负载粒子的、纤维强化的复合材料的利记博彩app
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本专利申请要求于2012年12月20日提交的美国临时专利申请61/739, 929的权 益，该临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及包含强化纤维和粒子的复合材料、使用此类复合材料制备的线材、使 用此类复合线材制备的缆线以及制备和使用此类复合线材和缆线的方法。
【背景技术】
[0004] 金属基质复合材料由于其组合了高强度和刚度以及低重量而长期以来被认为是 有前景的材料。金属基质复合材料通常包括用纤维强化的金属基质。金属基质复合材料的 示例包括铝基质复合线材（例如，铝基质中的碳化硅、碳、硼或多晶a氧化铝纤维）、钛基质 复合带材（例如，钛基质中的碳化硅）和铜基质复合带材（例如，铜基质中的碳化硅纤维）。
[0005] 使用一些金属基质复合线材作为架空电力传输缆线中的强化构件是令人感兴趣 的。此类缆线中对新材料的需要是由因为负荷增长和电力潮流改变，需要增加现有传输基 础结构的电力输送能力所驱动的。
【发明内容】
[0006] 在一些实施例中，提供了一种复合材料。该复合材料包括嵌入金属基质的多根纤 维和设置在金属基质内的多个粒子。在金属基质内，至少25%的纤维与相邻的纤维接触或 至少25%的纤维与相邻的纤维间距少于0. 2微米。
[0007] 在一些实施例中，提供了 一种复合线材。复合线材包含嵌入金属基质的多根基本 上连续的纤维，这些多根基本上连续的纤维和金属基质形成基本上连续的复合线材。复合 线材还包含设置在金属基质中的多个粒子。基于基本上连续的纤维的总纤维干重计，多个 粒子以小于0. 1重量％的量存在。多个粒子具有不大于100纳米的平均直径。
[0008] 在一些实施例中，提供了一种用于制备复合材料的方法。该方法包括用金属基质 浸渍多个负载粒子的纤维并且硬化金属基质。在硬化步骤后，在金属基质内，至少25 %的纤 维与相邻的纤维接触或至少25%的纤维与相邻的纤维间距少于0. 2微米。
[0009] 已汇总了本公开的示例性实施例的各个方面和优点。上文公开内容并非旨在描述 本公开的当前某些示例性实施例的每个例示实施例或每种实施方式。随后的附图和具体实 施方式将更具体地举例说明使用本文所公开的原理的某些实施例。
【附图说明】
[0010] 图1为根据本公开的一些实施例的复合线材的透视图。
[0011] 图2A和2B分别示出了根据本公开的一些实施例的可用于形成涂布粒子的纤维和 纤维强化的复合线材的工艺。
[0012] 图3为根据本公开的一些实施例的组装了复合线材的缆线的透视图。
[0013] 图4为根据本公开的一些实施例的组装了复合线材和任选的可延展的金属线材 的缆线的横截面端视图。
[0014] 附图中类似的附图标号表示类似的元件。本文的附图未按比例绘制，并且在附图 中，可设定复合线材和缆线的各部件的尺寸以强调所选的特征结构。
【具体实施方式】
[0015] 各种复合材料诸如纤维强化的金属、聚合物或陶瓷已知用做各种结构构件或零 件。还已知通过用通常是无机材料的小粒子、晶须和/或短纤维或短切纤维浸润强化纤维， 可进一步改善此类纤维强化的复合材料的强度。此类团粒，通常大约少于20微米，在纤维 表面处被捕集并且提供复合材料内单个纤维之间的间距。据信间距消除纤维间接触并且从 而获得更强的复合材料。关于使用材料的小团粒来最小化纤维间接触的讨论可见于美国 专利4, 961，990 (Yamada等人）。此类团粒通常以基于总复合基质的重量计，10重量％或 更大的量存在于复合材料中。例如，Asano，K.和Yoneda，H.，"粒子分散对经氧化铝纤维强 化的错合金基质复合材料的强度的影响（Effects of particle-dispersion on strength of an Alumina fiber re-inforced Aluminum Alloy Matrix Composite) "，材料会干丨J (Materials Transactions)，第 44 卷，第 6 期，第 1172-1180 页（2003)，采用基于其经氧化 铝纤维强化的铝基质复合材料中总复合基质的重量计，约10重量％的氧化铝粒子载量以 获得在27°C _350°C的温度范围内约12%的拉伸强度的增加。又如，Yamada，S.、Towata， S.Ikuma，H，"用连续纤维和弥散体强化的错合金的机械性能（Mechanical properties of aluminum alloys re-inforced with continuous fibers and dispersoids) "，铸造强化 的金属复合材料（Cast Re-inforced Metal Composites)，SG. Fishman 和 AK Dhinsara 编， 第109-114页，（1992)，讨论了具有基于总复合基质计，大于10重量％的颗粒的纤维强化的 金属复合材料。
[0016] 因此，本领域的常识提出通过添加小团粒来消除纤维间接触对于获得更强的复合 材料是必要的，并且此类团粒应以大于约10重量％的量存在于复合材料中。与这种一般理 解相反，本发明人发现通过将极少量（例如，少于1%、少于〇. 1%或甚至少于0.05%)的纳 米粒子（例如，少于250nm、少于100nm或甚至少于75nm的平均直径）添加至纤维的表面可 实现纤维强化的金属基质复合线材的拉伸强度的令人惊奇且显著的增加，并且在此类经粒 子-增强的复合线材中，纤维间接触基本上保留。
[0017] 通常，在制造负载粒子的、纤维强化的金属基质线材时，粒子沉积在强化纤维的束 或丝束上。接着，涂布粒子的丝束通过熔化的金属的贮存器，在其中熔化的金属浸润涂布粒 子的丝束。丝束和浸润金属然后穿过附接到贮存器的出口的模具。出口模具的尺寸决定 了所得纤维强化的金属基质线材的直径和形状。一般来讲，丝束占据挤出出口模具体积的 约50-60%。与这种复合线材的制造相关联的常见障碍是由于出口模具中丝束的紧密度导 致的模具堵塞。模具堵塞的发生率显著降低了制造工艺的收率，从而显著增加了制造成本。 据观察，将粒子添加至复合线材，在增加线材的强度的同时，加剧了模具堵塞的问题。因此， 保持与已知组合物相关联的强度增加，但有利于制造期间模具堵塞发生率减少的负载粒子 的、纤维强化的复合线材组合物可为特别有利的。
[0018] 就这一点而言，本发明人令人惊奇且意外地发现，通过正确选择粒子的载量和尺 寸，可实现纤维强化的金属基质复合线材的拉伸强度的增加而不在制造期间增加模具堵塞 的频率。
[0019] 术语表
[0020] 在整个说明书和权利要求书中采用的某些术语大部分是人们所熟知的，但可能仍 然需要作一些解释。应当理解如在整个专利申请中所用：
[0021] 术语"纳米粒子"是指一个粒子（或多个粒子），具有的平均直径为一微米 (1，OOOnm)或更小，更优选为900nm或更小、甚至更优选为800nm或更小、750nm或更小、 700nm或更小、600nm或更小、500nm或更小、400nm或更小、300nm或更小、250nm或更小、 200nm或更小、150nm或更小、100nm或更小、75nm或更小、或甚至50nm或更小。
[0022] 术语"陶瓷"意指玻璃、晶体陶瓷、玻璃陶瓷、以及它们的组合。
[0023] 术语"多晶"指的是主要具有多个结晶晶粒的材料，其中晶粒尺寸小于晶粒所在的 纤维的直径。
[0024] 术语"弯曲"在用于指线材的变形时包括二维和/或三维弯曲变形，例如在绞合期 间使线材螺旋地弯曲。当涉及具有弯曲变形的线材时，这不排除线材还具有由于拉伸力和 /或扭转力产生的变形的可能性。
[0025] 术语"可延展"在用于指线材的变形时，意指线材在承受弯曲或张力负载而不断裂 或破损期间将实质上承受塑性变形。
[0026] 术语"易碎"在用于指线材的变形时，意指线材在承受弯曲或张力负载而具有最低 限度的塑性变形期间将断裂。
[0027] 术语"线材"是指伸长构件或伸长构件的股线，所具有的长度为其横截面的至少5 倍、至少10倍、或甚至至少100倍。
[0028] 术语"复合线材"是指由成分或形式不同的材料的组合形成的线材，这些材料结合 在一起。
[0029] 术语"金属基复合线材"是指这样的复合线材，其包括一种或多种结合到包括一个 或多个金属相的基质中的强化纤维材料，并且其表现出非延展行为且为易碎的。
[0030] 术语"卷缆"和"绞合"可以互换使用，"卷缆的"和"绞合的"也可以互换使用。
[0031] 术语"捻制"说明了线材在螺旋绞合缆线的绞合层中被缠绕成螺旋的方式。
[0032] 术语"捻向"涉及线材股线在螺旋绞合层中的绞合方向。为了确定螺旋绞合层的 捻向，当缆线离开观察者时观察者看螺旋绞合线材层的表面。随着股线背离观察者进行，如 果线材股线看起来以顺时针方向转动，然后将缆线称之为具有"右手捻制"。随着股线背离 观察者进行，如果线材股线看起来以逆时针方向转动，然后将缆线称之为具有"左手捻制"。
[0033] 术语"中心轴线"和"中心纵向轴线"可互换地用来表示径向地定位在多层螺旋绞 合缆线的中心处的共同纵向轴线。
[0034] 术语"捻角"是指由螺旋绞合线材相对于螺旋绞合缆线的中心纵向轴线形成的角 度。
[0035] 术语"相交角度"指的是螺旋绞合线材缆线的相邻线材层的捻角之间的相对（绝 对）差。
[0036] 术语"捻距"涉及螺旋绞合层中的单个线材围绕螺旋绞合缆线的中心纵向轴线完 成一个完全螺旋回转的螺旋绞合缆线长度。
[0037] 术语"连续纤维"意指当与平均纤维直径相比时具有的长度相对无限大的纤维。通 常，这意味着纤维的纵横比（即，纤维的长度与纤维平均直径的比）为至少1X10 5(在某些 实施例中，为至少1x106,或者甚至为至少1 X 107)。通常，这种纤维具有至少大约15cm到 至少几米量级的长度，并且甚至可以具有大约几千米或者更长量级的长度。
[0038] 术语"直径"是指结构构件或主体的横截面积的最长尺寸，应理解结构构件可具有 非圆形的形状。
[0039] 如本文所用，单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数指代，除非该内容另外明 确地指明。如本说明书和所附实施例中所用，一般在其意义上使用术语"或"包括"和/或" 的含义，除非该内容另外明确地指明。
[0040] 如本文所用，由端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值（例如1至5 包括 1、1. 5、2、2. 7