KR20030017620A - 금속 기지 복합 와이어, 케이블 및 방법 - Google Patents

금속 기지 복합 와이어, 케이블 및 방법 Download PDF

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워너폴에스.
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Abstract

금속 기지 복합 와이어(59)는 기지 내에 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 복수개의 섬유(51)를 포함한다. 섬유들은 세라믹 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물의 그룹 중에서 선택된다. 와이어는 진원도, 둥글기 균일도 및/또는 직경 균일도와 같은 특정된 성질을 가진다.

Description

금속 기지 복합 와이어, 케이블 및 방법{METAL MATRIX COMPOSITE WIRES, CABLES, AND METHOD}
금속 기지 복합물(metal matrix composite, MMC)은 이들 결합물이 저중량이면서도 고강도 및 고강성이라는 이유로 인해 유망한 재료로 오랫동안 인식되어 왔다. MMC는 통상적으로 섬유 강화 금속 기지를 포함한다. 금속 기지 복합물은 그 예로서 알루미늄 기지 복합 와이어(예컨대, 알루미늄 기지 내의 탄화 규소, 탄소, 붕소 또는 다결정성 알파 산화 알루미늄 섬유)와, 티탄 기지 복합물 테이프(예컨대, 티탄 기지 내의 탄화 규소 섬유)와, 구리 기지 복합물 테이프(예컨대, 구리 기지 내의 탄화 규소 섬유)를 포함한다.
순 고가 송전 케이블에서 강화 부재로서 몇몇 금속 기지 복합 와이어를 사용하는 것은 특히 중요한 것이다. 이와 같은 케이블에 새로운 재료를 사용할 필요성은 하중 증대로 인한 기존 전송 하부 시설의 송전능을 증가시킬 필요성과 규제 철폐로 인한 전력 유동의 변화로 인해 커지고 있다.
원형 단면을 갖는 와이어의 유용성은 더 균일하게 포장되는 케이블 구조를제공함에서 바람직하다. 길이를 따라 더 균일한 직경을 갖는 원형 와이어의 유용성은 더 균일한 직경을 갖는 케이블 구조를 제공함에서 바람직하다. 따라서, 원형 단면과 균일한 직경을 갖는 사실상 연속적인 금속 기지 복합 와이어의 필요성이 존재한다.
본 발명은 금속 기지 내에서 사실상 연속적인 섬유로 강화된 복합 와이어와, 이와 같은 와이어를 합체한 케이블에 관한 것이다.
도1은 용융 금속으로 섬유를 침윤시키는 데 사용된 초음파 장치의 개략도이다.
도2 및 도3은 복합물 금속 기지 코어를 갖는 고가 송전 케이블의 두 가지 실시예의 개략도 및 단면도이다.
도4는 복수개의 스트랜드 둘레에 유지 수단을 적용하기 전의, 스트랜드 케이블의 실시예의 단부도이다.
도5는 송전 케이블의 실시예의 단부도이다.
본 발명은 사실상 연속적인 섬유 금속 기지 복합물에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 금속 기지 내에 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 복수개의 섬유를 함유한 금속 기지 복합물(예컨대, 복합 와이어)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속 기지 복합물은 탄성 모듈러스, 밀도, 열팽창 계수, 전기 전도도 및 강도와 관련해서 바람직한 성질을 나타내는 와이어로 형성된다.
본 발명은 금속 기지 내에 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 복수개의 섬유를 포함하는 적어도 하나의 토우(통상적으로 복수개의 토우)를 포함하는 금속 기지 복합 와이어를 제공한다. 섬유는 세라믹 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물의 그룹중에서 선택된다. 중요한 점은, 와이어는 특정 길이에 걸쳐 일정한 둥글기, 둥글기 균일성, 및/또는 직경 균일 특성을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예는 금속 기지 내에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우(통상적으로 복수개의 토우)를 포함하는 금속 기지 복합 와이어이고, 상기 와이어는 적어도 100m(바람직하게는, 적어도 200m, 더 바람직하게는 300m)의 길이에 걸쳐 적어도 0.9의 진원도, 2% 보다 크지 않은 둥글기 균일도, 1%보다 크지 않은 직경 균일도를 갖는다. 바람직하게는, 선호 순서대로, 진원도는 적어도 0.91, 0.92, 0.93, 0.94 또는 0.95이고; 둥글기 균일도는 1.9%, 1.8%, 1.7%, 1.6% 또는 1.5% 보다 크지 않고; 직경 균일도는 0.95%, 0.9%, 0.85%, 0.8%, 0.75%, 0.7%, 0.65%, 0.6%, 0.55% 또는 0.5% 보다 크지 않다. 통상적으로, 진원도는 바람직하게는 약 0.92 내지 약 0.95의 범위에 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 금속 기지 내에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우(통상적으로 복수개의 토우)를 포함하는 금속 기지 복합 와이어이고, 상기 와이어는 적어도 100m(바람직하게는, 적어도 200m, 더 바람직하게는 300m)의 길이에 걸쳐 적어도 0.85의 진원도, 1.5% 보다 크지 않은 둥글기 균일도, 0.5% 보다 크지 않은 직경 균일도를 갖는다. 바람직하게는, 선호 순서대로, 진원도는 적어도 0.86, 0.87, 0.88, 0.89, 0.9, 0.91, 0.92, 0.93, 0.94 또는 0.95이고; 둥글기 균일도는 1.4%, 1.3%, 1.2%, 1.1% 또는 1% 보다 크지 않고; 직경 균일도는 0.85%, 0.8%, 0.75%, 0.7%, 0.65%, 0.6%, 0.55% 또는 0.5% 보다 크지 않다. 통상적으로, 진원도는 바람직하게는 약 0.92 내지 약 0.95의 범위에 있다.
다른 실시예에서, 본 발명에 따른 복합 와이어 제조 방법이 마련된다. 본 방법은 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적을 제공하는 단계와, 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적 내에 세라믹 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물의 그룹중에서 선택된 사실상 연속적인 복수개의 섬유를 포함하는 적어도 하나의 토우(통상적으로 복수개의 토우)를 침지하는 단계와, 침윤된 복수개의 섬유가 제공되도록 용융된 금속 기지 재료의 적어도 일부를 복수개의 섬유 내에 침윤시키기 위해 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적의 적어도 일부가 진동하도록 초음파 에너지를 가하는 단계와, 본 발명에 따른 금속 기지 복합 와이어를 제공하기 위해 용융된 금속 기지 재료를 고화시키는 조건 하에서 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적으로부터 침윤된 복수개의 섬유를 회수하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 금속 기지 복합 와이어를 포함하는 케이블이 마련된다. 케이블 구성에서의 본 발명에 따른 와이어의 실시예들의 이점은 와이어의 형상 및 직경 균일성에 의한 예를 들어, 케이블의 내부층에서 와이어의 더 균일한 포장을 가능하게 한다. 이러한 형상 및 직경 균일성은 예를 들어, 외부 와이어층에서 와이어들, 또는 죄어진 와이어들 사이의 간극과 같은 케이블 결함을 감소시킨다.
정의
본 명세서에 사용된 것으로, 다음의 용어들은 다음과 같이 정의된다.
"사실상 연속적인 섬유"는 평균 섬유 직경에 비교할 때 길이가 비교적 무한한 섬유를 의미한다. 통상적으로, 이는 섬유가 적어도 약 1 x 105, 양호하게는 적어도 약 1 x 106, 보다 양호하게는 적어도 약 1 x 107의 가로세로비(즉, 섬유의 평균 직경에 대한 섬유의 길이의 비율)를 가짐을 의미한다. 통상적으로, 이런 섬유는 길이가 적어도 약 50 m 정도일 수 있으며 수 km 이상일 수도 있다.
"길이 방향으로 위치된"은 섬유가 와이어의 길이 방향과 동일한 방향으로 배향되었음을 의미한다.
와이어 단면 형상이 얼마나 원에 가까운 지의 척도인 "진원도"는 이하의 예들에서 기술되는 바와 같이, 특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도로 정의된다.
특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도의 변화 계수인 "둥글기 균일도"는 이하의 예들에서 기술되는 바와 같이, 측정된 단일 진원도의 표준 편차를 측정된 단일 진원도로 나눈 비로 정의된다.
특정 길이에 걸쳐 측정된 평균 직경의 변화 계수인 "직경 균일도"는 이하의 예들에서 기술되는 바와 같이, 측정된 평균 직경의 표준 편차를 측정된 평균 직경으로 나눈 비로 정의된다.
본 발명은 섬유 강화 금속 기지 복합물을 포함하는 와이어 및 케이블을 제공한다. 본 발명에 따른 복합 와이어는, 하나 이상의 금속(예컨대, 고순도 원소 알루미늄 또는 구리와 같은 다른 원소와 순수 알루미늄의 합금)을 포함하는 기지 내에 함유된 세라믹(예컨대, Al2O3계) 강화 섬유와 같은 사실상 연속적으로 길이 방향으로 위치된 복수개의 강화 섬유로 구성된 적어도 하나의 토우를 포함한다. 양호하게는, 본 발명에 따른 와이어에서 섬유수의 적어도 약 85 %가 사실상 연속적이다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 와이어는 케이블, 양호하게는 송전 케이블에 결합될 수 있다.
사실상 연속적인 강화 섬유는 양호하게는 적어도 평균 섬유 직경이 약 5 ㎛이다. 통상적으로, 평균 섬유 직경은 약 50 ㎛보다 크지 않으며, 보다 통상적으로는 약 25 ㎛보다 크지 않다.
양호하게는, 섬유는 모듈러스가 100 GPa보다 크지 않고, 보다 양호하게는 420 GPa보다 크지 않다. 양호하게는, 섬유는 모듈러스가 70 GPa보다 크지 않다.
본 발명에 따른 금속 기지 복합 재료를 제조하는 데 유용할 수 있는 사실상 연속적인 섬유의 예는, 금속 산화물(예컨대, 산화 알루미늄) 섬유 및 산화 규소 섬유와 같은 세라믹 섬유와, 탄소 섬유를 포함한다. 통상적으로, 세라믹 산화물 섬유는 결정성 세라믹 및/또는 결정성 세라믹 및 유리의 혼합물(즉, 섬유는 결정성 세라믹상 및 유리상 모두를 함유할 수 있다)이다.
양호하게는, 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 약 1.4 GPa, 보다 양호하게는 적어도 약 1.7 GPa, 더욱 보다 양호하게는 적어도 약 2.1 GPa 그리고 가장 양호하게는 적어도 약 2.8 GPa이다. 양호하게는, 세라믹 섬유는 평균 인장 강도가적어도 약 1.4 GPa, 보다 양호하게는 적어도 약 2.1 GPa, 더욱 보다 양호하게는 적어도 약 3.5 GPa 그리고 가장 양호하게는 적어도 약 5.5 GPa이다.
토우는 섬유 기술분야에서 공지된 것이며 로프 형상으로 수집된 복수개의 (개별) 섬유(통상적으로 적어도 100 개의 섬유, 보다 통상적으로는 적어도 400 개의 섬유)를 지칭한다. 토우는 양호하게는 토우당 적어도 780 개의 개별 섬유, 보다 양호하게는 토우당 적어도 2600 개의 개별 섬유를 포함한다. 세라믹 섬유의 토우는 300 m 이상의 다양한 길이로 이용 가능하다. 섬유는 단면 형상이 원형이거나 타원형이다.
산화 알루미늄 섬유 제조 방법은 기술 분야에서 공지되어 있으며, 그 내용이 본 명세서에서 인용되어 합체된 미국 특허 제4,954,462호(우드(Wood) 등)에 개시된 방법을 포함한다.
양호하게는, 산화 알루미늄 섬유는 다결정성 알파 산화 알루미늄계 섬유이며, 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 99 중량%보다 큰 Al2O3와 약 0.2 내지 0.5 중량%의 SiO2를 포함한다. 다른 태양에서, 양호한 다결정성 알파 산화 알루미늄계 섬유는 평균 결정입도가 1 ㎛보다 작은(보다 양호하게는 0.5 ㎛보다 작은) 알파 산화 알루미늄으로 구성된다. 다른 태양에서, 양호한 다결정성 알파 산화 알루미늄계 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 1.6 GPa(양호하게는 적어도 2.1 GPa, 보다 양호하게는 적어도 2.8 GPa)이다. 양호한 알파 산화 알루미늄 섬유는 미네소타주 세인트 폴의 3M 사에서 상표명 "넥스텔610(NEXTEL 610)"로 구입 가능하다.
적절한 알루미노실리케이트 섬유가 그 내용이 본 명세서에서 인용되어 합체된 미국 특허 제4,047,965호(카스트(Karst) 등)에 개시되어 있다. 양호하게는, 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 67 내지 약 85 중량% 범위의 Al2O3와 약 33 중량% 내지 약 15 중량% 범위의 SiO2를 포함한다. 몇몇 양호한 알루미노실리케이트 섬유는, 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 67 내지 약 77 중량% 범위의 Al2O3와 약 33 내지 약 23 중량% 범위의 SiO2를 포함한다. 하나의 양호한 알루미노실리케이트 섬유는, 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 85 중량% 범위의 Al2O3와 약 15 중량% 범위의 SiO2를 포함한다. 다른 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 73 중량% 범위의 Al2O3와 약 27 중량% 범위의 SiO2를 포함한다. 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 3M 사에서 상표명 "넥스텔 440" 세라믹 산화물 섬유, "넥스텔 550" 세라믹 산화물 섬유 및 "넥스텔 720" 세라믹 산화물 섬유로 구입 가능하다.
적절한 알루미노실리케이트 섬유는 그 내용이 본 명세서에서 인용되어 합체된 미국 특허 제3,795,524호(소우만(Sowman) 등)에 개시되어 있다. 양호하게는, 알루미노실리케이트 섬유는 이론적인 산화물계에서, 산화 알루미늄 섬유의 전체 중량에 기초해서 약 35 내지 약 75 중량%(보다 양호하게는 약 55 내지 약 75 중량%)의 Al2O3와, 약 0보다 크고(보다 양호하게는 적어도 약 15 중량%) 약 50 중량%보다 작은(보다 양호하게는 약 45 %보다 작은, 가장 양호하게는 약 44 중량%보다 작은) SiO2와, 약 5보다 큰(보다 양호하게는 약 25 %보다 작은, 보다 양호하게는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의, 가장 양호하게는 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의) B2O3를 포함한다. 양호한 알루미노실리케이트 섬유는 3M 사에서 상표명 "넥스텔 312"로 구입할 수 있다.
적절한 탄화 규소 섬유는 예컨대 500 개의 섬유로 된 토우의 상표명 "니칼론(NICALON)"으로 캘리포니아주 산디아고의 씨오아이 세라믹스(COI Ceramics)와 상표명 "티란노(TYRANNO)"로 일본의 우베 인더스트리즈(Ube Industries)와 상표명 "실라믹(SYLRAMIC)"으로 마이애미주 미들랜드의 다우 코닝(Dow Corning)에서 구입할 수 있다.
적절한 탄소 섬유는 예컨대 2000, 4000, 5000 및 12,000 개의 섬유로 된 토우의 상표명 "쏘넬 카본(THORNEL CARBON)"로 조지아주 알파레타의 아모코 케미컬즈(Amoco Chemicals)와, 코네티컷주 스탬포드의 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)와, 상표명 "파이로필(PYROFIL)로 캘리포니아주 샌크라맨토의 그라필(Grafil) 인크(미쯔비시 레이온 코의 자회사)와, "상표명 "토라이카(TORAYCA)"로 일본 토쿄의 토레이(Toray)와, 상표명 "베스파이트(BESFIGHT)"로 토호 레이온 오브 제팬, 엘티디(Tofo Rayon of Japan,Ltd)와, 상표명 "파넥스(PANEX)" 및 "파이론(PYRON)"으로 미주리주 세인트 루이스의 졸텍(Zoltek) 코포레이션과, 상표명 "12케이20(12K20)" 및 "12케이50"으로 (니켈 피복 탄소 섬유) 뉴저지주 위코프의 인코 스페셜 프로덕츠(Inco Special Products)에서 구입할 수 있다.
상업상 구입 가능한 섬유는 통상적으로, 윤활도를 제공하고 조작중에 섬유 스트랜드를 보호하기 위해 제조중에 섬유에 첨가된 유기적 풀(sizing) 재료를 포함한다. 풀칠은 섬유의 파손을 줄이고 정전기를 줄이고, 예컨대 섬유로의 전환중에 먼지량을 줄이는 것으로 여겨진다. 풀은 예컨대 섬유를 분해하거나 태움으로써 제거될 수 있다. 양호하게는, 풀은 본 발명에 따른 금속 기지 복합 와이어를 형성하기 전에 제거된다. 이런 방식으로, 알루미늄 기지 복합 와이어를 형성하기 전에, 세라믹 산화물 섬유는 그 위에 어떠한 풀도 없게 된다.
또한, 섬유 상에 피복을 가하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 피복은, 예컨대 섬유와 용융된 금속 기지 재료 사이의 반응을 저감시키거나 방지하기 위해 섬유의 습윤도를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같은 피복 및 이런 피복을 가하기 위한 기술은 섬유 및 금속 기지 복합물 분야에서 공지되어 있다.
본 발명에 따른 와이어는 양호하게는, 섬유 및 기지 재료의 전체 체적에 기초할 때 섬유의 적어도 15 체적%(보다 양호하게는 선호도의 증가에 따라, 적어도 20, 25, 30, 35, 40 또는 50 체적%)를 형성한다. 통상적으로, 본 발명에 따른 금속 기지 복합 와이어는 섬유 및 기지 재료의 전체 체적에 기초할 때 섬유의 적어도 약 30 내지 약 70(양호하게는 약 40 내지 약 60) 체적% 범위를 형성한다.
본 발명에 따른 양호한 금속 기지 복합 와이어는 길이가 선호 순서에 따라, 적어도 100 m, 적어도 약 200 m, 적어도 약 300 m, 적어도 약 400 m, 적어도 약 500 m, 적어도 약 600 m, 적어도 약 700 m, 적어도 약 800 m, 그리고 적어도 약 900 m의 길이를 갖는다.
본 발명에 따른 와이어의 평균 직경은 양호하게는 적어도 약 0.5 ㎜, 보다 양호하게는 적어도 약 1 ㎜, 그리고 보다 양호하게는 적어도 약 1.5 ㎜이다.
기지 재료는, 예컨대 섬유 외부 상에 보호 피막을 제공할 필요를 제거하기 위해, 기지 재료가 섬유 재료와 화학적으로 크게 반응하지 않도록 하는 것으로(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적으로 불활성인 것으로) 선택될 수 있다. 양호한 금속 기지 재료는 알루미늄, 아연, 주석 및 이들의 합금(예컨대, 알루미늄과 구리의 합금)을 포함한다. 보다 양호하게는, 기지 재료는 알루미늄과 그 합금을 포함한다. 알루미늄 기지 재료로서, 기지는 양호하게는 적어도 98 중량%의 알루미늄과, 보다 양호하게는 적어도 99 중량%의 알루미늄과, 더욱 보다 양호하게는 적어도 99.9 중량%의 알루미늄과, 가장 양호하게는 적어도 99.95 중량% 보다 큰 알루미늄을 포함한다. 알루미늄 및 구리의 양호한 알루미늄 합금은 적어도 98 중량%의 Al과 약 2 중량%까지의 Cu를 포함한다. 비록 높은 인장 강도 와이어를 제조함에 있어 더 고순도의 금속이 선호되지만, 덜 순수한 형태의 금속도 유용하다.
적절한 금속은 구입 가능하다. 예컨대, 알루미늄은 펜실베니아주 피츠버그의 알코아(Alcoa)에서 상표명 "수퍼 퓨어 알루미늄(SUPER PURE ALUMINUN; 99.99 %)"로 구입 가능하다. 알루미늄 합금(예컨대, Al-2 중량% Cu(0.03 중량%의 불순물))이 뉴욕주 뉴욕의 벨몬트 메탈(Belmont Metal)로부터 구입 가능하다. 아연 및 주석은, 예컨대 미네소타주 세인트 폴의 메탈 서비스즈(Metal Services)로부터 구입 가능하다("순수 아연": 99.999 % 순도, "순수 주석": 99.95 % 순도). 주석 합금의 예는 (예컨대, 550 ℃에서 용융 주석욕에 알루미늄을 첨가하고 사용에 앞서 혼합물을 12 시간 동안 지속시킴으로써 제조될 수 있는) 92 중량% Sn - 8 중량% Al을 포함한다. 주석 합금의 예는 (예컨대, 550 ℃에서 용융 아연욕에 알루미늄을 첨가하고 사용에 앞서 혼합물을 12 시간 동안 지속시킴으로써 제조될 수 있는) 90.4 중량% Zn - 9.6 중량% Al을 포함한다.
본 발명에 따른 특별한 섬유, 기지 재료 및 금속 기지 복합 와이어 제조 방법 단계들은 원하는 성질을 갖는 금속 기지 복합 와이어를 제공하도록 선택된다. 예컨대, 섬유와 금속 기지 재료는 서로간에 그리고 원하는 와이어를 제조하기 위한 와이어 제조 과정과 충분히 양립 가능하도록 선택된다. 알루미늄 및 알루미늄 합금 기지 복합물을 제조하기 위한 몇몇 양호한 기술에 관련된 추가적인 상세한 내용들은, 예컨대 그 내용이 본 명세서에 개시된 것으로서 출원 계류중인 미국 특허 출원 제08/492,960호와 1996년 5월 21일 공개된 공개 번호 WO 97/00976호인 PCT 출원에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 연속적 금속 기지 복합 와이어는, 예컨대 연속적 금속 기지 침윤 방법에 의해 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 와이어를 제조하기 위한 양호한 장치가 도1에서 개략적으로 도시된다. 사실상 연속적인 세라믹 및/또는 탄소 섬유(51)의 토우가 공급 스풀(50)로부터 공급되며, 원형의 묶음으로 집속되어 튜브용해로(52)를 통과하는 동안 열 세척된다. 그 후, 섬유는 금속성 기지 재료(61)의 용해물(이하, "용탕"으로도 지칭됨)을 함유한 도가니(54)로 들어가기 전에 진공 챔버(53)에서 진공 처리된다. 섬유는 캐터풀러(55)에 의해 공급 스풀(50)로부터 당겨진다. 초음파 탐침(56)은 용해물을 토우(51) 내로 침윤시키는 것을 돕기 위해 섬유 근처의 용해물에 위치된다. 비록 와이어의 용탕이 도가니(54)를 완전히 나가기 전에 어느 정도 냉각될 수 있지만, 와이어의 용탕은 출구 다이(57)을 거쳐 도가니(54)를 나온후 냉각되어 고화된다. 와이어(59)의 냉각은 가스 또는 유체 흐름(58)에 의해 증대된다. 와이어(59)는 스풀(60) 상으로 수집된다.
섬유를 열 세척하는 작업은 풀칠량, 흡수된 물 및 섬유의 표면 상에 존재할 수 있는 다른 일시적인 또는 휘발성 재료를 제거하거나 줄이는 데 도움이 된다. 양호하게는, 섬유는 섬유 표면의 탄소 함유량이 22 % 면적 분율보다 작을 때까지 열 세척된다. 비록 특별한 온도 및 시간은 예컨대 사용되는 특별한 섬유의 세척 필요성에 따르지만, 통상적으로 튜브 용해로의 온도는 온도에서의 적어도 수초 동안 적어도 약 300 ℃이고, 보다 통상적으로 적어도 1000 ℃이다.
이와 같은 진공 처리를 사용하는 것이 드라이 섬유를 갖는 국부화된 영역과 같은 결함의 형성을 줄이거나 제거하는 것으로 관찰되어 왔기 때문에, 양호하게는, 섬유는 용해물로 들어가기 전에 진공 처리된다. 양호하게는, 증가하는 선호도에 따라, 섬유는 20 Torr보다 크지 않은, 10 Torr보다 크지 않은, 1 Torr보다 크지 않은, 0.7 Torr보다 크지 않은 진공에서 진공 처리된다.
적절한 진공 시스템의 일 예는 섬유 묶음의 직경에 맞는 크기로 된 진입 튜브이다. 진입 튜브는, 예컨대 스테인리스 강 또는 산화 알루미늄 튜브일 수 있으며, 통상적으로 길이는 적어도 30 ㎝이다. 적절한 진공 챔버는 통상적으로 직경이 약 2 ㎝ 내지 약 20 ㎝ 범위이고 길이가 5 ㎝ 내지 100 ㎝ 범위이다. 진공 펌프의 용량은 양호하게는 적어도 0.2 내지 0.4 ㎥/min이다. 비록 용해물은 통상적으로 사실상 대기압에 있지만, 진공 처리된 섬유는 알루미늄욕을 관통하는 진공 시스템 상의 튜브를 통해 용융물 내로 삽입된다(즉, 진공 처리된 섬유는 용해물 내로 도입될 때 진공에 있다). 출구 튜브의 내경은 섬유 묶음의 직경과 사실상 일치한다. 출구 튜브의 일부는 용융된 알루미늄 내에 침지된다. 양호하게는, 튜브의 약 0.5 내지 5 ㎝가 용탕 내에 침지된다. 튜브는 용탕 재료에서 안정적으로 되도록 선택된다. 통상적으로 적절한 튜브는 그 예로서 질화 규소와 산화 알루미늄 튜브를 포함한다.
섬유 내에 용탕을 침윤시키는 것은 통상적으로 초음파를 사용함으로써 증대된다. 예컨대, 진동 혼은 이것이 섬유에 근접하도록 용탕에 위치된다. 양호하게는, 섬유는 혼 선단부의 2.5 ㎜ 내에 있으며, 양호하게는 혼 선단부의 1.5 ㎜ 내에 있다. 혼 선단부는 양호하게는 니오븀, 또는 95 중량% Nb-5 중량% Mo 및 91 중량% Nb-9 중량% Mo과 같은 니오븀 합금으로 제조될 수 있다. 금속 기지 복합물 제조를 위해 초음파를 사용하는 것과 관련된 추가적인 상세한 내용은, 그 내용이 본 명세서에 개시된 것으로서 예컨대 미국 특허 제4,649,060호(이시카와(Ishikawa) 등), 제4,779,563호(이시카와 등) 및 미국 특허 제4,877,643호(이시카와 등)와, 미국 특허 출원 제08/492,960호와, 1996년 5월 21일 공개된 공개 번호 WO 97/00976호인PCT 출원을 참조하기로 한다.
용융 금속은 양호하게는, 침윤 중에 그리고/또는 침윤 전에 탈기된다(예컨대, 용탕 내에 용해된 가스(예컨대, 수소)의 양을 저감시킴). 용탕 탈기 방법은 금속 처리 분야에서 공지된 것이다. 용해물 탈기는 와이어의 가스 다공성을 저감시킨다. 용융 알루미늄에서, 용해물의 수소 농도는 양호하게는 선호 순서대로 알루미늄 100g 당 0.2, 0.15 및 0.1 ㎤보다 작다.
출구 다이는 원하는 와이어 직경을 제공하도록 구성된다. 통상적으로, 그 길이를 따라 균일한 원형 와이어를 갖는 것이 바람직하다. 출구 다이의 직경은 일반적으로 와이어의 직경보다 조금 크다. 예컨대, 약 50 체적% 산화 알루미늄 섬유를 함유한 알루미늄 복합 와이어에 대한 질화 규소 출구 다이의 직경은 와이어의 직경보다 약 3% 작다. 비록 다른 재료가 유용할 수도 있지만, 양호하게는, 출구 다이는 질화 규소로 제조된다. 기술 분야에서 출구 다이로 사용되어 온 다른 재료는 종래의 산화 알루미늄을 포함한다. 그러나, 출원인이 발견한 바에 따르면, 질화 규소 출구 다이는 종래의 산화 알루미늄 다이보다 아주 적게 마모되며, 따라서 특히 와이어의 길이에 걸쳐 원하는 직경과 형상의 와이어를 제공함에 있어 보다 유용하다.
통상적으로, 와이어는 출구 다이를 나온 후 와이어에 액체(예, 물) 또는 가스(예, 질소, 아르곤 또는 공기)를 접촉시킴으로써 냉각된다. 이와 같은 냉각은 원하는 곡면도 및 균일도 특성을 제공함에 있어 도움에 된다.
양호하게는, 본 발명에 따른 와이어의 단면 형상은 적어도 1 ㎜, 보다 양호하게는, 적어도 1.5 ㎜, 2 ㎜, 2.5 ㎜, 3 ㎜ 및 3.5 ㎜이다.
본 발명에 따른 금속 기지 복합 와이어는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 특히 고가 송전 케이블에 유용하다.
이론에 제한하려는 것은 아니지만, 통상적인 금속 와이어에 있어서, 와이어의 인장 강도 변화가 와이어의 단면적의 변화에 직접 비례하므로, 직경의 조절은 중요하다. 이론에 제한하려는 것은 아니지만, 복합물에서, 복합 와이어의 인장 강도는 단면적의 변화가 아닌, 와이어에 함유된 섬유의 양에 의해 주로 좌우된다.
케이블은 케이블을 만드는 재료(예를 들어, 와이어)의 신장(또는, 변형)을 교대로 유발하는 인장 응력 및 굽힘 응력을 받게 된다. 전체 변형은 재료에 종속되는 다양한 기계적 하중(예를 들어, 인장, 비틀림 및 굽힘)에 의한 요소 변형들의 중첩이라는 것을 기술 분야의 당업자들은 이해할 것이다. 변형의 인장 요소는 와이어 단면적에 걸쳐 균일하지만, 변형의 굽힘 요소는 와이어 단면적에 걸쳐 균일하지 않고, 그 최대값은 단면의 외경에서 발생하고 최소값은 와이어 중심축에서 발생한다. 그 결과, 와이어 직경의 임의의 변화는 와이어에 부과된 굽힘 변형의 변화로 이어진다. 재료 상에 부과된 전체 변형이 일정 값을 초과하면, "파단 변형"으로 불려지는 것과 같이 재료는 파단하여 끊어지게 된다. 큰 인장 하중이 굽힘 하중과 결합되는 혹독한 하중 상황의 금속 기지 복합물에서, 직경의 변화는 최대 굽힘 위치에서 케이블 내의 와이어를 영구 파단시킬 수 있다.
와이어의 직경은 기하학적 이유에서 또한 중요하다. 둥근 단면을 갖는 와이어의 유용성은 케이블 내의 향상된 패킹을 위해 바람직하다. 또한, 각각의 와이어의 직경의 변화는 전체적인 케이블의 원하지 않는 변형으로 이어진다.
본 발명에 따른 케이블은 균질(즉, 단지 한 종류의 금속 기지 복합 와이어만을 포함)이거나 불균질(즉, 금속 와이어와 같이 복수개의 2차 와이어를 포함)할 수 있다. 불균질 케이블의 일예로서, 코어는 복수개의 2차 와이어(예컨대, 알루미늄 와이어)를 포함하는 셸을 구비한 본 발명에 따른 복수개의 와이어를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 케이블은 스트랜드(strand)될 수 있다. 스트랜드 케이블은 통상적으로 중심 와이어와 중심 와이어 둘레에 나선형으로 스트랜드된 제1 와이어 층을 포함한다. 케이블 스트랜딩은 와이어의 개별 스트랜드들이 완성된 케이블을 생성하기 위해 나선형 배열로 결합되는 과정이다(본 명세서에 인용되어 합체된 미국 특허 제5,171,942호(파우어즈(Powers))와 제5,554,826호(겐트리(Gentry)) 참조). 최종 나선형 스트랜드 와이어 로프는 동등한 단면 영역으로 된 중실형 로드에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 큰 가요성을 제공한다. 나선형 배열은 또한 케이블이 조작, 설치 및 사용시 굽힘될 때 스트랜드 케이블이 그 전체적인 곡면 단면 형상을 유지하기 때문에 유익하다. 나선형으로 권취된 케이블은 적어도 7 개의 개별 스트랜드 내지 50 개 이상의 스트랜드를 함유하는 보다 공통적인 구조를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 예시적인 송전 케이블이 도2에 도시되어 있으며, 본 도면에서 본 발명에 따른 송전 케이블(130)은 서른 개의 개별 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어(138)의 자켓(136)에 의해 둘러싸인 열 다섯 개의 개별 복합물 금속 기지 와이어(134)의 코어(132)일 수 있다. 마찬가지로, 도3에 도시된 바와 같이, 많은 대안예 중 하나로서, 본 발명에 따른 고가 송전 케이블(140)은 스물 한 개의 개별 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어(148)의 자켓(146)에 의해 둘러싸인 서른 일곱 개의 개별 복합물 금속 기지 와이어(144)의 코어(142)일 수 있다.
도4는 스트랜드 케이블(80)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 스트랜드 케이블은 중심 금속 기지 복합 와이어(81A)와 중심 금속 기지 복합 와이어(81A) 둘레에 나선형으로 권취된 금속 기지 복합 와이어의 제1 층(82A)를 포함한다. 본 실시예는 제1 층(82A) 둘레에 나선형으로 스트랜드 금속 기지 복합 와이어의 제2 층(82B)를 추가로 포함한다. 임의의 적절한 수의 금속 기지 복합 와이어(81)는 임의의 층에 포함될 수 있다. 또한, 원하는 경우 둘 이상의 층이 스트랜드 케이블(80)에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 케이블은 순 케이블로 사용될 수 있거나 대경 케이블의 코어로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 케이블은 복수개의 와이어 둘레에 유지 수단을 구비한 복수개의 와이어의 스트랜드 케이블일 수 있다. 유지 수단은, 예컨대 접착제 또는 결합물을 갖거나 갖지 않는, 도4에서 83으로 도시된 바와 같은 테이프 오버랩일 수 있다.
본 발명에 따른 스트랜드 케이블은 다양한 용도로서 유용하다. 이와 같은 스트랜드 케이블은 저중량, 고강도, 양호한 전기 전도도, 낮은 열팽창 계수, 높은 사용 온도 및 내식성을 갖고 있음으로 해서 고가 송전 케이블에 사용되기에 특히 바람직한 것으로 여겨진다.
이와 같은 송전 케이블(90)의 하나의 양호한 실시예의 단부도가 도5에 도시되어 있다. 이와 같은 송전 케이블은 본 명세서에 설명된 스트랜드 코어중 하나일 수 있는 코어(91)를 포함한다. 송전 케이블(90)은 스트랜드 코어(91)에 대해 적어도 하나의 도전층도 포함한다. 도시된 바와 같이, 송전 케이블은 두 개의 도전층(93A, 93B)을 포함한다. 원하는 경우 보다 많은 도전층이 사용될 수 있다. 양호하게는, 각각의 도전층은 기술분야에서 공지된 복수개의 도전체 와이어를 포함한다. 도전체 와이어로서 적절한 재료는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함한다. 도전체 와이어는 기술분야에서 공지된 적절한 케이블 스트랜딩 장치에 의해 스트랜드 코어(91) 둘레에 스트랜드될 수 있다.
스트랜드 케이블이 최종 물품 자체로서 사용되는 또는 다양한 부수 물품에서 중간 물품이나 구성물로서 사용되는 다른 적용예에서, 양호하게는, 스트랜드 케이블은 복수개의 금속 기지 복합 와이어(81) 둘레에 전력 도전층이 없다.
금속 기지 복합 와이어로 제조된 케이블에 관한 추가적인 상세한 설명은 그 내용이 본 명세서에 인용되어 합체된 것으로서, 예컨대 본 출원과 동일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/616,784호와, 미국 특허 출원 제08/492,960호와, 1996년 5월 21일 공개된 PCT 출원 공개 제WO/00976호에 개시된다. 금속 기지 복합물 재료 및 이를 함유한 케이블에 관한 추가적인 상세한 설명은 그 내용이 본 명세서에 합체된 것으로서 예컨대 본 출원과 동일자로 출원된 출원 계류중인 미국 특허 출원 제09/616,594호와 제09/616,589호와 제09/616,741호에 개시된다.
예
본 발명은 하기의 예에 의해 추가로 설명되지만, 이들 예에서 언급된 특별한 재료 및 그 양과 다른 조건 및 상세한 내용이 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다. 본 발명에 대한 다양한 변경예 및 개조예는 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다. 모든 분율 및 %는 달리 지시되지 않는 한 중량에 의한다.
시험 절차
진원도
와이어 단면 형상이 얼마나 원에 가까운 지의 척도인 진원도는 특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도로 정의된다. 평균을 계산하기 위한 단일 진원도는 (상표명 "ODAC 30J ROTATING LASER MICROMETER", 소프트웨어 "USYS-100", 버젼 BARU13A3으로 뉴욕주 마운트 키스코 소재의 줌바흐(Zumbach) 전자 주식회사로부터 입수 가능한) 각각의 180°회전 동안 매 100 msec 마다 마이크로미터가 와이어 직경을 기록하도록 설정된 회전 레이저 마이크로미터를 사용하여 이하와 같이 결정된다. 180°회전의 각각의 이동을 달성하는 데는 10초가 소요된다. 마이크로미터는 각각의 180°회전으로부터의 프로세스 데어터베이스로 데이터 기록을 전송한다. 기록은 회전 사이클 동안 수집된 100 데이터 지점의 최소값, 최대값 및 평균을 포함하고 있다. 와이어 속도는 1.5m/분(5피트/분)이다. 단일 진원도는 회전 사이클 동안 수집된 100 데이터 지점의 최대 직경에 대한 최소 직경의 비이다. 진원도는 특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도의 평균이다. 단일 평균 진원도는 100 데이터지점의 평균이다.
둥글기 균일도
특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도의 변화 계수인 둥글기 균일도는 측정된 단일 진원도의 표준 편차를 측정된 단일 진원도로 나눈 비이다. 표준 편차는 이하의 식으로 결정된다.
여기서, n은 개체수 중의 샘플수(즉, 직경 균일도를 결정하기 위해 측정된 단일 진원도의 표준 편차를 계산하기 위해, n은 특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도의 수이다)이고, x는 샘플 개체의 측정값(즉, 직경 균일도를 결정하기 위해 측정된 단일 진원도의 표준 편차를 계산하기 위해, n은 특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 진원도이다)이다.
평균을 결정하기 위해 측정된 단일 진원도는 진원도를 위해 상술한 바와 같이 얻어진다.
직경 균일도
특정 길이에 걸쳐 측정된 단일 평균 직경의 변화 계수인 직경 균일도는 측정된 단일 평균 직경의 표준 편차를 측정된 단일 평균 직경으로 나눈 비로 정의된다. 측정된 단일 평균 직경은 진원도를 위해 상술한 바와 같이 얻어진 100 데이터 지점의 평균이다. 표준 편차는 수학식 1을 사용하여 계산된다.
예 1
예 1의 알루미늄 복합 와이어는 다음과 같이 마련되었다. 도1를 참조하면, (상표명 "넥스텔 610"로 3M 사에서 구입하고, 1996년 제품 책자에서 보고된 영 모듈러스가 373 GPa이었던) 육십이 개 토우의 3000 데니어 산화 알루미늄 섬유가 단일 묶음으로 집속되었다. 원형 묶음은 이것을 공기중에서 1.5 m/min의 속도로 1 m 튜브 용해로(오클라호마주 툴사의, 에이티에스(ATS)에서 구입됨)를 통해 1000 ℃에서 통과시킴으로써 열 처리되었다. 이후 원형 묶음은 이 묶음을 산화 알루미늄 진입 튜브(직경 2.7 ㎜ 길이 30 ㎝이고, 직경이 섬유 묶음의 직경과 일치)를 거쳐 진공 챔버(직경 6 ㎝ 길이 20 ㎝) 내로 통과시킴으로써 1.0 Torr로 진공 처리되었다. 진공 챔버에는 0.4 ㎥/min의 펌핑 용량을 갖는 기계적 진공 펌프가 설치되었다. 진공 챔버를 나온 후, 진공 처리된 섬유는 용융 알루미늄욕에 부분적으로(약 5 ㎝) 침지된 산화 알루미늄 출구 튜브(내경이 2.7 ㎜, 길이가 25 ㎝)를 거쳐 용융 알루미늄욕으로 들어간다. 용융 알루미늄욕은 알루미늄(켄터키주 호스빌의, 엔에스에이 알루미늄(NSA ALUMINUM)에서 구입, 순도 99.94 % Al)을 726 ℃에서 용해시킴으로써 마련되었다. 용융 알루미늄은 약 726 ℃에서 유지되었으며, 알루미늄욕에 침지된 탄화 규소 다공성 튜브(미주리주 킹스빌의, 스탈 스페셜티 코(StahlSpecialty Co)에서 구입)를 거쳐 800 ㎤/min의 아르곤 가스를 기포화시킴으로써 연속적으로 탈기되었다. 용융 알루미늄의 수소 함량은 0.64 ㎝ x 12.7 ㎝ x 7.6 ㎝의 공동을 갖는 구리 도가니에서 용융 알루미늄의 샘플을 급냉하고 (미주리주 세이트 조세프의 레코 코포레이션(LECO Corp.)에서 구입한) 표준화 질량 분석기 시험 분석을 사용해서 그 수소 함량에 대해 최종 고화 알루미늄 잉곳을 분석함으로써 측정되었다.
섬유 묶음으로 용융 알루미늄을 침윤시키는 것은 초음파 침윤을 사용함으로써 용이하게 되었다. 초음파 진동은 (신시내티주 댄버리의, 소닉스 앤 머티리얼즈(Somics & Materials)에서 구입한) 초음파 변환기에 연결된 도파관에 의해 제공되었다. 도파관은 길이가 482 ㎜이고 직경이 25 ㎜인 티탄 도파관(90 중량%Ti-6 중량%Al-4 중량%V)에 나사 체결된 중심 10 ㎜ 나사가 부착된 직경이 25 ㎜이고 길이가 90 ㎜인 91 중량%Nb-9 중량%Mo 원통형 막대로 구성되었다. Nb-9 중량% Mo 막대는 펜실베니아주 라지의 피엠티아이(PMTI) 인크.로부터 공급되었다. 니오븀 막대는 섬유 묶음의 중심선에서 2.5 ㎜ 내에 위치되었다. 도파관은 선단부에서 20 ㎛ 변위되어 20 ㎑에서 작업되었다. 섬유 묶음은 1.5 m/min의 속도로 작업하는 (오클라호마주 툴사의, 툴사 파우어 프로덕츠에서 구입된) 캐터풀러에 의해 용융 알루미늄욕을 거쳐 인출되었다.
알루미늄이 침윤된 섬유 묶음은 (일리노이주, 버 리지의, 브랜슨 앤드 브래톤(Branson and Bratton) 인크에서 구입한 내경이 2.5 ㎜이고 외경이 19 ㎜이고 길이가 12.7 ㎜인) 질화 규소 출구 다이를 거쳐 도가니를 나왔다. 용융 알루미늄욕을 나온 후, 와이어는 두 개의 질소 가스 스트림을 사용해서 냉각되었다. 보다 상세하게는, 내경이 4.8 ㎜인 두 개의 플러그 연결된 튜브는 각각의 측면 상에 다섯 개으 구멍이 천공되어 있다. 구멍은 직경이 1.27 ㎜이고, 30 ㎜의 길이를 따라 6 ㎜ 떨어져서 위치되었다. 질소 가스는 분당 100 리터의 유속으로 튜브를 통해 유동했으며, 작은 측면 구멍들을 거쳐 빠져나왔다. 각 튜브 상의 제1 구멍은 출구 다이로부터 약 50 ㎜에 그리고 와이어로부터 6 ㎜ 떨어져서 위치되었다. 튜브는 와이어의 각 측면 상에 하나씩 위치되었다. 그 후, 와이어는 스풀 상으로 권취되었다. 유도 결합된 플라즈마 분석에 의해 측정된 것으로서, 예 1의 알루미늄 기지의 조성은 0.03 중량% Fe, 0.02 중량% Nb, 0.03 중량% Si, 0.01 중량% Zn, 0.003 중량% Cu 및 잔량 Al이었다. 와이어를 제조하는 동안, 알루미늄욕의 수소 함량은 약 100 gm 알루미늄당 0.07 ㎤였다.
열네 개의 분리된 알루미늄 복합물의 작업이 이루어졌다. 와이어의 직경은 2.5mm 였다. 적어도 300m의 와이어가 각 작업을 위해 제작되었다. 섬유 체적 분율은 표준 금속학적 기술에 의해 측정되었다. 와이어 단면은 연마 처리되었으며, 섬유 체적 분율은 미국 국립 보건원(NIH)의 연구 용역과에서 개발한 퍼블릭 도메인 이미지(public domain image) 처리 프로그램인 NIH IMAGE(1.61판)로 지칭되는 컴퓨터 프로그램(웹사이트 http//rsb.info.nih.gov/nih-image에서 얻음)의 도움을 얻어 밀도 프로파일링 함수를 사용해서 측정되었다. 이 소프트웨어는 와이어의 대표 단면의 평균 그레이 스케일(grat scale) 강도를 측정하였다.
각 작업을 위해, 일 편의 와이어가 (일리노이주 레이크 블러프의 부흘러 인크(Buehler Inc.)로부터 상표명 "에폭시큐어(EPOXICURE)"로 판매된) 장착 수지에 장착되었다. 장착된 와이어는 종래의 그라인더/폴리셔와 종래의 다이아몬드 슬러리를 사용해서 연마 처리되었으며 최종 연마 단계에서는 연마 처리된 와이어 단면을 얻기 위해 (오하이오주 웨스트 레이크의 스트루어즈(Struers)로부터 상표명 "다이아몬드 스프레이(DIAMOND SPRAY)"로 판매된) 1 ㎛ 다이아몬드 슬러리를 사용하였다. 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진은 연마 처리된 와이어 단면을 150 배율로 촬영한 것이다. SEM 현미경 사진을 촬영할 때, 화상의 문턱값 수준은 바이너리 이미지를 생성하기 위해 0의 강도에서 모든 섬유를 갖도록 조절되었다. SEM 현미경 사진은 NIH IMAGE 소프트웨어로 분석되었으며, 섬유 체적 분율은 최대 강도로 바이너리 이미지의 평균 강도를 나눔으로써 얻어졌다. 섬유 체적 분율을 결정하기 위한 본 방법의 정밀도는 ±2 %인 것으로 여겨졌다. 와이어의 평균 섬유 함량은 54 체적%로 결정되었다.
와이어 진원도, 둥글기 균일도, 직경 균일도는 상술한 바와 같이 100m, 300m, 및 다양한 다른 길이 간격에서 측정되었다. 그 결과는 이하의 표1, 2, 3으로 보고된다.
표1
표2
표3
비교예 A
적어도 300m 길이의 알루미늄 기지 복합 와이어의 열두 개의 분리된 작업이 와이어 직경이 2.0mm이고, 와이어의 섬유 함량이 45 체적%의 삼십육 토우의 1500 데니어 섬유("NEXTEL 610")가 사용된 점을 제외하고, 본 명세서에 참고로 합체된 간행물인 PCT/US96/07286호의 예 2에 설명된 바와 같이 사실상 마련되었다.
와이어 진원도, 둥글기 균일도, 직경 균일도는 상술한 바와 같이 100m, 300m, 및 다양한 다른 길이 간격에서 측정되었다. 그 결과는 이하의 표4, 5, 6으로 보고된다.
표4
표5
표6
비교예 B
비교예 B는 니폰 카본 코.에서 구입한 길이가 300 m인 알루미늄 기지 복합 와이어였다. 와이어는 상표명이 "하이-니칼론(HI-NICALON)"인 SiC 섬유(공식적으로 다우 코닝에서 구입 가능(현재 씨오아이 세라믹스에서 구입 가능))를 사용해서 제조된 것으로 보고되었다. 와이어의 섬유 함량은 52.5 체적%가 되도록 예 1에서 설명된 바와 같이 결정되었다. 와이어의 직경은 0.082 ㎜였다.
와이어 진원도, 둥글기 균일도, 직경 균일도는 상술한 바와 같이 100m 길이에서 각각 0.869, 2.45% 및 1.08%, 300m 길이에서 각각 0.872, 2.56% 및 1.08%, 474m 길이에서 각각 0.877, 2.58% 및 1.03%로 측정되었다.
비교예 C
적어도 300m 길이의 알루미늄 기지 복합 와이어의 이십 개의 분리된 작업이 와이어 직경이 2.5mm이고, 와이어의 섬유 함량이 45 체적%의 오십사 토우의 1500 데니어 섬유("NEXTEL 610")가 사용된 점을 제외하고, PCT/US96/07286호의 예 2에 설명된 바와 같이 사실상 마련되었다.
와이어 진원도, 둥글기 균일도, 직경 균일도는 상술한 바와 같이 100m, 300m, 및 다양한 다른 길이 간격에서 측정되었다. 그 결과는 이하의 표7, 8, 9로 보고된다.
표7
표8
표9
비교예 D
적어도 300m 길이의 알루미늄 기지 복합 와이어의 열 개의 분리된 작업이 와이어 직경이 3.0mm이고, 와이어의 섬유 함량이 45 체적%의 팔십육 토우의 1500 데니어 섬유("NEXTEL 610")가 사용된 점을 제외하고, PCT/US96/07286호의 예 2에 설명된 바와 같이 사실상 마련되었다.
와이어 진원도, 둥글기 균일도, 직경 균일도는 상술한 바와 같이 100m, 300m, 및 다양한 다른 길이 간격에서 측정되었다. 그 결과는 이하의 표10, 11, 12로 보고된다.
표10
표11
표12
본 발명의 다양한 변경예 및 개조예는 본 발명의 범위 및 기술사상을 벗어나지 않고 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 나타난 예시적인 실시예에 부당하게 제한되어서는 안된다.

Claims (40)

  1. 금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하며,
    와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.9의 진원도, 2% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 1% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 섬유들을 포함하는 복수개의 토우를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  3. 제2항에 있어서, 직경 균일도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 0.5% 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  4. 제2항에 있어서, 직경 균일도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 0.3% 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  5. 제2항에 있어서, 둥글기 균일도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 1.5% 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  6. 제2항에 있어서, 둥글기 균일도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 1.25% 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  7. 제2항에 있어서, 진원도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.92인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  8. 제2항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄, 아연, 주석 또는 이들의 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  9. 제2항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄 또는 그 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  10. 제2항에 있어서, 섬유들의 수의 적어도 약 85%가 사실상 연속적인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  11. 제2항에 있어서, 와이어의 전체 체적에 기초하여 적어도 약 15 체적%이면서 약 70 체적% 보다는 크지 않는 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  12. 제2항에 있어서, 섬유들은 세라믹 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  13. 제2항에 있어서, 섬유들은 세라믹 산화 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  14. 제2항에 있어서, 섬유들은 다결정성 알파 산화 알루미늄계 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  15. 금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하며,
    와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.85의 진원도, 1.5% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 0.5% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  16. 제15항에 있어서, 섬유들을 포함하는 복수개의 토우를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  17. 제16항에 있어서, 진원도는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.9인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  18. 제16항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄, 아연, 주석 또는 이들의 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  19. 제16항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄 또는 그 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  20. 제16항에 있어서, 섬유들의 수의 적어도 약 85%가 사실상 연속적인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  21. 제16항에 있어서, 와이어의 전체 체적에 기초하여 적어도 약 15 체적%이면서 약 70 체적% 보다는 크지 않는 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  22. 제16항에 있어서, 섬유들은 세라믹 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  23. 제16항에 있어서, 섬유들은 세라믹 산화 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  24. 제16항에 있어서, 섬유들은 다결정성 알파 산화 알루미늄계 섬유인 것을 특징으로 하는 금속 기지 복합 와이어.
  25. 금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하는 적어도 하나의 금속 기지 복합 와이어를 포함하며,
    상기 와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.9의 진원도, 2% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 1% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 케이블.
  26. 제25항에 있어서, 섬유들을 포함하는 복수개의 토우를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  27. 제26항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄, 아연, 주석 또는 이들의 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  28. 제26항에 있어서, 섬유들은 세라믹 섬유인 것을 특징으로 하는 케이블.
  29. 제26항에 있어서, 섬유들은 세라믹 산화 섬유인 것을 특징으로 하는 케이블.
  30. 제26항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄 또는 그 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  31. 제26항에 있어서, 코어 및 셸을 포함하고, 코어는 복합 와이어들을 포함하며 셸은 2차 와이어들을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  32. 금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유들 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하는 적어도 하나의 금속 기지 복합 와이어를 포함하며,
    상기 와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.85의 진원도, 1.5% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 0.5% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 케이블.
  33. 제32항에 있어서, 섬유들을 포함하는 복수개의 토우를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  34. 제33항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄, 아연, 주석 또는 이들의 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  35. 제33항에 있어서, 섬유들은 세라믹 섬유인 것을 특징으로 하는 케이블.
  36. 제33항에 있어서, 섬유들은 세라믹 산화 섬유인 것을 특징으로 하는 케이블.
  37. 제33항에 있어서, 금속 기지는 알루미늄 또는 그 합금들로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블.
  38. 제33항에 있어서, 코어 및 셸을 포함하고, 코어는 복합 와이어들을 포함하며 셸은 2차 와이어들을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  39. 금속 기지에 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 복수개의 섬유를 포함하는 금속 기지 복합 와이어를 제조하는 방법이며, 상기 방법은,
    용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적을 제공하는 단계와,
    용융된 기지 재료가 함유된 체적내에 세라믹 섬유들, 탄소 섬유들 및 이들의 혼합물의 그룹 중에서 선택된 사실상 연속적인 복수개의 섬유를 포함하는 적어도 하나의 토우를 침지하는 단계와,
    침윤된 복수개의 섬유가 제공되도록 용융된 금속 기지 재료의 적어도 일부를 복수개의 섬유 내에 침윤시키기 위해 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적의 적어도 일부가 진동하도록 초음파 에너지를 가하는 단계와,
    금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하는 금속 기지 복합 와이어를 제공하기 위해 용융된 금속 기지 재료를 고화시키는 조건 하에서 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적으로부터 침윤된 복수개의 섬유를 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.9의 진원도, 2% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 1% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 금속 기지에 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 복수개의 섬유를 포함하는 금속 기지 복합 와이어를 제조하는 방법이며, 상기 방법은,
    용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적을 제공하는 단계와,
    용융된 기지 재료가 함유된 체적내에 세라믹 섬유들, 탄소 섬유들 및 이들의 혼합물의 그룹 중에서 선택된 사실상 연속적인 복수개의 섬유를 포함하는 적어도 하나의 토우를 침지하는 단계와,
    침윤된 복수개의 섬유가 제공되도록 용융된 금속 기지 재료의 적어도 일부를 복수개의 섬유 내에 침윤시키기 위해 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적의 적어도 일부가 진동하도록 초음파 에너지를 가하는 단계와,
    금속 기지에 적어도 하나의 사실상 연속적이고 길이 방향으로 위치된 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유들의 복수개를 포함하는 적어도 하나의 토우를 포함하는 금속 기지 복합 와이어를 제공하기 위해 용융된 금속 기지 재료를 고화시키는 조건 하에서 용융된 금속 기지 재료가 함유된 체적으로부터 침윤된 복수개의 섬유를 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 와이어는 적어도 100m의 길이에 걸쳐 적어도 0.85의 진원도, 1.5% 보다 크지 않은 둥글기 균일도 및 0.5% 보다 크지 않은 직경 균일도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
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