DE60115241T2

DE60115241T2 - Metallmatrixverbunddrahte, kabel und verfahren

Info

Publication number: DE60115241T2
Application number: DE2001615241
Authority: DE
Inventors: E. Herve DEVE; W. Michael CARPENTER; Colin Mccullough; S. Paul WERNER
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: DE60115241D1; AU2001241716A1; EP1301643A1; JP2004504485A; WO2002006552A1; KR20030017619A; KR100780975B1; CN1441853A; JP5128749B2; CN1263885C; CA2413191C; US6329056B1; ATE310837T1; EP1301643B1; CA2413191A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbunddrähte, die mit im Wesentlichen kontinuierlichen Fasern innerhalb einer Metallmatrix verstärkt sind, und Kabel, in die derartige Drähte eingebunden sind, und ein Verfahren zum Herstellen des Verbunddrahtes.
Allgemeiner Stand der Technik
Metallmatrixverbunde (MMC) sind aufgrund ihrer Kombination aus hoher Festigkeit und Steifigkeit, kombiniert mit niedrigem Gewicht, vor langem als viel versprechende Materialen erkannt worden. MMC weisen typischerweise eine Metallmatrix auf, die mit Fasern verstärkt ist. Beispiele für Metallmatrixverbunde sind Aluminiummatrixverbunddrähte (z.B. Siliciumcarbid-, Kohlenstoff-, Bor- oder polykristalline alpha-Aluminiumoxid-Fasern in einer Aluminiummatrix), Titanmatrixverbundbänder (z.B. Siliciumcarbidfasern in einer Titanmatrix) und Kupfermatrixverbundbänder (z.B. Siliciumcarbidfasern in einer Kupfermatrix).
Die Benutzung einiger Metallmatrixverbunddrähte als ein Verstärkungselement in oberirdischen blanken elektrischen Energieübertragungskabeln ist von besonderem Interesse. Die Benötigung neuer Materialien in derartigen Kabeln wird von der Notwendigkeit angetrieben, die Energieübertragungskapazität vorhandener Übertragungsinfrastruktur aufgrund von Lastzunahme und Änderungen des Energieflusses aufgrund von Deregulierung zu vergrößern. Zu grundlegenden Leistungsanforderungen an solche neuen Materialien gehören Korrosionsbeständigkeit, Dauerhaltbarkeit unter Umwelteinflüssen (z.B. UV und Feuchtigkeit), Beständigkeit gegenüber Festigkeitsverlust bei erhöhten Temperaturen und Kriechbeständigkeit.
Wichtige Eigenschaften für die Leistungsfähigkeit sind der Elastizitätsmodul, die Dichte, der Wärmeausdehnungskoeffizient, die elektrische Leitfähigkeit und die Festigkeit. Diese Eigenschaften werden typischerweise von der Wahl und der Reinheit der Bestandteile (d.h. des Metallmatrixmaterials und der Faser) in Kombination mit dem Faservolumenanteil bestimmt. Hinsichtlich dieser Eigenschaften wird besonderer Nachdruck auf die Entwicklung von Drähten gelegt, die aus Fasern mit hoher Zugfestigkeit und Steifigkeit hergestellt werden.
Es ist bekannt, dass das Vorhandensein von Fehlern in dem Draht, wie z.B. intermetallische Phasen, Porosität infolge von beispielsweise Schrumpfung oder inneren Gashohlräumen (z.B. von Wasserstoff oder Wasserdampf) und insbesondere trockene (d.h. unbeschichtete) Faser, die Eigenschaften, wie z.B. die Festigkeit, des Drahtes verschlechtert. Diese Fehler können von Verunreinigungen in den Bestandteilen (d.h. im Material der Metallmatrix und der Faser), der Inkompatibilität von Bestandteilen sowie von unvollständigem Eindringen des Matrixmaterials in die Fasern herrühren.
Es besteht ein Bedarf an im Wesentlichen kontinuierlichem Metallmatrixverbunddraht mit durchweg guten mechanischen Eigenschaften.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen kontinuierliche Faser-Metallmatrix-Verbunde, wie in den Ansprüchen definiert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Metallmatrixverbunde (z.B. Verbunddrähte) mit mehreren im Wesentlichen kontinuierlichen, länglich angeordneten Fasern, die von einer Metallmatrix umschlossen sind. Erfindungsgemäße Metallmatrixverbunde werden zu Drähten ausgebildet, die hinsichtlich des Elastizitätsmoduls, der Dichte, des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der elektrischen Leitfä higkeit und der Festigkeit wünschenswerte Eigenschaften aufweisen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Metallmatrixverbunddraht bereit, der mindestens ein Tau (typischerweise mehrere Taue) aufweist, das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, länglich angeordnete Fasern in einer Metallmatrix aufweist. Die Fasern sind aus der Gruppe Keramikfasern, Kohlenstoffasern und Mischungen daraus ausgewählt. Der Schmelzpunkt des Metallmatrixmaterials ist nicht höher als 1.100 °C (typischerweise nicht höher als 1.000 °C und kann möglicherweise nicht höher als 900 °C, 800 °C oder sogar 700 °C sein). Bezeichnenderweise weist der Draht eine Länge von mindestens 300 Metern (vorzugsweise, in der Reihenfolge der Bevorzugung, von mindestens etwa 400 Metern, mindestens etwa 500 Metern, mindestens etwa 600 Metern, mindestens etwa 700 Metern, mindestens etwa 800 Metern, mindestens etwa 900 Metern und mindestens etwa 1.000 Metern) und einen Biegeversagenswert von null auf. Damit ist gemeint, dass der Draht bei der Prüfung gemäß dem „Wire Proof Test", der in den Beispielen beschrieben ist, auf einer Länge von mindestens 300 Metern (vorzugsweise, in der Reihenfolge der Bevorzugung, von mindestens etwa 400 Metern, mindestens etwa 500 Metern, mindestens etwa 600 Metern, mindestens etwa 700 Metern, mindestens etwa 800 Metern, mindestens etwa 900 Metern und mindestens etwa 1.000 Metern) keinen Bruch aufweist.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Verbunddrähte, wie in Anspruch 21 definiert, bereitgestellt. Dieses Verfahren weist auf: das Bereitstellen eines umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial, das Übertragen von Ultraschallenergie, um mindestens einen Teil des umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial in Schwingungen zu versetzen, das Reinigen mittels Hitze und das Evakuieren mindestens eines Taus (typischerweise mehrerer Taue), das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche Fasern aufweist, wobei die Fasern aus der Gruppe Keramikfasern, Kohlenstoffasern und Mischungen daraus ausgewählt sind, das Eintauchen des mindestens einen Taus in das umschlossene Volumen von geschmolzenem Matrixmaterial, das Übertragen von Ultraschallenergie, um mindestens einen Teil des umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial in Schwingungen zu versetzen, um zu ermöglichen, dass mindestens ein Teil des geschmolzenen Metallmatrixmaterials in die mehreren Fasern eindringt, derart, dass mehrere durchdrungene Fasern bereitgestellt werden, und das Herausziehen der mehreren durchdrungenen Fasern aus dem umschlossenen Volumen von geschmolzenem Metallmatrixmaterial unter Bedingungen, die es ermöglichen, dass sich das geschmolzene Metallmatrixmaterial verfestigt, um einen erfindungsgemäßen Metallmatrixverbunddraht zu erzeugen.
In einer noch anderen Ausführungsform ist ein Kabel gemäß Anspruch 16 bereitgestellt, das mindestens einen erfindungsgemäßen Metallmatrixverbunddraht aufweist. Die einzelnen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Definitionen
Wie hierin benutzt, sind die folgenden Ausdrücke so definiert:
„Im Wesentlichen kontinuierliche Faser" bedeutet eine Faser mit einer Länge, die im Vergleich zum durchschnittlichen Faserdurchmesser verhältnismäßig unendlich ist. Typischerweise bedeutet dies, dass die Faser ein Streckungsverhältnis (d.h. das Verhältnis der Länge der Faser zu dem durchschnittlichen Durchmesser der Faser) von mindestens etwa 1 × 10⁵, vorzugsweise mindestens etwa 1 × 10⁶ und stärker bevorzugt mindestens etwa 1 × 10⁷ aufweist. Solche Fasern weisen typischerweise eine Länge in der Größenordnung von mindestens etwa 50 Metern auf und können sogar Längen in der Größenordnung von Kilometern oder mehr aufweisen.
„Länglich angeordnet" bedeutet, dass die Fasern in derselben Richtung ausgerichtet sind wie die Länge des Drahtes.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Photomikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahtes, die einen örtlich Bereich zeigt, in dem nur die Fasern ohne Matrix vorhanden sind.
2 ist eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahtes, die Schrumpfungsporosität zeigt.
3 ist eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahtes, die Hohlräume zeigt, die aufgrund der Gegenwart von eingeschlossenem Gas (z.B. Wasserstoff oder Wasserdampf) erzeugt wurden.
4 ist eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahtes, die Mikroporosität zeigt.
5 ist eine Prinzipskizze der Ultraschallvorrichtung, die benutzt wird, um Fasern mit geschmolzenen Metallen zu durchdringen.
6 ist eine Prinzipskizze der Dreipunkt-Biegefestigkeits-Prüfvorrichtung.
7 ist eine Prinzipskizze der Wire-Proof-Test-Vorrichtung.
8 und 9 sind Prinzipskizzen von Querschnitten zweier Ausführungsformen von oberirdischen elektrischen Energieübertragungskabeln mit Verbund-Metallmatrixkernen.
10 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines verseiften Kabels vor der Anbringung eines Haltemittels um die mehreren Litzen herum.
11 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Übertragungskabels.
12 ist ein Querschnitt eines Probekörpers für die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt verhältnismäßig große Längen von Metallmatrixverbunddraht mit bedeutend verbesserten mechanischen Eigenschaften bereit, wie z.B. dadurch ausgewiesen, dass Längen von mindestens 300 Metern des erfindungsgemäßen Metallmatrixverbunddrahtes einen Biegeversagenswert von null aufweisen. Obwohl nicht gewünscht wird, an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass solche verbesserten Eigenschaften durch Verringern oder Beseitigen örtlicher Fehler (z.B. örtlich trockener Faser, örtlicher Porosität infolge von Schrumpfung oder innerer Gashohlräume, Mikroporosität und/oder örtlicher intermetallischer Verbindungen) in dem Draht während seiner Herstellung erhalten werden.
Obwohl bekannt ist, dass die Gegenwart von Fehlern in dem Draht, wie z.B. intermetallischen Phasen, trockener Faser, Porosität infolge z.B. Schrumpfung oder innerer Gashohlräume (z.B. von Wasserstoff oder Wasserdampf) usw., die Eigenschaften, wie z.B. die Festigkeit des Drahtes, verschlechtern, haben die Anmelder entdeckt und glauben, obwohl sie nicht wünschen, an die Theorie gebunden zu sein, dass die Gegenwart von Fehlern in bekannten Metallmatrixverbunddrähten längs der Drahtlängen häufiger ist, als in dem Fachgebiet bekannt ist. Beispielsweise bedeutet das Prüfen oder Analysieren von einem Meter Draht hinsichtlich seiner Eigenschaften und anderer Kennzeichen nicht notwendigerweise, dass eine Länge von 10 Metern, 50 Metern, 100 Metern usw. des Drahtes durchweg den gewünschten Grad an Eigenschaften oder Kennzeichen aufweisen wird. Solche Fehler in dem Draht können örtliche intermetallische Phasen, örtlich trockene (d.h. unbeschichtete) Faser (siehe z.B. 1), Porosität infolge von Schrumpfung (siehe z.B. 2) oder innere Gashohlräume (siehe z.B. 3) und Mikroporosität (siehe z.B. 4) sein. Es wird angenommen, dass solche Fehler die Eigenschaften, wie z.B. die Festigkeit des Metallmatrixverbunddrahtes, drastisch verschlechtern können. Obwohl nicht gewünscht wird, an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass bevorzugte Drähte, die mittels des erfinderischen Verfahrens der Anmelder hergestellt sind, auf ihrer Länge im Vergleich zum Fachgebiet einen oder mehrere derartige Fehler in bedeutend geringerer Zahl aufweisen (oder diese sogar beseitigt sind), wodurch Draht mit bedeutend verbesserten Eigenschaften bereitgestellt ist, was sich beispielsweise darin äußert, dass der Draht auf Längen von mindestens 300 Metern einen Biegeversagenswert von null aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt Drähte und Kabel bereit, die faserverstärkte Metallmatrixverbunde aufweisen. Ein erfindungsgemäßer Verbunddraht weist mindestens ein Tau auf, das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, länglich angeordnete Verstärkungsfasern, wie z.B. Keramikverstärkungsfasern (z.B. auf Basis von Al₂O₃) aufweist, die in einer Matrix eingekapselt sind, die ein oder mehrere Metalle (z.B. hochreines elementares Aluminium oder Legierungen aus reinem Aluminium mit anderen Elementen, wie z.B. Kupfer) aufweist. Vorzugsweise sind in einem erfindungsgemäßen Draht mindestens etwa 85 % der Anzahl der Fasern im Wesentlichen kontinuierlich. Mindestens ein erfindungsgemäßer Draht kann in ein Kabel, vorzugsweise ein elektrisches Energieübertragungskabel, eingebunden werden.
Die im Wesentlichen kontinuierlichen Verstärkungsfasern weisen einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von mindestens etwa 5 Mikrometern auf. Typischerweise beträgt der durchschnittliche Faserdurchmesser nicht mehr als etwa 50 Mikrometer, noch typischer nicht mehr als etwa 25 Mikrometer.
Die Fasern weisen vorzugsweise einen Modul von nicht größer als etwa 1.000 GPa und stärker bevorzugt nicht größer als etwa 420 GPa auf. Vorzugsweise weisen Fasern einen Modul von größer als etwa 70 GPa auf.
Beispiele für im Wesentlichen kontinuierliche Fasern, die zum Herstellen von erfindungsgemäßen Metallmatrixverbundmaterialien nützlich sein können, sind Keramikfasern, wie z.B. Metalloxidfasern (z.B. Aluminiumoxid) und Siliciumcarbidfasern, und Kohlenstoffasern. Typischerweise sind die Oxidkeramikfasern kristalline Keramik und/oder eine Mischung aus kristalliner Keramik und Glas (d.h., eine Faser kann sowohl kristalline Keramik- als auch Glasphasen enthalten).
Die Keramikfasern weisen eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens etwa 1,4 GPa, vorzugsweise mindestens etwa 1,7 GPa, stärker bevorzugt mindestens etwa 2,1 GPa und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 2,8 GPa auf. Die Kohlenstoffasern weisen eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens etwa 1,4 GPa, vorzugsweise mindestens etwa 2,1 GPa, stärker bevorzugt mindestens etwa 3,5 GPa und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 5,5 GPa auf.
Taue sind in dem Fachgebiet der Fasern allgemein bekannt, und man bezeichnet damit mehrere (einzelne) Fasern (typischerweise mindestens 100 Fasern, noch typischer mindestens 400 Fasern), die zu einer seilartigen Form zusammengefasst sind. Taue weisen vorzugsweise mindestens 780 einzelne Fasern je Tau und stärker bevorzugt mindestens 2.600 einzelne Fasern je Tau auf. Taue aus Keramikfasern sind in einer Vielfalt an Längen, einschließlich von 300 Metern und mehr, erhältlich. Die Fasern können eine Querschnittsform aufweisen, die rund oder elliptisch ist.
Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxidfasern sind in dem Fachgebiet bekannt, und dazu gehört das Verfahren, das in US-A-4,954,462 offenbart ist.
Die Aluminiumoxidfasern sind vorzugsweise Fasern auf Basis von polykristallinem alpha-Aluminiumoxid und weisen auf einer theoretischen Oxidbasis mehr als etwa 99 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent SiO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumoxidfasern, auf. Unter einem anderen Gesichtspunkt weisen bevorzugte Fasern auf Basis von polykristallinem alpha-Aluminiumoxid alpha-Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Korngröße von weniger als 1 Mikrometer (stärker bevorzugt weniger als 0,5 Mikrometer) auf. Unter einem anderen Gesichtspunkt weisen bevorzugte Fasern auf Basis von polykristallinem alpha-Aluminiumoxid eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens 1,6 GPa (vorzugsweise mindestens 2,1 GPa, stärker bevorzugt mindestens 2,8 GPa) auf. Bevorzugte alpha-Aluminiumoxid-Fasern sind im Handel unter der Handelsbezeichnung „NEXTEL 610" von der 3M Company aus St. Paul, MN erhältlich.
Geeignete Alumosilicatfasern sind in US-A-4,047,965 beschrieben. Die Alumosilicatfasern weisen vorzugsweise auf einer theoretischen Oxidbasis im Bereich von etwa 67 bis etwa 85 Gewichtsprozent Al₂O₃ und im Bereich von etwa 33 bis etwa 15 Gewichtsprozent SiO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht der Alumosilicatfasern, auf. Einige bevorzugte Alumosilicatfasern weisen auf einer theoretischen Oxidbasis im Bereich von etwa 67 bis etwa 77 Gewichtsprozent Al₂O₃ und im Bereich von etwa 33 bis etwa 23 Gewichtsprozent SiO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht der Alumosilicatfasern, auf. Eine bevorzugte Alumosilicatfaser weist auf einer theoretischen Oxidbasis etwa 85 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 15 Gewichtsprozent SiO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht der Alumosilicatfasern, auf. Eine andere bevorzugte Alumosilicatfaser weist auf einer theoretischen Oxidbasis etwa 73 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 27 Gewichtsprozent SiO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht der Alumosilicatfasern, auf. Bevorzugte Alumosilicatfasern sind im Handel unter den Handelsbezeichnungen Oxidkeramikfasern „NEXTEL 440", Oxidkeramikfasern „NEXTEL 550" und Oxidkeramikfasern „NEXTEL 720" von der 3M Company erhältlich.
Geeignete Alumoborosilicatfasern sind in US-A-3,795,524 beschrieben. Die Alumoborosilicatfasern weisen vorzugsweise auf einer theoretischen Oxidbasis etwa 35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent (stärker bevorzugt etwa 55 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent) Al₂O₃, mehr als 0 Gewichtsprozent (stärker bevorzugt mindestens etwa 15 Gewichtsprozent) und weniger als etwa 50 Gewichtsprozent (stärker bevorzugt weniger als etwa 45 Prozent und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 44 Prozent) SiO₂ und mehr als etwa 5 Gewichtsprozent (stärker bevorzugt weniger als etwa 25 Gewichtsprozent, noch stärker bevorzugt etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 5 Gewichtsprozent und am stärksten bevorzugt etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent) B₂O₃, bezogen auf das Gesamtgewicht der Alumoborosilicatfasern, auf. Bevorzugte Alumoborosilicatfasern sind im Handel unter der Handelsbezeichnung „NEXTEL 312" von der 3M Company erhältlich.
Geeignete Siliciumcarbidfasern sind im Handel z.B. von COI Ceramics aus San Diego, CA unter der Handelsbezeichnung „NICALON" in Tauen aus 500 Fasern, von Ube Industries aus Japan unter der Handelsbezeichnung „TYRANNO" und von Dow Corning aus Midland, MI unter der Handelsbezeichnung „SYLRAMIC" erhältlich.
Geeignete Kohlenstoffasern sind im Handel z.B. von Amoco Chemicals aus Alpharetta, GA unter der Handelsbezeichnung „THORNEL CARBON" in Tauen aus 2.000, 4.000, 5.000 und 12.000 Fasern, von der Hexcel Corporation aus Stanford, CT, von Grafil, Inc. aus Sacramento, CA (Tochtergesellschaft von Mitsubishi Rayon Co.) unter der Handelsbezeichnung „PYROFIL", von Toray aus Tokio, Japan unter der Handelsbezeichnung „TORAYCA", von Tobo Rayon of Japan, Ltd. unter der Handelsbezeichnung „BESFIGHT", von der Zoltek Corporation aus St. Louis, MO unter den Handelsbezeichnungen „PANEX" und „PYRON" und von Inco Special Products aus Wyckoff, NJ (mit Nickel beschichtete Kohlenstoffasern) unter den Handelsbezeichnungen „12K20" und „12K50" erhältlich.
Handelsübliche Fasern weisen typischerweise ein organisches Schlichtmittel auf, das der Faser bei ihrer Herstellung zugegeben wird, um für Gleitfähigkeit zu sorgen und die Faserlitzen während der Handhabung zu schützen. Es wird angenommen, dass das Schlichtmittel gewöhnlich den Bruch der Fasern verringert, die statische Elektrizität verringert und die Menge an Staub z.B. während der Umwandlung zu einem Gewebe verringert. Das Schlichtmittel kann z.B. durch Auflösen oder Abbrennen entfernt werden. Das Schlichtmittel wird vorzugsweise vor dem Bilden des erfindungsgemäßen Metallmatrixverbunddrahtes entfernt. Auf diese Weise sind die Oxidkeramikfasern vor dem Bilden des Aluminiummatrixverbunddrahtes frei von jeglichem Schlichtmittel darauf.
Es ist auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, dass die Fasern Beschichtungen aufweisen. Beschichtungen können beispielsweise benutzt werden, um die Benetzbarkeit der Fasern zu erhöhen und eine Reak tion zwischen den Fasern und dem geschmolzenen Metallmatrixmaterial zu hemmen oder zu verhindern. Derartige Beschichtungen und Techniken zum Bilden derartiger Beschichtungen sind im Fachgebiet der Fasern und Metallmatrixverbunde bekannt.
Bezogen auf das Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials weisen erfindungsgemäße Drähte vorzugsweise mindestens 15 Volumenprozent (stärker bevorzugt, mit zunehmender Bevorzugung, mindestens 20, 25, 30, 35, 40 oder 50 Volumenprozent) der Fasern auf. Bezogen auf das Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials weisen erfindungsgemäße Metallmatrixverbunddrähte typischerweise im Bereich von etwa 30 bis etwa 70 (vorzugsweise etwa 40 bis etwa 60) Volumenprozent der Fasern auf.
Erfindungsgemäße Drähte weisen eine Länge, in der Reihenfolge der Bevorzugung, von mindestens 300 Metern, mindestens etwa 400 Metern, mindestens etwa 500 Metern, mindestens etwa 600 Metern, mindestens etwa 700 Metern, mindestens etwa 800 Metern und mindestens etwa 900 Metern auf, auf der sie gemäß dem hierin beschriebenen Wire Proof Test keine Brüche (d.h. einen Biegeversagenswert von null) aufweisen.
Der durchschnittliche Durchmesser des erfindungsgemäßen Drahtes beträgt mindestens 0,5 Millimeter (mm), vorzugsweise etwa 1 mm und stärker bevorzugt mindestens etwa 1,5 mm. Unter einem anderen Gesichtspunkt weisen erfindungsgemäße Drähte vorzugsweise eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens etwa 350 MPa auf.
Das Matrixmaterial kann so ausgewählt werden, dass es nicht in bedeutendem Maße mit dem Fasermaterial chemisch reagiert (d.h. gegenüber dem Fasermaterial chemisch verhältnismäßig inert ist), um beispielsweise die Notwendigkeit zu beseitigen, auf dem Faseräußeren eine Schutzbeschichtung zu schaffen. Zu bevorzugten Metall matrixmaterialien gehören Aluminium, Zink, Zinn und Legierungen daraus (z.B. eine Legierung aus Aluminium und Kupfer). Stärker bevorzugt weist das Matrixmaterial Aluminium und Legierungen daraus auf. Die angegebenen Schmelzpunkte von Aluminium, Zink und Zinn sind 660 °C, 420 °C bzw. 232 °C. Bei Aluminiummatrixmaterialien weist die Matrix vorzugsweise mindestens 98 Gewichtsprozent Aluminium, stärker bevorzugt mindestens 99 Gewichtsprozent Aluminium, noch stärker bevorzugt mehr als 99,9 Gewichtsprozent Aluminium und am stärksten bevorzugt mehr als 99,95 Gewichtsprozent Aluminium auf. Bevorzugte Aluminiumlegierungen aus Aluminium und Kupfer weisen mindestens etwa 98 Gewichtsprozent Al und bis zu etwa 2 Gewichtsprozent Cu auf. Obwohl Metalle mit höherer Reinheit zum Herstellen von Drähten mit größerer Zugfestigkeit gewöhnlich bevorzugt sind, sind weniger reine Formen von Metallen ebenfalls nützlich.
Geeignete Metalle sind im Handel erhältlich. Aluminium ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung „SUPER PURE ALUMINUM, 99,99 % Al" von Alcoa aus Pittsburgh, PA erhältlich. Aluminiumlegierungen (z.B. Al/2 Gew.% Cu (0,03 Gew.% Verunreinigungen)) können von Belmont Metals, New York, NY bezogen werden. Zink und Zinn sind beispielsweise von Metal Services, St. Paul, MN („Reines Zink", 99,999%ige Reinheit und „Reines Zinn", 99,95%ige Reinheit) erhältlich. Ein Beispiel für Zinnlegierungen (die beispielsweise durch Zugeben des Aluminiums zu einem Bad aus geschmolzenem Zinn bei 550 °C und Stehen lassen des Gemischs während 12 Stunden vor der Benutzung hergestellt werden können) ist 92 Gew.% Sn/8 Gew.% Al. Ein Beispiel für Zinnlegierungen (die beispielsweise durch Zugeben des Aluminiums zu einem Bad aus geschmolzenem Zink bei 550 °C und Stehen lassen des Gemischs während 12 Stunden vor der Benutzung hergestellt werden können) ist 90,4 Gew.% Zn/9,6 Gew.% Al.
Die Fasern, das Matrixmaterial und die Verfahrens schritte zum Herstellen von erfindungsgemäßem Metallmatrixverbunddraht werden jeweils ausgewählt, um Metallmatrixverbunddraht mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise werden die Faser- und die Metallmatrixmaterialien so ausgewählt, dass sie ausreichend kompatibel mit einander und dem Drahtfertigungsverfahren sind, um den gewünschten Draht herzustellen. Weitere Einzelheiten bezüglich einiger bevorzugter Techniken zum Herstellen von Aluminium- und Aluminiumlegierungsmatrixverbunden sind beispielsweise in US-A-6,245,425 und WO-A-97/00 976 offenbart.
Erfindungsgemäßer kontinuierlicher Metallmatrixverbunddraht kann beispielsweise durch kontinuierliche Metallmatrix-Eindringverfahren hergestellt werden. Eine Prinzipskizze einer bevorzugten Vorrichtung zum Herstellen von erfindungsgemäßem Draht ist in 5 gezeigt. Taue aus im Wesentlichen kontinuierlichen Keramik- und/oder Kohlenstoffasern 51 werden von den Lieferspulen 50 geliefert, zu einem runden Bündel zusammengefasst und mittels Hitze gereinigt, während sie durch den Röhrenofen 52 hindurchgehen. Die Fasern werden dann in der Vakuumkammer 53 evakuiert, bevor sie in den Tiegel 54 eintreten, der die Schmelze des metallischen Matrixmaterials 61 (hierin auch als „geschmolzenes Metall" bezeichnet) enthält. Die Fasern werden mittels des Caterpullers 55 von den Lieferspulen 50 gezogen. Die Ultraschallsonde 56 wird in der Schmelze in der Nähe der Faser angeordnet, um das Eindringen der Schmelze in die Taue 51 zu unterstützen. Das geschmolzene Metall des Drahtes kühlt ab und verfestigt sich, nachdem es durch den Auslas 57 aus dem Tiegel 54 heraustritt, obwohl schon ein gewisses Abkühlen erfolgen kann, bevor er den Tiegel 54 vollständig verlässt. Das Abkühlen des Drahtes 59 wird durch Ströme von Gas oder Flüssigkeit 58 verstärkt. Der Draht 59 wird von der Spule 60 aufgenommen. Wahlweise wird der Draht innerhalb des Verfahrens unter Benutzung des Wire Proof Tests, beschrieben in den untenstehenden Beispielen, geprüft.
Das Reinigen der Faser mittels Hitze hilft beim Entfernen oder Verringern der Menge an Schlichtmittel, adsorbiertem Wasser und anderen flüchtigen oder verdampfbaren Materialien, die an der Oberfläche der Fasern vorhanden sein können. Die Fasern werden vorzugsweise mittels Hitze gereinigt, bis der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche der Faser einen Flächenanteil von weniger als 22 % ausmacht. Die Temperatur des Röhrenofens beträgt mindestens 300 °C, typischerweise mindestens 1.000 °C, während mindestens einiger Sekunden auf Temperatur, obwohl die jeweilige(n) Temperatur(en) und Dauer(n) beispielsweise von dem Reinigungsbedarf der jeweiligen Faser abhängen, die benutzt wird.
Die Fasern werden evakuiert, bevor sie in die Schmelze eintreten, da festgestellt wurde, dass die Anwendung einer derartigen Evakuierung gewöhnlich die Bildung von Fehlern, wie z.B. örtlichen Bereichen mit trockenen Fasern, vermindert oder beseitigt. Die Fasern werden in einem Vakuum von nicht höher als 2.666 Pa (20 Torr), vorzugsweise nicht höher als 1.333 Pa (10 Torr), stärker bevorzugt nicht höher als 133,3 Pa (1 Torr) und noch stärker bevorzugt nicht höher als 93,31 Pa (0,7 Torr) evakuiert.
Ein Beispiel für ein geeignetes Vakuumsystem ist ein Einlassrohr, das größenmäßig so ausgelegt ist, dass es dem Durchmesser des Faserbündels entspricht. Das Einlassrohr kann beispielsweise ein Rohr aus rostfreiem Stahl oder Aluminiumoxid sein und ist typischerweise mindestens 30 cm lang. Eine geeignete Vakuumkammer weist typischerweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 cm bis etwa 20 cm und eine Länge im Bereich von etwa 5 cm bis etwa 100 cm auf. Die Förderleistung der Vakuumpumpe beträgt vorzugsweise mindestens 0,2 bis 0,4 Kubikmeter/Minute. Die evakuierten Fasern werden durch ein Rohr am Vakuumsystem, das in das Aluminiumbad eindringt, in die Schmelze eingebracht (d.h., die evakuierten Fasern befinden sich unter Vakuum, wenn sie in die Schmelze eingeführt werden), obwohl die Schmelze sich typischerweise im Wesentlichen unter Atmosphärendruck befindet. Der Innendurchmesser des Auslassrohrs entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Faserbündels. Ein Teil des Auslassrohrs ist in dem geschmolzenen Aluminium eingetaucht. Vorzugsweise sind etwa 0,5 bis 5 cm des Rohres in dem geschmolzenen Metall eingetaucht. Das Rohr wird so ausgewählt, dass es in dem geschmolzenen Metallmaterial stabil ist. Beispiele für Rohre, die typischerweise geeignet sind, sind Siliciumnitrid- und Aluminiumoxidrohre.
Das Eindringen des geschmolzenen Metalls in die Fasern wird typischerweise durch die Benutzung von Ultraschall verstärkt. Beispielsweise wird ein Schwingungshorn so in dem geschmolzenen Metall angeordnet, dass es sich sehr nahe bei den Fasern befindet. Vorzugsweise befinden sich die Fasern innerhalb 2,5 mm von der Hornspitze, stärker bevorzugt innerhalb 1,5 mm von der Hornspitze. Die Hornspitze ist vorzugsweise aus Niob oder aus Legierungen von Niob, wie z.B. 95 Gew.% Nb/5 Gew.% Mo und 91 Gew.% Nb/9 Gew.% Mo, hergestellt und kann beispielsweise von PMTI, Pittsburgh, PA bezogen werden. Weitere Einzelheiten bezüglich der Benutzung von Ultraschall zum Herstellen von Metallmatrixverbunden siehe beispielsweise US-A-4,649,060, US-A-4,779,563, US-A-4,877,643, US-A-6,245,425 und WO-A-97/00 976.
Das geschmolzene Metall wird vorzugsweise während und/oder vor dem Eindringen entgast (z.B. durch Verringern der Menge an Gas (z.B. Wasserstoff), das in dem geschmolzenen Metall gelöst ist). Techniken zum Entgasen von geschmolzenem Metall sind im Fachgebiet der Metallbearbeitung allgemein bekannt. Das Entgasen der Schmelze verringert gewöhnlich die Gasporosität des Drahtes. Für geschmolzenes Aluminium beträgt die Was serstoffkonzentration der Schmelze vorzugsweise, in der Reihenfolge der Bevorzugung, weniger als 0,2, 0,15 und 0,1 cm³/100 Gramm Aluminium.
Der Auslass wird so konfiguriert, dass der gewünschte Drahtdurchmesser geschaffen wird. Typischerweise ist ein auf seiner Länge gleichmäßig runder Draht erwünscht. Der Durchmesser des Auslasses ist gewöhnlich etwas kleiner als der Durchmesser des Drahtes. Beispielsweise ist der Durchmesser eines Siliciumnitrid-Auslasses für einen Aluminium-Verbunddraht, der etwa 50 Volumenprozent Aluminiumoxidfasern enthält, etwa 3 Prozent kleiner als der Durchmesser des Drahtes. Der Auslass ist vorzugsweise aus Siliciumnitrid hergestellt, obwohl andere Materialien ebenfalls nützlich sein können. Zu anderen Materialien, die im Fachgebiet als Auslässe benutzt worden sind, gehört herkömmliches Aluminiumoxid. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, dass Siliciumnitrid-Auslässe sich bedeutend weniger abnutzen als herkömmliche Aluminiumoxid-Auslässe und folglich zum Schaffen des gewünschten Durchmessers und Form des Drahtes, insbesondere über Längen von Draht hinweg, nützlicher sind.
Der Draht wird nach dem Austreten aus dem Auslass abgekühlt, indem der Draht mit einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) oder einem Gas (z.B. Stickstoff, Argon oder Luft) in Berührung gebracht wird. Dieses Abkühlen hilft dabei, die wünschenswerten Rundheits- und Gleichmäßigkeitskennzeichen zu schaffen.
Der Durchmesser des resultierenden Drahtes ist typischerweise kein vollkommener Kreis. Das Verhältnis des kleinsten zu dem größten Durchmesser (d.h. für einen gegebenen Punkt auf der Länge des Drahtes das Verhältnis des kleinsten Durchmessers zu dem größten Durchmesser, wobei es bei einem vollkommenen Draht 1 betrüge) beträgt typischerweise mindestens 0,9, in aufsteigender Reihenfolge der Erwünschtheit vorzugsweise mindestens 0,90, 0,91, 0,92, 0,93, 0,94 und 0,95. Die Querschnittsform des Drahtes kann beispielsweise rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder dreieckig sein. Vorzugsweise ist die Querschnittsform von erfindungsgemäßem Draht rund oder nahezu rund. Der durchschnittliche Durchmesser von erfindungsgemäßem Draht beträgt vorzugsweise mindestens 1 mm, stärker bevorzugt mindestens 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 3 mm oder 3,5 mm.
Erfindungsgemäße Metallmatrixverbunddrähte können in einer Vielfalt von Anwendungen benutzt werden. Sie sind besonders nützlich in oberirdischen elektrischen Energieübertragungskabeln.
Erfindungsgemäße Kabel können homogen (d.h. nur einen Typ Metallmatrixverbunddraht aufweisend) oder inhomogen (d.h. mehrere sekundäre Drähte, wie z.B. Metalldrähte, aufweisend) sein. Als ein Beispiel für ein inhomogenes Kabel kann der Kern mehrere erfindungsgemäße Drähte mit einer Hülle aufweisen, die mehrere sekundäre Drähte (z.B. Aluminiumdrähte) aufweist.
Erfindungsgemäße Kabel können verseilt sein. Ein verseiltes Kabel weist typischerweise einen Zentraldraht und eine erste Lage von Drähten auf, die spiralförmig um den Zentraldraht verseilt sind. Das Kabelverseilen ist ein Verfahren, wobei einzelne Drahtlitzen zu einer spiralförmigen Anordnung kombiniert werden, um ein fertiges Kabel herzustellen (siehe z.B. US-A-5,171,942 und US-A-5,554,826). Das resultierende spiralförmig verseilte Drahtseil bietet weit größere Flexibilität, als durch einen festen Stab mit äquivalenter Querschnittsfläche verfügbar wäre. Die spiralförmige Anordnung ist auch nützlich, da das verseilte Kabel seine gesamte runde Querschnittsform bewahrt, wenn das Kabel bei der Handhabung, Installation und Benutzung gebogen wird. Spiralförmig gewundene Kabel können nur 7 einzelne Litzen aufweisen oder in gewöhnlicheren Ausfüh rungen 50 oder mehr Litzen enthalten.
Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes elektrisches Energieübertragungskabel ist in 8 gezeigt, worin ein erfindungsgemäßes elektrisches Energieübertragungskabel 130 ein Kern 132 aus neunzehn einzelnen Verbundmetallmatrixdrähten 134, der von einem Mantel 136 aus dreißig einzelnen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsdrähten 138 umgeben ist, sein kann. Ebenfalls kann, wie in 9 gezeigt, als eine von vielen Alternativen ein erfindungsgemäßes oberirdisches elektrisches Energieübertragungskabel 140 ein Kern 142 aus siebenunddreißig einzelnen Metallmatrixverbunddrähten 144 sein, der von einem Mantel 146 aus einundzwanzig einzelnen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsdrähten 148 umgeben ist, sein.
10 veranschaulicht eine noch andere Ausführungsform des verseilten Kabels 80. In dieser Ausführungsform weist das verseilte Kabel einen zentralen Metallmatrixverbunddraht 81A und eine erste Lage 82A aus Metallmatrixverbunddrähten auf, die spiralförmig um den zentralen Metallmatrixverbunddraht 81A gewickelt worden sind. Diese Ausführungsform weist ferner eine zweite Lage 82B aus Metallmatrixverbunddrähten 81 auf, die spiralförmig um die erste Lage 82A verseilt worden sind. In jede Lage kann jede beliebige geeignete Anzahl von Metallmatrixverbunddrähten 81 kann einbezogen sein. Zudem können mehr als zwei Lagen in das verseilte Kabel 80 einbezogen werden, falls gewünscht.
Erfindungsgemäße Kabel können als blanke Kabel benutzt werden, oder sie können als der Kern eines Kabels mit größerem Durchmesser benutzt werden. Auch können erfindungsgemäße Kabel zu verseilten Kabeln aus mehreren Drähten mit einem Haltemittel um die mehreren Drähte herum gebildet sein. Das Haltemittel kann beispielsweise eine Bandumhüllung, wie z.B. in 10 als 83 gezeigt, mit oder ohne Klebstoff oder ein Bindemittel sein.
Erfindungsgemäße verseilte Kabel sind in zahlreichen Anwendungen nützlich. Es wird angenommen, dass solche verseilten Kabel aufgrund ihrer Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit, guter elektrischer Leitfähigkeit, kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, hohen Anwendungstemperaturen und Korrosionsbeständigkeit zur Benutzung in oberirdischen elektrischen Energieübertragungskabeln besonders nützlich sind.
Eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Übertragungskabels 90 ist in 11 veranschaulicht. Ein derartiges Übertragungskabel weist einen Kern 91 auf, der ein beliebiger der hierin beschriebenen verseilten Kerne sein kann. Das Energieübertragungskabel 90 weist um den verseilten Kern 91 herum auch mindestens eine Leiterlage auf. Wie veranschaulicht, weist das Energieübertragungskabel zwei Leiterlagen 93A und 93B auf. Nach Wunsch können mehr Leiterlagen benutzt werden. Jede Leiterlage weist vorzugsweise mehrere Leiterdrähte auf, wie im Fachgebiet bekannt ist. Zu geeigneten Materialien für die Leiterdrähte gehören Aluminium und Aluminiumlegierungen. Die Leiterdrähte können mittels geeigneter Kabelverseilungsausrüstung, die im Fachgebiet bekannt ist, um den verseilten Kern 91 herum verseift werden.
In anderen Anwendungen, in denen das verseilte Kabel als ein Fertigprodukt benutzt werden soll oder in denen es als ein Zwischenprodukt oder als Komponente in einem anderen Nachfolgeprodukt benutzt werden soll, weist das verseilte Kabel vorzugsweise um die mehreren Metallmatrixverbunddrähte 81 herum keine Lagen aus elektrischen Energieleitern auf.
Weitere Einzelheiten bezüglich Kabel, die aus Metallmatrixverbunddrähten hergestellt werden, sind beispielsweise in US-A-6,559,385, US-A-6,245,425 und WO-A-97/00 976 offenbart. Weitere Einzelheiten bezüglich des Herstellens von Metallmatrixverbundmaterialien und Kabeln, die diese enthalten, sind beispielsweise in EP-A-1 301 646, EP-A-1 301 644 und EP-A-1 301 645 offenbart.
Beispiele
Diese Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht, jedoch sollten die jeweiligen Materialien und deren Mengen, die in diesen Beispielen angeführt sind, ebenso wie andere Bedingungen und Einzelheiten nicht als diese Erfindung ungebührlich beschränkend aufgefasst werden. Dem Fachmann werden viele Modifikationen und Änderungen der Erfindung offensichtlich. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Teile und Prozentangaben gewichtsbezogen.
Prüfverfahren
Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung
Die Biegefestigkeit wurde unter Benutzung eines Dreipunkt-Biegeverfahrens gemessen, das aus dem ASTM-Standard E855-90, Prüfverfahren B, veröffentlicht in ASTM 1992 Annual Book of Standards, Kapitel 3, Band 03.01, veröffentlicht von ASTM, Philadelphia, PA stammt. Die Dreipunkt-Biegefestigkeit ist die nominale Spannung in der Außenfläche des Drahtes, die dazu führt, dass der Probekörper in zwei oder mehr separate Teile zerbricht. Die Prüfung wurde unter Benutzung eines Universal-Prüfrahmens, ausgestattet mit einer Dreipunkt-Biegebefestigungsvorrichtung und einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Aufzeichnen der Belastung (beide erhalten von MTS, Eden Prairie, MN) bei Raumtemperatur (etwa 20 °C) an zufällig ausgewählten Proben durchgeführt. Die Dreipunkt-Biegefestigkeit σ_b einer Probe, die im Verhältnis zu ihrer Dicke lang ist, geprüft mittels Dreipunkt-Biegeversuch, ist durch Gleichung 1 gegeben:
wobei F die maximale Belastung ist, die von dem Kraftaufnehmer aufgezeichnet wird, l die Stützweite ist (d.h. der Abstand zwischen zwei Auflagern), y_m der lotrechte Abstand von der neutralen Achse bis zur Oberfläche des Probekörpers ist (siehe 12) und I das Flächenträgheitsmoment ist. Bezugnehmend auf 12 ist das Flächenträgheitsmoment ein Maß für den Widerstand des gleichförmigen Abschnitts gegen Biegen um die waagerechte Achse 242. Das Flächenträgheitsmoment ist gegeben durch:
wobei b(y) die Breite des Abschnitts bei y ist. Es ist bekannt, dass die Gleichungen geeignete Näherungen zum Berechnen des Flächenträgheitsmomentes I liefern. Die Gleichungen werden so gewählt, dass sie zu dem Querschnitt der Probe passen. Beispielsweise ist das Flächenträgheitsmoment I für runde oder nahezu runde Querschnitte gegeben durch:
wobei d der Durchmesser des Querschnitts ist. Für Drähte, die nicht vollkommen rund sind, wird die Dreipunkt-Biegefestigkeit durch Ausrichten der kurzen Achse des Drahtes senkrecht in der Prüfvorrichtung gemessen. Der Durchmesser des Drahtes wurde unter Benutzung eines Mikrometers (mit einer Genauigkeit von mindestens ± 2 %) gemessen. Die Drähte aus den Beispielen waren nicht vollkommen rund (waren jedoch nahezu rund). Daher wurden sowohl der kleinste als auch der größte Durchmesser (an denselben Stellen des Drahtes) gemessen. Das Verhältnis des kleinsten zu dem größten Durchmesser war bei allen Drähten aus den Beispielen größer als 0,9. An jedem Probekörper wurde auf einer Länge von 15 cm der kleinste Durchmesser alle 5 cm bei insgesamt drei Durchmessermeßwerten gemessen. Da die Querschnitte der Drähte aus den Beispielen nahezu rund waren, wurde Gleichung 3 (oben) für das Flächenträgheitsmoment I benutzt. Der Durchmesser d, der in der Gleichung benutzt wurde, war der Durchschnitt der drei Messwerte des kleinsten Durchmessers.
Der Probekörper wurde als ein einfacher Stab in einer symmetrischen Dreipunkt-Belastung belastet. Die Biegefestigkeit wurde durch monotones Belasten bis zum Brechen des Drahtes erhalten. Die Belastung beim Versagen P wurde aufgezeichnet und benutzt, um die Dreipunkt-Biegefestigkeit gemäß Gleichung 1 (mit Gleichung 3) zu berechnen. Eine Prinzipskizze der Prüfvorrichtung ist in 6 gezeigt. Die Vorrichtung bestand aus zwei verstellbaren Auflagern 214, einem Mittel zum Aufbringen einer Belastung 212 und einem Mittel zum Messen der Belastung 216. Die Auflager waren Stifte aus gehärtetem Stahl mit einem Radius von 3 mm an der tragenden Kante. Der Abstand zwischen den Auflagern war längs der Längsachse des Probekörpers verstellbar. Der zu prüfende Probekörper ist als 211 gezeigt.
Die Probekörper waren gerade, nicht gewellt oder verdreht. Die Stützweite betrug das 15- bis 22fache des kleinsten Drahtdurchmessers (d). Die Gesamtlänge des Probekörpers betrug mindestens das 50fache des kleinsten Drahtdurchmessers (d). Der Probekörper wurde symmetrisch auf die Auflager gesetzt und vorsichtig von Hand mit einem Band versehen, um die Reibung an den Auflagern zu minimieren.
Die Dreipunkt-Biegefestigkeit, die für den Wire Proof Test benutzt wurde, der unten beschrieben ist, war der Durchschnitt der Dreipunkt-Biegefestigkeiten von acht Proben.
Wire Proof Test
Der Draht wurde bei Raumtemperatur (etwa 20 °C) in einem Biegemodus bei einem eingestellten Wert der gemessenen Dreipunkt-Biegefestigkeit unter Benutzung einer Vorrichtung, deren Prinzipskizze in 7 dargestellt ist, kontinuierlich abnahmegeprüft. (Zu prüfender) Draht 21 wurde von der Spule 20 geliefert, durch einen ersten und einen zweiten Satz von drei Walzen 22 und 24 geführt und von der Walze 23 über die Stützweite L um 4 cm abgelenkt und auf der Spule 29 aufgenommen. Die Spule 29 wurde angetrieben, um den Draht von der Spule 20 durch die Prüfvorrichtung zu ziehen. Die Walzensätze 22 und 24 waren Stahllager von 40 mm Durchmesser. Die Außenflächen der Walzen in den Walzensätzen 22 und 24 wiesen jeweils eine kleine V-förmige Vertiefung auf, die in der Mitte um den Durchmesser der Walze herum angeordnet war. Die V-förmige Vertiefung war etwa 1 mm tief und etwa 1 mm breit. Der geprüft werdende Draht wurde in der V-förmigen Vertiefung so ausgerichtet, dass er sich bei der Prüfung im rechten Winkel zur Achse der Walzen bewegte. Die beiden unteren Walzen jedes Walzensatzes 22 und 24 befanden sich in einem Abstand von 100 mm von Mitte zu Mitte. Die obere Walze jedes Walzensatzes 22 und 24 befand sich in einem symmetrischen Abstand zwischen den jeweiligen unteren Walzen. Die senkrechte Position der oberen Walze jedes Walzensatzes 22 und 24 war verstellbar. Der Abstand zwischen den Außenflächen der oberen und den unteren Walzen jedes Walzensatzes 22 und 24 war gleich dem (durchschnittlichen kleinsten) Drahtdurchmesser, wie berechnet für die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung oben (d.h. d). Der Abstand war so, dass der Draht 21 gestützt wurde, sich jedoch mit minimaler Spannung (d.h. weniger als 1 Newton) frei zwischen den oberen und den unteren Walzen in den Walzensätzen 22 und 24 bewegen konnte. Die mittlere Walze 23 ist ein Stahllager mit einem Außendurchmesser von 40 mm, das sich symmetrisch zwischen den Walzensätzen 22 und 24 befand.
Die Spannung in dem Draht zwischen den Spulen 20 und 29 betrug für Draht mit einem (durchschnittlichen kleinsten) Durchmesser, wie berechnet für die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung oben (d.h. d), von größer als oder gleich 1,5 mm nicht mehr als 100 Newton. Die Spannung in dem Draht zwischen den Spulen 20 und 29 betrug für Draht mit einem (durchschnittlichen kleinsten) Durchmesser, wie berechnet für die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung oben (d.h. d), von weniger als 1,5 mm nicht mehr als 20 Newton. Die Stützweite L im Wire Proof Test war der Abstand zwischen den inneren Walzen in den Walzensätzen 22 und 24 von Mitte zu Mitte. Die Stützweite L war auf das 120- bis 260fache des (durchschnittlichen kleinsten) Drahtdurchmessers, wie berechnet für die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung oben (d.h. d), eingestellt. Die Auslenkung der mittleren Walze δ war der Abstand zwischen der Mittellinie eines geraden Drahtes, der durch die Walzensätze 22 und 24 lief, und der unteren Oberfläche der Walze 23. Das Abnahmeprüfen wurde durchgeführt, wobei der Draht sich mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 10 Metern/min bewegte. Die Auslenkung δ der mittleren Walze war so eingestellt, dass sie eine Spannung erzeugte, die 75 der Dreipunkt-Biegefestigkeit des Drahtes, wie bestimmt durch die Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung, entsprach.
Die Auslenkung δ der mittleren Walze 23, die dafür sorgte, dass in dem geprüft werdenden Draht eine Spannung erzeugt wurde, die gleich 75 % der Dreipunkt-Biegefestigkeit (ermittelt wie oben in der Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung beschrieben) war, war durch Gleichung 4 gegeben:
worin L die Stützweite, E der Elastizitätsmodul des Drahtes, y_m wie oben in der Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung definiert und σ_b die Dreipunkt-Biegefestigkeit (bestimmt wie oben in der Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung) waren. Für zylindrische oder nahezu zylindrische Drähte ist die Achse des kleinsten Durchmessers der Drahtes in der Wire-Proof-Test-Vorrichtung senkrecht orientiert; die Auslenkung war gegeben durch:
worin d der (durchschnittliche kleinste) Drahtdurchmesser (bestimmt oben in der Dreipunkt-Biegefestigkeitsprüfung) und E der Modul des Drahtes sind. Der Elastizitätsmodul des Drahtes E wurde abgeschätzt durch: E = f Ef (6)worin f der Faservolumenanteil (bestimmt, wie unten beschrieben) und E_f der Elastizitätsmodul der Faser waren. Die angewendete Auslenkung sollte das Brechen des Drahtes verursachen, wenn die örtliche Drahtfestigkeit weniger als 75 % der Dreipunkt-Biegefestigkeit betrug.
Der Faservolumenanteil wurde mittels einer metallographischen Standardtechnik gemessen. Der Drahtquerschnitt wurde poliert und der Faservolumenanteil unter Benutzung der ein Dichteprofil erstellenden Funktionen mithilfe eines NIH IMAGE genannten Computerprogramms (Version 1.61), ein lizenzfreies Bildverarbeitungsprogramm, das von der Research Services Branch des National Institute of Health entwickelt wurde (erhalten von der Webseite http://rsb.info.nih.gov/nih-image), gemessen. Diese Software maß die mittlere Grauskalenintensität eines typischen Bereichs des Drahtes.
Ein Stück des Drahtes wurde in Einbettungsharz eingebettet (erhalten unter der Handelsbezeichnung „EPOXICURE" von Buehler Inc., Lake Bluff, IL). Der eingebettete Draht wurde unter Benutzung einer herkömmlichen Schleif-/Poliervorrichtung und herkömmlicher Diamantaufschlämmungen poliert, wobei im abschließenden Polierschritt eine 1- Mikrometer-Diamantaufschlämmung, erhalten unter der Handelsbezeichnung „DIAMOND SPRAY" von Struers, West Lake, OH, benutzt wurde, um einen polierten Querschnitt des Drahtes zu erhalten. von dem polierten Drahtquerschnitt wurde eine Rasterelektronenmikroskop-(SEM)-Photomikrographie bei 150x angefertigt. Beim Anfertigen der SEM-Photomikrographien wurde der Schwellenwert des Bildes so eingestellt, dass alle Fasern auf einer Intensität von null waren, um ein binäres Bild zu erzeugen. Die SEM-Photomikrographie wurde mit der Software NIH IMAGE analysiert und der Faservolumenanteil durch Dividieren der mittleren Intensität des binären Bildes durch die maximale Intensität erhalten. Es wurde angenommen, dass die Genauigkeit dieses Verfahrens zum Bestimmen des Faservolumenanteils ±2 % betrug.
Beispiel 1
Aluminiumverbunddraht des Beispiels 1 wurde wie folgt hergestellt: In 5 wurden sechsundsechzig Taue aus Aluminiumoxidfasern von 1.500 Denier (erhältlich von der 3M Company unter der Handelsbezeichnung „NEXTEL 610"; der in der Produktbroschüre von 1996 angegebene Elastizitätsmodul betrug 373 GPa) zu einem einzigen Bündel zusammengefasst. Das einzelne Bündel wurde mittels Hitze gereinigt, indem es mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min durch einen 1-Meter-Rohrofen (erhalten von ATS, Tulsa, OK) unter Luft bei 1.000 °C hindurchgeführt wurde. Das Bündel wurde dann bei 133,3 Pa (1,0 Torr) evakuiert, indem es durch ein Aluminiumoxid-Einlassrohr (Durchmesser 2,7 mm, Länge 30 cm; Durchmesser angepasst an den Durchmesser des Faserbündels) in eine Vakuumkammer (Durchmesser 6 cm, Länge 20 cm) eingeführt wurde. Die Vakuumkammer war mit einer mechanischen Vakuumpumpe ausgestattet, die eine Förderleis tung von 0,4 m³/min aufwies. Nach dem Austreten aus der Vakuumkammer traten die evakuierten Fasern in ein Bad aus geschmolzenem Aluminium ein, durch ein Aluminiumoxid-Auslassrohr (Innendurchmesser 2,7 mm und Länge 25 cm), das teilweise in das Bad aus geschmolzenem Aluminium eingetaucht war (etwa 5 cm). Das Bad aus geschmolzenem Aluminium wurde durch Schmelzen von Aluminium (99,94%ig reines Al, erhalten von NSA ALUMINUM, HAWESVILLE, KY) bei 726 °C hergestellt. Das geschmolzene Aluminium wurde bei etwa 726 °C gehalten und durch Einperlen von 800 cm³/min Argongas durch ein poröses Siliciumcarbid-Rohr (erhalten von Stahl Specialty Co., Kingsville, MO), das in das Aluminiumbad eingetaucht war, kontinuierlich entgast. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Aluminiums wurde gemessen, indem eine Probe des geschmolzenen Aluminiums in einem Kupfertiegel mit einem Hohlraum von 0,64 cm × 12,7 cm × 7,6 cm abgeschreckt und der entstandene verfestigte Aluminiumblock unter Benutzung einer standardisierten massenspektrometrischen Prüfanalyse (erhalten von LECO Corp., St. Joseph, MI) auf seinen Wasserstoffgehalt analysiert wurde.
Das Eindringen des geschmolzenen Aluminiums in das Faserbündel wurde durch die Anwendung von Ultraschallinfiltration erleichtert. Die Ultraschallschwingungen wurden mittels eines Wellenleiters, verbunden mit einem Ultraschallwandler (erhalten von Sonics & Materials, Danbury, CT) erzeugt. Der Wellenleiter bestand aus einem zylindrischen Stab aus 91 Gew.% Nb/9 Gew.% Mo, Durchmesser 25 mm, Länge 90 mm, befestigt mit einer Zentralschraube von 10 mm, die auf einen Titan-Wellenleiter (90 Gew.% Ti/6 Gew.% Al/4 Gew.% V) von 482 mm Länge und 25 mm im Durchmesser aufgeschraubt war. Der Stab aus Nb/9 Gew.% Mo wurde von PMTI, Inc., Large, PA geliefert. Der Niobstab wurde innerhalb von 2,5 mm von der Mittellinie des Faserbündels angeordnet. Der Wellenleiter wurde bei 20 kHz mit einer Verschiebung von 20 Mikrometern an der Spitze betrieben. Das Faserbündel wurde mittels eines Caterpullers (erhalten von Tulsa Power Products, Tulsa, OK), der mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Metern/Minute betrieben wurde, durch das Bad aus geschmolzenem Aluminium gezogen.
Das mit Aluminium durchdrungene Faserbündel trat durch einen Siliciumnitrid-Auslass (Innendurchmesser 2,5 mm, Außendurchmesser 19 mm und Länge 12,7 mm, erhalten von Branson and Bratton Inc., Burr Ridge, IL) aus dem Tiegel aus. Nach dem Austreten aus dem Bad aus geschmolzenem Aluminium wurde das Abkühlen des Drahtes mithilfe zweier Ströme aus Stickstoffgas unterstützt. Spezifischer wurden zwei verbundene Rohre mit einem Innendurchmesser von 4,8 mm an den Seiten jeweils mit fünf Löchern versehen. Die Löcher wiesen einen Durchmesser von 1,27 mm auf und befanden sich auf einer Länge von 30 mm in einem Abstand von 6 mm. Stickstoffgas strömte mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 Litern pro Minute durch die Rohre und trat durch die kleinen seitlichen Löcher aus. Das erste Loch in jedem Rohr war etwa 50 mm vom Auslass und etwa 6 mm von dem Draht entfernt angeordnet. Auf jeder Seite des Drahtes wurde jeweils ein Rohr angeordnet. Der Draht wurde dann auf eine Spule gewickelt. Die Zusammensetzung der Aluminiummatrix des Beispiels 1, bestimmt mittels induktiv gekoppelter Plasmaanalyse, war 0,03 Gew.% Fe, 0,02 Gew.% Nb, 0,03 Gew.% Si, 0,01 Gew.% Zn, 0,003 Gew.% Cu und der Rest Al. Beim Herstellen des Drahtes betrug der Wasserstoffgehalt des Aluminiumbades etwa 0,07 cm³/100 g Aluminium.
Für Beispiel 1 wurden 10 Spulen Aluminiumverbunddraht, Durchmesser 2,5 mm, hergestellt. Jede Spule enthielt mindestens 300 Meter Draht, einige der Spulen sogar 600 Meter Draht.
Die Biegefestigkeit des Drahtes, gemessen gemäß der „Biegefestigkeitsprüfung" unter Benutzung einer Stützweite von 50,8 mm, wurde zu 1,79 GPa bestimmt. Der durchschnittliche Fasergehalt des Drahtes wurde zu 52 Volumenprozent und der Modul unter Benutzung von Gleichung 6 zu 194 GPa bestimmt. Der Draht wurde dann gemäß dem „Wire Proof Test" unter Benutzung einer Stützweite von 406 mm und einer Auslenkung von 38,1 mm abnahmegeprüft. Alle zehn Spulen des Drahtes bestanden den Wire Proof Test ohne jegliche Brüche.
Beispiel 2
Drei Spulen Aluminiumverbunddraht wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Zusammensetzung der Aluminiummatrix des Beispiels 2, bestimmt mittels induktiv gekoppelter Plasmaanalyse, 0,08 Gew.% Si, 0,03 Gew.% Fe, 0,02 Gew.% Nb, 0,01 Gew.% Zn, 0,002 Gew.% Cr, 0,003 Gew.% Cu und der Rest Al war. Jede Spule war mindestens 300 Meter lang und bestand den „Wire Proof Test" ohne jegliche Brüche.
Vergleichsbeispiel A
Ein Spule Aluminiummatrixverbunddraht, Länge 100 m, wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 2 von WO-A-97/00 976 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Durchmesser des Faserbündels 2,0 mm und der Fasergehalt des Drahtes 45 Volumenprozent betrugen. Es wurde angenommen, dass der Wasserstoffgehalt der Aluminiumschmelze beim Herstellen des Drahtes etwa 0,2 bis 0,3 cm³/100 g Aluminium betrug.
Die Biegefestigkeit des Drahtes, gemessen gemäß der „Biegefestigkeitsprüfung" unter Benutzung einer Stützweite von 50,8 mm, wurde zu 2,07 GPa bestimmt. Der Modul des Drahtes wurde unter Benutzung von Gleichung 6 zu 165 GPa bestimmt. Der Draht wurde dann gemäß dem „Wire Proof Test" unter Benutzung einer Stützweite von 305 mm und einer Auslenkung von 40,6 mm abnahmegeprüft. Während dieses Abnahmeprüfens brach der Draht des Vergleichsbeispiels A nach 7 Metern und erneut nach 54 Metern. Die Prüfung wurde an dieser Stelle beendet und die Bruchfläche an einer Bruchstelle unter Benutzung eines Rasterelektronenmikroskops untersucht. An der Bruchfläche wurden „trockene Fasern" beobachtet.
Beispiel 3
Eine Spule Aluminiumverbunddraht wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der folgenden Ausnahme: Anstelle der Aluminiumoxidfaser wurden fünf Taue von 2.000 Tex (g/1.000 Meter) aus Siliciumcarbid-Faser (hergestellt von Nippon Carbon Co. und erhalten unter der Handelsbezeichnung „NICALON CG GRADE" von Dow Corning, Midland, MI (jetzt erhältlich von COI Ceramics, San Diego, CA); der Fasermodul, der im Datenblatt von Dow Corning angegeben ist, betrug 220 GPa) benutzt. Das mittels Hitze gereinigte Siliciumcarbid-Faserbündel wurde bei 1.199,7 Pa (9 Torr) evakuiert, indem das Bündel durch ein Aluminiumoxid-Einlaßrohr (Durchmesser 1,2 mm, Länge 25 cm; Durchmesser angepasst an den Durchmesser des Faserbündels) in die Vakuumkammer eingeführt wurde. Der Druck von 1.199,7 Pa (9 Torr) wurde durch Ausströmenlassen von Argongas in die Vakuumkammer aufrechterhalten. Das Horn wurde innerhalb von 0,6 mm von der Mittellinie des Bündels angeordnet. Das Faserbündel wurde mithilfe des Caterpullers mit einer Geschwindigkeit von 3,6 Metern/Minute durch das Bad aus geschmolzenem Aluminium gezogen, und das durchdrungene Faserbündel trat durch einen Siliciumnitrid-Auslaß mit einem Innendurchmesser von 1 mm aus dem Tiegel aus.
Der resultierende 450 Meter lange Draht wies einen Durchmesser von 1,08 mm auf. Die Biegefestigkeit des Drahtes, gemessen gemäß der „Biegefestigkeitsprüfung" unter Benutzung einer Stützweite von 15,8 mm, wurde zu 1,8 GPa bestimmt. Der durchschnittliche Fasergehalt des Drahtes wurde zu 48 Volumenprozent und der Modul unter Benutzung von Gleichung 6 zu 106 GPa bestimmt. Der Draht wurde dann gemäß dem „Wire Proof Test" unter Benutzung einer Stützweite von 254 mm und einer Auslenkung von 40,6 mm abnahmegeprüft. Der Draht bestand den Wire Proof Test ohne jegliche Brüche.
Beispiel 4
Eine Spule Aluminiumverbunddraht wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der folgenden Ausnahme: Vier Taue aus Alumoborosilicat-Fasern von 2.000 Denier (erhältlich von der 3M Company unter der Handelsbezeichnung „NEXTEL 440", ≈ 70 Gew.% Al₂O₃, ≈ 28 Gew.% SiO₂ und ≈ 2 Gew.% B₂O₃; der Elastizitätsmodul, der in der Produktbroschüre von 1996 (98-0400-5207-2) angegeben ist, betrug 190 GPa. Die Fasern wurden bei 93,31 Pa (0,7 Torr) evakuiert, indem das Faserbündel durch das Aluminiumoxid-Einlaßrohr in die Vakuumkammer eingeführt wurde. Das Horn wurde innerhalb von 0,6 mm von der Mittellinie des Faserbündels angeordnet. Das Faserbündel wurde von dem Caterpuller mit einer Geschwindigkeit von 4,5 Metern/min durch das Bad aus geschmolzenem Aluminium gezogen, und das durchdrungene Faserbündel trat durch einen Siliciumnitrid-Auslaß mit einem Innendurchmesser von 1 mm aus dem Tiegel aus.
Der resultierende 450 Meter lange Draht wies einen Durchmesser von 1,0 mm auf. Die Biegefestigkeit des Drahtes, gemessen gemäß der „Biegefestigkeitsprüfung" unter Benutzung einer Stützweite von 15,8 mm, wurde zu 0,75 GPa bestimmt. Der durchschnittliche Fasergehalt des Drahtes wurde zu 40 Volumenprozent und der Modul unter Benutzung von Gleichung 6 zu 76 GPa bestimmt. Der Draht wurde dann gemäß dem „Wire Proof Test" unter Benutzung einer Stützweite von 254 mm und einer Auslenkung von 30 mm abnahmegeprüft. Die gesamte Länge des Drahtes bestand den Wire Proof Test ohne jegliche Brüche.
Beispiel 5
Beispiel 5 zeigte die Auswirkung der Herstellungsgeschwindigkeit auf die Eigenschaften des Verbunddrahtes. Aluminiummatrixverbunddrähte, Durchmesser 2,5 mm, wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Drahtherstellungsgeschwindigkeit zwischen 1,5 Meter/Min. und 4 m/min variiert wurde. Die Länge des Drahtes, der mit einer gegebenen Geschwindigkeit hergestellt wurde, variierte zwischen 20 Metern und 300 Metern, in Abhängigkeit von der Häufigkeit von Brüchen, die im Wire Proof Test festgestellt wurden. Die Länge betrug mindestens 300 Meter, wenn der Draht nicht brach; ansonsten wurde genügend Draht hergestellt, um mindestens drei Brüche zu erhalten. Dieses Beispiel zeigt, daß der Draht bei niedrigen Geschwindigkeiten, 1,5 m/min und 2,3 m/min, nach Durchlauf von 300 Metern Draht im Wire Proof Test nicht brach (d.h., die Anzahl der Brüche betrug null). Bei einer Geschwindigkeit von etwa 3,55 m/min brach der Draht im Durchschnitt alle 6 Meter. Bei einer Geschwindigkeit von 4 m/min brach der Draht im Durchschnitt jeden Meter. Für Proben, die den Wire Proof Test nicht bestanden, wurde die Prüfung durchgeführt, bis mindestens drei Brüche auftraten. Die Bruchflächen wurden unter Benutzung von Rasterelektronenmikroskopie untersucht. An den Bruchflächen wurden trockene Fasern (d.h. nichtdurchdrungene Fasern) festgestellt.
Beispiel 6
Beispiel 6 zeigte die Auswirkung des Drahtdurchmessers und der Herstellungsgeschwindigkeit auf die Eigenschaften des Verbunddrahtes. Aluminiummatrixverbunddrähte wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß der Durchmesser des Drahtes zwischen 1 Millimeter (mm) und 2,5 mm variiert wurde, und die Drahtgeschwindigkeit wurde für jeden Drahtdurchmesser ebenfalls variiert.
Ein Draht mit einem Durchmesser von 1 mm, hergestellt mit 6,1 m/min, bestand den Wire Proof Test ohne Brüche auf einer Länge von 300 Metern. Der Draht brach aufgrund von trockenen Fasern, wenn die Geschwindigkeit größer oder gleich etwa 10 m/min betrug.
Ein Draht mit einem Durchmesser von 2,5 mm bestand den Wire Proof Test ohne Brüche auf einer Länge von 300 Metern bei einer Herstellungsgeschwindigkeit von 2,3 m/min. Der Draht brach aufgrund von trockenen Fasern, wenn die Geschwindigkeit größer oder gleich etwa 4 m/min betrug.
Beispiel 7
Beispiel 7 zeigte die Auswirkung des Vakuums, der Herstellungsgeschwindigkeit und des Drahtdurchmessers auf die Eigenschaften des Verbunddrahtes. Aluminiummatrixverbunddrähte wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Vakuum zwischen etwa 133,3 Pa (1 Torr) und 101.308 Pa (760 Torr) (Atmosphärendruck) variiert wurde.
Ein Draht mit einem Durchmesser von 2,5 mm bestand den Wire Proof Test ohne Brüche auf einer Länge von 300 Metern, wenn er mit einer Herstellungsgeschwindigkeit von 2,3 m/min unter einem Vakuum von 133,3 Pa (1 Torr) hergestellt war. Der Draht mit einem Durchmesser von 2,5 mm brach in dem Wire Proof Test ständig, wenn er mit einer Herstellungsgeschwindigkeit von 2,3 m/min unter Atmosphärendruck (d.h. 101.308 Pa (760 Torr)) hergestellt war. Das Faserbündel war nicht vollständig von Aluminium durchdrungen. Die Geschwindigkeit wurde auf kleiner als 0,1 m/min verringert, und der Draht wurde immer noch nicht durchdrungen. Bei diesem Durchmesser ermöglichte das Vakuum die Durchdringung des Drahtes mit einem Durchmesser von 2,5 mm.
Ein Draht mit einem Durchmesser von 1 mm bestand den Wire Proof Test ohne Brüche auf einer Länge von 300 Metern, wenn er mit einer Herstellungsgeschwindigkeit von 6,1 m/min bei einem Vakuum von 133,3 Pa (1 Torr) hergestellt war. Der Draht mit einem Durchmesser von 1 mm bestand den Wire Proof Test ohne Brüche auf einer Länge von 300 Metern bei einer Herstellungsgeschwindigkeit von 3 m/min ohne Vakuum (d.h. 101.308 Pa (760 Torr)). Der Draht mit einem Durchmesser von 1 mm brach in dem Wire Proof Test ständig, wenn er mit einer Herstellungsgeschwindigkeit von 6,1 m/min ohne Vakuum (d.h. 101.308 Pa (760 Torr)) hergestellt war.
Beispiel 8
Beispiel 8 zeigte die Auswirkung von Oberflächenkontamination auf die Eigenschaften des Verbunddrahtes. Draht wurde im Wesentlichen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Faser wurde mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min durch einen Rohrofen mit einem Durchmesser von 3 cm und einer Länge von 0,3 Metern, eingestellt auf 1.000 °C, mittels Hitze gereinigt. Mehrere Drahtspulen mit einer Länge von 300 Metern bestanden den Wire Proof Test ohne Brüche.
Die Oberflächenchemie der keramischen Faser („NEXTEL 610") wurde vor und nach dem Reinigen mittels Hitze beurteilt. Die Faser wurde durch Erhitzen auf 1.000 °C während 12 Sekunden gereinigt. Die Faser wurde unter Benutzung von Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) (auch bekannt als Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS)) analysiert. Die benutzte ESCA-Ausrüstung wurde unter der Handelsbezeichnung „HP5950A" von Hewlett-Packard aus Palo Alto, CA bezogen. Die ESCA-Ausrüstung wies einen halbkugelförmigen Elektronenenergieanalysator auf und wurde in einem Modus der konstanten Paßenergie betrieben. Die Röntgenstrahlquelle war Aluminium-K-alpha. Der Sondenwinkel war ein Photoelektronen-Auslenkwinkel von 38 Grad, gemessen mit Bezug auf die Korrekturlinsenachse des Analysators. Die quantitativen Daten wurden unter Benutzung einer Software und Empfindlichkeitsfaktoren berechnet, die von dem Instrumentenhersteller bereitgestellt wurden. Das Kohlenstoffspektrum nach dem Erhitzen zeigte weniger als 22 % Flächenanteile Kohlenstoff auf der Faser an.
Draht wurde im Wesentlichen gemäß Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß örtliche Kohlenstoffkontamination nach dem Rohrofen absichtlich aufgebracht wurde, indem Reinigungsmittel, erhältlich unter dem Handelsnamen „CITRUS CLEANER" von der 3M Company, auf einen Faserabschnitt von 2 cm gesprüht wurde. Der Draht brach in dem Wire Proof Test genau dort, wo die Oberflächenkontamination aufgebracht war.
Auch wurde Draht unter Benutzung von Faser hergestellt, die mit Fingerabdrücken kontaminiert war. Das Kohlenstoffspektrum in solchen kontaminierten Proben wurde mit mehr als 34 % Flächenanteile gemessen. Es wird angenommen, daß eine derartige Kontamination mit Kohlenstoff den Kontaktwinkel vergrößert und eine Verminderung der Durchdringung verursacht.
Beispiel 9
Dieses Beispiel zeigte die Auswirkung von Wasserstoff in der Schmelze. Draht wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Schmelze vor dem Herstellen des Drahtes nicht mindestens 24 Stunden lang mit Argon entgast wurde. Der Drahtdurchmesser betrug 2,5 mm und die Herstellungsgeschwindigkeit 2,3 m/min. Der Draht brach in dem Wire Proof Test auf einer Länge von 300 Metern mindestens dreimal. Die Bruchfläche wurde analysiert und, obwohl nicht gewünscht wird, an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß die Ursache für den Bruch große Hohlräume waren, die von Wasserstoffgas herrührten. Die Hohlräume wiesen einen Durchmesser von etwa 0,5 mm und eine Länge von 2 bis 3 mm oder mehr auf. Ohne die Entgasungsbehandlung der Schmelze, die in Beispiel 1 beschrieben ist, betrug die typische Wasserstoffkonzentration etwa 0,3 cm³/100 Gramm Aluminium.
Auch wurde ein Draht im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß vor dem Herstellen des Drahtes die Schmelze 2 Stunden mit Argon entgast wurde. Der Drahtdurchmesser betrug 2,5 mm und die Herstellungsgeschwindigkeit 2,3 Meter/Min. Der Draht bestand den Wire Proof Test ohne einen Bruch. Die typische Wasserstoffkonzentration der Schmelze nach der Entgasungsbehandlung betrug etwa 0,07 bis 0,1 cm³/100 Gramm Aluminium.
Dem Fachmann werden viele Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung offensichtlich, ohne den Umfang dieser Erfindung zu verlassen, und es versteht sich, daß diese Erfindung nicht ungebührlich auf die veranschaulichenden Ausführungsformen, die hier dargestellt sind, eingeschränkt werden darf.

Claims

Metallmatrixverbunddraht, aufweisend mindestens ein Tau, das mehrere im wesentlichen kontinuierliche, länglich angeordnete Fasern in einer Metallmatrix aufweist, wobei der Metallmatrixverbunddraht durch ein Verfahren erhältlich ist, das die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial, wobei das Metallmatrixmaterial einen Schmelzpunkt von nicht höher als 1.100 °C aufweist, – Reinigen mittels Hitze bei einer Temperatur von mindestens 300 °C und Evakuieren bei einem Druck von nicht höher als 2.666 Pa (20 Torr) mindestens eines Taus, das mehrere im wesentlichen kontinuierliche Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von mindestens 5 μm und einer durchschnittlichen Zugfestigkeit von mindestens 1,4 GPa aufweist, die aus der Gruppe Keramikfasern, Kohlenstoffasern und Mischungen daraus ausgewählt sind, – Eintauchen des mindestens einen Taus in das umschlossene Volumen von geschmolzenem Matrixmaterial, – Übertragen von Ultraschallenergie, um mindestens einen Teil des umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial in Schwingungen zu versetzen, um zu ermöglichen, daß mindestens ein Teil des geschmolzenen Metallmatrixmaterials in die mehreren Fasern eindringt, derart, daß mehrere durchdrungene Fasern bereitgestellt werden, und – Herausziehen der mehreren durchdrungenen Fasern durch einen Auslass aus dem umschlossenen Volumen von geschmolzenem Metallmatrixmaterial unter Flüssigkeits- oder Gasstrombedingungen, die es ermöglichen, daß das geschmolzene Metallmatrixmaterial abkühlt und sich verfestigt, um den Metallmatrixverbunddrahtzu erzeugen, – wobei der Draht einen durchschnittlichen Durchmesser von mindestens 0,5 mm und eine Länge von mindestens 300 Metern aufweist und gemäß dem in der Patentanmeldung beschriebenen Wire Proof Test für 300 Meter des Drahtes einen Biegeversagenswert von null hat.
Verbunddraht nach Anspruch 1, aufweisend mehrere Taue, welche die Fasern aufweisen.
Verbunddraht nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallmatrix, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, mindestens 98 Gewichtsprozent Aluminium aufweist.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens etwa 85 % der Anzahl der Fasern im wesentlichen kontinuierlich sind.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bezogen auf das Gesamtvolumen des Drahtes mindestens etwa 15 Volumenprozent der Fasern und nicht mehr als etwa 70 Volumenprozent Fasern aufweisend.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Länge von mindestens 600 Metern und einem Biegeversagenswert von null auf einer Länge von 600 Metern.
Verbunddraht nach Anspruch 6 mit einer Länge von mindestens 900 Metern und einem Biegeversagenswert von null auf einer Länge von 900 Metern.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metallmatrix Aluminium, Zink, Zinn oder Legierungen davon aufweist.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metallmatrix Aluminium oder Legierungen davon aufweist.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fasern Keramikfasern sind.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Fasern Oxidkeramikfasern sind.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Fasern polykristalline Fasern auf Basis von α-Aluminiumoxid sind.
Verbunddraht nach Anspruch 12, wobei die polykristallinen Fasern auf Basis von α-Aluminiumoxid, bezogen auf den gesamten Metalloxidgehalt der jeweiligen Faser, mindestens 99 Gew.% Al₂O₃ aufweisen.
Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Metallmatrix einen Schmelzpunkt von nicht höher als 1.000 °C aufweist.
Verbunddraht nach Anspruch 14, wobei die Metallmatrix einen Schmelzpunkt von nicht höher als 700 °C aufweist.
Kabel, aufweisend mindestens einen Metallmatrixverbunddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kabel nach Anspruch 16, aufweisend mehrere Taue, welche die Fasern aufweisen.
Kabel nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Drähte spiralförmig verdrillt sind.
Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner aufweisend mehrere sekundäre Drähte.
Kabel nach Anspruch 19, aufweisend einen Kern und eine Hülle, wobei der Kern die Verbunddrähte aufweist und die Hülle die sekundären Drähte aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Metallmatrixverbunddrahtes, der mehrere im wesentlichen kontinuierliche, länglich angeordnete Fasern in einer Metallmatrix aufweist, wobei das Verfahren aufweist: – Bereitstellen eines umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial, wobei das Metallmatrixmaterial einen Schmelzpunkt von nicht höher als 1.100 °C aufweist, – Reinigen mittels Hitze bei einer Temperatur von mindestens 300 °C und Evakuieren bei einem Druck von nicht höher als 2.666 Pa (20 Torr) mindestens eines Taus, das mehrere im wesentlichen kontinuierliche Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von mindestens 5 μm und einer durchschnittlichen Zugfestigkeit von mindestens 1,4 GPa aufweist, die aus der Gruppe Keramikfasern, Kohlenstoffasern und Mischungen daraus ausgewählt sind, – Eintauchen des mindestens einen Taus in das umschlossene Volumen von geschmolzenem Matrixmaterial, – Übertragen von Ultraschallenergie, um mindestens einen Teil des umschlossenen Volumens von geschmolzenem Metallmatrixmaterial in Schwingungen zu versetzen, um zu ermöglichen, daß mindestens ein Teil des geschmolzenen Metallmatrixmaterials in die mehreren Fasern eindringt, derart, daß mehrere durchdrungene Fasern bereitgestellt werden, und – Herausziehen der mehreren durchdrungenen Fasern durch einen Auslass aus dem enthaltenen Volumen von geschmolzenem Metallmatrixmaterial unter Flüssigkeits- oder Gasstrombedingungen, die es ermöglichen, daß das geschmolzene Metallmatrixmaterial abkühlt und sich verfestigt, um einen Metallmatrixverbunddrahtzu erzeugen, der mindestens ein Tau aufweist, das mehrere der Fasern aufweist, wobei die Fasern im wesentlichen kontinuierlich, länglich in einer Metallmatrix angeordnet sind, wobei die Metallmatrix einen Schmelzpunkt von nicht höher als 1.100 °C aufweist und wobei der Draht einen durchschnittlichen Durchmesser von mindestens 0,5 mm und eine Länge von mindestens 300 Metern aufweist und gemäß dem in der Patentanmeldung beschriebenen Wire Proof Test für 300 Meter des Drahtes einen Biegeversagenswert von nullhat.
Verfahren nach Anspruch 21, umfassend mehrere Taue, welche die Fasern aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Metallmatrix einen Schmelzpunkt von nicht höher als 1.000 °C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Metallmatrix einen Schmelzpunkt von nicht höher als 700 °C aufweist.