(57)【要約】ワイヤ（５９）およびテープなどの金属マトリックス複合材製品を製造する方法に関する。金属マトリックス複合材は、金属マトリックス内の複数の実質的に連続的な縦方向に配置された繊維（５１）を含む。繊維はセラミック繊維、ホウ素、カーボン繊維、およびそれらの混合物の群から選択される。
2004504484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所有体積の溶融金属マトリックス材料を提供するステップと、
複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを真空に排気するステップと、
前記排気された複数の実質的に連続的な繊維を前記所有体積の溶融金属マトリックス材料中に浸漬して、前記排気された複数の実質的に連続的な繊維を真空下で前記溶融金属中に導入するステップと、
超音波エネルギーを与えて前記所有体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された複数の繊維が提供されるように、前記溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を前記複数の繊維内に浸透させるステップと、
前記溶融金属マトリックス材料を凝固させて、金属マトリックス内に複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを含む、連続的な細長い金属複合材製品が提供される条件下で、前記浸透された複数の繊維を前記所有体積の溶融金属マトリックス材料から引き出すステップとを含み、
製品が前記繊維およびマトリックス材料の総容積を基準にして少なくとも１５容積％の前記繊維を含み、製品が少なくとも１０ｍの長さを有する、連続的な細長い金属複合材製品を製造する方法。
【請求項２】
前記真空が２０トル未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記真空が１０トル未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記真空が１トル未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記製品がワイヤである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記真空が２０トル未満である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記真空が１０トル未満である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記真空が１トル未満である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記金属マトリックスがアルミニウム、亜鉛、スズ、またはそれらの合金を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記ワイヤが少なくとも２．５ｍｍの直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記ワイヤが少なくとも１００ｍの長さにわたって少なくとも２．５ｍｍの直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記ワイヤが少なくとも３００ｍの長さにわたって少なくとも２．５ｍｍの直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記ワイヤが少なくとも３ｍｍの直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記ワイヤが少なくとも１００ｍの長さにわたって少なくとも３ｍｍの直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワイヤが少なくとも３００ｍの長さにわたって少なくとも３ｍｍの直径を有する請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の繊維を３００℃以上でヒートクリーニングするステップをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属マトリックスがアルミニウムまたはその合金を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１８】
数で少なくとも約８５％の前記繊維が実質的に連続的である、請求項５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ワイヤの総容積を基準にして少なくとも約２０容積％の前記繊維、そして約７０容積％以下の繊維を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項２０】
前記繊維がセラミック繊維である、請求項５に記載の方法。
【請求項２１】
前記繊維がセラミック酸化物繊維である、請求項５に記載の方法。
【請求項２２】
前記繊維が多結晶質αアルミナベースの繊維である、請求項５に記載の方法。
【請求項２３】
前記ワイヤが少なくとも約５０ｍの長さを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項２４】
前記ワイヤが少なくとも約１００ｍの長さを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ワイヤが少なくとも約３００ｍの長さを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項２６】
前記ワイヤが少なくとも約９００ｍの長さを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項２７】
前記繊維がセラミック繊維である、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記繊維がセラミック酸化物繊維である、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記繊維が多結晶質αアルミナベースの繊維である、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記溶融金属マトリックス材料がアルミニウムであり、前記溶融アルミニウムマトリックス材料の水素濃度がアルミニウム１００ｇあたり０．２ｃｍ３未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記溶融金属マトリックス材料がアルミニウムであり、前記溶融アルミニウムマトリックス材料の水素濃度がアルミニウム１００ｇあたり０．１５ｃｍ３未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記溶融金属マトリックス材料がアルミニウムであり、前記溶融アルミニウムマトリックス材料の水素濃度がアルミニウム１００ｇあたり０．１ｃｍ３未満である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、金属マトリックス内の実質的に連続的な繊維で強化された、金属マトリックス複合材を製造する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）は、低重量と相まったそれらの高い強度および剛性の組み合わせのために、以前から有望な材料と見なされてきた。ＭＭＣは、典型的に繊維で強化された金属マトリックスを含む。金属マトリックス複合材の例としては、アルミニウムマトリックス複合材ワイヤ（例えばアルミニウムマトリックス内の炭化ケイ素、カーボン、ホウ素、または多結晶質αアルミナ繊維）、チタンマトリックス複合材ワイヤおよびテープ（例えばチタンマトリックス内の炭化ケイ素繊維）、および銅マトリックス複合材テープ（例えば銅マトリックス内のシリコンカーボン繊維）が挙げられる。
【０００３】
例えば収縮または内部ガス（例えば水素または水蒸気）孔隙などに起因する金属間相、乾燥（すなわち未被覆）繊維、多孔性などのワイヤ中の欠陥の存在は、ワイヤ強度などの特性を低下させることが知られている。構成要素（すなわち金属マトリックスおよび繊維材料）中の不純物、構成要素の不適合性、並びに繊維内へのマトリックス材料の不完全な浸透から、これらの欠陥が帰結することができる。
【０００４】
裸架空送電ケーブルにおける強化部材としてのいくつかの金属マトリックス複合材ワイヤの使用は、特に興味深い。このようなケーブルにおける新しい材料に対する必要性は、規制緩和による負荷増大および電力潮流変化のために、既存の伝送基幹施設の送電容量を増大する必要性によって増大する。
【０００５】
ケーブル構造により大きな設計変化を提供する上で、多様な異なるワイヤ径をはじめとするより多様なワイヤの入手可能性が望ましい。例えば異なる直径のより多様なワイヤは、より広範囲の直径、並びにより広範囲の剛性または可撓性を持つケーブルを提供できる。より広範囲の直径は、より大きなケーブル径などのより広範囲のケーブル設計、並びにケーブル製造の簡素化も可能にする。したがって比較的大きな直径を持つ実質的に連続的な金属マトリックス複合材ワイヤを製造する工程に対する必要性がある。
【０００６】
さらに高強度などの所望のまたは強化された性能特性を有する、ワイヤおよびテープなどの金属マトリックス複合材製品を製造する方法に対する継続する必要性がある。
【０００７】
発明の要約
本発明は、実質的に連続的な繊維金属マトリックス複合材を製造する連続的方法に関する。本発明の実施態様は、金属マトリックス内に含有された、複数の実質的に連続的な縦方向に配置された繊維を有する金属マトリックス複合材（例えば複合材ワイヤ）を製造する方法に関する。金属マトリックス複合材材料を製造するための圧力浸透法とは対照的に、本発明に従った方法における浸透は実質的に大気圧（約１気圧）で実施される。本発明に従って製造される金属アルミニウムマトリックス複合材は、好ましくは弾性係数、密度、熱膨張係数、導電率、および強度に関して望ましい特性を示す。
【０００８】
一態様では、本発明は、
所有体積の溶融金属マトリックス材料を提供するステップと、
複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを真空に排気するステップと、
排気された複数の実質的に連続的な繊維を所有体積の溶融金属マトリックス材料中に浸漬して、排気された複数の実質的に連続的な繊維を真空下で溶融金属材料中に導入するステップと、
超音波エネルギーを与えて所有体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された複数の繊維が提供されるように、溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を複数の繊維内に浸透させるステップと、
溶融金属マトリックス材料を凝固させて、金属マトリックス内に複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを含む、連続的な細長い金属複合材製品が提供される条件下で、浸透された複数の繊維を所有体積の溶融金属マトリックス材料から引き出すステップとを含む、連続的な細長い金属マトリックス複合材製品（例えばワイヤおよびテープ）を製造する方法を提供する。好ましくは複数の繊維はトウ（群）の形態である。
【０００９】
別の態様では、本発明は、
所有体積の溶融金属マトリックス材料（例えばアルミニウム）を提供するステップと、
複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを所有体積の溶融金属マトリックス材料中に浸漬するステップと、
超音波エネルギーを与えて所有体積の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部に振動を引き起こし、浸透された複数の繊維が提供されるように、溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を複数の繊維内に浸透させ、溶融金属マトリックス材料が金属（例えばアルミニウム）１００ｇあたり０．２ｃｍ３未満（好ましくは０．１５ｃｍ３未満、より好ましくは０．１ｃｍ３）の水素含量を有するステップと、
溶融金属マトリックス材料を凝固させて、金属マトリックス内に複数の実質的に連続的な縦方向に配置されたセラミック、ホウ素、またはカーボン繊維の少なくとも１つを含む、連続的な細長い金属複合材製品が提供される条件下で、浸透された複数の繊維を所有体積の溶融金属マトリックス材料から引き出すステップとを含む、連続的な細長い金属複合材製品（例えばワイヤおよびテープ）を製造する方法を提供する。好ましくは複数の繊維はトウ（群）の形態である。
【００１０】
別の態様では、本発明に従った方法によって製造される製品は、好ましくは少なくとも１０ｍ（好ましくは少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さを有する。別の態様では、本発明に従った方法によって製造される製品は、好ましくは少なくとも１０ｍ（好ましくは少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さにわたり少なくとも２．５ｍｍ（より好ましくは少なくとも３ｍｍまたは３．５ｍｍ）の最小寸法を有する。本発明に従った方法によって製造される、特定の好ましい金属マトリックス複合材製品は、少なくとも１０ｍ（好ましくは少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さにわたり約２．５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲の最小寸法を有する。
【００１１】
別の態様では、本発明に従った方法によって製造されるワイヤは、好ましくは少なくとも１０ｍ（好ましくは、少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さを有する。別の態様では、本発明に従った方法によって製造されるワイヤは、好ましくは少なくとも１０ｍ（好ましくは少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さにわたり、少なくとも２．５ｍｍ（より好ましくは少なくとも３ｍｍまたは３．５ｍｍ）の直径を有する。本発明に従った方法によって製造される特定の好ましい金属マトリックス複合材ワイヤは、少なくとも１０ｍ（好ましくは、少なくとも２５ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、３００ｍ、４００ｍ、５００ｍ、６００ｍ、７００ｍ、８００ｍ、９００ｍ、１０００ｍ以上）の長さにわたり約２．５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲の直径を有する。
【００１２】
定義
ここでの用法では、以下の用語の定義は次の通りである。
【００１３】
「実質的に連続的な繊維」とは、平均的な繊維径と比べて比較的無限大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、そしてより好ましくは少なくとも約１×１０７の縦横比（すなわち繊維の平均径に対する繊維の長さの比）を有することを意味する。典型的にこのような繊維は、少なくとも約５０ｍ前後の長さを有し、数キロメートル以上の長さを有するかもしれず、長さが５０ｍ未満の製品では、繊維の長さは典型的に複合材製品の長さである。
【００１４】
「縦方向に配置された」とは、繊維がワイヤの長さと同じ方向を向いていることを意味する。
【００１５】
好ましい実施態様の詳細な説明
例えば収縮または内部ガス（例えば水素または水蒸気）ボイドなどの結果である、金属間相、乾燥繊維、多孔性などのワイヤ中の欠陥の存在は、ワイヤ強度などの特性を低下させることが知られている。理論による拘束は望まないが、出願者らは既知の金属マトリックス複合材ワイヤ中の欠陥の存在が、当技術分野で知られている以上にワイヤおよびテープの長さに沿ってより蔓延していることを発見したと考える。例えば１メートルのワイヤまたはテープを特性およびその他の特徴について試験または分析することは、１０ｍ、５０ｍ、１００ｍなどの長さのワイヤまたはテープが、常に所望の程度の特性または特徴を示すことを必ずしも意味しない。このようなワイヤまたはテープ中の欠陥としては、局所金属間相、局所的乾燥（すなわち未被覆）繊維（例えば図１参照）、収縮（例えば図２参照）または内部ガスボイド（例えば図３参照）の結果である多孔性、および微細多孔性（例えば図４参照）が挙げられる。このような欠陥は、金属マトリックス複合材製品の強度などの特性を劇的に低下できるものと考えられる。理論による拘束は望まないが、出願者らの発明の方法によって製造される好ましい製品は、その長さに沿って、当技術分野と比べて顕著に低下した（または排除された）１つ以上のこのような欠陥を有することにより、顕著に改善された特性を示すワイヤを提供するものと考えられ、例えばいくつかの実施態様は、少なくとも３００ｍの長さにわたり０の曲げ破損値を有する。
【００１６】
本発明に従った方法は、ワイヤ、テープ、およびロッドなどの繊維強化金属マトリックス複合材製品を提供する。このような複合材としては、１つ以上の金属（例えば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などのその他の元素との合金）を含むマトリックス内に包まれたセラミック（例えばＡｌ２Ｏ３ベースの）強化繊維などの複数の実質的に連続的な縦方向に配置された強化繊維が挙げられる。好ましくは数で少なくとも約８５％の繊維が、金属マトリックス複合材製品中で実質的に連続的である。
【００１７】
実質的に連続的な強化繊維は、好ましくは少なくとも約５μｍの平均径を有する。好ましくは平均繊維径は約２５０μｍ以下であり、より好ましくは約１００μｍ以下である。（セラミック酸化物繊維、モノフィラメントの形態でも入手できるいくつかの炭化ケイ素繊維、およびカーボン繊維などの）トウの形態で入手できる繊維では、平均繊維径は好ましくは約５０μｍ以下、より好ましくは約２５μｍ以下である。
【００１８】
好ましくは繊維は約１０００ＧＰａ以下、そしてより好ましくは約４２０ＧＰａ以下の弾性率を有する。好ましくは繊維は、約７０ＧＰａよりも大きい弾性率を有する。
【００１９】
本発明に従った金属マトリックス複合材材料の製造に有用かもしれない実質的に連続的な繊維の例としては、金属酸化物（例えばアルミナ）繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ素繊維、およびカーボン繊維などのセラミック繊維が挙げられる。典型的にセラミック酸化物繊維は、結晶質セラミック、および／または結晶質セラミックとガラスの混合物である（すなわち繊維は結晶質セラミックおよびガラスの双方の相を含有しても良い）。
【００２０】
好ましくはセラミック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２．８ＧＰの平均引っ張り強さを有する。好ましくはカーボン繊維は、少なくとも約１．４Ｇｐａ、より好ましくは少なくとも約２．１Ｇｐａ、さらにより好ましくは少なくとも約３．５Ｇｐａ、そして最も好ましくは少なくとも約５．５Ｇｐａの平均引っ張り強さを有する。
【００２１】
セラミック繊維は単一フィラメントとして、または一緒に集めて（例えばヤーンまたはトウとして）市販される。ヤーンまたはトウは、好ましくはトウあたり少なくとも７８０本の個々の繊維、そしてより好ましくはトウあたり少なくとも２６００本の個々の繊維を含む。トウは繊維技術分野で周知であり、ロープ状形態に集められた複数の（個々の）繊維（典型的には少なくとも１００本の繊維、より典型的には少なくとも４００本の繊維）を指す。セラミック繊維のトウをはじめとするセラミック繊維は、３００ｍ以上をはじめとする多様な長さで入手できる。繊維は円形または楕円形の横断面形状を有しても良い。
【００２２】
アルミナ繊維を製造する方法については技術分野で既知であり、その内容を本願明細書に引用した米国特許番号第４，９５４，４６２号（Ｗｏｏｄら）で開示された方法が挙げられる。
【００２３】
好ましくはアルミナ繊維は多結晶質αアルミナベースの繊維であり、アルミナ繊維総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで約９９ｗｔ％を越えるＡｌ２Ｏ３および約０．２〜０．５ｗｔ％のＳｉＯ２を含む。別の態様では、好ましい多結晶質は１μｍ未満（より好ましくは０．５μｍ未満）の平均粒度を有するαアルミナを含むαアルミナベースの繊維である。別の態様では好ましい多結晶質は、少なくとも１．６ＧＰａ（好ましくは少なくとも２．１Ｇｐａ、より好ましくは少なくとも２．８ＧＰａ）の平均引っ張り強さを有するαアルミナベースの繊維である。好ましいαアルミナ繊維は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから「ＮＥＸＴＥＬ　６１０」の商品名の下に市販される。
【００２４】
適切なアルミノケイ酸塩繊維については、その内容を本願明細書に引用した米国特許番号第４，０４７，９６５号（Ｋａｒｓｔら）で述べられている。好ましくはアルミノケイ酸塩繊維は、アルミノケイ酸塩繊維の総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで約６７〜約８５ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、および約３３〜約１５ｗｔ％の範囲のＳｉＯ２を含む。いくつかの好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、アルミノケイ酸塩繊維の総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで約６７〜約７７ｗｔ％の範囲のＡｌ２Ｏ３、および約３３〜約２３ｗｔ％の範囲のＳｉＯ２を含む。１つの好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、アルミノケイ酸塩繊維の総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで８５ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３および約１５ｗｔ％のＳｉＯ２を含む。別の好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、アルミノケイ酸塩繊維の総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで約７３ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３および約２７ｗｔ％のＳｉＯ２を含む。好ましいアルミノケイ酸塩繊維は、３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから「ＮＥＸＴＥＬ　４４０」セラミック酸化物繊維、「ＮＥＸＴＥＬ　５５０」セラミック酸化物繊維、および「ＮＥＸＴＥＬ　７２０」セラミック酸化物繊維の商品名の下に市販される。
【００２５】
適切なアルミノホウケイ酸塩繊維については、その内容を本願明細書に引用した米国特許番号第３，７９５，５２４号（Ｓｏｗｍａｎ）で述べられている。好ましくはアルミノホウケイ酸塩繊維は、アルミノホウケイ酸塩繊維総重量を基準にして、理論的酸化物ベースで約３５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％（より好ましくは約５５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％）のＡｌ２Ｏ３、０ｗｔ％（より好ましくは少なくとも約１５ｗｔ％）を越え約５０ｗｔ％未満（より好ましくは，約４５％未満そして最も好ましくは約４４％未満）のＳｉＯ２、および約５ｗｔ％を越える（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。好ましいアルミノホウケイ酸塩繊維は、３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから商品名「ＮＥＸＴＥＬ　３１２」の下に市販される。
【００２６】
適切な炭化ケイ素繊維は、例えばカリフォルニア州サンディエゴのＣＯＩ　Ｃｅｒａｍｉｃｓから商品名「ＮＩＣＡＬＯＮ」の下に５００本の繊維のトウで、マサチューセッツ州ウィルミントンのＴｅｘｔｒｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓから商品名「ＳＣＳ−２、ＳＣＳ−６、ＳＣＳ−９Ａ　ＳＣＳ−ＵＬＴＲＡ」の下に、日本国のＵｂｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから商品名「ＴＹＲＡＮＮＯ」の下に、そしてミシガン州ミッドランドのＤｏｗ　Ｃｏｒｎｉｎｇから商品名「ＳＹＬＲＡＭＩＣ」の下に市販される。
【００２７】
適切なカーボン繊維は、例えばジョージア州アルファレッタのＡｍｏｃｏ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから商品名「ＴＨＯＲＮＥＬ　ＣＡＲＢＯＮ」の下に２０００、４０００、５，０００、および１２，０００本の繊維のトウで、コネチカット州スタムフォードのＨｅｘｃｅｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、カリフォルニア州サクラメントのＧｒａｆｉｌ，Ｉｎｃ．（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｒａｙｏｎ　Ｃｏ．の子会社）から商品名「ＰＹＲＯＦＩＬ」の下に、日本国東京のＴｏｒａｙから商品名「ＴＯＲＡＹＣＡ」の下に、日本国のＴｏｈｏ　Ｒａｙｏｎ，Ｌｔｄ．から商品名「ＢＥＳＦＩＧＨＴ」の下に、ミズーリ州セントルイスのＺｏｌｔｅｋ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商品名「ＰＡＮＥＸ」および「ＰＹＲＯＮ」の下に、そしてニュージャージー州ワイコフのＩｎｃｏ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓから商品名「１２Ｋ２０」および「１２Ｋ５０」（ニッケル被覆されたカーボン繊維）の下に市販される。
【００２８】
適切なホウ素繊維は、例えばマサチューセッツ州ウィルミントンのＴｅｘｔｒｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓからモノフィラメントとして市販される。
【００２９】
市販される繊維は、典型的にそれらの製造中に繊維に添加されて潤滑性を提供し、取扱中に繊維ストランドを保護する有機サイズ剤を含む。サイズ剤は、例えば布帛への転換中に繊維の破損を減少させ、静電気を低下させ、粉塵の量を低下させる傾向があると考えられる。サイズ剤は、例えば溶解またはそれを焼き尽くすことで除去できる。好ましくはサイズ剤は、本発明に従った金属マトリックス複合材ワイヤを形成する前に除去される。このようにしてアルミニウムマトリックス複合材ワイヤを形成する前に、セラミック酸化物繊維上のあらゆるサイズ剤が取り除かれる。
【００３０】
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。コーティングを使用して、例えば繊維のぬれ性を向上させ、繊維と溶融金属マトリックス材料間の反応を低下させまたは防止しても良い。このようなコーティングおよびこのようなコーティングを提供する技術は、繊維および金属マトリックス複合材技術分野で既知である。
【００３１】
本発明に従った方法によって製造される金属マトリックス複合材製品は、繊維およびマトリックス材料の総容積を基準にして、好ましくは少なくとも１５容積％（より好ましくは、好まし差が増大する順に少なくとも２０、２５、３０、３５、４０、または５０容積％）の繊維を含む。典型的に、本発明に従った方法によって製造される金属マトリックス複合材製品は、繊維およびマトリックス材料の総容積を基準にして、約３０〜約７０（好ましくは約４０〜約６０）容積％の範囲の繊維を含む。
【００３２】
本発明に従って製造される好ましい金属マトリックス複合材ワイヤは好ましさの順に少なくとも約３００ｍ、少なくとも約４００ｍ、少なくとも約５００ｍ、少なくとも約６００ｍ、少なくとも約７００ｍ、少なくとも約８００ｍ、そして少なくとも約９００ｍの長さを有し、その長さにわたってここで述べるワイヤ耐力試験に従って０破損を示す（すなわち曲げ破損値が０である）。
【００３３】
本発明に従って製造されるワイヤの平均径は、好ましくは少なくとも約０．５ｍｍ、より好ましくは少なくとも約１ｍｍ、より好ましくは少なくとも約１．５ｍｍである。
【００３４】
マトリックス材料は、例えば繊維外面に保護コーティングを提供する必要性を除外するために、マトリックス材料が繊維材料と顕著に化学反応しない（すなわち比較的繊維材料に対して化学的不活性である）ように選択されても良い。好ましい金属マトリックス材料としては、アルミニウム、亜鉛、スズおよびそれらの合金（例えばアルミニウムと銅の合金）が挙げられる。より好ましくはマトリックス材料は、アルミニウムおよびそれらの合金を含む。アルミニウムマトリックス材料では、好ましくは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％を越えるアルミニウム、そして最も好ましくは９９．９５ｗｔ％を越えるアルミニウムを含む。アルミニウムと銅の好ましい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。より高い引っ張り強さのワイヤを製造するにはより高純度の金属が好ましい傾向があるが、より低純度の形態の金属も有用である。
【００３５】
適切な金属は市販される。例えばアルミニウムは、米国ペンシルベニア州ピッツバーグのＡｌｃｏａから商品名「ＳＵＰＥＲ　ＰＵＲＥ　ＡＬＵＭＩＮＵＭ；９９．９９％Ａｌ」の下に入手できる。アルミニウム合金（例えばＡｌ−２ｗｔ％Ｃｕ（０．０３ｗｔ％不純物））は、ニューヨーク州ニューヨークのＢｅｌｍｏｎｔ　Ｍｅｔａｌｓから入手できる。亜鉛およびスズは例えばミネソタ州セントポールのＭｅｔａｌ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓから入手できる（純度９９．９９９％の「純亜鉛」、純度９９．９５％の「純スズ」）。スズ合金の例は９２ｗｔ％のＳｎと８ｗｔ％のＡｌを含む（例えばアルミニウムを溶融スズ浴に５５０℃で添加して、混合物を使用前に１２時間静置して製造できる）。スズ合金の例は、９０．４ｗｔ％のＺｎと９．６ｗｔ％のＡｌを含む（例えばアルミニウムを溶融亜鉛浴に５５０℃で添加して、混合物を使用前に１２時間静置して製造できる）。
【００３６】
本発明に従った金属マトリックス複合材製品を製造するための特定の繊維、マトリックス材料、および工程ステップは、金属マトリックス複合材製品に所望の特性を提供するように選択される。例えば所望の製品を製造するために、繊維および金属マトリックス材料は、相互に、そして金属マトリックス複合材加工と十分適合性であるように選択される。アルミニウムおよびアルミニウム合金マトリックス複合材を製造するためのいくつかの好ましい技術に関する詳細は、例えばその内容を本願明細書に引用した米国整理番号０８／４９２，９６０を有する同時係属出願、および１９９６年５月２１日に公開された番号ＷＯ　９７／００９７６を有するＰＣＴ出願で開示されている。
【００３７】
本発明に従った方法による金属マトリックス複合材のための好ましい装置の概略図を図５に示す。実質的に連続的なセラミック、ホウ素、および／またはカーボン繊維５１のトウは、供給スプール５０から提供され、円形束に平行化され、管状炉５２通過中に熱クリーニングされる。次に金属マトリックス材料溶融物６１（ここでは「溶融金属」とも称する）を含有するるつぼ５４に入れる前に、繊維を真空チャンバー５３内で排気する。無限軌道５５によって、繊維を供給スプール５０から引き寄せる。繊維近傍の溶融物中に超音波プローブ５６を配置させ、溶融物がトウ５１内へ浸透するのを助ける。金属マトリックス複合材製品（例えば図示するようなワイヤ、テープ、またはロッド）の溶融金属は、出口ダイ５７を通ってるつぼ５４を出た後に冷却され固化するが、完全にるつぼ５４を出る前にいくらかの冷却が起きるかもしれない。ワイヤ５９の冷却は、ガスまたは液体の流れ５８によって促進される。製品５９はスプール６０上に捕集される。任意に下の実施例で述べるワイヤ耐力試験を使用して、製品をインラインで試験する。
【００３８】
繊維のヒートクリーニングは、繊維表面に存在するかもしれないサイズ剤、吸着水、およびその他の一過性または揮発性材料を除去し、あるいは量を低下させるのを助ける。好ましくは繊維は、繊維表面のカーボン含量が２２％未満の面積割合になるまで熱クリーニングされる。典型的に管状炉の温度は、少なくとも数秒間にわたって少なくとも約３００℃、より典型的には少なくとも１０００℃であるが、特定温度（群）および時間（群）は、例えば使用される特定繊維の浄化法の必要性に左右される。
【００３９】
排気を使用することで、乾燥繊維がある領域などの欠陥の形成が低下し、または除去される傾向があることが観察されているので、繊維は溶融物に入る前に排気される。好ましくは、繊維は好ましさが増大する順に２０トル以下、１０トル以下、１トル以下、そして０．７トル以下の真空に排気される。
【００４０】
適切な真空システムの例は、繊維束径に一致するサイズの入り口管である。入り口管は、例えばステンレス鋼またはアルミナ管であることができ、典型的に少なくとも３０ｃｍの長さである。適切な真空チャンバーは、典型的に約２ｃｍ〜約２０ｃｍの範囲の直径、および約５ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲の長さを有する。真空ポンプの能力は、好ましくは少なくとも０．２〜０．４ｍ３／分である。排気された繊維は、アルミニウム浴を貫通する真空システムの管を通して溶融物中に挿入されるが（すなわち溶融物中への導入時、排気された繊維は真空下にある）、溶融物は実質的に大気圧である。出口管の内径は、繊維束径に実質的に一致する。出口管の一部を溶融アルミニウム中に浸漬する。好ましくは管の約０．５〜５ｃｍを溶融金属中に浸漬する。溶融金属材料中で安定であるように、管を選択する。典型的に適切な管の例としては、窒化ケイ素およびアルミナ管が挙げられる。
【００４１】
繊維内への溶融金属の浸透は、超音波を使用することで向上する。例えば繊維に近接するように振動ホーンが溶融金属中に配置される。好ましくは繊維はホーン先端から２．５ｍｍ以内、より好ましくはホーン先端から１．５ｍｍ以内である。ホーン先端は、好ましくは９５ｗｔ％のＮｂと５ｗｔ％のＭｏ、および９１ｗｔ％のＮｂと９ｗｔ％のＭｏなどのニオブまたはニオブの合金からできており、例えばペンシルベニア州ピッツバーグのＰＭＴＩから得られる。金属マトリックス複合材を製造するための超音波の使用に関する詳細については、例えばその内容を本願明細書に引用した米国特許番号第４，６４９，０６０号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、第４，７７９，５６３号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、および第４，８７７，６４３号（Ｉｓｈｉｋａｗａら）、米国整理番号０８／４９２，９６０を有する出願、および１９９６年５月２１日に公開された公開番号ＷＯ　９７／００９７６を有するＰＣＴ出願を参照されたい。
【００４２】
溶融金属は、好ましくは浸透中および／または前に脱気される（例えば溶融金属中に熔解するガス（例えば水素）の量を減少させる）。溶融金属を脱気する技術は金属加工の技術分野で周知である。溶融物の脱気はワイヤ中のガスによる多孔性を低下させる傾向がある。溶融アルミニウムでは、好ましくは溶融物の水素濃度は、好ましさが増大する順に１００ｇのアルミニウムあたり０．２、０．１５、および０．１ｃｍ３未満である。
【００４３】
出口ダイは、製品の所望の形状およびサイズ（例えば直径または厚さおよび幅）を提供するように配列される。典型的には、製品の長さに沿って一様な横断面を有することが所望される。出口ダイのサイズは通常、製品ワイヤのサイズよりもわずかに大きい。例えば約５０容積％のアルミナ繊維を含有するアルミニウム複合材ワイヤのための窒化ケイ素出口ダイの直径は、ワイヤ径よりも約３％小さい。好ましくは出口ダイは窒化ケイ素からできているが、その他の材料も有用であるかもしれない。技術分野で出口ダイとして使用されているその他の材料としては、従来のアルミナが挙げられる。しかし窒化ケイ素出口ダイは従来のアルミナダイよりも摩耗が顕著に少ないことから、特に製品の長さ全体にわたり製品の所望のサイズおよび形状を提供する上でより有用であることが、出願者らによって発見されている。
【００４４】
典型的に金属マトリックス複合材製品は、出口ダイを出た後に、製品を液体（例えば水）またはガス（例えば窒素、アルゴン、または空気）に接触させることによって冷却される。このような冷却は、望ましい丸みおよび均一性の特徴を提供するのを助ける。
【００４５】
ワイヤに関しては、例えば得られるワイヤの直径は典型的に完璧な円ではない。最小および最大径の比率（すなわちワイヤの長さ上の所定の点における最小径と最大径との比率であり、完璧な場合は１になる）は、典型的に少なくとも０．８であり、好ましくは、好ましさが増大する順に少なくとも０．８５、０．８８、０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、および０．９５である。ワイヤの横断面形状は、例えば円形、楕円形、正方形、長方形、または三角形であっても良い。好ましくは本発明に従ったワイヤの横断面形状は、円形またはほぼ円形である。好ましくは本発明に従ったワイヤの平均径は、少なくとも１ｍｍ、より好ましくは少なくとも１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、または３．５ｍｍである。
【００４６】
本発明の方法によって製造される金属マトリックス複合材テープの所望の構造および寸法は、特定用途に左右されるかもしれないが、いくつかの好ましいテープは約５〜５０ｍｍ×０．２〜１ｍｍの長方形横断面を有する。
【００４７】
本発明に従った方法の特定の実施態様は、比較的より大きい直径のワイヤ（すなわち２．５．ｍｍ以上）の製造を可能にする。このようなより大きい直径のワイヤは、次により幅広い多様なケーブル設計および構築を可能にする。例えば異なる直径のより幅広い多様なワイヤは、より幅広い範囲の直径、並びにより幅広い範囲の剛性または可撓性のケーブルを提供できる。
【００４８】
本発明に従った金属マトリックス複合材ワイヤは、多様な用途で使用できる。それらは特に架空送電ケーブルで有用である。ケーブルは均質（すなわち１タイプの金属マトリックス複合材ワイヤのみを含む）または非均質（すなわち金属ワイヤなどの複数の二次ワイヤを含む）であっても良い。非均質なケーブルの例として、コアは、複数の二次ワイヤ（例えばアルミニウムワイヤ）を含むシェルと共に、本発明に従って製造される複数のワイヤを含むことができる。
【００４９】
ケーブルは撚りあわせることができる。撚線は典型的に中心ワイヤおよび中心ワイヤ周囲に螺旋状に撚りあわせられたワイヤの第１の層を含む。ケーブル撚りあわせは、個々のワイヤストランドを螺旋状の配列に組み合わせて最終ケーブルを製造する工程である（例えばその内容を本願明細書に引用した米国特許番号第５，１７１，９４２号（Ｐｏｗｅｒｓ）および第５，５５４，８２６号（Ｇｅｎｔｒｙ）参照）。得られる螺旋状に撚りあわせられたワイヤロープは、同等の横断面積の中実ロッドよりも遙かに大きい可撓性を提供する。螺旋状配列はまた、取り扱い、設置、および使用中にケーブルが曲げられた際に、撚線がその全体的な丸い横断面形状を保持するので有益である。螺旋状に巻かれたケーブルは、わずか７本の個々のストランドから５０本以上のストランドを含有するより一般的な構造を含んでも良い。
【００５０】
１つの例証的な送電ケーブルを図８に示すが、送電ケーブル１３０は、３０本の個々のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤ１３８のジャケット１３６で囲まれた、１９本の個々の複合材金属マトリックスワイヤ１３４のコア１３２であっても良い。同様に図９に示すように、多数の代案の１つとして、架空送電ケーブル１４０は、２１本の個々のアルミニウムまたはアルミニウム合金ワイヤ１４８のジャケット１４６で囲まれた、３７本の個々の複合材金属マトリックスワイヤ１４４のコア１４２であっても良い。
【００５１】
図１０は、撚線８０のさらに別の実施態様を図解する。この実施態様では、撚線は中心金属マトリックス複合材ワイヤ８１Ａ、および中心金属マトリックス複合材ワイヤ８１Ａの周囲に螺旋状に巻かれた金属マトリックス複合材ワイヤの第１の層８２Ａを含む。この実施態様は、第１の層８２Ａの周囲に螺旋状に撚りあわせられた、金属マトリックス複合材ワイヤ８１の第２の層８２Ｂをさらに含む。あらゆる適切な数の金属マトリックス複合材ワイヤ８１が、あらゆる層に含まれても良い。さらに所望するならば、２つ以上の層が撚線８０に含まれても良い。
【００５２】
ケーブルは裸ケーブルとして使用でき、あるいはそれはより大径のケーブルのコアとして使用できる。またケーブルは、複数のワイヤ周囲の保持手段がある複数のワイヤの撚線であっても良い。保持手段は、例えば図１０で８３として示すような、接着剤またはバインダーありまたはなしのオーバーラップするテープであっても良い。
【００５３】
撚線は多数の用途で有用である。このような撚線は、それらの低重量、高強度、良好な導電率、低熱膨張係数、高い使用温度、および腐食抵抗性の組み合わせのために、架空送電ケーブルで使用するのに特に望ましいと考えられる。
【００５４】
このような伝送ケーブル９０の好ましい一実施態様の端面図を図１１に示す。このような伝送ケーブルは、ここで述べるあらゆる撚りあわせられたコアであることができるコア９１を含む。送電ケーブル９０は、撚りあわせられたコア９１周囲の少なくとも１つの導体層も含む。図示するように送電ケーブルは、２つの導体層９３Ａおよび９３Ｂを含む。所望によりさらに多くの導体層を使用しても良い。好ましくは各導体層は、技術分野で既知のように複数の導体ワイヤを含む。導体ワイヤのための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挙げられる。技術分野で既知のように適切なケーブル撚りあわせ装置によって、導体ワイヤを撚りあわせられたコア９１の周囲に撚りあわせても良い。
【００５５】
撚線が最終製品それ自体として使用され、あるいは中間製品または異なる引き続く製品の構成要素として使用されるその他の用途では、撚線が複数の金属マトリックス複合材ワイヤ８１周囲の電力導体層を含まないことが好ましい。
【００５６】
金属マトリックス複合材ワイヤからできたケーブルに関する詳細は、例えば本願と同日に出願された米国整理番号０９／６１６，７８４を有する出願、および米国整理番号０８／４９２，９６０を有する出願、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出願で開示されている。金属マトリックス複合材材料および該材料を含有するケーブルの製造に関する詳細は、例えば本願と同日に出願された米国整理番号０９／６１６，５９４、０９／６１６，５９３、および０９／６１６，７４１を有する同時係属出願で開示されている。
【００５７】
実施例
以下の実施例により本発明をさらに例証するが、これらの実施例で述べられる特定の材料およびそれらの量、並びにその他の条件および詳細は、本発明を不当に制限しないものとする。発明の種々の修正と変更は、当業者には明らかである。特に断りのない限りあらゆる部および百分率は重量による。
【００５８】
試験手順
三点曲げ強度試験
その内容を本願明細書に引用したペンシルベニア州フィラデルフィアのＡＳＴＭが出版する、ＡＳＴＭ　１９９２　Ａｎｎｕａｌ　Ｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ、セクション３、第０３．０１巻で公開されるＡＳＴＭ規格Ｅ８５５−９０試験方法Ｂに由来する三点曲げ法を使用して、曲げ強度を測定した。三点曲げ強度は、２つ以上の別個の小片への試験サンプル破損が帰結する、ワイヤ外面の公称応力である。試験は、三点曲げ取付具を装着した汎用試験フレームおよび負荷を連続的に記録する装置（どちらもミネソタ州イーデンプレーリーのＭＴＳから入手できる）を使用して、無作為に選択したサンプル上で室温（約２０℃）で実施した。三点曲げで試験した、その深さに対して長いサンプルの三点曲げ強度σｂは式１によって表される。
【数１】
2004504484.tif 000003
式中、Ｆはロードセルによって記録された最大負荷、ｌは試験スパン（すなわち２つのサポート間の距離）、ｙｍは試験サンプル表面への中立軸からの垂直距離（図１４参照）、Ｉは断面二次モーメントである。図１４に関して述べると、断面二次モーメントは水平軸２４２への曲げに対する均一なセクションの抵抗を測定する。断面二次モーメントは次によって表される。
【数２】
2004504484.tif 000004
式中、ｂ（ｙ）はｙにおけるセクションの幅である。式が断面二次モーメントＩを計算する上で、適切な近似を提供することは周知である。式はサンプルの横断面に適合するように選択される。例えば円形またはほぼ円形の横断面では、断面二次モーメントＩは次によって表される。
【数３】
2004504484.tif 000005
式中、ｄは横断面の直径である。完璧に円形でないワイヤでは、三点曲げ強度は試験装置内でワイヤの短軸を垂直に向けて測定される。ワイヤ径は、測微器を使用して（少なくとも＋／−２％の精度で）測定される。実施例からのワイヤは完璧に円形ではなかった（が、ほぼ円形だった）。したがって（ワイヤ上の同一点について）最小および最大双方の直径を測定した。実施例からのワイヤの最小と最大直径との比率は、全て０．９よりも大きかった。各試験サンプルで、１５ｃｍの長さに沿って５ｃｍ毎に最小径を測定し、全部で３回、直径の測定を読みとった。実施例からのワイヤ横断面はほぼ円形であったので、断面二次モーメントＩのために式３（上記）を使用した。式で使用される直径ｄは、３回の最小径の読みとりの平均であった。
【００５９】
単純梁として、三点対称ローディングに試験標本をロードした。ローディングをモニターしてワイヤが破損するまで曲げ強度を求めた。破損点荷重Ｐを記録し、式１（式３と共に）に従って三点曲げ強度を計算するのに使用した。試験装置概略図を図６に示す。装置は２つの調整可能な支持体２１４、負荷適用手段２１２、および負荷測定手段２１６から構成された。支持体は支持端における半径が３ｍｍの焼入鋼ピンであった。支持体間の分離は、標本の縦軸に沿って調整可能であった。試験するサンプルを２１１として示す。
【００６０】
試験標本は直線で、波状だったりねじれたりしてはいなかった。スパンはワイヤ最小径（ｄ）の１５〜２２倍であった。総標本長は、ワイヤ最小径（ｄ）の少なくとも５０倍であった。標本を支持体上に対称的にのせて、手でそっとテープでとめて支持体における摩擦を最小化した。
【００６１】
下で述べるワイヤ耐久試験のために使用した三点曲げ強度は、８個のサンプルからの三点曲げ強度の平均であった。
【００６２】
ワイヤ耐久試験
図７概略図に示す装置を使用して、測定された三点曲げ強度の設定値において曲げモードで、室温（約２０℃）で連続的にワイヤの耐久試験を実施した。（試験する）ワイヤ２１はスプール２０から供給され、２２と２４の３本のローラーの第１および第２の組を通して導かれ、４ｃｍ径ローラー２３により試験スパンＬにわたって屈折されて、スプール２９上に捕集された。スプール２９を回し、試験装置を通してスプール２０からワイヤを引き寄せた。ローラーの組２２および２４は、４０ｍｍ径の鋼ベアリングであった。ローラーの組２２および２４のローラー外面は、それぞれローラーの直径周囲の中心に位置する小さなＶ字溝を有した。Ｖ字溝は深さ約１ｍｍで幅約１ｍｍであった。試験中にローラーの軸に垂直になるように、試験ワイヤをＶ字溝中で位置合わせした。各ローラーの組２２および２４の下方の２本のローラーは、中心から中心で１００ｍｍ離れていた。各ローラーの組２２および２４の上方ローラーは、それぞれの２本の下方ローラーの間で対称的に離れていた。各ローラーの組２２および２４の上方ローラーの垂直位置は可変だった。各ローラーの組２２および２４の上下ローラーの外面間の離開は、上の三点曲げ強度試験で計算すると（平均最小）ワイヤ径（すなわちｄ）に等しかった。離開は最小の張力（すなわち１Ｎ未満）で、各ローラーの組２２および２４の上下ローラー間でワイヤ２１が支持されるが、自由に動けないようなものであった。中心ローラー２３は、ローラーの組２２および２４の間に対称的に位置する、外径４０ｍｍの鋼ベアリングであった。スプール２０および２９間のワイヤの張力は、上の三点曲げ強度試験による計算で１．５ｍｍ以下の（平均最小）直径（すなわちｄ）を有するワイヤで、１００Ｎ以下であった。スプール２０および２９間のワイヤの張力は、上の三点曲げ強度試験による計算で１．５ｍｍ未満の（平均最小）直径（すなわちｄ）を有するワイヤで、２０Ｎ以下であった。ワイヤ耐力試験のためのスパンＬは、ローラーの組２２および２４の内側のローラー間の中心から中心の距離であった。スパンＬは、上の三点曲げ強度試験による計算で（平均最小）ワイヤ径（すなわちｄ）の１２０〜２６０倍に設定された。中心ローラ屈折δは、ローラーの組２２および２４とローラー２３の下面を通る直線ワイヤの中心線間の距離であった。０．１〜１０ｍ／分の速度で通過するワイヤで耐久試験を実施した。中心ローラーの屈折δは、三点曲げ強度試験によって求めたワイヤの三点曲げ強度の７５％に等しい応力がかかるように設定した。
【００６３】
試験するワイヤに、三点曲げ強度（上で三点曲げ強度試験について述べたようにして得られる）の７５％に等しいストレスをかける中心ローラー２３の屈折δは、式４によって得られる。
【数４】
2004504484.tif 000006
式中、Ｌはスパン、Ｅはワイヤのヤング弾性率、ｙｍは上で三点曲げ強度試験で定義したとおり、σｂは三点曲げ強度（上で三点曲げ強度試験で定義したとおり）である。円柱状のまたはほぼ円柱状のワイヤでは、ワイヤ耐力試験装置内でワイヤの最小径の軸は垂直に向いている。屈折は下によって得られる。
【数５】
2004504484.tif 000007
式中、ｄは（平均最小）ワイヤ直径（上で述べる三点曲げ強度試験で定義される）、Ｅはワイヤ弾性率である。ワイヤＥのヤング弾性率は、下によって推定される。
【数６】
2004504484.tif 000008
式中、ｆは繊維容積割合（下に述べるように定義される）、Ｅｆは繊維のヤング弾性率である。適用された屈折は、局所ワイヤ強度が三点曲げ強度の７５％未満であればワイヤ破損を引き起こすことを意図した。
【００６４】
標準金属メタログラフ技術によって繊維容積割合を測定した。ワイヤ横断面を研磨して、国立衛生研究所Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｂｒａｎｃｈによって開発されたパブリックドメインの画像加工プログラムである、ＮＩＨ　ＩＭＡＧＥ（バージョン１．６１）と称さ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から入手できる）の助けを借りて、密度プロファイリング機能を使用して繊維容積割合を測定した。このソフトウェアは、ワイヤの代表的領域の平均グレースケール強度を測定した。
【００６５】
１片のワイヤを取り付け樹脂（イリノイ州レークブラフのＢｕｅｈｌｅｒ　Ｉｎｃから商品名「ＥＰＯＸＩＣＵＲＥ」の下に得られる）中にマウントした。従来のグラインダー／ポリッシャーおよび従来のダイヤモンドスラリーを使用し、最終研磨ステップでオハイオ州ウエストレークのＳｔｒｕｅｒｓから商品名「ＤＩＡＭＯＮＤ　ＳＰＲＡＹ」の下に得られる１μｍダイヤモンドスラリーを使用して、マウントしたワイヤを磨きワイヤの研磨横断面を得た。研磨ワイヤ横断面の走査電顕（ＳＥＭ）顕微鏡写真を１５０倍で撮影した。ＳＥＭ顕微鏡写真撮影時に、全ての繊維が０強度を有するようにイメージの閾値レベルを調節して、二進イメージを作った。ＳＥＭ顕微鏡写真をＮＩＨ　ＩＭＡＧＥソフトウェアで分析して、二進イメージの平均強度を最大強度で割って繊維容積割合を得た。繊維容積割合を求めるためのこの方法の精度は、＋／−２％と考えられた。
【００６６】
実施例１
実施例１のアルミニウム複合材ワイヤを以下のように調製した。図５について述べると１５００デニールのアルミナ繊維（商品名「ＮＥＸＴＥＬ　６１０」の下に３ＭＣｏｍｐａｎｙから入手される、ヤング弾性率は１９９６年の製品パンフレットで３７３Ｇｐａと報告される）の６６本のトウを円形束内で平行にした。空気中で１０００℃の１メートルの管状炉（オクラホマ州タルサのＡＴＳから得られる）内に、円形束を１．５ｍ／分の速度で通過させヒート・クリーニングした。次に円形束をアルミナ入り口管（直径２．７ｍｍ、長さ３０ｃｍ、繊維束径に一致した直径）を通して、真空チャンバー（直径６ｃｍ、長さ２０ｃｍ）を通過させて円形束を１．０トルに排気した。真空チャンバーに、０．４ｍ３／分の排気能力を有する機械真空真空ポンプを装着した。真空チャンバーから出した後、溶融アルミニウム浴に部分的に浸漬した（約５ｃｍ）アルミナ管（内径２．７ｍｍおよび長さ２５ｃｍ）を通して、排気された繊維を溶融アルミニウム浴に入れた。溶融アルミニウム浴は、アルミニウム（純度９９．９４％Ａｌ、ケンタッキー州ホーズビルのＮＳＡ　ＡＬＵＭＩＮＵＭから得られる）を７２６℃で溶融して調製した。溶融アルミニウムを約７２６℃に保ち、アルミニウム浴に浸漬した炭化ケイ素多孔質管（ミズーリ州キングズビルのＳｔａｈｌ　Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　Ｃｏ，から入手される）を通してアルゴンガスを８００ｃｍ３／分でバブリングして連続的に脱気した。０．６４ｃｍ×１２．７ｃｍ×７．６ｃｍのキャビティを有する銅るつぼ内で溶融アルミニウムのサンプルを急冷し、標準質量分析（ミシガン州セントジョセフのＬＥＣＯ　Ｃｏｒｐ．から得られる）を使用して、得られる固化アルミニウムインゴットを水素含量について分析し、溶融アルミニウムの水素含量を測定した。
【００６７】
溶融アルミニウムの繊維束内への浸透は、超音波浸透の使用を通じて促進された。超音波振動は、超音波のトランスジューサに接続された導波管（コネチカット州ダンベリーのＳｏｎｉｃｓ　＆　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）によって提供された。導波管は、長さ４８２ｍｍ直径２５ｍｍのチタン導波管（９０ｗｔ％のＴｉと６ｗｔ％のＡｌと４ｗｔ％のＶ）に、中心の１０ｍｍスクリューで取り付けられた、直径２５ｍｍ長さ９０ｍｍの９１ｗｔ％Ｎｂと９ｗｔ％Ｍｏの円柱状ロッドから構成された。Ｎｂ−９ｗｔ％Ｍｏのロッドは、ペンシルベニア州ラージのＰＭＴＩ，Ｉｎｃ．から提供された。ニオブロッドは繊維束内心線の２．５ｍｍ以内に配置された。導波管は先端置換２０μｍで、２０ｋＨｚで操作された。１．５ｍ／分の速度で作動する無限軌道（オクラホマ州タルサのＴｕｌｓａ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓから得られる）によって、溶融アルミニウム浴を通して繊維束を引き寄せた。
【００６８】
窒化ケイ素出口ダイ（内径２．５ｍｍｍ、外径１９ｍｍ、および長さ１２．７ｍｍ、イリノイ州バーリッジのＢｒａｎｓｏｎ　ａｎｄ　Ｂｒａｔｔｏｎ　Ｉｎｃ．から得られる）を通して、アルミニウムが浸透した繊維束をるつぼから出した。溶融アルミニウム浴から出した後、窒素ガスの２つのストリームを使用してワイヤをの冷却を助けた。具体的には、４．８ｍｍの内径を有する２本の詰まった管の側面に、それぞれ５個の孔を開けた。孔は１．２７ｍｍ径で、３０ｍｍの長さにそって６ｍｍの間隔であった。分速１００リットルの流速で管を通して窒素ガスを流し、小さな側面の穴から出した。各管の最初の孔を出口ダイから約５０ｍｍ、ワイヤから約６ｍｍ離して配置させた。管をワイヤの各側に１本ずつ配置させた。次にワイヤをスプールに巻いた。誘導結合プラズマ分析によって求めた実施例１のアルミニウムマトリックスの組成物は、０．０３ｗｔ％のＦｅ、０．０２ｗｔ％のＮｂ、０．０３ｗｔ％のＳｉ、０．０１ｗｔ％のＺｎ、０．００３ｗｔ％のＣｕ、および残りはＡｌであった。ワイヤ製造中、アルミニウム浴の水素含量は、１００ｇのアルミニウムあたり約０．０７ｃｍ３であった。
【００６９】
実施例１のために、２．５ｍｍ径アルミニウム複合材ワイヤの１０個のスプールを調製した。各スプールは少なくとも３００ｍのワイヤを、いくつかのコイルは６００ｍほどのワイヤを含有した。
【００７０】
５０．８ｍｍ試験スパンを使用して「曲げ強度試験」に従って測定されたワイヤ曲げ強度は、１．７９Ｇｐａと測定された。ワイヤの平均繊維含量は５２容量％、式６を使用した弾性率は１９４ＧＰａと測定された。次に４０６ｍｍのスパンと３８．１ｍｍの屈折を使用して「ワイヤ耐久試験」に従ってワイヤの耐久試験を実施した。１０個のワイヤコイルは全て、破損なしにワイヤ耐力試験に合格した。
【００７１】
実施例２
実施例２アルミニウムマトリックス複合材ワイヤは、ワイヤ加工速度が１．５ｍ／分と４ｍ／分の間で変化したこと以外は、実質的に実施例１で述べたようにして調製した。特定速度で製造されるワイヤの長さは、ワイヤ耐久試験中に検知された破損頻度次第で２０ｍと３００ｍの間で変化した。ワイヤが破損しなかった場合、長さは少なくとも３００ｍであった。そうでない場合は十分なワイヤを製造して少なくとも３個の断片を集めた。１．５ｍ／分および２．３ｍ／分の加工速度では、ワイヤ耐力試験で３００ｍのワイヤを通してもワイヤは破損しなかった（すなわち破損は０だった）。約３．５５ｍ／分の速度ではワイヤは平均して６ｍ毎に破損した。４ｍ／分の速度ではワイヤは平均して１ｍ毎に破損した。ワイヤ耐久試験に合格しなかったサンプルでは、少なくとも断片が３個できるまで試験を実施した。走査電顕を使用して破損の破面を観察した。破面には乾燥繊維（すなわち未浸透繊維）が観察された。
【００７２】
実施例３
ワイヤ径が１ｍｍと２．５ｍｍの間で変化し、各ワイヤ径毎にワイヤ速度も変化したこと以外は、実質的に実施例１で述べたようにして実施例３のアルミニウムマトリックス複合材ワイヤを調製した。
【００７３】
加工速度６．１ｍ／分で１ｍｍ径のワイヤを調製した。このワイヤは３００ｍの長さにわたり０破損でワイヤ耐力試験に合格した。約１０ｍ／分以上の加工速度では乾燥繊維が観察された。さらにこのようなワイヤは、３００ｍの長さにわたりワイヤ耐力試験に合格しなかった。
【００７４】
加工速度４ｍ／分で２．５ｍｍ径のワイヤを調製した。このワイヤは３００ｍの長さにわたり０破損でワイヤ耐力試験に合格した。約４ｍ／分以上の加工速度では、乾燥繊維が観察された。さらにこのようなワイヤは３００ｍの長さにわたり、ワイヤ耐力試験に合格しなかった。
【００７５】
実施例４
真空が約１トルと７６０トル（大気圧）の間で変化したこと以外は、実質的に実施例１で述べたようにして実施例４のアルミニウムマトリックス複合材ワイヤを調製した。
【００７６】
１トルの真空下において加工速度２．３ｍ／分で２．５ｍｍ径のワイヤを製造した。このワイヤは３００ｍの長さにわたり０破損でワイヤ耐力試験に合格した。大気圧（すなわち７６０トル）下で加工速度２．３ｍ／分で製造すると、２．５ｍｍ径ワイヤはワイヤ耐久試験中に常に破損した。繊維にアルミニウムが完全に浸透していないことが観察された。加工速度を０．１ｍ／分未満に低下さてもなお乾燥繊維が観察された。
【００７７】
１トルの真空において６．１ｍ／分の加工速度で１ｍｍ径のワイヤを製造した。このワイヤは、３００ｍの長さに沿って０破損でワイヤ耐力試験に合格した。真空なし（すなわち７６０トル）において加工速度３ｍ／分で１ｍｍ径のワイヤを製造した。３００ｍの長さに沿って０破損でワイヤ耐力試験に合格した。しかし真空なし（すなわち７６０トル）において加工速度６．１ｍ／分で製造すると、１ｍｍ径のワイヤはワイヤ耐久試験中に常に破損した。
【００７８】
実施例５
１０００℃に設定した直径３ｃｍ長さ０．３ｍの管状炉を通して繊維を１．５ｍ／分の速度で熱クリーニングしたこと以外は、実質的に実施例１に従って実施例９のアルミニウムマトリックス複合材ワイヤを調製した。複数の長さ３００ｍのワイヤコイルは、０破損でワイヤ耐力試験に合格した。
【００７９】
ヒートクリーニング前後に、セラミック繊維（「ＮＥＸＴＥＬ　６１０」）の表面化学特性を評価した。繊維を１２秒間１０００℃に加熱してクリーニングした。Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＥＳＣＡ）（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＸＰＳ）としても知られる）を使用して繊維を分析した。使用したＥＳＣＡ装置は、商品名「ＨＰ５９５０Ａ」の下にカリフォルニア州パロアルトのＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄから得た。ＥＳＣＡ装置は半球電子エネルギー分析機を含み、一定通過エネルギーモードで操作された。Ｘ線源はアルミニウムＫ−αであった。プローブ角度は、分析機補正レンズ軸に対する測定で３８度の光電子取出し角度であった。装置製造業者が提供するソフトウェアおよび感度因数を使用して、定量的データを計算した。加熱後、カーボンスペクトルは、繊維上に２２％未満のカーボン面積割合を示した。
【００８０】
管状炉の後、商品名「ＣＩＴＲＵＳ　ＣＬＥＡＮＥＲ」の下に３Ｍ　Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるクリーナーを２ｃｍの繊維のセクションにスプレーして、局所的カーボン汚染を意図的に導入したこと以外は、実質的に実施例１に従ってワイヤを調製した。ワイヤは表面汚染を導入したまさにその箇所で、ワイヤ耐力試験で破損した。
【００８１】
指紋で汚染された繊維を使用してワイヤを調製した。このような汚染されたサンプル中のカーボンスペクトルは、面積割合あたり３４％を越えることが測定された。このようなカーボン汚染は、接触角を増大させ、浸透損失を引き起こすと考えられる。
【００８２】
実施例７
ワイヤ製造する．少なくとも２４時間前に、溶融物をアルゴンで脱気しなかったこと以外は、実質的に実施例１で述べたようにして実施例７アルミニウムマトリックス複合材ワイヤを調製した。ワイヤ径は２．５ｍｍであり、加工速度は２．３ｍ／分であった。ワイヤは３００ｍの長さにわたり、ワイヤ耐力試験で少なくとも３カ所で破損した。理論による拘束は望まないが、破面を分析したところ、破損原因は水素ガスに起因する大きな孔隙によるものと考えられた。孔隙は直径約０．５ｍｍ、長さ２〜３ｍｍ以上であった。実施例１で述べた溶融物脱気処理なしでは、典型的な水素濃度は１００ｇのアルミニウムあたりおよそ０．３ｃｍ３であった。
【００８３】
ワイヤを製造する前に、溶融物をアルゴンで２時間排気したこと以外は、実質的に実施例１に述べたようにしてワイヤを調製した。ワイヤ径は２．５ｍｍであり、加工速度は２．３ｍ／分だった。ワイヤは破損せずに、ワイヤ耐力試験に合格した。溶融物脱気処理による典型的水素濃度は、１００ｇのアルミニウムあたりおよそ０．０７〜０．１ｃｍ３であった。
【００８４】
実施例８
ワイヤ直径が２．５ｍｍ径で真空が１トルと大気圧の間で変化したこと以外は、実質的に実施例１で述べたようにして実施例８アルミニウムマトリックス複合材ワイヤを調製した。１トルの真空にすると、２．５ｍｍのワイヤは完全に浸透された（図１２のＳＥＭ写真参照）。その他の条件はそのままで真空ポンプを止めた。真空チャンバー内の圧力は大気圧に達した。次に１気圧で浸透が部分的に失われ多数の未浸透繊維が認識できた。トル（図１３のＳＥＭ写真参照）。
【００８５】
本発明の範囲と精神を逸脱することなく、本発明の種々の修正と変更が可能なことは当業者には明らかであり、本発明はここで述べる例証を意図する実施態様に不当に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
マトリックスを欠く、繊維のみが存在する領域を示す、金属マトリックス複合材ワイヤの横断面の顕微鏡写真である。
【図２】
収縮多孔性を示す金属マトリックス複合材ワイヤの横断面の走査電顕写真である。
【図３】
閉じ込められたガス（例えば水素または水蒸気）の存在によってできた孔隙を示す、金属マトリックス複合材ワイヤの横断面の走査電顕写真である。
【図４】
微小空洞を示す、金属マトリックス複合材ワイヤの横断面の走査電顕写真である。
【図５】
繊維を溶融金属で浸透するのに使用される、超音波装置の概略図である。
【図６】
三点曲げ強度試験装置の概略図である。
【図７】
ワイヤ耐力試験装置の概略図である。
【図８】
複合材金属マトリックスコアを有する、架空送電ケーブルの実施態様の横断面の概略図である。
【図９】
複合材金属マトリックスコアを有する、架空送電ケーブルの実施態様の横断面の概略図である。
【図１０】
複数のストランド周囲への保持手段の適用に先立つ、撚線の実施態様の端面図である。
【図１１】
送電ケーブルの実施態様の端面図である。
【図１２】
実施例８からのアルミニウムマトリックス複合材ワイヤの破面の走査電顕写真である。
【図１３】
実施例８からの別のアルミニウムマトリックス複合材ワイヤの破面の走査電顕写真である。
【図１４】
三点曲げ強度試験の試験サンプルの横断面である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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