(57)【要約】アルミニウムを含むマトリックス内に被包されたセラミックオキシド繊維から製造されたワイヤー（１３４）およびケーブル（１３０）。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを含むマトリックス中に複数の繊維を含むアルミニウムマトリックス複合物品であって、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含み、さらに前記ワイヤーが−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有するアルミニウムマトリックス複合物品。
【請求項２】
伸長された金属複合物品を含む、請求項１に記載のアルミニウムマトリックス複合物品。
【請求項３】
アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーであって、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含み、さらに前記ワイヤーが−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有するアルミニウムマトリックス複合ワイヤー。
【請求項４】
前記マトリックスの全重量を基準にして、前記マトリックスが少なくとも９９．９５ｗｔ％のアルミニウムを含む、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項５】
前記繊維の数で少なくとも約８５％が略連続的である、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項６】
前記それぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして、前記ＳｉＯ２が少なくとも約１５ｗｔ％の量で存在する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項７】
前記それぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして、前記Ｂ２Ｏ３が約２５ｗｔ％未満の量で存在する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項８】
前記ワイヤーの全体積を基準にして、約６５体積％以下の前記繊維を含む、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項９】
前記ワイヤーの全体積を基準にして、少なくとも約１５体積％の前記繊維を含む、請求項８に記載のワイヤー。
【請求項１０】
前記ワイヤーの全体積を基準にして、約５５体積％以下の前記繊維を含む、請求項９に記載のワイヤー。
【請求項１１】
前記ワイヤーの全体積を基準にして、約２８体積％〜約５０体積％の前記繊維を含む、請求項１０に記載のワイヤー。
【請求項１２】
図１のグラフの線１または２により表わされる熱膨張特性を有する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項１３】
少なくとも約４２ＧＰａの弾性率を有する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項１４】
約４８ＧＰａ〜約８４ＧＰａの弾性率を有する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項１５】
約２．５％以下の平均破壊歪を有する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項１６】
約１．２％以下の平均破壊歪を有する、請求項１５に記載のワイヤー。
【請求項１７】
約１．０％以下の平均破壊歪を有する、請求項１６に記載のワイヤー。
【請求項１８】
全繊維分率に対する理論的繊維破壊歪の値の少なくとも約９０％の長手方向引張歪を有する、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項１９】
３５体積％以下の繊維の繊維分率に対する理論的繊維破壊歪の値の少なくとも約９５％の長手方向引張歪を有する、請求項１８に記載のワイヤー。
【請求項２０】
さらに、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％の範囲のＢ２Ｏ３を含む、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項２１】
前記ワイヤーの長さが少なくとも約３００メートルである、請求項３に記載のワイヤー。
【請求項２２】
アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーの製造方法であって、
溶融マトリックス材料の含有体積を提供する工程と、
複数の略連続的な繊維を前記溶融マトリックス材料の含有体積中に浸漬する工程であって、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む工程と、
超音波エネルギーを付与して、前記溶融マトリックス材料の含有体積の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された、湿った複数の繊維が提供されるように、前記溶融マトリックス材料の少なくとも一部が前記複数の繊維中に浸透してそれを湿らすのを許容する工程と、
前記溶融マトリックス材料が凝固して複数の繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供するのを許容する条件下で、前記浸透された、湿った複数の繊維を、前記溶融マトリックス材料の含有体積から取り出す工程であって、前記繊維がアルミニウムを含むマトリックス中で、略連続的に、長手方向に配置され、前記ワイヤーが−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有する工程と、
を含む方法。
【請求項２３】
アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含む少なくとも１つのアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを含むケーブルであって、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い量のＢ２Ｏ３を含み、さらに前記ワイヤーが−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有するケーブル。
【請求項２４】
前記マトリックスの全重量を基準にして、前記マトリックスが少なくとも９９．９５ｗｔ％のアルミニウムを含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項２５】
前記繊維の数で少なくとも約８５％が略連続的である、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項２６】
ＳｉＯ２が少なくとも約１５ｗｔ％の量で存在する、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項２７】
Ｂ２Ｏ３が約２５ｗｔ％未満の量で存在する、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項２８】
前記ワイヤーが図１のグラフの線１または２により表わされる熱膨張特性を有する、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項２９】
少なくとも約１５体積％の繊維を含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項３０】
約６５体積％以下の繊維を含む、請求項２９に記載のケーブル。
【請求項３１】
約２８体積％〜約５０体積％の繊維を含む、請求項３０に記載のケーブル。
【請求項３２】
複数の非ストランドワイヤーを含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項３３】
約１０５ＧＰａ以下のケーブル弾性率を有する、請求項３２に記載のケーブル。
【請求項３４】
少なくとも約４２ＧＰａのケーブル弾性率を有する、請求項３３に記載のケーブル。
【請求項３５】
約４９ＧＰａ〜約８４ＧＰａのケーブル弾性率を有する、請求項３４に記載のケーブル。
【請求項３６】
複数のストランドワイヤーを含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項３７】
前記ワイヤーがらせん状ストランドである、請求項３６に記載のケーブル。
【請求項３８】
さらに、複数の第二ワイヤーを含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項３９】
前記第二ワイヤーが金属ワイヤーである、請求項３８に記載のケーブル。
【請求項４０】
前記金属ワイヤーがアルミニウムワイヤーである、請求項３９に記載のケーブル。
【請求項４１】
コアおよびシェルを含み、前記コアが前記複合ワイヤーを含み、そして前記シェルが前記第二ワイヤーを含む、請求項３８に記載のケーブル。
【請求項４２】
さらにテープオーバーラップを含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項４３】
理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がさらに、約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％の範囲のＢ２Ｏ３を含む、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項４４】
前記ワイヤーが少なくとも約３００メートルの長さを有する、請求項２３に記載のケーブル。
【請求項４５】
アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置されたセラミックオキシド繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーであって、前記セラミックオキシド繊維が約１７３ＧＰａ以下の弾性率を有し、さらに前記ワイヤーが約１０５ＧＰａ以下の弾性率を有するアルミニウムマトリックス複合ワイヤー。
【請求項４６】
前記ワイヤーが少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有する、請求項４５に記載の複合ワイヤー。
【請求項４７】
前記繊維が約６９ＧＰａより大きい弾性率を有する、請求項４５に記載の複合ワイヤー。
【請求項４８】
前記繊維が少なくとも約１４００ＭＰａの平均引張強さを有する、請求項４５に記載の複合ワイヤー。
【請求項４９】
理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む、請求項４５に記載の複合ワイヤー。
【請求項５０】
少なくとも約２１％ＩＡＣＳの導電率を有する、請求項４５に記載の複合ワイヤー。
【請求項５１】
アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置されたセラミックオキシド繊維を含む少なくとも１つのアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを含むケーブルであって、前記繊維が約２４０ＧＰａ以下の弾性率を有し、さらに前記ワイヤーが約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有するケーブル。
【請求項５２】
前記繊維が約１７３ＧＰａ以下の弾性率を有する、請求項５１に記載のケーブル。
【請求項５３】
前記繊維が約６９ＧＰａより大きい弾性率を有する、請求項５２に記載のケーブル。
【請求項５４】
前記繊維が少なくとも約１４００ＭＰａの平均引張強さを有する、請求項５２に記載のケーブル。
【請求項５５】
理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む、請求項５２に記載のケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
政府の実施権
米国政府は、本発明に関する納付済み実施権を有し、米国国防総省高等研究計画局（Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｊｅｃｔｓ　Ａｇｅｎｃｙ）（ＤＡＲＰＡ）により与えられた契約番号ＭＤＡ　９７２−９０−Ｃ−００１８の条件によって提供されるような正当な条件において、特許所有者が他者を認可することを必要とする制限された事由における権利を有する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、アルミニウムマトリックス内で略連続的なセラミックオキシド繊維により強化された複合ワイヤー、およびかかるワイヤーを組み入れているケーブルに関する。
【０００３】
発明の背景
金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）は、低い重量と組み合わせられたそれらの高い強度と剛性の組み合わせのため、有望な材料として認識されている。ＭＭＣは典型的に、繊維により強化された金属マトリックスを含む。繊維の選択において、高い強度、高い弾性率および低い熱膨張係数を有する強化繊維が望まれることが広く一般に認められている。
【０００４】
裸架空送電ケーブルにおける強化要素としての、ワイヤーの形状での金属マトリックス複合材料の使用は、特に興味深い。負荷増加および調節解除のための電力潮流における変化のため、現行の伝達基盤構造のパワー伝達能力を増加させる必要により、かかるケーブルにおける新材料が必要とされている。かかる新材料に関する所望の性能要求条件としては、耐腐食性、耐環境性（例えば、ＵＶおよび湿度）、高温における強度の保持、および耐クリープ性が含まれる。
【０００５】
性能に関する重要な特性は、弾性率、密度、熱膨張係数、導電率および強度である。これらの特性は典型的に、繊維体積分率と組み合わせられた成分要素の選択および純度（すなわち、金属マトリックスの材料および繊維含有量）により決定される。これらの特性に関して、高引張強さおよび剛性を有する繊維から製造されたワイヤーの開発が重要視されている。複合材料が経済的に鋼のような従来の材料と競争するために、その強度が可能な限り高いべきであるという仮定により、高い強度の材料を製造することに部分的に焦点が置かれている。例えば、商品名「ＮＩＣＡＬＯＮ」で市販されている高強度繊維により強化されたアルミニウムワイヤーを開示する、Ｏｕｃｈｉらの「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ＳｉＣ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｓｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｗｉｒｅｓ」、Ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９６において、架空送電ケーブルにおいて使用するための「高強度」ＭＭＣワイヤーに関する必要が記載されている。
【０００６】
なお、広範囲のケーブル、特に架空送電ケーブルにおいて使用するための適切な特性を有する複合材料に関する必要がある。
【０００７】
発明の概要
本発明は、略連続的な繊維のアルミニウムマトリックス複合材料に関する。本発明の実施形態は、アルミニウム複合材料物品、好ましくは、ワイヤー、テープ等のような伸長された金属複合材料物品に関する。かかる物品は、特に、アルミニウムを含むマトリックス（例えば、高純度アルミニウムまたはそれらの合金）内に含有された、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含む。好ましくは、ワイヤーのマトリックスは、マトリックスの全重量を基準にして、少なくとも９９．９５ｗｔ％のアルミニウムを含む。
【０００８】
本発明のアルミニウムマトリックス複合材料は、所望の強度対重量比、および熱膨張特性、高導電率、および低弾性率を示すワイヤーに形成される。かかるワイヤーは、従来技術で既知の送電ケーブル以上の改良を提供する電気的および物理的特性を提供するので、送電ケーブルにおけるコア材料として使用するのに良好に適切である。
【０００９】
本発明の材料は、低い熱膨張係数のため、熱せられた時により少ない弛みを提供するので、ワイヤーおよびケーブルに有利である。加えて、高弾性率材料で強化された鋼ワイヤーまたは複合材料と比べると、ケーブルが高い機械的負荷に暴露される時（例えば、氷および風負荷の組み合わせ）、それらの低弾性率のため、本発明のワイヤーは支持タワーにおける張力を減少できる。
【００１０】
１つの実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に複数の繊維を含むアルミニウムマトリックス複合物品を提供する。この実施形態においては、理論的酸化物基礎に基づき、繊維はそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む。この実施形態においては、ワイヤーは−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ（１５Ｍｓｉ）以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａ（５０ｋｓｉ）の平均引張強さを有する。
【００１１】
もう１つの実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供する。この実施形態においては、理論的酸化物基礎に基づき、繊維はそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む。この実施形態においては、ワイヤーは−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ（１５Ｍｓｉ）以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａ（５０ｋｓｉ）の平均引張強さを有する。
【００１２】
もう１つの実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーの製造方法を提供する。この方法は、溶融マトリックス材料の含有体積を提供する工程と；複数の略連続的な繊維を前記溶融マトリックス材料の含有体積中に浸漬する工程であって、理論的酸化物基礎に基づき、前記繊維がそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い範囲のＢ２Ｏ３を含む工程と；超音波エネルギーを付与して、前記溶融マトリックス材料の含有体積の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された、湿った複数の繊維が提供されるように、前記溶融マトリックス材料の少なくとも一部が前記複数の繊維中に浸透してそれを湿らすのを許容する工程と；前記溶融マトリックス材料が凝固して複数の繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供するのを許容する条件下で、前記浸透された、湿った複数の繊維を、前記溶融マトリックス材料の含有体積から取り出す工程であって、前記繊維がアルミニウムを含むマトリックス中で、略連続的に、長手方向に配置され、前記ワイヤーが−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有する工程とを含む。
【００１３】
もう１つの実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含む少なくとも１つのアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを含むケーブルを提供する。この実施形態においては、理論的酸化物基礎に基づき、繊維はそれぞれの繊維の全酸化金属含有量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％より多く〜約５０ｗｔ％未満の範囲のＳｉＯ２および約５ｗｔ％より多い量のＢ２Ｏ３を含む。さらにこの実施形態においては、ワイヤーは−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数、約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有する。
【００１４】
さらにもう１つの実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置されたセラミックオキシド繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供する。この実施形態において、セラミックオキシド繊維は約１７３ＧＰａ（２５Ｍｓｉ）以下の弾性率を有し、ワイヤーは約１０５ＧＰａ以下の弾性率を有する。
【００１５】
さらなる実施形態において、本発明は、アルミニウムを含むマトリックス中に、複数の略連続的な、長手方向に配置されたセラミックオキシド繊維を含む少なくとも１つのアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを含むケーブルを提供する。この実施形態において、繊維は約２４０ＧＰａ（３５Ｍｓｉ）以下の弾性率を有し、ワイヤーは約１０５ＧＰａ以下の弾性率および少なくとも約３５０ＭＰａの平均引張強さを有する。
【００１６】
定義
本明細書で使用される場合、次の用語は以下の通りに定義される。
「略連続的な繊維」は、平均有効繊維直径と比べた場合に相対的に無限の長さを有する繊維を意味する。典型的に、これは、繊維が少なくとも約１×１０５、好ましくは少なくとも約１×１０６、より好ましくは少なくとも約１×１０７の縦横比（すなわち、繊維の長さ対繊維の平均有効直径の比率）を有することを意味する。典型的に、かかる繊維は、少なくとも約５０メートル程度の長さを有し、そしてキロメートル程度以上の長さを有してもよい。
【００１７】
「平均有効直径」は、測定対象として同一の断面積を有する円の真の直径を意味する。例えば、円形繊維またはワイヤーは、面積がπｄ２／４として正確に計算され得るものから測定可能な直径を有する。断面積は測定可能であり、次いで計算された直径は同一の断面積の円を生じるであろうが、非円形、楕円形、卵形、または不規則な形状の繊維またはワイヤーは単一の測定可能な直径を持たない。円のこの直径を、有効直径と呼ぶ。平均有効直径は、いくつかの計算された有効直径の数平均である。
【００１８】
「長手方向に配置された」は、繊維がワイヤーの長さと同一方向に方向付けられていることを意味する。
【００１９】
「熱膨張係数（ＣＴＥ）」は、繊維および／またはワイヤーの長手方向で測定された、明示された温度範囲における熱膨張の変化の割合を意味する。すなわち、
熱膨張係数＝（寸法における変化）／（温度における変化）である。次いで、瞬間的ＣＴＥ値は、明示された温度で計算された熱膨張対温度グラフの勾配である（すなわち、温度に対する熱膨張の曲線プロット方程式の導関数）。
【００２０】
「−７５℃〜５００℃の温度における非線形の熱膨張係数」は、明示された温度範囲内での、熱膨張パーセント対温度のグラフにおける屈曲間のセグメントの二次曲線の当嵌めが、交互の正のスロープおよび負のスロープを示すことを意味する。
【００２１】
「平均引張強さ」は、いくつかの繊維、ワイヤーまたはケーブル試料の測定された引張強さの数平均を意味する。
【００２２】
「長手方向の引張強さ」は、繊維、ワイヤーまたはケーブルの主軸の方向で試験された時に、繊維、ワイヤーまたはケーブルが破壊される時点の応力を意味する。これは、試料に適用された最大応力にも等しい。応力Ｓは、Ｓ＝Ｌ／Ａ（式中、Ｌは引張試験間に測定された最大負荷であり、そしてＡは試験前の試料の断面積である）として計算される。
【００２３】
「弾性率」は、長手方向の縦弾性係数を意味する。これは、試料の主軸方向で測定された繊維、ワイヤーまたはケーブルの引張剛性である。これは、与えられた歪増分または歪範囲で測定された試料に関する単位歪に対する平均応力を表わす。ワイヤーに関して、弾性率は０〜０．０５％歪の間で測定される。
【００２４】
「ケーブル弾性率」は、ケーブルの縦弾性係数を意味する。ケーブル弾性率は、負荷−未負荷変形曲線を得るために引張試験装置を使用して、ケーブルを負荷するかまたは負荷しないことにより得られる。ケーブルの構成的な伸展が始まり、ケーブルが弾力的に変形するように、ケーブルは十分に負荷される。この曲線の未負荷領域からのデータを使用して、ケーブル弾性率を計算する。これはさらに、Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｗｉｒｅ　Ｒｏｐｅ、第６章、Ｇｅｏｒｇｅ　Ａ．Ｃｏｓｔｅｌｌｏ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ（１９９７）における「Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｗｉｒｅ　Ｒｏｐｅ」に記載されている。次の方程式を使用して、測定された負荷置換データからケーブル弾性率を計算することができる。
Ｅ＝ΔＦ／Ａｅ
式中、
Ｅは、計算されたケーブル弾性率である。
ΔＦは、測定領域における、測定された負荷における変化である。
Ａは、試験前に決定された、ケーブル中のワイヤーの全断面積である。
ｅは、測定領域における、測定されたケーブルの伸長における変化であり、
特に、
ｅ＝（ｌｆ−ｌ０）／ｌ０
であり、式中、
ｌ０は、測定領域におけるケーブルの初期長さであり、
ｌｆは、測定領域におけるケーブルの最終長さである。
【００２５】
「平均破壊歪」は、引張破壊歪を意味し、いくつかの試料に関して測定された破壊歪の数平均である。破壊歪は、単位長さあたりの試料の伸長または延長である。これは、次のように表すことができる。
ｅ＝（ｌｆ−ｌ０）／ｌ０
式中、
ｅは、単位長さあたりの試料の伸長または延長であり、
ｌｆは、試料の最終ゲージ長さであり、そして
ｌ０は、試料のの初期ゲージ長さである。
【００２６】
「理論的繊維破壊歪」は、平均繊維引張強さを使用して計算された繊維の破壊歪であり、次の関係により定義される。
応力＝弾性率×歪
従って、歪＝応力／弾性率である。商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で入手可能な繊維に関しては、測定された平均引張応力は１．６８ＧＰａ（２４４ｋｓｉ）であったので、弾性率は１５１ＧＰａ（２２Ｍｓｉ）として報告される。従って、歪は１．１％であり、理論的繊維破壊歪は１．１％である。
【００２７】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、典型的に強化材として不適切であると考えられるだろう繊維から製造された低強度材料を製造でき、かかる材料が、架空電力輸送のような用途に現在開発中の高性能材料と直接的に競争できるという発見を基礎とする。本発明は、アルミニウム（例えば、高純度アルミニウムまたはそれらの合金）を含むマトリックス内に含有された複数の略連続的な、長手方向に配置された繊維を含む物品、好ましくは、ワイヤー、テープ等のような伸長された金属複合物品を提供する。
【００２８】
本発明は、繊維強化アルミニウムマトリックス複合材料を含むワイヤーおよびケーブルのような複合物品を提供する。本発明による複合ワイヤーは、アルミニウムおよび任意に１つ以上の他の金属（好ましくは、高純度元素アルミニウム、または純粋なアルミニウムと銅のような元素の合金）を含むマトリックス内に被包された、複数の略連続的な、長手方向に配置された強化繊維（好ましくは、セラミックオキシド、最も好ましくは、Ａｌ２Ｏ３をベースとする強化繊維）を含む。好ましくは、本発明のワイヤーにおいて、繊維の数で少なくとも約８５％は略連続的である。本発明の少なくとも１つのワイヤーをケーブル、好ましくは輸送ケーブル中に組み入れることができる。
【００２９】
繊維
略連続的な強化繊維は、好ましくは、少なくとも約５マイクロメートルの平均有効繊維直径を有する。好ましくは、平均有効繊維直径は、約５０マイクロメートル以下であり、そしてより好ましくは約２５マイクロメートル以下である。
【００３０】
好ましい繊維は、約１０×１０−６／℃（２５℃−１０００℃）以下の熱膨張係数を有するものである。典型的に、多結晶α−Ａｌ２Ｏ３繊維は、約８×１０−６／℃以下の熱膨張係数を有する。ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３またはそれらの混合物のような他の酸化物を組み入れることにより、熱膨張係数を低下させることができる。これは繊維の張力強さも例えば約１．４ＧＰａまで低下させ得るので、かかる繊維を使用して有用なケーブルを製造できることは予想されなかった。
【００３１】
より好ましくは、繊維は、約７．９×１０−６／℃（２５℃−５００℃）以下の平均熱膨張係数を有し、最も好ましくは、約５×１０−６／℃（２５℃−５００℃）以下の平均熱膨張係数を有する。好ましくは、繊維は、少なくとも約３×１０−６／℃（２５℃−５００℃）の熱膨張係数を有し、より好ましくは、少なくとも約２×１０−６／℃（２５℃−５００℃）の熱膨張係数を有する。
【００３２】
好ましくは、繊維は、少なくとも約１．４ＧＰａ、より好ましくは少なくとも約１．７ＧＰａ、さらにより好ましくは少なくとも約２．１ＧＰａ、そして最も好ましくは少なくとも約２．８ＧＰａの平均引張強さを有する。
【００３３】
好ましくは、繊維は、約２４０ＧＰａ（３５Ｍｓｉ）以下、そしてより好ましくは約１７３ＧＰａ（２５Ｍｓｉ）以下の弾性率を有する。好ましくは、繊維は、約６９ＧＰａ（１０Ｍｓｉ）より大きい弾性率を有する。
【００３４】
様々な繊維の弾性率および強度は、次の通りである。
【００３５】
【表１】
2004504483.tif 000003
【００３６】
好ましくは、本発明の繊維は、約２．５％以下、より好ましくは約１．２％以下、そして最も好ましくは約１．０％以下の平均破壊歪を有する。
【００３７】
本発明のアルミニウムマトリックス複合材料を製造するのに有用であり得る、略連続的なセラミックオキシド繊維の例としては、セラミックオキシド（例えば、アルミノボロシリケート）繊維が含まれる。典型的に、セラミックオキシド繊維は、結晶セラミックおよび／または結晶セラミックおよびガラスの混合物（すなわち、繊維は結晶セラミックおよびガラス相の両方を含有してよい）である。
【００３８】
セラミック繊維は、単一フィラメントとして、または例えば紡績糸またはトウに一緒にグループ化されたものとして、市販品として入手可能である。トウは繊維技術分野において周知であり、ロープ様形状で集められた複数の（個々の）繊維（典型的に、少なくとも１００繊維、より典型的に、少なくとも４００繊維）を指す。紡績糸またはトウは、好ましくは、トウあたり少なくとも７８０の個々の繊維、そしてより好ましくは、トウあたり少なくとも２６００の個々の繊維を含む。セラミック繊維は、３００メートル以上を含む様々な長さで入手可能である。繊維は円形または楕円形である断面形状を有してよい。
【００３９】
好ましい繊維としては、米国特許第３，７９５，５２４号（Ｓｏｗｍａｎ）に記載される適切なアルミノボロシリケート繊維が含まれる。好ましくは、理論的酸化物基礎に基づき、アルミノボロシリケート繊維は、アルミノボロシリケート繊維の全重量を基準にして約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％（より好ましくは、約５５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％）のＡｌ２Ｏ３；０ｗｔ％より多く（より好ましくは、少なくとも約１５ｗｔ％）、約５０ｗｔ％未満（より好ましくは、約４５％未満、最も好ましくは、約４４％未満）のＳｉＯ２；および約５ｗｔ％より多い（より好ましくは、約２５ｗｔ％未満、さらにより好ましくは、約１ｗｔ％〜約５ｗｔ％、そして最も好ましくは、約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％）のＢ２Ｏ３を含む。好ましいアルミノボロシリケート繊維は、３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販品として入手可能である。
【００４０】
他の適切な繊維としては、３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ５５０」および「ＮＥＸＴＥＬ７２０」で市販品として入手可能なアルミノシリケート繊維を含む。
【００４１】
市販品として入手可能な繊維は典型的に、潤滑性を提供するために、そして取り扱いの間に繊維のストランドを保護するために、それらの製造間に繊維に加えられた有機サイジング材料を含む。サイジングは、例えば布への転換の間に、繊維の破壊を減少する傾向を有し、静電気を減少し、そしてダストの量を減少すると考えられている。例えば、それを溶解除去または燃焼除去することにより、サイジングを除去することができる。好ましくは、本発明のアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを形成する前に、サイジングを除去する。この方法において、アルミニウムマトリックス複合ワイヤーを形成する前、セラミックオキシド繊維はそれら上へのいずれのコーティングも含まない。
【００４２】
繊維上にコーティングを有することも、本発明の範囲内である。例えば、繊維の湿潤性を増加させるために、繊維および溶融金属マトリックス材料間の反応を減少または防止するために、コーティングを使用することができる。かかるコーティングおよびかかるコーティングを提供するための技術は、繊維および金属マトリックス複合材料の技術分野において既知である。
【００４３】
ワイヤー
本発明のワイヤーは、ワイヤーの全体積を基準にして、好ましくは少なくとも約１５体積％の繊維、より好ましくは少なくとも約２５体積％の繊維、そして最も好ましくは少なくとも約２８体積％の繊維を含む。好ましくは、それらは、ワイヤーの全体積を基準にして、約６５体積％以下の繊維、より好ましくは約５５体積％以下の繊維、そして最も好ましくは約５０体積％以下の繊維を含む。ある好ましいケーブルも、これらの体積の繊維を含む。
【００４４】
本発明のワイヤーは、少なくとも約５０メートル、少なくとも約１００メートル、少なくとも約２００メートル、少なくとも約３００メートル、少なくとも約４００メートル、少なくとも約５００メートル、少なくとも約６００メートル、少なくとも約７００メートル、少なくとも約８００メートル、少なくとも約９００メートル程度の長さを有する。ワイヤー密度は、典型的に約２．５グラム／立方センチメートル〜約２．８グラム／立方センチメートルである。
【００４５】
本発明のワイヤーの平均有効直径は、好ましくは少なくとも約０．２５ミリメートル（ｍｍ）、より好ましくは少なくとも約１ｍｍ、そしてより好ましくは少なくとも約１．５ｍｍである。
【００４６】
本発明のワイヤーは、好ましくは、驚くべき非線形の熱膨張係数（ＣＴＥ）を示す。より好ましくは、本発明のワイヤーは、図１のグラフの線１または２で表わされる熱膨張係数特性を有し、これはさらに実施例１に説明される。
【００４７】
本発明のワイヤーは、好ましくは、少なくとも約３５０ＭＰａ（５０ｋｓｉ）の平均引張強さを有する。より好ましくは、本発明のワイヤーは、約１４００ＭＰａ（２００ｋｓｉ）以下、そして最も好ましくは約７００ＭＰａ（１００ｋｓｉ）の平均引張強さを有する。
【００４８】
好ましくは、本発明のワイヤーは、全繊維分率の理論的繊維破壊歪の少なくとも約９０％、より好ましくは３５体積％以下の繊維の繊維分率の理論的繊維破壊歪の少なくとも約９５％の長手方向引張強さを有する。定義の項に見出される方程式に従って、理論的繊維破壊歪を計算することができる。これらの値を決定するために使用された繊維強度は、１．６８ＧＰａ（２４４ｋｓｉ）であると測定された。
【００４９】
好ましくは、本発明のワイヤーは、約１０５ＧＰａ（１５Ｍｓｉ）以下、そしてより好ましくは約８４ＧＰａ（１２Ｍｓｉ）以下の弾性率を有する。好ましくは、本発明のワイヤーは、少なくとも約４０ＧＰａ（６Ｍｓｉ）、そしてより好ましくは少なくとも約４９ＧＰａ（７Ｍｓｉ）の弾性率を有する。弾性率の値が低いほど、典型的に、繊維の体積分率の低いワイヤーが生じる。弾性率が約６９ＧＰａ（１０Ｍｓｉ）未満であり得、これはアルミニウムの弾性率であって典型的に、複合ワイヤーの全成分の弾性率未満であることは驚くべきことである。
【００５０】
好ましくは、本発明のワイヤーは、約２．５％以下、より好ましくは約１．２％以下、そして最も好ましくは約１．０％以下の平均破壊歪を有する。
【００５１】
金属マトリックス材料としては、アルミニウムおよびそれらの合金（例えば、アルミニウムと銅の合金）が含まれる。好ましくは、アルミニウムマトリックスは、少なくとも９８ｗｔ％のアルミニウム、より好ましくは少なくとも９９ｗｔ％のアルミニウム、さらにより好ましくは９９．９ｗｔ％より多くのアルミニウム、そして最も好ましくは９９．９５ｗｔ％より多くのアルミニウムを含む。好ましいアルミニウムと銅のアルミニウム合金は、少なくとも約９８ｗｔ％のＡｌおよび約２ｗｔ％までのＣｕを含む。アルミニウムおよびアルミニウム合金は市販品として入手可能である。例えば、アルミニウムは、Ａｌｃｏａ　ｏｆ　Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡから商品名「ＳＵＰＥＲ　ＰＵＲＥ　ＡＬＵＭＩＮＵＭ；９９．９９％　Ａｌ」で入手可能である。アルミニウム合金（例えば、Ａｌ−２ｗｔ％Ｃｕ（０．０３ｗｔ％不純物））をＢｅｌｍｏｎｔ　Ｍｅｔａｌｓ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，ＮＹから得ることができる。
【００５２】
本発明の金属マトリックス複合ワイヤーを製造するための具体的な繊維、マトリックス材料およびプロセス工程は、所望の特性を有するアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供するために選択される。例えば、繊維およびアルミニウムマトリックス材料は、互いにおよび所望のワイヤーを製造するためのワイヤー製造プロセスに十分適合するように選択される。
【００５３】
アルミニウムおよびアルミニウム合金マトリックスワイヤーを製造するためのいくつかの好ましい技術に関する追加的詳細は、例えば、米国特許出願番号０８／４９２，９６０を有する同時係属中の出願、および１９９６年５月２１日に公開された公開番号ＷＯ９７／００９７６を有するＰＣＴ出願に開示されている。
【００５４】
本発明の連続的金属マトリックス複合ワイヤーを、例えば、金属マトリックス浸透プロセスにより製造することができる。好ましい実施形態において、この方法は、溶融マトリックス材料の含有体積を提供する工程と；複数の略連続的な繊維を前記溶融マトリックス材料の含有体積中に浸漬する工程と；超音波エネルギーを付与して、前記溶融マトリックス材料の含有体積の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された、湿った複数の繊維が提供されるように、前記溶融マトリックス材料の少なくとも一部が前記複数の繊維中に浸透してそれを湿らすのを許容する工程と；前記溶融マトリックス材料が凝固して複数の繊維を含むアルミニウムマトリックス複合ワイヤーを提供するのを許容する条件下で、前記浸透された、湿った複数の繊維を、前記溶融マトリックス材料の含有体積から取り出す工程とを含む。
【００５５】
マトリックス浸透の補助としての超音波エネルギーの使用は、繊維トウの不完全なマトリックス浸透の問題を克服するために役立つ。例えば、米国特許出願第０８／４９２，９６０号および１９９６年５月２１日に公開された公開番号ＷＯ９７／００９７６を有するＰＣＴ出願、ならびにこれと同一日時に出願された米国特許出願第０９／６１６，５８９号に開示されるプロセスは、この問題を解決する方法である。
【００５６】
繊維とマトリックス間の反応の可能性のため、かかる反応の発生を最小化するのに十分速い速度でワイヤーを加工することが好ましい。特に好ましい実施形態のために、繊維の浸漬された長さ、すなわち、繊維が溶融アルミニウムと接触する長さは２３センチメートル（９インチ）であり、そしてワイヤーの加工速度は少なくとも約７６センチメートル／分（３０インチ／分）である。７６センチメートル／分（３０インチ／分）ワイヤー速度はいずれの反応も引き起こさないのに対し、３８センチメートル／分（１５インチ／分）の速度は繊維とマトリックス間の反応を引き起こすことが見出された。
【００５７】
ケーブル
本発明のアルミニウム複合ワイヤーを様々な用途で使用することができる。それらは特に、架空電力輸送ケーブルにおいて有用である。
【００５８】
本発明のケーブルは、均質（すなわち、１種のみの金属マトリックス複合ワイヤーを含む）であっても、非均質（すなわち、金属ワイヤーのような複数の第二ワイヤーを含む）であってもよい。非均質ケーブルの例としては、コアが本発明の複数のワイヤーを含み得、そしてシェルが複数の第二ワイヤー（例えば、アルミニウムワイヤー）を含む。
【００５９】
本発明のケーブルは、ストランドまたは非ストランドであり得る。ストランドケーブルは典型的に、中心ワイヤーおよび中心ワイヤーの周囲のらせん状ストランドワイヤーの第一層を含む。ケーブルのストランド化は、個々のワイヤーのストランドをらせん状配列に組み合わせ、仕上げられたケーブルを製造するプロセスである（例えば、米国特許第５，１７１，９４２号（Ｐｏｗｅｒｓ）および第５，５５４，８２６号（Ｇｅｎｔｒｙ））。得られたらせん状ストランドケーブルまたはワイヤーロープは、同等の断面積の固体ロッドから得られるものよりもはるかに大きな屈曲性を提供する。ケーブルが取り扱い、取り付けおよび使用において曲げを受ける時、ストランドケーブルは全体的に丸い断面形状を保持するので、らせん状配列も有利である。らせん状の屈曲性ケーブルは、７程度の少ない個々のストランドから５０以上のストランドを含有するより共通の構造まで含み得る。
【００６０】
本発明の１つの代表的な電力輸送ケーブルを図７に示す。ここでは、本発明の電力輸送ケーブル１３０は、１３の個々のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤー１３８のジャケット１３６により囲まれた１９の個々の複合金属マトリックスワイヤー１３４のコア１３２であり得る。同様に、多くの代替案の１つとして図８に示す通り、本発明の架空電力輸送ケーブル１４０は、２１の個々のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤー１４８のジャケット１４６により囲まれた３７の個々の複合金属マトリックスワイヤー１４４のコア１４２であり得る。
【００６１】
図９は、さらにもう１つの実施形態のストランドケーブル８０を説明する。この実施形態において、ストランドケーブルは、中心金属マトリックス複合ワイヤー８１Ａおよび中心金属マトリックス複合ワイヤー８１Ａの周囲にらせん状に屈曲するワイヤーの第一層８２Ａを含む。この実施形態はさらに、第一層８２Ａの周囲にらせん状に撚られた、金属マトリックス複合ワイヤー８１の第二層８２Ｂを含む。いずれの適切な数の金属マトリックス複合ワイヤー８１は、いずれの層にも含まれてよい。さらに、所望である場合、２層以上がストランドケーブル８０に含まれてもよい。
【００６２】
本発明のケーブルは、裸ケーブルとして使用することができ、またはより大きな直径のケーブルのコアとして使用することができる。また、本発明のケーブルは、複数のワイヤーの周囲に保持手段を有する、複数のワイヤーのストランドケーブルであってもよい。保持手段は、例えば、接着剤を含むかまたは含まないテープオーバーラップ、またはバインダーであってよい。
【００６３】
本発明のストランドケーブルは多くの用途において有用である。かかるストランドケーブルは、それらの低重量、高強度、良好な導電性、低い熱膨張係数、高い使用温度および耐腐食性の組み合わせのため、架空電力輸送ケーブルにおける使用に特に望ましいと考えられている。
【００６４】
かかる輸送ケーブルの１つの好ましい実施形態の最終図を図１０に説明する。かかる輸送ケーブルはコア９１を含み、これは本明細書に記載されたストランドコアのいずれでもあり得る。また、送電ケーブル９０は、ストランドコア９１の周囲に少なくとも１つの導電層９３を含む。説明される通り、送電ケーブルは２つの導電層９３Ａおよび９３Ｂを含み得る。所望であれば、より導電性の層を使用してよい。好ましくは、各導電層９３は、当該技術分野で既知である複数の導電ワイヤーを含む。導電ワイヤーに適切な材料としては、アルミニウムおよびアルミニウム合金が含まれる。導電ワイヤーは、当該技術分野で既知の適切なケーブルストランド化装置により、ストランドコア９１の周囲に被覆されてよい。
【００６５】
ストランドケーブル自体が最終物品として使用されるか、または異なる後続物品における中間物品または要素としてそれが使用される他の用途において、ストランドケーブルが、複数の金属マトリックス複合ワイヤーの周囲に電力導電層を含まないことが好ましい。
【００６６】
好ましくは、本発明の複数の非ストランドワイヤーを含むケーブルは、約１０５ＧＰａ（１５Ｍｓｉ）以下、そしてより好ましくは約８４ＧＰａ（１２Ｍｓｉ）以下のケーブル弾性率を有する。好ましくは、本発明の複数の非ストランドワイヤーを含むケーブルは、少なくとも約４２ＧＰａ（６Ｍｓｉ）、そしてより好ましくは少なくとも約４９ＧＰａ（７Ｍｓｉ）のケーブル弾性率を有する。らせん状に包まれたワイヤーの層のストランド立体構成ため、ストランドケーブルの弾性率は典型的に、非ストランドケーブルのものとは相対的に減少する。これはケーブルを、直線平行ワイヤーの配列よりも硬質ではないものにさせる。従って好ましくは、本発明の複数のストランドワイヤーを含むケーブルは、同数の、同断面積の、同種類の非ストランドワイヤーを含むケーブルの弾性率の少なくとも約７５％、より好ましくは少なくとも約８５％、そして最も好ましくは少なくとも約９５％のケーブル弾性率を有する。
【００６７】
本発明のワイヤーから製造されたケーブルに関する追加的情報は、これと同一日時に出願された米国特許出願第０９／６１６，７８４号に開示されている。
【００６８】
実施例
本発明は次の実施例により、さらに説明されるが、これらの実施例に記載された特定の材料およびそれらの量、ならびに他の条件および詳細は本発明を過度に制限するために解釈されるべきではない。本発明の様々な修正および変更は、当業者に明白となるであろう。全ての部およびパーセントは、他に示されない限り重量による。
【００６９】
試験方法
繊維強度
繊維強度は、引張試験機（Ｃａｎｔｏｎ，ＭＡのＩｎｓｔｒｏｎからＩｎｓｔｒｏｎ　４２０１試験機として市販品として入手可能）およびＡＳＴＭ　Ｄ３３７９−７５に記載の試験（高弾性率単一フィラメント材料に関する引張強さおよびヤング弾性率のための標準試験法）を使用して測定された。試験体ゲージ長さは２５．４ｍｍ（１インチ）であり、歪速度は０．０２ｍｍ／ｍｍであった。
【００７０】
繊維トウの引張強さを確定するために、繊維のトウから１０の単一繊維フィラメントを無作為に選択し、破壊負荷を決定するために各フィラメントを試験した。個々の無作為に選択された各繊維は、１．３１〜１．９６ＧＰａ（１９１〜２８５ｋｓｉ）の範囲の強度を有した。平均の個々のフィラメント引張強さは１．６８ＧＰａ（２４４ｋｓｉ）であった。光学的に、光学顕微鏡への取付具（Ｌａｗｒｅｎｃｅ　ＭＡのＤｏｌａｎ−Ｊｅｎｎｅｒ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．から市販品として入手可能なＤｏｌａｎ−Ｊｅｎｎｅｒ　Ｍｅａｓｕｒｅ−Ｒｉｔｅ　Ｖｉｄｅｏ　Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｏｄｅｌ　Ｍ２５−０００２）を使用して、１０００倍の倍率で繊維直径を測定した。使用された器具は、補正段階マイクロメーターにより光観察を反射した。
【００７１】
各個々のフィラメントの破壊応力は、単位面積あたりの負荷として計算された。
【００７２】
ワイヤー引張強さ
複合ワイヤーの引張特性を、実質的にＡＳＴＭ　Ｅ３４５−９３に記載の通り、データ獲得システム（Ｉｎｓｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐ．から商品名「ＩＮＳＴＲＯＮ」Ｍｏｄｅｌ　Ｎｏ．８０００−０７４で得られる）により運転される機械的位置合わせ固定具（Ｉｎｓｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐ．から商品名「ＩＮＳＴＲＯＮ」Ｍｏｄｅｌ　Ｎｏ．８０００−０７２で得られる）を装備した引張試験機（Ｃａｎｔｏｎ，ＭＡのＩｎｓｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐ．から商品名「ＩＮＳＴＲＯＮ」Ｍｏｄｅｌ　８５６２試験機として市販品として入手可能）を使用して決定した。
【００７３】
試験器具による安全なグリップを可能にするためにワイヤーの末端に１０１８軟鋼管タブを装備した５ｃｍ（２インチ）ゲージ長さの試料を使用して、試験を行った。ワイヤー試料の実際の長さは、ウェッジグリップの取付けを適応させる試料ゲージ長さより２０ｃｍ（８インチ）長い。２．０６ｍｍ（０．０８１ンチ）以下の直径を有する複合ワイヤーに関して、この管は長さ１５ｃｍ（６インチ）であり、６．３５ｍｍ（０．２５インチ）のＯＤ（すなわち、外径）および２．９〜３．２ｍｍ（０．１１５〜０．１２５インチ）のＩＤ（すなわち、内径）を有する。ＩＤおよびＯＤは可能な限り同中心であるべきである。鋼管およびワイヤー試料はアルコールで洗浄され、そしてワイヤー試料の互いの末端から１０ｃｍ（４インチ）の距離が印付けられて、５．０ｃｍの所望のゲージ長さを達成するためにグリップ管は適切に位置付けされた。プラスチックノズル（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｉｎ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ，Ｉｎｃ．から得られる）を装備したシーラントガン（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｓｉｎ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ，Ｉｎｃ．，Ｂｒｏｏｋｌｙｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，ＭＮから商品名「ＳＥＭＣＯ」Ｍｏｄｅｌ２５０で得られる）を使用して、各グリップ管の孔径にエポキシ接着剤（３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＳＣＯＴＣＨ−ＷＥＬＤ　２２１４　ＨＩ−ＦＬＥＸ」、高延性接着剤、製品番号６２−３４０３−２９３０−９で入手可能）を充填した。過剰量のエポキシ樹脂を管から除去し、そしてワイヤー上の印まで管中にワイヤーを挿入した。ワイヤーをグリップ管中に挿入したら、ワイヤーを特定位置に保持しながら追加のエポキシ樹脂を管中に注入し、管が樹脂で充填されたことを確実にした。（ワイヤーを特定位置に保持しながら、ゲージ長さの基部でエポキシがちょうどワイヤーの周りに搾り出されるまで、樹脂を管中に戻して充填した。）両グリップ管がワイヤー上に適切に位置付けされた時、エポキシ硬化サイクル間にグリップ管およびワイヤーの適切な位置を保持するタブの位置合わせ固定具中に試料を置いた。その後、１５０℃に保持された硬化オーブンに集合体を９０分間置き、エポキシを硬化した。
【００７４】
所望の位置合わせを達成するために、試験フレーム上の機械的位置合わせ装置を使用して、ＩＮＳＴＲＯＮ試験機において試験フレームを注意深く位置合わせした。試験の間、約２〜２．５ｋｓｉ（１４〜１７ＭＰａ）の機械クランプ圧力を使用して、のこぎり状Ｖノック水圧ジャーによりグリップ管の外側５ｃｍ（２インチ）のみを掴んだ。
【００７５】
位置制御モードでは、０．０１ｃｍ／ｃｍ（０．０１インチ／インチ）の歪速度を使用した。動的歪ゲージ伸び計（Ｉｎｓｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐ．から商品名「ＩＮＳＴＲＯＮ」Ｍｏｄｅｌ　Ｎｏ．２６２０−８２４で得られる）を使用して、歪を監視した。伸び計ナイフ端間の距離は１．２７ｃｍ（０．５インチ）であり、ゲージをゲージ長さの中心に位置付けし、ゴムバンドでしっかり固定した。ワイヤーに沿う３点におけるマイクロメーター測定を使用して、または断面積の測定および同断面積を提供する有効直径の計算のいずれかからワイヤー直径を決定した。引張試験からの結果は、試料の破壊負荷、引張強さ、縦弾性係数、および破壊歪データを提供する。５つの試料を試験し、その平均から、各特性に関する標準偏差および変化係数を報告した。
【００７６】
熱膨張係数（ＣＴＥ）
１９９５年に発行されたＡＳＴＭ　Ｅ−２２８に従って、ＣＴＥを測定した。２インチ（５．１ｃｍ）のワイヤー長さを使用して、膨張計（商品名「ＵＮＩＴＨＥＲＭ１０９１」で得られる）において、この作業を行った。（ＮＩＳＴ）保証済みヒューズシリカ補正参照試料（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣのＮＩＳＴから商品名「Ｆｕｓｅｄ　Ｓｉｌｉｃａ」で得られる）を使用して、試験前の装置の補正を行った。実験室空気雰囲気で５℃の加熱ランプ速度で、−７５℃〜５００℃の温度範囲で試料を試験した。この試験からの結果は、加熱間に各１０℃毎に収得された寸法膨張対温度の一組のデータであった。ＣＴＥは温度による膨張の変化速度であるので、データはＣＴＥの値を得るために加工される必要があった。膨張対温度のデータを標準的なグラフ作成ソフトウェアパッケージ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ，Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＷＡから商品名「ＥＸＣＥＬ」で得られる）においてプロットした。曲線の方程式を得るために、ソフトウェアで利用可能な標準適合関数を使用して、二次検出力関数をデータに適合させた。この方程式の導関数を計算し、一次関数を得た。この方程式は、温度による膨張変化速度を表わす。この方程式は、例えば−７５℃〜５００℃の興味深い温度範囲でプロットされ、ＣＴＥ対温度のグラフ表示を得た。いずれかの温度における瞬間的ＣＴＥを得るためにも、この方程式を使用した。非線形特性の場合、膨張対温度曲線は、上記二次検出力関数の適合が十分に行われ得る屈曲点間の領域に細分された。
【００７７】
ＣＴＥは典型的に、興味深い範囲においてであるが、繊維体積分率に依存し、ＣＴＥは繊維体積分率の関数として著しく変化しないことが予想され、仮定された。ＣＴＥは次の方程式に従って変化すると仮定された。
αｃｌ＝［ＥｆαｆＶｆ＋Ｅｍαｍ（１−Ｖｆ）］／（ＥｆＶｆ＋Ｅｍ（１−Ｖｆ））
式中、
Ｖｆ＝繊維体積分率であり、
Ｅｆ＝繊維縦弾性係数であり、
Ｅｍ＝マトリックス縦弾性係数（ｉｎ−ｓｉｔｕ）であり、
αｃｌ＝長手方向における複合ＣＴＥであり、
αｆ＝繊維ＣＴＥであり、
αｍ＝マトリックスＣＴＥである。
【００７８】
直径
ワイヤーに沿って４点で、マイクロメートル読取りをすることにより、ワイヤーの直径を測定した。典型的に、ワイヤーは完全な円形ではなく、長い側面および短い側面が存在した。長い側面および短い側面の両方が測定されるのを確実にするためにワイヤーを回転することにより、読み取りを行った。直径は、長い側面および短い側面の平均として報告された。
【００７９】
繊維体積分率
標準的なメタログラフィック技術により、繊維体積分率を測定した。ワイヤー断面を研磨し、Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈにより開発されたパブリックドメインの画像加工プログラム、ＮＨ　ＩＭＡＧＥ（バージョン１．６１）と呼ばれるコンピュータプログラム（ウェブサイトｈｔｔｐ／／ｒｓｂ．ｉｎｆｏ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｎｉｈ−ｉｍａｇｅから得られる）の助けにより、密度プロファイリング関数を使用して繊維体積分率を測定した。このソフトウェアにより、ワイヤーの代表領域の平均グレースケール強度を測定した。
【００８０】
ワイヤーの断片を据付樹脂（Ｂｕｅｈｌｅｒ　Ｉｎ．，Ｌａｋｅ　Ｂｌｕｆｆ，ＩＬから商品名「ＥＰＯＸＩＣＵＲＥ」で得られる）に置いた。置かれたワイヤーを従来の粉砕／研磨機（Ｓｔｒｕｅｒｅｓ，Ｗｅｓｔ　Ｌａｋｅ，ＯＨから得られる）およびダイヤモンドスラリーを使用して、１マイクロメートルダイヤモンドスラリー（Ｓｔｒｕｅｒｅｓから商品名「ＤＩＡＭＯＮＤ　ＳＰＲＡＹ」で得られる）を使用する最終研磨工程で研磨し、ワイヤーの研磨断面を得た。研磨されたワイヤー断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真を１５０倍で撮影した。ＳＥＭ顕微鏡写真を撮影する時に、全ての繊維がゼロ強度で二進イメージとなるように画像の閾値を調整した。ＮＩＨ　ＩＭＡＧＥソフトウェアでＳＥＭ顕微鏡写真を分析し、二進イメージの平均強度を最大強度で分割することにより繊維体積分率を得た。繊維体積分率を決定するためのこの方法の精度は、＋／−２％であると考えられている。
【００８１】
様々な複合金属マトリックス製造の具体例を以下に示す。
【００８２】
実施例１
この実施例におけるワイヤーは、国際公開公報ＷＯ９７／００９７６号に開示された教示および方法に従うものである。幅１２ｍｍ（０．５インチ）のバンドに配置された、２０トウの１８００デニールのアルミノボロシリケート繊維（３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で入手可能）を、２４．１ｃｍ×３１．３ｃｍ×３１．８ｃｍの寸法を有するアルミナるつぼ（Ｂｅａｖｅｒ　Ｆａｌｌｓ，ＰＡのＶｅｓｕｖｉｕｓ　ＭｃＤａｎｉｅｌから市販品として入手可能）中に含まれる９９．９７％純度のアルミニウム（Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，ＮＹのＢｅｌｍｏｎｔ　Ｍｅｔａｌｓから得られる）の溶融バス中に供給した。溶融バスの温度は約７２０℃であった。トウあたり６０グラムの延長を付与する糸巻軸架上に置かれたスプールから各繊維トウを引き取り、溶融表面を通して溶融アルミニウムに入れた。溶融物に入れる時、繊維トウは幅１．２ｃｍのバンドに配置された。繊維バンド上１．２５ｍｍ未満に位置する超音波ホーンの手段による溶融物および繊維トウの少なくとも一部への超音波振動の適用により、繊維バンドの金属浸透を促進した。ホーンは、長さ１２．７ｃｍおよび直径２．５ｃｍの円筒形に形成された９５％ニオブおよび５％モリブデンの合金からなる。この円筒は、その長さを変えることにより、２０．０〜２０．４ｋＨｚの所望の振動数に波長を合わせられた。加速器の振幅は約０．００２ｃｍであった。ホーンをチタン導波管に接続し、すなわち、超音波変換機（Ｓｏｎｉｃｓ　＆　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｄａｎｂｕｒｙ　ＣＴから得られる）に接続した。繊維をマトリックス材料で浸透させ、次いで低純度アルミニウムオキシドで製造された出口ダイを通して引出した。ダイは１．９８ｍｍの内径を有した。このプロセスにより製造されたワイヤーは、約０．２０ｃｍの直径を有した。
【００８３】
図１の曲線（すなわち線）１および２は、−７５℃（マイナス）〜５００℃の温度範囲における、このプロセスにより製造された２つのワイヤー試料に関する熱膨張対温度データのプロットである。図１の曲線２に関してなされているように、このデータを、ＣＴＥが各別個の領域に計算され得る３つの領域に細分してよく、そのプロットを図２に曲線２ａとして示す。Ｒ２は、曲線の当嵌めの近似に関する統計的測定である。Ｒ２が１である場合、曲線の方程式は、実際に決定された曲線と正確に一致する。−７５℃〜２０℃の領域に関して、曲線は次の方程式：
ｙ＝（５．３９１８×１０−６）ｘ２＋（１．０３１４×１０−３）ｘ−２．２２４５×１０−２
Ｒ２＝９．９９３０×１０−１
により定義され、ＣＴＥは２．２から１２．５まで直線的に増加する。領域（２０℃〜２２５℃）に関しては、曲線は次の方程式：
ｙ＝（１．６６３０　１０−６）ｘ２＋（９．２０３１×１０−４）ｘ−１．３３５８×１０−２
Ｒ２＝９．９６４９×１０−１
により定義され、ＣＴＥは８．４から２．５まで直線的に減少する。領域２２５℃〜５００℃に関しては、曲線は次の方程式：
ｙ＝（１．２１３６×１０−７）ｘ２＋（６．０４３６×１０−４）ｘ−１．２２９０×１０−２
Ｒ２＝９．９９９４×１０−１
により定義され、ＣＴＥは３．３から４．７まで直線的に増加する。
【００８４】
図３は、「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化ワイヤーの非線形ＣＴＥ特性を明瞭に説明するＣＴＥを定義する３つの方程式の導関数のプロットである。従って、−７５℃（マイナス）〜５００℃の全温度範囲において、ＣＴＥは明瞭に非線形である。図３における２０〜２５℃および２００〜２２５℃における不連続性は、データを３組に割ったことおよび各領域を別々に処理したことの人為結果である。
【００８５】
５つの試料の引張試験により、平均で０．４８６ＧＰａ（７１ｋｓｉ）の０．４４１〜０．５２４ＧＰａ（６４〜７６ｋｓｉ）の範囲の引張強さが得られた。破壊歪は平均０．８８％で０．８２％〜０．９９％の範囲に及び、平均縦弾性係数は７４ＧＰａ（１０．７Ｍｓｉ）であった。繊維体積分率は４５．５％であった。ワイヤー直径は０．０７８５インチ（１．９９ｍｍ）であった。このワイヤーに関する理論的繊維破壊歪の分率は８０％であると計算された。
【００８６】
実施例２
１０トウの１８００デニールのアルミノボロシリケート繊維（３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で入手可能）を使用したことを除き、実質的に実施例１に記載された通りにワイヤーを調製した。５つの試料の引張試験により、平均で０．３７２ＧＰａ（５４ｋｓｉ）の０．３１７〜０．４４１ＧＰａ（４６〜６４ｋｓｉ）の範囲の引張強さが得られた。破壊歪は平均１．０７％で０．９０％〜１．２４％の範囲に及び、平均縦弾性係数は９２ＧＰａ（８．０Ｍｓｉ）であった。繊維体積分率は２８％であった。ワイヤー直径は０．０７１インチ（１．８０ｍｍ）であった。このワイヤーに関する理論的繊維破壊歪の分率は９７％であると計算された。
【００８７】
実施例３
２２トウの１８００デニールのアルミノボロシリケート繊維（３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で入手可能）を使用したことを除き、実質的に実施例１に記載された通りにワイヤーを調製した。５つの試料の引張試験により、平均で０．５６５ＧＰａ（８２ｋｓｉ）の０．４８２〜０．６２２ＧＰａ（７０〜９３ｋｓｉ）の範囲の引張強さが得られた。破壊歪は平均０．８６％で０．８０％〜０．９９％の範囲に及び、平均縦弾性係数は５５ＧＰａ（１３．３Ｍｓｉ）であった。繊維体積分率は４９％であった。ワイヤー直径は０．０７９４インチ（２．０２ｍｍ）であった。このワイヤーに関する理論的繊維破壊歪の分率は７８％であると計算された。
【００８８】
実施例４
１８００デニールのアルミノボロシリケート繊維（３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で入手可能）を１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、２０および２２トウの範囲で変化させたことを除き、実質的に実施例１に記載された通りにワイヤーを調製した。各ワイヤー試料の５つの試料の引張試験を行い、引張強さ、破壊歪および縦弾性係数に関して図４、５および６に、繊維体積分率に対してデータ点をプロットする。図４は、繊維体積分率の増加に伴う応力増加を示す。図５は、繊維体積分率の増加に伴う歪み減少を示す。図６は、繊維体積分率の増加に伴なう弾性率増加を示す。
【００８９】
実施例５
両方とも実施例１に記載された「ＮＥＸＴＥＬ３１２」強化ワイヤーの特性に基づく、２つのケーブルのコアを設計した。第一の設計は、６つの外側ワイヤーが中心ワイヤーの周りにらせん状に撚られた非ストランド（すなわち、長手方向に配置されたワイヤー）の６／１立体構成を有し、そして第二の設計は、１８の「撚り要因」で６つの外側ワイヤーが中心ワイヤーの周りに接近してグループ化されたストランドの６／１立体構成を有した。ストランドケーブルの「撚り要因」は、ストランドを含む層の公称外径によりストランドケーブルの長さを分割することにより決定され、ここでは１つのらせん状回転を完成する単一ストランドが分割される。ストランドケーブルコアの弾性率は、らせん状層により、実施例１の未ストランドケーブルコアの弾性率の９５％まで減少された。
【００９０】
次の方程式を利用して、実施例１に記載された「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化ワイヤーの特性に基づく２つの構成に関して、いくつかのケーブル特性を計算した。
【００９１】
コア直径を次の方程式により定義する。
Ｄｃ＝３×Ｄｗ
式中、Ｄｗはコアを形成する個々のワイヤーの直径、または実施例５で使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては２．０ｍｍである。
【００９２】
コアの全面積を次の方程式により定義する。
Ａｃ＝Ｎｗ×（π／４×Ｄｗ２）
式中、Ｎｗはコアに使用されるワイヤーの数、または実施例５に記載の６／１コア構成に関しては７である。
【００９３】
コア重量を次の方程式により定義する。
Ｗｃ＝Ａ×１２×（ｄｗ×Ｆｅｃ）
式中、
ｄｗはコアを形成するために使用されるワイヤーの密度、または実施例５で使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては．０９８ｌｂ／インチ３（２．７ｇ／ｃｃ）であり、
Ｆｅｃはコアに関する電気的レーティング要因、または実施例５の未ストランドコアに関しては０であり、
Ｆｅｃはコアに関する電気的レーティング要因、または実施例５のストランドコアに関しては０．４％である。
【００９４】
コア破壊強度を次の方程式により定義する。
Ｓｃ＝（Ｓｗ×Ｆｍｃ）×Ａｃ
式中、
Ｓｗはコアを形成するために使用されるワイヤーの引張強さ、または実施例５において使用されるワイヤーに関しては０．４９０ＧＰａであり、
Ｆｍｃはコアの機械的レーティング要因、または実施例５のコア構成に関しては９６％である。
【００９５】
コア弾性率を次の方程式により定義する。
Ｍｃ＝Ｍｗ×ＦＳｃ
式中、
Ｍｗはコアに使用されるワイヤーの弾性率、または実施例５で使用されるワイヤーに関しては７３．８ＧＰａであり、
ＦＳｃはコアストランド要因、または実施例５の未ストランドコアに関しては１００％であり、
ＦＳｃはコアストランド要因、または実施例５のストランドコアに関しては９５．６％である。
【００９６】
コア抵抗を次の方程式により定義する。
Ｒｃ＝［１／（Ｃｗ×１．２２８）／Ａ］×５．２８×（１＋Ｆｅｃ）
式中、
Ｃｗは３１．７％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｎｎｅａｌｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ）である。
【００９７】
ケーブル直径を次の方程式により定義する。
Ｄ＝３×Ｄｗ＋４×Ｄａ
式中、
Ｄｗはコアに使用されるワイヤーの直径、または実施例６のコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては２．０ｍｍインチであり、
Ｄａはケーブルに使用される導電ワイヤーの直径、または実施例６のケーブルで使用されるＡｌ導電ワイヤーに関しては０．１０１３である。
【００９８】
ケーブルの全面積を次の方程式により定義する。
Ａ＝Ｎｗ×π／４×Ｄｗ２＋Ｎａ×π／４×Ｄａ２
式中、
Ｎｗはコアのワイヤー数、または実施例６のケーブルの６／１コア構成に関しては７であり、
Ｎａは導電ワイヤーの数、または実施例６の２６／７ケーブル構成に関しては２６である。
【００９９】
ケーブルの重量を次の方程式により定義する。
Ｗ＝ｆ×Ａ×１２×（ｄｗ×Ｆｅｃ）＋（１−ｆ）×Ａ×１２×（ｄａ×Ｆｅａ）
式中、
ｆはコアの面積分率、または実施例６の２６／７ケーブル構成に関しては０．１４であり、
ｄｗはコアに使用されるワイヤーの密度、または実施例６のケーブルのコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては０．０９８ｌｂ／インチ３（２．７ｇ／ｃｃ）であり、
Ｆｅｃはコアの電気的レーティング要因、または実施例６のケーブルのコアに関しては０．４％であり、
ｄａは導電ワイヤーの密度、または実施例６のケーブルで使用されるＡｌワイヤーに関しては０．０９７ｌｂ／インチ３（２．７ｇ／ｃｃ）であり、
ＦｅａはＡｌの電気的レーティング要因または２．５％である。
【０１００】
ケーブルの破壊強度を次の方程式により定義する。
Ｓ＝（Ｓｗ×Ｆｍｃ）×ｆ×Ａ＋（Ｓａ×Ｆｍａ）×（１−ｆ）×Ａ
式中、
Ｓｗはコアに使用されるワイヤーの引張強さ、または実施例６のケーブルのコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては０．４９０ＧＰａであり、
Ｓａは導電ワイヤーの引張強さ、または実施例６のケーブルで使用されるＡｌ導電ワイヤーに関しては０．１７９ＧＰａであり、
Ｆｍｃはコアの機械的レーティング要因、または実施例６のケーブルに関しては９３％であり、
Ｆｍｃはアルミニウムワイヤーの機械的レーティング要因、または実施例６のケーブルに使用されるＡｌワイヤーに関しては９３％である。
【０１０１】
ケーブルの弾性率を次の方程式により定義する。
Ｍ＝ｆ×Ｍｃ＋（１−ｆ）×Ｍａ
式中、
Ｍｃ＝Ｍｗ×ＦＳｃ、またはストランドコアの弾性率であり、
Ｍｗはコアに使用されるワイヤーの弾性率、または実施例６のコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては１０，７００，０００ｐｓｉであり、
ＭａはＡｌワイヤーの弾性率、または実施例６のケーブルに使用されるＡｌワイヤーに関しては７，９６０，０００ｐｓｉであり、
ＦＳｃはコアストランド要因、または実施例６のケーブルのコアに関しては９９．６％である。
【０１０２】
ケーブルのＣＴＥを次の方程式により定義する。
Ｅ＝ｆ×（Ｍｃ／Ｍ）×ＥＷ）＋（１−ｆ）×（Ｍａ／Ｍ）×Ｅａ
式中、
Ｅｗはコアに使用されるワイヤーのＣＴＥ、または実施例６のコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては４．７×１０−６／℃であり、
Ｅａは導電ワイヤーのＣＴＥ、または実施例６のケーブルで使用されるＡｌ導電に関しては２３．０×１０−６／℃であり、
【０１０３】
ケーブルの電気抵抗は次の方程式により定義される。
Ｒ＝１／（１／Ｒｃ＋１／Ｒａ）
式中、
Ｒｃ＝１／（Ｃｗ×１．２２８）／（ｆ×Ａ）×５．２８×（１＋Ｆｅｃ）、またはストランドコアの抵抗であり、
Ｒａ＝１／（Ｃａ×１．２２８）／（１−ｆ）×Ａ）×５．２８×（１＋Ｆｅａ）、またはストランドアルミニウムワイヤーの抵抗であり、
Ｃｗはコアに使用されるワイヤーの導電性、または実施例６のコアで使用される「ＮＥＸＴＥＬ３１２」ワイヤーに関しては３１．７％ＩＡＣＳであり、
Ｃａは導電体の導電性、または実施例６のケーブルで使用されるＡｌワイヤーの導電性に関しては６１．２％ＩＡＣＳである。
【０１０４】
２つのケーブル設計に関する計算された特性を表１に報告する。
【０１０５】
【表２】
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【０１０６】
実施例６
ケーブルの撚り要因が５０．８であること、ケーブルが導電体として円形１３５０アルミニウムワイヤーに２つの外側らせん状ストランド層を有することを除き、実施例５のものと同様のストランドコアケーブル設計を使用して、電力輸送ケーブルを設計した。ケーブルモデルは、中心コア中にらせん状に撚られた７つの「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化ワイヤー、コア上に撚られたアルミニウム導電体の１０のらせん状ワイヤーストランド中間層、および導電体中間層上に撚られたアルミニウム導電体の１６のらせん状ワイヤーストランド外層を有する２６／７立体構成である。外側導電ワイヤーに使用されるアルミニウムの特性は、ＡＳＴＭ　Ｂ　２３０　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　１３５０−Ｈ１９、Ｗｉｒｅ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｕｒｐｏｓｅｓに明示される。アルミニウムワイヤーは１７９ＭＰａ（２６ｋｓｉ）の引張強さを有し、そしてストランドアルミニウムワイヤーの最終弾性率は５４．９ＧＰａ（７．９６Ｍｓｉ）であった。導電モデルの計算された特性を表２に報告する。
【０１０７】
【表３】
2004504483.tif 000005
【０１０８】
「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化コアを有する導電体の機能性を確証するために、架空輸送線に使用される導電体の弛み引張性能を予想するためのコンピュータープログラムの手段により、この導電体の弛み−引張性能を「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コアモデルと同一幾何学および寸法を有する従来のＡＣＳＲ（強化アルミニウム導電体鋼）導電モデルに基づく導電モデルの弛み−引張性能と比較した。このソフトウェアパッケージは、Ａｌｃｏａ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＡｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓおよびＡｌｃｏａ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡから商品名ＳＡＧ１０ソフトウェアで市販品として入手可能である。このソフトウェアは、ソフトウェアおよび「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化ケーブルモデルに関する表２に報告されるもののような従来型ではないケーブルモデルに使用される実験材料の特性と一致する入力データにより提供される導電体データベースの一部である、従来のＡＣＳＲ構成に関する導電体特性および応力−歪データを使用する。様々な機械的負荷条件および導電体操作温度に関する計算を行うために、ソフトウェアを使用した。「ＮＥＸＴＥＬ３１２」繊維強化ケーブルモデルおよびＡＣＳＲケーブルモデルに関する特性を表３に報告する。
【０１０９】
【表４】
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【０１１０】
ソフトウェアは、ソフトウェアに含まれるデータベースの一部である実験的に得られた応力−歪および熱伸長データを使用した。ＡＣＳＲのような強化コアおよび外側アルミニウムからなる２金属導電体に関しては、各材料に関して別々の応力−歪および熱伸長データがある。
【０１１１】
７３８フィート（２２５ｍ）の優勢スパン長さおよび１，９８０ｌｂｓ（８．８ｋＮ）の初期導入張力を利用して、２つのケーブルモデルの比較導入のためにコンピューター計算を行った。３００℃までの温度における導電体の計算された弛みを、図１１にグラフで表わす。「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コア（図１１の曲線１）は、全温度範囲でＡＣＳＲコアモデルより低い弛みを示した。これらの結果は、従来のＡＣＳＲケーブル構成に関する改良として「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コア設計を使用できることを示す。これは同様の設計のＡＣＳＲコア導電体より低い弛みを有するので、「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コアを高温で操作することができる。これはまた、ＡＣＳＲ導電体の弛みを超えずに同様の設計のＡＣＳＲコア導電体より、高温度でより多くの電流を輸送する。弛み減少も、それが新しい線で使用される時のタワーの高さおよび費用の減少を許容する。
【０１１２】
厳しい氷および風負荷条件下で、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｃｏｄｅ　Ｈｅａｖｙ　Ｌｏａｄｉｎｇ条件（０．５インチの氷、４ｌｂｓの風、Ｋ＝．３）を使用して、２つのケーブルモデルの弛みおよび引張特性に関しても計算を行った。再び、優勢スパン長さは７３８フィート（２２５ｍ）であり、そして両ケーブル設計を１，９８０ｌｂｓ（８．８ｋＮ）の同一初期張力に導入した。表４に報告されるこれらの計算結果は、「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コア設計における張力は、最大負荷条件で、ＡＣＳＲコアモデルにより示されるものより１２％低いことを示す。「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コア設計により提供されたタワーにおける機械的負荷の減少は、標準的なＡＣＳＲ導電体設計に関連するタワー費用の減少および安全域の増加へと転換され得る。「ＮＥＸＴＥＬ３１２」コア設計ケーブルは鋼ケーブルほど強くないが、重大な負荷におけるその最大張力は良好に破壊強度下であり、推薦される限界以内である。鋼より低い強度の材料で強化されたケーブルが著しく増加した性能を示し得ることは、驚くべきことである。
【０１１３】
【表５】
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【０１１４】
本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明への様々な修正および変更は当業者に明らかになるであろう。本明細書に明示される説明のための実施形態および実施例により本発明は過度に限定されるように意図されないこと、およびかかる実施例および実施形態は、本明細書に明示される請求項によってのみ限定されるように意図される本発明の範囲のみによる例により存在することが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮにより商品名「ＮＥＸＴＥＬ６１０」で市販されている繊維を含有するワイヤー（線３）と比べて、３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮにより商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販されている繊維を含有する本発明のワイヤーの２つの試料（線１および２）に関する温度の関数としての膨張パーセントを示すグラフである。
【図２】
図１の商品名「ＮＥＸＴＥＬ６１０」で市販されている繊維から製造されたワイヤー（図１の線３）および商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販されている繊維から製造されたワイヤー（図１の線２）に関する温度曲線の関数としての膨張パーセントへの曲線の当嵌めである。
【図３】
図２の曲線の当嵌めから誘導された瞬間的ＣＴＥのプロットである。
【図４】
商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販されている繊維および純粋なアルミニウムから製造されたワイヤーに関する、引張強さ対繊維体積分率のグラフである。
【図５】
商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販されている繊維および純粋なアルミニウムから製造されたワイヤーに関する、引張破壊歪対繊維体積分率のグラフである。理論的繊維破壊歪の分率を第二歪軸として示す。
【図６】
商品名「ＮＥＸＴＥＬ３１２」で市販されている繊維および純粋なアルミニウムから製造されたワイヤーに関する、縦弾性係数対繊維体積分率のグラフである。
【図７】
複合金属マトリックスコアを有する架空電力輸送ケーブルの実施形態の図式的な断面である。
【図８】
複合金属マトリックスコアを有する架空電力輸送ケーブルの実施形態の図式的な断面である。
【図９】
複数のストランドの周りに保持手段を有する、本発明の標準的なケーブルの実施形態の最終図である。
【図１０】
本発明の電力輸送ケーブルの実施形態の最終図である。
【図１１】
本発明のケーブルの弛み対導電温度のプロットである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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