碳复合材料、其制造方法和用途技术

碳复合材料，其包含：膨胀石墨；和填料或增强物中的至少一者；其中该膨胀石墨包含多个随机取向的基面。还公开了制备该碳复合材料的方法和包含该碳复合材料的制品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2013年11月5日提交的美国申请号14/072016的权益，通过引用将其以其全文并入本文。背景本公开内容涉及碳复合材料，并且特别地涉及包含膨胀石墨的碳复合材料、它们的制造方法和由此形成的制品。弹性体是具有低杨氏模量和高失效应变的聚合物。它们是相对软的和可变形的，因此广泛用于密封件、胶黏剂和模制的柔性部件。弹性体还用作井下应用中的密封材料。然而，由于油气生产活动持续向更不友善和不常规的环境转移，弹性体的性能变得不太令人满意，因为它们在严峻条件下容易分解，引起安全和环境问题并且造成对于重油开采的限制。由于金属的高耐腐蚀性和优异的高压和高温耐受性，提出金属作为用于井下应用的替代性密封材料。然而，金属具有低延展性和低弹性。因此，与弹性体相比，金属在密封粗糙的壳体表面方面不太有效。因此，在本领域仍然存在对于密封材料的需求，该密封材料在高压、高温和/或腐蚀性环境下是稳定的，而同时表现出优异的弹性性质。简要描述在一个实施方案中，碳复合材料包含膨胀石墨；和填料或增强物中的至少一者；其中该膨胀石墨包含多个随机取向的基面。在另一个实施方案中，形成碳复合材料的方法包括：将包含膨胀石墨和任选的增强物的组合物压缩以形成预制体，该预制体包含膨胀石墨基体和设置在该基体中的多个连接的开孔；和将该预制体与填料组合，由此制备该碳复合材料；其中该碳复合材料中的膨胀石墨基体>包含多个随机取向的基面。在又一个实施方案中，形成碳复合材料的方法包括：首先压缩膨胀石墨以形成压缩的膨胀石墨；研磨该压缩的膨胀石墨以形成膨胀石墨颗粒；将该膨胀石墨颗粒与至少填料或增强物组合以形成组合体；和其次压缩该组合体，由此制备该碳复合材料；其中该碳复合材料中的膨胀石墨包含多个随机取向的基面。还公开了包含该碳复合材料的制品。附图简要描述以下描述不应该视为以任何方式进行限制。参考附图，相似的要素标记相似；图1是碳复合材料的示例性实施方案的示意性说明；图2是碳复合材料的增强物的示例性实施方案的示意性说明；图3是碳复合材料的增强物的另一示例性实施方案的示意性说明；图4是膨胀石墨的热等静压或冷等静压的示意性说明；图5是经由膨胀石墨基体的金属性渗透来形成碳复合材料的示意性说明；图6是通过磨碎或切碎压缩的膨胀石墨、再压制经磨碎或切碎的膨胀石墨和通过渗透引入填料来形成碳复合材料的示意性说明。图7是通过磨碎压缩的膨胀石墨和将磨碎的膨胀石墨与粘结剂和/或填料一起再压制来形成碳复合材料的示意性说明；图8显示了碳复合材料的示例性实施方案的应力-应变曲线；图9分别显示了天然石墨、膨胀石墨和碳复合材料的应力-应变曲线；图10显示了在暴露于100℃下的3％的KCl持续两周之前和之后的碳复合材料产品；和图11显示了在暴露于室温下的15％的HCl持续五天之前和之后的碳复合材料产品。详细描述发现包含膨胀石墨与填料或增强物中的至少一者的碳复合材料具有优异的弹性性质。例如，碳复合材料的弹性能可为仅膨胀石墨或天然未膨胀石墨的几倍。弹性能是在做功以扭曲材料或物理系统的体积或形状时在材料或物理系统的构造中储存的潜在机械能。较高的弹性能表明较好的弹性。结果显示向膨胀石墨添加填料和/或增强物对于增加使复合材料变形所需的力同时保持延伸率的减少为最小值是有效的。另外，对于碳复合材料，观察到大于20％的可回复的(弹性)变形和大于10000psi的高应力负载。该碳复合材料还在低的设定力下显示大的塑形应变。这些有利的特征允许由该碳复合材料形成的制品容易变形从而密封粗糙的壳体表面。大的弹性应变进一步提供了足够的弹性力以解决任何潜在的棘轮回弹(ratchetrecoil)问题。还发现如果该碳复合材料中的膨胀石墨的基面是随机取向的则该复合材料的拉伸强度可得到极大地改进。如本文中使用的，术语“基面”意指膨胀石墨的碳层。“随机取向的”意味着一个膨胀石墨晶粒、颗粒、层片或晶体相对于另一个膨胀石墨晶粒、颗粒、层片或晶体不存在择优取向。在高压、高温和腐蚀性环境下该复合材料是极其稳定的。例如，该碳复合材料在最高至750℉的温度和最高至25000psi的压力下是稳定的，并且在暴露于100℃下的3％的氯化钾持续两周之后或在暴露于室温下的15％的HCl持续五天之后该复合材料没有变化。该发现允许制造适合用作用于井下应用的包装物(packer)或密封材料的碳复合材料。作为另一个有利的特征，用于碳复合材料的原材料是环境友好的并且是低成本的。在一个实施方案中，碳复合材料包含膨胀石墨和填料或增强物中的至少一者，其中该膨胀石墨包含多个随机取向的基面。石墨是层状材料。用弱的范德华力将单个的层保持在一起，其能够用有机或无机分子嵌插并且最终膨胀。嵌插是其中将嵌插物(intercallant)材料嵌入单个的石墨碳层之间的过程。广泛的化学品用于嵌插石墨材料。这些包括酸、氧化剂、卤化物等。在加热时，嵌插物从液态或固态转化为气相。气体形成产生了压力，该压力推动临近的碳层分开，导致膨胀石墨。在一个实施方案中，本公开内容的膨胀石墨通过如下步骤制备：用硫酸、硝酸、铬酸、硼酸或卤化物例如FeCl3、ZnCl2、SbCl5处理石墨材料例如天然石墨、结晶石墨、热解石墨等以形成可膨胀的石墨；在例如800℃或更高的高温下快速加热该可膨胀的石墨，从而产生热解气体，使用该热解气体的压力使石墨层之间的空间膨胀，由此形成膨胀石墨。除了膨胀石墨以外，该碳复合材料包含填料或增强物中的至少一者。该填料包含金属、碳或陶瓷。示例性的金属包括铜、铝、钛、钨、镍、硅、铬、铁或其合金。在一个实施方案中，该金属包括铜、铝、钛、铜合金、铝合金或钛合金。示例性的碳包括无定形碳、天然石墨和碳纤维。示例性的陶瓷材料包括SiC、Si3N4、SiO2、BN等。这些材料可为不同的形状，例如颗粒、纤维和线材。可使用材料的组合。该增强物包含各种形状的金属或其合金。该增强物的形状不受特别限制并且包括平坦片材、波浪形片材、具有多个凸出部分和多个凹陷部分的结构。还考虑了具有规则或不规则图案的其它形状。在该碳复合材料包含多于一个增强物时，可以以这样的方式设置增强物：增强物形成图案。例如，增强物可以彼此平行。可替代地，增强物是随机取向的。增强物可具有相同或不同的形状。在一个示例性的实施方...

【技术保护点】
碳复合材料，其包含：膨胀石墨；和填料或增强物中的至少一者；其中该膨胀石墨包含多个随机取向的基面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.05 US 14/072,0161.碳复合材料，其包含：
膨胀石墨；和
填料或增强物中的至少一者；
其中该膨胀石墨包含多个随机取向的基面。
2.权利要求1的碳复合材料，其中该填料包含金属、碳、陶瓷、
或包含前述的至少一者的组合。
3.权利要求1的碳复合材料，其中该金属包含铜、铝、钛、钨、
镍、硅、铬、铁、其合金、或包含前述的至少一者的组合。
4.权利要求1的碳复合材料，其中该碳包含无定形碳、天然石墨、
碳纤维、或包含前述材料的至少一者的组合。
5.权利要求1的碳复合材料，其中该陶瓷包含SiC、Si3N4、SiO2、
BN、和包含前述的至少一者的组合。
6.权利要求1的碳复合材料，其中该增强物包含金属性片材，该
金属性片材包含不锈钢、铜合金、铝合金、钛合金、或包含前述的至
少一者的组合。
7.权利要求1的碳复合材料，其中该金属性片材包含孔。
8.权利要求1的碳复合材料，其中该膨胀石墨以25wt％至99wt％
的量存在，基于该碳复合材料的总重量计。
9.用于制备碳复合材料的方法，该方法包括
将膨胀石墨与填料或增强物中的至少一者组合以形成组合体；和
在等静压下压缩该组合体，由此制备该碳复合材料；
其中该碳复合材料中的膨胀石墨的基面是随机取向的。
10.权利要求9的方法，其中该组合包括将膨胀石墨与金属性填
料组合。
11.权利要求9的方法，其中该组合包括将膨胀石墨、金属性填
料和包含金属性片材的增强物组合。
12.制备碳复合材料的方法，该方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志跃，L·赵，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US