TWI336272B - Method for making metal cladded metal matrix composite wire - Google Patents

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TWI336272B TW094101335A TW94101335A TWI336272B TW I336272 B TWI336272 B TW I336272B TW 094101335 A TW094101335 A TW 094101335A TW 94101335 A TW94101335 A TW 94101335A TW I336272 B TWI336272 B TW I336272B
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Description

^336272 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明揭示一種形成覆有金屬之金屬基複合線之方法。 【先前技術】
一般而言，金屬基複合物（MMCs)為人所知。MMCs通常 包括以微粒、晶須、短纖維或長纖維增強之金屬基質。金 屬基複合物之實例包括··鋁基複合線（例如植入一鋁基中之 碳化石夕、碳、硼、或多晶α氧化鋁纖維）、鈦基複合帶（例如 植入一欽基中之碳化矽纖維）、及銅基複合帶（例如植入一鋼 基中之碳化矽或碳化硼纖維）。 金屬基複合線之一種用途係作為架空裸電力傳輸電纜中 之增強成分從而受到特別關注。對電纜之一種常見需求係 受到提昇現有傳輸基礎設施之電力傳遞能力之需要所驅 動0 對用於架空電力傳輸之電纜所希望之性能要求包括：抗 腐蝕性、環境耐久性（例如’ υν與潮濕）、於升高溫度下抗 強度損失性、螺變阻力、及相對高之彈性模數 '低密度' 低熱膨脹係、數、高電導率、及高強度。儘管已知有包㈣ 基複α線之架空電力傳輸電镜，對於某些應用，持續存在 (例如）對於具有改良之失效應變值及/或尺寸均一性的銘基 複合線之需要。 在提供更為均-封裝之電繞構造中希望具有圓形橫截面 之線的可純。希望於沿圓形線長度之不同點上I有更均 -直徑的圓形線之可用性以提供具有更均一直經之刪 98812.doc 1336272 造。因此，存在對於具有一圓形橫截面及均一直徑之實質 上連續的金屬基複合線及製造該實質上連續之金屬基複合 線之方法的需要。 【發明内容】
本發明係關於一種製造覆有金屬（例如鋁及其合金）之金 屬（例如銘及其合金）基複合線之方法。本方法包含熱加工韌 性金屬以便將該韌性金屬與一金屬基複合線之外表面相結 合。本發明之實施例係關於具有一以金屬覆層覆蓋之外表 面的链基複合線。根據本發明之覆有金屬之金屬基複合物 係被形成為顯示出關於彈性模數、密度、熱膨脹係數、電 導率、失效強度應變、圓度及/或塑性變形之所要特性的線。 於一態樣中，本發明提供一種製造覆有金屬之金屬基複 合線之方法，其係藉由：使一金屬基複合線移動通過一腔
室；於該腔室中使韌性金屬與金屬基複合線之外表面相結 合，同時將腔室中之溫度保持低於該韌性金屬之熔點下， 且該腔室中之壓力係足以塑化該韌性金屬；及在將所結合 之韌性金屬有效構形成可覆蓋該金屬基複合線外表面之金 屬覆層的條件下，自該腔室中拉出具有經結合之勒性金屬 的金屬基複合線以提供覆有金屬之金屬基複合線。 於另-態樣中’本發明之製造一覆有金屬之金屬基複合 線的方法係將韌性金屬與該金屬基複合線之外表面相結 合’且在將所結合之韌性金屬有效定形成覆蓋該 合線外表面之金屬覆層的條件下，處理所結合之物= 以提供覆有金屬之金屬基複合線，該複合線顯示出在該覆 98812.doc 1336272 有金屬之金屬基複合線至少1 〇〇米（於某些實施例中，至少 200米、至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、 至少700米、至少800米、或甚至至少9〇〇米）之長度上至少 ， 0·95(於某些實施例中，至少〇 97、至少〇 %、或甚至至少〇 99) 之圓度值。 本文所用下列術語除非文中另作說明，否則如所述定義： . 連續性纖維"意謂一與平均纖維直徑相比具有相對無限 ^ <長度的纖維。一般而言，此意謂該纖維具有至少1χ105(於某 -實施例中，至少lxlG6、或甚至至少my)之縱橫比（意 P該纖维之長度與該纖維之平均直徑之比率）。一般而 言，該等纖維具有約至少50米之長度、且可甚至具有約數 千米或更長之長度。 縱向文置"意謂該纖維位於相肖於該線長度相同之方 向。
猶圓度值"係如下文實例中所描述藉由指定長度 之圓周有多接近之量測。，、為線之板截面形狀與圓 變化圓係度為於指定長度之線上所量測之單—圓度值 以單猶曰〃下文實例中所描述是單獨量測之圓度值除 以早獨^之圓度值平均值的標準偏差比率β A值除 值為於經指定長度之線而單獨量測之+ # @ 直徑令變化夕在把 ^ 叫里叫< 十均線 獨直徑除以所洌單彳f #πJ 所描述疋義為所測單 【實施平均值之標準偏差比率。 98812.doc 1336272 本發明為一種製造覆有金屬之複合線及電纜之方法。一 般而言，藉由將一韌性金屬覆層結合至金屬基複合線來製 造本發明之覆有金屬之金屬基複合線。儘管不欲受理論限 制，但相信本發明所提供之方法可製造具有顯著改進之特 性的覆有金屬之複合線。可將至少一種根據本發明之線組 合至電纜（例如一電力傳輸電纜）中。
圖1中提供一根據本發明方法製造之經示範性覆有金屬 之纖維增強的金屬基複合線20之橫截面圖。經覆有金屬之 纖維增強之金屬基複合線20(下文中稱為覆有金屬之複合 線或MCCW)包括與一金屬基複合線26之外表面24相結合 之韌性金屬覆層22。金屬基複合線26亦可稱為芯線26。勒 性金屬覆層22具有厚度為ί之近似環形形狀。於某些實施例 中，金屬基複合線26於MCCW 20中縱向居中。
本發明之方法將覆層結合至金屬基複合線26。可藉由利 用下文描述及圖2與3中所說明之方法包覆金屬基複合線26 以形成覆有金屬之複合線（MCCW)20。 參見圖2,可利用一覆層機30(例如，350型；以商品名 ’’CONKLAD"購自 BWE Ltd，Ashford，England，UK)以勒性 金屬給料28包覆芯線26以形成MCCW 20。覆層機30包含位 於擠出輪34上或與其相鄰之模瓦32 ^模瓦32包含一沖模腔 3 6(圖3)，其一端接入一入口導向模38且於另一端接入一出 口擠出模40。擠出輪34包含至少一個饋入沖模腔36之外周 槽42(通常兩個外周槽）。 某些實施例中，覆層機30以切線模式操作。於如圖2中說 98812.doc -9- (S) 1336272 明之切線模式中’產物中心線（意即MCCW 2〇)於該覆層機 3G之播出輪34的切線上運行。希望如此是由於芯線26不應 \ f過任何足錢該線斷裂之小半徑f曲。—般而言，怒線 26將沿一直線路徑前進。 將芯線26於一具有足夠直徑之線軸（未顯示）上提供給覆 . 層機30以防止芯線26彎曲超過該線之彈性限度。使用一具 有制動之供線系統以控制該線軸上之芯線26的張力。芯線 26之張力維持在足以防止芯線26之線軸鬆開的最小水平。 4線26在穿過該設備之前一般不經預熱，儘管於某些實施 例中希望進行預熱。視情況而定，芯線26可於覆層之前使 用下文類似於對給料2 8所述之方法進行清潔。 可使芯線26在位於擠出輪34上或與其相鄰之模瓦32上穿 過覆層機30。模瓦32之橫截面細節於圖3中提供。模瓦32含 有一入口導向模38、沖模腔％及一出口擠出模4〇。芯線％ 藉由進入入口導向模38、通過沖模腔36(其中發生覆層）、且 ^ 於出口擠出模40退出而直接通過模瓦32(意即，擠出加工）。 出口模40大於芯線26以容納覆層厚度卜Mccw 26在退出模 瓦32之遠端後與一卷取機（未顯示）相連接。 在引入覆層機30之前’視情況清潔用於韌性金屬覆層之 給料28以除去表面污染物。一種適宜之清潔方法為購自 BWE Ltd之parorbital清潔系統。其使用弱鹼性清潔溶液 (例如，氫氧化鈉稀釋水溶液）、隨後酸中和劑（例如溶於水 溶液中之稀乙酸或其他有機酸）、且最終進行水沖洗。於 Parorbhal系統中，清潔液是熱的且沿於該液體中被攪動的 988l2.doc 丄项272 線高速流動。超音波清潔伴隨化學清潔亦適宜。 - 覆層機30之操作如下文參考圖2與3所述’且一般以一連 . 續過程運行。首先，芯線26可如上所述穿過覆層機3(^將 , 給料28(於某些實施例中為兩桿）引入至一旋轉擠出輪34,該 擠出輪於某些實施例中在外周含有雙槽42。各槽42接受一 • 桿給料2 8。 ‘ 擠出輪34旋轉，從而迫使給料28進入沖模腔36中。擠出 ^ 輪34之運動提供充足壓力，與沖模腔36之熱量組合以塑化 給料28〇沖模腔36中之饋入材料的溫度通常低於該材料之 熔融溫度《將材料熱加工以使其在一允許變形過程中發生 重結晶之溫度及應變速率下塑性變形。藉由保持饋入材料 溫度低於熔點，自給料28形成之覆層22比給料28於熔融形 !·、下施用之丨月況具有更大硬度。例如，用於具有約之 熔點的鋁給料之溫度一般為約5 〇〇〇c之溫度。 給料28於芯線26之兩侧進入沖模腔36以幫助平衡給料28 % 在芯線26周圍的壓力及流速。由模瓦32使給料28重新定向 及變形，擠出輪34之運動將沖模腔36中填充以塑性給料 28。覆層機30於模瓦32中具有範圍為14·4〇 kg/mm2之一般 操作壓力。為了芯線26之成功覆層，模瓦32中之壓力通常 應接近操作範圍之低端且於操作過程中藉由調節擠出輪B 之速率而定製。調節輪34之速率直至沖模腔36_之條件達 到塑化化給料28擠壓出芯線26周圍之出口模4〇,而未達到 可旎發生破壞芯線26之壓力。（若輪速過低，則給料不播出 出口模40或自出口模40擠出之給料28未將芯線26經由出口 98812.doc • 11 · 1336272 模40推出。若輪速過高，芯線26將被剪切及剪斷）。 . 另外’通常控制沖模腔36中之溫度及壓力以使覆層材料 · (塑化化給料28)與芯線26黏結，同時亦足夠低以防止對更脆 • 弱之芯線26造成損傷。平衡給料28進入沖模腔3 6之壓力以 便將芯線26置於塑化化給料28之中心亦為有利。藉由將芯 . 線26置於沖模腔36内之中心，塑化化給料28形成一芯線26 . 之同心環面。 • -MCCW 20退出覆層機30之線速實例為約50 m/min。由 於擠出之給料28推動芯線26隨其穿過覆層機3〇，通常卷取 機收集產物（意即，MCCW 20)不需要且不提供張力。退出 該機器之後，使MCCW 20穿過水槽（未顯示）以進行冷卻， 且隨後將其纏繞於一卷取機上。 覆層材料 金屬覆層22可包括任何顯示延展性之金屬或金屬合金。 於某些實施例中，金屬覆層22係選自包括金屬合金之韌性 % 金屬材料，該金屬材料不與芯線％之材料組份（意即，纖維 與基質材料）發生顯著化學反應。 用於金屬覆層22之示範性韌性金屬材料包括鋁、鋅、錫、 鎂、銅、及其合金（例如，鋁與銅之合金）。於某些實施例中， 金屬覆層22包括鋁及其合金。對於某些實施例中之鋁覆層 材料，制22包含至少99_5重量％之紹。於某些實施例中， 可用之合金為 1000、2000、3000、4000、5〇〇〇、6〇〇〇、7〇〇〇、 及8000系列銘合金（铭業協會命名⑷uminum Ass〇c㈣如 designations))。適宜之金屬可市售。例如，鋁與鋁合金可 98812.doc -12- 1336272 購自（例如）Alcoa(Pittsburgh, PA)。例如，鋅與錫可購自Metal Services，St. Paul，MN("純鋅"純度為 99.999%且·•純錫"純度 為99.95%)。例如，鎂可以商品名"pure"購自英國曼徹斯特
MagnesiumElektron。鎂合金（例如 WE43A、EZ33A、AZ81A 及ZE41A)可獲自（例如）ΤΙΜΕΤ，Denver，CO。銅及其合金可 購自 South "Wirefarrollton, GA) 〇
可於芯線26上形成MCCW 20，該芯線經常包括至少一個 包含複數根連續性、縱向置放之纖維的纖維束，諸如壓縮 入包括一或多種金屬（例如，高純度（例如大於99·95〇/〇)元素 在呂或純铭與諸如銅之其他元素的合金）之基質内的陶瓷（如 基於鋁）增強纖維。於某些實施例中，金屬基複合線26中至 少85數目％(於某些實施例中，至少、或甚至至少95〇/〇) 之纖維是連續性的。以下描述對適用於本發明iMCCW2〇 中之金屬基複合線26的纖維與基質之選擇。 纖維 用於製造適用於本發明之MCCW 20中之金屬基複合物體 26的纖維包括：陶瓷纖維，諸如金屬氧化物（例如氧化鋁） 纖維、硼纖維、氮化硼纖維、碳纖維、碳化矽纖維、及任 何此等纖維之組合》通常陶瓷氧化物纖維為晶體陶瓷及/或 晶體陶瓷與玻璃之混合物（意即，一根纖維可同時含有晶體 陶瓷相與玻璃相）。通常此意謂該纖維具有一至少1χΐ〇5(於 某些實施例中，至少1χ1〇6、或甚至至少1χ1〇7)之縱橫比（即 纖維之長度與纖維之平均直徑之比率）。通常料纖維具有 約50米之長度，且可甚至具有約幾千米或更長之長度。通 98812.doc
常連續性增強纖維具有至少5微米之平均纖維直徑至近似 不大於5G微米之平均纖維直徑。更通常平均纖維直徑不大 於25微米，最通常在8微米至2〇微米之範圍内。 於某些實施例中，陶瓷纖維具有至少】4必、至少】7 GPa、至彡21 Gpa、且或甚至至少2 8 Gpa之平均抗張強度。 某些實施例中，碳纖維具有至少1.4GPa、至少2.1GPa、至 〆3.5 GPa、且或甚至至少5 5 (^^之平均抗張強度。於某些 實施例中，陶究纖維具有大於70 GPa至近似不大於1〇〇〇 GPa、或甚至不大於42〇 Gpa之模數。測試抗張強度及模數 之方法於實例中給出。 於某些實施例中，至少部分用於製造芯線26之連續性纖 維是成束的。纖維束於纖維技術中為人所知且係指複數根 以類似粗紗形式集合之（獨立）纖維（通常至少1〇〇根纖維、更 通常至少400根纖維）。於某些實施例中，纖維束包含每根 纖維束至少780根獨立纖維，且於某些狀況下，每個纖維束 至少2600根獨立纖維。陶瓷纖維之纖維束可提供多種長 度’包括 300米、500米、750米、1〇〇〇米、15〇〇米、175〇米、 及更長。該等纖維可具有圓形或橢圓形之橫截面形狀。 氧化紹纖維例如描述於美國專利第4,954,462號（Wood等 人）及第5,185，29说（Wood等人）中。於某些實施例中’氧化 铭纖維為多晶α氧化铭纖維且包含基於理論氧化物以氧化 铭纖維之總重量計大於99重量％之Α12〇3與0.2-0.5重量％之 Si〇2。於另一態樣中，某些所要多晶、α氧化鋁纖維包含具 有小於1微米（或甚至於某些實施例中小於〇·5微米）之平均 98812.doc -14· 1336272 晶粒尺寸的α氧化鋁。於另一態樣中，某些實施例中多晶、 α氧化鋁纖維具有至少1.6 GPa(於某些實施例中，至少2.1 GPa、或甚至至少2.8 GPa)之抗張強度》示範性α氧化鋁纖 維由314公司（St. Paul，ΜΝ)出售，商品名為"NEXTEL 610" » 鋁矽酸鹽纖維例如描述於美國專利第4,047,965號（Karst 等人）中。示範性鋁矽酸鹽纖維由3M&司（St. Paul，MN)出 售，商品名為"NEXTEL 440"、"NEXTEL 550"、及"NEXTEL 720"。
鋁硼矽酸鹽纖維例如描述於美國專利第3,795,524號 (Sowman)中。示範性銘蝴石夕酸鹽纖維由3M公司出售，商品 名為"NEXTEL 312"。 示範性棚纖維可例如購自Textron Specialty Fibers, Inc.(Lowell, ΜΑ)。 氮化硼纖維可例如按美國專利第3,429,7220號（Economy) 及第5,780，154號（Okano等人）中所述而製備。
示範性碳化石夕纖維（例如）由COI Ceramics(San Diego，CA) 出售 '商品名為"NICALON"，500根纖維為一纖維束；購自 日本Ube Industries，商品名為"TYRANNO";及購自Dow Corning(Midland，MI)，商品名為"SYLRAMIC"。 示範性碳纖維（例如）由 Amoco Chemicals(Alpharetta，GA) 出售、商品名為"THORNEL CARBON"，2000、4000、5000、 12,000根纖維為一纖維束；Hexcel Corporation(Stamford, CT);賭自 Grafil, Inc.(Sacramento, CA)(Mitsubishi Rayon Co 之子公司）’商品名為"PYROFIL";購自日本東京之Toray， 98812.doc •15- ⑧ 1336272 商品名為"TORAYCA";賭自 Toho Rayon of Japan，Ltd.，商 品名為"BESFIGHT";講自 Zoltek Corporation(St. Louis， MO)，商品名為"PANEX"及"PYRON";及購自 Inco Special Products(Wyckoff，NJ)(錄塗覆之碳纖維），商品名為"12K20" 及"12K50'、
示範性石墨纖維（例如）由BP Amoco(Alpharetta，GA)出 售，商品名為"T-300"，1000、3000及6000根纖維為一纖維 束0 示範性碳化石夕纖維（例如）由COI Ceramics(San Diego，CA) 出售，商品名為"NICALON"，500根纖維為一纖維束；購自 日本Ube Industries，商品名為"TYRANNO";及購自Dow Corning(Midland，MI)，商品名為"SYLRAMIC"。
市售纖維通常包括製造過程中添加於該纖維中之有機漿 料以提供光滑度且於處理過程中保護纖維繩股。可例如藉 由將漿料溶解或自纖維燃燒分離而將其除去。通常希望在 形成金屬基複合線26之前除去漿料。 該等纖維可具有用於（例如）增強纖維可濕性的塗層以減 少或防止纖維與熔融金屬基材料間的反應。該等塗層與用 於提供該等塗層之技術在纖維及金屬基複合物技術中為已 知的。 基質 通常對金屬基複合線26之金屬基進行選擇以使得該基質 材料不與纖維材料產生顯著化學反應（意即，對於纖維材料 為相對化學惰性），以（例如）消除在纖維外表面提供一保護 98812.doc •16- ⑧ 1336272
塗層之需要。針對基質材料所選擇之金屬不需為與覆層22 相同之材料，但不應與覆層22產生顯著化學反應。示範性 金屬基質材料包括鋁、鋅、錫、鎂、銅及其合金（例如，鋁 與銅之合金）。於某些實施例中，基質材料理想地包括鋁及 其合金"
於某些實施例中，金屬基質包含至少9 8重量％之鋁、至 少99重量％之鋁、大於99.9重量％之鋁、或甚至大於99.95 重量％之鋁。示範性鋁與銅之鋁合金包含至少98重量％之A1 與高至2重量％之Cu。於某些實施例中，可用之合金為 1000、2000 ' 3000、4000 ' 5000 ' 6000、7000及/或 8000系 列之鋁合金（鋁業協會命名）。儘管傾向於希望以更高純度金 屬製造更高抗張強度之線，但亦可用更低純度形態之金屬。
適宜之金屬可市售賭得。例如，銘可購自Alcoa(Pittsburgh, PA)，商品名為"SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% A1”。鋁 合金（例如，A1-2重量％Cu(0.03重量％雜質））可購自（例 如）Belmont Metals，New York, NY。鋅與錫可購自（例 如）Metal Services, St. Paul，MN("純鋅"；99.999%純度與" 純錫"；99.95%純度）。例如，鎂可購自英國曼徹斯特 Magnesium Elektron，商品名為”PURE"。鎮合金（例如， WE43A、EZ33A、AZ81A及 ZE41A)可購自（例如）TIMET， Denver, CO。 適於本發明之MCCW 20之金屬基複合線26包括彼等包含 基於纖維與基質材料之總組合體積至少1 5體積％(於某些實 施例中，至少20、25、30、35、40、45、或甚至50體積％) 98812.doc 17 1336272 之纖維。通常用於本發明之方法中的芯線26包含基於纖維 與基質材料之總組合體積（意即，獨立於覆層）請至7〇(於 某些實施例中’ 45至65)體積％範圍内之纖維。 芯線26之平均直徑通常在約〇.〇7毫米（〇〇〇3英忖）至約η 匪(〇·13英对)之間。於某些實施例中，所要芯線％之平均 直徑為至少1，、至少一、或甚至高至近似2.0 mm(0.08英叶）。 製造芯線 通常連續性芯線26可（例如）藉由連續性金屬基滲透法而 製造。-種適宜之方法描述於（例如）美目專利第MM，· 號（Carpenter等人）中。 % 圖4中顯示一用於製造本發明之MM(：w 2〇中所用之連續 性金屬基線26的示範性裝置示意圖。連續性陶兗及/或碳纖 維44之纖維束自供線軸46供應且對準至一圓形束，且對於 陶究纖維’通過管式爐48時進行熱清潔。隨後將纖維料先 抽入真空腔50再使其進入含有金屬基材料之熔融體在 此亦稱為"炼融金屬"）之炼鋼52中。藉由履帶56自供線抽邾 拉出纖維。超音波探針58置於臨近該纖維之熔融體54中以 輔助熔融體54滲透入纖維束44。線26之熔融金屬於經由出 口模60退出熔鋼52後冷卻且固化，儘管某些冷卻可於線^ 完全退出熔鍋52之前進行。線26之冷卻係藉由衝擊線％之 氣流或液流62而增強。將線26收集於線軸64之上。 如上文所討論，熱清潔陶瓷纖維有助於除去或減少漿 料、吸附水、及其他可存在於纖維表面上之不穩定或揮發 98812.doc -18- 料之量。通*希望熱清洗該等陶瓷纖維直至該纖維表 面之碳含量低於22%之面積含量含量。通常管式爐54之溫 么為至乂300 c，更通常至少1〇〇〇£>c，於該溫度下歷時至少 邊杉儘g特殊溫度與時間可取決於（例如）所用特殊纖維之 清潔需要。 於某些實施例中，將纖維44於進入熔融體54之前抽出， 因為已觀察到使用該抽出易於減少或消除缺陷之形成，諸 如具有乾燥纖維之局部區域(意即，未滲透基質之纖維區 域）°通常於某些實施例中在不大於2()托不大於職不 ;托或甚至不大於〇·7托之真空中抽出纖維44。 示範之適且真空系統5 〇為一經定徑以匹配該纖維叢 =直徑的人口管^人口管可例如為—不銹鋼管或氧化 铭管’且通常至少長3G em —適宜之真空腔5()通常具有2 ⑽至20cm範圍内之直徑，及5cm至1〇〇咖範圍内之長度。 該真空泵之抽氣效率於某些實施例中為至少G.2至0.4立方 米/分鐘。將抽出之纖維44經由一穿入金屬浴之真空系統5〇 ^的管道插人至溶融體54中（意即，抽出之纖維料在引入溶 s體54時處於真空下），但該熔融體54通常處於大氣壓下。 該出口管之⑽基本上與纖维叢44之直徑匹配。將部分出 口管浸潰於熔融金屬中。於某些實施例中，將該管浸潰於 熔融金屬中G.5-5Cm。選擇在溶融金屬材料中穩定的管。通 常適宜之管實例包括氮化矽及氧化鋁管。
一般藉由使用超音波而加強熔化金屬 一振動喇叭58置於熔融金屬54中以 54滲透入纖維44。 使其極為接近纖維 988I2.doc •19· 1336272
44。於某些實施例中，纖維44位於該喇叭尖端之2.5 mm内 (於某些實施例中於1.5 mm内）。該喇叭尖端於某些實施例 中為鈮或鈮合金（諸如95重量％Nb-5重量％ Mo及91重量％ Nb-9重量％Mo)製成，且可獲自（例如）PMTI，Pittsburgh, PA »關於超音波在製造金屬基複合物技術之用途的額外細 節，例如參見美國專利第4,649,060(Ishikawa等人）、 4,779,563(Ishikawa 等人）、及 4,877,643(Ishikawa 等人）、 6，180,232(McCullough等人）、6,245,425(McCullough等人）、 6,336,495(McCullough 等人）、6,329,056(Deve 等人）、 6,344,270(McCullough等人）、6,447,927(McCullough等人）、 及6,460,597(McCullough等人）、6,485,796(Carpenter等人）、 6,544,645號（McCullough等人）；2000年7月14曰申請序列號 為09/6 16,741之美國專利申請案；及2002年1月24日公開之 PCT專利申請案’公開號WO 02/06550。
通常熔融金屬54於滲透過程中及/或滲透之前進行脫氣 (例如減少溶解於熔融金屬54中之氣體量（如氫氣））》用於對 熔融金屬54脫氣之技術在金屬加工技術中為人所熟知。對 熔融體54脫氣易於減少線中之氣孔。對於熔融鋁，熔融體 54之氫氣濃度於某些實施例中為小於0.2、0.15、或甚至小 於0.1立方公分公克鋁。 將出口模60進行配置以提供所要線直徑。通常希望具有 沿其長度圓度均一之線。出口模6〇之直徑通常略小於線26 之直徑。例如’用於含有50體積％氧化鋁纖維之鋁複合線 的氮化石夕出口模直徑比線26之直徑小3%。於某些實施例 98812.doc -20- ⑧ 1336272 中’雖然亦可使用其他材料，較理想為由氮化石夕製成出口 模60。其他於此項技術中已用作出口模之材料包括習知氧 化铭。然而申晴者已發現氮化石夕出口模之磨損顯著小於習 知氧化銘沖模’且因此更可詩提供尤其在較長之線長度 上該線之所要直徑及形狀。 通常將線26於退出出口模6〇之後藉由使漿線％與液體 (例如水）或氣體（例如氮氣、氬氣或空氣）62接觸而冷卻。該 冷卻有助於提供所要圓度及均一性特徵’及免除空隙。將 線26收集於線轴64上。 已知金屬基複合線中存在缺陷（諸如金屬間相；乾燥纖 維；（例如）收縮或内部氣體（例如氫氣或水蒸氣）空隙導致的 多孔性等等）可導致減少之特性（諸如線2〇之強度）。因此， 希望減少或最小化該等特徵之存在。 覆有金屬之金屬基複合線（MCCW) 本發明之覆層方法產生示範性覆有金屬之金屬基複合線 2 〇 ’其與未覆層線2 6相比較顯示出改進之特性。對於具有 大體上圓形橫截面形狀之芯線26，所得之線的橫截面形狀 通常不是精確的圓形。本發明之覆層方法補償不規則形狀 之芯線26以生成相對圓形之覆有金屬之產物（意即，MCCW 2〇)»覆層22之厚度ί可改變以補償芯線26形狀之不一致性且 該方法將芯線26置於中心，從而改良規格及公差，諸如 MCCW 20之直徑及圓度。於某些實施例中，根據本發明之 具有大體上圓形橫截面形狀之MCCW 20的平均直徑為至少 1 mm、至少 1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、或甚至 3.5 mm。 98812.doc 21 1336272
MCCW 20之最小與最大直徑之比率（參見圓度值測試，其 中一精確圓線值為1)通常在至少100米之MCCW 20長度上 為至少0.9，在某些實施例中至少0.92、至少0.95、至少0.97、 至少0.98、或甚至至少0.99。圓度均一性（參見下文圓度均 一性測試）通常在至少1〇〇米之MCCW 20長度上不大於 0.9%，於某些實施例中不大於0.5%及不大於0.3%。直徑均 一性（參見直徑均一性測試）通常在至少1 〇〇米之MCCW 20 長度上不大於0.2% » 當施加張力中發生初始失效時，由本發明之方法所製造 之MCCW 20理想地抵抗諸如進行微彎折及一般彎折之二次 失效模式。MCCW 20之金屬覆層22起到防止金屬基複合線 26之快速回縮且抑制初始失效過程中或其後引起二次失效 之壓縮性衝擊波的作用。金屬覆層22塑性變形且緩衝芯線 26之快速回縮。當希望mccw 20顯示對二次失效之抑制 時’將希望金屬覆層22具有充足厚度/以吸收及抑制壓縮性 衝擊波。對於一具有0.07 mm至3.3 mm間之近似直徑的芯線 26 ’覆層厚度ί將希望在自0.2 mm至6 mm之範圍内，或更希 望在0.5 mm至3 mm之範圍内。例如，具有近似〇 7 mm之近 似壁厚ί之金屬覆層22適於一具有標稱為2.i mm直徑之鋁 複合線26,藉此形成一具有3.5 mm(0.14英吋）之MCCW 20。 根據本發明製造之MCCW 20亦希望顯示塑性變形之能 力。習知金屬基複合線通常顯示彈性彎曲模式且不顯示出 塑性變形亦未經歷材料失效。有益的是，本發明之Mccw 2〇 在彎曲且隨後釋放時保持一定彎曲量（意即塑性變形"塑性 98812.doc •22· 1336272
變形之月b力可用於將複數根線絞纟或卷成一冑窥之應用 中MCCW 20可被製成電境且將保持彎曲結構而無需諸如 膠帶或黏合劑之額外保持構件。當希望MCCW 2〇採取永久 變形（恩即塑性變形）時，覆層22將具有足以對抗芯線％回復 至初始（未彎曲）狀態之反彈力的厚度丨。對於具有〇 〇7至 3.3 mm之近似直徑的芯線26 ,覆層厚度〖將希望在〇 $爪爪至 、”勺3 mm之範圍内。例如，一具有約〇 7出瓜之大約層厚度， 之金屬覆層22適宜於具有標稱為21爪爪直徑之鋁複合線 26’藉此形成具有3.5 mm(014英吋）之MCcw 20。 根據本發明之方法製造之MCCW20長度為至少100米、至 乂 200米、至少3〇〇米、至少4〇〇米、至少5〇〇米、至少6〇〇米、 至少700米、至少800米、或甚至至少900米。 覆有金屬之金屬基複合線之電纜 根據本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線可用於包括 架空電力傳輸電纜之多種應用中》
包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線的電纜 可如圖7為均質的（意即，僅包括諸如MCCW 20之線）、或諸 如於圖5與6中為非均質的（即包括複數根二級線，諸如金屬 線）。一非均質電纜之實例為該電纜芯可包括複數根根據本 發明製造之覆有金屬之金屬基複合線’其具有一包括複數 根二級線（例如紹線）之外殼，例如圖5中所示。 可將包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線的 電境進行絞合。絞合電纜通常包括一中心線及圍繞該中心 線螺旋形絞合之第一層線。大體上’電纜絞合為一其中將 98812.doc -23- ⑧ 1336272 單獨股線組合成螺旋排列以製成一成品電纜的加工過程 (例如參見美國專利第5,171,942號（Powers)及第5,554,826號 (Gentry))。所得螺旋絞合之線繩提供之可撓性遠遠大於具 有相等橫截面積之固體桿可獲得者。亦有益為螺旋排列， 因為絞合電欖在處理、安裝及使用中經受彎曲時保持其整 體圓形橫截面形狀。螺旋纏繞之電纜可包括少至3個獨立股 至更一般含有50或更多股之構造。
圖5中顯示一包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基 複合線的示範性電纜，其中電纜66可為一包含複數根獨立 覆有金屬之複合金屬基線7〇之電纜芯68，該基線由複數根 獨立銘或紹合金線74之護套72圍繞。任何適宜數目之覆有 金屬之金屬基複合線7〇可包括於任何層内。另外，線型（例 如覆有金屬之金屬基複合線及金屬線）可混合於任何層或 電纜中。此外，若需要則可在絞合電纜66中包括多於兩層。 作為許多選擇之一種，電纜76如圖6所示可為一具有複數根 獨立金屬線80之電纜中心78，該等金屬線係由多根獨立覆 有金屬之金屬基複合線84之護套82所圍繞。獨立電纜可組 合成線繩結構，例如一包含絞合至一起之7根電纜的線繩。 圖7說明本發明之絞合電纜86的另一實施例。於該實施例 中，该絞合電纜為均質的，以使得電纜中之所有線為根據 本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線88»可包括任何適 宜數目之覆有金屬之金屬基複合線88。 包含根據本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線之電纜 可用作裸電纜或其可用作具有更大直徑之電纜的電纜芯。 98812.doc •24· 亦及，包冬太双n口 3冬發明之覆有金屬之金屬基複合線的電纜可為 在〃周圍具有保持構件之複數根線的絞合電纜。該保持構 件可例如兔1 & 与具有或不具有黏合劑之帶狀外包裝、或膠著劑。 匕s本發明之覆有金屬之金屬基複合線的絞合電纜可用 於眾夕應用中。據信該等絞合電纜由於其對相對低重量、 回強度、良好電導率、低熱膨脹係數、高使用溫度、及抗 腐飯性之組合而尤其為架空電力傳輸電纜所需要。 關於覆層之金屬基複合線之額外細節可於例如2〇〇4年2 月13日申請之具有美國序列號第1〇/779438號的同在申請 中之申請案中發現。本發明之優勢及實施例由下列實例進 一步說明’但該等實例中列舉之特殊材料及其量以及其他 條件及細節不應詮釋為過度限制本發明。除非另作說明， 否則所有分數及百分數為重量0/〇。 實例 測試方法 線抗張強度 基本上如ASTM E345-93中所述，使用一裝配有一機械校 準器（以商品名"INSTRON"購得；型號8000-072,購自Instron c〇rp.)的張力測試機（以商品名”INSTRON”購得；8562型測 試機，購自 Instron Corp.，Canton，ΜA)測定 MCCW 20之抗張 特性’其由一資料捕獲系統（以商品名"INSTRON"獲得；型 號 8000-074，購自 Instron Corp·)驅動。 使用兩種不同標準距離執行測試；一種為5 cm(i.5英忖） 且另一種為63 cm(25英吋）之標準距離樣品，其於該線之末 98812.doc -25· 1336272 端配有1018個低碳鋼管接頭以允許測試裝置之安全夾扣。 該線樣品之實際長度比樣品標準距離長2〇 crn(8英吋）以容 納楔形夾之安裝。對於具有2.06 mm(0.081英吋）或更小直徑 的覆有金屬之金屬基複合線，該等管長度為15 cm(6英吋）， OD(即外徑）為6.35 mm(〇 25英吋）且1〇(即内徑）為2 9 3 2 mm(0.U至〇.13英吋）。與〇D應盡可能同轴。對於具有3.45 mm(0.14英吋）之直徑的覆有金屬之金屬基複合線，該等管
長度為15 cm(6英吋），〇D(即外徑）為7.9 mm(0.31英吋）且 ID(即内徑）為4.7 mm(〇187英吋）。該等鋼管及線樣品以酒 精清洗且自該線樣品之各端標記出一丨〇 cm(4英吋）之距離 以允許適當安置夾管從而獲得5 0 cm(2英吋）或25 cm(9 8英 吋）之所要標準距離y吏用一配有一塑料噴嘴（購自Technical Resin Packaging，Inc·)之密封劑喷搶（以商品名"SEMC〇"獲 得 250型，購自 Technical Resin Packaging, Inc.，Brooklyn
Center，MN)以環氧樹脂黏合劑（以商品名"Sc〇tch weld
2214 HI FLEX獲得，一種高延展性黏合劑，以料號 62-3403-2930-9購自3M公司）填充各夾緊管之孔。自管中除 去過量之環氧樹脂且將線插入該管内至線上之標記處。一 旦將該線插人該夾管向該管内再注人環氧樹脂，同時維持 該線在適當位置以保證管内充滿樹脂。(將樹脂回灌至管内 直至環氧樹脂於標準距離之底部剛好沿該線周圍擠出，同 時保持《亥線於適當位置；)。當兩個夾管均適當安置於線上 時將樣时置放入一接頭校準器中，該校準器在環氧樹脂 固化週期過程中保持央管與線適當同軸對準。隨後將該總 98812.doc -26 - 1336272 成置於一固化爐内維持在150°C下歷時90分鐘以固化環氧 樹脂。 使用該測試框上之機械校準器將測試框小心定位於 Instron測試機中以達到所要定位。測試過程中藉由鋸齒狀 V-槽水壓口使用近似1417 MPa(2 2.5 ksi)之機械箝位壓力 僅夾緊該夾緊管之外部5 cm(2英吋）。
於一位置控制模式中使用〇 〇1 cm/cm(0 01英吋/英吋）之 應變速率。使用一動力應變標準伸長計（以商品名 "INSTR〇N"獲得’型號2620-824，購自 Instron Corp.)監控 該應變。伸長計刀口間之距離為丨27 cni(〇 5英吋）且量規置 於標準距離之中心且以橡皮帶加固。於沿線之3個位置使用 測微計量測或由量測橫截面積且計算有效直徑以得到相同 杈截面積而測定該線直徑。抗張測試之輸出提供樣品之失 效負何、抗張強度、抗張模數、及失效應變的資料。測試
十份樣品’從中可計算出平均值、標準偏差及變化係數。 纖維強度 使用一拉伸測試機（以商品名"INSTRON 4201"購自
Instron Corp. Canton，MA)、及於ASTM D 3379-75 中所述之 測試（高模數單-長絲材料之抗張強度及楊氏（Y〇ung，s)模數 標準測試方法）而量測纖維強度。樣品標準距離為25 4 mm。 英时）’且應變速率為0.02 mm/mm。為確定一纖維束的抗張 強度，自一纖維之纖維束中隨機選出十根單一纖維長絲且 測試各長絲以確定其斷裂負荷。
使用一附件在光學顯微鏡（以商品名"DOLAN-JENNER 98812.doc •27. 1336272 MEASURE-RITE VIDEO MICROMETER SYSTEM"市售， M25-0002型，講自 Dolan-Jenner Industries, Inc.(Lawrence， MA))以1 〇〇〇X放大倍率目測纖維直徑。該裝置以一校準階 段測微計使用反射光觀測。各獨立長絲之斷裂壓力按每單 位面積負荷之方式計算。 熱膨脹係數（CTE)
根據1995年出版之ASTM E-228而量測CTE。於一膨脹計 (以商品名"UNITHERM 1091"獲得）上使用5.1 cm(2英吋）之 線長進行工作。使用一儀器固定包含兩個鋁圓枉體的樣 品，該等鋁圓柱體具有鑽入6.4 mm(0.25英吋）内徑之10.7 mm(0_42英吋）外徑。該樣品由定位螺絲於每一側夾住。自 各定位螺絲之中心量測樣品長度。對各溫度範圍以標準與 技術國際協會（NIST)鑑定之熔融二氧化矽校準參考樣品 (以商品名"Fused Silica"購自 NIST(Washington，DC))執行至 少兩次校準。於實驗室空氣氣氛中以5 °C之加熱斜率經-75°C 至5 0 0 C之溫度範圍測試樣品。測試之輸出為一組於加熱過 程中每5〇°C或冷卻期間每1 〇。〇收集之尺寸膨脹對溫度之資 料。由於CTE為膨脹隨溫度之變化速率，資料需要進行處 理以得到CTE之值。使用繪圖軟體包（以商品名，，EXCEL"購 自Microsoft，Redmond，WA)繪製膨脹對溫度之資料。使用 軟體可獲得之標準擬合函數使該等資料擬合為二階冪函數 以得到一曲線等式。計算該等式之導數，得到一線性函數。 該等式代表了隨溫度膨脹之變化速率。該函數在所討論之 溫度範圍（例如’ -75-500。〇作圖得到（：丁£對溫度之圖形表 98812.doc -28· 1336272 示。亦使用該等式獲得於任何溫度下之瞬時CTE。 假定 CTE 根據等式 acl=[EfafVf+Emam(l-Vf)]/(EfVf+ Em(l-Vf))而變化，其中：Vf=纖維體積含量、Ef=纖維抗張 模數、Em=基質抗張模數（就地）、ote丨=於縱向方向之複合物 CTE、af=纖維 CTE、且 am=基質 CTE。 直徑
藉由沿線之四個點上取得測微計讀數而量測線直徑。通 常該線不是精確圓形且因此存在長及短態樣。藉由旋轉該 線取得該等讀數以保證長與短態樣皆得到量測。以長與短 態樣平均值之方式記錄直徑。 纖維體積含量
藉由標準金相學技術量測纖維體積含量。將線之橫截面 磨光且藉由使用密度分佈函數在稱為NIH IMAGE(1.61版） 之計算機程式幫助下量測了線體積含量，該程式係為一由 美國國家健康研究所之研究服務分支機搆研發之公眾領域 圖像處理程式。該軟體量測了該線之代表性區域的平均灰 度強度。 將一條線埋在鑲埋樹脂（以商品名"EPOXICURE"賭自 Buehler Inc., Lake Bluff, IL)内。使用一習知研磨機或拋光 機（購自Struers，West Lake, 0H)及習知鑽石液，最終拋光步 驟使用1微米鑽石液（以商品名"DIAMOND SPRAY”購自 Struers)對所鑲埋的線進行拋光以得到該線之拋光橫截 面。於150X拍攝經拋光之線橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM) 顯微照片。當拍攝SEM顯微照片時，調節影像之臨限值位 98812.doc •29- 1336272 準使所有纖維處於零強度以生成一二進位影像。以NIH IMAGE軟體分析S£M顯微照片及藉由將二進位影像之平均 強度除以最大亮度而得到纖維體積含量。據信該方法測定 纖維體積含量之精確度為+/-2°/〇。 圓度值 圓度值為線之橫截面形狀與圓接近程度之量度，其係由
一特定長度上之單一圓度平均值而定義。使用一旋轉雷射 測微計（以商品名"ODAC 30j r〇TATing laser MICROMETER"購自 Zumbach Electronics Corp” Mount
Kisc〇，NY ;軟體："uSYS-100"、BARU13A3版）如下文所述 測定用於計算平均值之單一圓度俾，該測微計經設置成記 錄每180度之旋轉過程中每100 msec之線直徑。每掃過18〇
度用10秒鐘完成。該測微計將來自每個180度旋轉之資料圮 錄發送至一處理資料庫。該記錄含有旋轉週期中收集之1〇〇 '資料點之最小值、最大值、及平均值。線速為Μ米/分鐘 (5央尺/为鐘）。"單一圓度值••為旋轉週期中收集之個資 料點之最小直徑與最大直徑之比率。該圓度值隨後為一特 定長度上所量測之單-圓度值之平均值。單— 100個資料點之平均值。 二為 圓度均一值 圓度均一值為一 數，其為所測單一 平均值之比率。根 特定長度上所量測之單一圓纟值變化係 圓度值之標準偏差除以所測單__圓度值 據下式確定標準偏差： 98812.doc •30- 1336272 標準偏差=卜 :中η為總體樣品之數目(意即對於計 :值=測單-圓度值的標準偏差，_特定 直徑均-值之所測單1度值的標 之單一圓度值)，測定平均值之所: 圓度值可如上文對於圓度值之描述得到。 直徑均一值 直徑均一值為一特定長度上所測之單一 係數’其係、由所測單—平均鮮 私直徑的變化 卞7直仫之軚準偏差除以所測單一 平均直徑之平均值的比率所定義。所測單—平均直徑為如 上文對於圓度值之描述而獲得的⑽個資料點之平均值。使 用等式（1)計算該標準偏差。 實例1 使用34束1500旦尼爾（denier)"NEXTEL 61〇"氧化鋁陶瓷 纖維製造了-喊複合線4束含有約4爾纖維。該等纖 維檢截面實質上為圓形且具有範圍在大約平均微米 之直δ亥等纖維之平均抗張強度（如上述所量測）範圍為 276-3.1^GPa(400-520 ksi)。獨立之纖維具有範圍為 2 〇6_4 82 GPa (300-700 ksi)之強度。將該等纖維（以多束之形式）經由 熔融體表面饋入至鋁熔融浴中’在2個石墨滾筒下以水平面 通過、且隨後於45度經由熔融體表面自該熔融體（其中放置 一模體）收回，且隨後進給至一卷帶軸上（例如，如美國專利 98812.doc •31· 0^ 1336272 第6,336,495號（McCullough等人）中所述，圖i)。將鋁（構自 Belmont Metals，New York，NY之 >99.95% 的鋁）溶融於—具 有 24.1 cmx31.3 cmx31.8 cm (9.5"xl2.5"xl2.5")尺寸之氧 化鋁炫銷（購自 Vesuvius McDaniel(Beaver Falls，Pa.))中。炫
融鋁之溫度將近為72(TC。將95%鈮與5%鉬之合金（構自 PMTI Inc.(Large，PA))被定型成一具有 12.7 cm(5 英吋）長 X
2.5 cm(l英吋）直徑尺寸之圓柱體。該圓柱體藉由調至所要 振動（意即藉由改變長度調諧）、至20.06-20.4 kHz之振動頻 率而用作一超音波焊頭致動器。該致動器之振幅大於〇.〇〇2 cm(0.0008英吋）。將致動器之尖端平行引入該等滾筒間之纖 維’以使它們的間距為<2.54 mm(<0.1英对）。將該致動器與 一欽波導管連接’其又與該超音波傳導器連接。隨後以基 質材料滲透該寺纖維以形成具有相對均一之橫截面與直徑 之線。由該方法製得之線具有2.06 mm(0.081英吋）之直徑。
位於出口側之模體由氮化硼製成且向炫融體表面傾斜4 5 度並包含一孔，其具有一適合引入一具有0.05 cm(0.08英时） 内控之氧化鋁引線器之内徑。使用氧化鋁漿料將引線器膠 合於適當位置上。自沖模退出後，隨即將該線以氮氣冷卻 以防止損壞及燒壞推動該線及纖維經過該製程之橡膠驅動 滾筒。隨後將該線纏繞於帶凸緣的木製線軸上。 由橫截面之顯微照片（於2〇〇χ放大倍率）估計纖維之體積 百分數為約45體積％。 該線之抗張強度為 1.03-1.31 GPa( 150-190 ksi)。 室溫下之延長率為約0.7-0.8%。在拉伸測試過程中由一神 98812.doc
-32· 1336272 長計而量測延長率。 提供铭複合線（ACW)作為用於根據本發明之方法覆層之 芯線26(如圖1與2中）。其提供於一 36英吋〇D、3〇英吋1〇、3 英吋寬之線軸上，且該線軸置於供線系統上。使用一制動 系統保持ACW 26之張力最小，以使得該張力剛好足以防止 鋁複合線之線軸鬆開。待覆層之ACW26未經表面清潔且未 經預熱即穿過覆層機30且連接至出口側之卷取機。
覆層機（350型，以商品名，，C〇NKLAD"由BWe Ud，
Ashford，England，UK出售）以切線模式運行（見圖2)，其顯 示產品中心線沿擠出輪34之切線運行。參考圖2，操作中鋁 給料28口(：137050;9.5 111111直徑標準桿，購自法國1^(^11^) 由兩個供線鼓（未顯示）供入旋轉擠出輪34(一雙槽標準無軸 輪）之外周槽42中。在使用前使用一標準par〇rMtai清潔系統 (BWE Ltd.研發）對給料鋁28進行表面清潔以除去表面氧化 物、薄膜、油類、油脂或任何形式之黏性表面污染物。
將ACW 26於模瓦32之入口模38處引入覆層機30。ACW 26直接穿過擠出工具（模瓦32)且再穿出出口擠出模4〇(見圖 3) ° /中模腔36為BWE 32型（購自英國Ashford之BWE Ltd)。 兩個鋁饋入桿於芯線26之兩側進入沖模腔36以均衡壓力與 金屬流。加熱沖模腔36以將鋁溫度控制在約5〇〇°C下。擠出 輪36之運動與由沖模腔36提供之熱量，將沖模腔％填充以 塑化化銘28。銘28圍繞ACW 26塑性流動且自出口模40流 出。出口模40比内徑為3.45 mm之ACW 26大以便容納覆層 厚度。 98812.doc 33- 1336272 調節擠出輪36之速率直至鋁擠壓出環繞於ACW 26之出 口模40,且腔室内之壓力足以引起覆層22與ACW 26之間一 定局部黏合。另外，擠出之鋁28推動芯線26穿過出口模40 以使收集MCCW 20產物之卷取機不施加張力。產物退出該 機器之線速為約50 m/min。退出該機器之後，將線經由水 槽冷卻，且隨後纏繞於卷取機上。製造了 一具有0.7 mm覆 層壁厚之覆層ACW樣品（3 04 m(1000 ft)長）。
MCCW 20含有標稱為2.05 mm(0.081英吋）直徑之ACW 26 與鋁覆層22以生成直徑為3.6 mm(0.150英吋）之MCCW 20。 ACW 26之不規則形狀受覆層22所補償以生成一極圓之產 物。MCCW 20之面積含量為33%ACW，67%鋁覆層。假定 ACW 26中為45%纖維體積含量，MCCW 20具有約15%之淨 纖維體積含量。 使用上述線抗張強度測試，測試了實例1中製造之線（3.8 cm(1.5英吋標準距離））： 實例1之MCCW 20 實例1之ACW 26 負荷=5080±53 N (1142±27 lbs) (COV=2.4°/〇) 應變=0·87±0·04% 模數=97.9 GPa (14·2±1·7 Msi) 強度=515 MPa (74.7±1·8 ksi) 10次測試 負荷=4199±151 N (944±34 lbs) (COV=3.6°/〇) 應變=0·75±0.05ο/〇 模數=不可用數據 強度=1260 MPa (183±7 ksi) 10次測試
測試來自實例1之MCCW 20以量測沿線轴方向之熱膨脹 係數（CTE)。圖8之CTE對溫度的曲線圖中說明該等結果。 CTE在-75°C至+5 00°C範圍之溫度下範圍為〜14-19 ppm/°C。 98812.doc -34· 1336272 測試實例1之MCCW 20的線圓度、圓度均一值、及直徑均 一值。 平均直徑=3.5 7 mm(0.141英时） 直徑均一值=0.12% 線圓度=0.9926 圓度均一值=0.29% 線長度=130 m (427 ft)
實例2 如實例1所述製造實例2，例外情況為將芯線％於插入入 口導向模38之前使用感應加熱加熱至3〇〇t (表面芯溫度）。 此得到304 m(1000 ft)長度及0.70 mm(0.03英对）覆層壁厚之 覆層線（MCCW 20) » 使用上述之線抗張強度測試，測試由實例2製造之線（63 5 cm(25英吋標準距離））：
實例2之MCCW 20 實例2之ACW 26 負荷=4888±107 N (1099±24 lbs) (COV=2.2°/〇) 應變=0·78±0.03% 模數= 108 GPa (15.6±1.8 Msi) 強度=499 MPa (72·4±1.6 ksi) 1 0次測試 負荷=4〇66±147 N (914±33 lbs) (C 0 V=3.6%) ^ 應變=0.66 土 0.05% 模數=223 GPa (32.3±1.5 Msi) 強度=1220 MPa (177±6 ksi) 10次測試 分析來自實例2之覆層線（MCCW 20)以測定鋁覆層之屈 服強度。實例2之覆層線的應力·應變行為曲線圖示於圖9 中。於0.04-0.06%之應變範圍内存在斜率變化，其與紹覆声 之屈服相關。芯線本身不顯示出該屈服行為。圖9顯示屈服 之發生開始於0.042%應變處。因此該屈服強度可為模數乘 98812.doc •35- 1336272 以屈服應變。純铭之抗張模數為69GPa(1〇Msi)。因此屈服 應力計算為 29.0 MPa(4.2 ksi) » - 對比實例1 使用上述線抗張強度測試來測試直徑為2.05 mm(0.081英 吋）之AMC芯線26(如實例1中所述製造）之張力失效。測試後 . 目視檢查記錄斷裂數目。在具有標準距離等於或長於38〇 • mm(15英吋）之線中觀察到多個斷裂。對於標準距離高至635 ^ mm(25英吋）之線斷裂數目通常在2至4範圍内。使用一高速 攝影機（由Kodak，Rochester，NY以商品名"K〇DAK"出售， KodakHRC 1000、5〇〇賴/秒；置於距樣品61 cm(2英尺）處 以為失效機制提供證明。錄像顯示各線中之損壞次序；初 始（第一）失效實際上為張性的，且所有隨後之失效（意即， 二次斷裂）顯示了如操作機理之一的通常壓縮彎曲。其他斷 裂表面之斷面顯微分析亦顯示出壓縮微彎曲為另一二次失 效機制。 _ 實例3 測試了覆以0.7 mm(0.03英吋）鋁覆層22的直徑為2 〇5 mm(〇.〇81英吋）之AMC芯線26(如實例1中所述）之張力失 效。覆層線（MCCW 20)具有635 mm(25英时）之標準距離。 該覆層線在一次張力失效後不顯示二次斷裂（失效負荷平 均為4900 N)。藉由再次夾緊斷裂線（MCCW 2〇)的更長區段 及再次測試其張力（標準距離仍大於38」cm〇5英吋））而驗 也無一次失效。經再次測試，覆層線2〇)展示了梢 大之失效負荷（〜5000 N)。此結果顯示了該覆層線中不存在 98Sl2.doc -36· 1336272 隱藏之二次斷裂點。負荷位移亦清晰地顯示了當初始杈伸 失效發生時銘覆層22之作用，如圖ίο之曲線圖所示。負荷 之突然下降與ACW26上之一次失效相關，然而，負荷不立 刻降至零；某些負荷由鋁覆層22承受，其如曲線圖之區域 中箭頭9 0所示伸長及緩衝該突然回縮。 弩曲保留度測試 . 弯曲保留度測試說明變形後由線所保持之彎曲量。若不 ^ 保持彎曲，則該線完全為彈性的。若保留一定彎曲量，該 線或至少部分該線塑性變形以至於保留彎曲形狀。—般在 低於受測試線之失效強度的彎曲角及力量下操作彎曲保留 度測試。 將一定長度之MCCW 20(如上所述）手工卷成一圓環以形 成如圖11之圖表中所示之捲繞樣品92。捲繞樣品92為一圓 周特定直徑在約20.3 cm(8英吋）至134.6 cm(53英吋）範圍内 之閉合圓。 | 對於各捲繞樣品92，量測捲繞樣品1 〇〇之弦£的長度。量 測一垂直於弦Z且自弦z t點至捲繞樣品92之邊緣的線段；; 之長度。根據等式2計算出各樣品之初始彎曲半徑，其 中 L。
=R (2) 實例4-3之L、y及R初始之值於下表1中給出。 98812.doc -37-
1336272 表1 接著釋放捲繞樣品92之末端且使覆層線（MCCW 20)鬆弛
至最終捲曲形態。在此經鬆弛之線上量測了尺寸γ·及L'且計 算出最終彎曲半徑Rs终。不同實例之結果示於下表2中。 表2 實例 L' cm(英吋） Y' cm(英吋） R初* cm(英吋） 4 124.46 (49.00) 26.19 (10.31) 87.04 (34.27) 5 126.52 (49.81) 23.98 (9.44) 95.43 (37.57) 6 88.27 (34.75) 23.29 (9.17) 53.47 (21.05) 7 1 16.21 (45.75) 31.70 (12.48) 69.09 (27.20) 8 48.90 (19.25) 10.01 (3.94) 32.33 (12.73) 9 85.73 (33.75) 25.10 (9.88) 49.15 (19.35) 10 93.98 (37.00) 19.05 (7.50) 67.49 (26.57) 11 47.96 (1 8.88) 10.80 (4.25) 32.03 (12.61) 12 49.53 (19.50) 9.22 (3.63) 37.87 (14.91) 13 48.67 (19.16) 10.01 (3.94) 34.59 (13.62) 圖12中以鬆弛半徑對彎曲半徑作圖。
——1例 L cm (英叫·） y cm (英叫) * cm (英时） --^4 91.29 (35.94) 42.62 (16.78) 45.75 (18.OH ---5 78.1 1 (30.75) 52.07 (20.50) 40.69 (16.02、 —~___6 29.85 (1 1.75) 4.67 (1.84) 26.16 (10.30) 1 14.63 (45.13) 32.39 (12.75) 66.90 (26.34、 ——_8 18.77 (7.39) 3.96 (1.56) 13.11 (5.16Ί ~~~_9 44.58 (1 7.55) 12.29 (4.84) 26.34 (10.37) ---10 69.85 (27.50) 31.75 (12.50) 35.08 (13.8Π ~~~_11 13.03 (5.13) 2.46 (0.97) 9.86 (3.88、 ---12 42.14 (16.59) 12.55 (4.94) 23.95 (9.43、 ~_13 28.91 (1 1.38) 11.40 (4.49) 14.86 (5.85、 使用内部半徑模型與塑膠鉸鏈模型兩個理論模型預測 MCCW維持13.0英吋（33.0 cm)之定位所需之覆層厚度。下列 計算確定環繞一具有半徑r之芯線的覆層必要厚度1，該厚度 對於維持MCC W之最終鬆他彎曲半徑p是必需的。該等模型 對於在覆層中之韌性金屬如何屈服有所不同。 中央芯線之彎矩為： 98812.doc -38 (3)1336272
實心圓形橫截面之面積彎矩&為. 其中r為芯線之半徑、E為芯線之彈性模數且 彎曲半徑。
(4) Ρ為MCCW之 内部半徑模型預測當於覆層内緣處覆層材料中之應力等 於覆層材料之屈服強度時出現該線之平衡狀態。即= 其中為覆層材料中之應力且y為覆層材料之屈服強度。 於此狀態中該線之彎矩Μ為：
r (5) 覆層之圓環的面積彎矩定義為：
第二模型塑膠鉸鏈模型使用以下等式： 平衡時之彎矩A定義為： MP =
aJzzP ⑺ 塑膠·欽鍵模型之面積彎矩為. n((r + t)4 -r4)
98812.doc -39- 1336272 將芯線之靑矩等於MCCr彎曲屈服力矩處之點確定為 該線經鬆弛之最終態。 對於内部半徑模型此發生於： (9) ^ = ml 對於塑膠鉸鏈模型此發生於： = Μ p
(10) 可將覆層厚度t作為芯線之半徑,、覆層材料屈服強度γ、 MCCW之彎曲半徑、及芯線之彈性模數的函數而對等式了與 8求解。 ' 下列實例使用下列參數：
芯線半控r=0.40英吋 芯線彈性模數E=24 MSI MCCW彎曲半徑英吋 覆層屈服應力π=9,000 ksi 給定所量測之線彎曲半徑（13.0英吋，33.〇 cm)及假定之 覆層材料屈服強度（9 ksi)(62 Mpa)而由此等參數求出覆層 厚度。 0 英D寸（cm) 0.030(0.076) 0.027(0.069) 0.030(0.076) 覆層厚度 計算值（内部半徑模型） 計算值（塑膠鉸鏈模型） 量測值 本發明之不同修正及變更對於熟習此項技術者 J α將顯 98812.doc • 40- 1336272 而易見’而無需背離本發明之範疇及精神，且應瞭解本發 明不應過度限制於本文所陳述之說明性實施例。 【圖式簡單說明】 圖1為一本發明之示範性覆有金屬之金屬基複合線的橫 截面示意圖。 圖2為一用於根據本發明製造覆有金屬之金屬基複合線 的不範性雙槽覆層機透視圖，該覆層機以切線模式運行。
圖3為一用於根據本發明製造覆有金屬之金屬基複合線 的覆層機中一示範性加工沖模排列之橫截面示意圏。 圖4為一用於根據本發明以熔融金屬滲透纖維之示範性 超音波裝置的示意圖。 圖5與6為兩個包含本發明之覆有金屬之金屬基複合線的 架空電力傳輸電纜之示範性實施例的橫截面示意圖。 圖7為一包含依照本發明製造之覆有金屬之金屬基複入 線的均質電纜橫截面示意圖。 土 °
圖8為一於實例1中製造之覆有金屬之金屬 膨脹係數曲線圖。 基複合線的熱 力 圖9為一於實例2中製造之覆有金屬之金屬基複合線的應 -應變行為曲線圖》 圖10為說明一實例3中製造之覆有金屬之金屬基複合線 的位移與回復之曲線圖。 圖11為一在彎曲保留度測試中使用之幾何構造示意圖。 圖12為一鬆弛半徑對彎曲半徑之示範性曲線 士曰4办丄 再說明 根據本發明製造之覆有金屬之金屬基複合線的塑性變形。 988l2.doc
•41 · 1336272 【主要元件符號說明】 20 覆有金屬之纖維增強之金屬基複合線，
MCCW 22 韌性金屬覆層，金屬覆層 24 外表面 26 金屬基複合線，芯線，MCCW，金屬基 複合物品，線
28 韌性金屬給料，鋁 30 覆層機 32 模瓦 34 擠出輪 36 沖模腔 38 入口導向模 40 出口擠出模，出口模 42 外周槽
44 陶瓷及/或碳纖維，纖維叢 46 供線軸 48 管式爐 50 真空腔 52 坩鍋 54 熔融體 56 履帶 58 超音波探針，振動喇"八 60 出口模 98812.doc -42· 1336272 64 66 68 70 、 84 、 88 72、82 74 76 78 80 86 92 線軸 電纜 電纜芯 覆有金屬之複合金屬基線 金屬基複合線 護套 鋁或鋁合金線 電纜 電繞中心 金屬線 絞合電纜 捲繞樣品 覆有金屬之
98812.doc -43·

Claims (1)

  1. 、申請專利範圍： 一種製造覆有金屬之金屬基複合線之方法，該方法包含： 移動一金屬基複合線穿過一腔室，該金屬基複合線具 有一外表面，該金屬基複合線包含： 至少一個纖維束，其中該纖維束包含複數根實質上 連續之纖維，其相對於彼此被縱向定向，該等纖維包 含陶瓷或碳中之至少一者；及 一金屬基’其中各纖維束係位於該金屬基内； 於該腔室内使韌性金屬與該金屬基複合線之外表面相 結合，同時保持該腔室内溫度低於該韌性金屬之熔點且 該腔室内之壓力足以塑化該韌性金屬；且 於有效地將該經結合之韌性金屬定形成覆蓋該金屬基 複η線外表面之金屬覆層的條件下，自該腔室内抽出具 有該經結合之韌性金屬的金屬基複合線以提供該覆有金 屬之金屬基複合線。 长項1之方法，其中該韌性金屬具有不高於1〇⑽ 熔點。 如β求項1之方法，其中該勒性金_且士丁 Α 。 初既备屬具有不高於700t之熔 鋅1項1之方法，其中該金屬基複合物之金屬包含紹 ’、鎮或其合金中之至少一種。 之方法其中該金屬基複合物之金屬包含鋁3 T之至少一種。 如請求項1之方法，苴中該金 /、 金屬基複合線包含基於該金屬 doc 線總體積之40至70體積。/。範圍内之纖維。 7.如請求項丨之 L ± 万法，其中至少85數目。/〇之該等纖維為實質 上連續性的。 8· 如請求項1 9如 方法’其中該等纖維為陶瓷氧化物纖維。 ,_ , 1之方法，其中該等纖維為多晶α氧化鋁基纖維。 如請求項9$ 士 4 ^ <万法’其中該等多晶α氧化鋁基纖維包含基 於個別纖維之她么s ▼之總金屬氧化物含量至少99重量。/。之A1203。 11 ·如請求項1 > +、 <万法’其中該韌性金屬係選自由鋁、鋅、錫、 鎂、鋼及其合金所組成之群。 如°月求項1之方法，其中該勃性金屬為铭。 • & Μ求項1之方法，其中該經結合之韌性金屬被構形成使 %•該細性金屬可同心地環繞該線。 14.如請求 9 j之方法，其中該勃性金屬以0.2 mm至6 mm範 圍内之厚度覆蓋於該金屬基複合線上。 15·如清求項13之方法，其中該韌性金屬以0.5 mm至3.0 mm 範圍内之厚度覆蓋於該金屬基複合線上。 16·如睛求項1之方法，其中該覆有金屬之金屬基複合線具有 在至少100米之長度上至少0.95的圓度值。 17·如請求項1之方法，其中該覆有金屬之金屬基複合線具有 在至少100米之長度上不大於0.5%之圓度均一值。 18. 如請求項1之方法，其中該覆有金屬之金屬基複合線具有 在至少100来之長度上不大於0.3%之直徑均一值。 19. 如請求項丨之方法，其中移動一金屬基複合線穿過一腔室 係沿—直線路逕自一腔室入口模至一腔室出口模。 98812.doc 1336272 20.種製造覆有金屬之金屬基複合線之方法，該方法包含： 提供一具有一外表面之金屬基複合線，該金屬基複合 線包含： 至少一個纖維束，其中該纖維束包含複數根實質上 連續之纖維，其相對於彼此被縱向定向，該等纖維包 含陶究或碳中之至少一種；及 一金屬基，其中各纖維束係位於該金屬基内； 使韌性金屬與該金屬基複合線之外表面相結合；且 在有效地將該經結合之韌性金屬定形成覆蓋該金屬基 複合線外表面之金屬t層的條件下，處理該經結合之勒 性金屬以提供覆有金屬之金屬基複合線，其中該金屬基 複合線以300米長之片段提供時顯示至少〇95之圓度值。 如-月求項20之方法，其中該韌性金屬具有不高於1〇〇〇。。 之熔點。 中該韌性金屬具有不高於70〇。〇
    z人如請求項20之方法 熔點。 23. 如清求項2〇之方法’其中該金屈 八T邊隹屬暴複合物包含鋁、 錫、鎂或其合金中之至少一種。 24. 如請求項20之方法，苴中 /、t該金屬基複合物包含 金中之至少一種。 25. 如請求項20之方法，其中該金 之總體積4。至7。體積%範園内之纖维。仏3基於該線 从如請求項20之方法，其中至少85數目 上連續性的。 飞等纖維為實質 988I2.doc 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 如請求項20之方法 如請求項20之方法 維〇 其中該等纖維為陶瓷氧化物纖維。 其中該等纖維為多晶α氧化鋁基纖 如凊求項28之方法，直中 ,、Τ項寺夕晶α氧化鋁基纖維包含基 於個別纖維之總金屬氧化物含量至少99重量％之八1203。 如請求項20之方江 ^ · 去’其中该韌性金屬係選自由鋁、鋅、 錫、鎖、銅及其合金所組成之群。 如-月求項20之方法，其中該韌性金屬為鋁。 如请求項2G之方法’其中將該所結合之㈣金屬定形成 由該韌性金屬同心環繞該線。 月求項32之方法，其中該勒性金屬以0.2 mm至6 mm$l 圍内之厚度覆蓋於該金屬基複合線上。 «月求項32之方法，其中該勃性金屬以μ _至3 〇 範圍内之厚度覆蓋於該金屬基複合線上。 如π求項30之方法’其中該覆有金屬之金屬基複合線具 有至少100米之長度且顯示塑性變形。 如。月求項20之方法，其中該覆有金屬之金屬基複合線具 有在至>'100米之長度上不大於〇5 %之直徑均一值。 如凊求項20之方法，其中該覆有金屬之金屬基複合線具 有在至少100米之長度上不大於0.3%之直徑均一值。 如明求項20之方法，其中藉由將該韌性金屬加熱至低於 該韌性金屬之熔融溫度的溫度而使該韌性金屬與該線之 外表面結合置放。 如清求項38之方法，其中向該韌性金屬施加壓力’藉此 使韌性金屬塑性地塗覆該線之外表面。 98812.doc
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