售。纱线或纤维束最好包含至少780根单纤维/束，更好至少2600根单纤维/束。纤维束在纤维技术中为人所熟知，是指以类似束状的形式聚集的许多单纤维(一般至少100根纤维，更普遍的是至少400根纤维)。陶瓷纤维，包括陶瓷纤维束，以各种长度，包括300米或更长有市售。纤维可具有圆形或椭圆形的截面形状。
制造氧化铝纤维的方法在现有技术中已知，包括美国专利No.4,954,462(Wood等人)公开的方法，其内容参考结合于此。
较佳地，氧化铝纤维是多晶α-氧化铝系纤维，包含大于约99重量％的Al2O3，以及约0.2-0.5重量％的SiO2，都是指理论氧化物，以氧化铝纤维的总重量为基础。另一方面，较佳的多晶α-氧化铝系纤维包含平均晶粒尺寸小于1微米(更好是小于0.5微米)的α-氧化铝。再一方面，较佳的多晶α-氧化铝系纤维的平均拉伸强度至少为1.6Gpa(最好至少为2.1Gpa、更好至少为2.8Gpa)。较佳的α-氧化铝纤维可从明尼苏达州St.Paul市的3M公司以商品名“NEXTEL 610”购得。
适合的铝硅酸盐纤维描述在美国专利No.4,047,965(Karst等人)中，其内容参考结合于此。较佳地，铝硅酸盐纤维包含约67-85重量％的Al2O3和约33-15重量％的SiO2，是指理论氧化物，以铝硅酸盐纤维的总重量为基础。某些较佳的铝硅酸盐纤维包含约67-77重量％的Al2O3和约33-23重量％的SiO2，是指理论氧化物，以铝硅酸盐纤维的总重量为基础。一种较佳的铝硅酸盐纤维包含约85％的Al2O3和约15％的SiO2，是指理论氧化物，以铝硅酸盐纤维的总重量为基础。另一种较佳的铝硅酸盐纤维包含约73重量％Al2O3和约27重量％的SiO2，是指理论氧化物，以铝硅酸盐纤维的总重量为基础。较佳的铝硅酸盐纤维从3M公司购得，它们的商品名为“NEXTEL 440”陶瓷氧化物纤维、“NEXTEL 550”陶瓷氧化物纤维、“NEXTEL 720”陶瓷氧化物纤维。
铝硼硅酸盐纤维描述在美国专利No.3,795,524(Sowman)中，其内容参考结合于此。较佳地，铝硼硅酸盐纤维包含：约35-75重量％(更好约55-75重量％)的Al2O3；大于0重量％(最好至少约为15重量％)且低于约50重量％(最好低于约45重量％，更好低于约44重量％)的SiO2，；以及大于约5重量％(更好低于约25重量％、再好约1-5重量％、最好约10-20重量％)的B2O3，是指理论氧化物，以铝硼硅酸盐纤维的总重量为基础。较佳的铝硼硅酸盐纤维可从3M公司以商品名“NEXTEL 312”购得。
适合的碳化硅纤维有市售，例如，加利福尼亚州圣地亚哥市COI陶瓷公司的500根纤维一束，商品名为“NICALON”的产品；马萨诸塞州Wilmington市TextronSystems公司的商品名为“SCS-2、SCS-6、SCS-9A、SCS-ULTRA”的产品；日本Ube Industries公司的商品名为“TYRANNO”的产品；以及密执安州Midland市Dow Corning公司的商品名为“SYLRAMIC”的产品。
适合的碳纤维有市售，例如，佐治亚州Alpharetta市Amoco化学品公司的2000、4000、5000及12000根纤维一束，商品名为“THORNEL CARBON”的产品，康涅狄格州Stamford市Hexcel公司；加利福尼亚州萨克拉门托市Grafil公司(三菱人造纤维公司的子公司)的商品名为“PYROFIL”的产品；日本东京Toray公司的商品名为“TORAYCA”的产品；日本Toho Rayon株式会社的商品名为“BESFIGHT”的产品；MO的St.Louis市Zoltek公司的商品名为“PANEX”及“PYRON”的产品；以及新泽西州Wyckoff市Inco Special Products公司(涂覆了镍的碳纤维)的商品名为“12K20”及“12K50”的产品。
适合的硼纤维有市售，例如，马萨诸塞州Willington市Textron Systems公司的单纤维。
市售的纤维一般包含有机上胶材料，该上胶材料在纤维的生产过程中加入，以便在处理过程中提供润滑性并保护纤维束。可以认为，上胶材料在例如转化为织物过程中，可减轻纤维的断裂、减少静电、并减少灰尘的量。上胶材料可通过例如溶解或燃烧来除去。较佳地，上胶材料要在形成本发明的金属基质复合导线以前除去。在本发明方法中，在形成铝基质复合导线前，陶瓷氧化物纤维上面应没有上胶材料。
对纤维的涂覆也在本发明的范围之内。涂层可用来例如增强纤维的润湿性、减少或防止纤维与熔融金属基质材料之间的反应。这些涂层以及提供这些涂层的技术在纤维和金属基质复合材料技术中是已知的。
根据本发明方法制造的金属基质复合材料制品最好包含至少15体积％(更好是，按优选递增的顺序，至少20、25、30、35、40或50体积％)的纤维，以纤维和基质材料的总体积为基。一般地，根据本发明方法制造的金属基质复合材料制品包含约30-70(最好约40-60)体积％的纤维，以纤维和基质材料的总体积为基。
本发明较佳的金属基质复合导线的长度，按优选递增的顺序，为至少约300米、至少约400米、至少约600米、至少约700米、至少约800米、以及至少约900米，在此长度范围之内，本文中将描述的导线验证试验证明了没有断裂(即弯曲断裂数为0)。
根据本发明制造的导线的平均直径较好的是至少约0.5毫米(mm)、更好至少约1mm、最好至少约1.5mm。
可选择不与纤维材料发生明显化学反应(即相对于纤维材料具有一定的化学惰性)的基质材料，例如，用来免除在纤维外部提供保护性涂层的需要。较佳的金属基质材料包括：铝、锌、锡以及它们的合金(例如铝和铜的合金)。更好的基质材料包括铝及其合金。对铝基质材料，较佳地，基质包含至少98重量％的铝、更好至少99重量％的铝、再好大于99.9重量％的铝、最好至少99.95重量％的铝。较佳的铝和铜的铝合金包含至少约98重量％的Al以及最高约2重量％的Cu。虽然纯度较高的金属对制造拉伸强度较大的导线而言更好一些，但是纯度较低的金属也是可用的。
适合的金属有市售。例如，铝以商品名“高纯铝：99.99％Al”从宾夕法尼亚州匹兹堡市Alcoa公司购得。铝合金(例如，Al-2重量％的Cu，0.03重量％的杂质)可从纽约州纽约市Belmont Metals公司购得。锌和锡可从例如明尼苏达州St.Paul市Metal Services公司购得(“纯锌”：纯度99.999％，“纯锡”：纯度99.95％)。锡合金的例子有92重量％Sn-8重量％Al(它是通过例如在550℃时将铝加入熔融锡浴中，并在使用前将该混合物静置12小时制得的)。
对用来制造本发明金属基质复合材料制品的具体的纤维、基质材料和方法步骤的选择，要以提供具有所需性能的金属基质复合材料制品为目的。例如，要选择相互完全相容的纤维和金属基质材料，以及金属基质复合材料的制造方法，以制得所需的制品。有关某些较佳的制造铝和铝合金基质复合材料的技术的其它细节，描述在例如，具有美国系列申请号No.08/492,960的待批申请中，以及1996年5月21日出版的公布号为WO 97/00976的PCT申请中，它们的内容参考结合于此。
图5示出了根据本发明的方法制造金属基质复合材料的较佳设备的示意图。基本上连续的陶瓷、硼、和/或碳纤维51的纤维由一些供料筒50供给，对准聚集成一截面圆形的纤维束，然后在通过管炉52时热清洗。然后，在进入装有金属基质材料熔体(也称为“熔融金属”)61的坩埚54之前，在一真空室53中抽真空。纤维经过一履带式拉伸机55从供料筒50上拉出通过上述系列设备。超声头子56放置在熔体中邻近纤维的位置，帮助熔体浸渗到纤维束51中。金属基质复合材料制品(例如，所示的导线、带材或圆棒)中的熔融金属在经过出口模子57离开坩埚54后冷却凝固。所得导线59的冷却通过气体流或液体流58来加强。制品59收集在卷筒60上。也可以使用描述于以下实施例中的导线验证试验对制品进行在线试验。
对纤维进行热清洗有助于除去或减少可能存在于纤维表面的上胶材料、吸附的水、以及其它不稳定或挥发性物质的量。较佳地，热清洗碳纤维直到纤维表面上的碳含量低于22面积％。一般地，管炉的温度在至少约300℃，更普遍地是在至少为1000℃时至少维持几秒钟，但是具体的温度和时间要根据例如使用的具体纤维的清洁要求而定。
在进入熔体之前要将纤维抽真空，因为已经观察到使用此步骤会减少或消除缺陷，如固定区域内干纤维的形成。较佳地，按优选递增的顺序，纤维在不大于20托、不大于10托、不大于1托和不大于0.7托的真空中抽真空。
一个适合的真空系统的例子，包括尺寸与纤维束直径相符的入口管。该入口管可以是例如不锈钢或氧化铝的管，一般至少30cm长。适合的真空室的直径一般在约2cm-20cm之间，长度在约5cm-100cm之间。真空泵的容量最好是至少0.2-0.4立方米/分钟。将拉出的纤维束通过浸在铝浴中的真空系统的管子插入熔体中(即当进入熔体中时，拉出的纤维处于真空状态中)，但是熔体基本上处于大气压下。出口管的内径必须与纤维束的直径相符。将出口管的一部分浸在熔融的铝中。较佳地，将管大约0.5-5cm的长度浸在熔融的铝中。要选择能稳定存在于熔融金属材料中的管子。一般合适的管子的例子有氮化硅管和氧化铝管。
通过使用超声波来促进熔融金属对纤维的浸渗。例如，将振动发射器放置在熔融金属中紧靠着纤维的位置。较佳地，纤维距离振动发射器头子2.5mm以内，更好是1.5mm内。振动发射器头子最好由铌或铌合金，如95重量％Nb-5重量％Mo和91重量％Nb-9重量％Mo的合金制得，并可从例如宾夕法尼亚州匹兹堡市PMTI公司购得。关于使用超声波制造金属基质复合材料的其它细节，参阅例如美国专利No.4,649,060(Ishikawa等人)、No.4,779,563(Ishikawa等人)和No.4,877,643(Ishikawa等人)，美国系列申请号No.08/492,960的申请，以及1996年5月21日出版的公布号WO97/00976的PCT申请，它们的内容参考结合于此。
最好在浸渗过程中和/或在浸渗过程之前对熔融金属进行脱气(即减少溶解在熔融金属中的气体例如，氢气的量)。熔融金属的脱气技术在金属工艺中为人们熟知。熔体脱气会减少导线中的孔隙。对熔融的铝而言，其氢浓度最好为，按优选递增的顺序，小于0.2、0.15和00.1cm3/100g铝。
出口模子的结构应能提供所需形状和尺寸(例如直径或厚度和宽度)的制品。一般地，需要具有沿制品长度的均匀的截面。出口模子的尺寸通常稍小于制品导线的尺寸。例如，对于含有约50体积％的氧化铝纤维，氮化硅出口模子的直径比导线的直径小约3％。较佳地，出口模子由氮化硅制成，但也可以使用其它材料。在本技术领域中用作出口模子的其它材料包括常规的氧化铝。可是，申请人发现，氮化硅的出口模子的磨损程度明显低于常规的氧化铝模子，因此，对提供所需尺寸和形状(特别是制品的长度)的制品更为合适。
一般地，在金属基质复合材料制品离开出口模子后，将制品与液体(例如水)或者气体(例如，氮气、氩气或空气)接触来冷却之。该冷却步骤有助于提供所需的导线截面的圆度和均匀性。
关于导线，例如，所得导线的截面一般不是个完美的圆。最小直径与最大直径的比例(即对于导线长度范围内的一个给定点，最短直径与最大直径之比，对完美的圆，其值为1)一般至少为0.8，更好的是，以所需的值的优选顺序递增，至少0.85、0.88、0.90、0.91、0.92、0.93、0.94和0.95。导线的截面形状可以是例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或三角形。本发明的导线的截面形状较佳的是圆形或近似为圆形。较佳地，本发明的导线的平均直径至少为1mm、最好是至少1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm。
虽然由本发明的方法制得的金属基质复合材料带材所需的结构和尺寸可根据具体的使用而定，但是较佳的带材具有约5-50mm×0.2-1mm的矩形截面。
本发明方法的某些实施方式能够制成直径较大的导线(例如，2.5mm或更大)。而这些直径较大的导线又能提供种类较广的电缆设计和结构。例如，种类较广的不同直径的导线能提供较宽范围直径以及较宽范围硬度或挠性的电缆。
本发明的金属基质复合材料导线可用于不同的用途。它们在架空电力传输电缆中特别有用。电缆可以是同质的(即仅包括一种类型的金属基质复合材料导线)或异质的(即还包括许多二级导线如金属导线)。作为异质电缆的例子，其缆芯中可有许多根据本发明制得的导线，其外层中有许多二级导线(例如铝导线)。
电缆可以绞合制成。绞合电缆一般包括一根中心导线和螺旋地绞合在中心导线周围的第一层导线。电缆绞合的过程是，一根根导线螺旋形排列组合成为完成的电缆(参阅例如美国专利No.5,171,942(Powers)和No.3,554,826(Gentry)，其内容参考结合于此)。所得的螺旋形绞合的导线束提供了比相同截面积的实心圆棒大得多的挠性。螺旋形排列也更有利，因为当电缆在储运、安装及使用中弯曲时，绞合电缆能保持其完整的圆形截面的形状。螺旋缠绕的电缆可包括少到单独的7股，多到普通结构含有的50股或更多股。
一个用作例子的电力传输电缆示于图8，其中，电力传输电缆130中可以有包含19根复合材料金属基质导线134的缆芯132，由包含30根铝或铝合金导线138的外层136所包围。同样地，如图9所示，作为许多选择方案中的一种，架空电力传输电缆140中可以有由37根复合材料金属基质导线144组成的缆芯142，由21根单独的铝或铝合金导线148的外层146所包围。
图10对绞合电缆80的另一个实施方式作了说明。在该实施方式中，绞合电缆包括一根中心金属基质复合材料导线81A和螺旋缠绕在该中心金属基质复合材料导线81A周围的第一层82A的金属基质复合材料导线。该实施方式中还包括螺旋缠绕在第一层82A上的第二层82B的金属基质复合材料导线81。任何适合量的金属基质复合材料导线81可包括在任何一层中。而且，视需要可在绞合电缆80中包含超过两层。
这些电缆可用作裸电缆，也可以用作直径较大电缆的缆芯。同时，这些电缆可以是使用一保持装置包围在许多导线外面的绞合电缆。例如，该保持装置可以是一包装带，如图10中83所示，使用或不使用粘合剂或胶粘剂均可。
绞合电缆有许多用途。由于这些绞合电缆结合了重量低、强度高、导电性好、热膨胀系数低、使用温度高以及耐腐蚀的优点，所以在架空电力传输电力的使用中特别需要。
传输电缆90的一个较佳实施方式的端视图示于图11。该传输电缆包括缆芯91，它可以是本文中所述的任何绞合电缆。电力传输电缆90还包括至少一层围绕着绞合缆芯91的导体层。如图所示，该电力传输电缆包括两个导体层93A和93B。视需要，可使用更多的导体层。较佳地，各导体层中则是许多本领域中已知的导线。适合作为导线的材料包括铝和铝合金。导线可通过本领域内已知的适合的电缆绞合设备绞合在绞合缆芯的周围。
在其它用途中，绞合电缆可用作最终的制品本身，或者用作不同的后续制品中的中间制品或部件，较佳的是，绞合电缆没有围绕着许多金属基质复合材料导线81周围的电导体层。
有关由金属基质复合材料导线制得的电缆的其它细节描述于，例如与本申请同一天提交的具有美国系列申请号No.09/616,784的申请中和具有美国系列申请号No.08/492,960的申请中，以及1996年5月21日出版的公布号WO 97/00976的PCT申请中。有关制造金属基质复合材料以及含有该材料的电缆的其它细节描述于，例如与本申请同一天提交的具有美国系列申请号No.09/616,594、No.09/616,593和No.09/616,741的待批申请中。
                              实施例
本发明将通过以下一些实施例作进一步的说明，但是这些实施例中引用的具体的材料及它们的量，以及其它条件和细节，不应认为是对本发明加以不恰当的限制。本发明的各种修改和变换对本领域技术人员而言是显而易见的。除非另外指出，所有的份数和百分数都是重量的。
                             试验程序
三点弯曲强度试验
使用根据ASTM标准E855-90，Test Method B(发表于宾夕法尼亚州费城市ASTM出版的ASTM1992标准年册第03.01卷第3部分，其内容参考结合于此)的方法测定弯曲强度。三点弯曲强度是导线外部表面上导致试验样品破裂为两决或多块碎片的标称应力。试验在室温(约20℃)进行，使用装备了三点弯曲固定装置的万能试验机和连续记录负载的装置(都购自明尼苏达州Eden Prairie市MTS公司)，对随机挑选的一些试样进行试验。方程式1给出了在三点弯曲中试验样品(其长度相对于深度较长)的三点弯曲强度σb：
σ b = y m Fl 4 I · · · ( 1 )
式中，F是由测力仪记录的最大负载，l是试验跨距(例如，两个支架之间的距离)，ym是中轴线到试验样品表面的垂直距离(参见图14)，I是截面的二次矩。参照图14，截面的二次矩表征均匀截面对于相对横轴242弯曲的阻力。截面的二次矩由下式给出：
Figure C0181276000161
式中，b(y)是y处截面的宽度。用来计算截面的二次矩适合的近似值I的方程式为人们熟知。要选择适合试样截面的具体方程式。例如，对于圆形或近似圆形的截面，其二次矩I由下式给出：
I = π d 4 64 · · · ( 3 )
式中，d是截面的直径。对于截面不是完全圆形的导线，三点弯曲强度通过使导线的短轴在试验设备中取向垂直来测定。使用测微计(精确度至少为+/-2％)测定导线的直径。实施例中的导线不是完全的圆形(但是近似为圆形)。因此，要测定最小和最大直径(对导线上相同的点)。实施例中导线的最小与最大直径之比大于0.9。对各个试验样品，沿15cm长度的每5cm测量最小直径，总共有三个测量读数。由于实施例中导线的截面近似为圆形，使用上述方程式3计算截面的二次矩I。该方程式中所用的直径d是三个最小直径读数的平均值。
试验样品作为一个简单横梁形式三点对称地受到负载。弯曲强度通过一次负载直到导线断裂来测定。记录断裂时的负载P，根据方程式1和方程式3来计算三点弯曲强度。图6示出了试验设备的示意图。该设备由两个可调节支架214、施加负载的装置212、以及测定载重的装置216构成。支架是支撑刃半径为3mm的硬化钢的销子。两个支架之间的间隔可沿样品的纵轴方向调节。测试的试样为211。
试验样品是直的，既不卷曲也不扭歪。跨距是导线最小直径(d)的15-22倍。样品总长度至少是导线最小直径(d)的50倍。将样品对称地放置在两个支架上，轻轻地用胶带扎住，将其与支架的摩擦减至最小。
用于下述导线验证试验的三点弯曲强度，是8个试样的三点弯曲强度的平均值。
导线验证试验
使用一个设备，在一定弯曲模式中以测得的三点弯曲强度的某一设定值，于室温(约20℃)对导线进行连续的验证试验，该设备示于图7。导线(在测试)21由卷筒20供给，通过第一组/第二组的三个滚子22和24的带动，在试验跨距L的范围被一个直径4cm的滚子23弯曲，最后被卷筒29收集。驱动卷筒29从卷筒20中拉出导线，使之通过此试验装置。滚子组22和24中的滚子是直径40cm的钢轴承。滚子组22和24的滚子外表面上都有细小的V字形凹槽，此凹槽位于滚子宽度的中间。该V字形凹槽深约1mm、宽约1mm。试验的导线位于V凹槽中，在试验过程中沿垂直于滚子的轴的方向行进。滚子组22和24中各自的两个下部滚子，其中心之间间隔100mm。滚子组22和24各自的上部滚子对称地位于各自的两个下部滚子之间。可以调节滚子组22和24各自的上部滚子的垂直位置。滚子组22和24各自的上部滚子和下部滚子的外表面之间的间隔与导线的平均最小直径相等，即由上述三点弯曲驱动试验节中计算所得的d。该间隔使得导线21被支撑，但是能以最小的张力(例如，小于1牛顿)自由地通过滚子组22和24的上部滚子和下部滚子之间。中心滚子23是对称地位于滚子组22和24之间外部直径40mm的钢轴承。对由上述三点弯曲强度试验节计算得到的平均最小直径d大于或等于1.5mm的导线而言，卷筒20和29之间导线的拉力不大于100牛顿。对由上述三点弯曲强度试验节计算得到的平均最小直径d小于1.5mm的导线而言，卷筒20和29之间导线的拉力不大于20牛顿。跨距L，对此导线验证试验而言，是滚子组22和24中内侧滚子的中心到中心之间的距离。跨距L设定为上述三点弯曲强度试验节中计算所得的导线平均最小直径d的120-260倍。导线在中心滚子位置的挠度δ是通过滚子组22和24的直导线的中线和滚子23下部表面之间的距离。验证试验过程中导线以0.1-10米/分钟的速度前进。导线在中心滚子位置的挠度δ设定为能施加等于75％的三点弯曲强度试验测出的导线三点弯曲强度的应力。
方程式4给出了能使被测试的导线经受等于75％的三点弯曲强度(如上述三点弯曲强度试验所得)的应力的中心滚子23的挠度δ：
δ = L 2 24 E y m ( 0.75 σ b ) · · · ( 4 )
式中，L是跨距，E是导线的杨式模量，ym如上述三点弯曲强度节中的定义，σb是三点弯曲强度(如上述三点弯曲强度试验节中所测定)。对于圆柱形或近似圆柱形的导线，导线最小直径的轴在导线验证试验中垂直地取向，挠度由下式给出：
δ = L 2 12 Ed ( 0.75 σ b ) · · · ( 5 )
式中，d是导线的平均最小直径(上述三点弯曲强度试验节中测得)，E是导线的杨氏模量，该模量E由下式计算：
                E＝fEf                      (6)
式中，f是导线中纤维的体积分数(如下述测定)，Ef是纤维的杨式模量。施加挠度的本意是使导线在其局部导线强度低于75％的三点弯曲强度时发生断裂。
导线中纤维的体积分数通过标准金相技术来测定。对导线截面先进行抛光，并在由美国国家健康学会的研究服务机构制定的一种称为NIH IMAGE(版本1.61)的公众领域图像操作系统(得自网址http//rsb.info.nih.gov/nih-image)的计算机程序的辅助下，使用密度剖面分布函数来测定纤维的体积分数。该软件测定的是导线截面一代表性区域的平均灰标密度。
具体是将一根导线镶装在镶装树脂(得自伊利诺斯州Lake Bluff市Buehler公司，商品名为“EPOXICURE”)中。使用常规研磨机/抛光机和常规金刚石粉浆，在最终的抛光步骤中使用1微米粒径的金刚石粉浆(得自俄亥俄州West Lake市Struers公司，商品名为“DIAMOND SPRAY”)，对镶装的导线截面进行抛光，得到导线的抛光截面。在150x下拍摄抛光导线截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。当拍摄显微镜照片时，调节图像的阈电平使所有的纤维的密度为0，以产生两区域图象。用NIH IMAGE软件分析SEM显微镜照片，将两区域图象的平均密度除以最大密度，得到纤维的体积分数。该方法测定纤维的体积分数的精确度可以达到+/-2％。
实施例1
实施例1的铝复合导线按以下方法制备。参照图5，将66根1500旦的氧化铝纤维(购自3M公司，商品名“NEXTEL 610”；1996年的产品手册中报道的杨式模量为373Gpa)对准聚集成为一截面圆形的纤维束。使纤维束以1.5m/min的速度通过空气中的1000℃的1米长管炉(得自俄克拉何马州Tulsa市ATS公司)，将其热清洗。然后，在1.0托下令纤维束通过氧化铝入口管(直径2.7mm、长30cm；其直径与纤维束的直径匹配)，将纤维束在真空室(直径6cm、长20cm)中抽真空。真空室配备了容量0.4m3/min的机械真空泵。在离开真空室后，拉出的纤维通过部分(约5cm)浸在熔融铝浴中的氧化铝管(内部直径2.7mm、长25cm)进入熔融铝浴中。熔融铝浴通过在726℃时熔化铝(99.94％的纯铝；得自肯塔基州HAWESVILLE市NSA ALUMINUM公司)来制备。将熔融铝保持在约726℃，以800cm3/min的流量在浸在铝浴中的碳化硅多孔管(得自MO州Kingsville市StahlSpecialty公司)中通以氩气鼓泡来连续地脱气。对装在具有0.64cm×12.7cm×7.6cm的空腔的铜坩埚中的熔融铝试样进行淬冷，使用标准质谱仪(得自密执安州St.Joseph市LECO公司)分析所得的凝固铝锭的氢含量，作为熔融铝的氢含量。
使用超声波浸渗可促进熔融铝向纤维束的浸渗。将一波导管连接在超声波换能器(得自康涅狄格州Danbury市Sonics & Materials公司)上，提供超声波振动。该波导管由91重量％Nb-9重量％Mo圆柱形棒构成，此棒长90mm、直径25mm，并接有一中心10mm的螺杆，该螺杆拧入一根长482mm、直径25mm的钛波导管(90重量％Ti-6重量％Al-4重量％V)中。Nb-9重量％Mo由宾夕法尼亚州Large市PMTI公司提供。该铌棒放置在距离纤维束中心线2.5mm以内。波导管在20kHz下操作，在其尖端产生20微米的位移。使用以1.5m/min的速度操作的履带式拉伸器(得自俄克拉何马州Tulsa市Tulsa Power Products公司)将纤维束经熔融的铝浴拉出。
浸渗了铝的纤维束通过氮化硅出口模子(内直径2.5mm、外直径19mm、长12.7mm；得自伊利诺斯州Burr Ridge市Branson & Bratton公司)离开坩埚。在离开熔融的铝浴后，使用两股氮气流帮助导线冷却。更具体地说，在两根一头塞紧的内径4.8mm管子的管壁上各打5个孔。这些孔的直径为1.27mm，在30mm长度范围内以6mm间隔分布。氮气以100l/min的流量流经这两根管子，并经管壁上的小孔流出。各个管子上的第一个孔位于出口模子的大约50mm的位置，离导线约6mm。这两根管子放置在导线的两侧。冷却后的导线缠绕到卷筒上。实施例1的铝基质组合物，用感应耦合等离子分析测得为0.03重量％Fe、0.02重量％Nb、0.03重量％Si、0.01重量％Zn、0.03重量％Cu以及余量的Al。在制造导线时，铝浴的氢含量约为0.07cm3/100g铝。
在实施例1中，制备10卷直径为2.5mm的铝复合导线。各卷包含至少300米的导线；有些卷为长达600米的导线。
导线的弯曲强度，如根据“弯曲强度试验”节使用50.8mm的试验跨距，测得为1.79Gpa。导线的平均纤维含量测定为52体积％，而使用方程式6算得的模量为194Gpa。然后，根据“导线验证试验”使用406mm跨距和38.1mm挠度对导线进行验证试验。所有的10卷导线通过导线验证试验都没有断裂。
实施例2
实施例2的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，除了制备导线的速度在1.5m/min与4m/min之间变化以外。以一给定速度制造的导线的长度在20米与300米之间变化，依导线验证试验中测出的断裂数而定。如果导线没有断裂，则长度至少为300米；否则，制得足够长的导线以达到至少三处断裂。制备速度为1.5m/min和2.3m/min时，在导线验证试验中导线在运行了300米后，没有断裂(即零断裂)。在制备速度约为3.55m/min时，导线平均每6米就要断裂。在制备速度为4m/min时，导线平均每米就要断裂。对于通不过导线验证试验的试样，对其进行试验直至出现至少三处断裂。使用扫描电子显微镜观察断裂表面。在断裂表面上观察到干纤维(即未能润湿浸渗的纤维)的情况。
实施例3
实施例3的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，只是导线直径在1mm与2.5mm之间变化，导线速度也根据各导线的直径变化。
以制备速度6.1m/min制备直径1mm的导线。该导线经导线验证试验，在300米的长度上没有断裂。在制备速度大于或等于约10m/min时，可观察到干纤维情况。此外，该导线在300米的长度范围内未能通过导线验证试验。
以制备速度4m/min制备直径2.5mm的导线。该导线经导线验证试验，在300米的长度上没有断裂。在制备速度大于或等于约4m/min时，可观察到干纤维情况。此外，该导线在300米的长度范围内未能通过导线验证试验。
实施例4
实施例4的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，除了真空度在约1托与760托(大气压)之间变化以外。
在1托的真空下，以2.3m/min的制备速度制造直径2.5mm的导线。该导线经导线验证试验，沿300米的长度没有断裂。当在大气压力(即760托)下，以2.3m/min的制备速度制造导线时，直径2.5mm的导线在导线验证试验中总是断裂。观察到纤维没有完全浸渗到铝中。当制备速度降至低于0.1m/min时，仍可观察到干纤维。
在1托的真空下，以6.1m/min的制备速度制造直径1mm的导线。该导线经导线验证试验，沿300米的长度没有断裂。在无真空(即760托)条件下，以3m/min的制备速度制造直径1mm的导线。该导线经导线验证试验，沿300米的长度没有断裂。可是，当在无真空(即760托)条件下，以6.1m/min的制备速度制造导线时，直径1mm的导线在导线验证试验中总是断裂。
实施例5
实施例5的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，除了以1.5m/min的速率使纤维通过温度设定为1000℃的直径3cm、长0.3米的管炉，对其进行热清洗以外。许多卷300米长的导线卷经导线验证试验，没有断裂。
在热清洗前后对陶瓷纤维(“NEXTEL 610”)的表面化学状态进行了检查。具体是将纤维在1000℃加热12小时，使之净化。使用化学分析用的电子能谱(ESCA)(也称为X射线光电子能谱(XPS))对纤维进行分析。使用的ESCA装置得自加利福尼亚州Palo Alto市惠普公司，商品名“HP5950A”。ESCA装置包括一个半球形电子能量分析仪，它以恒定通过能量的模式操作。X射线源是铝K-α。探头的角度经测定是相对于分析仪校正透镜光轴的38度光电子起偏角。定量数据通过使用仪器制造厂家提供的软件和灵敏系数来计算。加热后的碳谱示出了纤维上有小于22面积％的碳。
导线基本上根据实施例来制备，只是在经管炉热清洗后向2cm的纤维截面上喷洒清洁剂(购自3M公司，商品名“CITRUS CLEANER”)时，会有意识地引入局部的碳污染物。在导线验证试验中，该导线准确地在引入表面污染物的部位发生断裂。
也可使用用手印沾污的纤维来制备导线。在此被污染的试样中，测得碳谱大于34面积％。该碳污染物被认为增加了接触角，从而导致浸渗的损失。
实施例7
实施例7的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，不同的是熔体在制造导线前不用氩气脱气，维持至少24小时。导线直径为2.5mm，制备速度为2.3m/min。在300米的长度范围内，导线在导线验证试验中至少断裂三次。对断裂表面进行分析，虽然不拘泥于理论解释，但是可以认为，氢气导致的较大空隙是造成断裂的原因。空隙的直径约为0.5mm，长度为2-3mm或更大。不用实施例中所述的熔体脱气处理，铝浴中一般的氢浓度近似为0.3cm3/100g铝。
基本上如实施例1中所述还制备了导线，不同的是在制造导线前2小时对熔体用氩脱气。导线直径为2.5mm，制备速度为2.3m/min。导线经导线验证试验，没有断裂。使用熔体脱气处理，一般的氢浓度近似为0.07-0.1cm3/100g铝。
实施例8
实施例8的铝基质复合导线基本上如实施例1中所述来制备，除了导线直径为2.5mm、以及真空度在1托与大气压之间变化以外。当在1托的真空下制造时，2.5mm的导线获得了完全的浸渗(参阅图12中的SEM照片)。在所有其它条件保持相同的条件下关闭真空泵。真空室中的压力达到大气压。然后在1个大气压下制备，结果浸渗部分地损失，可以看见许多未浸渗湿润的纤维(参阅图13中的SEM照片)。
在不偏离本发明范围和精神的条件下对本发明的各种修改和变换，对本领域的技术人员而言是显而易见的，应该明白，本发明不应受到本文前述实施方式不恰当的限制。

Claims (18)

1.一种制造连续细长的金属复合材料制品的方法，所述方法包括：
提供该制品要包含的熔融金属基质材料；
在真空中对许多至少一种基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维抽真空；
将抽过真空的许多基本上连续的纤维浸入该制品要包含的熔融金属基质材料中，此时，将抽过真空的许多基本上连续的纤维在真空下引入熔融金属材料中；
施加超声能量，使至少一部分该制品要包含的熔融金属基质材料产生振动，使得至少一部分熔融金属基质材料浸渗到许多纤维中，从而提供许多浸渗过的纤维；
在能使熔融金属基质材料凝固的条件下，从所述熔融金属基质材料中拉出许多浸渗过的纤维，提供连续细长的金属复合材料制品，所述金属复合材料制品在其金属基质中包含许多至少一种基本上连续纵向排列的陶瓷、硼或碳的纤维，所述制品包含在纤维和基质材料的总体积中至少占15体积％的纤维，所述制品的长度至少为10米。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述真空度低于20托。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述制品是导线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述真空度低于20托。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述金属基质是铝、锌、锡或它们的合金。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述导线的直径至少为2.5mm。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在导线长度至少为100米的范围内，所述导线的直径至少为2.5mm。
8.根据权利要求3所述的方法，它还包括在300℃以上的温度热清洗许多纤维。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述金属基质是铝或其合金。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：至少85数量％的纤维是基本上连续的。
11.根据权利要求3所述的方法，它包含在导线的总体积中至少占20体积％的纤维和不大于70体积％的纤维。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述纤维是陶瓷纤维。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述纤维是陶瓷氧化物纤维。
14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述纤维是多晶α-氧化铝系纤维。
15.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述导线的长度至少为100米。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纤维是陶瓷氧化物纤维。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纤维是多晶α-氧化铝系纤维。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述熔融金属基质材料是铝，且熔融铝基质材料中的氢浓度小于0.2cm3/100g铝。
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