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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbunddrähte, die mit im wesentlichen
kontinuierlichen Fasern innerhalb einer Metallmatrix verstärkt sind,
sowie Kabel, die solche Drähte
beinhalten.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Metallmatrixverbundmaterialien
(MMVM) sind schon lange als vielversprechende Materialien anerkannt,
weil sie hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringem Gewicht kombinieren.
MMVM enthalten in der Regel eine faserverstärkte Metallmatrix. Als Beispiele
für Metallmatrixverbundmaterialien
seien genannt: Aluminiummatrixverbunddrähte (beispielsweise Siliciumcarbid,
Kohlenstoff, Bor oder polykristalline alpha-Aluminiumoxidfasern
in einer Aluminiummatrix), Titanmatrixverbundbänder (beispielsweise Siliciumcarbidfasern
in einer Titanmatrix) und Kupfermatrixverbundbänder (beispielsweise Siliciumcarbidfasern
in einer Kupfermatrix).
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Die
Verwendung einiger Metallmatrixverbunddrähte als ein Verstärkungselement
in unisolierten Stromversorgungsfreileitungen ist von besonderem
Interesse. Hinter dem Bedarf an neuen Materialien in solchen Kabeln
steht die Notwendigkeit, aufgrund von Belastungszunahmen und Änderungen
im Stromfluss infolge von Deregulierungen die Stromübertragungskapazität der vorhandenen Übertragungsinfrastruktur
zu erhöhen.
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WO-A-97/00976
offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrixverbunddrahtes,
der mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, in Längsrichtung
angeordnete polykristalline alpha-Aluminiumoxidfasern in einer Aluminiummatrix
aufweist. Das bekannte Verfahren beinhaltet Folgendes: Bereitstellen
eines umschlossenen Volumens aus schmelzflüssigem Aluminiummatrixmaterial;
Eintauchen wenigstens eines Kabels, das mehrere im Wesentlichen
kontinuierliche polykristalline alpha-Aluminiumoxidfasern aufweist, in das
umschlossene Volumen aus schmelzflüssigem Aluminiummatrixmaterial;
Anlegen von Ultraschallenergie, um wenigstens einen Anteil des umschlossenen
Volumens aus schmelzflüssigem
Aluminiummatrixmaterial zum Schwingen zu bringen, damit wenigstens
ein Anteil des schmelzflüssigen
Aluminiummatrixmaterials in die mehreren Fasern infiltriert wird,
dergestalt, dass mehrere infiltrierte Fasern entstehen; und Herausziehen
der mehreren infiltrierten Fasern aus dem umschlossenen Volumen
aus schmelzflüssigem
Aluminiummatrixmaterial unter Bedingungen, die es dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmaterial
ermöglichen,
sich zu verfestigen, so dass ein Metallmatrixverbunddraht entsteht,
der wenigstens ein Kabel aufweist, das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche,
in Längsrichtung
angeordnete polykristalline alpha-Aluminiumoxidfasern in einer Aluminiummatrix
aufweist. Die Drähte
haben einen relativ gleichmäßigen Querschnitt
und Durchmesser.
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Die
Verfügbarkeit
von Drähten
mit rundem Querschnitt ist für
Kabelkonstruktionen wünschenswert,
die gleichmäßiger gepackt
sind. Die Verfügbarkeit
von runden Drähten
mit einem gleichmäßigeren
Durchmesser entlang ihrer Länge
ist für
Kabelkonstruktionen wünschenswert,
die einen gleichmäßigeren
Durchmesser haben. Es besteht somit Bedarf an einem im Wesentlichen
kontinuierlichen Metallmatrixverbunddraht mit einem runden Querschnitt
und einem gleichmäßigen Durchmesser.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines
Metallmatrixverbunddrahtes nach Anspruch 1 bereit. Einzelne Ausführungsformen
der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Metallmatrixverbunddraht bereit,
der wenigstens ein Kabel (in der Regel mehrere Kabel) aufweist,
das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche, in Längsrichtung
angeordnete Fasern in einer Metallmatrix aufweist. Die Fasern sind
aus der Gruppe bestehend aus Keramikfasern, Kohlefasern und Mischungen
daraus ausgewählt.
Vor allem hat der Draht bestimmte Rundheits-, Rundheitsgleichmäßigkeits- und Durchmessergleichmäßigkeitseigenschaften über bestimmte
Längen
hinweg.
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Der
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Draht hat einen Rundheitswert von wenigstens 0,9, einen
Rundheitsgleichmäßigkeitswert
von maximal 2% und einen Durchmessergleichmäßigkeitswert von maximal 1% über eine
Länge von
wenigstens 100 Metern (vorzugsweise wenigstens 200 Meter, besonders
bevorzugt wenigstens 300 Meter). Der Rundheitswert beträgt – in der
Reihenfolge zunehmender Präferenz – wenigstens
0,91, 0,92, 0,93, 0,94 oder 0,95. Der Rundheitsgleichmäßigkeitswert
beträgt
maximal 1,9%, 1,8%, 1,7%, 1,6% oder 1,5%; und der Durchmessergleichmäßigkeitswert
beträgt
maximal 0,95%, 0,9%, 0,85%, 0,8%, 0,75%, 0,7%, 0,65%, 0,6%, 0,55%
oder 0,5%. Der Rundheitswert liegt in der Regel vorzugsweise im
Bereich von etwa 0,92 bis etwa 0,95.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird ein Kabel bereitgestellt, das wenigstens einen mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellten Metallmatrixverbunddraht
enthält.
Die Vorteile von Ausführungsformen
von mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Drähten in
Kabelkonstruktionen ermöglichen
beispielsweise ein gleichmäßigeres
Packen von Drähten
in den inneren Schichten des Kabels dank der Form- und Durchmessergleichmäßigkeit
des Drahtes. Eine solche Form- und Durchmessergleichmäßigkeit
verringert auch im Allgemeinen Kabeldefekte wie beispielsweise Lücken zwischen
Drähten
oder eingeklemmte Drähte,
beispielsweise in den äußeren Drahtschichten.
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Definitionen
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Die
folgenden Begriffe werden im vorliegenden Text in folgendem Sinn
verwendet:
"Im
Wesentlichen kontinuierliche Faser" meint eine Faser mit einer Länge, die
im Vergleich zum durchschnittlichen Faserdurchmesser relativ unendlich
ist. Das bedeutet in der Regel, dass die Faser ein Aspektverhältnis (d.
h. ein Verhältnis
von Faserlänge
zu durchschnittlichem Faserdurchmesser) von wenigstens etwa 1 × 105, bevorzugt wenigstens etwa 1 × 106 und besonders bevorzugt wenigstens etwa
1 × 107 aufweist. In der Regel haben solche Fasern
eine Länge
in der Größenordnung
von wenigstens etwa 50 Metern und können sogar Längen in
der Größenordnung
von Kilometern oder mehr haben.
"In Längsrichtung
angeordnet" meint,
dass die Fasern in der gleichen Richtung wie die Länge des
Drahtes ausgerichtet sind.
"Rundheitswert", der ein Maß dafür ist, wie
sehr die Gestalt des Drahtquerschnitts einem Kreis ähnelt, ist
definiert durch das Mittel der gemessenen einzelnen Rundheitswerte über eine
bestimmte Länge
hinweg, wie in den Beispielen unten beschrieben.
"Rundheitsgleichmäßigkeitswert", welcher der Koeffizient
der Abweichung in den gemessenen einzelnen Rundheitswerten über eine
bestimmte Länge
hinweg ist, ist das Verhältnis
der Standardabweichung der gemessenen einzelnen Rundheitswerte,
geteilt durch das Mittel der gemessenen einzelnen Rundheitswerte,
wie in den Beispielen unten beschrieben.
"Durchmessergleichmäßigkeitswert", welcher der Koeffizient
der Abweichung in den gemessenen durchschnittlichen Durchmessern über eine
bestimmte Länge
hinweg ist, ist definiert durch das Verhältnis der Standardabweichung
der gemessenen durchschnittlichen Durchmesser, geteilt durch das
Mittel der gemessenen durchschnittlichen Durchmesser, wie in den
Beispielen unten beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Erfindung wird eingehender anhand der Zeichnung beschrieben, wobei:
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1 ein
Schaubild der Ultraschallvorrichtung ist, die dafür verwendet
wird, Fasern mit schmelzflüssigen
Metallen zu infiltrieren.
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2 und 3 schematische
Querschnitte durch zwei Ausführungsformen
von Stromversorgungsfreileitungen mit Metallmatrixverbundkernen
sind.
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4 eine
Endansicht einer Ausführungsform
eines verseilten Kabels ist, bevor ein Haltemittel um die mehreren
Litzen gelegt wird.
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5 eine
Endansicht einer Ausführungsform
eines Stromübertragungskabels
ist.
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Detaillierte
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt Drähte
und Kabel bereit, die faserverstärkte
Metallmatrixverbundmaterialien enthalten. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellter Verbunddraht enthält
wenigstens ein Kabel, das mehrere im Wesentlichen kontinuierliche,
in Längsrichtung
angeordnete Verstärkungsfasern enthält, wie
beispielsweise Keramikverstärkungsfasern
(bei spielsweise auf Al2O3-Basis),
die in einer Matrix verkapselt sind, die ein oder mehrere Metalle
enthält
(beispielsweise hoch-reines elementares Aluminium oder Legierungen
aus reinem Aluminium mit anderen Elementen, wie beispielsweise Kupfer).
Bei einem Draht gemäß der vorliegenden
Erfindung sind vorzugsweise wenigstens etwa 85% der Anzahl der Fasern
im Wesentlichen kontinuierlich. Wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellter Draht kann zu einem Kabel, vorzugsweise einem Stromübertragungskabel,
kombiniert werden.
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Die
im Wesentlichen kontinuierlichen Verstärkungsfasern haben vorzugsweise
einen durchschnittlichen Durchmesser von wenigstens etwa 5 Mikrometern.
In der Regel beträgt
der Faserdurchmesser maximal etwa 50 Mikrometer, besonders bevorzugt
maximal etwa 25 Mikrometer.
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Bevorzugt
haben die Fasern einen Modul von maximal etwa 1000 GPa und besonders
bevorzugt von maximal etwa 420 GPa. Bevorzugt haben die Fasern einen
Modul von über
etwa 70 GPa.
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Zu
Beispielen von im Wesentlichen kontinuierlichen Fasern, die sich
zur Herstellung von Metallmatrixverbundmaterialien gemäß der vorliegenden
Erfindung eignen können,
gehören
Keramikfasern, wie beispielsweise Metalloxidfasern (beispielsweise
Aluminiumoxidfasern), Siliciumcarbidfasern und Kohlefasern. In der Regel
sind die Keramikoxidfasern kristalline Keramikwerkstoffe und/oder
eine Mischung aus kristallinem Keramikwerkstoff und Glas (d. h.
eine Faser kann sowohl kristalline Keramik- als auch Glasphasen
enthalten).
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Die
Keramikfasern haben vorzugsweise eine durchschnittliche Zugfestigkeit
von wenigstens etwa 1,4 GPa, bevorzugt wenigstens etwa 1,7 GPa,
besonders bevorzugt wenigstens etwa 2,1 GPa und ganz besonders bevorzugt
wenigstens etwa 2,8 GPa. Die Kohlefasern haben vorzugs weise eine
durchschnittliche Zugfestigkeit von wenigstens etwa 1,4 GPa, bevorzugt
wenigstens etwa 2,1 GPa, besonders bevorzugt wenigstens etwa 3,5
GPa und ganz besonders bevorzugt wenigstens etwa 5,5 GPa.
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Kabel
sind auf dem technischen Gebiet der Fasern allgemein bekannt und
meinen mehrere (einzelne) Fasern (in der Regel wenigstens 100 Fasern,
besonders bevorzugt wenigstens 400 Fasern), die in seilartiger Form
gebündelt
sind. Kabel weisen vorzugsweise etwa 780 einzelne Fasern je Kabel
auf, besonders bevorzugt wenigstens 2600 einzelne Fasern je Kabel.
Kabel aus Keramikfasern gibt es in einer Vielfalt von Längen, einschließlich 300
Meter und länger.
Die Fasern können
einen kreisrunden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
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Verfahren
zur Herstellung von Aluminiumoxidfasern sind dem Fachmann bekannt
und beinhalten das Verfahren, das in US-A-4,954,462 offenbart ist.
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Die
Aluminiumoxidfasern sind vorzugsweise polykristalline Fasern auf
alpha-Aluminiumoxidbasis und enthalten – auf einer theoretischen Oxidbasis – mehr als
etwa 99 Gewichtsprozent Al2O3 und
etwa 0,2–0,5
Gewichtsprozent SiO2 auf der Basis des Gesamtgewichts
der Aluminiumoxidfasern. Gemäß einem
anderen Aspekt enthalten bevorzugte polykristalline Fasern auf alpha-Aluminiumoxidbasis
alpha-Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Korngröße von weniger
als 1 Mikrometer (besonders bevorzugt weniger als 0,5 Mikrometer).
Gemäß einem
weiteren Aspekt haben bevorzugte polykristalline Fasern auf alpha-Aluminiumoxidbasis eine
durchschnittliche Zugfestigkeit von wenigstens 1,6 GPa (bevorzugt
wenigstens 2,1 GPa, besonders bevorzugt wenigstens 2,8 GPa). Bevorzugte
alpha-Aluminiumoxidfasern sind auf dem freien Markt unter dem Handelsnamen "NEXTEL 610" von der 3M Company
aus St. Paul, Minnesota, zu beziehen.
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Geeignete
Alumosilicatfasern sind in US-A-4,047,965 beschrieben. Die Alumosilicatfasern
enthalten vorzugsweise – auf
einer theoretischen Oxidbasis – zwischen
etwa 67 und etwa 85 Gewichtsprozent Al2O3 und zwischen etwa 33 und etwa 15 Gewichtsprozent
SiO2 auf der Basis des Gesamtgewichts der
Alumosilicatfasern. Einige bevorzugte Alumosilicatfasern enthalten – auf einer
theoretischen Oxidbasis – zwischen
etwa 67 bis etwa 77 Gewichtsprozent Al2O3 und zwischen etwa 33 bis etwa 23 Gewichtsprozent
SiO2 auf der Basis des Gesamtgewichts der
Alumosilicatfasern. Eine bevorzugte Alumosilicatfaser enthält – auf einer
theoretischen Oxidbasis – etwa
85 Gewichtsprozent Al2O3 und
etwa 15 Gewichtsprozent SiO2 auf der Basis
des Gesamtgewichts der Alumosilicatfasern. Eine weitere bevorzugte
Alumosilicatfaser enthält – auf einer
theoretischen Oxidbasis – etwa
73 Gewichtsprozent Al2O3 und
etwa 27 Gewichtsprozent SiO2 auf der Basis
des Gesamtgewichts der Alumosilicatfasern. Bevorzugte Alumosilicatfasern
sind auf dem freien Markt unter den Handelsnamen "NEXTEL 440" Keramikoxidfasern, "NEXTEL 550" Keramikoxidfasern
und "NEXTEL 720" Keramikoxidfasern
bei der 3M Company zu beziehen.
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Geeignete
Alumoborsilicatfasern sind in US-A-3,795,524 beschrieben. Die Alumoborsilicatfasern
enthalten vorzugsweise – auf
einer theoretischen Oxidbasis – etwa
35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent (besonders bevorzugt
etwa 55 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent) Al2O3; mehr als 0 Gewichtsprozent (besonders
bevorzugt wenigstens etwa 15 Gewichtsprozent) und weniger als etwa
50 Gewichtsprozent (besonders bevorzugt weniger als etwa 45 Prozent
und ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 44 Prozent) SiO2; und mehr als etwa 5 Gewichtsprozent (bevorzugt
weniger als etwa 25 Gewichtsprozent, ganz besonders bevorzugt etwa
1 Gewichtsprozent bis etwa 5 Gewichtsprozent und ganz besonders
bevorzugt etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent) B2O3 auf der Basis
des Gesamtgewichts der Alumoborsilicatfasern. Bevorzugte Alumoborsilicatfasern
sind auf dem freien Markt unter dem Handelsnamen "NEXTEL 312" bei der 3M Company
zu beziehen.
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Geeignete
Siliciumcarbidfasern sind auf dem freien Markt beispielsweise bei
COI Ceramics aus San Diego, Kalifornien, unter dem Handelsnamen "NICALON" in Kabeln aus 500
Fasern, bei Ube Industries aus Japan unter dem Handelsnamen "TYRANNO" und bei Dow Corning
aus Midland, Michigan, unter dem Handelsnamen "SYLRAMIC" zu beziehen.
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Geeignete
Kohlefasern sind auf dem freien Markt beispielsweise bei Amoco Chemicals
aus Alpharetta, Georgia, unter dem Handelsnamen "THORNEL CARBON" in Kabeln aus 2.000, 4.000, 5.000 und
12.000 Fasern, bei der Hexcel Corporation aus Stamford, Connecticut,
bei der Grafil, Inc. aus Sacramento, Kalifornien, (Tochtergesellschaft
der Mitsubishi Rayon Co.) unter dem Handelsnamen "PYROFIL", bei Toray aus Tokyo, Japan,
unter dem Handelsnamen "TORAYCA", bei Toho Rayon
of Japan, Ltd. unter dem Handelsnamen "BESFIGHT", bei der Zoltek Corporation aus St.
Louis, Missouri, unter den Handelsnamen "PANEX" und "PYRON" und bei Inco Special Products aus Wyckoff,
New Jersey, (nickelbeschichtete Kohlefasern) unter den Handelsnamen "12K20" und "12K50" zu beziehen.
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Auf
dem freien Markt erhältliche
Fasern enthalten in der Regel ein organisches Schlichtungsmaterial, das
der Faser während
ihrer Herstellung beigegeben wird, um Lubrizität zu verleihen und die Faserlitzen
während
der Handhabung zu schützen.
Man nimmt an, dass das Schlichten allgemein das Brechen von Fasern mindert,
die statische Elektrizität
verringert und die Menge an Staub beispielsweise während der
Umwandlung in ein Gewebe verringert. Die Schlichte kann beispielsweise
durch Auflösen
oder Wegbrennen entfernt werden. Die Schlichte wird vorzugsweise
entfernt, bevor der Metallmatrixverbunddraht hergestellt wird. Auf
diese Weise sind die Keramikoxidfasern vor der Herstellung des Aluminiummatrixverbunddrahtes
frei von Schlichte.
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Es
fällt auch
in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, dass die Fasern
Beschichtungen aufweisen. Beschichtungen können beispielsweise verwendet
werden, um die Benetzbarkeit der Fasern zu verbessern oder um eine
Reaktion zwischen den Fasern und schmelzflüssigem Metallmatrixmaterial
zu verringern oder zu vermeiden. Solche Beschichtungen und Techniken
zur Herstellung solcher Beschichtungen sind auf dem technischen
Gebiet der Fasern und Metallmatrixverbundmaterialien bekannt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Drähte
enthalten vorzugsweise wenigstens 15 Gewichtsprozent (besonders
bevorzugt, in der Reihenfolge zunehmender Präferenz, wenigstens 20, 25,
30, 35, 40 oder 50 Gewichtsprozent) der Fasern auf der Basis des
Gesamtvolumens der Fasern und des Matrixmaterials. In der Regel
enthalten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Metallmatrixverbunddrähte zwischen etwa 30 bis etwa
70 (bevorzugt etwa 40 bis etwa 60) Gewichtsprozent der Fasern auf
der Basis des Gesamtvolumens der Fasern und des Matrixmaterials.
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Bevorzugte,
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Metallmatrixverbunddrähte haben eine Länge, in
der Reihenfolge zunehmender Präferenz,
von wenigstens etwa 100 Metern, wenigstens etwa 200 Metern, wenigstens
etwa 300 Metern, wenigstens etwa 400 Metern, wenigstens etwa 500
Metern, wenigstens etwa 600 Metern, wenigstens etwa 700 Metern,
wenigstens etwa 800 Metern und wenigstens etwa 900 Metern.
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Der
durchschnittliche Durchmesser des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Drahtes beträgt
bevorzugt wenigstens etwa 0,5 Millimeter (mm), besonders bevorzugt
wenigstens etwa 1 mm und besonders bevorzugt wenigstens etwa 1,5
mm.
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Das
Matrixmaterial kann so ausgewählt
werden, dass es nicht in nennenswerter Weise chemisch mit dem Fasermaterial
reagiert (d. h. dass es chemisch relativ inert bezüglich des
Fasermaterials ist), um beispielsweise eine Schutzbeschichtung auf
der Außenseite
der Faser überflüssig zu
machen. Zu bevorzugten Metallmatrixmaterialien gehören Aluminium,
Zink, Zinn und Legierungen daraus (beispielsweise eine Legierung
aus Aluminium und Kupfer). Besonders bevorzugt enthält das Matrixmaterial
Aluminium und Legierungen daraus. Bei Aluminiummatrixmaterialien
enthält
die Matrix vorzugsweise wenigstens 98 Gewichtsprozent Aluminium,
bevorzugt wenigstens 99 Gewichtsprozent Aluminium, besonders bevorzugt
mehr als 99,9 Gewichtsprozent Aluminium und ganz besonders bevorzugt
mehr als 99,95 Gewichtsprozent Aluminium. Bevorzugte Aluminiumlegierungen
aus Aluminium und Kupfer enthalten wenigstens etwa 98 Gewichtsprozent
Al und bis etwa 2 Gewichtsprozent Cu. Obgleich im Allgemeinen Metalle
von höherer
Reinheit zur Herstellung von Drähten
mit hoher Zugfestigkeit bevorzugt sind, können auch weniger reine Formen
von Metallen verwendet werden.
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Geeignete
Metalle sind auf dem freien Markt erhältlich. Beispielsweise ist
Aluminium unter dem Handelsnamen "SUPER PURE ALUMINUM; 99.99% Al" bei Alcoa aus Pittsburgh,
Pennsylvania, zu beziehen. Aluminiumlegierungen (beispielsweise
Al – 2
Gewichts-% Cu (0,03 Gewichts-% Verunreinigungen) können bei Belmont
Metals, New York, New York, bezogen werden. Zink und Zinn sind beispielsweise
bei Metal Services, St. Paul, Minnesota, zu beziehen ("reines Zink"; 99,999% Reinheit
und "reines Zinn"; 99,95% Reinheit).
Ein Beispiel für
eine Zinnlegierung ist 92 Gewichts-% Sn – 8 Gewichts-% Al (was beispielsweise
hergestellt werden kann, indem man das Aluminium zu einem Bad aus
schmelzflüssigem
Zinn bei 550°C
gibt und die Mischung vor Gebrauch 12 Stunden ruhen lässt). Ein
Beispiel für
eine Zinnlegierung ist 90,4 Gewichts-% Zn – 9,6 Gewichts-% Al (was beispielsweise
hergestellt werden kann, indem man das Aluminium zu einem Bad aus schmelzflüssigem Zink
bei 550°C
gibt und die Mischung vor Gebrauch 12 Stunden ruhen lässt).
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Die
Fasern, das Matrixmaterial und die Verfahrensschritte, die im konkreten
Fall zur Herstellung von Metallmatrixverbunddraht gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, werden so ausgewählt, dass der Metallmatrixverbunddraht
mit den gewünschten
Eigenschaften entsteht. Beispielsweise werden die Fasern und die
Metallmatrixmaterialien so ausgewählt, dass sie ausreichend kompatibel
miteinander und mit dem Drahtherstellungsprozess sind, damit der
gewünschte
Draht entsteht. Weitere Details zu einigen bevorzugten Techniken
zur Herstellung von Aluminium- und Aluminiumlegierungsmatrixverbundwerkstoffen
sind beispielsweise in US-A-6,245,425 und WO-A-97/00976 offenbart.
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Kontinuierlicher
Verbunddraht kann beispielsweise mittels kontinuierlicher Metallmatrixinfiltrationsprozesse
hergestellt werden. Ein Schaubild einer bevorzugten Vorrichtung
für Draht,
der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wird, ist in 1 gezeigt. Kabel von im Wesentlichen
kontinuierlichen Keramik- und/oder
Kohlefasern 51 werden von Zufuhrspulen 50 zugeführt und
werden zu einem kreisrunden Bündel
kollimiert und wärmegereinigt,
während
sie den Röhrenofen 52 durchlaufen.
Die Fasern werden dann in der Vakuumkammer 53 evakuiert,
bevor sie in den Tiegel 54 eintreten, der die Schmelze
aus metallischem Matrixmaterial 61 enthält (im vorliegenden Text auch
als "schmelzflüssiges Metall" bezeichnet). Die
Fasern werden durch den Raupenabzug 55 von den Zufuhrspulen 50 gezogen.
Eine Ultraschallsonde 56 ist in der Schmelze in der Nähe der Faser
angeordnet, um das Infiltrieren der Schmelze in die Kabel 51 zu
unterstützen.
Das schmelzflüssige
Metall des Drahtes kühlt
sich ab und verfestigt sich, nachdem es den Tiegel 54 durch
die Austrittsdüse 57 verlässt, obgleich
eine gewisse Abkühlung
bereits vor dem vollständigen
Verlassen des Tiegels 54 erfolgen kann. Das Abkühlen des
Drahtes 59 wird durch Ströme von Gas oder Flüssigkeit 58 unterstützt. Der
Draht 59 wird auf der Spule 60 aufgerollt.
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Ein
wärmereinigen
der Faser unterstützt
das Entfernen von – oder
das Verringern der Menge an – Schlichte,
adsorbiertem Wasser und sonstigen flüchtigen Materialien, die sich
möglicherweise
auf der Oberfläche
der Fasern befinden. Die Fasern werden vorzugsweise wärmegereinigt,
bis der Kohlenstoffgehalt auf der Oberfläche der Faser auf einen Flächenanteil
von weniger als 22 gesunken ist. In der Regel beträgt die Temperatur
des Röhrenofens
wenigstens etwa 300°C,
besonders bevorzugt wenigstens 1000°C, für eine Dauer von wenigstens
mehreren Sekunden bei Temperatur, obgleich sich die konkreten Temperaturen
und Zeiten beispielsweise nach den Reinigungserfordernissen der
im konkreten Fall verwendeten Faser richten.
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Die
Fasern werden vorzugsweise vor dem Eintritt in die Schmelze evakuiert,
da festgestellt wurde, dass eine solche Evakuierung im Allgemeinen
die Entstehung von Defekten, wie beispielsweise örtlichen Regionen mit trockenen
Fasern, verringert oder ausschließt. Vorzugsweise werden die
Fasern – in
der Reihenfolge zunehmender Präferenz – in einem
Vakuum von maximal 2.666 Pa (20 Torr), maximal 1.333 Pa (10 Torr), maximal
133,3 Pa (1 Torr) und maximal 93,31 Pa (0,7 Torr) evakuiert.
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Ein
Beispiel für
ein geeignetes Vakuumsystem ist eine Eingangsröhre, die so bemessen ist, dass
sie dem Durchmesser des Faserbündels
entspricht. Die Eingangsröhre
kann beispielsweise eine Edelstahl- oder Aluminiumoxidröhre sein
und ist in der Regel wenigstens 30 cm lang. Eine geeignete Vakuumkammer
hat in der Regel einen Durchmesser zwischen etwa 2 cm und etwa 20
cm und eine Länge
zwischen etwa 5 cm und etwa 100 cm. Die Kapazität der Vakuumpumpe beträgt bevorzugt
wenigstens 0,2–0,4
Kubikmeter/Minute. Die evakuierten Fasern werden durch eine Röhre an dem
Vakuumsystem, die in das Aluminiumbad hineinragt, in die Schmelze
eingeführt
(d. h. die evakuierten Fasern sind unter Vakuum, wenn sie in die
Schmelze eingeführt werden),
obgleich sich die Schmelze in der Regel im Wesentlichen bei atmosphärischem
Druck befindet. Der Innendurchmesser der Austrittsröhre entspricht
im Wesentlichen dem Durchmesser des Faserbündels. Ein Abschnitt der Austrittsröhre ist
in das schmelzflüssige
Aluminium eingetaucht. Vorzugsweise sind etwa 0,5–5 cm der
Röhre in
das schmelzflüssige
Metall eingetaucht. Die Röhre
wird so ausgewählt,
dass sie in dem schmelzflüssigen
Metallmaterial stabil bleibt. Als Beispiele für Röhren, die sich in der Regel
eignen, seien Siliciumnitrid- und Aluminiumoxidröhren genannt.
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Die
Infiltration des schmelzflüssigen
Metalls in die Fasern wird in der Regel durch die Verwendung von Ultraschall
gefördert.
Beispielsweise wird ein Schwinghorn dergestalt in dem schmelzflüssigen Metall
angeordnet, dass es sich nahe bei den Fasern befindet. Die Fasern
befinden sich vorzugsweise innerhalb von 2,5 mm zur Hornspitze,
besonders bevorzugt innerhalb 1,5 mm zur Hornspitze. Die Hornspitze
besteht vorzugsweise aus Niob oder Nioblegierungen, wie beispielsweise
95 Gewichts-% Nb – 5
Gewichts-% Mo und 91 Gewichts-% Nb – 9 Gewichts-% Mo. Weitere
Einzelheiten zur Verwendung von Ultraschall zur Herstellung von
Metallmatrixverbundmaterialien finden sich beispielsweise in US-A-4,649,060,
US-A-4,779,563, US-A-4,877,643, US-A-6,245,425 und WO-A-97/00976.
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Das
schmelzflüssige
Metall wird vorzugsweise während
und/oder vor der Infiltration entgast (beispielsweise durch Verringern
der Gasmenge (beispielsweise Wasserstoff), die in dem schmelzflüssigen Metall
aufgelöst
ist). Techniken zum Entgasen von schmelzflüssigem Metall sind auf dem
Gebiet der Metallverarbeitung allgemein bekannt. Das Entgasen der
Schmelze verringert allgemein die Gasporosität im Draht. Bei schmelzflüssigem Aluminium
beträgt
die Wasserstoffkonzentration der Schmelze vorzugsweise – in der
Reihenfolge zunehmender Präferenz – weniger
als 0,2, 0,15 und 0,1 cm3/100 Gramm Aluminium.
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Die
Austrittsdüse
ist so konfiguriert, dass die den gewünschten Drahtdurchmesser erbringt.
In der Regel ist es erwünscht,
dass der Draht entlang seiner Länge
gleichmäßig rund
ist. Der Durchmesser der Austrittsdüse ist gewöhnlich geringfügig kleiner
als der Durchmesser des Drahtes. Beispielsweise ist der Durchmesser einer
Siliciumnitrid-Austrittsdüse
für einen
Aluminiumverbunddraht mit etwa 50 Volumenprozent Aluminiumoxidfasern
etwa 3 Prozent kleiner als der Durchmesser des Drahtes. Die Austrittsdüse besteht
vorzugsweise aus Siliciumnitrid, obgleich auch andere Materialien
geeignet sein können.
Zu anderen Materialien, die auf diesem technischen Gebiet bereits
als Austrittsdüsen
verwendet wurden, gehört
herkömmliches
Aluminiumoxid. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, dass Siliciumnitrid-Austrittsdüsen bedeutend
weniger verschleißen
als herkömmliche
Aluminiumoxid-Düsen
und daher besser dafür
geeignet sind, den gewünschten
Durchmesser und die gewünschte
Form des Drahtes – insbesondere über Längenabschnitte
des Drahtes hinweg – herzustellen.
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Der
Draht wird nach dem Verlassen der Austrittsdüse gekühlt, indem der Draht mit einer
Flüssigkeit (beispielsweise
Wasser) oder einem Gas (beispielsweise Stickstoff, Argon oder Luft)
in Kontakt gebracht wird. Eine solche Kühlung unterstützt die
Herstellung der gewünschten
Rundheits- und Gleichmäßigkeitseigenschaften.
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Der
durchschnittliche Durchmesser des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Drahtes beträgt vorzugsweise
wenigstens 1 mm, besonders bevorzugt wenigstens 1,5 mm, 2 mm, 2,5
mm, 3 mm oder 3,5 mm.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Metallmatrixverbunddrähte können in einer Vielzahl von
Anwendungen eingesetzt werden. Besonders geeignet sind sie für Stromversorgungsfreileitungen.
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Ohne
durch theoretische Erwägen
gebunden sein zu wollen, ist die Steuerung des Durchmessers bei herkömmlichen
Metalldrähten
wichtig, weil die Änderung
der Zugfestigkeit des Drahtes direkt zur Änderung der Querschnittsfläche des
Drahtes proportional ist. Ohne durch theoretische Erwägen gebunden
sein zu wollen, wird hingegen bei Verbundmaterialien die Zugfestigkeit
des Verbunddrahtes zum großen
Teil durch die Fasermenge bestimmt, die in dem Draht enthalten ist,
und nicht durch eine Änderung
der Querschnittsfläche.
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Ein
Kabel kann kombinierten Zug- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt
sein, die ihrerseits zu einer Längung
(auch als Dehnung bezeichnet) des Materials (beispielsweise Drähte), aus
dem das Kabel besteht, führt.
Dem Fachmann ist klar, dass die Gesamtdehnung die Überlagerung
der Dehnungskomponenten infolge der verschiedenen mechanischen Beanspruchungen
(beispielsweise Zug-, Torsions- und Biegebeanspruchungen) ist, die
auf das Material einwirken. Während
die Zugkomponente der Dehnung über
den ganzen Drahtquerschnitt hinweg gleichmäßig ist, ist die Biegekomponente
der Dehnung über
den Drahtquerschnitt hinweg ungleichmäßig, wobei die höchsten Werte
an den Außendurchmessern
des Querschnitts auftreten und der kleinste Werte an der Mittelachse
des Drahtes auftritt. Infolge dessen kann jede Änderung des Drahtdurchmessers
zu einer Änderung
der Biegebeanspruchung führen,
die auf den Draht einwirkt. Wenn die Gesamtdehnung, die auf das
Material einwirkt, einen bestimmten Wert übersteigt, der als "Bruchdehnung" bezeichnet wird,
so reißt
das Material und wird zer stört.
Bei Metallmatrixverbundmaterialien kann unter starken Belastungssituationen,
bei denen große
Zugbeanspruchungen mit Biegebeanspruchungen kombiniert sind, die Änderung
des Durchmessers zu einem vorzeitigen Ausfall des Drahtes innerhalb
des Kabels an der Stelle der größten Belastung
führen.
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Der
Durchmesser des Drahtes ist auch aus geometrischen Gründen von
Bedeutung. Die Verfügbarkeit von
Drähten
mit einem runden Querschnitt ist wünschenswert, um das Packen
innerhalb des Kabels zu optimieren. Des weiteren kann eine Änderung
des Durchmessers einzelner Drähte
zu einer unerwünschten Änderung
des Gesamtkabels selbst führen.
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Kabel
können
homogen sein (d. h. nur einen einzigen Typ Metallmatrixverbunddraht
enthalten) oder inhomogen sein (d. h. mehrere Sekundärdrähte, wie
beispielsweise Metalldrähte,
enthalten). Als ein Beispiel für
ein inhomogenes Kabel kann der Kern mehrere Drähte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurden, mit einem Mantel enthalten, der mehrere Sekundärdrähte (beispielsweise
Aluminiumdrähte)
enthält.
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Die
Kabel können
verseilt sein. Ein verseiltes Kabel enthält in der Regel einen mittigen
Draht und eine erste Schicht aus Drähten, die schraubenförmig um
den mittigen Draht herum verseilt sind. Das Kabelverseilen ist ein
Prozess, bei dem einzelne Litzen aus Draht in einer schraubenförmigen Anordnung
so miteinander kombiniert werden, dass ein fertiges Kabel entsteht
(siehe beispielsweise US-A-5,171,942 und US-A-5,554,826. Das resultierende
schraubenförmig
gelitzte Drahtseil ist viel flexibler als eine massive Ader von
vergleichbarem Querschnitt. Die schraubenförmige Anordnung ist außerdem von
Vorteil, weil das verseilte Kabel seine insgesamt runde Querschnittsgestalt
beibehält,
wenn das Kabel während
der Handhabung, der Installation und der Verwendung gebogen wird.
Schraubenförmig
gewundene Kabel können
von nur 7 einzelnen Litzen bis hin zu gebräuchlicheren Konstruktionen
mit 50 oder mehr Litzen enthalten.
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Ein
beispielhaftes Stromübertragungskabel
ist in 2 gezeigt, wo ein Stromübertragungskabel 130 einen
Kern 132 aus neunzehn einzelnen Metallmatrixverbunddrähten 134 enthält, der
von einer Ummantelung 136 aus dreißig einzelnen Aluminium- oder
Aluminiumlegierungsdrähten 138 umgeben
ist. Gleichermaßen kann,
wie in 3 gezeigt, als eine von vielen Alternativen, die
Stromübertragungsfreileitung 140 einen
Kern 142 aus siebenunddreißig einzelnen Metallmatrixverbunddrähten 144 enthalten,
der von einer Ummantelung 146 aus einundzwanzig einzelnen
Aluminium- oder Aluminiumlegierungsdrähten 148 umgeben ist.
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4 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
des verseilten Kabels 80. Bei dieser Ausführungsform
enthält
das verseilte Kabel einen mittigen Metallmatrixverbunddraht 81A und
eine erste Schicht 82A aus Metallmatrixverbunddrähten, die
schraubenförmig
um den mittigen Metallmatrixverbunddraht 81A gewunden sind.
Diese Ausführungsform
enthält
des Weiteren eine zweite Schicht 82B aus Metallmatrixverbunddrähten 81,
die schraubenförmig
um die erste Schicht 82A gelitzt sind. Jede Schicht kann
eine beliebige geeignete Anzahl an Metallmatrixverbunddrähten 81 enthalten.
Des Weiteren können
gewünschtenfalls
mehr als zwei Schichten in das verseilte Kabel 80 eingebaut
werden.
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Die
Kabel können
als unisolierte Kabel verwendet werden, oder sie können als
der Kern eines Kabels mit größerem Durchmesser
verwendet werden. Des Weiteren können
die Kabel ein verseiltes Kabel aus mehreren Drähten mit einem Haltemittel
um die mehreren Drähte
herum sein. Das Haltemittel kann beispielsweise ein herumgewickeltes
Band, wie beispielsweise in 4 als 83 gezeigt,
gegebenenfalls mit Klebstoff versehen, oder ein Binder sein.
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Verseilte
Kabel sind für
zahlreiche Anwendungen brauchbar. Wir glauben, dass sich solche
verseilten Kabel dank ihrer Kombination aus geringem Gewicht, hoher
Festigkeit, guter elektrischer Leitfähigkeit, geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
hohen Arbeitstemperaturen und Korrosionsbeständigkeit besonders zur Verwendung
in Stromübertragungsfreileitungen
eignen.
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Eine
Endansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Übertragungskabels 90 ist
in 5 veranschaulicht. Ein solches Übertragungskabel
enthält
einen Kern 91, bei dem es sich um einen beliebigen der
im vorliegenden Text beschriebenen gelitzten Kerne handeln kann.
Die Stromübertragungskabel 90 enthält des Weiteren
wenigstens eine Leiterschicht um den gelitzten Kern 91.
Wie veranschaulicht, enthält
das Stromübertragungskabel
zwei Leiterschichten 93A und 93B. Gewünschtenfalls
können
mehr Leiterschichten verwendet werden. Jede Leiterschicht enthält vorzugsweise
mehrere Leiterdrähte,
wie dem Fachmann bekannt ist. Zu geeigneten Materialien für die Leiterdrähte gehören Aluminium
und Aluminiumlegierungen. Die Leiterdrähte können mittels geeigneter Kabelverseilungsmaschinen
um den gelitzten Kern 91 herum verseilt werden, wie dem
Fachmann bekannt ist.
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In
anderen Anwendungen, bei denen das verseilte Kabel als ein Fertigprodukt
für sich
verwendet werden soll, oder bei denen es als ein Zwischenprodukt
oder als Zwischenkomponente in einem anderen nachfolgenden Produkt
verwendet werden soll, ist es bevorzugt, dass das verseilte Kabel
keine Stromleiterschichten um die mehreren Metallmatrixverbunddrähte 81 herum
aufweist.
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Weitere
Einzelheiten zu Kabeln aus Metallmatrixverbunddrähten sind beispielsweise in US-A-6,559,385,
US-A- 6,245,425 und
WO-A-97/00976 offenbart. Weitere Einzelheiten zur Herstellung von Metallmatrixverbundmaterialien
und Kabeln, die solche Metallmatrixverbundmaterialien enthalten,
sind beispielsweise in EP-A-1301643, EP-A-1301644 und EP-A-1301645
offenbart.
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Beispiele
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Diese
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht,
aber die konkreten Materialien und Mengen, die in diesen Beispielen
genannt werden, sowie sonstige Bedingungen und Einzelheiten dürfen nicht
so ausgelegt werden, dass sie diese Erfindung in unzulässiger Weise
einschränken.
Dem Fachmann fallen verschiedene Modifizierungen und Änderungen
der Erfindung ein. Alle Teile und Prozentangaben erfolgen nach Gewicht,
sofern nichts anderes angegeben ist.
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Testabläufe
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Rundheitswert
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Der
Rundheitswert, der ein Maß dafür ist, wie
sehr die Gestalt des Drahtquerschnitts einem Kreis ähnelt, ist
definiert durch das Mittel der einzelnen Rundheitswerte über eine
bestimmte Länge
hinweg. Die einzelnen Rundheitswerte zum Errechnen des Mittels wurden
folgendermaßen
unter Verwendung eines rotierenden Lasermikrometers (bei der Zumbach
Electronics Corp., Mount Kisco, New York, unter dem Handelsnamen "ODAC 30J ROTATING
LASER MICROMETER" erworben;
Software: "USYS-100", Version BARU13A3)
bestimmt, das so eingestellt wurde, dass das Mikrometer den Drahtdurchmesser
alle 100 ms während
jeder Drehung von 180° aufzeichnete.
Jeder Bestreichungsvorgang von 180° nahm 10 Sekunden in Anspruch.
Das Mikrometer sandte einen Bericht der Daten von jeder 180°-Drehung
zu einer Prozessdatenbank. Der Bericht enthielt das Minimum, das
Maximum und den Durchschnitt der 100 Datenpunkte, die während des Rotationszyklus' erfasst wurden.
Die Drahtgeschwindigkeit betrug 1,5 Meter/Minute (5 Fuß/Minute).
Ein einzelner Rundheitswert war das Verhältnis des kleinsten Durchmessers
zum größten Durchmesser
für die
100 Datenpunkte, die während
des Rotationszyklus' erfasst
wurden. Der Rundheitswert war das Mittel der gemessenen einzelnen
Rundheitswerte über
eine bestimmte Länge
hinweg. Ein einzelner durchschnittlicher Rundheitswert war der Durchschnitt
der 100 Datenpunkte.
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Rundheitsgleichmäßigkeitswert
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Der
Rundheitsgleichmäßigkeitswert,
welcher der Koeffizient der Abweichung in den gemessenen einzelnen
Rundheitswerten über
eine bestimmte Länge
hinweg ist, ist das Verhältnis
der Standardabweichung der gemessenen einzelnen Rundheitswerte,
geteilt durch das Mittel der gemessenen einzelnen Rundheitswerte. Die
Standardabweichung wurde gemäß der folgenden
Gleichung bestimmt:
wobei:
n
= die Anzahl der Stichproben in der Population (d. h. für das Berechnen
der Standardabweichung der gemessenen einzelnen Rundheitswerte zum
Bestimmen des Durchmessergleichmäßigkeitswertes
ist n die Anzahl der gemessenen einzelnen Rundheitswerte über eine
bestimmte Länge
hinweg), und
x = der gemessene Wert der Stichprobenpopulation
(d. h. für
das Berechnen der Standardabweichung der gemessenen einzelnen Rundheitswerte
zum Bestimmen des Durchmessergleichmäßigkeitswertes ist x die die gemessenen
einzelnen Rundheitswerte über
die bestimmte Länge
hinweg).
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Die
gemessenen einzelnen Rundheitswerte zum Bestimmen des Mittels wurden
wie oben für
den Rundheitswert beschrieben erhalten.
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Durchmessergleichmäßigkeitswert
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Der
Durchmessergleichmäßigkeitswert,
welcher der Koeffizient der Abweichung in dem gemessenen durchschnittlichen
Durchmesser über
eine bestimmte Länge
hinweg ist, ist definiert durch das Verhältnis der Standardabweichung
der gemessenen einzelnen durchschnittlichen Durchmesser, geteilt
durch das Mittel der gemessenen einzelnen durchschnittlichen Durchmesser.
Der gemessene einzelne durchschnittliche Durchmesser ist der Durchschnitt
der 100 Datenpunkte, die wie oben für die Rundheitswerte beschrieben
erhalten wurden. Die Standardabweichung wurde mittels der Gleichung
(1) bestimmt.
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Beispiel 1
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Der
Aluminiumverbunddraht von Beispiel 1 wurde folgendermaßen hergestellt.
Wenden wir uns 1 zu. Zweiunddreißig Kabel
aus Aluminiumoxidfasern mit 3000 Denier (von der 3M Company unter
dem Handelsnamen "NEXTEL
610" erhältlich;
im Produktprospekt von 1996 wurde der Young-Modul mit 373 GPa angegeben)
wurden zu einem kreisrunden Bündel
kollimiert. Das kreisrunde Bündel
wurde wärmegereinigt,
indem es mit einer Rate von 1,5 m/min durch einen 1 Meter langen
Röhrenofen
(bei ATS, Tulsa, Oklahoma, bezogen) in Luft bei 1000°C geführt wurde.
Das kreisrunde Bündel
wurde dann bei 133,3 Pa (1,0 Torr) evakuiert, indem das Bündel durch
eine Aluminiumoxid-Eingangsröhre
(2,7 mm Durchmesser, 30 cm Länge;
im Durchmesser an den Durchmesser des Faserbündels angepasst) in eine Vakuumkammer
(6 cm Durchmesser; 20 cm Länge)
hineingeführt
wurde. Die Vakuumkammer war mit einer mechanischen Vakuumpumpe mit einer Pumpkapazität von 0,4
m3/min ausgestattet. Nach dem Verlassen
der Vakuumkammer traten die evakuierten Fasern durch eine Aluminiumoxidröhre (2,7
mm Innendurchmesser und 25 cm Länge),
die teilweise (etwa 5 cm) in das schmelzflüssige Aluminiumbad hineinragte,
in ein schmelzflüssiges
Aluminiumbad ein. Das schmelzflüssige
Aluminiumbad wurde hergestellt, indem Aluminium (99,94% reines Al;
bei NSA ALUMINUM, HAWESVILLE, Kentucky, bezogen) bei 726°C geschmolzen
wurde. Das schmelzflüssige
Aluminium wurde bei etwa 726°C
gehalten und wurde kontinuierlich entgast, indem Argongas mit 800
cm3/min durch eine poröse Siliciumcarbidröhre (bei
der Stahl Specialty Co., Kingsville, Missouri, bezogen), die in
das Aluminiumbad eingetaucht war, eingeblasen wurde. Der Wasserstoffgehalt
des schmelzflüssigen
Aluminiums wurde gemessen, indem eine Probe des schmelzflüssigen Aluminiums
in einem Kupfertiegel mit einem 0,64 cm × 12,7 cm × 7,6 cm messenden Hohlraum
abgeschreckt wurde und der entstandene verfestigte Aluminiumblock
mittels einer standardisierten Massenspektrometertestanalyse (bei
der LECO Corp., St. Joseph, Michigan, bezogen) auf seinen Wasserstoffgehalt
hin analysiert wurde.
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Die
Infiltration des schmelzflüssigen
Aluminiums in das Faserbündel
wurde durch Verwendung von Ultraschallinfiltration unterstützt. Die
Ultraschallschwingungen wurden durch einen Wellenleiter zugeführt, der
an einen Ultraschallwandler angeschlossen war (bei Sonics & Materials, Danbury,
Connecticut, bezogen). Der Wellenleiter bestand aus einem zylindrischen
Stab aus 91 Gewichts-% Nb – 9
Gewichts-% Mo mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von
90 mm, der mit einer mittigen, 10 mm messenden Schraube angebracht
war, die an einen 482 mm langen, 25 mm durchmessenden Titanwellenleiter
(90 Gewichts-% Ti – 6
Gewichts-% Al – 4
Gewichts-% V) angeschraubt war. Der Stab aus Nb – 9 Gewichts-% Mo wurde von
der PMTI, Inc., Large, Pennsylvania, geliefert. Der Niobstab wurde
innerhalb von 2,5 mm von der Mittelachse des Faserbündels angeordnet.
Der Wellenleiter wurde bei 20 kHz mit einem Versatz von 20 Mikrometern
an der Spitze betrieben. Das Faserbündel wurde mittels eines Raupenabzugs
(bei Tulsa Power Products, Tulsa, Oklahoma, bezogen), der mit einer
Geschwindigkeit von 1,5 Meter/Minute arbeitete, durch das schmelzflüssige Aluminiumbad
gezogen.
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Das
mit Aluminium infiltrierte Faserbündel verließ den Tiegel durch eine Siliciumnitrid-Austrittsdüse (Innendurchmesser
2,5 mm, Außendurchmesser
19 mm und Länge
12,7 mm; bei der Branson and Bratton, Inc., Burr Ridge, Illinois,
bezogen). Nach dem Verlassen des schmelzflüssigen Aluminiumbades wurde
das Abkühlen
des Drahtes unter Verwendung zweier Stickstoffgasströme unterstützt. Genauer
gesagt, wurden zwei verschlossene Röhren mit Innendurchmessern
von 4,8 mm jeweils an den Seiten mit fünf Löchern durchbrochen. Die Löcher hatten
einen Durchmesser von 1,27 mm und waren auf eine Länge von
30 mm um jeweils 6 mm voneinander beabstandet. Stickstoffgas strömte mit
einer Strömungsrate
von 100 Litern/Minute durch die Röhren und trat durch die kleinen
seitlichen Löcher
aus. Das erste Loch in jeder Röhre
befand sich etwa 50 mm von der Austrittsdüse entfernt und etwa 6 mm von
dem Draht entfernt. Die Röhren
waren jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten des Drahtes angeordnet. Der Draht wurde dann auf eine Spule
aufgewickelt. Die Zusammensetzung der Aluminiummatrix des Beispiels
1 wurde mittels Induktionskopplungsplasma-Analyse folgendermaßen bestimmt:
0,03 Gewichts-% Fe, 0,02 Gewichts-% Nb, 0,03 Gewichts-% Si, 0,01
Gewichts-% Zn, 0,003 Gewichts-% Cu, und der Rest Al. Während der
Drahtherstellung betrug der Wasserstoffgehalt des Aluminiumbades
etwa 0,07 cm3/100 g Aluminium.
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Es
wurden vierzehn separate Chargen des Aluminiumverbunddrahtes hergestellt.
Der Durchmesser der Drähte
betrug 2,5 mm. Bei jedem Produktionsdurchgang wurden wenigstens
300 Meter Draht hergestellt. Der Faservolumenanteil wurde mittels
einer standardmäßigen metall ografischen
Technik gemessen. Der Drahtquerschnitt wurde poliert, und der Faservolumenanteil
wurde mittels der Dichtprofilierungsfunktionen mit Hilfe eines Computerprogramms
namens NIH IMAGE (Version 1.61) gemessen: ein öffentlich zugängliches Bildbearbeitungsprogramm,
das von der Research-Services-Abteilung der National Institutes
of Health entwickelt wurde (von der Website http://rsb.info.nih.gov/nih-image/
heruntergeladen). Diese Software maß die mittlere Graustufenintensität einer
repräsentativen
Fläche
des Drahtes.
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Für jeden
Durchgang wurde ein Stück
des Drahtes in Montageharz eingebettet (bei der Buehler, Inc., Lake
Bluff, Illinois, unter dem Handelsnamen "EPOXICURE" bezogen). Der befestigte Draht wurde
mittels einer herkömmlichen
Schleif- und Poliermaschine und herkömmlichen Diamantschlämmen poliert,
wobei beim abschließenden
Polierschritt eine Diamantschlämme
mit einer Korngröße von 1
Mikrometer verwendet wurde (bei Struers, West Lake, Ohio, unter
dem Handelsnamen "DIAMOND
SPRAY" bezogen),
um einen polierten Querschnitt des Drahtes zu erhalten. Mit einem
Elektronenrastermikroskop (ERM) wurde eine Fotomikrografie des polierten
Drahtquerschnitts mit 150-facher Vergrößerung aufgenommen. Bei der
Aufnahme der ERM-Fotomikrografien wurde der Schwellenwert des Bildes
so eingestellt, dass alle Fasern eine Intensität von null aufwiesen, so dass
ein binäres
Bild entstand. Die ERM-Fotomikrografie wurde mittels der NIH IMAGE-Software analysiert,
und der Faservolumenanteil wurde durch Dividieren der mittleren
Intensität
des binären
Bildes durch die maximale Intensität erhalten. Die Genauigkeit
dieses Verfahrens zum Bestimmen des Faservolumenanteils wurde mit ±2% veranschlagt.
Der durchschnittliche Fasergehalt des Drahtes wurde mit 54 Volumenprozent
ermittelt.
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Die
Drahtrundheit, der Rundheitsgleichmäßigkeitswert und der Durchmessergleichmäßigkeitswert wurden
wie oben beschrieben in Intervallen von 100 Metern, 300 Metern und
verschiedenen anderen Längen gemessen.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 1, 2 und 3 wiedergegeben.
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Vergleichsbeispiel A
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Es
wurden zwölf
separate Chargen aus Aluminiummatrixverbunddraht mit einer Länge von
wenigstens 300 Metern im Wesentlichen wie in Beispiel 2 von WO-A-97/00976
beschrieben hergestellt, nur dass sechsunddreißig Kabel aus 1500-Denier-Faser
("NEXTEL 610") verwendet wurden,
der Durchmesser des Drahtes 2,0 mm betrug und der Fasergehalt des
Drahtes 45 Volumenprozent betrug.
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Die
Drahtrundheit, der Rundheitsgleichmäßigkeitswert und der Durchmessergleichmäßigkeitswert wurden
wie oben beschrieben in Intervallen von 100 Metern, 300 Metern und
verschiedenen anderen Längen gemessen.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 4, 5 und 6 wiedergegeben.
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Vergleichsbeispiel B
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Bei
dem Vergleichsbeispiel B handelte es sich um einen 300 Meter langen
Abschnitt eines Aluminiummatrixverbunddrahtes, der bei der Nippon
Carbon Co. bezogen wurde. Laut Angabe wurde der Draht unter Verwendung
von SiC-Fasern hergestellt (ehemals von der Dow Corning (nun von
COI Ceramics, San Diego, Kalifornien) erhältlich unter dem Handelsnamen "HI-NICALON"). Der Fasergehalt
des Drahtes wurde wie in Beispiel 1 beschrieben auf einen Wert von
52,5 Volumenprozent bestimmt. Der Durchmesser des Drahtes betrug
0,082 mm.
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Die
Drahtrundheit, der Rundheitsgleichmäßigkeitswert und der Durchmessergleichmäßigkeitswert wurden
wie oben beschrieben über
eine Länge
von 100 Metern auf Werte von 0,869, 2,45% bzw. 1,08% bestimmt, über eine
Länge von
300 Metern auf Werte von 0,872, 2,56% bzw. 1,08% bestimmt und über eine
Länge von
474 Metern auf Werte von 0,877, 2,58% bzw. 1,03% bestimmt.
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Vergleichsbeispiel
C
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Es
wurden zwanzig separate Chargen aus Aluminiummatrixverbunddraht
mit einer Länge
von wenigstens 300 Metern im Wesentlichen wie in Beispiel 2 von
WO-A-97/00976 beschrieben hergestellt, nur dass vierundfünfzig Kabel
aus 1500-Denier-Faser ("NEXTEL
610") verwendet
wurden, der Durchmesser des Drahtes 2,5 mm betrug und der Fasergehalt
des Drahtes 45 Volumenprozent betrug.
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Die
Drahtrundheit, der Rundheitsgleichmäßigkeitswert und der Durchmessergleichmäßigkeitswert wurden
wie oben beschrieben in Intervallen von 100 Metern, 300 Metern und
verschiedenen anderen Längen gemessen.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 7, 8 und 9 wiedergegeben.
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Vergleichsbeispiel D
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Es
wurden zehn separate Chargen aus Aluminiummatrixverbunddraht mit
einer Länge
von wenigstens 300 Metern im Wesentlichen wie in Beispiel 2 von
WO-A-97/00976 beschrieben hergestellt, nur dass sechsundachtzig
Kabel aus 1500-Denier-Faser ("NEXTEL
610") verwendet
wurden, der Durchmesser des Drahtes 3,0 mm betrug und der Fasergehalt
des Drahtes 45 Volumenprozent betrug.
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Die
Drahtrundheit, der Rundheitsgleichmäßigkeitswert und der Durchmessergleichmäßigkeitswert wurden
wie oben beschrieben in Intervallen von 100 Metern, 300 Metern und
verschiedenen anderen Längen gemessen.
Die Ergeb nisse sind in den folgenden Tabellen 10, 11 und 12 wiedergegeben.
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Dem
Fachmann fallen verschiedene Modifikationen und Änderungen an dieser Erfindung
ein, ohne dass der Geltungsbereich dieser Erfindung verlassen wird,
und es versteht sich, dass diese Erfindung nicht in unzulässiger Weise
auf die im vorliegenden Text dargestellten veranschaulichenden Ausführungsformen
beschränkt
werden darf.