CN1263884C - 铝基复合导线、电缆和方法 - Google Patents

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Abstract

将氧化陶瓷纤维包埋在含铝基质中制成的导线(134)和电缆(130)。

Description

铝基复合导线、电缆和方法
                          政府许可权
美国政府在本发明中用有付费许可权，和在有限情况下要求专利权人以国防部高级研究项目局(DARPA)裁定的MDA 972-90-C-0018号合同中所述的合理条款为基础向他人给予许可证的权力。
                          发明领域
本发明涉及存在于铝基质中的经基本连续的氧化陶瓷纤维增强的复合导线和掺入了这些导线的电缆。
                          发明背景
长久以来，金属基复合材料(MMC)由于其综合具有高强度和高刚性以及重量低而被人们认为是一种具有使用前景的材料。MMC通常包括用纤维增强的金属基质。在选择纤维时，人们已广泛认识到需要具有高强度、高弹性模量和低热膨胀系数的增强纤维。
特别感兴趣的是将导线形式的金属基复合材料用作裸的架空电力传输电缆中的增强部件。由于负荷增加和因调节不当导致的电流改变的缘故，需要增加现有的传输设施的电力传送能力，从而产生了对这种电缆中新材料的需求。对于这类新的材料，其所需的性能要求包括抗腐蚀性、环境耐受性(如耐UV和耐潮湿)、高温下的强度的保留以及抗蠕变性。
重要的性能是弹性模量、密度、热膨胀系数、导电性和强度。这些性能通常由组成物的选择和纯度(即金属基质的材料和纤维含量)以及纤维体积分数所决定。在这些性能中，研究的重点是由拉伸强度和刚性高的纤维制成的导线。重点集中在生产高强度的材料，部分是由于认为要使复合材料在经济上能与常规的材料如铁竞争，其强度应尽可能高。例如，在Ouchi等的《使用SiC纤维增强的铝复合导线的复合导体的机械性质》[(Mechanical Properties of Composite Conductorsusing SiC Fiber Reinforced Aluminum Composite Wires)，《国家电学协会论文集》(TheElectricity Society National Symposium)，1996]中，公开了一种用高强度纤维增强的铝导线，其商品名称为“NICALON”，该文描述了需要用于架空电力传输电缆的“高强度”MMC导线。
仍需要具有适当性能的复合材料，以用于各种电缆中，尤其是架空电力传输电缆。
                         发明概要
本发明涉及基本连续的纤维铝基复合材料。本发明的实施方式涉及铝基复合材料制品，较佳是细长的金属复合材料制品，如导线、带子等。这类制品较佳包含存在于含铝基质中(如高纯度的铝或其合金)的、基本连续的、纵向定位的纤维。较佳的是，导线的基质包括至少占基质总重量99.95重量％的铝。
将本发明的铝基复合材料制成具有所需的强度重量比和热膨胀特性、高导电率和低模量的导线。这种导线能很好地适用作电力传输电缆中的缆芯材料，因为它们具有能改进现有技术电力传输电缆的电学和物理学特质。
本发明的材料宜于导线和电缆是有优点的，因为在受热时，由于其热膨胀系数低下垂得较少。此外，与金属导线或用高模量材料增强的复合导线相比，当电缆承受高的机械负荷(如受到冰和风的负荷)时，由于其模量低的缘故，使用本发明的导线能减少对支撑塔的张力。
在一个实施例中，本发明提供一种铝基复合材料制品，该制品在基质(包括铝)中包含许多纤维。在此实施例中，以理论氧化物计，纤维包含约35-75重量％的Al2O3、0到约50重量％的SiO2、大于约5重量％的B2O3，这些百分比是以相应纤维总的金属氧化物含量为基础。在此实施例中，导线在-75℃到500℃的温度中具有非线性的热膨胀系数、不大于约105GPa(15Msi)的模量和至少约350MPa(50ksi)的平均拉伸强度。
在另一实施例中，本发明提供一种铝基复合导线，该导线在基质(包括铝)中包含许多基本连续、纵向定位的纤维。在此实施例中，以理论氧化物计，纤维包括约35-75重量％的Al2O3、0到约50重量％的SiO2和大于约5重量％的B2O3，这些百分比是以相应纤维总的金属氧化物含量为基础。在此实施例中，导线在-75℃到500℃的温度中具有非线性的热膨胀系数、不大于约105Gpa(15Msi)的模量和至少约350MPa(50ksi)的平均拉伸强度。在一实施例中，该铝基复合导线的导电率至少为21％IACS。
在另一实施例中，本发明提供一种制造铝基复合导线的方法，该导线包含在基质(包含铝)中的许多基本连续的、纵向定位的纤维。该方法包括：提供包容体积(contained volume)的熔融基质材料；将许多基本连续的纤维浸入包容体积的该熔融基质材料中，以理论氧化物计，该纤维包含约35-75重量％的Al2O3、0到约50重量％的SiO2和大于约5重量％的B2O3，这些百分比是以相应纤维总的金属氧化物含量为基础；施加超声波能量，使包容体积的该熔融基质材料中至少有一部分振动，以使至少一部分熔融基质材料渗入并润湿许多纤维，这样提供许多经渗透润湿的纤维；在允许该熔融基质材料固化的条件下，从包容体积的该熔融基质材料中取出许多经渗透润湿的纤维，从而提供包含许多纤维的铝基复合材料，其中所述纤维基本连续，纵向定位在含铝基质中，并且所述导线在-75℃到500℃的温度中具有非线性的热膨胀系数、不大于约105Gpa的模量和至少约为350MPa的平均拉伸强度。
在另一实施例中，本发明提供一种电缆，该电缆中至少有一根铝基复合导线，该导线包含许多基本连续的、纵向定位于含铝基质中的纤维。在此实施例中，以理论氧化物计，所述纤维包括约35-75重量％的Al2O3、0到约50重量％的SiO2和大于约5重量％的B2O3，这些百分比是以相应纤维总的金属氧化物含量为基础。此外，在此实施例中，所述导线在-75℃到500℃的温度中具有非线性的热膨胀系数、不大于约105GPa的模量和至少约为350MPa的平均拉伸强度。
在又一实施例中，本发明提供一种铝基复合导线，该导线包含许多基本连续的、纵向定位在含铝基质中的纤维。在此实施例中，氧化陶瓷纤维具有不大于173GPa(25Msi)的模量，所述导线具有不大于约105GPa的模量。
在又一实施例中，本发明提供一种电缆，该电缆中至少有一根铝基复合导线，该导线包括许多基本连续的、纵向定位于含铝基质中的纤维。在此实施例中，所述纤维具有不大于约240GPa(35Msi)的模量，所述导线具有不大于约105GPa的模量和至少约为350MPa的平均拉伸强度。
                               定义
在本文中，所使用的术语的表示如下：
“基本连续的纤维”指其长度与平均有效纤维直径相比，是相对无穷大的纤维。这通常是指纤维的纵横比(即纤维的长度与平均有效直径之比)至少约为1×105，较佳至少约为1×106，更佳至少约为1×107。这些纤维的长度通常至少约为50米，甚至可有几千米的长度甚或更长。
“平均有效直径”指面积与测量对象的截面积相同的圆的直径。例如，截面为圆形的纤维或导线具有一个可测出的直径，使用该直径，根据πd2/4可准确计算出其面积。截面为非环状的、椭圆形的、卵圆形的或不规则形状的纤维或导线不具有一个可测出的直径，但是它们的截面面积是可以测量的，因此可以计算出产生具有该相同截面面积的圆的直径。这个直径就称为有效直径。平均有效直径是几个计算得到的有效直径的数值平均值。
“纵向定位的”指纤维的取向与导线的长度方向相同。
“热膨胀系数(CTE)”指在纤维和/或导线的纵向方向上，热膨胀随着所测量的指明温度范围而变化的比值。即：
                   热膨胀系数＝(尺寸变化)/(温度变化)
瞬时CTE值是在特定温度下计算的热膨胀-温度曲线的斜率(即，热膨胀-温度曲线方程的导数)。
“在-75℃到500℃温度中的非线性CTE”指在百分比热膨胀-温度曲线上特定温度范围内的拐点之间的部分，其二阶曲线拟合的斜率为正负斜率交替出现。
“平均拉伸强度”指测得的几个纤维、导线或电缆样品的拉伸强度的数值平均值。
“纵向拉伸强度”指当在纤维、导线或电缆的长轴方向上进行测试时，使该纤维、导线或电缆破坏的应力。这个应力也等于施加给样品的最大应力。应力S＝L/A，其中L是在进行张力试验过程中所测得的最大负荷，A是样品测量前的截面面积。
“模量”指纵向拉伸模量。它是在纤维、导线或电缆的长轴方向上测得的拉伸刚性。它表示所测量的样品在给定的应变增加范围或应变范围内单位应变的平均应力。对于导线，在0-0-05％应变之间测量模量。
“电缆模量”指电缆的弹性拉伸模量。通过使用拉伸测试设备给电缆施加和卸载负荷，获得负载-卸载变形曲线，从而获得电缆模量。给电缆时间足够的负荷，使电缆的结构性伸长被拉紧后，该电缆产生弹性变形。将曲线卸载区域的数据用于计算电缆模量。这在《电缆理论》[Theory of Wire Rope，《电缆测试》(Testingof Wire Rope)，第6章，George A.Costello，Springer-Verlag(1997)]中有进一步的描述。可使用下述方程，由所测得的负载-卸载数据计算电缆模量：
                            E＝ΔF/Ae其中，
E是电缆的计算值；
ΔF是测量区域中测量的负荷变化；
A是测试前测定的电缆中导线的总截面面积；
e是测量区域中所测得的电缆长度的变化；具体而言，
                        e＝(lf-lO)/lO
其中，lO是测量区域电缆的初始长度，lf是测量区域电缆的最终长度。
“平均破坏应变”指平均的破坏应变，它是几个样品中测得的破坏应变的数值平均值。破坏应变是单位长度样品的延长或延伸。它可表示为：
                      e＝(lf-lO)/lO
其中，
e是单位长度样品的延长或廷伸；
lf是样品的最终标距；
lO是样品的最初标距。
“纤维理论破坏应变”指使用平均纤维拉伸强度计算得到的导致纤维破坏的应变，它表示为：
                         应力＝模量×应变
因而应变＝应力/模量。对于商品名称为“NEXTEL 312”的纤维，测得的平均拉伸应力为1.68GPa(244Ksi)，其模量为151GPa(22Msi)。因此，应变是1.1％，纤维理论破坏应变为1.1％。
                  附图的简要描述
图1是显示本发明两根导线样品的膨胀百分比与温度的关系图，这两根导线样品分别含有3M公司(St.Paul，MN)销售的商品名称为“NEXTEL 312”的纤维(第1和第2条曲线)，它们与含有3M公司(St，Paul，MN)销售的商品名称为“NEXTEL610”的纤维的导线(第3条曲线)相比。
图2是对图1的由商品名称为“NEXTEL 610”制得的导线(图1的第3条曲线)与由商品名称为“NEXTEL 312”(图1的第2条曲线)膨胀百分比与温度关系的拟合曲线。
图3是从图2拟合曲线得到的瞬时CTE的图。
图4是由商品名称为“NEXTEL 312”的纤维和纯铝制得的导线的拉伸强度-纤维体积分数图。
图5是由商品名称为“NEXTEL 312”的纤维和纯铝制得的导线的破坏拉伸应变-纤维体积分数图。实际破坏应变相对于纤维理论破坏应变百分比在另一应变轴上表示。
图6是由商品名称为“NEXTEL 312”的纤维和纯铝制得的导线的拉伸模量-纤维体积分数图。
图7和8是具有复合金属基缆芯的架空电力传输电缆的两个实施例的示意性截面图。
图9是本发明的绞合电缆一个实施例的端视图，该电缆在许多纤维束周围有保持装置。
图10是本发明电力传输电缆实施例的端视图。
图11是本发明电缆的下垂-导体温度图。
                       优选实施例的详细描述
本发明是以以下发现为基础的：可使用通常认为不适合用于加强的纤维来生产低强度材料，这些材料在现在的用途如架空电力传输的发展中可直接与高性能的材料竞争。本发明提供一些制品，较佳是细长的金属复合材料制品，如导线、带子等，这些制品包含许多基本连续的、纵向定位在基质中的纤维，该基质包含铝(如高纯度的铝或其合金)。
本发明提供复合材料制品，如导线和电缆，这些制品包含纤维增强的铝基复合材料。本发明的复合导线包括许多基本连续的、纵向定位的、包埋于基质中的增强纤维(较佳的是氧化陶瓷，最佳的是Al2O3基的增强纤维)，该基质包含铝，可能还任选地包含一种或多种其它金属(较佳是高纯度的铝单质或纯铝与其它元素如铜的合金)。较佳的是，至少约85数目％的纤维在本发明的导线中是连续的。可将本发明至少一个导线组装在电缆(较佳是传输电缆)中。
纤维
基本连续的增强纤维，其平均有效纤维直径较佳至少约为5微米，不超过约50微米，更佳不超过约25微米。
优选的纤维是热膨胀系数不超过约10×10-6/℃(25℃-1000℃)的纤维。多晶α-Al2O3纤维的热膨胀系数通常不超过约8×10-6/℃。加入其它氧化物，如SiO2、B2O3、Cr2O3或它们的混合物，可减少热膨胀系数。因为这些物质的加入还会将纤维的拉伸强度减小到约1.4GPa，所以并不期望使用这类纤维能生产有用的电缆。
更佳的是，纤维的热膨胀系数不超过约7.9×10-6/℃(25-500℃)，最佳不超过约5×10-6/℃(25-500℃)。较佳的是，纤维的热膨胀系数至少约为3×10-6/℃(25-500℃)，更佳至少约为2×10-6/℃(25-500℃)。
较佳的是，纤维的平均拉伸强度至少约为1.4GPa，更佳至少约为1.7GPa，还更佳至少约为2.1GPa，最佳至少约为2.8GPa。
较佳的是，纤维的模量不大于约240GPa(35Msi)，更佳不超过约173Gpa(25Msi)。较佳的是，纤维的模量大于约69GPa(10Msi)。
各种纤维的弹性模量和强度如下：
  纤维   模量[Msi(GPa)]   伸长％   拉伸强度[ksi(MPa)]
  “NEXTEL 312”“NEXTEL 440”“NEXTEL 610”“ALTEX”“NEXTEL 720”“ALMAX”   22(152)27(186)54(372)30(207)38(262)48(331)   1.21.10.80.90.80.5   250(1720)300(2070)400(2750)300(2070)300(2070)260(1790)
较佳的是，本发明纤维的平均破坏应变不大于约2.5％，更佳不大于约1.2％，最佳不大于约1.0％。
可用于生产铝基复合材料的、基本连续的氧化陶瓷纤维的例子包括氧化陶瓷(如铝硼硅酸盐)纤维。通常，氧化陶瓷纤维是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷与玻璃的混合物(即纤维可含有结晶陶瓷和玻璃相)。
可以购得单丝状的陶瓷纤维，或者集聚成纱绒或丝束状的陶瓷纤维。丝束在纤维领域中是已知的，指许多单根纤维(通常至少100根纤维，更通常至少400根纤维)被集聚成绳状。每股纱线或丝束较佳包括至少780根纤维。陶瓷纤维有各种各样的长度，包括300米以及更长的长度。纤维可具有圆形或椭圆形截面。
优选的纤维包括适当的铝硼硅酸盐纤维，这在美国专利第3795524号(Sowman)中有描述。较佳的是，以理论氧化物集，铝硼硅酸盐纤维包含：约35-75重量％(更佳约55-75重量％)的Al2O3；大于0(更佳至少约为15重量％)而小于约50重量％(更佳小于约45重量％，最佳小于约44％)的SiO2；大于约5重量％(较佳小于约25重量％，更佳约1-5重量％，最佳约10-20重量％)的B2O3，上述百分比是以铝硼硅酸盐的总重量为基础。优选的铝硼硅酸盐纤维是从3M公司购得的商品名称为“NEXTEL 312”的纤维。
其它合适的纤维包括从3M公司购得的商品名称为“NEXTEL 550”和“NEXTEL 312”的纤维。
市售获得的纤维一般包含在纤维制造过程中加到纤维上的有机上浆材料，以提供润滑性，并在储运过程中保护纤维束。据认为上浆材料可以在例如制成织物时减少纤维的断裂，减少静电的产生，并减少灰尘的量。通过溶解或燃烧，可除去上浆材料。较佳的是，在形成本发明的铝基复合导线前，先除去上浆材料。通过此方法，在形成铝基复合导线前，氧化陶瓷纤维上就没有涂覆物质。
在纤维上存在涂覆物质也在本发明的范围之内。可使用涂层来例如增强纤维的润湿性，减少或阻止纤维与熔融金属基材料间的反应。这类涂层和提供这类涂层的技术在纤维和金属基复合材料领域中是已知的。
导线
以导线的总体积计，本发明的导线较佳包含至少约15体积％的纤维，更佳至少约25体积％的纤维，最佳至少约28体积％的纤维。较佳的是，以导线的总体积计，它们包含不超过约65体积％的纤维，更佳不超过约55体积％的纤维，最佳不超过约50体积％的纤维。某些优选的电缆还包含这些体积的纤维。
按照优选顺序，本发明的导线长度至少约为50米，至少约为100米，至少约为200米，至少约为300米，至少约为400米，至少约为500米，至少约为600米，至少约为700米，至少约为800米，至少约为900米。导线密度通常为每立方厘米约2.5-2.8克。
本发明导线的平均有效直径较佳至少约为0.25毫米(mm)，更佳至少约为1mm，最佳至少约为1.5mm。
本发明导线较佳具有出人意料的非线性热膨胀系数(CTE)。更佳的是，本发明导线具有图1的曲线1或2表示的热膨胀系数性能，关于这方面将在实施例1中进一步阐述。
本发明导线较佳具有至少约为350MPa(50ksi)的平均拉伸强度。更佳的是，本发明的导线的平均拉伸强度不超过约1400MPa(200ksi)，最佳是不超过约700MPa(100ksi)。
较佳的是，对于所有的纤维，本发明导线的纵向拉伸强度至少约为纤维理论破坏应变的90％，更佳的是，对于少于或等于35体积％的纤维百分比，纵向拉伸强度至少约为纤维理论破坏应变的95％。可根据表示部分中所述的方程计算纤维理论破坏应变。用于测定这些值的纤维强度测得为1.68GPa(244ksi)。
较佳的是，本发明的导线的模量不超过约105GPa(15Msi)，更佳不超过约84GPa(12Msi)。较佳的是，本发明的导线的模量至少约为40GPa(6Msi)，更佳至少约为49GPa(7Msi)。纤维体积分数较低的导线通常会出现较低的模量值。令人惊讶的是，导线模量可小于69GPa(10Msi)，这个值是铝的模量，通导线模量常小于该复合导线中任一种材料的模量。
较佳的是，本发明导线的平均破坏应变不大于约2.5％，更佳不大于约1.2％，最佳不大于约1.0％。
金属基材料包括铝和其合金(如铝和铜的合金)。较佳的是，铝基质至少含有98重量％的铝，更佳的是，至少含有99重量％的铝，还更佳的是，大于99.9重量％的铝，最佳的是大于99.95重量％的铝。较佳的铝和铜的铝合金含有至少约98重量％的Al和至多约2重量％的Cu。铝和铝合金可从市场上购得。例如，可从Alcoa of Pittsburgh(PA)购得名为“SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al”的铝。可从Belmont Metals(纽约，NY)购得铝合金，如Al-2重量％Cu(0.03重量％杂质)。
选择本发明具体使用的纤维、基质材料和生产金属基复合导线的方法来提供具有所需性能的铝基复合导线。例如，选择能充分相容的纤维和铝基材料，以及生产所需导线的制造方法。
关于生产铝和铝合金基导线优选技术的其它细节，在例如美国待授权申请08/492960和PCT申请WO97/00976(1996年5月21日出版)中公开。
可采用例如金属基渗透法制造本发明的连续金属基复合导线。在优选的实施例中，该方法包括：提供包容体积的熔融基质材料；将许多基本连续的纤维浸入包容体积的该熔融基质材料中；施加超声波能量，使包容体积的该熔融基质材料中至少有一部分发生振动，使至少一部分熔融基质材料渗入并润湿许多纤维，这样提供许多经渗透润湿的纤维；在允许该熔融基质材料固化的条件下，从该包容体积的熔融基质材料中拉出许多经渗透润湿的纤维，从而提供包含许多纤维的铝基复合材料。
将超声波能量用作基质渗透辅助手段有助于克服纤维束不能完全被基质渗透的问题。例如，美国系列号08/492960和PCT申请WO97/00976(1997年5月21日出版)以及美国专利申请系列号09/616589(与本文同一天提交申请)中公开的方法就是解决这一问题的方法。
因为在纤维和基质之间可能发生反应，所以较佳的是以很快的速度处理导线，以减少这类反应的发生。一个特殊的优选实施例中，纤维的浸没长度，即纤维与熔融铝接触的长度是23厘米(9英寸)，处理导线的速度至少约为96厘米/分钟(30英寸/分钟)。已发现，38厘米/分钟(15英寸/分钟)的速度会引起纤维和基质间的反应，而76厘米/分钟(30英寸/分钟)的导线速度就不引起反应。
电缆
本发明的铝基复合导线具有广泛用途，特别可用于架空电力传输电缆中。
本发明的电缆可以是同质的(即仅包含一种类型的金属基复合导线)，也可以是非同质的(即包含许多次级导线，如金属导线)。作为非同质电缆的一个例子，缆芯中可有许多本发明的导线和一个外层，该外层中有许多次级导线(如铝导线)。
本发明的导线可以是绞合的或非绞合的。绞合电缆一般包括中心导线和第一层导线，该第一层导线螺旋环绕在该中心导线周围。电缆绞合是将一根根导线螺旋排列成最终电缆的方法[如，美国专利第5171942号(Powers)和5554826号(Gentry)]。所得的螺旋绞合电缆或导线绳索能提供远比相等截面面积的实心导体要大得多的柔韧性。螺旋状排列的有利性还在于绞合电缆在处理、安装和使用过程中弯曲时能维持其总体圆形的截面形状。螺旋缠绕的电缆可包括至少7根导线到含有50或更多根导线的更常规结构。
本发明的一个电力传输电缆的例子显示在图7中，图中本发明的电力传输电缆130可以是由19根复合金属基导线134组成的缆芯132，该缆芯132被护套136包围，而该护套由30根铝或铝合金导线138组成。同样，在图8中，作为另一选择，本发明的架空电力传输电缆140可以是由37根复合金属基导线144组成的缆芯142，该缆芯被21根铝或铝合金导线148组成的护套146环绕。
图9阐述绞合电缆80的又一实施例。在此实施例中，绞合电缆包括中心金属基复合导线81A和导线的第一层82A，该第一层82A螺旋环绕在该中心金属基复合导线81A的周围。此实施例还包括金属基复合导线81的第二层82B，该第二层82B螺旋绞合在第一层82A的周围。在任何一层中可以有任何数目的金属基复合导线81。此外，如果需要，在绞合的导线80中可包含两层以上。
本发明的电缆可用作裸的电缆，或者用作较大直径电缆的缆芯。同时，本发明的电缆还可以是许多导线的绞合电缆，在导线的周围具有保持装置。所述保持装置可以是例如带状包装纸，同时含有或不含有绞合剂或者粘合剂。
本发明的绞合电缆可用于许多用途。可以认为，这些绞合电缆在架空电力传输电缆中特别适用，因为它们综合具备了低重量、高强度、良好导电率、低热膨胀系数、高的使用温度和抗腐蚀性等性能。
图10显示的是这种传输电缆的一个优选实施例的端视图。这种传输电缆包括缆芯91，该缆芯可以是本文所述的任何一种绞合缆芯。电力传输电缆90还包括环绕在绞合缆芯91周围的至少一个导体层。如图中所示，电力传输电缆包括两个导体层93A和93B。根据需要可使用更多的导体层。较佳的是，各导体层93包括许多本领域已知的导体线。用于导体线的合适材料包括铝和铝合金。可采用本领域已知的适当电缆绞合装置将导体线绞合在绞合缆芯91的周围。
在绞合电缆自身就可用作最终制品、或者该电缆用作不同的随后制品的中间制品或部件的其它用途中，较佳的是该绞合电缆在其许多金属基复合导线的周围没有导电层。
较佳的是，包括许多本发明非绞合导线的电缆具有不超过约105GPa(15Msi)的电缆模量。较佳的是，包括本发明非绞合导线的电缆具有至少约42GPa(6Msi)的电缆模量，更佳的是至少约49GPa(7Msi)。通常，由于导线的螺旋缠绕层的绞合构型，绞合电缆的模量比非绞合电缆的模量小。这使得该电缆的刚性比导线直线平行排列的电缆要小。因此，较佳的是，包括本发明许多绞合导线的电缆的电缆模量至少约为包括相同数目、相同截面面积和相同类型的非绞合导线的电缆的模量的75％，更佳至少约为85％，最佳至少约为95％。
关于由本发明的导线制得的电缆的其它信息在与本发明同一天提交的美国专利申请系列号09/616784中有描述。
                              实施例
本发明将结合下述实施例进一步阐述，但是，在这些实施例中所引用的特定的材料及其量，以及其它条件和细节，都不应认为是本发明的限制。本领域中的熟练技术人员将会理解本发明可以有各种修改和变动。除非另有说明，否则所有的份和百分比都以重量计。
测试方法
纤维强度
使用拉伸试验机(从Instron of Canton，MA购得的Instron 4201测试机)和ASTMD 3379-75中所述的试验方法(高模量单丝材料的拉伸强度和杨氏模量的标准测试方法，Standard Test Methods for Tensile Strength and Young′s Modulus forHigh Modulus Single-Filament Materials)测量纤维强度。样品的标距为25.4mm(1英寸)，应变率为0.02mm/mm。
为了确定纤维束的拉伸强度，从纤维束中随机选出10根单纤维，测试每根单纤维，测出其断裂负荷。随机选出的这10根纤维的强度范围在1.31-1.96GPa(191-285ksi)。平均的单纤维拉伸强度为1.68GPa(244ksi)。使用光学显微镜(Dolan-Jenner Measure-Rite Video Micrometer System，M25-0002型，从LawrenceMA的Doaln-Jenner Industries，Inc.购得)的附件，以1000的放大倍数从光学上测量纤维的直径。该装置使用具有经校准的镜台测微尺在反射光照射条件下观察。
各单纤维的断裂应力计算为单位面积的负荷量。
导线拉伸强度
采用与ASTM E345-93基本上相同的方法，使用拉伸试验机(商品名称为“INSTRON”，从Instron公司，Canton，MA购得的8562型测试机)测试复合导线的拉伸特性，该测试机装有机械校准装置(商品名称“INSTRON”，从Instron公司购得的8000-075型)，该装置由数据获取系统(商品名称“INSTRON”，从Instron公司购得的8000-074型)驱动。
使用5厘米(2英寸)标距样品进行测试，在导线的两端装上1018软钢管接头，以确保在测试装置上能夹紧。导线样品的实际长度是20厘米(8英寸)，比标距长，以适应接头夹具的安装。对于直径为2.06mm(0.081英寸)或以下的复合导线，该管长15厘米(6英寸)，OD(即外直径)为6.35毫米(0.25英寸)，和ID(即内直径)为2.9-3.2毫米(0.115-0.125英寸)。ID和OD应尽可能同心。先用醇洗净钢管和导线样品，从导线样品的各端标出10厘米(4英寸)的距离，使夹具钢管得以正确放置，从而获得所需的标距5.0厘米。使用密封胶喷枪(商品名称为“SEMCO”，从TechnicalResin Packaging公司，Brooklyn Center，MN购得，250型)向各夹具管的孔中填充环氧树脂绞合剂(商品名称为“SCOTCH-WELD 2214 HIFLEX”，一种延展性高的绞合剂，从3M公司购得，件号62-3403-2930-9)，该喷枪装有塑料喷嘴(从Technical Resin Packaging公司购得)。从管口上除去过量的环氧树脂，将导线插入管中，插到导线上的标记处为止。导线插入夹具管中后，将额外的环氧树脂注射到管中，同时维持该导线处于适当的位置，以确保该管被注满树脂。(将树脂反填充到管中，直到环氧树脂刚好在标距的基准点上被压出导线的周围，同时维持导线处于适当的位置)。当两根夹具管都正确地放置在导线上后，将样品放到接头对准装置中，以便该装置能在环氧树脂固化过程中维持着夹具管和导线的正确对准。接着将该装配件放到固化炉中，维持在150℃90分钟，使环氧树脂固化。
使用试验架上的机械对准装置小心对准Instron测试机中的试验架，以获得所需的对准。在测试过程中，使用V字形凹槽液压叉钳施加大约2-2.5ksi(14-17MPa)的机械夹持压力仅将夹具管的外面5厘米(2英寸)夹住。
以位置控制模式使用0.01mm/mm(0.01英寸/英寸)的应变率。使用动态应变规片伸长计(商品名称为“INSTRON”，从Instron公司获得，2620-824型)检测应变。伸长计刃缘间的距离是1.27厘米(0.5英寸)，规片放置在标距的中心，并用橡皮带固定。使用测微计沿着导线测量其三个位置上的导线直径，或者通过测量截面面积，然后计算可产生相同的截面面积的有效直径。由拉伸试验得到的数据提供该样品的破坏负荷、拉伸强度、拉伸模量和破坏应变数据。测试5份样品，就每个性能获得平均值、标准偏差和变异系数。
热膨胀系数(CTE)
根据1995年出版的ASTM E-228测量CTE。在膨胀计(商品名称为“UNITHERM 1091”上测量2英寸(5.1cm)长的导线。在测试前，先使用(NIST)经检定的熔凝二氧化硅校正参考样品(商品名称为“Fused Silica”，从华盛顿区的NIST购得)进行仪器的校准。在实验室空气气氛中，在-75℃到500℃的温度中测试样品，温度以5℃升温。测试所得的数据是一组膨胀伸长对温度的数据，这组数据是在加热期间按每10℃采集的。由于CTE是膨胀随温度变化率，所以需要对所得数据进行加工，以获得CTE值。使用标准的图形软件包(“EXCEL”，微软，Redmond，WA)对膨胀-温度数据绘图。使用该软件中的标准拟合函数对这些数据进行二次幂函数拟合，获得该曲线的方程。计算这个方程的导数，得到一个线性函数。这个方程表示膨胀随温度变化率。在感兴趣的温度范围内按此方程绘图，如在-75℃到500℃的温度范围内，获得CTE-温度的图形显示。该方程还可用来获得任何温度的瞬时CTE。在非线性表现的例子中，将膨胀-温度曲线细分成拐点间的区域，在该区域可令人满意地进行上述二次幂函数拟合。
CTE通常依赖于纤维体积分数，虽然在感兴趣的范围内，预期且假定CTE不随纤维体积分数有明显的变化。假定CTE按以下方程发生变化：
αc1＝[EfαfVf+Emαm(1-Vf)]/(EfVf+Em(1-Vf))
式中
Vf＝纤维体积分数
Ef＝纤维拉伸模量
Em＝基质拉伸模量(原位)
αc1＝纵向方向上的复合材料CTE
αf＝纤维CTE
αm＝基质CTE
直径
在导线上的4个点用千分尺测量导线的直径。通常，导线截面不是完美的圆形，因此存在长和短的方向。旋转导线以确保长和短方向都被测量，从而获取读数。直径取长方向和短方向上的读数平均值。
纤维体积百分数
采用标准的金相技术测量纤维体积分数。将导线的截面抛光，在计算机程序的帮助下使用密度分布剖面函数测量纤维体积百分数，该程序称为NIHIMAGE(1.61版)，是一个供公众使用的图像处理程序，由国家健康研究会研究服务部开发的软件(可从http:∥rsb.info.nih.gov/nih-image获得)。这个软件测量导线截面一代表性区域的平均灰度标亮度。
将一根导线固定在固定树脂上(商品名称为“EPOXICURE”，由Buehler In.，Lake Bluff，IL购得)。使用常规的研磨机/抛光机(从Strueres，West Lake，OH购得)和常规的金刚石粉浆将该固定的导线截面抛光，最后的抛光步骤使用1微米粒径的金刚石粉浆(商品名称“DIAMOND SRPAY”，从Strueres购得)进行抛光，最后获得具有抛光截面的导线。使用扫描电子显微镜(SEM)以150倍的放大倍数对抛光导线的截面拍摄，获得其金相照片。当获得SEM金相照片时，将图像的阈值水平调整到所有的纤维都在0亮度，以产生双区域的图像。使用NIH IMAGE软件分析该SEM金相照片，用此双区域图像的平均亮度除以最大亮度，得到纤维体积分数。这种方法所测得的纤维体积分数的准确度可认为为+/-2％。
下面描述制造各种复合金属基的特殊例子。
实施例1
此实施例中的导线根据国际出版物WO97/00976所公开的方法和说明制得。将20根1800旦尼尔铝硼硅酸盐纤维(商品名称“NEXTEL 312”，购自3M公司)的丝束排列为12mm(0.5英寸)宽的带子，然后放到99.97％纯铝(从纽约的BelmontMetals购得)的熔融浴中，该浴装在24.1cm×31.3cm×31.8cm的氧化铝铝坩埚中(从Beaver Falls，PA的Vesuvius McDaniel购得)。熔融铝的温度大约为720℃。从固定在筒子架上的卷筒上拉出各根纤维束，然后使各纤维束通过熔融铝的表面，此时筒子架给每根纤维束施加60克(g)的张力。在进入该熔体中后，将这些纤维束排列成1.2厘米宽的带状。对至少一部分熔体和纤维束施加超声波振动，促进该纤维带被金属熔体所渗透，此时该超声波射声器放在该纤维带上方1.25mm距离内。该射声器由95％铌和5％钼的合金制成，它的形状为长12.7厘米直径2.5厘米的圆柱体。改变该圆柱体的长度，使其在所需的20.0-20.4kHz振动频率运作。驱动器的振幅大约为0.002厘米。射声器连接于一钛波导管，该波导管又连接于超声换能器(购自Sonics & Materials，Danbury CT)。纤维被基质材料渗透，然后从出口模中拉出，该出口模由低纯度氧化铝制得。该模的内直径为1.98毫米。由此方法制得的导线的直径约为0.20厘米。
图1的曲线1和2是使用由此方法制得的两根导线样品的热膨胀-温度数据绘制的图，温度范围在-75℃(最小)到500℃。可将数据细分成三个区域，从这些区中可计算出各不同区域的CTE，如对图1的曲线2已进行这样的操作，该曲线在图2中表示为曲线2a。R2是曲线拟合接近度的统计学衡量。当R2＝1时，该曲线的方程与实验所得的曲线严格一致。对于-75℃到20℃的区域，曲线由下述方程表示：
y＝(5.3918×10-6)x2+(1.0314×10-3)x-2.2245×10-2
R2＝9.9930×10-1
CTE从2.2线性增加到12.5。对于20℃到225℃区域，曲线由下述方程表示：
y＝(1.6630×10-6)x2+(9.2031×10-4)x-1.3358×10-2
R2＝9.9649×10-1
CTE从8.4线性下降到2.5。对于225-500℃区域，曲线由下述方程表示：
y＝(1.2136×10-7)x2+(6.0436×10-4)x-1.2290×10-2
R2＝9.9994×10-1
CTE从3.3线性增加到4.7。
图3是上述三个方程的导数图，这些导数就是CTE，该图清楚地阐述了“NEXCEL 312”纤维增强的导线的非线性CTE行为。因而，在整个-75℃到500℃的温度范围里，CTE明显地为非线性。图3中20-25℃和200-225℃的不连续是由于将数据分成三组并对各区域进行分别处理所得到的人为结果。
5个样品的拉伸试验得到0.441-0.524GPa(64-76ksi)的拉伸强度，平均值为0.486GPa(71ksi)。破坏应变为0.82-0.99％，其平均为0.88％，平均拉伸模量为74GPa(10.7Msi)。纤维体积分数为45.5％。导线直径为0.0785英寸(1.99毫米)。计算此导线的纤维理论破坏应变的百分比，结果为80％。
实施例2
基本上如实施例1所述制造导线，但使用10根1800旦尼尔铝硼硅酸盐纤维束(商品名称为“NEXTEL 312”，3M公司)。5个样品的拉伸试验得到0.317-0.441GPa(46-64ksi)的拉伸强度，平均为0.372GPa(54ksi)，破坏应变为0.90-1.24％，平均为1.07％，平均拉伸模量为92GPa(8.0Msi)。纤维体积分数为28％。导线直径为0.071英寸(1.80毫米)。计算此导线的纤维理论破坏应变的百分比，结果为97％。
实施例3
基本上如实施例1所述制造导线，但使用22根1800旦尼尔的铝硼硅酸盐纤维束(商品名称为“NEXTEL 312”，3M公司)。5个样品的拉伸测试得到0.482-0.622GPa(70-93ksi)的拉伸强度，平均为0.565GPa(82ksi)。破坏应变为0.80-0.99％，平均为0.86％，平均拉伸模量为55GPa(13.3Msi)。纤维体积分数为49％。导线直径为0.0794英寸(2.02毫米)。此导线的纤维理论破坏应变百分比计算为78％。
实施例4
基本上如实施例1所述制造导线，但1800旦尼尔铝硼硅酸盐纤维(商品名称为“NEXTEL 312”，3M公司)的纤维束根数在10、11、12、13、14、15、16、17、18、20和22束的范围内改变。使用各导线样品的5个样品进行拉伸试验，将所得数据点以纤维体积分数对拉伸强度、破坏应变和拉伸模量绘制在图4、5和6中。图4显示应力随着纤维体积分数的增加而增加。图5显示应变随着纤维体积分数的增加而减少。图6显示模量随着纤维体积分数的增加而增加。
实施例5
设计制造了两种电缆缆芯，都是以实施例1所述的“NEXTEL 312”增强的导线的性能为基础。第一设计具有非绞合(即，纵向排列的导线)的6/1构型，即6根外导线紧密地环绕在1根中心导线的周围。第二设计具有绞合的6/1构型，即6根外导线螺旋地绞合在1根中心导线的周围，其“绞拧系数”为18。绞合电缆的“绞拧系数”如下计算：用一单股导线完成一个螺旋旋转达到的绞合电缆的长度除以包括该股导线的层的标称外直径。该绞合电缆缆芯的模量由于此螺旋绞拧而减少到实施例1中的非绞合电缆缆芯的模量的95％。
使用下述方程，基于实施例1所述的“NEXTEL 312”纤维增强的导线的性能，计算了两种设计电缆的几个性能：
缆芯直径由下面的方程表示：
Dc＝3×Dw
式中，
Dw是构成缆芯的导线的直径，对于实施例5中使用的“NEXTEL 312”导线为2.0毫米；
缆芯的总面积由下面的方程表示：
Ac＝Nw×(π/4×Dw 2)
式中，
Nw是缆芯中使用的导线的数目，对于实施例5所述的6/1缆芯构型为7；
缆芯重量由下述方程表示：
Wc＝A×12×(dw×Fe c)
式中，
dw是用于制造缆芯的导线的密度，对于实施例5使用的“NEXTEL 312”导线为0.0981b/立方英寸(2.7g/cc)；
Fe c是缆芯的电额定因子，对于实施例5的非绞合缆芯为0；
Fe c是缆芯的电额定因子，对于实施例5的绞合缆芯为0.4％；
缆芯断裂强度由下述方程表示：
Sc＝(Sw×Fm c)×Ac
式中，
Sw是用于制造缆芯的导线的拉伸强度，或者对于实施例5使用的导线为0.490GPa；
Fm c是缆芯机械额定因子，对于实施例5的缆芯构型为96％；
缆芯模量由下面的方程表示：
Mc＝Mw×FS c
式中，
Mw是缆芯使用的导线的模量，对于实施例5的导线为73.8GPa；
FS c是缆芯绞合因子，或者对于实施例5的非绞合缆芯为100％；
FS c为缆芯绞合因子，或者对于实施例5的绞合缆芯为95.6％；
缆芯抗性由下面的方程表示：
Rc＝[1/Cw×1.228)/A]×5.28×(1+Fe c)式中，
Cw是31.7％IACS(国际退火铜标准，International Annealed Copper Standard)
电缆直径由下面的方程表示：
D＝3×Dw+4×Da
式中，
Dw是用在缆芯中的导线的直径，或者对于实施例6缆芯中使用的“NEXTEL312”导线为2.0毫米；
Da是用于电缆中的导体线的直径，对于实施例6中用于电缆中的Al导体线为0.1013；
电缆的总面积由下面的方程表示：
A＝Nw×π/4×Dw 2+Na×π/4×Da 2
式中，
Nw是缆芯中的导线的数目，对于实施例6的6/1电缆缆芯构型为7；
Na是导体线的数目，对于数量6的26/7电缆构型为26；
电缆的重量用下述方程表示：
W＝f×A×12×(dw×Fe c)+(1-f)×A×12×(da×Fe a)
式中，
f是缆芯的面积百分数，对于实施例6的26/7电缆构型为0.14；
dw是缆芯中使用的导线的密度，对于实施例6中用于电缆的缆芯中的“NEXTEL 312”导线为0.0981b/立方英寸(2.7g/cc)；
Fe c是缆芯的电额定因子，对于实施例6的电缆缆芯为0.4％；
da是导体线的密度，对于实施例6中用于电缆中的Al导线为0.0971b/立方英寸(2.7g/cc)；
Fe a是Al的电额定因子，或者2.5％；
电缆的断裂强度由下面的方程表示：
S＝(Sw×Fm c)×f×A+(Sa×Fm c)×(1-f)×A
式中，
Sw是用于缆芯中的导线的拉伸强度，对于实施例6中使用电缆的缆芯中的“NEXTEL 312”导线为0.490GPa；
Sa是导体线的拉伸强度，对于实施例6中使用于电缆中的Al导体线为0.179GPa；
Fm c是缆芯的机械额定因子，对于实施例6的电缆为93％；
Fm a是铝导线的机械额定因子，对于实施例6中用于电缆中的Al导线为93％；
电缆的模量由下面的方程表示：
M＝f×Mc+(1-f)×Ma
式中，
Mc＝Mw×FS c，或者Mc等于绞合缆芯的模量，其中
Mw是用于缆芯中的导线的模量，对于实施例6中使用缆芯中的“NEXTEL312”导线为10,700,000psi；
Ma是Al导线的模量，对于用于实施例6的电缆中的Al导线为7,960,000psi；
FS c是缆芯绞合因子，对于实施例电缆的缆芯为99.6％；
电缆的CTE由下面的方程表示：
E＝f×(Mc/M)×Ew+(1-f)×(Ma/M)×Ea
式中，
Ew是用于缆芯中的导线的CTE，对于用作实施例6的缆芯中的“NEXTEL312”导线为4.7×10-6/℃；
Ea是导体线的CTE，对于用作实施例6的电缆中的Al导体为23.0×10-6/℃；
电缆的电阻由下面的方程计算：
R＝1(1/Rc+1/Ra)
式中，
Rc＝1/(Cw×1.228)/(f×A)×5.28×(1+Fe c)，是绞合缆芯的电阻；
Ra＝1/(Ca×1.228)/(1-f)×A×5.28×(1+Fe a)，是绞合铝导线的电阻；
Cw是用于缆芯中的导线的导电率，或者对于用于实施例6的缆芯的“NEXTEL312”导线为31.7％IACS；
Ca是导体的导电率，或者对于实施例6电缆的Al导线的导电率为61.2％IACS。
所计算得到的两种电缆设计的性能列于表1中：
                               表1
                     电缆设计物的计算电缆性能
             非绞合电缆设计             螺旋绞合电缆设计
  单根导线直径   0.0788英寸   2.00毫米   0.0788英寸   2.00毫米
  电缆直径   0.24英寸   6.00毫米   0.24英寸   6.00毫米
  电缆的X-截面积   0.0341平方英寸   22.00平方毫米   0.034平方英寸   22.00平方毫米
  电缆重量   0.0401bs/线英尺   0.060kg/m   0.0401bs./线英尺   0.060kg/m
  电缆断裂强度   23241bs.   10.3kN   23241bs.   10.3kN
  电缆模量   10.7Msi   73.8GPa   10.2Msi   70.5GPa
  电阻(在20℃的dc)   3.996Ohms/英里   2.483Ohms/km   3.980Ohms/英里   2.4731Ohms/km
实施例6
使用与实施例5类似的绞合缆芯电缆设计，设计电力传输电缆，但本例电缆的绞拧系数为50.8，并且具有两个外层，是螺旋绞合的圆形截面1350铝导线作为导体的层。电缆为26/7构型，7根“NEXTEL 312”纤维增强的导线螺旋绞合成中心缆芯，10根螺旋绞合的中间层铝导体环绕在该缆芯的周围，16根导线螺旋绞合而成的外层铝导体绞合在该中间层导体的周围。外层导体线中使用的铝的性能在铝1350-H19的ASTM B 230说明(电用导线)中有详细说明。铝导线具有179MPa(26ksi)的拉伸强度，绞合铝导线的最终模量为54.9GPa(7.96Msi)。此导体模型的计算性能列在表2中。
                             表2
             26/7“NEXTEL 312”缆芯导体设计的计算性能
  “312”缆芯-单根导线直径   0.0788英寸   2.00毫米
  单根Al导体直径   0.1013英寸   2.57毫米
  缆芯直径   0.24英寸   6.00毫米
  整根电缆直径   0.642英寸   16.30毫米
  AL导体面积   0.209平方英寸   135.14平方毫米
  电缆总面积   0.2436平方英寸   157.16平方毫米
  电缆总重量   0.2911bs/线英尺   0.434kg/m
  缆芯断裂强度   23261bs.   10.3kN
  Al导体断裂强度   50651bs.   22.5kN
  电缆总断裂强度   73911sb.   32.9kN
  AL导体模量   8.3Msi   57.5GPa
  低于转变温度(150℃)的CTE   19.74×10-6/℃   19.74×10-6/℃
  高于转变温度(150℃)的CTE   4.70×10-6/℃   4.70×10-6/℃
  电阻(在20℃的dc)   0.3166Ohms/km   0.1967Ohms/km
  缆芯绞拧比例   50.8   50.8
  中间Al导体层绞拧比例   13.0   13.0
  外部Al单独曾绞拧比例   11.0   11.0
为了证实具有“NEXTEL 312”纤维增强缆芯的导体的功能，使用预测用于架空传输线的导电体的下垂-张力性能的计算机程序，比较本导体的下垂-张力性能与基于常规ACSR(钢增强的铝导体，Aluminum Conductor Steel Reinforced)导体模型的导体模型的下垂-张力性能，该ACSR导体模型的几何形状和尺寸与本“NEXTEL 312”模型的相同。这个软件包可从Alcoa Conductor Accessories andAlcoa Conductor Products公司(Pittsburg，PA)购得，名为SAG 10软件。该软件使用的数据为ACSR电缆模型的导体性能和应力-应变数据，这些数据是该软件提供的导体数据库的一部分，加上与在非常规电缆模型如表2中的“NEXTEL 312”纤维增强的电缆模型中使用的实验材料的性能一致的输入数据。使用该软件来计算各种机械负荷条件和导体操作温度。“NEXTEL 312”纤维增强的电缆模型和ACSR电缆模型的性能列在表3中。
                             表3
                   两种电缆设计物的计算性能
        “NEXTEL 312”缆芯设计             ACSR缆芯设计
  Al导体面积   0.210平方英寸   135.189平方毫米   0.210平方英寸   135.189平方毫米
  电缆总面积   0.2436平方英寸   157.161平方毫米   0.2436平方英寸   157.161平方毫米
  电缆直径   0.642英寸   16.3毫米   0.642英寸   16.3毫米
  电缆重量   0.2911b./英尺   0.433kg/m   0.3671b./英尺   0.546kg/m
  RTS   73911b.   32.9kN   113001b.   50.3kN
该软件使用实验获得的应力-应变和热伸长数据，这些数据是该软件包含的数据库的一部分。对于由增强缆芯和外层铝单独构成的双金属导体(如ACSR)，对于每一材料具有分开的应力-应变数据和热膨胀数据。
使用738英尺(225米)的排缆跨距和19801bs(8.8kN)的初始安装张力，对两种电缆模型的可比较安装进行计算机计算。计算得到的导体在达到300℃温度内的下垂如图11所示。在整个温度范围内，“NEXTEL 312”缆芯(图11的曲线1)的下垂小于ACSR缆芯模型的下垂。这些结果表明，“NEXTEL 312”缆芯设计在这方面比常规的ACSR电缆设计较好。由于“NEXTEL 312”缆芯导体的下垂小于类似设计的ACSR缆芯导体，所以它可在更高的温度下操作。它还能在下垂不超过ACSR下垂的情况下，在更高的温度下传输比类似设计的ACSR导体要多的电流。下垂的减少还使得在使用于新的线路上时塔高和成本减少。
还使用国家电力安全标准重负荷条件(0.5英寸冰，41bs风，K＝0.3)，在厚冰和风负荷条件下计算这两种电缆模型的下垂和张力行为。排缆跨距同样为738ft.(225米)，两种电缆设计都以19801bs(8.8kN)的相同初始张力安装。表4中显示的这些计算结果表明，在最大负荷条件下，“NEXTEL 312”缆芯设计的张力比ACSR模型低12％。“NEXTEL 312”缆芯设计对塔产生减少的机械负荷可转化成相对于标准的ACSR导体设计的塔成本的减少和安全系数的增加。虽然“NEXTEL 312”缆芯设计的电缆不如钢电缆坚固，但是它在重负荷下的最大张力远在其断裂强度以下和建议的容许限度内。令人惊讶的是，用强度比钢低得多的材料增强的本发明电缆的性能有明显的增加。
                            表4
              最大负荷条件下的下垂和张力计算
  电缆设计      下垂        张力   变化％
  尺   米  磅(1bs)   千牛顿(kN)
  ACSR设计   20.0   6.1  5144   22.9   -
  “NEXTEL 312”设计   21.7   6.6  4538   20.2   -12％
本文将所引用的专利、专利文件和出版物的完整公开完整地纳入作为参考，正如它们各自被单独纳入作为参考一样。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，本领域熟练的技术人员将理解对本发明作出的各种修改和变动。应理解，本发明并不会受到本文所示的阐述性实施方式和实施例不恰当的限制，这些实施例和实施方式仅仅是例子而已，本发明的范围仅由下面的权利要求来限制。

Claims (32)

1.一种铝基复合导线，其特征在于，该导线包含许多基本连续的、纵向定位在含铝基质中的纤维，该纤维占该导线至少15体积％到不超过65体积％，以理论氧化物计，该纤维包含35-75重量％的Al2O3、大于0少于50重量％的SiO2、大于5重量％少于25重量％的B2O3，以上百分数是以相应纤维中总的金属氧化物含量为基础；此外，该导线在-75℃到500℃的温度范围内具有非线性热膨胀系数、具有不大于105GPa的模量和至少为350MPa的平均拉伸强度。
2.如权利要求1所述的导线，其特征在于，导线的模量至少为42GPa。
3.如权利要求1或2所述的导线，其特征在于，导线的平均破坏应变不大于2.5％。
4.如权利要求3所述的导线，其特征在于，导线的平均破坏应变不大于1.2％。
5.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，对于所有纤维部分，导线的纵向拉伸应变至少为纤维理论破坏应变的90％。
6.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，所述基质包含至少占该基质总重量99.95重量％的铝。
7.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，至少有85％数目的所述纤维是基本连续的。
8.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，以各根纤维的总金属氧化物含量计，SiO2所占的量为15-50重量％。
9.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，导线的热膨胀性能由图1的曲线1或2表示。
10.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，所述纤维还包含10-20重量％的B2O3，所述氧化物是指理论氧化物。
11.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，所述导线的长度至少为300米。
12.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，所述氧化陶瓷纤维的模量不超过173GPa，该导线的模量不超过105GPa。
13.如权利要求1-2中任一项所述的导线，其特征在于，所述导线的导电率至少为21％IACS。
14.如权利要求12所述的导线，其特征在于，所述纤维的模量不超过69GPa。
15.如权利要求12所述的导线，其特征在于，所述纤维的平均拉伸强度至少为1400MPa。
16.一种生产铝基复合导线的方法，该导线包含许多基本连续的、纵向定位在含铝基质中的纤维，其特征在于，该方法包括：
——提供包容体积的熔融基质材料；
——将许多基本连续的纤维浸入包容体积的该熔融基质材料中，该纤维占所述导线至少15体积％到不超过65体积％，以理论氧化物计，该纤维包含35-75重量％的Al2O3、0到50重量％的SiO2、大于5重量％小于25重量％的B2O3，这些百分比是以相应纤维总的金属氧化物含量为基础；
——施加超声波能量，使包容体积的该熔融基质材料中至少有一部分振动，使至少一部分熔融基质材料渗入并润湿许多纤维，这样就获得许多经渗透润湿的纤维；
——在允许该熔融基质材料固化的条件下，从包容体积的该熔融基质材料中拉出许多经渗透润湿的纤维，从而提供包含许多纤维的铝基复合材料，其中所述纤维基本连续，纵向定位在含铝基质中，所述导线在-75℃到500℃的温度范围内具有非线性的热膨胀系数、具有不大于105Gpa的模量和至少为350MPa的平均拉伸强度。
17.一种电缆，其特征在于，该电缆包含至少一根铝基复合导线，该导线包含许多基本连续的、纵向定位在含铝基质中的纤维，该纤维占所述导线至少15体积％到不超过65体积％，以理论氧化物计，该纤维含有35-75重量％的Al2O3、大于0少于50重量％的SiO2和大于5重量％小于25重量％的B2O3，以上百分数是以相应纤维中总的金属氧化物含量为基础；此外，该导线在-75℃到500℃的温度范围内具有非线性热膨胀系数、具有不大于105GPa的模量和至少为350MPa的平均拉伸强度。
18.如权利要求17所述的电缆，其特征在于，所述基质包含至少占该基质总重量99.95重量％的铝。
19.如权利要求17或18所述的电缆，其特征在于，至少有85％数目的所述纤维是基本连续的。
20.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，以各根纤维的总金属氧化物含量计，SiO2所占的量为15-50重量％。
21.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，导线的热膨胀性能由图1的曲线1或2表示。
22.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述电缆中有许多非绞合的导线。
23.如权利要求17-18中任一项所述的导线，其特征在于，所述电缆的电缆模量至少为42GPa，且不超过105GPa。
24.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述电缆中有许多任意螺旋绞合的绞合导线。
25.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述电缆还含有许多次级导线，该次级导线可以是金属或铝。
26.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述电缆包含一个缆芯和一个外层，该缆芯包含所述复合导线，该外层包括所述次级导线。
27.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述电缆中还有带状包装纸。
28.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述纤维还包含10-20重量％的B2O3，所述氧化物是指理论氧化物。
29.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，所述导线的长度至少为300米。
30.如权利要求17-18中任一项所述的电缆，其特征在于，该纤维的模量不超过240GPa；所述导线的模量不超过105GPa、平均拉伸强度至少为350MPa。
31.如权利要求30所述的电缆，其特征在于，所述纤维的模量不超过69GPa。
32.如权利要求30所述的电缆，其特征在于，所述纤维的平均拉伸强度至少为1400MPa。
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