ES2326820T3 - Cable que comprende un alambre de material compuesto de matriz metalica revestido con metal. - Google Patents

Abstract

Un cable de material compuesto que comprende: una pluralidad de alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal, teniendo cada alambre una superficie exterior, comprendiendo cada alambre de material compuesto revestido con metal: como mínimo un haz, haz que comprende una pluralidad de fibras continuas que están orientadas longitudinalmente entre sí, fibras que comprenden como mínimo una de cerámica o carbono; una matriz de metal, estando situado cada haz dentro de la matriz de metal, y un revestimiento metálico que cubre sustancialmente la totalidad de cada alambre de material compuesto de matriz metálica, revestimiento que tiene un punto de fusión no mayor que 1100ºC, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal tiene un valor de la redondez de como mínimo 0,95, un valor de uniformidad de la redondez no mayor que 0,9%, y un valor de uniformidad del diámetro no mayor que 0,2% en una longitud de como mínimo 100 metros.

Description

Cable que comprende un alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal.

En general son conocidos los materiales compuestos de matriz metálica (MMCs). Típicamente, los MMC incluyen una matriz de metal reforzada con partículas, filamentos, fibras cortas o fibras largas. Entre los ejemplos de materiales compuestos de matriz metálica están incluidos alambres de material compuesto de matriz de aluminio (por ejemplo, fibras de carburo de silicio, carbono, boro, o de alúmina alfa policristalina embebidas en una matriz de aluminio), cintas de material compuesto con una matriz de titanio (por ejemplo, fibras de carburo de silicio en una matriz de titanio) y cintas de material compuesto de matriz de cobre (por ejemplo, fibras de carburo de silicio o boro embebidas en una matriz de cobre). Un uso del alambre de material compuesto de matriz metálica de particular interés es un miembro de refuerzo y conductor eléctrico para cables desnudos de transmisión de energía eléctrica de tendidos al aire. Una necesidad típica de nuevos cables es debida a la necesidad de aumentar la capacidad de transferencia de energía de la estructura de transmisión existente.

El documento US 2003/0029902 A1 está dirigido a un alambre de material compuesto de matriz metálica, que comprende un núcleo y una capa de revestimiento de metal, cuyo núcleo comprende un alambre de material compuesto que tiene una matriz de metal reforzada con fibras.

El documento US 6 485 796 B1 describe un procedimiento para hacer artículos de material compuesto de matriz metálica, tales como alambres y cintas.

El documento US 6559 385 B1 describe un cable trenzado que incluye una pluralidad de alambres frágiles que soportan carga y un medio para mantener la disposición trenzada de los alambres frágiles.

Los requerimientos de comportamiento deseado para cables de transmisión de energía de tendidos al aire incluyen resistencia a la corrosión, resistencia al ambiente (por ejemplo, radiación UV y humedad), resistencia a la pérdida de resistencia mecánica a elevadas temperaturas, resistencia a la fluencia, así como un módulo elástico relativamente alto, baja densidad, bajo coeficiente de dilatación térmica, alta conductividad eléctrica y/o alta resistencia mecánica. Aunque los cables de transmisión de energía de tendidos al aire, incluidos los alambres de material compuesto de matriz de aluminio son conocidos, para algunas aplicaciones hay un deseo continuo de, por ejemplo, alambres de material com-
puesto de matriz de aluminio que tienen unos valores mejorados de resistencia a la rotura y/o uniformidad de tamaño.

En otro aspecto, los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica experimentan una deformación elástica hasta que la fuerza aplicada es de magnitud suficiente para causar la rotura. Generalmente, los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica no presentan deformación plástica como comúnmente se ve en alambres metálicos convencionales. Puesto que los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica no adquieren un estado permanente, se deben emplear medios adicionales para retener los alambres en estado cableado. Hay necesidad en la técnica de un alambre de material compuesto continuo de matriz metálica que sea capaz de experimentar deformación plástica.

Además, en algunas realizaciones es deseable tener control sobre las dimensiones (diámetro, redondez, y su uniformidad) del alambre de material compuesto con matriz metálica. Los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica pueden ser difíciles de procesar a altos niveles de tolerancia dimensional debido, por ejemplo, a la dificultad de usar técnicas convencionales de trabajado de metales en estado sólido tales como trefilado. Hay necesidad en la técnica de un alambre de material compuesto continuo de matriz metálica que se produzca con una alta precisión dimensional pero sin degradar la capacidad de soportar cargas.

La presente invención se refiere a un cable de material compuesto que comprende una pluralidad de alambres de material compuesto con matriz metálica, (por ejemplo de aluminio y aleaciones de aluminio) revestidos con metal (por ejemplo, aluminio y sus aleaciones). Las realizaciones de la presente invención conciernen a alambres de material compuesto de matriz metálica que tienen un revestimiento de metal trabajado en caliente asociado con una superficie exterior del alambre de material compuesto de matriz metálica. Los materiales compuestos de matriz metálica revestidos con metal de acuerdo con la presente invención se forman como alambres que tienen propiedades deseables en cuanto a módulo elástico, densidad, coeficiente de dilatación térmica, conductividad eléctrica, resistencia mecánica, deformación de rotura y/o deformación plástica.

La presente invención proporciona un cable de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1. En él, los cables incluyen un revestimiento de metal sobre un alambre de material compuesto de matriz metálica que tiene como mínimo un haz (típicamente una pluralidad de haces) que comprenden una pluralidad de fibras continuas dispuestas longitudinalmente en una matriz metálica. El material del revestimiento metálico tiene un punto de fusión no mayor que 1100ºC (típicamente no mayor que 1000ºC, y puede no ser mayor que 900ºC, 800ºC o incluso no mayor que 700ºC). Típicamente, el alambre de material compuesto con matriz metálica, revestido con metal, tiene una longitud de como mínimo 100 m (en algunas realizaciones de como mínimo 300 m, como mínimo 400 m, como mínimo 500 m, como mínimo 600 m, como mínimo 700 m, como mínimo 800 m, como mínimo 900 m e incluso como mínimo 1000 m). También, el alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal presenta un valor de la redondez de como mínimo 0,95 (en algunas realizaciones, como mínimo 0,97, como mínimo 0,98 o incluso como mínimo 0,99), un valor de la uniformidad de la redondez no mayor que 0,9% (en algunas realizaciones, no mayor que 0,5%, o incluso no mayor que 0,3%) y un valor de la uniformidad del diámetro no mayor que 0,2% en una longitud de como mínimo 100 m(en algunas realizaciones de como mínimo 300 m, de como mínimo 400 m, de como mínimo 500 m, de como mínimo 600 m, de como mínimo 700 m, de como mínimo 800 m, de como mínimo 900 m o incluso de como mínimo 1000 m).

En otro aspecto de la presente invención, los alambres de material compuesto de matriz metálica, revestidos con metal, tienen la propiedad de deformación plástica, en algunas realizaciones a longitudes de como mínimo 100 m, como mínimo 300 m, como mínimo 400 m, como mínimo 500 m, como mínimo 600 m, como mínimo 700 m, como mínimo 800 m, como mínimo 900 m e incluso de como mínimo 1000 m. La propiedad de deformación plástica significa que el alambre toma una forma permanente por doblado del alambre.

En otro aspecto de la presente invención, los alambres de material compuesto de matriz metálica, revestidos con metal, son eficaces para amortiguar efectos de retroceso y prevenir fracturas secundarias en algunas realizaciones cuando una longitud de como mínimo 100 m, como mínimo 300 m, como mínimo 400 m, como mínimo 500 m, como mínimo 600 m, como mínimo 700 m, como mínimo 800 m, como mínimo 900 m e incluso de como mínimo 1000 m experimenta una fractura primaria.

En otro aspecto de la presente invención, los alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal presentan una deformación comparativamente mayor a la rotura que la deformación de rotura que tiene un alambre de material compuesto con matriz metálica sin revestimiento de metal.

A no ser que se indique lo contrario, los siguientes términos usados en la memoria se definen como se indica:

"Fibra continua" significa una fibra que tiene una longitud que es relativamente infinita cuando se compara con el diámetro de fibra medio. Típicamente, esto significa que la fibra tiene una relación de aspecto (esto es, relación de la longitud de la fibra a diámetro medio de la fibra) de como mínimo 1 x 10^{5} (en algunas realizaciones, de como mínimo 1 x 10^{6} o incluso de como mínimo 1 x 10^{7}). Típicamente, tales fibras tienen una longitud del orden de como mínimo 50 m e incluso pueden tener longitudes del orden de kilómetros o más.

"Dispuestas longitudinalmente" significa que las fibras están orientadas respecto a la longitud del alambre en la misma dirección que la longitud del alambre.

"Valor de la redondez", que es una medida de la cuantía en que la forma transversal de un alambre se aproxima a la circunferencia de un círculo, se define como la media de los valores individuales de la redondez medidos en una longitud especificada del alambre, medida como se describe en los posteriores Ejemplos.

"Valor de la uniformidad de la redondez", que es el coeficiente de variación de los valores individuales de redondez medidos en una longitud especificada del alambre, es el cociente de la desviación estándar de los valores individuales de la redondez entre la media de los valores individuales de la redondez medidos, como se describe en los posteriores Ejemplos.

"Valor de la uniformidad del diámetro", que es el coeficiente de variación de la media de los diámetros individuales medidos de un alambre a lo largo de una longitud especificada del alambre, se define como el cociente de la desviación estándar de los diámetros individuales medidos entre la media de los diámetros individuales medidos, como se describe en los posteriores Ejemplos.

Los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica pueden presentar fracturas secundarias después de experimentar una fractura primaria. En estos casos, la primera fractura es seguida de un rápido retroceso del alambre que puede conducir a fracturas secundarias. Consecuentemente, hay necesidad de un alambre continuo de material compuesto de matriz metálica que resista fracturas secundarias. Realizaciones de alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal de la presente invención se dirigen a satisfacer esta necesidad.

La Fig. 1 es una vista esquemática en corte transversal de un alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal usado en la presente invención.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de un ejemplo de máquina de doble acanaladura que funciona al modo tangencial, usada de acuerdo con la presente invención.

La Fig. 3 es una vista esquemática en corte transversal de un ejemplo de montaje de boquillas de conformación en una máquina de revestir para hacer alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal usado de acuerdo con la presente invención.

La Fig. 4 es una vista esquemática de un ejemplo de aparato de ultrasonidos usado para infiltrar fibras con metales fundidos usado de acuerdo con la presente invención.

Las Figs. 5 y 6 son vistas esquemáticas en corte transversal de dos realizaciones de cables de transmisión de energía eléctrica para tendidos aéreos que comprenden alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal, usados de acuerdo con la presente invención.

La Fig. 7 es una vista esquemática en corte transversal de un cable homogéneo que comprende alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal, hechos de acuerdo con la presente invención.

La Fig. 8 es un gráfico del coeficiente de dilatación térmica para los alambres de material compuesto con matriz metálica, revestidos con metal, producidos en el Ejemplo 1.

La Fig. 9 es un gráfico del comportamiento tensión-deformación de los alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal producidos en el Ejemplo 2.

La Fig. 10 es un gráfico que ilustra el desplazamiento y la recuperación del alambre de material compuesto con matriz metálica revestido con metal producidos en el Ejemplo 3.

La Fig. 11 es una vista esquemática de la construcción geométrica usada en el ensayo de retención de la flexión.

La Figura 12 es un gráfico ejemplar de radio relajado frente a radio flexionado que ilustra la deformación de alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal usados de acuerdo con la presente invención.

La presente invención proporciona un cable de material compuesto que incluye materiales compuestos de matriz metálica reforzada con fibra, revestidos con metal. El alambre de material compuesto con matriz metálica revestido comprende un revestimiento metálico dúctil trabajado en caliente asociado con la superficie exterior de un alambre de material compuesto de matriz metálica. Aunque no se desea estar ligados a teorías, se cree que algunas realizaciones de la presente invención proporcionan alambre con propiedades significativamente mejoradas. En un cable (por ejemplo, un cable de transmisión de energía eléctrica) está combinada una pluralidad de alambres de material compuesto de matriz metálica revestido con metal.

En la Fig. 1 se muestra una vista en sección transversal de un ejemplo de alambre 20 de material compuesto con matriz metálica reforzada con fibra, revestido con metal. El alambre 20 de material compuesto con matriz metálica reforzada con fibra, revestido con metal, denominado en lo que sigue alambre de material compuesto revestido con metal o MCCW, incluye un revestimiento 22 de un metal dúctil asociado con la superficie exterior 24 de un alambre 26 de material compuesto de matriz metálica. El alambre 26 de material compuesto de matriz metálica se puede denominar también alambre núcleo 26. El revestimiento 22 de metal dúctil tiene aproximadamente forma anular con un espesor t. En algunas realizaciones, el alambre 26 de material compuesto de matriz metálica está centrado longitudinalmente dentro del MCCW 20.

Aunque el procedimiento descrito seguidamente no cae en el ámbito que se reivindica, será útil para comprender la presente invención.

El procedimiento asocia el revestimiento a los alambres 26 de material compuesto de matriz metálica. Los alambres 26 de material compuesto de matriz metálica se pueden revestir para formar alambre de material compuesto revestido con metal (MCCW) 20 utilizando el procedimiento que se describe seguidamente y que se ilustra en las Figs. 2 y 3.

Considerando la Fig. 2, el alambre núcleo 26 se puede revestir con un acopio 28 de metal dúctil para formar MCCW 20 utilizando una máquina de revestir 30 (por ejemplo, Modelo 350, obtenible bajo la designación comercial "CONKLAD" de BWE Ltd., de Ashford, Inglaterra, RU). La máquina de revestir 30 comprende una caja 32 por encima de una rueda de extrusión 34 o adyacente a ella. La caja 32 comprende una cámara 36 de boquillas (Fig. 3) a la que se tiene acceso mediante una boquilla guía 38 de entrada en un extremo y una boquilla 40 de extrusión de salida en el otro extremo. La rueda de extrusión 34 comprende como mínimo una acanaladura periférica 42 (típicamente dos acanaladuras periféricas) que alimenta la cámara 36.

La máquina de revestir 30 trabaja al modo tangencial. Trabajando al modo tangencial, como se ilustra en la Fig. 2, la línea central del producto (esto es, MCCW 20) transcurre tangencialmente a una rueda de extrusión 34 de la máquina de extrusión 30. Esto puede ser deseable puesto que el alambre núcleo 26 no debe desplazarse formando codos de un radio
pequeño suficientes para fracturar el alambre. Típicamente, el alambre núcleo 26 seguirá una trayectoria en línea recta.

El alambre núcleo 26 se suministra a la máquina de revestir 30 en una bobina (no representada) de un diámetro suficiente para evitar que el alambre núcleo 26 experimente una flexión superior al límite elástico del alambre. Para controlar la tensión del alambre núcleo 26 en la bobina se usa un sistema de compensación con frenado. La tensión del alambre núcleo 26 se mantiene mínima a un nivel suficiente para evitar que la bobina del alambre núcleo 26 se desenrolle. Típicamente, el alambre núcleo 26 no se precalienta antes de pasarlo a través del equipo, aunque puede ser deseable hacerlo. Opcionalmente, el alambre núcleo 26 se puede limpiar antes de revestirlo usando procedimientos similares a los descritos más adelante para el acopio de suministro 28.

El alambre núcleo 26 se puede enhebrar a través de la máquina de revestir 30 en la caja 32 por encima de o adyacente a la rueda de extrusión 34. En la Fig. 3 se da un detalle en corte transversal de la caja 32. La caja 32 contiene una boquilla guía de entrada 38, la cámara de boquillas 36 y la boquilla de extrusión de salida 40. El alambre núcleo 26 pasa directamente a través de la caja 32 (esto es, el dispositivo de extrusión) entrando a través de la boquilla 38 guía de entrada, pasando por la cámara 36 en la que se efectúa el revestimiento y saliendo por la boquilla 40 de extrusión de salida. La boquilla 40 de salida es mayor que el alambre núcleo 26 para acomodar el espesor del revestimiento, t. El MCCW 20 se sujeta a un tambor de recogida (no representado) después de salir en la parte lejana de la caja 32.

Antes de la introducción en la máquina de revestimiento 30, el material de alimentación 28 para el revestimiento opcionalmente se limpia para eliminar la contaminación de la superficie. Un procedimiento de limpieza adecuado es un sistema de limpieza paraorbital, adquirible de BWE Ltd. Éste usa una solución limpiadora moderadamente alcalina (por ejemplo, hidróxido sódico acuoso diluido), seguidamente se neutraliza con un ácido (por ejemplo, ácido acético u otro ácido orgánico diluido) y finalmente se enjuaga con agua. En el sistema paraorbital, el fluido limpiador está caliente y fluye a alta velocidad a lo largo del alambre, que se agita en el fluido. También es adecuada la limpieza ultrasónica con un limpiador químico.

El funcionamiento de la máquina 30 de revestimiento se describe haciendo referencia a las Figs. 2 y 3 y típicamente se realiza como proceso continuo. Primeramente se puede enhebrar el alambre núcleo 26 a través de la máquina 30 de revestimiento según se ha descrito antes. El material de alimentación 28 se introduce, en algunas realizaciones como dos varillas, en una rueda 34 rotatoria de extrusión que en algunas ocasiones tiene dos acanaladuras 42 en torno a la periferia. Cada acanaladura 42 recibe una varilla del material de alimentación 28.

La rueda de extrusión 34 gira, forzando así al material de alimentación 32 a pasar a la cámara de revestimiento 36. La acción de la rueda de extrusión 34 suministra presión suficiente, en combinación con el calor de la cámara de la boquilla 34, para plastificar el material de alimentación 28. La temperatura del material de alimentación en la cámara de revestimiento 36 típicamente es inferior a la temperatura de fusión del material. El material es trabajado en caliente de manera que se deforma plásticamente a una temperatura y una velocidad de deformación que permiten que recristalice durante la deformación. Manteniendo la temperatura del material de alimentación por debajo del punto de fusión, el revestimiento 22 formado a partir del material de alimentación 28 tiene una dureza mayor que si el material de alimentación 28 se ha aplicado en forma fundida. Por ejemplo, para un material de alimentación de aluminio que tiene un punto de fusión de aproximadamente 660ºC es típica una temperatura de aproximadamente 500ºC.

El material de alimentación 28 entra en la cámara de revestimiento 36 sobre dos lados del alambre núcleo 26 para ayudar a que se equilibre la presión y el material de alimentación 28 se deslice en torno al alambre núcleo 26. La acción de la rueda de extrusión 34 llena la cámara 36 con material de alimentación 28 plastificado debido a la reorientación y la deformación por el material de alimentación 28 por la caja 32. La máquina de revestimiento 30 tiene presiones operativas típicas dentro de la caja 32 en el intervalo de 14-40 kg/mm^{2}. Para revestir con éxito el alambre núcleo 26, la presión en el interior de la caja 32 típicamente estará hacia el extremo inferior del intervalo operativo y se acomodará durante el funcionamiento ajustando la velocidad de la rueda 34 de extrusión. La velocidad de la rueda 34 se ajusta hasta que en la cámara 36 se alcanza una condición tal que el material de alimentación 36 plastificado sale extruido fuera de la boquilla de salida 40 en torno al alambre núcleo 26 sin que sea probable que se alcancen presiones que dañen el alambre núcleo 26. (Si la velocidad de la rueda es demasiado baja, el material de alimentación no se extruye desde la boquilla de salida 40, o el material de alimentación 28 extruido de la boquilla 40 de salida no tira del alambre núcleo 26 hacia fuera a través de la boquilla de salida 40. Si la velocidad de la rueda es demasiado alta, el alambre núcleo 26 tiene entallas y se corta).

Además, la temperatura y la presión en la cámara de revestimiento 36 típicamente se controlan para que el material de revestimiento (material de alimentación plastificado 28) se una al alambre núcleo 26, siendo suficientemente bajas para evitar dañar el alambre núcleo 26 más frágil. También es ventajoso equilibrar la presión del material de alimentación 28 que entra en la cámara de revestimiento 36 de manera que el alambre núcleo 26 quede centrado dentro del material de alimentación plastificado 28. Centrando el alambre núcleo 26 dentro de la cámara de revestimiento 36, el material de alimentación plastificado 28 forma un anillo concéntrico en torno al alambre núcleo 26.

Un ejemplo de la velocidad lineal de la máquina de revestimiento 30 de MCCW es de aproximadamente 50 m/min. No se necesita tensión y típicamente no la suministra el tambor de recogida del producto (esto es, MCCW 20) a medida que el material de alimentación 28 extruido tira del alambre núcleo 28 junto a él a través de la máquina 30 de revestimiento. Después de salir de la máquina, el MCCW 20 pasa a través de chorros (no representados) de agua para enfriarlo y luego se devana en un tambor de recogida.

Materiales de revestimiento

El revestimiento metálico 22 puede estar compuesto por cualquier metal o aleación metálica que sea dúctil. En algunas realizaciones, el revestimiento metálico 22 se selecciona entre un material metálico dúctil, incluidas aleaciones metálicas, que no reaccione significativamente con los componentes de los materiales (esto es, fibra y material de la matriz) del alambre núcleo 26.

Entre los ejemplos de materiales metálicos dúctiles para revestimiento 22 están incluidos aluminio, zinc, estaño, cobre y sus aleaciones (por ejemplo, una aleación de aluminio y cobre). En algunas realizaciones, el revestimiento metálico 22 incluye aluminio y aleaciones de aluminio. Para materiales de revestimiento de aluminio, en algunas realizaciones, el revestimiento 22 comprende como mínimo 99,5% en peso de aluminio. En algunas realizaciones, son aleaciones útiles las series de aleaciones de aluminio 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 y 8000 (designaciones de la Aluminum Association). Hay disponibles comercialmente metales adecuados. Por ejemplo, hay disponibles aluminio y aleaciones de aluminio, por ejemplo, de Alcoa, de Pittsburgh, PA. Hay disponible zinc y estaño, por ejemplo, de Metal Services, St. Paul, MN ("zinc puro"; de pureza de 99,999% y "estaño puro", pureza de 99,95%). Por ejemplo, hay disponible magnesio bajo la denominación "PURE" de Magnesium Elektron Manchester, Inglaterra. Se pueden adquirir aleaciones de magnesio de, por ejemplo, TIMET, Denver, CO (por ejemplo, WE 431, EZ33A, 1Z811 y ZE 41A). Se pueden adquirir de South Wire, de Carrolton, GA, cobre y aleaciones de cobre.

El MCCW 20 se puede formar sobre un alambre núcleo 26 que con frecuencia incluye como mínimo un haz que comprende una pluralidad de fibras continuas reforzadoras dispuestas longitudinalmente, tales como fibras cerámicas (por ejemplo, basadas en alúmina), fibras reforzadoras encapsuladas en una matriz que incluye uno o varios metales (por ejemplo, aluminio elemental de alta pureza (por ejemplo, pureza superior a 99,95%) o aleaciones de aluminio con otros elementos tales como cobre). En algunas realizaciones, como mínimo 85% (en algunas realizaciones como mínimo 90% e incluso como mínimo 95%) del número de fibras presentes en el alambre 26 de material compuesto de matriz metálica es de fibras continuas. Se describe seguidamente la selección de fibra y matriz para el alambre 26 de material compuesto de matriz metálica adecuado para uso en MCCW 20 de la presente invención.

Fibras

El grupo de fibras continuas para hacer artículos 26 de material compuesto con matriz metálica adecuados para uso en el MCCW 20 de la presente invención incluye fibras cerámicas, tales como fibras de óxido de un metal (por ejemplo, alúmina), fibras de boro, fibras de nitruro de boro, fibras de carbono, fibras de carburo de silicio y combinaciones de cualesquiera de estas fibras. Típicamente, las fibras de óxido cerámico son materiales cerámicos cristalinos y/o una mezcla de material cerámico y vidrio (esto es, una fibra puede contener ambas fases, cerámica cristalina y vidrio). Típicamente, esto significa que la fibra tiene una relación de aspecto (esto es, relación de la longitud de la fibra a diámetro medio de la fibra) de como mínimo 1 x 10^{5} (en algunas realizaciones de como mínimo 1 x 10^{6} o incluso de como mínimo 1 x 10^{/}). Típicamente, tales fibras tienen una longitud del orden de 50 m como mínimo, e incluso pueden tener longitudes del orden de km o más. Típicamente, las fibras reforzadoras continuas tienen un diámetro medio de fibra de como mínimo 5 micrómetros a aproximadamente un diámetro medio de fibra no mayor que 50 micrómetros. Más típicamente, un diámetro medio de fibras no mayor que 25 micrómetros, muy típicamente en el intervalo de 8 micrómetros a 20 micrómetros.

En algunas realizaciones, las fibras cerámicas tienen una resistencia media a tracción de como mínimo 1,4 GPa, como mínimo 1,7 GPa, como mínimo de 2,1 GPa o incluso como mínimo de 2,8 GPa. En algunas realizaciones, las fibras de carbono tienen una resistencia media a tracción de como mínimo 1,4 GPa, como mínimo de 2,1 GPa, como mínimo de 3,5 GPa o incluso como mínimo de 5,5 GPa. En algunas realizaciones, las fibras cerámicas tienen un módulo mayor que 70 GPa a aproximadamente no más de 1000 GPa, o incluso de no más de 420 GPa. En los ejemplos se dan procedimientos para determinar la resistencia a tracción y el módulo.

En algunas realizaciones, al menos una porción de las fibras continuas usadas para hacer el alambre núcleo 26 está en haces. Los haces son conocidos en la técnica de las fibras y se refieren a una pluralidad de fibras (individuales) (típicamente como mínimo 100 fibras, más típicamente como mínimo 400 fibras) recogidas en forma de hilo. Hay disponibles haces de fibras cerámicas en varias longitudes, incluidas de 300 m, 500 m, 750 m, 1000 m, 1500 m, 1750 m y más largas. Las fibras pueden tener una sección transversal circular o elíptica.

Se describen fibras de alúmina en, por ejemplo, la patente U.S. nº. 4.954.462 (expedida a Wood y otros) y 5.185.29 (Wood y otros). En algunas realizaciones, las fibras de alúmina son fibras policristalinas de alúmina alfa y comprenden, sobre la base teórica de óxido, más de 99% en peso de Al_{2}O_{3} y 0,2-0,5% en peso de SiO_{2}, en relación al peso total de fibras de alúmina. En otro aspecto, algunas fibras policristalinas deseables de alúmina alfa comprenden alúmina alfa que tiene un tamaño medio de grano de menos de 1 micrómetro (o, incluso en algunas realizaciones, de menos de 0,5 micrómetros). En otro aspecto, en algunas realizaciones las fibras policristalinas de alúmina alfa tienen una resistencia media a tracción de como mínimo 1,6 GPa (en algunas realizaciones de como mínimo 2,1 GPa, o, incluso de cómo mínimo menos de 2,8 GPa). Se venden fibras ejemplares de alúmina alfa bajo la designación comercial "NEXTEL 610" por 3M Company, St. Paul, MN.

Se describen fibras de aluminosilicato en, por ejemplo, la patente U.S. nº. 4.047.965 (Karst y otros). 3M Company de St. Paul, MN, vende fibras ejemplares de aluminosilicato bajo las designaciones comerciales "NEXTEL 440", "NEXTEL 550" y "NEXTEL 720".

Se describen fibras de aluminoborosilicato en, por ejemplo, la patente U.S. nº. 3.795.524 (Sowman). Bajo la designación comercial "NEXTEL 312", 3M Company vende fibras de aluminoborosilicato.

Hay disponibles comercialmente ejemplos de fibras de boro en, por ejemplo, Textron Specialty Fibers, Inc., de Lowell, MA.

Se pueden hacer fibras de nitruro de boro como se describe, por ejemplo, en las patentes U.S. n^{os}. 3.429.722 (Economy) y 5.780.154 (Okano y otros).

Se comercializan fibras de carburo de silicio, por ejemplo, por COI Ceramics, de San Diego, CA, bajo la designación comercial "NICALON" en haces de 500 fibras, por Ube Industries de Japón, bajo la designación comercial "TYRANNO", y por Dow Corning de Midland, MI, bajo la designación comercial "SYLRAMIC".

Comercializan ejemplos de fibras de carbono, Amoco Chemicals de Alpharetta, GA, bajo la designación comercial "THORNEL CARBON" en haces de 2000, 4000, 5000 y 12.000 fibras; Hexcel Corporation de Stamfored, CT; por Grafil, Inc. de Sacramento CA (subsidiaria de Mitsubishi Rayon Co.) bajo la designación comercial "PYROFIL"; Toray de Tokio, Japón, bajo la designación comercial "BESFIGHT"; Zolten Corporation de St. Louis, MO bajo las designaciones comerciales "PANEX" y "PYRON", y por Inco Special Products de Wyckoff, NJ (fibras de carbono revestidas con níquel) bajo las designaciones comerciales "12K20" y "12K50".

Vende fibras de grafito ejemplares, por ejemplo, BP Amoco de Alpharetta, GA, bajo la designación comercial "T-300" en haces de 1000, 3000 y 6000 fibras.

Venden fibras ejemplares de carburo de silicio, por ejemplo, COI Ceramics de San Diego, CA, bajo la designación comercial "NICALON" en haces de 500 fibras, Ube Industries de Japón, bajo la designación comercial "TYRANNO", y Dow Corning de Midland, MI, bajo la designación comercial "SYLRAMIC".

Típicamente, las fibras comerciales incluyen una cola orgánica añadida a la fibra durante la fabricación para proporcionar lubricación y proteger los filamentos durante las manipulación. La cola se puede eliminar de las fibras, por ejemplo, disolviéndola o quemándola. Típicamente es deseable eliminar la cola antes de formar el alambre 26 de material compuesto de matriz metálica.

Las fibras pueden tener revestimientos que se usan, por ejemplo, para aumentar la capacidad de humectación de las fibras, o reducir o evitar la reacción entre las fibras y el material metálico de la matriz fundido. Tales revestimientos y técnicas para aplicar los mismos son conocidos en la técnica de las fibras y el material compuesto de la matriz metá-
lica.

Matriz

Típicamente, la matriz metálica del alambre 26 de material compuesto de matriz metálica se selecciona de manera que el material de la matriz no reaccione químicamente de forma significativa con el material de las fibras (esto es, que sea químicamente relativamente inerte con el material de las fibras), por ejemplo, para eliminar la necesidad de proporcionar un revestimiento protector sobre el exterior de la fibra. El metal seleccionado para el material de la matriz no es necesario que sea el mismo del revestimiento 22, pero no debe reaccionar químicamente de forma significativa con el revestimiento 22. Entre los ejemplos de materiales para la matriz metálica están incluidos aluminio, zinc, estaño, magnesio, cobre y aleaciones de ellos (por ejemplo, una aleación de aluminio y cobre). En algunas realizaciones, es deseable que la material de la matriz incluya aluminio y aleaciones del mismo.

En algunas realizaciones, la matriz metálica comprende como mínimo 98% en peso de aluminio, como mínimo 99% en peso de aluminio, más de 99,9% en peso de aluminio e incluso más de 99,95% en peso de aluminio. Las aleaciones ejemplares de aluminio de base aluminio y cobre comprenden como mínimo 98% en peso de Al y hasta 2% en peso de Cu. En algunas realizaciones, son aleaciones útiles las series de aleaciones de aluminio 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 y/o 8000 (designación de la Aluminum Association). Aunque los metales de alta pureza pueden ser deseables para hacer alambres de muy alta resistencia a la tracción, también son útiles metales menos puros.

Hay disponibles comercialmente metales adecuados. Por ejemplo, el aluminio está disponible bajo la designación comercial "SUPER PURE ALUMINUM; 99,99%" de Alcoa, Pittsburgh, PA). Se pueden obtener aleaciones de aluminio (por ejemplo, Al-2% en peso de Cu (0,03% en peso de impurezas) de, por ejemplo, Belmont Metals, New York, NY. Se pueden adquirir zinc y estaño, por ejemplo, de Metals Services, St. Paul, MN ("zinc puro", de 99,999% de pureza y "estaño puro", de 99,95% de pureza). Por ejemplo, el magnesio está disponible bajo la designación comercial "PURE" en Magnesium Elektron, Manchester, Inglaterra. Se pueden obtener aleaciones de magnesio (por ejemplo, WE43A, EZ33A, AZ81A y ZE41AS) de, por ejemplo, TIMET, Denver, CO.

Los alambres 26 de material compuesto de matriz metálica adecuados para los MCCW 20 de la presente invención incluyen los que comprende como mínimo 15% en volumen (en algunas realizaciones, como mínimo 20, 25, 30, 35, 40, 45 o incluso 50% en volumen) de las fibras, en relación al volumen total combinado de fibras y material de la matriz. Típicamente, el alambre núcleo 26 para uso en el procedimiento de la presente invención comprende de 40 a 70 (en algunas realizaciones de 45 a 65) por ciento en volumen de fibras, en relación al volumen combinado total de fibras y material de la matriz (esto es, independientemente del revestimiento.

El diámetro medio del alambre núcleo 26 típicamente es de entre aproximadamente 0,07 mm y aproximadamente 3,3 mm. En algunas realizaciones, el diámetro medio deseable del alambre núcleo 26 es de como mínimo 1 mm, como mínimo 1,5 e incluso de hasta aproximadamente 2,0 mm.

Producción del alambre núcleo

Típicamente, el alambre núcleo continuo 26 se puede hacer mediante, por ejemplo, procedimientos continuos de infiltración de matrices de metal. Un procedimiento adecuado se describe, por ejemplo, en la patente U.S. nº. 6.485.796 (expedida a Carpenter y otros).

En la Fig. 4 se muestra una vista esquemática de un ejemplo de aparato para hacer alambre 26 continuo de matriz metálica para uso en el MCCW 20 de la presente invención. Se suministran desde las bobinas 46 haces de fibras continuas 44 cerámicas y/o de carbono y se ponen paralelos en un atado circular y, en el caso de fibras cerámicas, se limpian por calor mientras que pasan por el horno tubular 48. Luego se evacuan las fibras en la cámara de vacío 50 antes de que entren en el crisol 52 que contiene el material 54 de la matriz metálica fundido (también denominado "metal fundido"). Un tractor 56 tira de las fibras de las bobinas de suministro 46. En el metal fundido 56, en la vecindad de la fibra, se pone una sonda ultrasónica 58 para ayudar a la infiltración del metal fundido en los haces 44. El metal fundido del alambre 26 se enfría y solidifica después de salir del crisol 52 por la boquilla de salida 60, aunque puede haber un cierto enfriamiento antes de que el alambre 26 salga completamente del crisol 52. El enfriamiento del alambre 26 se intensifica con corrientes de gas o líquido 62 que inciden sobre el alambre 26. El alambre 26 se recoge en la bobina 64.

Como se ha discutido antes, la limpieza por calor de la fibra cerámica ayuda a eliminar o reducir la cantidad de cola, agua adsorbida y otros materiales fugitivos o volátiles que pueden estar presentes sobre la superficie de las fibras. Típicamente es deseable limpiar por calor las fibras cerámicas hasta que el contenido de carbono sobre la superficie de la fibra sea menor que una fracción de superficie del 22%. Típicamente, la temperatura en el horno tubular 54 es de como mínimo 300ºC, más típicamente de como mínimo 1000ºC durante como mínimo varios segundos a esa temperatura, aunque las temperaturas y tiempos particulares pueden depender de, por ejemplo, el grado de limpieza necesario de la fibra particular que se está usando.

En algunas realizaciones, las fibras 44 se evacuan antes de entrar en el metal fundido 54, puesto que se ha visto que el uso de tal evacuación ayuda a reducir o eliminar la formación de defectos tales como regiones localizadas con fibras secas (esto es, regiones de fibras sin infiltración de la matriz). Típicamente, las fibras 44 se evacuan en un vacío que en algunas realizaciones es no mayor que 20 torr, no mayor que 10 torr, no mayor que 1 torr, no mayor que 0,7 torr.

Un sistema ejemplar adecuado de vacío 50 es un tubo de entrada con las dimensiones adecuadas para el atado de fibras 44. El tubo de entrada puede ser, por ejemplo, de acero inoxidable o alúmina y típicamente tiene una longitud de como mínimo 30 cm. Típicamente, un sistema de cámara de vacío 50 tiene un diámetro en el intervalo de 2 cm a 20 cm y una longitud en el intervalo de 5 a 100 cm. La capacidad de la bomba de vacío es, en algunas realizaciones, de como mínimo 0,2-0,4 m^{3}/min. Las fibras evacuadas 44 se insertan en el metal fundido 54 a través de un tubo del sistema de vacío 50 que penetra en el baño metálico (esto es, las fibras evacuadas 44 están en vacío cuando se introducen en el metal fundido) aunque típicamente el metal fundido 54 está a presión atmosférica. El diámetro interior del tubo de salida casa esencialmente con el diámetro del atado de fibras 44. Una parte del tubo de salida está sumergido en el metal fundido. En algunas realizaciones, 0,5-5 cm del tubo están sumergidos en el metal fundido. El tubo se selecciona entre los que son estables en el material metálico fundido. Entre los ejemplos de tubos que típicamente son adecuados están incluidos tubos de nitruro de silicio y de alúmina.

La infiltración del metal fundido 54 en las fibras 44 se intensifica típicamente con ultrasonidos. Por ejemplo, se coloca un palpador vibrante en un metal fundido 54 de manera que esté próximo a las fibras 44. En algunas realizaciones, las fibras 44 están a menos de 2,5 mm (en algunas realizaciones de 1,5 mm) de la punta del palpador. En algunas realizaciones, la punta del palpador es de niobio o aleaciones de niobio tales como 99% en peso de Nb-5% en peso de Mo y 91% en peso de Nb-9% en peso de Mo, y se pueden adquirir, por ejemplo, de PMTI, Pittsburgh, PA. Para detalles adicionales en cuanto al uso de ultrasonidos para hacer artículos de material compuesto con matriz metálica véanse, por ejemplo, patentes U.S. n^{os}. 4.649.060 (Ishikawa y otros), 4.779.563 (Ishikawa y otros), 4.877.643 (Ishikawa y otros), 6.180.232 (McCullough y otros), 6.245.425 (McCullough y otros), 6.336.495 (McCullough y otros), 6.329.056 (Deve y otros), 6.344.270 (McCullough y otros), 6.447.927 (McCullough y otros), 6.460.597 (McCullough y otros), 6.485.796 (Carpenter y otros), 6.544.645 (McCullough y otros); solicitud de patente U.S. que tiene el número serial 09/616.74, presentada el 14 de julio de 2000, y solicitud de PCT publicación nº. WO 02/06550, publicada el 24 de enero de 2002.

Típicamente el metal fundido 54 se desgasea (por ejemplo, reduciendo la cantidad de gas (por ejemplo, hidrógeno) disuelto en el metal fundido 54) durante y/o antes de la infiltración. Los procedimientos para desgasear el metal fundido 54 son bien conocidos en la técnica del procesamiento de metales. El desgaseado del metal fundido 54 tiende a reducir la porosidad del alambre. Para aluminio fundido, la concentración de hidrógeno en el metal fundido 54 es, en algunas realizaciones, inferior a 0,2, 0,15 o incluso a 0,1 cm^{3}/100 g de aluminio.

La boquilla de salida 60 está configurada para que resulte el diámetro deseado del alambre. Típicamente se desea que el alambre sea uniformemente redondo a todo lo largo. El diámetro de la boquilla de salida 60 usualmente es ligeramente menor que el diámetro del alambre 26. Por ejemplo, el diámetro de una boquilla de salida de nitruro de silicio para un alambre de material compuesto de aluminio que contiene 50% en volumen de fibras de alúmina es 3% menor que el diámetro del alambre 26. En algunas realizaciones se desea que la boquilla de salida 60 sea de nitruro de silicio, aunque también pueden ser útiles otros materiales. Entre otros materiales que han demostrado ser útiles como boquillas de salida está la alúmina convencional. Los solicitantes han encontrado, sin embargo, que las boquillas de salida de nitruro de silicio se desgastan significativamente menos que las boquillas convencionales de alúmina y, por ello, son más útiles para proporcionar el diámetro y la forma deseados del alambre, en particular en longitudes grandes del alambre.

Típicamente, el alambre 26 se enfría después de salir por la boquilla 60 poniendo en contacto el alambre 26 con un líquido (por ejemplo, agua) o un gas (por ejemplo, nitrógeno, argón o aire) 62. Este enfriamiento coadyuva a conseguir las características deseables de redondez y uniformidad y la ausencia de huecos. El alambre 26 se colecta sobre la bobina 64.

Se sabe que la presencia de imperfecciones en el alambre de material compuesto de matriz metálica, tales como fases intermetálicas; fibras secas; porosidad como resultado, por ejemplo, de la contracción o huecos por gases internos (por ejemplo, hidrógeno o vapor de agua), etc, puede conducir a unas propiedades aminoradas, tales como la resistencia mecánica del alambre 20. Por ello es deseable reducir o minimizar la presencia de tales imperfecciones.

Alambre de material compuesto con matriz metálica revestido con metal (MCCW)

El procedimiento de revestimiento usado en la presente invención produce el alambre 20 de material compuesto con matriz metálica revestido con metal que presenta propiedades mejoradas en comparación con el alambre 26 sin revestir. Para el alambre núcleo 26 con una sección transversal de forma generalmente circular, la sección transversal del alambre resultante típicamente no tiene forma de un círculo perfecto. El procedimiento de revestimiento usado en la presente invención compensa la forma irregular del alambre núcleo 26 para crear un producto revestido con metal relativamente circular (esto es, MCCW 20). El espesor t del revestimiento 22 puede variar para compensar inconsistencias en la forma del alambre núcleo 26, y el procedimiento centra el alambre núcleo 26, con lo que se mejoran especificaciones y tolerancias en cuanto a, por ejemplo, diámetro y redondez del MCCW 20. En algunas realizaciones, el diámetro medio de MCCW 20, con una sección transversal de forma generalmente circular de acuerdo con la presente invención, es de como mínimo 1 mm, como mínimo 1,5 mm, como mínimo 2 mm, como mínimo 2,5 mm, como mínimo 3 mm e incluso como mínimo 3,5 mm.

La relación del diámetro mínimo y el máximo del MCCW 20 (véase Ensayo del Valor de la Redondez, en el que para un alambre perfectamente redondo tendría un valor de 1), típicamente es de como mínimo 0,9, en algunas realizaciones de como mínimo 0,92, como mínimo 0,95, como mínimo 0,97, como mínimo 0,98, o incluso como mínimo 0,99 en una longitud del MCCW 20 de como mínimo 100 metros. La uniformidad de la redondez (véase más adelante Ensayo de la Uniformidad de la Redondez) típicamente es no mayor que 0,9%, en algunas realizaciones no mayor que 0,5% o incluso no mayor que 0,3% en una longitud del MCCW 20 de como mínimo 100 m. La uniformidad del diámetro (véase más adelante Ensayo de la Uniformidad del Diámetro) típicamente es no mayor que 0,2% en una longitud del MCCW 20 de como mínimo 100 m.

El MCCW 20 producido por el procedimiento usado en la presente invención deseablemente resiste modos de rotura secundaria tales como micropandeo y pandeo general, en el que la rotura acaece en aplicaciones a tracción. El revestimiento metálico 22 del MCCW 20 actúa para evitar el retroceso rápido del alambre 26 de material compuesto de matriz metálica y suprime la onda de choque de compresión que causa fracturas secundarias durante o después de la rotura primaria. El revestimiento 22 de metal se deforma plásticamente y amortigua el rápido retroceso del alambre núcleo 26. Cuando se desea que el alambre MCCW 20 no tenga fracturas secundarias, el revestimiento metálico 22 deseablemente tendrá un espesor t suficiente para absorber y suprimir la onda de choque de compresión. Para un alambre núcleo 26 con un diámetro aproximado entre 0,07 mm y 3,3 mm, el espesor t del revestimiento deseablemente estará en el intervalo de 0,2 mm a 6 mm, más deseablemente en el intervalo de 0,5 mm a 3 mm. Por ejemplo, el revestimiento metálico 22 con un espesor de pared t de aproximadamente 0,7 mm es adecuado para un alambre 26 de material compuesto de aluminio con un diámetro nominal de 2,1 mm, formándose así un MCCW 20 con un diámetro aproximado de 3,5 mm.

El MCCW 20 producido tiene la capacidad de deformarse plásticamente. Típicamente, los alambres convencionales de material compuesto de matriz metálica presentan un modo de flexión elástica y no presentan deformación plástica sin experimentar rotura del material. Beneficiosamente, el alambre MCCW 20 de la presente invención retiene la cuantía de la flexión (esto es, deformación plástica) cuando se flexiona y se libera posteriormente. La capacidad de ser deformado plásticamente es útil en aplicaciones en las que una pluralidad de alambres se ha de conformar en haces o enrollar en un cable. El MCCW 20 puede conformarse como cable y retendrá la estructura flexionada sin requerir un medio adicional de retención tal como cintas o adhesivos. Cuando se desea hacer con MCCW un montaje permanente, (esto es, deformarlo plásticamente), el revestimiento 22 tendrá un espesor t suficiente para contrarrestar la fuerza de retroceso del alambre núcleo 26 a su estado inicial no deformado. Para un alambre núcleo 26 con un diámetro de aproximadamente 0,07 mm a 3,3 mm, el espesor t del revestimiento deseablemente estará en el intervalo de 0,5 mm a aproximadamente 3 mm. Por ejemplo, un revestimiento metálico con un espesor de aproximadamente 0,7 mm es adecuado para un alambre 26 de material compuesto de aluminio con un diámetro nominal de 2,1 mm, formando así un MCCW 20 con un diámetro de aproximadamente 3,5 mm.

Los MCCW 20 tienen una longitud de como mínimo 100 metros, de como mínimo 200 m, de como mínimo 300 m, de como mínimo 400 m, de como mínimo 500 m, de como mínimo 600m, de como mínimo 700 m, de como mínimo 800 m o incluso de como mínimo 900 m.

Cables de alambre de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal

Los alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal se pueden usar en una variedad de aplicaciones incluida la de cables para transmisión de energía eléctrica en tendidos al aire.

Los cables que comprenden alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal hechos de acuerdo con la presente invención pueden ser homogéneos (esto es, incluir sólo cables tales como MCCW 20) como en la Fig. 7, o no homogéneos (esto es, incluir una pluralidad de alambres secundarios tales como alambres metálicos) tales como los de las Figs. 5 y 6. Como ejemplo de cable no homogéneo, el alambre núcleo puede incluir una pluralidad de alambres de material compuesto con matriz metálica revestido con metal hechos de acuerdo con la invención rodeados de una pluralidad de alambres secundarios (por ejemplo, alambres de aluminio), por ejemplo como se muestra en la Fig. 5.

Los cables que comprenden alambres de material compuesto hechos de acuerdo con la presente invención se pueden trenzar. Un cable trenzado típicamente incluye un alambre central y una primera capa de alambres trenzados helicoidalmente en torno al alambre central. En general, el trenzado de cables es un proceso en el que hilos individuales de alambre se combinan en un ordenamiento helicoidal para producir un cable acabado (véase, por ejemplo, las patentes U.S. n^{os}. 5.171.942 (Powers) y 5.554.826 (Gentry). El cable de alambre helicoidalmente trenzado proporciona una mayor flexibilidad que el de uno macizo de sección transversal equivalente. La configuración helicoidal es también beneficiosa porque el cable trenzado mantiene la forma de su sección transversal globalmente redonda cuando el cable se somete a flexión durante la manipulación, la instalación y el uso. Los cables enrollados elípticamente pueden incluir pocas trenzas, por ejemplo 3 trenzas individuales, mientras que los de las construcciones más comunes contienen 50 trenzas o más.

Un ejemplo de cable que contiene alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal de acuerdo con la presente invención se muestra en la Fig. 5, en la que el cable 66 puede ser un núcleo 68 de cable que comprende una pluralidad de alambres individuales 70 de matriz de material compuesto revestidos con metal rodeados por una camisa 72 de una pluralidad de alambres 74 de aluminio o aleación de aluminio. En cualquier capa se puede incluir un número adecuado de alambres 70 de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal. Además, dentro de cada capa o cable se pueden mezclar tipos de alambre (por ejemplo, alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal y alambres de metal). Además, si se desea, en el cable trenzado 66 se pueden incluir más de dos capas. Una de muchas alternativas, el cable 76, que se muestra en la Fig. 6, puede ser un núcleo 78 de cable de una pluralidad de alambres metálicos individuales 80 rodeados por la camisa 82 de múltiples alambres 84 de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal. Los cables individuales se pueden combinar en cons-
trucciones de cables de alambre, tales como un cable de alambre que comprende 7 cables que están trenzados juntos.

La Fig. 7 ilustra otra realización de un cable 86 trenzado de acuerdo con la presente invención. En esta realización, el cable trenzado es homogéneo, de manera que todos los alambres del alambre son alambres 88 de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal hechos de acuerdo con la presente invención. Se puede incluir cualquier número adecuado de alambres 88 de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal.

Los cables que comprenden alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal, hechos de acuerdo con la presente invención, se usan como cable desnudo o se pueden usar como núcleo de cable de un cable de mayor diámetro. También, los cables que comprenden alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal, hechos de acuerdo con la presente invención, se pueden trenzar como cable trenzado de una pluralidad de alambres con un medio de mantenimiento en torno a una pluralidad de alambres. El medio de mantenimiento puede ser, por ejemplo, una cubierta de cinta adhesiva, con o sin adhesivo, o un aglutinante.

Los cables trenzados que comprenden alambres de material compuesto con revestimiento de metal de acuerdo con la presente invención son útiles en numerosas aplicaciones. Tales cables trenzados se cree que son particularmente deseables para uso en cables de transmisión de energía eléctrica de tendidos al aire debido a su combinación de peso relativamente bajo, alta resistencia mecánica, buena conductividad eléctrica, bajo coeficiente de dilatación térmica, elevadas temperaturas de uso y resistencia a la corrosión.

Se pueden encontrar detalles adicionales sobre alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal en, por ejemplo, la solicitud en tramitación con la presente de patente U.S. número serial 10/778488, presentada el 13 de febrero de 2004.

En los ejemplos siguientes se ilustran más ventajas y realizaciones de la invención, pero los materiales y las cantidades particulares dadas en estos ejemplos, así como otras condiciones y detalles no deben interpretarse indebidamente como limitaciones de la invención. Todas las partes y porcentajes son en peso a no ser que se indique lo contrario.

Ejemplos Procedimientos de ensayo Resistencia a tracción del alambre

Las propiedades a tracción del MCCW 20 se determinaron esencialmente como se describe en ASTM-E345-93 usando una máquina a tracción (adquirida a Instron Corp., Canton, MA, con la designación "INSTRON" modelo 8562) equipada con una mordaza de alineamiento mecánico (obtenida bajo la designación "INSTRON" modelo 8000-072, de Instron Corp.) que estaba accionada por un sistema de adquisición de datos (obtenido bajo la designación "INSTRON", modelo nº, 8000-074 de Instron Corp.).

El ensayo es realizó usando dos diferentes longitudes de probeta, una de una distancia entre puntos de 3,8 cm y la otra de 63 cm, estando equipada la muestra con pestañas de un tubo de acero suave 1018 en los extremos del alambre para amordazar con seguridad la probeta en el aparato de medida. La longitud real de la muestra de alambre era 20 cm mayor que la distancia entre puntos de la probeta para acomodar la instalación de las pestañas. Para alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal que tenían un diámetro de 2,06 mm o menos, los tubos tenían una longitud de 15 cm con un diámetro exterior (DE) de 6,35 mm y un diámetro interior (DI) de 2,9-3,2 mm. Los diámetros DE y DI debían ser tan concéntricos como fuera posible. Para alambres de material compuesto con matriz metálica revestidos con metal que tenían un diámetro de 3,45 mm, los tubos tenían una longitud de 15 cm con un diámetro exterior (DE) de 7,9 mm y diámetro interior (DI) de 4,7 mm. Los tubos de acero y la probeta de alambre se limpiaron con alcohol y se marcó una distancia de 10 cm desde cada extremo de la probeta de alambre para colocar apropiadamente el tubo para amarre con la mordaza con el fin de conseguir las distancias entre puntos deseadas de 3,8 cm y 63 cm. El alma de cada tubo se llenó con un adhesivo epoxídico (adquirible bajo la denominación comercial "SCOTCHWELD 2214 HI-FLEX", un adhesivo muy dúctil artículo nº. 62-3403-2930-9, de 3M Company) usando una pistola de selladura (obtenida bajo la designación comercial "SEMCO", modelo 250, de Technical Resin Packaging, Inc., Brooklyn Center, MN) equipada con una boquilla de plástico (obtenida de Technical Resin Packaging, Inc.). El exceso de resina epoxídica se eliminó de los tubos y el alambre se insertó en el tubo de mordaza hasta la marca del alambre. Una vez que se insertó el alambre en el tubo de mordaza, se inyectó resina adicional en el tubo mientras que se mantenía en posición el alambre para asegurar que el tubo estaba relleno de resina. La resina se aportó al tubo hasta que el epóxido salía alrededor del alambre en la base de las marcas mientras que se mantenía en posición). Cuando los dos tubos de mordaza estaban situados apropiadamente, la muestra se puso en un dispositivo de alineamiento que mantenía el alineamiento concéntrico de los tubos de mordaza y el alambre durante el ciclo de curado. El montaje se puso luego en un horno de curado mantenido a 150ºC durante 90 minutos para curar la resina epoxídica.

El montaje de ensayo se alineó cuidadosamente con la máquina Instron usando un dispositivo mecánico de alineación para conseguir la alineación deseada. Durante el ensayo sólo se agarraron los 5 cm exteriores de los tubos de agarre mediante mordazas hidráulicas serradas con entalla en V usando una presión de la máquina de sujeción de aproximadamente 14-17 MPa.

Se usó una velocidad de deformación de 0,01 cm/cm en modo de control de posición. Esta deformación se controló usando un extensómetro dinámico de galga de deformación (obtenido bajo la designación "INSTRON", modelo nº. 2620-824 de Instron Corp.). La distancia entre los bordes de cuchilla del extensómetro era de 1,27 cm y la galga se situó a mitad del largo de la muestra y se aseguró con bandas de caucho. El diámetro del alambre se determinó usando las medidas del micrómetro en tres posiciones a lo largo del alambre o de la medida de la superficie de la sección transversal y calculando el diámetro efectivo para obtener la misma superficie de la sección transversal. Los resultados del ensayo a tracción dieron los datos de la carga de rotura, resistencia a tracción, módulo elástico y deformación de rotura para las muestras. Se ensayaron diez muestras, de cuya media se pudieron calcular la desviación estándar y el coeficiente de variación.

Resistencia de las fibras

La resistencia de la fibra se calculó usando una máquina de ensayo a tracción (adquirible comercialmente bajo la designación comercial "INSTRON 4201" de Instron Corp. Canton, MA) y el ensayo descrito en ASTM D 3379-75 (Standard Test Methods for Tensile Strengh and Young's Modulus for High Modulus Single-Filament Materials). La distancia de ensayo de la muestra era de 125,4 mm y la velocidad de deformación de 0,02 mm/mm. Para establecer la resistencia a tracción de un haz de fibras se seleccionaron al azar diez filamentos de fibra individuales de un haz de fibras y se ensayó cada filamento para determinar la carga de rotura.

El diámetro de la fibra se determinó ópticamente usando un accesorio para un microscopio óptico disponible comercialmente bajo la denominación comercial "DOLAN-JENNER MEASURE-RITE VIDEO MICROMETER SYSTEM", modelo M25-0002, de Dolan-Jenner Industries, Inc. de Lawrence, MA) a 1000 aumentos. El aparato usaba observación de la luz reflejada con un micrómetro de platina calibrado. La tensión de rotura de cada filamento individual se calculó como la carga por unidad de superficie.

Coeficiente de dilatación térmica (CDT)

El CDT se midió de acuerdo con ASTM E-228, publicada en 1995. El trabajo se realizó con un dilatómetro obtenido bajo la designación "UNITHERM 1091" usando una longitud del alambre de 5,1 cm. Se usó una fijación para sujetar la muestra compuesta por dos cilindros de aluminio con un diámetro exterior de 10,7 mm taladrado a un diámetro interior de 6,4 mm. La muestra se sujetó con un tornillo en cada lado. La longitud de la muestra se midió desde el centro de cada tornillo del montaje. Para cada intervalo de temperaturas se realizaron como mínimo dos tandas de calibración con una muestra de calibración de referencia certificada, de sílice, del National Institute of Standards and Technology (NIST) (obtenida bajo la designación comercial "fused Silica" de NIST, Washington DC). Las muestras se ensayaron en un intervalo de temperaturas de -75ºC a 500ºC con una velocidad de rampa de 5ºC en atmósfera de laboratorio. El resultado de este ensayo era un conjunto de datos de dilatación del diámetro frente a temperatura que se recogieron cada 50ºC durante el calentamiento o cada 10ºC durante el enfriamiento. Puesto que el CDT es la velocidad de cambio de la dilatación con la temperatura, los datos requirieron ser procesados para obtener un valor del CDT. Los datos de dilatación frente a temperatura se trazaron usando un paquete de software gráfico (obtenido bajo la designación comercial "EXCEL" de Microsoft, Redmond, WA). A los datos se aportó una función de potencia de segundo orden usando las funciones de ajuste estándar disponibles en el software para obtener una ecuación de la curva. Se calculó la derivada de esta ecuación, obteniéndose una función lineal. Esta ecuación representaba la velocidad de cambio de la dilatación con la temperatura. Esta ecuación se trazó en el intervalo de temperaturas de interés, por ejemplo, de -75ºC a 500ºC, dando por resultado una representación gráfica del CDT frente a temperatura. La ecuación se usó también para obtener el CDT instantáneo a cualquier tempe-
ratura.

Se supone que el CDT cambia de acuerdo con la ecuación \alpha_{cl} = [E_{f}\alpha_{f}V_{f} + E_{m}\alpha_{m}(1-V_{f})/(E_{f}V_{f} + E_{m}(1-V_{f})), en la que: V_{f} = fracción en volumen de fibra, E_{f} = módulo a tracción de fibra, E_{m} = módulo a tracción de la matriz (in situ), \alpha_{cl} = CDT del material compuesto en la dirección longitudinal, \alpha_{f} = CDT de la fibra y \alpha_{m} = CDT de la matriz.

Diámetro

El diámetro del alambre se midió tomando lecturas del micrómetro en cuatro puntos a lo largo del alambre. Típicamente, el alambre no era un círculo perfecto y por tanto había un aspecto largo y uno corto. Las lecturas se hicieron girando el alambre para asegurar que se midieron ambos aspectos, el largo y el corto. El diámetro se dió como media del aspecto largo y el corto.

Fracción en volumen de fibras

La fracción en volumen de fibras se midió por una técnica metalográfica estándar. Se pulió la sección transversal del alambre y se midió la fracción en volumen de fibras usando las funciones de perfilado de la densidad con ayuda de un programa de ordenador denominado NIH IMAGE (versión 1.61), un programa de procesamiento de dominio público desarrollado por Research Services Brand of the National Institutes of Health. Este software medía la intensidad media de la escala de grises de una zona representativa in vivo.

Se montó en resina de montaje (obtenida bajo la designación comercial "EPOXICURE", de Buehler Inc., Lake Bluff, IL) un trozo del alambre. El alambre embutido se pulió usando una pulidora convencional (obtenida de Struers, West Lake, OH) y se usaron pastas de pulido convencionales, empleando en la etapa final pasta de diamante de 1 micrómetro adquirida bajo la designación comercial "DIAMOND SPRAY" de Struers), obteniéndose una sección transversal pulida del alambre. Se obtuvo una fotomicrografía con microscopio electrónico de barrido (SEM) de la superficie transversal pulida del alambre a 150 aumentos. Cuando se tomaron las fotomicrografías SEM, se ajustó el nivel umbral de la imagen para que todas las fibras tuvieran la intensidad cero con el fin de crear una imagen binaria. Se analizó la fotomicrografía SEM con el software NIH IMAGE y se obtuvo la fracción en volumen de fibras dividiendo la intensidad media de la imagen binaria por la intensidad máxima. Se cree que la precisión de este procedimiento para determinar la fracción de volumen de fibras es de \pm 2%.

Valor de la redondez

El valor de la redondez, que es una medida de la precisión con la que la sección transversal del alambre se acerca a la forma circular, se define por medio de los valores de redondez individuales en una longitud especificada. Los valores individuales de la redondez para calcular la media se determinaron como sigue usando un micrómetro rotatorio de láser (obtenido de Zumbach Electronics Corp., Mount Kisco, NY, bajo la designación comercial "ODAC 30J ROTATING LASER MICROMETER"; software: USYS-100, versión BARU13A3), montado de manera que el micrómetro registraba el diámetro del alambre cada 100 milisegundos durante cada rotación de 180º. Cada barrido de 180º se realizaba en 10 segundos. El micrómetro enviaba una información de los datos de una rotación de 180º a una base de datos de proceso. La información contenía los valores mínimo, máximo y medio de los 100 puntos de datos recogidos durante el ciclo de rotación. La velocidad del alambre era de 1,5 m/min. Un "valor individual de la redondez" era la relación de diámetro mínimo a diámetro máximo para los 100 puntos de datos recogidos durante el ciclo de rotación. El valor de la redondez es luego la media de los valores individuales de la redondez medidos en una longitud especificada. Un diámetro medio individual era la media de los 100 puntos de datos.

Valores de la uniformidad de la redondez

El valor de la uniformidad de la redondez, que es el coeficiente de variación de los valores individuales de la redondez medidos en una longitud del alambre especificada, es el cociente de la desviación estándar de los valores individuales de la redondez medidos entre la media de los valores individuales de la redondez medidos. La desviación estándar se determinó de acuerdo con la ecuación

100

en la que n es el número de muestras en la población (esto es, para calcular la desviación estándar de los valores individuales de la redondez medidos para determinar el valor de uniformidad del diámetro, n es el número de valores individuales de la redondez medidos a lo largo de una longitud especificada) y x es el valor medido de la población de muestras (esto es, para calcular la desviación estándar de los valores individuales de la redondez medidos para determinar la uniformidad del diámetro, x son los valores individuales de la redondez medidos en una longitud especificada). Los valores individuales de la redondez medidos para determinar la media se obtuvieron como se ha descrito antes para el valor de la redondez.

Valor de la uniformidad del diámetro

El valor de la uniformidad del diámetro, que es el coeficiente de variación del diámetro medio individual medido en una longitud especificada, se define como el cociente de la desviación de los diámetros medios individuales medidos entre la media de los diámetros medios individuales medidos. El diámetro medio individual medido es la media de los 100 puntos de datos obtenidos antes como se ha indicado para los valores de la redondez. La desviación estándar es calcula usando la ecuación (1).

Ejemplo 1

Se preparó un alambre de material compuesto de aluminio usando 34 haces de fibras cerámicas de alúmina "NEXTEL 610" de 1500 deniers. Cada haz contenía aproximadamente 420 fibras. Las fibras eran sustancialmente redondas en la sección transversal y tenían un diámetro que variaba de aproximadamente 11 a 13 micrómetros de media. La resistencia a tracción media de las fibras (medida como se ha indicado antes) era de 2,76-3,58 GPa). Las fibras individuales tenían resistencias de 2,06-4,82 GPa. Las fibras (en forma de múltiples haces) se suministraron a través de la superficie del metal fundido al baño fundido de aluminio, pasaron en plano horizontal bajo 2 rodillos de grafito y luego salieron del baño fundido en un ángulo de 45º a través de la superficie del metal fundido, en la que se montó un cuerpo de boquilla, y luego pasaron a una bobina de recogida (por ejemplo, como se describe en la patente U.S. nº. 6.336.495 (McCullough y otros), Fig. 1. El aluminio (pureza > 99,95%, de Belmont Metals, New York, NY) se fundió en un crisol de aluminio de 24,1 cm x 31,3 cm x 31,8 cm (obtenido de Vesuvius McDaniel, de Beaver Falls, Pa). La temperatura del aluminio fundido era de aproximadamente 720ºC. Se hizo un cilindro de aproximadamente 12,7 cm de largo por 2,5 cm de largo de una aleación de 95% de niobio y 5% de molibdeno (obtenido de Vesuvius MacDaniel de Beaver Falls, Pa). El cilindro se usó para que accionara el palpador para sintonizar a la vibración deseada (esto es, sintonizado alterando la longitud), a una frecuencia de vibración de 20,06-20,4 kHz. La amplitud del palpador era mayor que 0,002 cm. La punta del palpador se introdujo paralelamente a las fibras entre los rodillos de manera que la distancia entre ellos fuera menor que 2,5 mm. El palpador se conectó a una guía de ondas de titanio que a su vez se conectó a un transductor ultrasónico. Las fibras se infiltraron luego en la matriz metálica para formar alambres de una sección transversal y un diámetro relativamente uniformes. Los alambres que se fabricó mediante este procedimiento tuvieron diámetros de 2,06 mm.

El cuerpo de boquilla colocado a la salida era de nitruro de boro y estaba inclinado formando un ángulo de 45º con la superficie del metal fundido; tenía un orificio con diámetro interior adecuado para introducir un guiahilos de alúmina de un diámetro interior de 2 mm. La guía se fijó en la posición usando una pasta de alúmina. Después de salir de la boquilla, el alambre se enfrió con nitrógeno gas para evitar que se dañara y que se quemaran los rodillos guía de caucho que tiraban del alambre y la fibra durante el proceso. El alambre se enrolló luego en bobinas de madera con reborde.

El porcentaje en volumen de fibras se estimó a partir de una fotomicrografía de una sección de corte transversal (a 200 aumentos) que era de aproximadamente 45% en volumen.

La resistencia a tracción del alambre era de 1,03-1,31 GPa.

El alargamiento a temperatura ambiente era de aproximadamente 0,7-0,8%. El alargamiento se midió con un extensómetro durante el ensayo de tracción.

El alambre de material compuesto de aluminio (m) se suministró como alambre núcleo (como en las Figs. 1 y 2) para ser revestido de acuerdo con el procedimiento de la presente invención. Se suministró sobre un bobina de 91 cm de diámetro exterior, 76,2 cm de diámetro interior y 7,5 cm de ancho, y la bobina se puso en un sistema de compensación con frenado de manera que la tensión era justo la suficiente para evitar que la bobina de alambre de material compuesto de aluminio se desenrollara. No se limpió la superficie del ACW a revestir ni se precalentó antes de ser enhebrado a través de la máquina de revestir 30 y unirse a un tambor de recogida en el lado de salida.

La máquina de revestir (modelo 350, comercializada bajo de denominación comercial "CONKLAD" por BWE Ltd., Ashford, Inglaterra, RU) funcionó al modo tangencial (véase Fig. 2), lo que indica que la línea central del producto transcurre tangencial a la rueda de extrusión 34. Durante el funcionamiento, haciendo referencia a la Fig. 2, un acopio de suministro 28 de aluminio (EC137050; alambre estándar de 9,5 mm, adquirible de Pechiney, Francia), pasaba sobre dos tambores de retención con frenado (no representados) a las acanaladuras periféricas 43 de la rueda de extrusión rotatoria 34, una rueda estándar de doble acanaladura sin eje. La superficie del aluminio de suministro 28 se limpió usando un sistema estándar de limpieza parorbital desarrollado por BWE para eliminar de la superficie óxidos, películas, aceites, grasa o cualquier forma de contaminación viscosa de la superficie antes del
uso.

El ACW 26 se introdujo en la máquina 30 de extrusión por la boquilla 38 de la caja 32. El ACW 26 pasó directamente a través de la herramienta de extrusión (caja 32) y salió por la boquilla de salida 40 (adicionalmente, véase la Fig. 3). La cámara 36 era una de BWE de tipo 32 (adquirible de BWE Ltd., de Ashford, Inglaterra, RU). Dos rodillos de suministro del aluminio entraban en la cámara 36 sobre dos lados del alambre núcleo 26 para igualar la presión y el flujo de metal. La cámara 36 de boquillas se calentaba para controlar la temperatura del aluminio a aproximadamente 500ºC. La acción de la rueda de extrusión 36 y el calor proporcionado por la cámara 36 llenaron la cámara 36 con aluminio plastificado 28. El aluminio 28 se deslizaba plásticamente en torno al ACW 26 y salía por la boquilla de salida 40. La boquilla de salida 40 era mayor que ACW 26 de 3,45 mm de diámetro interior para acomodar el espesor del revestimiento.

La velocidad de la rueda de extrusión 36 se ajustó hasta que el aluminio salía extruido por la boquilla de salida 40 en torno al ACW 26 y la presión en la cámara era suficiente para causar cierta unión parcial entre el revestimiento 22 y el ACW 26. Además, el aluminio extruido 28 tiraba del alambre núcleo 26 a través de la boquilla de salida 40 de manera que un tambor de recogida del producto MCCW 20 no aplicaba tensión. La velocidad de la línea del producto que salía de la máquina era de aproximadamente 50 m/min. Después de salir de la máquina, el alambre pasaba a través de chorros para enfriarlo y luego se enrolló en una bobina de recogida. Se hizo una muestra de ACW revestido (longitud 304 m) con un espesor de pared del revestimiento de 0,7 mm.

El MCCW 20 contiene un ACW 26 de 2,06 mm de diámetro nominal con revestimiento 22 de aluminio, resultando el MCCW 20 de 3,5 mm de diámetro. La forma irregular del ACW 26 se compensó en el revestimiento 22 para crear un producto muy circular. La fracción en superficie del MCCW 20 es 33% de ACW, 67% de revestimiento de aluminio. Dado el 45% de fibras en volumen en el ACW 26, el MCCW 20 tiene una fracción en volumen de fibra neta de aproximadamente 15%.

Se ensayó el alambre hecho en el Ejemplo 1 usando el ensayo de resistencia a tracción descrito antes (distancia entre puntos en la probeta, 3,8 cm):

1

Se ensayó el MCCW 20 del Ejemplo 1 para medir el coeficiente de dilatación térmica (CDT) a lo largo del eje del alambre. Los resultados se ilustran en el gráfico de CDT frente a temperatura de la Fig. 8. El CDT es de aprox. 14-19 ppm/ºC en un intervalo de temperaturas de -75ºC a +500ºC.

Se midieron la redondez del alambre, el valor de la uniformidad de la redondez y el valor de la uniformidad del diámetro del MCCW 20 del Ejemplo 1:

Diámetro medio: 3,57 mm

Valor de la uniformidad del diámetro: 0,12%

Redondez del alambre: 0,9926

Valor de la uniformidad de la redondez: 0,29%

Longitud del alambre: 130 m.

Ejemplo 2

El Ejemplo 2 se preparó como se ha descrito en el Ejemplo 1 con la excepción de que el alambre núcleo 26 se calentó por inducción a 300ºC (temperatura del núcleo en la superficie) antes de insertarlo en la boquilla guía 38 de entrada. Esto dio por resultado un alambre revestido (MCCW 20) de 304 m de longitud y un espesor de pared del revestimiento de 0,70 mm.

Usando el ensayo de resistencia a tracción descrito antes, se ensayó el alambre revestido (MCCW 20) hecho en el Ejemplo 2. (Distancia entre puntos, 63,5 cm).

2

Se analizó el alambre revestido (MCCW 20) del Ejemplo 2 para determinar la resistencia elástica del revestimiento de aluminio. En la Fig. 9 se ilustra un gráfico del comportamiento tensión-deformación del alambre revestido del Ejemplo 2. Hay un cambio de pendiente en el intervalo de 0,04 a 0,06% de deformación, que se asocia con el deslizamiento plástico del revestimiento de aluminio. El propio alambre núcleo no tiene este comportamiento. La Fig. 9 sugiere que el comienzo de la deformación plástica empieza al 0,042% de deformación. Así, la resistencia al deslizamiento sería el módulo multiplicado por la deformación en el límite elástico. El módulo elástico del aluminio puro es de 69 GPa. Por tanto, el límite elástico se calcula que es de 29,0 MPa.

Ejemplo comparativo 1

Se ensayaron a rotura a tracción, usando el ensayo de resistencia a tracción del alambre descrito antes, alambres núcleo AMC 26 de 2,06 mm preparados como se ha descrito en el Ejemplo 1. Se registró el número de roturas después del ensayo por inspección visual. Se observaron roturas múltiples de alambres en muestras con una longitud de ensayo igual a 350 mm o más. El número de roturas típicamente variaba de 2 a 4 para longitudes de ensayo de hasta 635 mm. Para documentar el mecanismo de rotura se usó una cámara de vídeo de alta velocidad (comercializada bajo la designación comercial "KODAK" por Kodak, Rochester, NY (Kodak HRC 1000, 500 fotogramas/min; colocada a 61 cm de la muestra). El vídeo muestra la secuencia de roturas en cada alambre; la rotura primaria (la primera) era a tracción, y las roturas posteriores (esto es, roturas secundarias) presentaban un pandeo general a compresión como uno de los mecanismos operativos. La fractografía (SEM, microscopía electrónica de barrido) de otras superficies de fractura reveló también que el micropandeo era otro mecanismo de rotura secundaria.

Ejemplo 3

Se ensayaron a rotura por tracción alambres núcleo AMC 26 de 2,06 mm de diámetro revestidos con 0,7 mm de aluminio 22 (como se ha descrito en el Ejemplo 1). El alambre revestido (MCCW 20) tenía una longitud de ensayo de 635 mm. El alambre revestido no presentó fracturas secundarias después de la primera rotura a tensión (la carga de rotura era de media 4900 N). La ausencia de roturas secundarias se verificó sujetando con las mordazas la parte más larga de los alambres (MCCW 20)rotos y volviendo a someterlas a tracción (la longitud que se ensayó seguía siendo mayor que 38,1 cm). En el ensayo repetido, los alambres revestidos (MCCW 20) tenían una carga de rotura ligeramente mayor (aprox. 5000 N). Este resultado indicó que no había sitios de fractura secundaria ocultos en el alambre revestido. El desplazamiento de la carga indicaba también el papel del revestimiento de aluminio 22 cuando se produce la rotura primaria a tracción, como se muestra en el gráfico de la Fig. 10. La súbita caída de la carga se asocia con la rotura primaria en el ACW 26, aunque la carga no cae a cero inmediatamente; parte de la carga es soportada por el revestimiento de aluminio 22 que se estira y amortigua el retroceso súbito como lo indica la superficie del gráfico en la flecha 90.

Ensayo de retención de la flexión

El ensayo de retención de la flexión ilustra la cuantía de flexión retenida por un alambre después de la deformación. Si no se retiene flexión alguna, el alambre es totalmente elástico. Si se retiene algo de flexión, al menos una porción del alambre se ha deformado plásticamente de manera que retiene una forma flexionada. El ensayo de retención de la flexión se realiza típicamente a ángulos de flexión y fuerzas inferiores a la resistencia a la rotura del alambre que se ensaya.

Se bobina a mano en lazo circular una longitud dada de MCCW 20 (como se ha descrito antes) formando una muestra bobinada 92 como se ilustra en la Fig. 11. La muestra bobinada 92 es un círculo cerrado de un diámetro específico que varía aproximadamente de 20,3 cm a 134,6 cm de circunferencia.

Para cada muestra bobinada 92 se midió la longitud de la cuerda L de la muestra bobinada 100. Se midió una longitud de un segmento de la línea, y, que es perpendicular a la cuerda L y que va desde el punto central de la cuerda L al borde de la muestra bobinada 92. El radio de flexión inicial, R_{inicial}, se calculó para cada muestra de acuerdo con la ecuación 2, en la que x = ½L.

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110

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Los valores de L, y y R_{inicial} para los Ejemplo 4-3 se dan en la siguiente Tabla 1.

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TABLA 1

3

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Luego se liberaron los extremos de la muestra bobinada 92 y se dejó que el alambre revestido (MCCW 20) se relajara a una forma final curvada. En este alambre relajado se midieron las dimensiones Y' y L' y se calculó el radio final flexionado R_{final}. En la siguiente Tabla 2 es presentan loas resultados para varios ejemplos.

TABLA 2

4

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En la Fig. 12 se ha trazado el radio relajado frente al radio flexionado.

Para predecir el espesor del revestimiento requerido para un MCCW 20 para sujetar un conjunto de 33,0 cm se usaron dos modelos teóricos, el modelo de radio interior y el modelo de bisagra plástica. Los cálculos siguientes determinan el espesor necesario t del revestimiento en torno a un alambre núcleo con un radio r que es necesario para mantener un radio de flexión relajada final \rho para MCCW. Los modelos difieren en cuanto a cómo se desliza el metal dúctil en el revestimiento.

El momento flector del alambre núcleo del centro es

101

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El momento de área para una sección transversal maciza es

102

en las que r es el radio del alambre núcleo, E es el módulo elástico del alambre núcleo y \rho es el radio de flexión del MCCW.

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El modelo del radio interior predice que se llega a un estado de equilibrio cuando la tensión en el material de revestimiento en el borde interior del revestimiento es igual a la resistencia en el límite elástico del material de revestimiento. Esto es, \sigma_{x} = Y, siendo \sigma_{x} la tensión en el material de revestimiento e Y la resistencia al deslizamiento del material de revestimiento.

El momento flector M_{L} del alambre en este estado es:

103

El momento de área del anillo circular del revestimiento se define

104

Un segundo modelo, el modelo de bisagra plástica usa las siguientes ecuaciones:

El momento flector M_{p} en el equilibrio es define como

105

El momento de área para el modelo de bisagra plástica es:

106

El estado final relajado del alambre se determina como el punto en el que el momento de flexión del alambre núcleo es igual al momento de deslizamiento por flexión del MCCW.

Para el modelo de radio interior esto ocurre cuando:

107

Para el modelo de bisagra plástica esto ocurre cuando

108

Las ecuaciones 7 y 8 se pueden resolver para el espesor del revestimiento t como función del radio del alambre núcleo, r, la resistencia al deslizamiento plástico del material de revestimiento Y, el radio de flexión del MCCW y el módulo elástico del alambre núcleo.

Para el ejemplo siguiente se usan los parámetros siguientes:

radio de alambre núcleo, r = 0,102 cm

módulo elástico del alambre núcleo, E = 16,8x10^{3} kg/mm^{2}

radio de flexión del MCCW, \rho = 33,00 cm

tensión elástica del revestimiento, \sigma_{i} = 6.300 kg/mm^{2}

Éstos se resuelven para que resulte el espesor del revestimiento dado el radio de flexión medido del alambre (33,0 cm) y una resistencia al deslizamiento plástico del material de revestimiento (6,2 kg/mm^{2}).

111

Los expertos en la técnica podrán identificar modificaciones y alteraciones de esta invención sin desviarse del alcance de esta invención, y debe saberse que esta invención no está limitada a las realizaciones ilustrativas presentadas en la memoria.

Claims (16)

1. Un cable de material compuesto que comprende:

una pluralidad de alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal, teniendo cada alambre una superficie exterior, comprendiendo cada alambre de material compuesto revestido con metal:

como mínimo un haz, haz que comprende una pluralidad de fibras continuas que están orientadas longitudinalmente entre sí, fibras que comprenden como mínimo una de cerámica o carbono;

una matriz de metal, estando situado cada haz dentro de la matriz de metal, y

un revestimiento metálico que cubre sustancialmente la totalidad de cada alambre de material compuesto de matriz metálica, revestimiento que tiene un punto de fusión no mayor que 1100ºC,

en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal tiene un valor de la redondez de como mínimo 0,95, un valor de uniformidad de la redondez no mayor que 0,9%, y un valor de uniformidad del diámetro no mayor que 0,2% en una longitud de como mínimo 100 metros.

2. El cable de material compuesto de la reivindicación 1, en el que cada uno de los alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal comprende una pluralidad de haces, en el que el revestimiento de metal cubre la superficie exterior entera de cada alambre de material compuesto de matriz metálica, y en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal es plásticamente deformable.

3. El cable de material compuesto de la reivindicación 2, en el que, cuando una porción de cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal experimenta una fractura primaria, el revestimiento de metal es eficaz para amortiguar efectos de retroceso y evitar fracturas secundarias en un segmento del alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal.

4. El cable de material compuesto de la reivindicación 2, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal tiene una deformación de rotura comparativamente que la deformación de rotura que exhibe el alambre de material compuesto de matriz metálica sin el revestimiento de metal.

5. El cable de material compuesto de la reivindicación 4, en el que la matriz metálica de cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal comprende como mínimo un metal entre aluminio, zinc, estaño, magnesio, cobre o una aleación de los mismos, y en el que el revestimiento de metal comprende como mínimo un metal entre aluminio, zinc, estaño, magnesio, cobre o una aleación de los mismos.

6. El cable de material compuesto de la reivindicación 4, en el que el revestimiento de metal tiene un punto de fusión no mayor que 1000ºC.

7. El cable de material compuesto de la reivindicación 4, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal comprende fibras en un intervalo de 40 a 70% en volumen, en relación al volumen total del alambre de material compuesto de matriz metálica, y en el que como mínimo 85% de las fibras de cada haz son continuas.

8. El cable de material compuesto de la reivindicación 2, en el que los alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal están trenzados helicoidalmente para formar un cable homogéneo.

9. El cable de material compuesto de la reivindicación 2, que además comprende un núcleo del cable y una cubierta, en el que el núcleo del cable comprende los alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal y la cubierta comprende alambres secundarios.

10. El cable de material compuesto de la reivindicación 1, en el que la matriz metálica comprende aluminio.

11. El cable de material compuesto de la reivindicación 10, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal comprende una pluralidad de haces, y en el que los alambres de material compuesto de matriz metálica revestidos con metal son plásticamente deformables.

12. El cable de material compuesto de la reivindicación 11, en el que, cuando cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal experimenta una fractura primaria, el revestimiento de metal es eficaz para amortiguar efectos de retroceso y evitar fracturas secundarias del alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal.

13. El cable de material compuesto de la reivindicación 11, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal presenta una deformación de rotura comparativamente mayor que la deformación de rotura exhibida por el alambre de material compuesto de matriz metálica sin el revestimiento de metal.

14. El cable de material compuesto de la reivindicación 13, en el que la matriz metálica de cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metales selecciona entre aluminio o una aleación del mismo, y en el que el revestimiento de metal comprende como mínimo un metal entre aluminio, zinc, estaño, magnesio, cobre o una aleación de los mismos.

15. El cable de material compuesto de la reivindicación 13, en el que el revestimiento de metal tiene un punto de fusión de no más de 1000ºC.

16. El cable de material compuesto de la reivindicación 13, en el que cada alambre de material compuesto de matriz metálica revestido con metal comprende fibras en un intervalo de 40 a 70% en volumen, en relación al volumen total del alambre de material compuesto de matriz metálica, y en el que como mínimo 85% de las fibras de cada haz son continuas.