专利名称：金属基体复合电线、电缆和方法很久以来金属基体复合材料(MMC)由于其兼具高的强度和刚性以及低的重量等性能而被认为是有前途的材料。MMC一般包括用纤维增强的金属基体。金属基体复合材料的例子包括铝基体复合电线(例如在铝基体中含碳化硅、碳、硼或多晶α-氧化铝纤维)、钛基体复合带(例如在钛基体中含碳化硅纤维)和铜基体复合带(例如在铜基体中含碳化硅纤维)。人们特别感兴趣的是在裸露的高架电力传输电缆中使用某些金属基体复合电线作为增强元件。在这种电缆中对新材料的需求受下述需求的驱动，即由于负载增加和违反规定操作而使电流发生变化所导致的需要提高已有传输基础设施的电力传输容量。对这种新材料的基本性能要求包括耐腐蚀性、环境耐久性(例如耐UV和湿气)、在高温下对强度损失的抵抗性和耐蠕变性。影响工作性能的重要性质有弹性模量、密度、热膨胀系数、导电性和强度。一般通过对各成分(即金属基体材料和纤维)的选择、各成分的纯度以及纤维的体积分数来控制这些性质。在这些性质中，特别强调开发由高的拉仲强度和刚性的纤维制成的电线。已知在电线中存在诸如金属间相、孔隙率[例如由于收缩或内部气体(如氢气或水蒸气)空隙所致]、尤其是干(即未涂覆的)纤维等缺陷会损害电线的性质如强度。这些缺陷可能是由于各成分(即金属基体材料和纤维)中的杂质、各成分间的不相容性以及基体材料不完全渗入纤维中造成的。人们需要具有良好且稳定的机械性质的、基本上连续的金属基体复合电线。发明概述本发明涉及基本上连续的纤维金属基体复合材料。本发明的实施方案涉及金属基体复合材料(例如复合电线)，它具有多根包含在金属基体中的基本上连续、纵向排列的纤维。将本发明的金属基体复合材料制成在弹性模量、密度、热膨胀系数、导电性和强度上具有所需性质的电线。本发明提供一种金属基体复合电线，它包括至少一根丝束(通常是多根丝束)，所述丝束包含多根在金属基体中的基本上连续、纵向排列的纤维。纤维选自陶瓷纤维、碳纤维和它们的混合物。金属基体材料的熔点不大于1100℃(一般不大于1000℃，可以不大于900℃、800℃或甚至700℃)。重要的是，电线的长度至少为300米(较好是，按优选的顺序排列，至少约为400米，至少约为500米，至少约为600米，至少约为700米，至少约为800米，至少约为900米，和至少约为1000米)，并且弯曲破裂值(bend failure value)为零。这就意味着当按实施例所述的“电线耐久性试验”(Wire Proof Test)进行测试时，电线在至少300米(较好是，按优选的顺序排列，至少约400米，至少约500米，至少约600米，至少约700米，至少约800米，至少约900米，和至少约1000米)的长度上具有零断裂。在另一个实施方案中，提供了一种制造本发明复合电线的方法。这种方法包括提供所含体积的熔融金属基体材料；提供超声波能量，使至少一部分所含体积的熔融金属基体材料振动；将至少一根包含多根基本上连续纤维的丝束(一般是多根丝束)浸入所含体积的熔化的基体材料中，其中纤维选自陶瓷纤维、碳纤维和它们的混合物；提供超声波能量，使至少一部分所含体积的熔融金属基体材料振动，以使至少一部分熔融的金属基体材料渗入多根纤维中，从而获得渗过的多根纤维；在使熔融的金属基体材料固化的条件下，从所含体积的熔融金属基体材料中抽出渗过的多根纤维，获得本发明的金属基体复合电线。
在另一个实施方案中，提供了一种包括至少一种本发明的金属基体复合电线的电缆。
定义本文所用的下述术语的定义是“基本上连续的纤维”是指与纤维的平均直径相比，纤维的长度相对来说是无限长的。一般来说，这意味着纤维的长宽比(即纤维的长度与纤维的平均直径之比)至少约为1×105，较好至少约为1×106，更好至少约为1×107。一般来说，这种纤维的长度的数量级至少约为50米，并且甚至可以具有数量级为千米或更大的长度。
“纵向排列”是指纤维在与电线长度方向相同的方向上取向。
附图的简要说明

图1是显示只存在纤维而没有基体的局部区域的金属基体复合电线的截面的显微照片。
图2是显示收缩孔隙率的金属基体复合电线的截面的扫描电子显微照片。
图3是显示由于存在俘获气体(例如氢气或水蒸气)而产生空隙的金属基体复合电线的截面的扫描电子显微照片。
图4是显示微孔隙率的金属基体复合电线的截面的扫描电子显微照片。
图5是用熔融的金属渗透纤维时所用的超声波设备的示意图。
图6是三点弯曲强度测试设备的示意图。
图7是电线耐久性测试设备的示意图。
图8和9是含有复合金属基体芯的高架电力传输电缆的两个实例的示意性截面图。
图10是在绕多根股线(strand)施加固定装置前，绞合电缆实例的端视图。
图11是电力传输电缆实例的端视图。
图12是三点弯曲强度测试所用的试验样品的截面图。
较好实施方案的详细描述本发明提供具有明显改善的机械性质、长度较长的金属基体复合电线，具体体现在，例如，长度至少为300米的本发明的金属基体复合电线的弯曲破裂值为零。尽管不想受理论束缚，但据认为这种改善的性质是由于减少或消除了局部缺陷(例如在电线制造过程中在电线中的局部干纤维、由于收缩或内部气体空隙所致的局部孔隙率、微孔隙率和/或局部金属间化合物)获得的。
尽管已知在电线中存在的诸如金属间相、干纤维、由于收缩或内部气体(如氢气或水蒸气)空隙等原因所致的孔隙率等缺陷会损害电线的性质(如强度)，并且不想受理论束缚，但申请人发现并确信在已知的金属基体复合电线中沿电线长度方向上存在的缺陷比已有技术中已知的缺陷还要普遍。例如，测试或分析1米长电线的性质和其它特征，并不一定意味着10米、50米、100米等长度的电线也会始终如一地具有所需程度的性质或特征。在电线中的这种缺陷包括局部金属间相、局部干(即未涂覆的)纤维(例如参见图1)、由于收缩(例如参见图2)或内部气体空隙(例如参见图3)所致的孔隙率和微孔隙率(例如参见图4)。据认为这种缺陷会显著地损害金属基体复合电线的性质(如强度)。尽管不想受理论束缚，但我们认为与已有技术相比，由申请人的发明方法制成的较好电线沿其长度方向明显减少了(或消除了)一种或多种这样的缺陷，从而获得了具有明显改善性能的电线，它具体体现在，例如在至少300米的长度上电线的弯曲破裂值为零。
本发明提供包括纤维增强的金属基体复合材料的电线和电缆。本发明的复合电线包括至少一根丝束，该丝束包含多根包封在基体中的基本上连续、纵向排列的增强纤维，例如陶瓷(如Al2O3基)增强纤维，所述基体包括一种或多种金属[如高纯元素铝或纯铝与其它元素(如铜)的合金]。较好是，至少约85％数量的纤维在本发明的电线中基本上是连续的。可以在电缆中，较好是在电力传输电缆中加入至少一根本发明的电线。
基本上连续的增强纤维的平均纤维直径较好至少约为5微米。平均纤维直径一般不大于约50微米，更一般是不大于约25微米。
纤维的模量较好不大于约1000GPa，更好不大于约420GPa。纤维的模量较好大于约70GPa。
可用于制造本发明金属基体复合材料的基本上连续的纤维的例子包括陶瓷纤维，例如金属氧化物(如氧化铝)纤维和碳化硅纤维，以及碳纤维。一般来说，陶瓷氧化物纤维是结晶陶瓷和/或结晶陶瓷与玻璃的混合物(即纤维可以包含结晶陶瓷和玻璃相)。
陶瓷纤维的平均拉伸强度较好至少约为1.4GPa，更好至少约为1.7GPa，再好至少约为2.1GPa，最好至少约为2.8GPa。碳纤维的平均拉伸强度较好至少约为1.4GPa，更好至少约为2.1GPa，再好至少约为3.5GPa，最好至少约为5.5GPa。
丝束是纤维领域中皆知的，它是指多根(单个)纤维(一般是至少100根纤维，更一般是至少400根纤维)以绳状的形式聚集起来。丝束较好包含至少780根单个纤维/丝束，更好包含至少2600根单个纤维/丝束。各种长度的陶瓷纤维丝束都可以使用，包括300米和更长的长度。纤维的截面形状可以是圆形或椭圆形的。
制造氧化铝纤维的方法在已有技术中是已知的，它包括在美国专利No.4,954,462(Wood等)中披露的方法，所述专利的内容在此参考引用。
氧化铝纤维较好是多晶α-氧化铝基纤维，以理论氧化物为基准，并以氧化铝纤维的总重量计，所述纤维包含大于约99重量％的Al2O3和约0.2-0.5重量％的SiO2。另一个方面，较好的多晶α-氧化铝基纤维包含平均粒度小于1微米(更好小于0.5微米)的α-氧化铝。另一个方面，较好的多晶α-氧化铝基纤维的平均拉伸强度至少为1.6GPa(较好至少为2.1GPa，更好至少为2.8GPa)。较好的α-氧化铝纤维可以商品名“NEXTEL 610”商购于3M Company，St.Paul，MN。
合适的硅铝酸盐纤维见述于美国专利No.4,047,965(Karst等)中，该专利的内容在此参考引用。以理论氧化物为基准，并以硅铝酸盐纤维的总重量计，硅铝酸盐纤维较好包含约67-85重量％的Al2O3和约33-15重量％的SiO2。以理论氧化物为基准，并以硅铝酸盐纤维的总重量计，某些较好的硅铝酸盐纤维包含约67-77重量％的Al2O3和约33-23重量％的SiO2。以理论氧化物为基准，并以硅铝酸盐纤维的总重量计，一种较好的硅铝酸盐纤维包含约85重量％的Al2O3和约15重量％的SiO2。以理论氧化物为基准，并以硅铝酸盐纤维的总重量计，另一种较好的硅铝酸盐纤维包含约73重量％的Al2O3和约27重量％的SiO2。较好的硅铝酸盐纤维可以商品名为“NEXTEL 440”的陶瓷氧化物纤维、商品名为“NEXTEL 550”的陶瓷氧化物纤维和商品名为“NEXTEL 720”的陶瓷氧化物纤维商购于3M Company。
合适的硅铝硼酸盐(aluminoborosilicate)纤维见述于美国专利No.3,795,524(Sowman)中，该专利的内容在此参考引用。以理论氧化物为基准，并以硅铝硼酸盐纤维的总重量计，硅铝硼酸盐纤维较好包含约35-75重量％[更好约55-75重量％]的Al2O3；大于0重量％[更好至少约为15重量％]并小于约50重量％[更好小于约45％，最好小于约44％]的SiO2；和大于约5重量％[更好小于约25重量％，再好约为1-5重量％，最好约为10-20重量％]的B2O3。较好的硅铝硼酸盐纤维可以商品名“NEXTEL 312”商购于3M Company。
合适的碳化硅纤维可以商购，例如以商品名“NICALON”、以500根纤维的丝束商购于COI Ceramics，San Diego，CA，以商品名“TYRANNO”商购于UbeIndustries，Japan，和以商品名“SYLRAMIC”商购于Dow Corning，Midland，MI。
合适的碳纤维可以商购，例如以商品名“THORNEL CARBON”购于AmocoChemicals of Alpharetta，GA的含2000、4000、5000和12000根纤维的丝束；以商品名“PYROFIL”购于Grafil，Inc.of Sacramento，CA(Mitsubishi RayonCo.的子公司)；以商品名“TORAYCA”购于Toray of Tokyo Japan；以商品名“BESFIGHT”购于Toho Rayon of Japan，Ltd.；以商品名“PANEX”和“PYRON”购于Zoltek Corporation of St.Louis，MO；以商品名“12K20”和“12K50”购于Inco Special Products of Wyckoff，NJ(镍涂覆的碳纤维)。
商购纤维一般包括在其制造过程中加到纤维中的有机胶料，以提供润滑性并在处置过程中保护纤维股线。据认为上胶往往能减少纤维的断裂，减少静电，并在诸如转变成织物的过程中减少灰尘的量。例如，可以通过将胶料(sizing)溶解或燃烧掉而将其去除。较好是在形成本发明的金属基体复合电线之前除去胶料。这样，在形成铝基体复合电线之前，陶瓷氧化物纤维是不含任何原来在其上面的胶料的。
在纤维上涂覆涂料，这也在本发明的范围内。使用涂料，例如，可以提高纤维的润湿性，减少或防止纤维与熔融金属基体材料之间的反应。这种涂料和提供这种涂料的方法在纤维和金属基体复合材料的领域中是已知的。
以纤维和基体材料的总体积计，本发明的电线较好包含至少15体积％[按优选性增大的顺序，更好至少为20、25、30、35、40或50体积％]的纤维。一般来说，以纤维和基体材料的总体积计，本发明的金属基体复合电线包含约30-70(较好约40-60)体积％的纤维。
按优选的顺序排列，本发明电线的长度至少为300米，至少约为400米，至少约为500米，至少约为600米，至少约为700米，至少约为800米，和至少约为900米，当电线为这些长度时，按本文所述的电线耐久性试验进行测试时它们的断裂为零(即弯曲破裂值为零)。
本发明电线的平均直径较好至少约为0.5毫米(mm)，更好至少约为1mm，再好至少约为1.5mm。另一个方面，本发明电线的平均拉伸强度较好至少约为350MPa。
可以对基体材料加以选择，使基体材料不与纤维材料明显发生化学反应(即基体材料相对于纤维材料而言是较为化学惰性的)，从而(例如)无需在纤维的外部提供保护性涂层。较好的金属基体材料包括铝、锌、锡和它们的合金(例如铝和铜的合金)。基体材料更好包括铝和它的合金。所报道的铝、锌、锡的熔点分别为660℃、420℃和232℃。对于铝基体材料，基体较好包含至少98重量％的铝，更好至少99重量％的铝，再好大于99.9重量％的铝，最好大于99.95重量％的铝。较好的铝和铜的铝合金包含至少约98重量％的Al和高达约2重量％的Cu。尽管较高纯度的金属对制造较高拉伸强度的电线来说往往是较好的，但较低纯度的金属也是有用的。
合适的金属可以商购。例如，铝可以商品名“SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al”商购于Alcoa of Pittsburgh，PA。铝合金(例如Al-2重量％Cu(0.03重量％杂质))可以得自Belmont Metals，New York，NY。锌和锡可以购于例如MetalServices，St.Paul，MN(“纯锌”；99.999％纯度，和“纯锡”；99.95％纯度)。锡合金的例子包括92重量％Sn-8重量％Al(它可以这样制得，例如将铝加到550℃的熔融锡浴中，使混合物在使用前静置12小时)。锡合金的例子包括90.4重量％Zn-9.6重量％Al(它可以这样制得，例如将铝加到550℃的熔融锌浴中，使混合物在使用前静置12小时)。
对制造本发明金属基体复合电线所用的特定的纤维、基体材料和工艺步骤加以选择，以获得具有所需性质的金属基体复合电线。例如，对纤维和金属基体材料加以选择，使它们彼此之间充分相容并与电线的制造过程充分相适应，以便制得所需的电线。关于制造铝和铝合金基体复合材料的某些较好方法的另外细节(例如)披露于美国专利申请序号No.08/492,960的未审定申请和于1996年5月21日公开的公开号No.WO 97/00976的PCT申请中，这些专利申请的内容在此参考引用。
本发明的连续金属基体复合电线例如可以通过连续金属基体渗入法制得。制造本发明电线的较好设备的示意图示于图5中。从供料卷筒50供给基本上连续的陶瓷和/或碳纤维51的丝束，将其拉直成圆形束，并进行热清洗，同时使其通过管炉52。然后在真空室53中将纤维抽空，之后进入包含金属基体材料61熔体(在此也称为“熔融金属”)的坩锅54。用履带式拉拔机(caterpuller)55从供料卷筒50拉出纤维。在熔体中靠近纤维的地方放置超声波探针56，以帮助熔体渗入丝束51中。在通过出口模头57离开坩锅54之后，电线的熔融金属冷却并固化，尽管某些冷却可以发生在其完全离开坩锅54之前。通过气流或液流58可以增强电线59的冷却。将电线59收集在卷筒60上。任选地采用下面实施例所述的电线耐久性试验按序地对电线进行测试。
对纤维进行热清洗有助于除去或减少胶料、吸收的水和其它可能存在于纤维表面上的短效或挥发性物质的量。宜对纤维进行热清洗，直到纤维表面上的碳含量小于22％面积分数。管炉的温度一般至少约为300℃，更一般至少为1000℃，且维持至少几秒钟，尽管具体的温度和时间(例如)取决于所用具体纤维的清洗需要。
在纤维进入熔体之前宜对其进行抽空，因为发现采取这种抽空往往会减少或避免形成诸如含有干纤维的局部化区域的缺陷。按优选性增大的顺序，宜在真空中对纤维抽空达不大于20托，不大于10托，不大于1托，不大于0.7托。
合适的真空系统的一个例子是尺寸与纤维束的直径相匹配的入口管。入口管(例如)可以是不锈钢或氧化铝管，其长度一般至少为30cm。合适的真空室的直径一般约为2-20cm，长度一般约为5-100cm。真空泵的容量较好至少为0.2-0.4立方米/分钟。通过真空系统上的插入铝浴的管子将抽空的纤维插入熔体中(即当抽空的纤维加到熔体中时它是处于真空状态的)，尽管熔体一般基本上在大气压的压力下。出口管的内径主要与纤维束的直径相匹配。一部分出口管浸在熔融的铝中。较好是约0.5-5cm的管浸在熔融的金属中。对管加以选择，使其在熔融的金属材料中是稳定的。通常合适的管的例子包括氮化硅和氧化铝管。
一般采用超声波来促进熔融的金属渗入到纤维中。例如，在熔融的金属中靠近纤维的地方放置振动角。纤维较好在距振动角顶(horn tip)2.5mm的范围内，更好在距振动角顶1.5mm的范围内。角顶较好由铌或铌的合金如95重量％Nb-5重量％Mo和91重量％Nb-9重量％Mo制成，并且可以从如PMTI，Pittsburgh，PA制得。关于使用超声波制造金属基体复合材料的另外细节(例如)参见美国专利No.4,649,060(Ishikawa等)、4,779,563(Ishikawa等)和4,877,643(Ishikawa等)，美国专利申请序号No.08/492,960的申请，和在1996年5月21口公开的公开号No.WO 97/00976的PCT申请，这些专利申请的内容在此参考引用。
较好是在渗透的过程中和/或渗透前，使熔融的金属脱气[例如减少溶解在熔融金属中的气体(如氢气)的量]。使熔融的金属脱气的方法在金属加工领域中是熟知的。使熔体脱气往往会降低电线中气体的孔隙率。对于熔融的铝，按优选的顺序排列，熔体的氢气浓度较好小于0.2、0.15和0.1cm3/100g铝。
设置出口模头，以提供所需的电线直径。一般希望电线沿其长度方向统一是圆形的。出口模头的直径通常略大于电线的直径。例如，用于含约50体积％氧化铝纤维的铝复合电线的氮化硅出口模头的直径比电线的直径小约3％。出口模头较好由氮化硅制成，尽管其它的材料也是可以用的。在已有技术中用作出口模头的其它材料包括常规的氧化铝。然而，申请人发现氮化硅出口模头比常规的氧化铝模头明显不容易被磨损，因此，它在为电线，尤其是在电线的整个长度上提供所需的直径和形状上更为有用。
一般来说，在电线离开出口模头后，将电线与液体(如水)或气体(如氮气、氩气或空气)接触使其冷却。这种冷却有助于提供所需的圆度和均一的特征。
所得电线的直径一般并非是完整的圆形。最小和最大直径之比(即对于电线长度上的某一给定点，最短直径与最长直径之比，该比值对于完整的圆形来说应为1)一般至少为0.9，按优选性增大的顺序，较好至少为0.90、0.91、0.92、0.93、0.94和0.95。电线的截面形状例如可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形或三角形。本发明电线的截面形状较好是圆形或接近圆形。本发明电线的平均直径较好至少为1mm，更好至少为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm。
本发明的金属基体复合电线可用于各种用途。它们尤其可用于高架电力传输电缆。
本发明的电缆可以是均相的(即仅包括一种类型的金属基体复合电线)或非均相的(即包括多种次级电线如金属电线)。作为非均相电缆的一个例子，芯可以包括多根本发明的电线，而皮可以包括多根次级电线(如铝电线)。
可以使本发明的电缆绞合在一起。绞合的电缆一般包括中心电线和绕中心电线螺旋形绞合的第一层电线。电缆绞合是其中各股电线以螺旋形排列的方式结合起来制成成品电缆的方法[例如参见美国专利No.5,171,942(Powers)和5,554,826(Gentry)，这些专利的内容在此参考引用]。所得螺旋形绞合的电线提供比具有相同截面面积的实心棒大得多的柔韧性。螺旋形排列也是有利的，这是因为电缆在处理、安装和使用的过程中受到弯曲时，绞合的电缆能保持其全部的圆形截面形状。螺旋形卷绕的电缆可以包括少至7根单股，更通常的结构是包含50或更多根股线。
本发明一个例举的电力传输电缆示于图8中，其中本发明的电力传输电缆130可以是19根单个复合金属基体电线134的芯132，该芯被30根单个铝或铝合金电线138的外套136所包围。类似地，如图9所示，作为许多替换方案中的一种，本发明的高架电力传输电缆140可以是37根单个复合金属基体电线144的芯142，该芯被21根单个铝或铝合金电线148的外套146所包围。
图10说明了绞合电缆80的又一个实例。在此实例中，绞合电缆包括中心金属基体复合电线81A和沿中心金属基体复合电线81A螺旋形卷绕的金属基体复合电线的第一层82A。此实例还包括沿第一层82A螺旋形绞合的金属基体复合电线81的第二层82B。在任何层中可以包括任何合适数目的金属基体复合电线81。而且，若希望的话，在绞合电缆80中可以包括两层以上的层。
本发明的电缆可用作裸露的电缆，或者它可以用作直径较大电缆的芯。本发明的电缆也可以是多根电线(在多根电线的周围有固定装置)的绞合电缆。固定装置可以是带状外包装纸(tape overwrap)如图10中所示的83，它例如带有或不带粘合剂。
本发明的绞合电缆可用于许多用途。认为这种绞合电缆特别适用于高架电力传输电缆，因为它兼具重量低、强度高、导电性好、热膨胀系数低、使用温度高和耐腐蚀性等性能。
这种传输电缆90的一个较好实例的端视图示于图11中。这种传输电缆包括芯91，该芯可以是本文所述绞合芯中的任何一种。电力传输电缆90也包括至少一层在绞合芯91周围的导体层。如图所示，电力传输电缆包括两层导体层93A和93B。在需要时可以使用更多的导体层。各导体层较好包含多种已有技术中已知的导体电线。用于导体电线的合适的材料包括铝和铝合金。可以采用已有技术中已知的合适的电缆绞合装置在绞合芯91的周围绞合导体电线。
在其它的应用中，包括绞合电缆本身用作最终制品，或者用作中间制品或不同后续制品中的组分，较好是绞合电缆在多根金属基体复合电线81的周围不含电力导体层。
关于由金属基体复合电线制成的电缆的其它细节例如披露于与本申请同一天申请的美国专利申请序号为No.09/616,784的申请,美国专利申请序号为No.08/492,960的申请和在1996年5月21日公开的公开号No.WO 97/00976的PCT申请中，这些专利申请的内容在此参考引用。关于制造金属基体复合材料和含它的电缆的其它细节例如披露于与本申请同一天申请的美围专利申请序号No.09/616,594、09/616,589和09/616,741的未审定申请中。
实施例用下述实施例对本发明作了进一步说明，但不应认为在这些实施例中所述具体的材料和其用量以及其它的条件和细节对本发明构成不适当的限制。对本发明所作的各种改进和改变对本领域的技术熟练者而言是显而易见的。除非另有说明，所有的份数和百分数均以重量计。
测试方法三点弯曲强度测试采用三点弯曲法测量弯曲强度，所述三点弯曲法源自ASTM标准E855-90，测试方法B，它公开于ASTM 1992标准年度书(Annual Book of Standards)，第3节，03.01卷，由ASTM，Philadelphia，PA出版，该书的内容在此参考引用。三点弯曲强度是会导致测试样品断裂成两块或更多块分离碎片的施加在电线外表面上的标称应力。试验在室温(约20℃)下在随意选择的样品上使用通用的试验机架进行，所述试验机架装有三点弯曲夹具和连续记录负载的装置(两者都得自MTS，Eden Prai rie，MN)。在三点弯曲中测到的样品的三点弯曲强度σb，即长度与其深度的关系用公式1表示σb=ymFl4I---(1)]]>其中F是用负载传感器记录的最大负载，l是试验间距(即两个支架之间的距离)，ym是从中心轴到测试样品表面的垂直距离(见图12)，I是面积的二次矩。参见图12，面积的二次矩测量均匀部分对水平轴242附近的弯曲的耐受性。面积的二次矩由下述公式表示 其中b(y)是在y处的部分的宽度。为计算面积的二次矩I提供合适近似值的公式是众所周知的。对这些公式加以选择以适合于样品的截面。例如，对于圆形或接近圆形的截面，面积的二次矩I用下述公式表示I=πd464---(3)]]>其中d是截面的直径。对于不完整圆形的电线，使电线的短轴在试验设备中垂直地取向来测量三点弯曲强度。使用测微计(精度至少为+/-2％)测量电线的直径。实施例中的电线都不是完整的圆形(但接近圆形)。因此，要测量最小和最大直径(对于电线上同样的点)。实施例中电线的最小与最大直径之比都大于0.9。对于各试验样品，沿15厘米长每隔5厘米测量最小直径，总共得到三次直径测量读数。由于实施例中电线的截面都接近圆形，所以使用公式3(见上面)来计算面积的二次矩I。该公式所用的直径d是三次最小直径读数的平均值。
在三点对称负载中将试验样品装载成简单的横梁。单向增加负载直到电线断裂，获得弯曲强度。记录破裂P时的负载，按公式1(和公式3)计算三点弯曲强度。试验设备的示意图示于图6中。该设备由两个可调节的支架214、施加负载的装置212和测量负载的装置216组成。支架是硬化的钢钉，其支承端的半径为3mm。支架之间的距离可以沿样品的纵向轴调节。待测试的样品标为211。
试验样品是直的，没有波纹或扭曲。间距是电线最小直径(d)的15至22倍。样品的全部长度至少是电线最小直径(d)的50倍。将样品对称地放在支架上，用手轻轻地粘上，使支架上的摩擦最小。
下述电线耐久性试验所用的三点弯曲强度是8个样品的三点弯曲强度的平均值。
电线耐久性试验在室温(约20℃)下，使用示意图7所示的设备，以测得的三点弯曲强度的设定值，按弯曲的方式连续地对电线进行耐久性试验。电线(待测试的)21从卷筒20上供给，绕过第一和第二组三辊22和24，在试验间距L上偏移4cm，即辊23的直径，最后收集在卷筒29上。驱动卷筒29，以从卷筒20拉动电线通过试验设备。辊组22和24是直径为40mm的钢轴承。辊组22和24中各辊的外表面分别具有中心位于辊直径附近的小的V形凹槽。V形凹槽的深度约为1mm，宽度约为1mm。将测试的电线装在V形凹槽中，使其在试验的过程中沿与辊轴相垂直的方向运行。在各辊组22和24中位于下面的两个辊之间中心至中心的距离为100mm。各辊组22和24中位于上面的辊对称地置于各自位于下面的两个辊之间。各辊组22和24中位于上面的辊的垂直位置是可调节的。各辊组22和24中位于上面和下面的辊的外表面之间的距离等于按上述三点弯曲强度试验计算而得的(平均最小)电线直径(即d)。该距离能支撑电线21，但在最小张力(即小于1牛顿)的作用下在辊组22和24中位于上面和下面的辊之间不会发生自由滑移。中心辊23是外径为40mm的钢轴承，它对称地位于辊组22和24之间。对于按上述三点弯曲强度试验计算的(平均最小)直径(即d)为大于或等于1.5mm的电线，在位于卷筒20和29之间的电线上的张力不大于100牛顿。对于按上述三点弯曲强度试验计算的(平均最小)直径(即d)为小于1.5mm的电线，在位于卷筒20和29之间的电线上的张力不大于20牛顿。电线耐久性试验的间距L是指在辊组22和24中内辊之间的中心至中心的距离。将间距L设置为按上述三点弯曲强度试验计算而得的(平均最小)电线直径(即d)的120-260倍。中心辊的偏移δ是指电线通过辊组22和24以及辊23的下表面时中心线之间的距离。用以0.1-10米/分钟的速度运行的电线进行耐久性试验。对中心辊的偏移δ进行设置，以施加相当于在三点弯曲强度试验中确定的电线三点弯曲强度值75％的应力。
使试验的电线受到相当于三点弯曲强度值(按上述三点弯曲强度试验获得)75％的应力的中心辊23的偏移δ用下述公式4表示δ=L224Eym(0.75σb)---(4)]]>其中L是间距，E是电线的杨氏模量，ym的定义如上述三点弯曲强度试验中所述，σb是三点弯曲强度(由上述三点弯曲强度试验确定)。对于圆柱形或接近圆柱形的电线，电线最小直径的轴在电线耐久性试验设备中垂直取向，偏移用下述公式表示δ=L212Ed(0.75σb)---(5)]]>其中d是(平均最小)电线直径(由上述三点弯曲强度试验确定)，E是电线的模量。电线的杨氏模量E用下述公式确定E＝fEf(6)其中f是纤维的体积分数(由下述方法确定)，Ef是纤维的杨氏模量。当局部电线强度小于三点弯曲强度的75％时，所施加的偏移容易使电线断裂。
采用标准金相显微照像技术测量纤维的体积分数。将电线的截面抛光，在称为NIH IMAGE(1.61版)的计算机程序-一种由国家健康学会研究服务分部(Research Services Branch of the National Institutes of Health)开发的公共领域图象加工程序(得自网站http//rsb.info.nih.gov/nih-image)的帮助下，使用密度曲线函数(density profiling function)测量纤维的体积分数。这种软件测量了电线典型的面积的平均灰色标度强度。
将一片电线安装在安装树脂(以商品名“EPOXICURE”得自Buehler Inc.，LakeBluff，IL)上。使用常规的研磨机/抛光机和常规的金刚石浆料对安装的电线抛光，最后的抛光步骤采用以商品名“DIAMOND SPRAY”得自Struers，West Lake，OH的1微米金刚石浆料进行，获得抛光的电线截面。以150x的放大率拍摄抛光的电线截面的扫描电子显微镜(SEM)的显微照片。在拍摄SEM显微照片时，调节图像的阈值水平(threshold level)，使所有的纤维都在零强度，从而获得二元图像。用NIH IMAGE软件分析SEM显微照片，将二元图像的平均强度除以最大强度，获得纤维的体积分数。确信这种确定纤维体积分数的方法的准确度为+/-2％。
实施例1按下述方法制备实施例1的铝复合电线。参看图5，将1500旦尼尔氧化铝纤维(以商品名“NEXTEL 610”购自3M Company；在1996产品小册子中报道的杨氏模量为373GPa)的66根丝束拉直成单束。在空气中在1000℃时让此单束以1.5m/min的速度通过1米管炉(得自ATS，Tulsa OK)，对其进行热清洗。然后让此束经氧化铝入口管(直径为2.7mm，长度为30cm；其直径与纤维束的直径相匹配)进入真空室(直径为6cm；长度为20cm)，在1.0托时对该束抽空。真空室装有泵抽容量为0.4m3/min的机械真空泵。在离开真空室后，抽空的纤维经部分浸渍在(约5cm)熔融铝浴中的氧化铝出口管(内径为2.7mm，长度为25cm)进入熔融的铝浴中。在726℃时使铝(99.94％的纯Al；得自NSA ALUMINUM，HAWESVILLE，KY)熔化，制成熔融的铝浴。将熔融的铝保持在约726℃，通过浸在铝浴中的碳化硅多孔管(得自Stahl Specialty Co，Kingsville，MO)使800cm3/min的氩气鼓泡，使上述熔融的铝连续地脱气。按下述方法测量熔融铝中的氢含量，将熔融铝样品放在具有0.64cm×12.7cm×7.6cm空腔的铜坩锅中淬火，采用标准化质谱仪试验分析法(得自LECO Corp.，St.Joseph，MI)分析所得固化铝锭的氢含量。
采用超声波渗透法促进熔融的铝渗入纤维束中。使用与超声波转换器(得自Sonics & Materials，Danbury CT)相连的波导提供超声波振动。波导由91重量％Nb-9重量％Mo的圆柱形棒组成，所述圆柱形棒的直径为25mm，长度为90mm，与10mm的中心螺杆相连，所述螺杆拧成长度为482mm、直径为25mm的钛波导(90重量％Ti-6重量％Al-4重量％V)。Nb-9重量％Mo的棒由PMTI，Inc.，Large，PA供给。铌棒置于距纤维束中心线2.5mm的范围内。在20kHz时运行波导，在顶部有20微米的位移。用以1.5米/分钟的速度运行的履带式拉拔机(得自TulsaPower Products，Tulsa OK)通过熔融的铝浴拉出纤维束。
渗有铝的纤维束经氮化硅出口模头(内径为2.5mm，外径为19mm，长度为12.7mm；得自Branson and Bratton Inc.，Burr Ridge，IL)离开坩锅。离开熔融的铝浴后，使用两股氮气流帮助电线冷却。更具体地说，在带有5个孔的侧面上分别穿出两个内径为4.8mm的带有塞子的管。孔的直径为1.27mm，沿30mm的长度相距6mm定位。氮气以100升/分钟的流速流过管，经小的侧孔离开。在各管上的第一个孔距出口模头约50mm，距电线约6mm。放置各管，在电线的每一侧上放置一个。然后将电线绕到卷筒上。经感应耦合等离子体分析测定，实施例1铝基体的组成是0.03重量％Fe、0.02重量％Nb、0.03重量％Si、0.01重量％Zn、0.003重量％Cu和余量的Al。在制造电线时，铝浴的氢含量约为0.07cm3/100gm铝。
为实施例1制备10个直径为2.5mm的铝复合电线的卷筒。各卷筒绕有至少300米的电线；某些线圈绕有多至600米的电线。
按“弯曲强度试验”，采用50.8mm的试验间距测量电线的弯曲强度，所得的值为1.79GPa。测定电线的平均纤维含量为52体积％，采用公式6测定其模量为194GPa。然后按“电线耐久性试验”，采用406mm的间距和38.1mm的偏移，对电线进行耐久性试验。所有的10个电线线圈都通过电线耐久性试验，没有任何断裂。
实施例2除了下述不同外，基本上按实施例1所述制备3个铝复合电线的线圈，经感应耦合等离子体分析测定，实施例2铝基体的组成是0.08重量％Si、0.03重量％Fe、0.02重量％Nb、0.01重量％Zn、0.002重量％Cr、0.003重量％Cu和余量的Al。各线圈的长度至少为300米，它们都通过“电线耐久性试验”，没有任何断裂。
对比例A除了纤维束的直径为2.0mm并且电线的纤维含量为45体积％外，基本上按PCT/US96/07286中实施例2所述的方法制备1个长度为100米的铝基体复合电线线圈，所述专利申请的内容在此参考引用。在制造电线时，确认铝熔体的氢含量约为0.2-0.3cm3/100gm铝。
按“弯曲强度试验”，采用50.8mm的试验间距测量电线的弯曲强度，所得的值为2.07GPa。采用公式6计算电线的模量为165GPa。然后按“电线耐久性试验”，采用305mm的间距和40.6mm的偏移，对电线进行耐久性试验。在此耐久性试验的过程中，对比例A的电线在7米之后就发生断裂，并且在54米之后再次发生断裂。此时停止试验，用扫描电子显微镜观察在断裂点处的破裂表面。在破裂表面上观察到“干纤维”。
实施例3除了下面不同外，基本上按实施例1所述制备1个铝复合电线的线圈。使用5个2,000特(g/1000米)碳化硅纤维[由Nippon Carbon Co.制造，并以商品名“NICALON CG GRADE”得自Dow Corning，Midland，MI(现在购自COI Ceramics，San Diego，CA)；在Dow Corning数据表中报道的纤维模量为220Gpa]的丝束代替铝纤维。让纤维束通过氧化铝入口管(直径为1.2mm，长度为25cm；其直径与纤维束的直径相匹配)进入真空室，在9托时对热清洗过的碳化硅纤维束抽空。在真空室中通入氩气，保持9托压力。将角放置在距纤维束中心线0.6mm的范围内。用履带式拉拔机以3.6米/分钟的速度经熔融的铝浴拉出纤维束，渗过的纤维束经内径为1mm的氮化硅出口模头离开坩锅。
所得450米长电线的直径为1.08mm。按“弯曲强度试验”，采用15.8mm的试验间距测量电线的弯曲强度，所得的值为1.8GPa。测定电线的平均纤维含量为48体积％，采用公式6确定其模量为106GPa。然后按“电线耐久性试验”，采用254mm的试验间距和40.6mm的偏移，对电线进行耐久性试验。电线通过电线耐久性试验，没有任何断裂。
对比例B对比例B是得自Nippon Carbon Co.的300米长的铝基体复合电线。据报道该电线是使用SiC纤维[先前以商品名“HI-NICALON”购自Dow Corning(现在购自COI Ceramics)]制成的。电线的纤维含量为52.5体积％。SiC(“HI-NICALON”)纤维的模量据报道为270GPa。电线的直径为0.82mm。
按“弯曲强度试验”，采用15.8mm的试验间距测量电线的弯曲强度，所得的值为2.3GPa。采用公式6计算电线的模量为140GPa。然后采用254mm的间距和81mm的偏移，对电线进行耐久性试验。在此耐久性试验的过程中，对比例B的电线在6米之后就发生断裂，并且在12米和15米之后分别再次发生断裂。此时停止试验，用扫描电子显微镜观察在断裂点处的破裂表面。在破裂表面上观察到“干纤维”。
实施例4除了下面不同外，基本上按实施例1所述制备1个铝复合电线的线圈。4个2000旦尼尔硅铝硼酸盐纤维(以商品名“NEXTEL 440”购自3M Company；～70重量％Al2O3，～28重量％SiO2，和～2重量％B2O3；在1996(98-0400-5207-2)产品小册子中报道的杨氏模量为190GPa)的丝束。让纤维束经氧化铝入口管进入真空室，在0.7托时对纤维抽空。将角放置在距纤维束中心线0.6mm的范围内。用履带式拉拔机以4.5米/分钟的速度经熔融的铝浴拉出纤维束，渗过的纤维束经内径为1mm的氮化硅出口模头离开坩锅。
所得450米长电线的直径为1.0mm。按“弯曲强度试验”，采用15.8mm的试验间距测量电线的弯曲强度，所得的值为0.75GPa。测定电线的平均纤维含量为40体积％，采用公式6确定其模量为76GPa。然后按“电线耐久性试验”，采用254mm的间距和30mm的偏移，对电线进行耐久性试验。电线的整个长度都通过电线耐久性试验，没有任何断裂。
实施例5实施例5证实加工速度对复合电线性能的影响。除了电线的加工速度在1.5米/分钟至4米/分钟之间变化外，基本上按实施例1所述制备直径为2.5mm的铝基体复合电线。视在电线耐久性试验中检测到的断裂的出现率，在给定速度下制成的电线的长度在20至30米之间变化。若电线不断裂，则其长度至少为300米；否则制成足够的电线以收集至少三次断裂。此实施例表明，在速度低如1.5m/min和2.3m/min时，电线在电线耐久性试验中在运行300米电线后不断裂(即零断裂)。在速度约为3.55m/min时，电线平均每隔6米断裂一次。在速度为4m/min时，电线平均每隔1米断裂一次。对于没有通过电线耐久性试验的样品，进行试验直到至少三次断裂。用扫描电子显微镜观察断裂的破裂表面。在破裂表面上观察到干纤维(即未渗透的纤维)。
实施例6实施例6证实电线的直径和加工速度对复合电线性能的影响。除了电线的直径在1mm至2.5mm之间变化并且电线的速度对于各电线直径来说也发生变化外，基本上按实施例1所述制备铝基体复合电线。
对于直径为1mm的电线，以6.1m/min的速度对其加工，电线在300米的长度上通过电线耐久性试验，即为零断裂。当速度大于或等于约10m/min时，电线由于干纤维而发生断裂。
对于直径为2.5mm的电线，在2.3m/min的加工速度时，电线在300米的长度上通过电线耐久性试验，即为零断裂。当速度大于或等于约4m/min时，电线由于干纤维而发生断裂。
实施例7实施例7证实真空、加工速度和电线直径对加工速度的影响。除了真空在约1托至760托(大气压)之间变化外，基本上按实施例1所述制备铝基体复合电线。
当以2.3m/min的加工速度并在1托的真空下制造电线时，直径为2.5mm的电线在300米的长度上通过电线耐久性试验，即为零断裂。当以2.3m/min的加工速度并在大气压(即760托)下制造电线时，直径为2.5mm的电线始终在电线耐久性试验中发生断裂。用铝不能完全渗透纤维束。速度降至小于0.1m/min，电线仍然不能被渗透。对于此直径，真空能使直径为2.5mm的电线渗透。
当以6.1m/min的加工速度并在1托的真空下制造电线时，直径为1mm的电线在300米的长度上通过电线耐久性试验，即为零断裂。在3m/min的加工速度并且没有真空(即760托)时，直径为1mm的电线在300米的长度上通过电线耐久性试验，即为零断裂。当以6.1m/min的加工速度并且没有真空(即760托)下制造电线时，直径为1mm的电线始终在电线耐久性试验中发生断裂。
实施例8实施例8证实表面污染对复合电线性能的影响。基本上按实施例1所述制备电线。以1.5m/min的速度让纤维通过设置在1000℃的直径为3cm、长度为0.3m的管炉，对其进行热清洗。多根300米长的电线线圈通过电线耐久性试验，即为零断裂。
在热清洗之前和之后，评价陶瓷纤维(“NEXTEL 610”)的表面化学性能。在1000℃加热纤维12秒钟，对其进行清洗。采用化学分析电子能谱(ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis)(ESCA)(也称为X-射线光电子能谱(XPS))分析纤维。所用的ESCA设备以商品名“HP5950A”购自Hewlett-Packard of PaloAlto，CA。ESCA设备包括半球形的电子能量分析仪，它以恒定的能量通行方式进行操作。X-射线源是铝K-α。探针角度是相对于分析仪校正透镜轴而言测得的38°光电子起飞角度。使用软件和仪器制造商提供的灵敏系数计算定量数据。加热后的碳谱表明小于22％面积分数的碳在纤维上。
除了下述不同外，基本上按实施例1所述制备电线，在2cm段的纤维上喷射以商品名“CITRUS CLEANER”购自3M Company的清洁剂，在管炉后有目的地引入局部的碳污染。在引入表面污染的地方，电线在电线耐久性试验中确实发生断裂。
也使用用指纹玷污的纤维制备电线。这样玷污的样品的碳谱测得大于34％/面积分数。据认为，这种碳污染增加了接触角并使渗透损失。
实施例9此实施例证实熔体中氢的影响。除了在制造电线前不用氩气使熔体至少脱气24小时外，基本上按实施例1所述制备电线。电线的直径为2.5mm，加工速度为2.3m/min。该电线在电线耐久性试验中在300米的长度上至少断裂三次。对破裂表面加以分析，尽管不想受理论束缚，但认为断裂的原因是由于从氢气产生了大量的空隙。空隙的直径约为0.5mm，长度为2-3mm或更长。在不按实施例1所述对熔体进行脱气处理的情况下，典型的氢气浓度约为0.3cm3/100g铝。
除了在制造电线前用氩气使熔体脱气2小时外，基本上按实施例1所述制备电线。电线的直径为2.5mm，加工速度为2.3m/min。电线通过电线耐久性试验，没有断裂。在对熔体进行脱气处理后，典型的氢气浓度约为0.07-0.1cm3/100g铝。
在不偏离本发明范围和精神的情况下，对本发明所作的各种改进和改变对本领域的技术熟练者来说是显而易见的，并且应明白的是本发明对在此所述例举性的实施方案并不构成不适当的限制。


金属基体复合电线(59)包括多根在金属基体中的基本上连续、纵向排列的纤维(51)。当按特定的试验进行测试时，该电线在至少300米的长度上具有零断裂。