JP5128749B2 - 金属マトリックス複合ワイヤ、ケーブル、および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、金属マトリックス内部の実質的に連続な繊維で強化された複合ワイヤ、およびそのようなワイヤを含むケーブルに関する。
【０００２】
発明の背景
金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）は、高い強度および剛性と軽量とを兼ね備えるため将来性のある材料として認識されている。一般にＭＭＣは、繊維で強化された金属マトリックスを有する。金属マトリックス複合材料の例としては、アルミニウムマトリックス複合ワイヤ（例えば、アルミニウムマトリックス中の炭化ケイ素、炭素、ホウ素、または多結晶αアルミナ繊維）、チタンマトリックス複合テープ（例えば、チタンマトリックス中の炭化ケイ素繊維）、および銅マトリックス複合テープ（例えば、銅マトリックス中の炭化ケイ素繊維）が挙げられる。
【０００３】
裸の空中送電ケーブルの補強部材としてのある金属マトリックス複合ワイヤの使用は特に関心が持たれている。必要電力量の増加のため既存の送電設備の送電能力の向上が求められ、規制緩和により電力潮流が変化することから、このようなケーブルに使用される新しい材料が必要とされている。このような新しい材料に必要な基本的性能としては、耐食性、耐候性（例えば、ＵＶおよび湿気）、高温での強度低下に対する抵抗性、および耐クリープ性が挙げられる。
【０００４】
性能に関する重要な性質は、弾性率、密度、熱膨張係数、導電率、および強度である。通常これらの性質は、成分（すなわち、金属マトリックス材料および繊維）の選択およびそれらの純度、ならびに繊維の体積分率によって左右される。これらの性質の中で、高い引張強さと剛性を有する繊維から製造したワイヤの開発が重要視されている。
【０００５】
金属間相、収縮または内部ガス（例えば、水素または水蒸気）のボイドによる多孔性、および特に乾燥した（すなわち、コーティングされていない）繊維など、ワイヤ中の不完全性が存在すると、ワイヤの強度などの性質が低下することが知られている。これらの不完全性は、成分（すなわち、金属マトリックスおよび繊維の材料）中の不純物、成分の非相溶性、ならびにマトリックス材料の繊維への不完全な溶浸によって生じうる。
【０００６】
一貫して良好な機械的性質を有する実質的に連続な金属マトリックス複合ワイヤが必要とされている。
【０００７】
発明の要約
本発明は、実質的に連続な繊維金属マトリックス複合材料に関する。本発明の実施態様は、複数の実質的に連続で長手方向に配置された繊維を金属マトリックス中に有する金属マトリックス複合材料（例えば、複合ワイヤ）に関する。本発明による金属マトリックス複合材料は、弾性率、密度、熱膨張係数、導電率、および強度に関して所望の性質を示すワイヤに成形される。
【０００８】
本発明は、金属マトリックス中に複数の実質的に連続で長手方向に配置された繊維を含む少なくとも１つのトウ（通常は複数のトウ）を有する金属マトリックス複合ワイヤを提供する。繊維は、セラミック繊維、炭素繊維、およびそれらの混合物の群より選択される。金属マトリックス材料の融点は１１００℃以下である（通常は１０００℃以下であり、９００℃以下、８００℃以下、さらには７００℃以下となる場合もある）。多くの場合、ワイヤの長さは少なくとも３００ｍ（好ましくは、好ましくなる順に、少なくとも約４００ｍ、少なくとも約５００ｍ、少なくとも約６００ｍ、少なくとも約７００ｍ、少なくとも約８００ｍ、少なくとも約９００ｍ、および少なくとも約１０００ｍ）であり、曲げ破壊値は０である。これは、実施例に記載の「ワイヤ耐久試験」により試験した場合に、少なくとも３００ｍ（好ましくは、好ましくなる順に、少なくとも約４００ｍ、少なくとも約５００ｍ、少なくとも約６００ｍ、少なくとも約７００ｍ、少なくとも約８００ｍ、少なくとも約９００ｍ、および少なくとも約１０００ｍ）の長さにわたってワイヤが破壊されないことを意味する。
【０００９】
別の実施態様では、本発明による複合ワイヤの製造方法を提供する。この方法は、所定体積の溶融金属マトリックス材料を提供する工程と、所定体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を振動させるために超音波エネルギーを与える工程と、実質的に連続な繊維を複数含む少なくとも１つのトウ（通常は複数のトウ）を所定体積の溶融マトリックス材料に浸漬する工程であって、繊維はセラミック繊維、炭素繊維、およびそれらの混合物の群より選択される工程と、溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を複数の繊維に溶浸させて溶浸させた複数の繊維を得るために、所定体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を振動させるために超音波エネルギーを与える工程と、溶融金属マトリックス材料が固化して本発明による金属マトリックス複合ワイヤが得られるような条件下で、所定体積の溶融金属マトリックス材料から溶浸させた複数の繊維を引き抜く工程とを含む。
【００１０】
さらに別の実施態様では、本発明による少なくとも１つの金属マトリックス複合ワイヤを有するケーブルを提供する。
【００１１】
定義
本明細書で使用する場合、以下の用語は次のように定義される。
【００１２】
「実質的に連続な繊維」は、繊維の平均直径と比較した場合に相対的にはるかに長い繊維を意味する。通常これは、繊維のアスペクト比（すなわち、繊維の長さと繊維の平均直径の比）が少なくとも約１×１０⁵、好ましくは少なくとも約１×１０⁶、より好ましくは少なくとも約１×１０⁷であることを意味する。通常、このような繊維は長さが少なくとも約５０ｍ程度であり、数ｋｍ以上の長さになる場合もある。
【００１３】
「長手方向に配置された」は、ワイヤの長さと同じ方向に向いた繊維を意味する。
【００１４】
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明は、長さが少なくとも３００ｍの本発明による金属マトリックス複合ワイヤの曲げ破壊値が０であることなどによって示されるように有意に向上した機械的性質を有する比較的長い金属マトリックス複合ワイヤを提供する。理論によって束縛しようとするものではないが、このように向上した性質は局所的な不完全性（例えば、ワイヤ製造中に生じるワイヤ中の、局所的な乾燥繊維、収縮または内部ガスのボイドによる局所的な多孔性、微孔性、および／または局所的な金属間化合物）が減少または解消された結果得られると考えられる。
【００１５】
理論によって束縛しようとするものではないが、金属間相、乾燥繊維、収縮または内部ガス（例えば、水素または水蒸気）のボイドなどによる多孔質などワイヤに不完全性が存在すると、ワイヤの強度などの性質が低下することが知られている。本出願人らは、公知の金属マトリックス複合ワイヤのワイヤの長さ方向に沿った不完全性は、当技術分野で知られているよりも多く存在することを発見したと考えている。例えば、１ｍのワイヤの性質およびその他の特徴を試験または分析することは、１０ｍ、５０ｍ、１００ｍなどの長さのワイヤが所望の性質および特徴を一貫して示すことを必ずしも意味しない。ワイヤのこのような不完全性としては、金属間相、局所的な乾燥（すなわち、コーティングされていない）繊維（例えば図１参照）、収縮による多孔質（例えば図２参照）または内部ガスボイドによる多孔質（例えば図３参照）、および微孔質（例えば図４参照）などを挙げることができる。このような不完全性は、金属マトリックス複合ワイヤの強度などの性質を大きく低下させうると考えられる。理論によって束縛しようとするものではないが、本出願人らによる本発明の方法によって製造された好ましいワイヤは、従来技術と比較すると長さ方向に沿ったこれらの１つ以上の不完全性が有意に減少（または解消）されていると考えられ、少なくとも３００ｍの長さにわたって曲げ破壊値が０であるワイヤなどで示されるように有意に向上した性質を有するワイヤが得られる。
【００１６】
本発明は、繊維で強化された金属マトリックス複合材料を有するワイヤおよびケーブルを提供する。本発明による複合ワイヤは、１種類以上の金属（例えば、高純度元素アルミニウム、または純アルミニウムと銅などの他の元素との合金）を含むマトリックス中に封入された、実質的に連続で長手方向に配置されたセラミック（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃系）強化用繊維などの強化用繊維を複数含む少なくとも１つのトウを有する。好ましくは少なくとも繊維数の約８５％が、本発明によるワイヤ中で実質的に連続である。本発明による少なくとも１つのワイヤを、ケーブル、好ましくは送電ケーブルに取り入れることができる。
【００１７】
実質的に連続な強化用繊維は好ましくは平均繊維直径が少なくとも約５μｍである。通常、平均繊維直径は約５０μｍ以下であり、より一般的には約２５μｍ以下である。
【００１８】
好ましくは、繊維の弾性率は約１０００ＧＰａ以下であり、より好ましくは約４２０ＧＰａ以下である。好ましくは繊維の弾性率は約７０ＧＰａを超える。
【００１９】
本発明による金属マトリックス複合材料の製造に有用となりうる実質的に連続な繊維の例としては、金属酸化物（例えば、アルミナ）繊維や炭化ケイ素繊維などのセラミック繊維、および炭素繊維が挙げられる。通常、セラミック酸化物繊維は、結晶質セラミックおよび／または結晶質セラミックとガラスの混合物（すなわち、結晶質セラミック相とガラス相の両方を含みうる繊維）である。
【００２０】
好ましくはセラミック繊維の平均引張強さは少なくとも約１．４ＧＰａであり、より好ましくは少なくとも約１．７ＧＰａであり、さらにより好ましくは少なくとも約２．１ＧＰａであり、最も好ましくは少なくとも約２．８ＧＰａである。好ましくは炭素繊維の平均引張強さは少なくとも約１．４ＧＰａであり、より好ましくは少なくとも約２．１ＧＰａであり、さらにより好ましくは少なくとも約３．５ＧＰａであり、最も好ましくは少なくとも約５．５ＧＰａである。
【００２１】
トウは繊維技術分野ではよく知られており、ロープ状形態に集まった複数の（個別の）繊維（通常は少なくとも１００本の繊維、より一般的には少なくとも４００本の繊維）を意味する。トウは好ましくは１つのトウ当たり少なくとも７８０本の個別の繊維を含み、より好ましくは少なくとも１つのトウ当たり２６００本の個別の繊維を含む。セラミック繊維のトウは、３００ｍ以上の長さなどの種々の長さで入手可能である。繊維の断面形状は円形や楕円形であってもよい。
【００２２】
アルミナ繊維の製造方法は、公知であり、例えば米国特許第４，９５４，４６２号（Ｗｏｏｄら）に記載される方法が挙げられる。
【００２３】
好ましくは、アルミナ繊維は多結晶αアルミナ系繊維であり、理論的酸化物を基準にして、アルミナ繊維の全重量に対して、約９９ｗｔ％を超えるＡｌ₂Ｏ₃と約０．２〜０．５ｗｔ％のＳｉＯ₂を含む。別の態様では、好ましい多結晶αアルミナ系繊維は、平均結晶粒度が１μｍ未満（より好ましくは０．５μｍ未満）であるαアルミナを含む。別の態様では、好ましい多結晶αアルミナ系繊維は、平均引張強さが少なくとも１．６ＧＰａ（好ましくは少なくとも２．１ＧＰａ、より好ましくは少なくとも２．８ＧＰａ）である。好ましいαアルミナ繊維は３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ）より商品名「ＮＥＸＴＥＬ ６１０」で市販されている。
【００２４】
好適なアルミノケイ酸塩繊維は米国特許第４，０４７，９６５号（Ｋａｒｓｔら）に記載されている。好ましくは、アルミノケイ酸塩繊維は、理論的酸化物を基準にして、アルミノケイ酸塩繊維の全重量に対して、約６７〜約８５ｗｔ％の範囲のＡｌ₂Ｏ₃と約３３〜約１５ｗｔ％の範囲のＳｉＯ₂を含む。ある好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、理論的酸化物を基準にして、アルミノケイ酸塩繊維の全重量に対して、約６７〜約７７ｗｔ％の範囲のＡｌ₂Ｏ₃と約３３〜約２３ｗｔ％の範囲のＳｉＯ₂を含む。好ましいアルミノケイ酸塩繊維の１つは、理論的酸化物を基準にして、アルミノケイ酸塩繊維の全重量に対して、約８５ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と約１５ｗｔ％のＳｉＯ₂を含む。別の好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、理論的酸化物を基準にして、アルミノケイ酸塩繊維の全重量に対して、約７３ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃と約２７ｗｔ％のＳｉＯ₂を含む。好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙより商品名「ＮＥＸＴＥＬ ４４０」セラミック酸化物繊維、「ＮＥＸＴＥＬ ５５０」セラミック酸化物繊維、および「ＮＥＸＴＥＬ ７２０」セラミック酸化物繊維で市販されている。
【００２５】
好適なアルミノホウケイ酸塩繊維は米国特許第３，７９５，５２４号（Ｓｏｗｍａｎ）に記載されている。好ましくはアルミノホウケイ酸塩繊維は、理論的酸化物を基準にして、アルミノホウケイ酸塩繊維の全重量に対して、約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％（より好ましくは約５５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％）のＡｌ₂Ｏ₃、０ｗｔ％を超え（より好ましくは少なくとも約１５ｗｔ％）約５０ｗｔ％未満（より好ましくは約４５％未満、最も好ましくは約４４％未満）のＳｉＯ₂、および約５ｗｔ％を超える（より好ましくは約２５ｗｔ％未満、さらにより好ましくは約１ｗｔ％〜約５ｗｔ％、最も好ましくは約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％）のＢ₂Ｏ₃を含む。好ましいアルミノホウケイ酸塩繊維は３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙより商品名「ＮＥＸＴＥＬ ３１２」で市販されている。
【００２６】
好適な炭化ケイ素繊維としては、例えばＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（カリフォルニア州Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ）より商品名「ＮＩＣＡＬＯＮ」（トウ当たり５００本の繊維）、宇部興産（日本）より商品名「ＴＹＲＡＮＮＯ」、およびＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（ミシガン州Ｍｉｄｌａｎｄ）より商品名「ＳＹＬＲＡＭＩＣ」で市販されている。
【００２７】
好適な炭素繊維は、Ａｍｏｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（ジョージア州Ａｌｐｈａｒｅｔｔａ）の商品名「ＴＨＯＲＮＥＬ ＣＡＲＢＯＮ」（１つのトウ当たり２０００本、４０００本、５，０００本、および１２，０００本の繊維）、Ｈｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（コネチカット州Ｓｔａｍｆｏｒｄ）より、Ｇｒａｆｉｌ，Ｉｎｃ．（カリフォルニア州Ｓａｃｒａｍｅｎｔｏ）（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｒａｙｏｎ Ｃｏ．の子会社）より商品名「ＰＹＲＯＦＩＬ」、東レ（東京、日本）より商品名「ＴＯＲＡＹＣＡ」、東邦レーヨン（日本）より商品名「ＢＥＳＦＩＧＨＴ」、Ｚｏｌｔｅｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ミズーリ州Ｓｔ． Ｌｏｕｉｓ）より商品名「ＰＡＮＥＸ」および「ＰＹＲＯＮ」ならびに、Ｉｎｃｏ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（ニュージャージー州Ｗｙｃｋｏｆｆ）より（ニッケルコーティングされた炭素繊維）商品名「１２Ｋ２０」および「１２Ｋ５０」で市販されている。
【００２８】
通常、市販の繊維は、潤滑性を付与し取り扱い中に繊維ストランドを保護するため製造中に繊維に加えられた有機サイジング剤を含む。サイジングによって繊維の破壊が減少し、静電気が減少し、織物を製造するときなどのほこりの量が減少すると考えられている。サイジングは、例えば溶解させたり燃焼させたりすることで除去可能である。好ましくは、本発明による金属マトリックス複合ワイヤの製造前にサイジングが除去される。これによって、アルミニウムマトリックス複合ワイヤ製造前に、セラミック酸化物繊維上にはサイジングが存在しない。
【００２９】
繊維上にコーティングすることも本発明の範囲内である。繊維のぬれ性の向上、繊維と溶融金属マトリックス材料の間の反応の緩和または防止などのためにコーティングを使用することができる。このようなコーティングおよびこのようなコーティングの適用方法は、繊維および金属マトリックス複合材料技術分野において公知である。
【００３０】
本発明によるワイヤは、繊維とマトリックス材料の全体積を基準にして少なくとも１５体積％（より好ましくは、好ましくなる順に、少なくとも２０、２５、３０、３５、４０、または５０体積％）の繊維を含むことが好ましい。通常、本発明による金属マトリックス複合ワイヤは、繊維とマトリックス材料の全体積を基準にして約３０〜約７０（好ましくは約４０〜約６０）体積％の範囲の繊維を含む。
【００３１】
本発明によるワイヤの長さは、好ましくなる順に少なくとも３００ｍ、少なくとも約４００ｍ、少なくとも約５００ｍ、少なくとも約６００ｍ、少なくとも約７００ｍ、少なくとも約８００ｍ、および少なくとも約９００ｍであり、この長さにわたって本明細書に記載のワイヤ耐久試験により破壊ゼロ（すなわち、曲げ破壊値が０）を示す。
【００３２】
本発明によるワイヤの平均直径は、好ましくは少なくとも約０．５ミリメートル（ｍｍ）であり、より好ましくは少なくとも約１ｍｍであり、より好ましくは少なくとも約１．５ｍｍである。別の態様では、本発明によるワイヤは好ましくは平均引張強さが少なくとも約３５０ＭＰａである。
【００３３】
繊維外部に保護コーティングを設ける必要性をなくすためなどの目的で、繊維材料と有意な化学反応を起こさない（すなわち、繊維材料に対して化学的に比較的不活性である）ようにマトリックス材料を選択することができる。好ましい金属マトリックス材料としてはアルミニウム、亜鉛、スズ、およびそれらの合金（例えば、アルミニウムと銅の合金）が挙げられる。より好ましくはマトリックス材料としてはアルミニウムおよびその合金が挙げられる。アルミニウム、亜鉛、スズの報告されている融点はそれぞれ６６０℃、４２０℃、および２３２℃である。アルミニウムマトリックス材料の場合、好ましくは、マトリックスは少なくとも９８ｗｔ％のアルミニウムを含み、より好ましくは少なくとも９９ｗｔ％のアルミニウムを含み、さらにより好ましくは９９．９ｗｔ％を超えるアルミニウムを含み、最も好ましくは９９．９５ｗｔ％を超えるアルミニウムを含む。アルミニウムと銅の好ましいアルミニウム合金は、少なくとも約９８ｗｔ％のＡｌと最大約２ｗｔ％のＣｕを含む。より高純度の金属ほど引張強さのより大きいワイヤを作製するために好ましいが、より純度の低い形態の金属も有用である。
【００３４】
好適な金属は市販されている。例えば、アルミニウムは、Ａｌｃｏａ（ペンシルバニア州Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ）より商品名「ＳＵＰＥＲ ＰＵＲＥ ＡＬＵＭＩＮＵＭ；９９．９９％ Ａｌ」として入手可能である。アルミニウム合金（例えば、Ａｌ−２ｗｔ％Ｃｕ（不純物０．０３ｗｔ％）は、Ｂｅｌｍｏｎｔ Ｍｅｔａｌｓ（ニューヨーク州Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）より入手可能である。亜鉛とスズは、例えばＭｅｔａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ（ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ）より入手可能である（「純亜鉛」純度９９．９９９％、および「純スズ」純度９９．９５％）。スズ合金の例としては、９２ｗｔ％Ｓｎ−８ｗｔ％Ａｌ（これは、アルミニウムを５５０℃の溶融スズ浴に加え、その混合物を使用前に１２時間静置することによって製造可能である）が挙げられる。スズ合金の例としては、９０．４ｗｔ％Ｚｎ−９．６ｗｔ％Ａｌ（これは、アルミニウムを５５０℃の溶融亜鉛浴に加え、その混合物を使用前に１２時間静置することによって製造可能である）が挙げられる。
【００３５】
本発明による金属マトリックス複合ワイヤの製造に使用される具体的な繊維、マトリックス材料、および工程段階は、所望の性質の金属マトリックス複合ワイヤが得られるように選択される。例えば、繊維と金属マトリックス材料は、互いに十分に適合性となり、所望のワイヤを製造するためのワイヤ製造工程に十分適合するように選択される。アルミニウムおよびアルミニウム合金マトリックス複合材料のある好ましい製造技術に関するさらなる詳細は、同時係属出願の米国特許出願第０８／４９２，９６０号、および出願番号ＷＯ９７／００９７６号（１９９６年５月２１日公開）のＰＣＴ出願に開示されている。
【００３６】
本発明による連続金属マトリックス複合ワイヤは、例えば、連続的金属マトリックス溶浸法によって製造することができる。本発明によるワイヤの好ましい製造装置の概略を図５に示す。実質的に連続なセラミックおよび／または炭素繊維のトウ５１が供給スプール５０から供給され、円形の束にまとめられ、管状炉５２を通過するときにヒートクリーニングが行われる。続いて繊維は減圧室５３で減圧された後、金属性マトリックス材料溶融物６１（本明細書では「溶融金属」とも記載する）を含有するるつぼ５４に入る。繊維はキャタピラ５５によって供給スプール５０から引き出される。溶融物のトウ５１への溶浸を促進するために、繊維の近傍の溶融物中に超音波プローブ５６が配置される。出口第５７からるつぼ５４を出るとワイヤの溶融金属は冷却されて固化するが、るつぼ５４から完全に出る前にある程度冷却が進むこともある。ワイヤ５９の冷却は、気体流または液体流５８によって促進される。ワイヤ５９はスプール６０上に集められる。任意にワイヤは、後出の実施例に記載のワイヤ耐久試験を使用してライン中で試験される。
【００３７】
繊維のヒートクリーニングによって、サイジング剤、吸着水、および繊維表面に存在しうる他の不安定物質または揮発性物質の除去や減量が促進される。好ましくは、繊維表面の炭素含有率が２２％未満の面積分率になるまで繊維のヒートクリーニングが行われる。通常、管状炉の温度は少なくとも約３００℃であり、より一般的には少なくとも１０００℃であり、その温度で少なくとも数秒間処理が行われるが、具体的な温度および時間は、使用される特定の繊維に必要なクリーニングなどに依存する。
【００３８】
好ましくは、繊維は溶融物に入れられる前に減圧され、このように減圧を使用することで、乾燥繊維を有する局所領域などの欠陥の形成が減少またはなくなる傾向にあることが分かっている。好ましくは、好ましさが増加していく順に、繊維は２０Ｔｏｒｒ以下、１０Ｔｏｒｒ以下、１Ｔｏｒｒ以下、および０．７Ｔｏｒｒ以下の真空に減圧される。
【００３９】
好適な減圧システムの一例は、繊維束の直径に適合した寸法の入口管である。入口管は、例えば、ステンレス鋼またはアルミナの管であってよく、通常長さは少なくとも３０ｃｍである。通常、好適な減圧室は直径が約２ｃｍ〜約２０ｃｍの範囲であり、長さは約５ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲である。真空ポンプの能力は好ましくは少なくとも０．２〜０．４ｍ³／分である。減圧された繊維は、アルミニウム浴に貫入する減圧システムの管から溶融物中に挿入されるが（すなわち、減圧された繊維は溶融物に入れられるとき減圧下にある）、溶融物は実質的に大気圧であることが一般的である。出口管の内径は、繊維束の直径と実質的に一致する。出口管の一部は、溶融アルミニウム中に入れられる。好ましくは、管の約０．５〜５ｃｍは溶融金属中に入れられる。この管は、溶融金属材料に対して安定であるものが選択される。通常は好適となる管の例は、窒化ケイ素管およびアルミナ管である。
【００４０】
溶融金属の繊維への溶浸は、超音波を使用することで通常は促進される。例えば、繊維と近接するように溶融金属中に振動ホーンが配置される。好ましくは、繊維はホーン先端から２．５ｍｍ以内にあり、より好ましくはホーン先端から１．５ｍｍ以内にある。ホーン先端はニオブまたは、９５ｗｔ％Ｎｂ−５ｗｔ％Ｍｏや９１ｗｔ％Ｎｂ−９ｗｔ％Ｍｏなどのニオブ合金から作製されることが好ましく、ＰＭＴＩ（ペンシルバニア州Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ）などから入手可能である。金属マトリックス複合材料の製造のための超音波の使用に関するさらなる詳細については、例えば、米国特許第４，６４９，０６０号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、第４，７７９，５６３号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、および第４，８７７，６４３号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、米国特許出願第０８／４９２，９６０号、ならびに公開番号第ＷＯ９７／００９７６号（１９９６年５月２１日公開）のＰＣＴ出願を参照されたい。
【００４１】
溶浸中および／または溶浸前に溶融金属は脱気（例えば、溶融金属中に溶解する気体（例えば、水素）量の減少）されることが好ましい。溶融金属の脱気方法は金属加工分野においては公知である。溶融物の脱気によって、ワイヤ中のガスによる多孔度が減少する傾向にある。溶融アルミニウムの場合、好ましくは溶融物の水素濃度は、好ましくなる順に０．２、０．１５、および０．１ｃｍ³／アルミニウム１００ｇ未満である。
【００４２】
出口ダイは、所望のワイヤ直径が得られるように構成される。通常、長さ方向にそって均一な円形のワイヤが得られることが望ましい。通常、出口ダイの直径は、ワイヤの直径よりわずかに大きい。例えば、約５０体積％のアルミナ繊維を有するアルミニウム複合ワイヤ用の窒化ケイ素出口ダイの直径は、ワイヤの直径よりも約３％小さい。好ましくは、出口ダイは窒化ケイ素から作製されるが、他の材料が有用となる場合もある。当技術分野で出口ダイとして使用されてきた他の材料としては、従来のアルミナが挙げられる。しかしながら本出願人らは、窒化ケイ素出口ダイは従来のアルミナダイよりも有意に摩耗が少なく、したがって所望の直径および形状のワイヤを特にワイヤの長さ全体にわたって得るためにはより有用であることを発見した。
【００４３】
通常、ワイヤは出口ダイを出た後で、ワイヤを液体（例えば、水）または気体（例えば、窒素、アルゴン、または空気）と接触させることによって冷却される。このように冷却は、所望の真円度および均一な性質を得るために有用である。
【００４４】
得られるワイヤの直径は通常は完全な円ではない。最小直径の最大直径に対する比（すなわち、ワイヤの長さ方向の所与の点における最小直径の最大直径に対する比であり、完全な円の場合は１になる）は通常少なくとも０．９であり、好ましくは、望ましさが増加していく順に、少なくとも０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、および０．９５である。ワイヤの断面形状は例えば、円形、楕円形、正方形、長方形、または三角形であってよい。好ましくは、本発明によるワイヤの断面形状は円形または略円形である。好ましくは、本発明によるワイヤの平均直径は少なくとも１ｍｍであり、より好ましくは少なくとも１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、または３．５ｍｍである。
【００４５】
本発明による金属マトリックス複合ワイヤはさまざまな用途に使用可能である。これらは特に空中送電ケーブルに有用である。
【００４６】
本発明によるケーブルは、均質（すなわち、１種類のみの金属マトリックス複合ワイヤを含む）の場合もあるし、不均質（すなわち、金属ワイヤなどの複数の第２のワイヤを含む）場合もある。不均質ケーブルの例としては、コアが本発明による複数のワイヤを含むことができ、複数の第２のワイヤ（例えば、アルミニウムワイヤ）有するシェルを有する。
【００４７】
本発明によるケーブルは撚ることができる。通常、撚線ケーブルは、中心ワイヤと、中心ワイヤのまわりにらせん状に撚られるワイヤの第１の層とを有する。ケーブルの撚線は、最終ケーブルを得るためにワイヤの１つ１つのストランドを組み合わせてらせん状に配置する工程である（例えば、米国特許第５，１７１，９４２号（Ｐｏｗｅｒｓ）および第５，５５４，８２６号（Ｇｅｎｔｒｙ）を参照されたい）。得られるらせん状撚線ワイヤロープは、同じ断面積の中実ロッドよりも可撓性が高くなる。ケーブルの取り扱い、取り付け、および使用の際に全体的に円形の断面形状を撚線ケーブルが維持することでも、らせん状に配列することは有益である。らせん状に巻かれたケーブルは、わずか７本の個別のストランドを有するものから、５０以上のストランドを有する一般的な構造まで挙げることができる。
【００４８】
本発明による送電ケーブルの一例を図８を示しており、本発明による送電ケーブル１３０は、１９本の個別の複合金属マトリックスワイヤ１３４のコア１３２のまわりが、３０本の個別のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤ１３８のジャケット１３６で囲まれてもよい。同様に、多くの代案の１つとして図９に示されるように、本発明による空中送電ケーブル１４０は、３７本の個別の複合金属マトリックスワイヤ１４４のコア１４２のまわりが、２１本の個別のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤ１４８のジャケット１４６で囲まれてもよい。
【００４９】
図１０は、撚線ケーブル８０のさらに別の実施態様を示している。この実施態様では、撚線ケーブルは、中心金属マトリックス複合ワイヤ８１Ａと、中心金属マトリックス複合ワイヤ８１Ａの周囲にらせん状に巻き付けられた金属マトリックス複合ワイヤの第１の層８２Ａとを含む。この実施態様は、第１の層８２Ａの周囲にらせん状に撚られた金属マトリックス複合ワイヤ８１の第２の層８２Ｂをさらに含む。任意の好適な本数の金属マトリックス複合ワイヤ８１を任意の層に使用することができる。さらに、希望するのであれば、撚線ケーブル８０が３層以上を有するようにすることもできる。
【００５０】
本発明によるケーブルは、裸のケーブルとして使用することができるし、あるいはより大きな直径のケーブルのコアとして使用することもできる。また、本発明によるケーブルは、複数のワイヤの周囲に維持手段を有する複数のワイヤの撚線ケーブルであってもよい。この維持手段は、例えば、図１０に８３として示される接着剤を有するまたは有さない巻き重ねられたテープであってもよいし、あるいはバインダーであってもよい。
【００５１】
本発明による撚線ケーブルは、多数の用途で有用である。このような撚線ケーブルは、軽量、高強度、良好な導電性、低熱膨張係数、高い使用温度、および耐食性を兼ね備えるため、空中送電ケーブルに使用することが特に望ましいと考えられる。
【００５２】
好ましい実施態様の１つのこのような伝送ケーブル９０の端面図を図１１に示す。このような伝送ケーブルは、コア９１を有し、これは本明細書に記載の任意の撚線コアであってよい。送電ケーブル９０は、撚線コア９１のまわりに少なくとも１つの導体層も有する。図示されるように、送電ケーブルは２つの導体層９３Ａおよび９３Ｂを有する。希望に応じて、より多くの導体層を使用することもできる。好ましくは、各導体層は、当技術分野で公知の複数の導線を含む。導線に好適な材料としては、アルミニウムおよびアルミニウム合金が挙げられる。当技術分野で公知の好適なケーブル撚線装置によって撚線コア９１周囲に導線を撚ることができる。
【００５３】
撚線ケーブルを最終物品として使用したり、別の後の物品の中間物品または成分として使用したりする別の用途では、撚線ケーブルは、複数の金属マトリックス複合ワイヤ８１の周囲に導体層が存在しないことが好ましい。
【００５４】
金属マトリックス複合ワイヤから製造されるケーブルに関するさらなる詳細は、例えば、米国特許出願第０９／６１６，７８４号（本出願と同一日に出願された）、米国特許出願第０８／４９２，９６０号、ならびに出願番号ＷＯ９７／００９７６号（１９９６年５月２１日公開）のＰＣＴ出願に開示されている。金属マトリックス複合材料材料およびその材料を有するケーブルの製造に関するさらなる詳細は、例えば、本出願と同一日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／６１６，５９４号、第０９／６１６，５８９号、および第０９／６１６，７４１号に開示されている。
【００５５】
実施例
以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、これらの実施例に記載される具体的な材料およびそれらの量、ならびにその他の条件および詳細は、本発明を不当に制限するために構成されたものではない。本発明の種々の修正および変更は当業者には明らかとなるであろう。他に明記しない限り、すべての部およびパーセント値は重量を基準にしている。
【００５６】
試験手順
３点曲げ強さ試験
曲げ強さは、ＡＳＴＭ（ペンシルバニア州Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ）より出版されるＡＳＴＭ １９９２ Ａｎｎｕａｌ Ｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｓｅｃｔｉｏｎ ３，ｖｏｌｕｍｅ ０３．０１に公開されるＡＳＴＭ規格Ｅ８５５−９０、試験方法Ｂによる３点曲げ法を使用して測定した。３点曲げ強さは、２つ以上の分離した断片への試験試料の破壊が起こるワイヤ外面への公称応力である。３点曲げ固定具および荷重を連続的に記録する装置（どちらもＭＴＳ（ミネソタ州Ｅｄｅｎ Ｐｒａｉｒｉｅ）より入手した）を取り付けた万能試験フレームを使用して、無作為に選択した試料について室温（約２０℃）でこの試験を実施した。３点曲げ試験が行われ、深さと関連する長さを有する試料の３点曲げ強さσ_bは、式１
【数１】

で表され、式中Ｆは、ロードセルに記録された最大荷重であり、ｌは、試験における支点間距離（すなわち、２つの支持体の間の距離）であり、ｙ_mは、試験試料表面の中心軸から垂直方向の距離であり（図１２参照）、Ｉは、二次面積モーメントである。図１２を参照すると、二次面積モーメントは水平軸２４２に沿って曲げられる等断面の抵抗性の尺度を表している。二次面積モーメントは、
【数２】

で与えられ、式中のｂ（ｙ）はｙにおける断面の幅である。この式は、二次面積モーメントＩの計算の適切な近似となることが知られている。この式は試料の断面に適合するように選択される。例えば、円形または略円形断面の場合、二次面積モーメントＩは、
【数３】

で与えられ、式中のｄは断面の直径である。完全に円形ではないワイヤの場合、ワイヤの短軸が試験装置に対して垂直方向に向かうようにして３点曲げ強さが測定される。ワイヤの直径はマイクロメータを使用して測定した（精度が少なくとも±２％）。実施例のワイヤは完全に円形ではなかった（しかし略円形であった）。したがって、最小直径と最大直径の両方（ワイヤの同じ場所で）を測定した。実施例のワイヤの最小最小直径の最大直径に対する比はすべて０．９を超えた。各試験試料について、最小直径は１５ｃｍの長さにわたって５ｃｍごとに測定し、合計で３つの直径測定値を得た。実施例のワイヤの断面は略円形であったので、式３（上記）を使用して二次面積モーメントＩを求めた。この式で使用した直径ｄは、３つの最小直径測定値の平均であった。
【００５７】
試験体を、３点の対称的な荷重がかかる１つの梁として取り付けた。曲げ強さは、ワイヤが破壊されるまで単調に荷重をかけることによって測定した。破壊時の荷重Ｐを記録し、これを使用して式１（および式３）により３点曲げ強さを計算した。この試験装置の概略を図６に示す。この装置は、２つの調節可能な支持体２１４、荷重適用手段２１２、および荷重測定手段２１６で構成された。支持体は、支持端部が半径３ｍｍの硬化鋼製ピンであった。支持体間の距離は、試料の長手方向軸に沿って調節可能であった。試験される試料は２１１で示されている。
【００５８】
試験体はまっすぐであり、起伏やねじれはなかった。支点間距離はワイヤ最小直径（ｄ）の１５〜２２倍の間であった。試験体の全体の長さは、ワイヤ最小直径（ｄ）の少なくとも５０倍であった。試験対は、支持体上に対称的に置かれ、支持体での摩擦を最小限にするために手で軽くテープを貼り付けた。
【００５９】
後述のワイヤ耐久試験で使用した３点曲げ強さは、８つの試料の３点曲げ強さの平均値であった。
【００６０】
ワイヤ耐久試験
図７に概略的に示される装置を使用して、設定値の測定３点曲げ強さで曲げモードで、室温（約２０℃）において連続的にワイヤの耐久試験を実施した。（試験される）ワイヤ２１はスプール２０から供給され、第１および第２の組の３本ローラー２２および２４で案内され、試験支点間距離Ｌにわたって直径４ｃｍのローラー２３でたわまされ、スプール２９上に集められる。スプール２９、スプール２０のワイヤが試験装置を通過するように引っ張るために駆動させた。ローラーの組２２および２４は直径４０ｍｍの鋼製ベアリングであった。ローラーの組２２および２４のそれぞれのローラーの外面は、ローラーの直径のまわりに小さなＶ字型の溝を中央に有した。このＶ字型の溝は、深さ約１ｍｍで幅約１ｍｍであった。試験されるワイヤはＶ字型の溝に入るように調整され、試験中にローラの軸と垂直方向で移動するようにした。ローラーの組２２および２４のそれぞれの２つの下部ローラーは、中心間距離が１００ｍｍであった。ローラーの組２２および２４のそれぞれの上部ローラーは、２つのそれぞれの下部ローラーの間で対称になるように配置した。ローラーの組２２および２４のそれぞれの上部ローラーの垂直位置は調整可能であった。ローラーの組２２および２４のそれぞれの上部ローラーと下部ローラーの外面の間隔は、上述の３点曲げ強さ試験で計算される（平均最小）ワイヤ直径（すなわち、ｄ）に等しかった。この間隔は、ローラーの組２２および２４の上部ローラーと下部ローラーの間で最小張力（すなわち、１Ｎ未満）でワイヤ２１が支持されるが自由に移動できるような間隔であった。中央ローラー２３は外径４０ｍｍの鋼製ベアリングであり、ローラーの組２２および２４の間で対称的に配置される。前述の３点曲げ強さ試験で計算される（平均最小）直径（すなわち、ｄ）が１．５ｍｍ以上であるワイヤの場合、スプール２０および２９の間のワイヤの張力は、１００Ｎ以下であった。述の３点曲げ強さ試験で計算される（平均最小）直径（すなわち、ｄ）が１．５ｍｍ未満であるワイヤの場合、スプール２０および２９の間のワイヤの張力は、２０Ｎ以下であった。ワイヤ耐久試験における支点間距離Ｌは、ローラーの組２２および２４の内側のローラーの間の中心間距離であった。支点間距離Ｌは、前述の３点曲げ強さ試験で計算される（平均最小）ワイヤ直径（すなわち、ｄ）の１２０〜２６０倍の間に設定した。中央ローラーによるたわみδは、ローラーの組２２および２４とローラー２３の下面を通過する直線状ワイヤの中心線の間の距離であった。耐久性試験は、速度０．１〜１０ｍ／分でワイヤを移動させて実施した。中央ローラーのたわみδは、３点曲げ強さ試験で測定したワイヤの３点曲げ強さの７５％の応力が加わるように設定した。
【００６１】
３点曲げ強さ（前述の３点曲げ強さ試験で求められる）の７５％の応力が試験されるワイヤに加えられる中央ローラー２３のたわみδは、式４によって求められ、
【数４】

式中、Ｌは支点間距離であり、Ｅはワイヤのヤング率であり、ｙ_mは前述の３点曲げ強さ試験で規定されてるものであり、σ_bは３点曲げ強さ（前述の３点曲げ強さ試験で求められる）である。円筒形または略円筒形ワイヤの場合、ワイヤの最小直径の軸はワイヤ耐久試験装置に対して垂直方向に向けられ、そのたわみは
【数５】

で与えられる。
式中、ｄは（平均最小）ワイヤ直径（３点曲げ強さ試験で測定される）であり、Ｅはワイヤの弾性率である。ワイヤのヤング率Ｅは、
【数６】

によって概算され、式中、ｆは繊維の体積分率（後述のように求められる）であり、Ｅ_fは繊維のヤング率である。局所的なワイヤ強度が３点曲げ強さの７５％未満である場合にはワイヤが破壊されるようにするため、たわみが与えられる。
【００６２】
繊維の体積分率は、標準的な金属組織学的方法によって測定した。ワイヤ断面を研磨し、Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈが開発した公有の画像処理プログラムであるＮＩＨ ＩＭＡＧＥ（バージョン１．６１）と呼ばれるコンピュータープログラム（ウェブサイトｈｔｔｐ／／ｒｓｂ．ｉｎｆｏ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｎｉｈ−ｉｍａｇｅより入手した）の支援による密度プロファイリング関数を使用して繊維の体積分率を測定した。このソフトフェアは、ワイヤの代表的な領域の平均グレイスケール強度を測定するものであった。
【００６３】
１本のワイヤを封入樹脂（Ｂｕｅｈｌｅｒ Ｉｎｃ．（イリノイ州Ｌａｋｅ Ｂｌｕｆｆ）より商品名「ＥＰＯＸＩＣＵＲＥ」で入手した）に封入した。封入したワイヤを、従来のグラインダー／ポリッシャーおよび従来のダイヤモンドスラリーを使用して研磨し、最終研磨工程ではＳｔｒｕｅｒｓ（オハイオ州Ｗｅｓｔ Ｌａｋｅ）より商品名「ＤＩＡＭＯＮＤ ＳＰＲＡＹ」で入手した１μｍのダイヤモンドスラリーを使用して、研磨ワイヤ断面を得た。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、研磨ワイヤ断面の１５０倍の顕微鏡写真を撮影した。ＳＥＭ顕微鏡写真を撮影する場合、すべての繊維が０強度で２値画像が得られるように画像の閾値を調整した。ＳＥＭ顕微鏡写真をＮＩＨ ＩＭＡＧＥソフトウェアで分析し、２値画像の平均強度を最大強度で割ることによって繊維体積分率を求めた。この繊維体積分率測定方法の精度は±２％になると推定された。
【００６４】
実施例１
実施例１のアルミニウム複合ワイヤを以下のように作製した。図５を参照すると、１５００デニールのアルミナ繊維の６６本のトウ（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙより商品名「ＮＥＸＴＥＬ ６１０」で入手可能、１９９６年の製品パンフレットに記載のヤング率は３７３ＧＰａであった）を１つの束にまとめた。この１つの束を、１．５ｍ／分の速度で、空気中１０００℃の１ｍ管状炉（ＡＴＳ（オクラホマ州Ｔｕｌｓａ）より入手した）に通すことによってヒートクリーニングを行った。次に、減圧室（直径６ｃｍ、長さ２０ｃｍ）に入るアルミナ入口管（直径２．７ｍｍ、長さ３０ｃｍ、直径は繊維束の直径に対応している）に束を通すことによって１．０Ｔｏｒｒまで減圧した。減圧室は、ポンプ能力が０．４ｍ³／分の機械的真空ポンプを備えた。減圧室を出てから、減圧された繊維は、溶融アルミニウム浴中に部分的に浸されたアルミナ出口管（内径２．７ｍｍ、長さ２５ｃｍ）を通って溶融アルミニウム浴に入れられる。溶融アルミニウム浴は、アルミニウム（純度９９．９４％のＡｌ、ＮＳＡ ＡＬＵＭＩＮＵＭ（ケンタッキー州ＨＡＷＥＳＶＩＬＬＥ）より入手した）を７２６℃で溶融させることによって調製した。この溶融アルミニウムは約７２６℃に維持し、アルミニウム浴に入れた炭化ケイ素多孔質管（Ｓｔａｈｌ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｏ（ミズーリ州Ｋｉｎｇｓｖｉｌｌｅ）より入手した）からアルゴンガスを８００ｃｍ³／分でバブリングすることによって連続的に脱気した。溶融アルミニウムの水素含有率は、０．６４ｃｍ×１２．７ｃｍ×７．６ｃｍのくぼみを有する銅製るつぼ中で溶融アルミニウム試料を急冷し、得られた固化アルミニウムインゴットの水素含有率を、規格化した質量分析計試験分析（ＬＥＣＯ Ｃｏｒｐ．（ミシガン州Ｓｔ．Ｊｏｓｅｐｈ）より入手した）を使用して分析することによって測定した。
【００６５】
溶融アルミニウムの繊維束への溶浸は、超音波溶浸を使用することによって促進される。超音波変換器（Ｓｏｎｉｃｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（コネチカット州Ｄａｎｂｕｒｙ）より入手した）に接続した導波管によって超音波振動が与えられる。この導波管は、長さ４８２ｍｍ、直径２５ｍｍのチタン製導波管（９０ｗｔ％Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ）に螺合された、中央に１０ｍｍのねじが取り付けられた９１ｗｔ％Ｎｂ−９ｗｔ％Ｍｏ円筒形ロッド（直径２５ｍｍ、長さ９０ｍｍ）で構成された。Ｎｂ−９ｗｔ％Ｍｏロッドは、ＰＭＴＩ，Ｉｎｃ．（ペンシルバニア州Ｌａｒｇｅ）より供給されるものであった。このニオブロッドを、繊維束の中心線から２．５ｍｍ以内に配置した。導波管は、２０ｋＨｚで作動させ、先端の変位は２０μｍであった。１．５ｍ／分の速度で作動するキャタピラ（Ｔｕｌｓａ Ｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（オクラホマ州Ｔｕｌｓａ）より入手した）によって繊維束を溶融アルミニウム浴に引き込んだ。
【００６６】
アルミニウムが溶浸した繊維束は、窒化ケイ素出口ダイ（内径２．５ｍｍ、外径１９ｍｍ、および長さ１２．７ｍｍ、Ｂｒａｎｓｏｎ ａｎｄ Ｂｒａｔｔｏｎ Ｉｎｃ．（イリノイ州Ｂｕｒｒ Ｒｉｄｇｅ）より入手した）を通ってるつぼを出た。溶融アルミニウム浴を出た後、窒素ガスの２つのガス流を使用することによってワイヤの冷却を促進した。より具体的に言えば、内径４．８ｍｍの２つの閉塞管に、それぞれ側面に５つの穴が開けられたものであった。穴の直径は１．２７ｍｍであり、３０ｍｍの長さにわたって６ｍｍ間隔で穴が配置された。１００リットル／分の流速でこれらの管に窒素ガスが流され、小さな側面の穴から流出させた。各管の最初の穴は出口ダイから約５０ｍｍの位置にあり、ワイヤからの距離は約６ｍｍであった。ワイヤの両側のそれぞれに管を配置させた。次にワイヤをスプール上に巻き取った。誘導結合プラズマ分析で測定した実施例１のアルミニウムマトリックスの組成は、０．０３ｗｔ％のＦｅ、０．０２ｗｔ％のＮｂ、０．０３ｗｔ％のＳｉ、０．０１ｗｔ％のＺｎ、０．００３ｗｔ％のＣｕ、および残部のＡｌであった。ワイヤ製造時のアルミニウム浴の水素含有率は、約０．０７ｃｍ³／アルミニウム１００ｇであった。
【００６７】
実施例１のために、直径２．５ｍｍのアルミニウム複合ワイヤの１０個のスプールを作製した。各スプールは少なくとも３００ｍのワイヤを有し、一部のスプールは最大で６００ｍのワイヤを有した。
【００６８】
「曲げ強さ試験」に従い５０．８ｍｍの試験支点間距離で測定したワイヤ曲げ強さは１．７９ＧＰａであった。ワイヤの平均繊維含有率を測定すると５２体積％であり、式６を使用して求めた弾性率は１９４ＧＰａであった。次に、「ワイヤ耐久試験」に従い、支点間距離４０６ｍｍおよびたわみ３８．１ｍｍでワイヤの耐久試験を行った。１０個のコイルのすべてのワイヤは全く破壊がなくワイヤ耐久試験に合格した。
【００６９】
実施例２
誘導結合プラズマ分析で測定した実施例２のアルミニウムマトリックスの組成が、０．０８ｗｔ％のＳｉ、０．０３ｗｔ％のＦｅ、０．０２ｗｔ％のＮｂ、０．０１ｗｔ％のＺｎ、０．００２ｗｔ％のＣｒ、０．００３ｗｔ％のＣｕ、および残部のＡｌであったことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにアルミニウム複合ワイヤのコイルを３つ作製した。各コイルの長さは少なくとも３００ｍであり、全く破壊がなく「ワイヤ耐久試験」に合格した。
【００７０】
比較例Ａ
繊維束の直径が２．０ｍｍでありワイヤの繊維含有率が４５体積％であったことを除けば、実質的にＰＣＴ／ＵＳ９６／０７２８６号の実施例２に記載の通りに長さ１００ｍのアルミニウムマトリックス複合ワイヤのコイルを１つ作製した。ワイヤ作製時のアルミニウム溶融物の水素含有率は約０．２〜０．３ｃｍ³／アルミニウム１００ｇであると推定された。
【００７１】
「曲げ強さ試験」に従って５０．８ｍｍの試験支点間距離を使用して測定したワイヤ曲げ強さは２．０７ＧＰａであった。式６から計算したワイヤの弾性率は１６５ＧＰａであった。次に、「ワイヤ耐久試験」に従い、支点間距離３０５ｍｍおよびたわみ４０．６ｍｍを使用してワイヤの耐久性試験を行った。この耐久試験中、比較例Ａのワイヤは７ｍのところで破壊され、５４ｍのところでも破壊された。この時点で試験を中止し、破壊部分の破断面を走査型電子顕微鏡で調べた。破断面に「乾燥繊維」が観察された。
【００７２】
実施例３
以下のことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにアルミニウム複合ワイヤのコイルを１つ作製した。２，０００テックス（ｇ／１０００ｍ）の炭化ケイ素繊維（日本カーボン製、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（ミシガン州Ｍｉｄｌａｎｄ）より商品名「ＮＩＣＡＬＯＮ ＣＧ ＧＲＡＤＥ」で入手した（現在は、ＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（カリフォルニア州Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ）より入手可能）、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇのデータシートに記載の繊維弾性率は２２０ＧＰａであった）の５本のトウをアルミナ繊維の代わりに使用した。ヒートクリーニングを行った炭化ケイ素繊維束を、減圧室に入るアルミナ入口管（直径１．２ｍｍ、長さ２５ｃｍ、直径は繊維束の直径に合わせた）に通すことによって９Ｔｏｒｒに減圧した。減圧室にアルゴンガスを送ることで９Ｔｏｒｒの圧力を維持した。束の中心線から０．６ｍｍ以内にホーンを配置した。キャタピラによって速度３．６ｍ／分で繊維束を溶融アルミニウム浴から引き抜き、溶浸した繊維束を内径１ｍｍの窒化ケイ素出口ダイを通してるつぼから取り出した。
【００７３】
得られた長さ４５０ｍのワイヤは直径が１．０８ｍｍであった。「曲げ強さ試験」に従い試験支点間距離１５．８ｍｍを使用して測定したワイヤ曲げ強さは１．８ＧＰａであった。ワイヤの平均繊維含有率を測定すると４８体積％であり、式６を使用して求めた弾性率は１０６ＧＰａであった、次に、「ワイヤ耐久試験」に従い、試験支点間距離２５４ｍｍおよびたわみ４０．６ｍｍを使用してワイヤの耐久試験を行った。ワイヤは全く破壊がなくワイヤ耐久試験に合格した。
【００７４】
比較例Ｂ
比較例Ｂは、日本カーボンから入手した長さ３００ｍのアルミニウムマトリックス複合ワイヤであった。このワイヤはＳｉＣ繊維を使用して製造されたと報告されていた（商品名「ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ」で以前はＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇから（現在はＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓから）入手可能であった）。ワイヤの繊維含有率は５２．５体積％であった。ＳｉＣ（「ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ」）繊維の報告されている弾性率は２７０ＧＰａであった。ワイヤの直径は０．８２ｍｍであった。
【００７５】
「曲げ強さ試験」に従い試験支点間距離１５．８ｍｍを使用して測定したワイヤ曲げ強さは２．３ＧＰａであった。式６を使用して計算したワイヤの弾性率は１４０ＧＰａであった。次に、支点間距離２５４ｍｍおよびたわみ８１ｍｍを使用してワイヤの耐久試験を行った。耐久試験中、比較例Ｂのワイヤは６ｍで破壊され、１２ｍおよび１５ｍのそれぞれでも破壊が起こった。この時点で試験を中止し、破壊部分の破断面を走査型電子顕微鏡で調べた。破断面では「乾燥繊維」が観察された。
【００７６】
実施例４
以下のことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにアルミニウム複合ワイヤのコイルを１つ作製した。２０００デニールのアルミノホウケイ酸塩繊維（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙより商品名「ＮＥＸＴＥＬ ４４０」で入手可能、約７０ｗｔ％のＡｌ₂Ｏ₃、約２８ｗｔ％のＳｉＯ₂、および約２ｗｔ％のＢ₂Ｏ₃、１９９６年（９８−０４００−５２０７−２）製品パンフレットに記載のヤング率は１９０ＧＰａであった）の４本のトウ。減圧室に入るアルミナ入口管に繊維束を通すことによって繊維を０．７Ｔｏｒｒに減圧した。繊維束の中心線から０．６ｍｍ以内にホーンを配置した。キャタピラによって速度４．５ｍ／分で繊維束を溶融アルミニウム浴から引き抜き、溶浸した繊維束を内径１ｍｍの窒化ケイ素出口ダイを通してるつぼから取り出した。
【００７７】
得られた長さ４５０ｍのワイヤは直径が１．０ｍｍであった。「曲げ強さ試験」に従い試験支点間距離１５．８ｍｍを使用して測定したワイヤ曲げ強さは０．７５ＧＰａであった。ワイヤの平均繊維含有率を測定すると４０体積％であり、式６を使用して求めた弾性率は７６ＧＰａであった。次に、「ワイヤ耐久試験」に従い、試験支点間距離２５４ｍｍおよびたわみ３０ｍｍを使用してワイヤの耐久試験を行った。ワイヤ全体の長さで、全く破壊がなくワイヤ耐久試験に合格した。
【００７８】
実施例５
実施例５では、複合ワイヤの性質に対する加工速度の影響を示した。ワイヤ加工速度を１．５ｍ／分〜４ｍ／分で変動させたことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りに直径２．５ｍｍのアルミニウムマトリックス複合ワイヤを作製した。所与の速度で作製したワイヤの長さは、ワイヤ耐久試験で検出された破壊の頻度に応じて、２０ｍ〜３００ｍの間で変動させた。ワイヤの破壊がない場合は長さは少なくとも３００ｍであり、その他の場合では少なくとも破壊が３つとなるようにワイヤを作製した。この実施例は、１．５ｍ／分および２．３ｍ／分の低速では、ワイヤ耐久試験を３００ｍのワイヤで行った後でワイヤは破壊されなかった（すなわち、破壊ゼロ）ことを示している。速度約３．５５ｍ／分では、平均で６ｍごとにワイヤの破壊が起こった。速度４ｍ／分では、１ｍごとにワイヤの破壊が起こった。ワイヤ耐久試験に不合格であった試料では、少なくとも３箇所破壊されるまで試験を続けた。破断面は走査型電子顕微鏡で調べた。破断面に乾燥繊維（すなわち、未溶浸繊維）が観察された。
【００７９】
実施例６
実施例６では、複合ワイヤの性質に対するワイヤ直径と加工速度の影響を示した。ワイヤ直径を１ミリメートル（ｍｍ）〜２．５ｍｍの間で変動させ、ワイヤ速度も各ワイヤ直径で変動させたことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにアルミニウムマトリックス複合ワイヤを作製した。
【００８０】
直径１ｍｍのワイヤを６．１ｍ／分で加工した場合、そのワイヤは３００ｍの長さにわたって破壊はなくワイヤ耐久試験に合格した。速度が約１０ｍ／分以上になると、乾燥繊維によるワイヤの破壊が起こった。
【００８１】
直径２．５ｍｍのワイヤの場合、速度２．３ｍ／分で加工したワイヤは３００ｍの長さにわたって破壊はなくワイヤ耐久試験に合格した。速度が約４ｍ／分以上になると、乾燥繊維によるワイヤの破壊が起こった。
【００８２】
実施例７
実施例７では、加工速度に対する減圧、加工速度、およびワイヤ直径の影響を示した。減圧を約１Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）の間で変動させたことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにアルミニウムマトリックス複合ワイヤを作製した。
【００８３】
直径２．５ｍｍのワイヤは、加工速度２．３ｍ／分、減圧１Ｔｏｒｒで作製した場合には、３００ｍの長さにわたって破壊はなくワイヤ耐久試験に合格した。加工速度２．３ｍ／分、大気圧（すなわち、７６０Ｔｏｒｒ）で作製した場合には、直径２．５ｍｍのワイヤはワイヤ耐久試験中に一貫して破壊が起こった。繊維束には十分にアルミニウムが溶浸しなかった。速度を０．１ｍ／分未満まで低下させても、ワイヤは溶浸されなかった。この直径では、直径２．５ｍｍのワイヤの溶浸は減圧することにより可能であった。
【００８４】
直径１ｍｍのワイヤは、加工速度６．１ｍ／分、減圧１Ｔｏｒｒで作製した場合には、３００ｍの長さにわたって破壊はなくワイヤ耐久試験に合格した。加工速度３ｍ／分で減圧せずに（すなわち、７６０Ｔｏｒｒ）加工を行った場合、直径１ｍｍのワイヤは３００ｍの長さにわたって破壊はなくワイヤ耐久試験に合格した。加工速度６．１ｍ／分で減圧せずに（すなわち、７６０Ｔｏｒｒ）加工を行った場合、直径１ｍｍのワイヤはワイヤ耐久試験で一貫して破壊が起こった。
【００８５】
実施例８
実施例８では、複合ワイヤの性質に対する表面汚染の影響を示した。実質的に実施例１に従ってワイヤを作製した。１０００℃に設定した直径３ｃｍ、長さ０．３ｍ管状炉に１．５ｍ／分の速度で繊維を通してヒートクリーニングを行った。長さ３００ｍの複数のワイヤのコイルは、破壊がなくワイヤ耐久試験に合格した。
【００８６】
ヒートクリーニング前後のセラミック繊維（「ＮＥＸＴＥＬ ６１０」）の表面の化学的性質を調べた。繊維は１０００℃で１２秒間加熱してクリーニングを行った。その繊維を、化学分析のための電子分光法（ＥＳＣＡ）（Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）としても知られる）を使用して分析した。使用したＥＳＣＡ装置は、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ（カリフォルニア州Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ）より商品名「ＨＰ５９５０Ａ」で入手した。このＥＳＣＡ装置は、半球形電子エネルギー分析器を備え、一定通過エネルギーモードで操作した。Ｘ線源はアルミニウムＫ−αであった。プローブ角度は、分析器補正レンズ軸に対して測定して３８°の光電子取り出し角度であった。装置製造元提供のソフトウェアおよび感度因子を使用して定量的データを計算した。加熱後の炭素スペクトルから、繊維状の炭素の面積分率は２２％未満であることが分かった。
【００８７】
管状炉を出た後で、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙより商品名「ＣＩＴＲＵＳ ＣＬＥＡＮＥＲ」で入手可能な洗浄剤を繊維の２ｃｍ部分に噴霧することによって故意に局所的に炭素で汚染させたことを除けば、実質的に実施例１に従ってワイヤを作製した。ワイヤ耐久試験中、ちょうど表面を汚染させた場所でワイヤの破壊が起こった。
【００８８】
また、指紋で汚染させた繊維を使用してワイヤを作製した。こうして汚染させた試料の炭素スペクトルを測定すると、体積分率が３４％を超えていた。このように炭素で汚染されると、接触角が増加し溶浸の減少が起こると考えられる。
【００８９】
実施例９
この実施例では、溶融物中の水素の影響を示した。ワイヤ作製前に少なくとも２４時間はアルゴンによる溶融物の脱気を行わなかったことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにワイヤを作製した。ワイヤ直径は２．５ｍｍであり、加工速度は２．３ｍ／分であった。３００ｍの長さのワイヤ耐久試験でワイヤは少なくとも３回破壊した。破断面を分析すると、理論によって束縛しようとするものではないが、水素ガスによる大きなボイドのために破壊が起こったと考えられる。これらのボイドは直径約０．５ｍｍ、長さ２〜３ｍｍ以上であった。実施例１に記載の脱気処理を行わない場合、通常の水素濃度は約０．３ｃｍ³／アルミニウム１００ｇであった。
【００９０】
また、ワイヤ製造前にアルゴンで２時間溶融物の脱気を行ったことを除けば、実質的に実施例１に記載の通りにワイヤを作製した。実質的に実施例１に記載の通りにワイヤを作製した。ワイヤは破壊がなくワイヤ耐久試験に合格した。脱気後の溶融物中の通常の酸素濃度は約０．０７〜０．１ｃｍ³／アルミニウム１００ｇであった。
【００９１】
本発明の範囲および意図から逸脱しない本発明の種々の修正および変形は当業者には明らかとなるであろうし、本明細書に記載の例示的な実施態様に本発明が不当に制限されるべきではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属マトリックス複合ワイヤの断面の顕微鏡写真であり、繊維のみが存在しマトリックスが存在しない局所領域を示している。
【図２】 金属マトリックス複合ワイヤの断面の走査型電子顕微鏡写真であり、収縮ボイドを示している。
【図３】 金属マトリックス複合ワイヤの断面の走査型電子顕微鏡写真であり、捕捉されたガス（例えば、水素または水蒸気）が存在するために生じたボイドを示している。
【図４】 金属マトリックス複合ワイヤの断面の走査型電子顕微鏡写真であり、微細ボイドを示している。
【図５】 繊維に溶融金属を溶浸させるために使用される超音波装置の概略図である。
【図６】 ３点曲げ強さ試験装置の概略図である。
【図７】 ワイヤ耐久試験装置の概略図である。
【図８】 複合金属マトリックスコアを有する空中送電ケーブルの実施態様の概略的断面図である。
【図９】 複合金属マトリックスコアを有する空中送電ケーブルの実施態様の概略的断面図である。
【図１０】 複数のストランドの周囲に維持手段を適用する前の撚線ケーブルの実施態様の端面図である。
【図１１】 送電ケーブルの実施態様の端面図である。
【図１２】 ３点曲げ強さ試験用の試験試料の断面図である。

Claims (1)

1. 金属マトリックス中に複数の実質的に連続で長手方向に配置された繊維を含む金属マトリックス複合ワイヤの製造方法であって、
   所定体積の溶融金属マトリックス材料を提供する工程であって、前記金属マトリックス材料の融点は１１００℃以下である工程と、
   セラミック繊維、炭素繊維、及びそれらの混合物の群より選択された複数の実質的に連続の繊維を含む少なくとも１つのトウをヒートクリーニングして且つ減圧する工程と、
   少なくとも１つのトウを前記所定体積の溶融マトリックス材料に浸漬する工程と、
   前記溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を前記複数の繊維に溶浸させて複数の溶浸繊維を得るために、前記所定体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を振動させる超音波エネルギーを与える工程と、
   前記溶融金属マトリックス材料を固化させ、それによって複数の前記繊維を含む少なくとも１つのトウを含む金属マトリックス複合ワイヤを提供できる条件下で、前記複数の溶浸繊維を前記所定体積の溶融金属マトリックス材料から引き抜く工程と、
   を含み、
   前記繊維は金属マトリックス中で実質的に連続で長手方向にあり、前記金属マトリックスの融点は１１００℃以下であり、前記ワイヤの長さは少なくとも３００ｍであり、「ワイヤ耐久試験」によって３００ｍのワイヤで決定して、曲げ破壊値が０である方法。

Images