形成柔性碳复合材料自润滑密封件的方法技术

一种形成柔性碳复合材料自润滑密封件的方法包括将碳复合材料混合物压入模具，形成柔性碳复合材料自润滑环形密封件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】形成柔性碳复合材料自润滑密封件的方法相关申请的交叉引用本专利申请要求提交于2014年11月25日的美国专利申请号14/553472的权益，所述专利申请全文以引用的方式并入本文。
技术介绍
密封件广泛用于资源勘探、开采和CO2封存系统。密封件用于井上和井下。动态密封件提供了移动部件和静止部件之间的密封界面。通常，密封件从塑料和弹性体形成。望料和弹性体二者在井上和井下的使用存在各种挑战。塑料和弹性体易受诸如存在于烃回收的高温、高压和腐蚀环境导致的磨损的影响。因此，从塑料和弹性体形成的密封件可经历使用寿命有限，或受到某些操作环境的限制。例如，很多弹性体在接近600°F(315.5℃)的温度下开始分解。石墨是碳的同素异形体，并且具有层状平面结构。在每层中，碳原子通过共价键排列成六边形阵列或网络。然而，不同的碳层仅通过弱范德华力结合在一起。石墨由于其优异的导热性和导电性、光亮度、低摩擦和高耐热性和耐腐蚀性，已用于许多应用，包括电子设备、原子能、热金属加工、涂料、航空航天等等。然而，常规的石墨是没有弹性的并且具有低强度，这可限制其另外的应用，诸如形成用于井下环境的密封件。本行业将易于接受密封技术的改进，包括从表现出柔性、化学稳定性、耐腐蚀性增加，以及耐高温和耐高压性质的材料形成的密封件。
技术实现思路
一种形成柔性碳复合材料自润滑密封件的方法包括将碳复合材料混合物压入模具，形成柔性碳复合材料自润滑环形密封件。附图简述现在参见附图，其中多个附图中类似元件的编号类似：图1是包含在室温和大气压下共混的膨胀石墨和微米或纳米尺寸粘结剂的组合物的扫描电子显微(“SEM”)图像；图2是根据本公开的一个实施方案的在高压和高温条件下从膨胀石墨和微米或纳米尺寸粘结剂形成的碳复合材料的SEM图像；图3是根据本公开的另一个实施方案的碳微观结构的SEM图像；图4是根据本公开的一个实施方案的碳复合材料的示意图；图5示出了(A)天然石墨；(B)膨胀石墨；(C)膨胀石墨和微米或纳米尺寸粘结剂的混合物，其中所述样品在室温和高压下压实；(D)根据本公开的一个实施方案在高温和低压下从膨胀石墨和微米或纳米尺寸粘结剂的混合物压实的碳复合材料(也称为“软复合材料”)；以及(E)根据本公开的另一个实施方案在高压和高温条件下从膨胀石墨和微米和纳米尺寸粘结剂形成的碳复合材料(也称为“硬复合材料”)的应力-应变曲线；图6示出了碳复合材料在不同负载下的环路测试结果；图7示出了分别在室温和500°F下测试的碳复合材料的迟滞结果；图8比较了在500℃下暴露至空气25小时之前和之后的碳复合材料；图9(A)是在热冲击之后的碳复合材料图片；图9(B)示出了热冲击的条件；图10比较了在200°F下暴露至自来水20小时(A)之前和(B)之后，或(C)在200°F下暴露至自来水3天之后的碳复合材料样品；图11比较了在200°F下暴露至含抑制剂的15％HCl溶液20小时(A)之前和(B)之后，或(C)在200°F下暴露至15％HCl溶液3天之后的碳复合材料样品；图12示出了在600°F下的碳复合材料密封力弛豫测试结果；图13示出了根据示例性实施方案的地下勘探系统，其包括管状支承件、自给供电的柔性自润滑碳复合材料密封件；图14示出了流程图，其示出了形成柔性碳复合材料自润滑环形密封件的方法；图15示出了引入模具的碳复合材料混合物；图16示出了压入模具的碳复合材料混合物；图17示出了压入被加热模具的碳复合材料混合物；图18示出了从模具移除的柔性碳复合材料环形密封件；图19示出了根据一个示例性实施方案的一个方面的具有集成偏置构件的柔性碳复合材料环形密封件；图20示出了根据一个示例性实施方案的另一个方面的在多个偏置构件周围形成的柔性碳复合材料环形密封件；图21示出了根据一个示例性实施方案的又一个方面的具有大致圆形横截面的柔性碳复合材料环形密封件；图22示出了根据一个示例性实施方案的又一个方面的具有大致矩形横截面的柔性碳复合材料环形密封件；图23示出了根据一个示例性实施方案的又一个方面的具有圆形横截面的柔性碳复合材料环形密封件；图24示出了根据一个示例性实施方案的又一个方面的具有X形横截面的柔性碳复合材料环形密封件；以及图25示出了根据一个示例性实施方案的柔性碳复合材料与其他材料比较的坐标图。具体实施方式专利技术人据此发现，在高温下从石墨和微米或纳米尺寸粘结剂形成的碳复合材料与单独石墨，从相同的石墨但不同的粘结剂形成的组合物，或相同的石墨和相同的粘结剂在室温、大气压或高压下共混的混合物相比，具有改善的平衡性质。新碳复合材料具有优异的弹性。此外，碳复合材料在高温下具有优异的机械强度、耐热性和耐化学性。在另一个有利的特征中，复合材料保持了石墨的各种优良性质，诸如导热性、导电性、润滑性等等。不希望受理论的束缚，据信设置在碳微观结构之间的粘结相提供了机械强度的改善。碳微观结构之间不存在力或仅存在弱范德华力，因此石墨疏松材料具有弱机械强度。在高温下，微米和纳米尺寸粘结剂液化，并均匀分散在碳微观结构之间。在冷却时，粘结剂固化，并形成通过机械联锁将碳纳米结构粘结在一起的粘结相。另外不希望受理论的束缚，对于具有改善的机械强度和改善的弹性二者的复合材料，据信碳微观结构本身是叠堆层之间具有空间的层状结构。粘结剂仅在微观结构的边缘选择性地将其锁定，而不渗入微观结构。因此，微观结构内的无界层提供了弹性，并且设置在碳微观结构之间的粘结相提供了机械强度。碳微观结构是将石墨压成高度压缩状态之后形成的石墨微观结构。它们包括沿压缩方向叠堆在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦、平行的碳原子片或层，其中每个片或层具有单原子厚度。石墨基面也称为碳层。碳微观结构是大致平坦的和薄的。它们可具有不同的形状，也可称为微片、微盘等等。在一个实施方案中，碳微观结构是基本上彼此平行的。碳复合材料中有两种类型空隙-碳微观结构之间的空隙或间隙空间和每个单独碳微观结构内的空隙。碳微观结构之间的间隙空间具有约0.1至约100微米、具体地讲约1至约20微米的尺寸，而碳微观结构内的空隙更小，通常在约20纳米至约1微米、具体地讲约200纳米至约1微米之间。空隙或间隙空间的形状无特别限制。如本文所用，空隙或间隙空间的尺寸是指空隙或间隙空间的最大尺寸，并且可通过高分辨率电子或原子力显微技术测定。碳微观结构之间的间隙空间填充有微米或纳米尺寸粘结剂。例如，粘结剂可占据碳微观结构之间约10％至约90％的间隙空间。然而，粘结剂不渗透单个碳微观结构，并且碳微观结构内的空隙是未填充的，即未填充任何粘结剂。因此，碳微观结构内的碳层不通过粘结剂锁定在一起。通过所述机制，可保持碳复合材料，具体地讲膨胀碳复合材料的柔性。碳微观结构具有约1至约200微米、约1至约150微米、约1至约100微米、约1至约50微米或约10至约20微米的厚度。碳微观结构的直径或最大尺寸为约5至约500微米或约10至约500微米。碳微观结构厚径比可为约10至约500、约20至约400或约25至约350。在一个实施方案中，碳微观结构中碳层之间的距离为约0.3纳米至约1微米。碳微观结构可具有约0.5至约3g/cm3、或约0.1至约2g/cm3的密度。如本文所用，石墨包括天然石墨、合成石墨、可膨胀石墨、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成柔性碳复合材料自润滑密封件(228)的方法(280)，其包括：将碳复合材料混合物(302)压入模具(320)，形成柔性碳复合材料自润滑环形密封件(228)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.25 US 14/553,4721.一种形成柔性碳复合材料自润滑密封件(228)的方法(280)，其包括：将碳复合材料混合物(302)压入模具(320)，形成柔性碳复合材料自润滑环形密封件(228)。2.根据权利要求1所述的方法(280)，还包括：在所述模具(320)中将所述碳复合材料混合物(302)加热至选择的温度。3.根据权利要求2所述的方法(280)，其中加热所述碳复合材料混合物(302)包括使电流通过所述碳复合材料混合物(302)。4.根据权利要求2所述的方法(280)，其中加热所述碳复合材料混合物(302)包括使金属粘结剂在所述碳复合材料混合物(302)中熔融，形成金属熔体。5.根据权利要求4所述的方法(280)，还包括：驱动所述金属熔体进入所述碳复合材料混合物(302)中石墨基面之间的间隙，形成联锁结构。6.根据权利要求2所述的方法(280)，其中加热所述碳复合材料混合物(302)包括感应加热所述碳复合材料混合物(302)。7.根据权利要求1所述的方法(280)，还包括：形成所述碳复合材料混合物(302)包括将膨胀石墨与金属粘结剂混合。8.根据权利要求6所述的方...

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