相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年11月25日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?4/552832的權(quán)益，所述申請(qǐng)以引用的方式整體并入本文。

發(fā)明背景

各種工具中已使用密封件來(lái)用于廣泛范圍的應(yīng)用。由于所述密封件尤其是在高壓和高溫應(yīng)用中或在其他惡劣環(huán)境中的廣泛使用，希望提供具有高熱穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性的密封件。還希望提供具有高耐侵蝕性的密封件。

彈性體是相對(duì)柔軟的且可變形的材料，并且已經(jīng)用在密封件中。然而，彈性體在苛刻的條件下容易分解，因而它們的應(yīng)用存在很多限制。作為替代方案，由于金屬的高耐侵蝕性以及優(yōu)異的高壓和高溫耐性，已使用金屬對(duì)金屬密封件。然而，金屬具有低彈性和低順應(yīng)性。因此，在密封粗糙的外殼表面中，金屬不如彈性體有效。

因此，該行業(yè)總是善于接受同時(shí)具有提高的彈性和耐侵蝕性的新材料。將更有利的是，這類(lèi)材料還具有提高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)中的以上和其他缺陷通過(guò)以下制品克服：在實(shí)施方案中，所述制品包括第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件包含第一碳復(fù)合材料；以及第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安置在第一構(gòu)件上并且包含第二碳復(fù)合材料和增強(qiáng)劑，其中第二構(gòu)件在第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度，并且其中第一構(gòu)件具有不同于第二構(gòu)件的以下特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：彈性；耐腐蝕性；耐侵蝕性；或硬度。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，制品包括：第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件包含第一碳復(fù)合材料；以及第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安置在第一構(gòu)件上并且包含第二碳復(fù)合材料，所述第二碳復(fù)合材料包括第二碳和第二粘合劑，其中第二構(gòu)件在第二碳與第二粘合劑的重量比方面具有梯度，并且其中第一構(gòu)件具有不同于第二構(gòu)件的以下特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：彈性；耐腐蝕性；耐侵蝕性；或硬度。

制造制品的方法包括將第一粉末混合物安置在模具中；第一粉末混合物包含第一碳和第一粘合劑；將第二粉末混合物安置在第一粉末混合物上以提供合并的組合物；第二粉末混合物包含第二碳、第二粘合劑和增強(qiáng)劑；并且第二粉末混合物在第二碳和第二粘合劑的重量總和相對(duì)于增強(qiáng)劑的重量的比率方面具有梯度；以及在約350℃至約1400℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮合并的組合物來(lái)形成制品。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，制造制品的方法包括：形成包含第一碳復(fù)合材料的第一構(gòu)件；以及將第二構(gòu)件安置在第一構(gòu)件上，所述第二構(gòu)件包含第二碳復(fù)合材料和增強(qiáng)劑，并且第二構(gòu)件在第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度，其中第一構(gòu)件具有不同于第二構(gòu)件的以下特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：彈性；耐腐蝕性；耐侵蝕性；或硬度。

制造制品的方法也可以包括將第一構(gòu)件安置在模具中；第一構(gòu)件包含第一碳復(fù)合材料；將粉末混合物安置在第一構(gòu)件上；粉末混合物包含第二碳、第二粘合劑和增強(qiáng)劑；并且第二粉末混合物在第二碳和第二粘合劑的重量總和相對(duì)于增強(qiáng)劑的重量的比率方面具有梯度；以及在約350℃至約1400℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮粉末組合物來(lái)形成制品。

在又另一個(gè)實(shí)施方案中，制造制品的方法包括將第一粉末混合物安置在模具中；第一粉末混合物包含第一碳和第一粘合劑；將第二粉末混合物安置在第一粉末混合物上以提供合并的組合物；第二粉末混合物包含第二碳和第二粘合劑；并且第二粉末混合物在第二碳與第二粘合劑的重量比方面具有梯度；以及在約350℃至約1400℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮合并的組合物來(lái)形成制品。

附圖簡(jiǎn)述

以下描述不應(yīng)被視為以任何方式進(jìn)行限制。參考附圖，相同元件的編號(hào)相同：

圖1示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案的制品的截面；

圖2示出具有梯度石墨/粘合劑比的第二構(gòu)件的截面，其中具有最高石墨/粘合劑比的區(qū)域具有最淺的灰度值，而具有最低石墨/粘合劑比的區(qū)域由最暗的灰度值指示；

圖3示出圖2所示的第二構(gòu)件的區(qū)域a的微結(jié)構(gòu)；

圖4示出圖2所示的制品的區(qū)域b的微結(jié)構(gòu)；并且

圖5示出圖2所示的制品的區(qū)域c的微結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)由碳復(fù)合材料制成的制品可以是功能分級(jí)的，使得制品的一部分能夠具有不同于所述制品的另一個(gè)部分的以下特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：彈性；耐腐蝕性；耐侵蝕性；或硬度。所述發(fā)現(xiàn)允許制造同時(shí)具有高彈性和高耐侵蝕性/耐磨性的制品。與彈性體密封件相比較，本文的制品具有提高的耐侵蝕性/耐磨性和提高的熱穩(wěn)定性，因此可以用在需要高耐侵蝕性/耐磨性的應(yīng)用中或用在高溫和高壓環(huán)境中。與常規(guī)的耐侵蝕的金屬對(duì)金屬密封件相比較，本文的制品大幅提高彈性和順應(yīng)性以實(shí)現(xiàn)密封率更高且可靠性更大的密封。

此外，制品可以在低溫(例如，制冷溫度)與高溫(例如，略小于制品的分解溫度的溫度)之間重復(fù)地?zé)嵫h(huán)，并且制品將維持其化學(xué)、物理和機(jī)械特性，而不會(huì)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的偏差。另外，即使是在低溫或高溫下浸漬較長(zhǎng)時(shí)間，例如，超過(guò)3個(gè)月、具體地是超過(guò)6個(gè)月、更具體地是超過(guò)1年以及還更具體地是超過(guò)2年之后，所述制品也將維持其化學(xué)、物理和機(jī)械特性，而不會(huì)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的偏差。作為另外的有利特征，所述制品具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。

在實(shí)施方案中，制品包括：第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件包含第一碳復(fù)合材料；以及第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件安置在第一構(gòu)件上并且包含第二碳復(fù)合材料和增強(qiáng)劑，其中第二構(gòu)件在第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度，并且其中第一構(gòu)件具有不同于第二構(gòu)件的以下特性中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：彈性；耐腐蝕性；耐侵蝕性；或硬度。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，特性的變化通過(guò)改變碳/粘合劑重量比來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，第二構(gòu)件包含碳復(fù)合材料，所述碳復(fù)合材料含有碳和粘合劑；并且第二構(gòu)件在碳與粘合劑的重量比方面具有梯度。任選地，第二構(gòu)件還包含增強(qiáng)劑。增強(qiáng)劑可以均勻地分布在第二構(gòu)件中。可替代地，第二構(gòu)件在碳與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度。

第二構(gòu)件可以具有任何合適的形式。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二構(gòu)件包括安置在第一構(gòu)件上的層。第二構(gòu)件可以具有執(zhí)行與所述制品相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)井筒操作所需的任何合適的厚度。在示例性實(shí)施方案中，第二構(gòu)件具有約50μm至約10mm或約500μm至約5mm的厚度。

在某些實(shí)施方案中，第一構(gòu)件可以完全或部分被第二構(gòu)件包圍，諸如第二構(gòu)件包括完全或部分包圍第一構(gòu)件的外層的實(shí)例。在其他實(shí)施方案中，可以?xún)H將第二構(gòu)件施加至第一構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)部分。

第二構(gòu)件中的增強(qiáng)劑包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物、金屬、金屬合金、碳纖維；碳黑；云母；粘土；玻璃纖維；或陶瓷材料。金屬包括ni；ta；co；cr；ti；mo；zr；fe；或w。還可以使用這些金屬的合金、氧化物、氮化物、碳化物或金屬間化合物。陶瓷材料包括sic、si3n4、sio2、bn等等?？梢允褂迷鰪?qiáng)劑的組合。在實(shí)施方案中，在第一構(gòu)件的碳組合物或第二構(gòu)件中的碳復(fù)合材料中，增強(qiáng)劑與粘合劑是不同的。

第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比可以為約1:100至約100:1、約1:50至約50:1、或約1:20至約20:1。有利的是，第二構(gòu)件在第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度。梯度從接近第一構(gòu)件的內(nèi)部部分朝向遠(yuǎn)離第一構(gòu)件的外部部分延伸。梯度可以包括第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分的遞減的重量比。例如，第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比可以從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分的約50:1、約20:1或約10:1到第二構(gòu)件的外部部分處的約1:50、約1:20或約1:10變化。在實(shí)施方案中，梯度從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分連續(xù)地變化。在另一個(gè)實(shí)施方案中，梯度從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分以離散的步長(zhǎng)變化。

在第二構(gòu)件在碳與粘合劑的重量比方面具有梯度的情況下，重量比可以為約1:100至約1:1或約1:10至約1:2。梯度從接近第一構(gòu)件的內(nèi)部部分朝向遠(yuǎn)離第一構(gòu)件的外部部分延伸。梯度可以包括碳與粘合劑的從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分的遞減的重量比。例如，碳與粘合劑的重量比可以從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分的約1:1或約1:2到第二構(gòu)件的外部部分處的約1:100或約1:10變化。在實(shí)施方案中，梯度從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分連續(xù)地變化。在另一個(gè)實(shí)施方案中，梯度從第二構(gòu)件的內(nèi)部部分到第二構(gòu)件的外部部分以離散的步長(zhǎng)變化。

第一構(gòu)件和第二構(gòu)件獨(dú)立地包含含有碳諸如石墨和粘合劑的碳復(fù)合材料。第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中的碳復(fù)合材料可以是相同的或不同的。在實(shí)施方案中，第一構(gòu)件中的碳復(fù)合材料與第二構(gòu)件中的碳復(fù)合材料是相同的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，第二構(gòu)件中的粘合劑具有高于第一構(gòu)件中的粘合劑的耐腐蝕性/耐磨性。

如本文所使用，石墨包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：天然石墨；合成石墨；可膨脹石墨；或膨脹石墨。天然石墨是大自然形成的石墨。所述天然石墨可以被分類(lèi)為“片狀”石墨、“脈”石墨和“無(wú)定形”石墨。合成石墨是由碳材料制成的制成品。熱解石墨是合成石墨的一種形式?？膳蛎浭复烊皇蚝铣墒母鲗又g插入了嵌插材料的石墨。已經(jīng)使用各種各樣的化學(xué)材料來(lái)對(duì)石墨材料進(jìn)行嵌插。這些化學(xué)材料包括酸、氧化劑、鹵化物等等。示例性嵌插材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、so3或鹵化物，諸如fecl3、zncl2和sbcl5。在加熱時(shí)，嵌插物從液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。氣體形成產(chǎn)生了壓力，所述壓力推動(dòng)鄰近的碳層分開(kāi)，從而產(chǎn)生膨脹石墨。膨脹石墨顆粒在外觀上呈蠕蟲(chóng)狀，并且因此通常被稱(chēng)為蠕蟲(chóng)。

有利的是，石墨包括膨脹石墨。與其他形式的石墨相比較，膨脹石墨具有高柔性、高壓縮回復(fù)性和較大的各向異性。除了所需的機(jī)械強(qiáng)度之外，由本文公開(kāi)的膨脹石墨和粘合劑形成的碳復(fù)合材料因此還可以具有優(yōu)異的彈性。

碳復(fù)合材料可以包括石墨相和粘合劑相。粘合相包括通過(guò)機(jī)械互鎖而粘合石墨團(tuán)、石墨顆粒、石墨片、石墨晶體或石墨微結(jié)構(gòu)的粘合劑。在實(shí)施方案中，碳復(fù)合材料包括碳微結(jié)構(gòu)，所述碳微結(jié)構(gòu)在所述碳微結(jié)構(gòu)當(dāng)中具有間隙空間；其中粘合劑安置在間隙空間中的至少一些中；并且其中碳微結(jié)構(gòu)包括碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的未填充的空隙。

碳微結(jié)構(gòu)是在將石墨壓縮成高度濃縮狀態(tài)之后形成的石墨的微觀結(jié)構(gòu)。所述碳微結(jié)構(gòu)包括沿壓縮方向堆疊在一起的石墨基面。如本文所使用，碳基面指代基本上平坦的平行碳原子片或?qū)樱渲忻總€(gè)片或?qū)泳哂袉我辉雍穸?。石墨基面還被稱(chēng)為碳層。碳微結(jié)構(gòu)通常是薄而平的。所述碳微結(jié)構(gòu)可以具有不同的形狀并且也可以被稱(chēng)為微片、微盤(pán)等等。在實(shí)施方案中，碳微結(jié)構(gòu)彼此基本平行。

碳復(fù)合材料中存在兩種類(lèi)型的空隙-碳微結(jié)構(gòu)當(dāng)中的空隙或間隙空間以及每個(gè)單獨(dú)碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。碳微結(jié)構(gòu)當(dāng)中的間隙空間的大小為約0.1至約100μm、具體地為約1至約20μm，而碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙要小得多并且通常是介于約20納米至約1μm、具體地為約200納米至約1μm之間。空隙或間隙空間的形狀并無(wú)特別限制。如本文所使用，空隙或間隙空間的大小指代空隙或間隙空間的最大尺寸，并且可以通過(guò)高分辨率電子或原子力顯微鏡技術(shù)來(lái)確定。

碳微結(jié)構(gòu)當(dāng)中的間隙空間填充有μm或納米級(jí)粘合劑。例如，粘合劑在碳微結(jié)構(gòu)當(dāng)中會(huì)占用約10％至約90％的間隙空間。在實(shí)施方案中，粘合劑并不滲透?jìng)€(gè)別碳微結(jié)構(gòu)，并且碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙未充填(即，未填充)任何粘合劑。因此，碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳層并不通過(guò)粘合劑來(lái)鎖定在一起。通過(guò)此機(jī)制，可以保持制品，尤其是包含膨脹石墨的制品的柔性。

任選地，界面層形成在粘合劑與石墨之間。界面層可以包含化學(xué)鍵、固體溶液或其組合。當(dāng)存在時(shí)，化學(xué)鍵、固體溶液或其組合可以增強(qiáng)石墨的互鎖。應(yīng)了解到，石墨可以通過(guò)機(jī)械互鎖和化學(xué)鍵合兩者來(lái)保持在一起。粘合相的厚度為約0.1至約100μm或約1至約20μm。粘合相可以形成將石墨粘合在一起的連續(xù)或不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。

示例性粘合劑包括非金屬、金屬、合金、或包括以上至少一項(xiàng)的組合。非金屬是以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：sio2；si；b；或b2o3。金屬可以是以下至少一項(xiàng)：鋁；銅；鈦；鎳；鎢；鉻；鐵；錳；鋯；鉿；釩；鈮；鉬；錫；鉍；銻；鉛；鎘；或硒。合金包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：鋁合金；銅合金；鈦合金；鎳合金；鎢合金；鉻合金；鐵合金；錳合金；鋯合金；鉿合金；釩合金；鈮合金；鉬合金；錫合金；鉍合金；銻合金；鉛合金；鎘合金；或硒合金。在實(shí)施方案中，粘合劑包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：銅；鎳；鉻；鐵；鈦；銅的合金；鎳的合金；鉻的合金；鐵的合金；或鈦的合金。示例性合金包括鋼、鎳鉻基合金諸如inconel*和鎳銅基合金諸如monel合金。鎳鉻基合金可以含有約40％-75％的ni和約10％-35％的cr。鎳鉻基合金還可以含有約1％至約15％的鐵。鎳鉻基合金中也可以包括少量mo、nb、co、mn、cu、al、ti、si、c、s、p、b或包括以上至少一項(xiàng)的組合。鎳銅基合金主要由鎳(高達(dá)約67％)和銅構(gòu)成。鎳銅基合金還可以含有少量鐵、錳、碳以及硅。這些材料可以處于不同的形狀，諸如顆粒、纖維和絲線?？梢允褂盟霾牧系慕M合。

耐侵蝕/耐磨粘合劑包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：ni；ta；co、cr、ti、mo；zr、fe、w；以及其合金。應(yīng)了解到，耐侵蝕/耐磨粘合劑同樣應(yīng)是相對(duì)可延展的，使得制品能夠充分適應(yīng)于密封粗糙表面?？紤]到其高韌性，耐侵蝕粘合劑在使用時(shí)可以限于制品表面附近的區(qū)域。在制品的其他部分中，諸如在第一構(gòu)件中可以使用延展性更高的粘合劑。以此方式，制品可以是耐侵蝕/耐磨的，并且同時(shí)在有限的調(diào)節(jié)力下充分地變形。在實(shí)施方案中，第二構(gòu)件的碳組合物中的第二粘合劑包括耐侵蝕/耐磨粘合劑。

用于制造制品的粘合劑是μm或納米級(jí)的。在實(shí)施方案中，粘合劑具有以下平均粒度：約0.05至約250μm、約0.05至約50μm、約0.05至約10μm、具體地為約0.5至約5μm、更具體地為約0.1至約3μm。不希望受理論束縛，相信在粘合劑的大小處于這些范圍內(nèi)時(shí)，所述粘合劑可均勻地分散在石墨中。

當(dāng)存在界面層時(shí)，粘合相包括包含粘合劑的粘合劑層以及將石墨結(jié)合至粘合劑層的界面層。界面層包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：c-金屬鍵；c-b鍵；c-si鍵；c-o-si鍵；c-o-金屬鍵；或金屬碳溶液。所述鍵由粘合劑和在石墨表面上的碳形成。

在實(shí)施方案中，界面層包含粘合劑的碳化物。碳化物包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：鋁的碳化物；鈦的碳化物；鎳的碳化物；鎢的碳化物；鉻的碳化物；鐵的碳化物；錳的碳化物；鋯的碳化物；鉿的碳化物；釩的碳化物；鈮的碳化物；或鉬的碳化物。這些碳化物通過(guò)使對(duì)應(yīng)的金屬或金屬合金粘合劑與碳微結(jié)構(gòu)的碳原子反應(yīng)來(lái)形成。粘合相還可以包含sic，其通過(guò)使sio2或si與碳微結(jié)構(gòu)的碳反應(yīng)來(lái)形成；或b4c，其通過(guò)使b或b2o3與碳微結(jié)構(gòu)的碳反應(yīng)來(lái)形成。當(dāng)使用粘合劑材料的組合時(shí)，界面層可以包含這些碳化物的組合。碳化物可以是鹽類(lèi)碳化物，諸如碳化鋁、共價(jià)碳化物諸如sic和b4c、間隙碳化物諸如第4、5和6族過(guò)渡金屬的碳化物、或中間過(guò)渡金屬碳化物，例如cr、mn、fe、co和ni的碳化物。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，界面層包括碳諸如石墨和粘合劑的固體溶液。碳在某些金屬基質(zhì)中或在某些溫度范圍下具有溶解度，這可以有助于金屬相的潤(rùn)濕并且將其粘合到碳微結(jié)構(gòu)上。通過(guò)熱處理，可以在低溫下維持碳在金屬中的高溶解度。這些金屬包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：co；fe；la；mn；ni；或cu。粘合劑層還可以包含固體溶液和碳化物的組合。

基于碳復(fù)合材料的總重，碳復(fù)合材料包含約20重量％至約95重量％、約20重量％至約80重量％或約50重量％至約80重量％的石墨?；谔紡?fù)合材料的總重，粘合劑以約5重量％至約75重量％或約20重量％至約50重量％的量存在。

參考圖1，在示例性實(shí)施方案中，制品10包括包含第一碳復(fù)合材料的第一構(gòu)件1。制品10還包括第二構(gòu)件2，所述第二構(gòu)件2安置在第一構(gòu)件1上并且包含第二碳復(fù)合材料和增強(qiáng)劑，其中第二構(gòu)件2在第二碳復(fù)合材料3與增強(qiáng)劑4的重量比方面具有梯度。

圖2示出具有梯度石墨/粘合劑比的第二構(gòu)件5的截面。在圖2中，具有最高石墨/粘合劑比的區(qū)域具有最淺的灰度值，而具有最低石墨/粘合劑比的區(qū)域由最暗的灰度值指示。如圖2所示，石墨/粘合劑比從第二構(gòu)件的頂部到第二構(gòu)件的底部逐漸增大。

圖3-5中分別示出了第二構(gòu)件的區(qū)域a-c的微結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在制品暴露于磨料的第二構(gòu)件的頂部附近，粘合劑7與其中作為潤(rùn)滑劑分散的石墨顆粒6起主導(dǎo)作用，以減小磨料與制品表面之間的摩擦。圖4示出在第二構(gòu)件的中間，粘合劑形成將石墨9粘合在一起的粘合相8，以提高制品的結(jié)構(gòu)完整性和耐熱性。如圖5所示，在第二構(gòu)件的底部處，石墨相9起主導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)較高彈性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更有效和可靠的密封。

形成功能分級(jí)制品的一種方式包括：將第一粉末混合物安置在模具中；第一粉末混合物包含第一碳和第一粘合劑；將第二粉末混合物安置在第一組合物上以提供合并的組合物；第二粉末混合物包含第二碳、第二粘合劑和增強(qiáng)劑；并且第二粉末混合物在第二碳和第二粘合劑的重量總和相對(duì)于增強(qiáng)劑的重量的比率方面具有梯度；以及在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮合并的組合物來(lái)形成制品。

在第二構(gòu)件在碳與粘合劑的重量比方面具有梯度的情況下，所述方法包括：將第一粉末混合物安置在模具中；第一粉末混合物包含第一碳和第一粘合劑；將第二粉末混合物安置在第一粉末混合物上以提供合并的組合物；第二粉末混合物包含第二碳和第二粘合劑；并且第二粉末混合物在第二碳與第二粘合劑的重量比方面具有梯度；以及在約350℃至約1400℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮合并的組合物來(lái)形成制品。

在實(shí)施方案中，分多個(gè)部分安置第二粉末混合物以便于在第二碳和第二粘合劑的重量總和相對(duì)于增強(qiáng)劑的重量的比率(又稱(chēng)為原材料重量比)方面建立梯度。例如，第二粉末混合物的第一部分可以具有90:10的原材料重量比。第二粉末混合物的第二部分可以具有80:20的原材料重量比。第二粉末混合物的第三部分可以具有70:30的原材料重量比。另外，第二粉末混合物的最后部分可以具有10:90的原材料重量比。一旦第一粉末混合物被安置在模具中，就將第二粉末混合物的第一部分安置在第一粉末混合物上，將第二部分安置在第一部分上，并且將第三部分安置在第二部分上直到最后部分被安置在模具中為止。部分的數(shù)目并無(wú)特別限制。在實(shí)施方案中，梯度通過(guò)以約3至約100個(gè)部分、約3至約50個(gè)部分、約3至約20個(gè)部分、約5至約15個(gè)部分、或約5至10個(gè)部分連續(xù)安置第二粉末混合物來(lái)建立，其中連續(xù)部分具有遞減的原材料重量比。為了在第二碳與第二粘合劑的重量比方面建立梯度，可以相似的方式安置第二粉末混合物。

粉末混合物可以通過(guò)經(jīng)由本領(lǐng)域已知的任何合適的方法將石墨和μm或納米級(jí)粘合劑以及增強(qiáng)劑(如果存在的話)共混在一起來(lái)形成。合適的方法的實(shí)例包括球混、聲學(xué)混合、帶式共混、立式螺桿混合以及v式共混。

制品可以經(jīng)由一步法或兩步法來(lái)形成。在兩步法中，通過(guò)冷壓來(lái)壓縮合并的組合物以提供生壓坯；并且之后壓縮和加熱生壓坯，從而形成制品。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以在室溫下壓制合并的組合物來(lái)形成壓坯，并且之后在大氣壓下加熱所述壓坯來(lái)形成制品。這些方法可以被稱(chēng)為兩步法。可替代地，可以直接壓縮和加熱合并的組合物來(lái)形成制品。所述方法可以被稱(chēng)為一步法。

石墨可以是呈碎片、粉末、小片、薄片等等的形式。在實(shí)施方案中，石墨是呈具有約50μm至約5,000μm、優(yōu)選地為約100至約300μm的直徑的薄片的形式。石墨片可以具有約1至約5μm的厚度。

參考兩步法，冷壓意指在室溫下或在高溫下壓縮合并的組合物，只要粘合劑沒(méi)有明顯結(jié)合石墨即可。在實(shí)施方案中，生壓坯中并未結(jié)合大于約80重量％、大于約85重量％、大于約90重量％、大于約95重量％、或大于約99重量％的石墨。用于形成生壓坯的壓力可以為約500psi至約10ksi，并且溫度可以為約20℃至約200℃。這個(gè)階段的縮減比(即，生壓坯的體積相對(duì)于合并的組合物的體積之比)為約40％至約80％。生壓坯的密度為約0.1至約5g/cm³、約0.5至約3g/cm³、或約0.5至約2g/cm³。

可以在約350℃至約1400℃、具體地為約800℃至約1400℃的溫度下加熱生壓坯來(lái)形成制品。在實(shí)施方案中，溫度是粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±100℃，或粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±50℃。在另一個(gè)實(shí)施方案中，溫度高于粘合劑的熔點(diǎn)，例如，比粘合劑的熔點(diǎn)高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃。當(dāng)溫度更高時(shí)，粘合劑的粘性變小并且流動(dòng)性變好，為了將粘合劑與石墨均勻地共混在一起，可能需要更小的壓力。然而，如果溫度過(guò)高，那么可能會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生不利影響。

溫度可以根據(jù)預(yù)定溫度進(jìn)度表或斜升率來(lái)施加。加熱的手段并無(wú)特別限制。示例性加熱方法包括直流(dc)加熱、感應(yīng)加熱、微波加熱以及火花等離子體燒結(jié)(sps)。在實(shí)施方案中，加熱經(jīng)由dc加熱來(lái)進(jìn)行。例如，可以用電流對(duì)合并的組合物進(jìn)行充電，所述電流流過(guò)組合物，很快產(chǎn)生熱量。任選地，還可以在惰性氣氛下，例如在氬氣或氮?dú)庀逻M(jìn)行加熱。在實(shí)施方案中，在存在空氣下加熱生壓坯。

可以在約500psi至約30,000psi或約1000psi至約5000psi的壓力下進(jìn)行加熱。壓力可以是超大氣壓或低于大氣壓的壓力。在實(shí)施方案中，用于形成制品的希望壓力不是一次性施加的。在裝載生壓坯之后，最初在室溫下或在低溫下將低壓施加至組合物以封閉組合物中的大孔隙。否則的話，可以使熔融的粘合劑流動(dòng)至壓模的表面。一旦溫度達(dá)到預(yù)定最大溫度，就可以施加制造制品所需的希望壓力?？梢詫囟群蛪毫Ρ３痔幱陬A(yù)定最大溫度和預(yù)定最大壓力，持續(xù)約5分鐘至約120分鐘。在實(shí)施方案中，預(yù)定最大溫度為粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±100℃，或粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±50℃。

這個(gè)階段的縮減比(即，制品的體積相對(duì)于生壓坯的體積之比)為約10％至約70％或約20％至約40％。制品的密度可以通過(guò)控制壓縮程度來(lái)改變。制品可以具有約0.5至約10g/cm³、約1至約8g/cm³、約1至約6g/cm³、約2至約5g/cm³、約3至約5g/cm³或約2至約4g/cm³的密度。

可替代地，又稱(chēng)為兩步法，可以首先在室溫和約500psi至30,000psi的壓力下壓制合并的組合物來(lái)形成壓坯；并且可以進(jìn)一步在約350℃至約1400℃、具體地為約800℃至約1400℃的溫度下加熱壓坯來(lái)制造制品。在實(shí)施方案中，溫度是粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±100℃，或粘合劑的熔點(diǎn)的約±20℃至約±50℃。在另一個(gè)實(shí)施方案中，溫度可以比粘合劑的熔點(diǎn)高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃?？梢栽诖嬖诨虿淮嬖诙栊詺夥障略诖髿鈮合逻M(jìn)行加熱。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，無(wú)需制造生壓坯就可以直接從合并的組合物制造制品?？梢酝瑫r(shí)執(zhí)行壓制和加熱。合適的壓力和溫度可以與本文針對(duì)兩步法的第二步驟所論述相同。

熱壓是同時(shí)施加溫度和壓力的工藝。所述熱壓可以用在一步法和兩步法兩者中來(lái)制造功能分級(jí)制品。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，單獨(dú)地形成第一構(gòu)件和第二構(gòu)件。之后將第一構(gòu)件安置在第二構(gòu)件上。例如，可以向模具裝載第一粉末混合物，所述第一粉末混合物根據(jù)如本文所公開(kāi)的一步法或兩步法來(lái)處理以從合并的組合物制造制品。類(lèi)似地，可以向模具裝載第二粉末混合物，所述第二粉末混合物根據(jù)如本文所公開(kāi)的一步法或兩步法來(lái)處理以從合并的組合物制造制品，其中第二構(gòu)件在第二碳復(fù)合材料與增強(qiáng)劑的重量比方面具有梯度或在第二碳與第二粘合劑的重量比方面具有梯度。

用于將第一構(gòu)件安置在第二構(gòu)件上的方法并無(wú)特別限制。在實(shí)施方案中，通過(guò)將局部熱量施加至第一構(gòu)件的表面和/或第二構(gòu)件的表面來(lái)將第一構(gòu)件層壓至第二構(gòu)件。其他示例性方法包括等靜壓、擴(kuò)散結(jié)合、熱模制、焊接、釬焊等等。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，在形成第一構(gòu)件之后，將所述第一構(gòu)件安置在模具中。接著，將如本文所述的第二粉末混合物安置在第一構(gòu)件的表面上。之后，將第二粉末混合物和第一構(gòu)件模制在一起，從而形成功能分級(jí)制品。

本文的功能分級(jí)制品可以許多不同形狀形成，諸如環(huán)形、管狀、圓管狀、桿狀、圓環(huán)、球形、多邊形、錐形、圓柱形、其截頭形狀等等。這種形狀可以由模制工藝、擠出等等產(chǎn)生。另外，模制形狀還可以經(jīng)受各種成型工藝，包括切割、鋸削、消融以及其他材料去除方法。

功能分級(jí)制品具有多種有利特性并且可以用在各種各樣的應(yīng)用中。制品可以用于制造工具或工具的部件。說(shuō)明性工具包括密封件、高壓珠粒狀壓裂篩網(wǎng)塞、篩網(wǎng)基管塞、壓縮填充元件、o形環(huán)、結(jié)合密封件、子彈密封件、地下安全閥密封件、地下安全閥擋板密封件、動(dòng)態(tài)密封件、支承環(huán)、鉆頭密封件、襯套端口塞、碎屑屏障、鉆入激勵(lì)襯套塞、流入控制裝置塞、擋板、球座、氣舉閥塞、防濾失擋板、電潛泵密封件、切口塞、擋板閥、氣舉閥以及套管。其他說(shuō)明性制品包括核反應(yīng)堆壓力容器密封件；核致動(dòng)器密封件；核電站中的泵密封件；泄壓密封件；旋轉(zhuǎn)密封件；滑閥密封件；制動(dòng)活塞密封件；軸密封件；軸承密封件；或小齒輪密封件。在實(shí)施方案中，制品是井下元件。

制品具有操作溫度范圍從約-65℉直至約1200℉的高耐熱性。在特別有利的特征中，通過(guò)形成功能分級(jí)制品，提高了耐侵蝕性/耐腐蝕性和彈性?xún)烧?。所述制品特別適合于用作遭受侵蝕/腐蝕破壞的密封件，例如用在安全閥或阻擋閥應(yīng)用中的擋板或旋轉(zhuǎn)球閥密封件。制品或包括制品的工具可以用于各種應(yīng)用。在實(shí)施方案中，制品或包括制品的工具可以用于抑制流動(dòng)。

本文公開(kāi)的所有范圍都包括端點(diǎn)，并且端點(diǎn)可獨(dú)立地相互組合。如本文所使用的后綴“(s)”旨在包括其所修飾的術(shù)語(yǔ)的單數(shù)和復(fù)數(shù)形式兩者，因而包括至少一個(gè)所述術(shù)語(yǔ)(例如，著色劑(一種或多種)包括至少一種著色劑)?！盎蛘摺币庵浮昂?或”?！叭芜x的”或“任選地”意指隨后描述的事件或情況可能發(fā)生或不發(fā)生，并且所述描述包括事件發(fā)生的情況和事件不發(fā)生的情況。如本文所使用，“組合物”包括共混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等等?！捌浣M合”意指“包括所列項(xiàng)目中的一項(xiàng)或多項(xiàng)以及任選地未列出的類(lèi)似項(xiàng)目的組合”。所有參考文獻(xiàn)都以引用的方式并入本文。

除非本文另外指明或明顯與上下文抵觸，否則術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”和“一種”以及“所述”和類(lèi)似術(shù)語(yǔ)在描述本發(fā)明的上下文中(尤其是在以上權(quán)利要求書(shū)的上下文中)的使用應(yīng)被視為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)形式兩者。另外，應(yīng)進(jìn)一步注意到，本文中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等等并不表示任何次序、數(shù)量或重要性，而是用于區(qū)分各個(gè)元件。與數(shù)量結(jié)合使用的修飾詞“約”包括所指出的值，并且具有上下文中指定的含義(例如，它包括與具體數(shù)量的測(cè)量相關(guān)聯(lián)的誤差程度)。

雖然已出于說(shuō)明目的闡述了典型的實(shí)施方案，但是前文描述不應(yīng)被視為是對(duì)本文的范圍的限制。因此，在不脫離本文的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種修改、調(diào)整和替換。