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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leitungsdrahtes
aus einem Verbundwerkstoff mit Kupfermatrix, in der Metall- oder
Keramikpartikel verteilt sind, den durch dieses Verfahren erhaltenen
Leitungsdraht sowie ein Abschirmungsgeflecht.
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Kupfer
ist ein aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit in hohem Maße als Material
zur Ausbildung des Leitungsdrahtes in elektrischen und elektronischen
Kabeln verwendetes Material.
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Dennoch
weist Kupfer mittelmäßige mechanische
Eigenschaften auf, die oftmals unzureichend sind, um das Material
des Leitungsdrahtes von Kabeln zu bilden, die eine hohe mechanische
Festigkeit, insbesondere Biege- und Torsionsfestigkeit aufweisen
müssen.
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Herkömmlicherweise
wird nun eine Kupferlegierung verwendet, die infolge unterschiedlicher
Härtungsmechanismen
eine höhere
mechanische Festigkeit als Kupfer und gleichzeitig eine elektrische
Leitfähigkeit
von wenigstens gleich 85% der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer aufweist.
Unter diesen Legierungen können
Cu-Cd, Cu-Zr, Cu-Fe
sowie Cu-Cd-Cr genannt werden.
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Unter
diesen Legierungen wird die letztgenannte Legierung (Kupfer-Kadmium-Chrom)
aufgrund der Tatsache, daß sie
eine günstige
elektrische Leitfähigkeit
(90% von derjenigen des Kupfers) sowie eine weit bessere mechanische
Festigkeit als Kupfer aufweist (Bruchlast bei Zug = 420 MPa), in
sehr hohem Maße
verwendet.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren
bereitzustellen, das den Erhalt eines Leitungsdrahtes ermöglicht,
der eine bessere elektrische Leitfähigkeit als die Legierungen
des Standes der Technik und gleichzeitig eine erhöhte mechanische
Festigkeit, insbesondere Torsions- und Biegefestigkeit sowie eine
gute Stabilität
dieser mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur aufweist.
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Das
Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte
umfaßt:
- – Bereitstellen
eines Basisdrahtes, welcher aus dem genannten Verbundwerkstoff hergestellt
ist,
- – Beschichten
des Basisdrahtes mit einem streckbaren Werkstoff, um einen Primärdraht zu
erhalten, der einen Nenndurchmesser aufweist,
- – Durchführen des
Drahtziehens des Primärdrahtes,
um einen Sekundärdraht
mit einem Enddurchmesser zu erhalten, und
- – Durchführen einer
Glühbehandlung
des Sekundärdrahtes,
um die durch das Drahtziehen herbeigeführten Spannungen abzubauen.
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Vorteilhafterweise
gehört
das streckbare Material zu der Gruppe umfassend Silber, Gold, Platin,
Palladium und deren Legierungen.
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In
besonders vorteilhafter Weise umfassen die Partikel Aluminiumoxid,
vorzugsweise 0,2 bis 0,4 Gew.-% des Verbundwerkstoffes.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Anordnung umfaßt der Schritt des Beschichtens
des Basisdrahtes das Abscheiden einer Silbeschicht auf elektrolytischem
Weg, die eine Dicke zwischen 1 und 10 μm, vorzugsweise zwischen 3 und
6 μm aufweist.
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In
bevorzugter Weise umfaßt
der genannte Schritt des Beschichtens des Basisdrahtes die folgenden Schritte:
- – alkalisches
Entfetten des Basisdrahtes,
- – Spülen des
Basisdrahtes mit Wasser,
- – Säurebeizen
des Basisdrahtes,
- – Spülen des
Basisdrahtes mit Wasser,
- – Abscheiden
einer Unterschicht aus Silber auf dem Basisdraht auf elektrolytischem
Weg,
- – Abscheiden
einer Silbeschicht auf der Unterschicht auf elektrolytischem Weg,
um den Primärdraht
zu bilden, und
- – Spülen des
Primärdrahtes
mit Wasser.
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Eine
hinsichtlich der Herstellungstechnik günstige Lösung sieht vor, daß das Drahtziehen
mehrere Durchgänge
in einer Multipaß-Kaltdrahtziehmaschine
umfaßt
und den Erhalt eines Enddurchmessers für den Sekundärdraht ermöglicht,
der wenigstens fünf
Mal kleiner als der Nenndurchmesser des Primärdrahtes, vorzugsweise im wesentlichen
zehn Mal kleiner ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Leitungsdraht,
wie er aus dem vorgenannten Herstellungsverfahren hervorgeht, wobei
dieser Leitungsdraht aus einem Verbundwerkstoff mit Kupfermatrix ausgebildet
ist, in der Metall- oder Keramikteilchen verteilt sind, wobei dieser
Draht dadurch gekennzeichnet ist, daß er ferner eine Beschichtung
aus streckbarem Material umfaßt
und daß er
eine elektrische Leitfähigkeit aufweist,
die wenigstens gleich 92% der elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers ist (International
Annealed Copper Standard).
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Des
weiteren ist der Leitungsdraht gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn ein elektromagnetisches
Kabelabschirmungsgeflecht mit dem genannten Leitungsdraht ausgebildet
ist, wenn das Kabel einer Million (1.000.000) kombinierter Biegungs-
und Torsionszyklen unterzogen wird, wobei jeder Biegungs- und Torsionszyklus
dem Durchgang eines Kabelabschnitts in Bezug auf eine Ausgangsposition
entspricht, einerseits in Bezug auf eine Hauptrichtung des Kabels
von einer 0°-Position aus,
zu einer Position von +140°,
zu einer Position von –140° und zurück zur 0°-Position
(Torsion), und andererseits in Bezug auf eine zu der Hauptrichtung
des Kabels orthogonale Richtung von einer 0°-Position aus, zu einer Position
von +140°,
zu einer Position von –140° und zurück zur 0°-Position
(Biegung), das genannte Geflecht eine maximale Schwankung hinsichtlich
des elektrischen Widerstandes von 7% aufweist.
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Außerdem weist
der Leitungsdraht vorzugsweise einen Bruchlastwert bei Zug auf,
der größer oder gleich
300 MPa ist.
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Vorteilhafterweise
gehört
das streckbare Material zu der Gruppe umfassend Silber, Gold, Platin,
Palladium sowie deren Legierungen.
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In
bevorzugter Weise ist das streckbare Material eine auf elektrolytischem
Weg erhaltene Silberschicht und umfassen die Partikel Aluminiumoxid,
vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,4 Gew.-% des Verbundwerkstoffs.
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Es
wird nun nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
beschrieben und dargestellt. Selbstverständlich sind die Beschreibung
sowie die Zeichnungen lediglich zur Unterrichtung gegeben und als
nicht einschränkend
zu verstehen.
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Es
wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in diesen
zeigen:
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1 einen
Querschnitt eines Kabels, das für
die Durchführung
der Tests zur mechanischen Festigkeit des Leitungsdrahtes verwendet
wird, welcher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist,
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2 eine
schematische Darstellung des durchgeführten Biegungs- und Torsionsfestigkeitstests,
und
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3 eine
Vergleichskurve der Biege- und Torsionsfestigkeit des Kabels der 1,
je nachdem, ob es den Leitungsdraht gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet oder nicht.
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Nach
einem der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung verwendet
das Verfahren zur Herstellung des Leitungsdrahtes einen Basisdraht,
der aus einem Verbundwerkstoff mit Kupfermatrix gefertigt ist, in
der Metall- oder Keramikteilchen verteilt sind. Der verwendete Verbundwerkstoff
wird folglich mittels Pulvermetallurgie hergestellt, indem feine
Metall- oder Keramikpartikel (beispielsweise Oxide, Karbide, Nitride
oder Silicide) in einer Kupfermatrix homogen verteilt werden.
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Auf
diese Weise ermöglicht
die Wirkung dieser verteilten Partikel auf die metallurgische Kupfer-Mikrostruktur
einerseits, die mechanischen Festigkeiten des Materials zu erhöhen und
andererseits, diese mechanische Festigkeit bis zu hohen Temperaturen
beizubehalten, ohne die elektrische Leitfähigkeit der Kupfermatrix zu
stark zu verändern.
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Das
Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht,
einen Leitungsdraht zu erhalten, der überraschenderweise eine sehr
hohe mechanische Leistung sowie sehr hohe Leistungen hinsichtlich
elektrischer Leitfähigkeit
und mechanischer Festigkeit bei hoher Temperatur aufweist.
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Das
Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
im wesentlichen drei Schritte zur Bearbeitung des aus dem vorgenannten
Verbundwerkstoff gefertigten Basisdrahtes, nämlich nacheinander das Versilbern,
das Drahtziehen und die Glüh-Wärmebehandlung.
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Bei
den durchgeführten
Versuchen wurde als Verbundwerkstoff „GLIDCOP" (eingetragenes Warenzeichen) verwendet,
der durch die Gesellschaft SCM Metal Products Inc. (Nummer UNS C15
715) in den Handel gebracht wird. Dieser Verbundwerkstoff enthält 0,25
bis 0,35 Gew.-% an Aluminiumoxidpartikeln, die in der Kupfermatrix
verteilt sind, und weist eine maximale elektrische Leitfähigkeit
auf, die gleich 92% derjenigen von Kupfer ist. Die Größe dieser
Partikel liegt zwischen 3 und 12 Nanometern.
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Ein
Basisdraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm, der aus diesem Werkstoff
gefertigt ist, wurde als Ausgangspunkt für die Herstellung eines Leitungsdrahtes
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Der
folgende Schritt des Herstellungsverfahrens besteht darin, – insbesondere
um ein Brechen des Basisdrahtes während des späteren Durchlaufs
in der Maschine zum Kaltdrahtziehen zu vermeiden, welche ermöglicht,
den Querschnitt des Basisdrahtes kontinuierlich zu verringern – eine Beschichtung
aus Silber auf dem Basisdraht abzuscheiden, wobei diese Beschichtung
vorzugsweise auf elektrolytischem Weg hergestellt wird und eine
Dicke zwischen 3 und 6 μm
aufweist.
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Genauer
gesagt umfaßt
dieser Schritt des Beschichtens des Basisdrahtes mit Silber die
folgenden Schritte: alkalisches Entfetten des Basisdrahtes, Spülen des
Basisdrahtes mit Wasser, Säurebeizen
des Basisdrahtes, Spülen
des Basisdrahtes mit Wasser, Abscheiden einer Unterschicht aus Silber
auf dem Basisdraht auf elektrolytischem Weg, Abscheiden einer Silbeschicht
auf der Unterschicht auf elektrolytischem Weg, um einen Primärdraht zu
bilden, und Spülen
des Primärdrahtes
mit Wasser.
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Dieser
Primärdraht
(versilberte Draht) wird anschließend in einem zweiten Schritt
unter Verwendung einer Multipaß-Kaltdrahtziehmaschine
stetig gezogen, wobei die letzten verwendeten Ziehdüsen ermöglichen, einen
Sekundärdraht
zu erhalten, der einen Enddurchmesser von 0,106 mm, oder 0,100 mm
oder 0,079 mm aufweist. Im Laufe dieses Schrittes stellt man fest,
daß die
Silberbeschichtung kontinuierlich und homogen bleibt und zu einer
Schicht mit einer Dicke von etwa 1 μm führt.
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Der
letzte Schritt des Herstellungsverfahrens besteht in einer Wärmebehandlung.
Ziel dieser Wärmebehandlung
ist es, die Streckbarkeit des Verbundwerkstoffes dadurch wiederherzustellen,
daß die
inneren Spannungen des Materials, die durch den Schritt des Drahtziehens
erzeugt werden, vermindert werden. Vorteilhafterweise wird diese
Wärmebehandlung
in einem Glühen
bestehen, im Verlaufe dessen der Sekundärdraht für einen Zeitraum zwischen 150
und 210 Minuten auf eine Temperatur zwischen 450 und 520°C gebracht
worden ist.
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Wie
in der nachfolgenden Tabelle I zu sehen ist, ermöglicht diese Wärmebehandlung
des Glühens,
die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der gezogen Drähte auf
sehr signifikante Weise zu verbessern. In dieser Tabelle wurden
der Wert der Bruchlast und der Dehnung während des Bruchs in einem Zugversuch sowie
die elektrische Leitfähigkeit
der Drähte
aufgezeichnet, die in Prozent der elektrischen Leitfähigkeit
des Kupfers ausgedrückt
ist, welche als IACS bezeichnet wird (wobei International Annealed
Copper Standard 1,7241 microOhm·cm bei 20°C entspricht).
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Tabelle
I Entwicklung
der Eigenschaften der Drähte
vor und nach der Wärmebehandlung.
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Überraschenderweise
stellt man folglich fest, daß nach
der vorgenannten Glühbehandlung
ein Leitungsdraht erhalten wird, der eine elektrische Leitfähigkeit
in der Größenordnung
von 95% (94 oder 96%) der elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers aufweist,
d.h. eine elektrische Leitfähigkeit,
die weitaus höher
liegt als diejenige des Basisdrahtes. Außerdem wird festgestellt, daß der Leitungsdraht
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine bessere elektrische Leitfähigkeit als die beim Stand
der Technik verwendeten Legierungen aufweist.
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Um
die Wärmefestigkeit
des nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltenen Leitungsdrahtes,
d.h. die Stabilität
dieser mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur zu veranschaulichen, wurde
der nachfolgende Test durchgeführt.
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Ein
Leitungsdraht aus Cu-Cd-Legierung und ein durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltener Leitungsdraht, wobei die beiden Drähte einen
Durchmesser von 0,1 mm aufwiesen, wurden für eine Stunde auf eine Temperatur
von 400°C
gebracht. Die Verminderung der Bruchfestigkeit bei Zug dieser Drähte wurde
am Ende dieser Wärmealterung
gemessen.
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Man
stellt fest, daß der
Leitungsdraht aus Cu-Cd-Legierung einen Verlust von 20% seiner Bruchlast bei
Zug aufweist, während
der Leitungsdraht gemäß der vorliegenden
Erfindung lediglich einen Bruchlastverlust von 5% aufweist. Hieraus
ergibt sich folglich, daß der
aus dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hervorgegangene Leitungsdraht im Vergleich zu einem Leitungsdraht
aus Cu-Cd-Legierung eine
bessere Wärmefestigkeit
aufweist.
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Um
die Tests, die ermöglichen
die mechanische Festigkeit des aus dem Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung hervorgegangenen Leitungsdrahtes zu bewerten, zu vervollständigen,
wurde ein Test zur Biege- und Torsionsfestigkeit durchgeführt. Bei
diesem Test wurde der durch das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Leitungsdraht für die Bildung eines elektromagnetischen
Abschirmungsgeflechts innerhalb eines in 1 dargestellten
elektrischen Kabels verwendet.
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Dieses
Kabel 10 umfaßt
einhundertzweiundvierzig Koaxialleiter, die innerhalb von acht Gruppen
(Bezugszeichen 12) aus sechszehn Koaxialkabeln und von
sieben Koaxialkabel-Paaren (Bezugszeichen 14) verteilt
sind. Die Gesamtheit der Koaxialkabel ist um eine mittlere, ein
Abreißen
verhindernde Faser 16 verdrillt, wobei die Gesamtanordnung
in ein Band 18 eingewickelt ist, das von dem Abschirmungsgeflecht 20 umgeben ist,
das seinerseits durch eine Außenhülle 22 aus
Kunststoff geschützt
ist.
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Im
Laufe dieses Tests zur Biege- und Torsionsfestigkeit, welcher in 2 dargestellt
ist, wird eine Probe 24 des vorbeschriebenen Kabels 10 kombinierten
Biege- und Torsionszyklen unterzogen.
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Im
Laufe eines jeden Zyklus umfaßt
der Aspekt „Biegung" Rotationsbewegungen
gegenüber
einer Horizontalachse (X, X'),
wobei diese Bewegungen aus dem Übergang
der Probe 24 von einer Ausgangsposition 0 in die +140°-Position,
anschließend
ihrem Übergang
von der +140°-Position
in die –140°-Position
und schließlich
ihrem Übergang
von der –140°-Position
in die Ausgangsposition 0 bestehen.
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Hierfür durchquert
die Probe 24 orthogonal einen horizontalen Träger 26,
der drehangetrieben wird (nicht dargestellte Antriebsvorrichtung)
und der die vorbeschriebene hin- und hergehende Rotationsbewegung (Pfeil
A in 2) um die parallel zur Längsrichtung des Trägers 26 verlaufende
horizontale Achse (X, X')
auferlegt.
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Im
Laufe eines jeden Zyklus umfaßt
der Aspekt „Torsion" Rotationsbewegungen
gegenüber
einer zu der vorgenannten horizontalen Achse (X, X') orthogonalen Achse
(Y, Y'), wobei diese
Bewegungen aus dem Übergang
der Probe 24 von einer Ausgangsposition 0 in die +140°-Position,
anschließend
ihrem Übergang
von der +140°-Position
in die –140°-Position
und schließlich
ihrem Übergang
von der –140°-Position in die Ausgangsposition
0 bestehen.
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Zu
diesem Zweck durchquert ein Torsionsmodul 28 unter Bildung
einer Drehgelenkverbindung den Träger 26 entlang der
Achse (Y, Y'), wobei
ein Abschnitt der Probe 24 innerhalb des Torsionsmoduls 28 entlang der
Achse (Y, Y') fest
gelagert ist.
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Genauer
gesagt ragt ein erstes Ende 24a des Abschnitts der Probe – wie dies
in 2 zu sehen ist, die im wesentlichen die +140°-Position
darstellt – aus
einer von einem Bügel 28a' umgebenen ersten
Hülse 28a hervor,
wobei diese beiden Elemente einen ersten Teil des Moduls 28 bilden,
und ragt ein zweites Ende 24b des Abschnitts der Probe
aus einer einen zweiten Teil des Moduls 28 bildenden zweiten
Hülse 28b hervor.
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Somit
ist die Probe 24 vollständig
den Bewegungen des Moduls 28 unterworfen, einschließlich der
zuvor beschriebenen hin- und hergehenden Rotationsbewegung (Pfeile
B in 2) um die Achse (Y, Y') (nicht dargestellter Mechanismus zum
Drehantrieb um (Y, Y')).
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Man
versteht, daß die
Drehungen um die Achsen (X, X')
und (Y, Y') zur
gleichen Zeit ablaufen, wobei die Winkelstellung der Probe 24 zu
jedem Zeitpunkt den gleichen Wert zwischen –140° und +140° hat, einerseits beim Biegen
um die Achse (X, X')
und andererseits bei der Torsion um die Achse (Y, Y').
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Abgesehen
von dem durch das Modul 28 gehaltenen Abschnitt, ist die
Probe 24 des Kabels vollkommen bewegungsfrei, sie ist also
lediglich der Schwerkraft ausgesetzt. Dieser Test ermöglicht insbesondere,
die Belastungen wieder herzustellen, denen ein Kabel, das mit einem
tragbaren, medizinischen, elektrischen Gerät, wie einer Sonde, verbunden
ist, ausgesetzt ist.
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Dieser
Versuch wird unter den folgenden Umständen durchgeführt:
- – Ausgangspunkt:
0°-Position,
die einer vertikalen Position des Kabels entspricht, wobei der Bügel 28a' unten liegt,
- – Biegung:
280°/Zyklus,
- – Torsion:
280°/Zyklus,
- – Zyklusfrequenz:
9 Zyklen/Min.
- – Anzahl
der Zyklen: wenigstens 1.000.000 ohne Bruch des Leitungsdrahtes
in dem Geflecht.
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Zu
Vergleichszwecken wurde dieser gleiche Test für ein Kabel A, wie es zuvor
definiert ist, das ein aus einer Cu-Cd-Cr-Legerierung gefertigtes
Abschirmungsgeflecht hat, sowie für ein Kabel B, das ein Abschirmungsgeflecht 20 aufweist,
welches mit dem aus dem Herstellungsverfahren nach der vorliegenden
Erfindung hervorgegangenen Leitungsdraht gefertigt ist, durchgeführt.
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Aus
der Graphik der 3 geht hervor, daß das Kabel
B einen wesentlich stabileren elektrischen Widerstand als das Kabel
A aufweist, was folglich zu einem höheren Wirkungsgrad der Abschirmung
führt.
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Denn
im Falle des der 3 entsprechenden Versuchs stellt
man eine maximale Schwankung des elektrischen Widerstandes des Geflechts
von 20,4% für
das Kabel A und von 4,4% für
das Kabel B fest. Im Laufe einer Versuchsaktion wurde festgestellt,
daß der
höchste
Wert der maximalen Schwankung des elektrischen Widerstands eines
mit dem erfindungsgemäßen Leitungsdraht
ausgebildeten Geflechts, d.h. die größte Abweichung des elektrischen
Widerstandes im Laufe eines Versuchs bei 7% liegt.
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Der
aus dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hervorgegangene Leitungsdraht weist folglich eine höhere mechanische
Festigkeit, die mit einer besseren Wärmebeständigkeit einhergeht, und gleichzeitig
eine höhere
elektrische Leitfähigkeit
als die Leitungsdrähte
des Standes der Technik auf.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein elektromagnetisches Abschirmungsgeflecht
für ein
elektrisches Kabel, umfassend wenigstens einen Leitungsdraht, wie
er vorstehend definiert ist.