由衍生化纳米金刚石制备多晶金刚石的方法技术

一种形成多晶金刚石的方法包括将纳米金刚石衍生化以形成官能团，以及将所述衍生化纳米金刚石与平均粒径大于该衍生化纳米金刚石的平均粒径的微米金刚石、和金属溶剂-催化剂合并。多晶金刚石复合体通过将多晶金刚石附着到支承体上进行制备，并且可以由该多晶金刚石复合体制备制品例如切削工具。

【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是要求2010年4月14日提交的美国临时申请No. 61/324，142的权益的非临时申请，通过引用将其全文并入本文。
技术介绍
在地下地层(earth formation)中形成例如用于烃生产、二氧化碳封存等钻孔的地钻工具通常包括固定到本体的多个切削元件。例如，固定切削刀地钻旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括固定在钻头的钻头本体的切削元件。类似地，牙轮地钻旋转钻头可以包括多个牙轮(cone)，所述牙轮安装在从钻头本体的巴掌(leg)伸出的牙轮轴上从而使每个牙轮能够围绕上面安装该牙轮的牙轮轴旋转。可以将多个切削元件安装到钻头的每个牙轮。使用具有超硬磨料(superabrasive)钻井表面的钻头可在这类井下环境中提供 改善的性能。特别地，可将由小(例如微米尺寸)金刚石晶粒通过使用金属催化剂的高温、高压过程熔融并结合在一起而形成且支承在陶瓷基材上的多晶金刚石复合体(roc)纳入到钻头上。已发现这样的钻头提供超硬磨料磨蚀表面，其能够在长时期且在温度、压力和腐蚀性井下环境的严重井下条件下切削穿过坚硬的岩石，并同时维持钻头的完整性和性能。其中催化剂材料保留在金刚石台面(diamond table)内的多晶金刚石复合体切削元件通常一直到约750°C的温度都呈热稳定性，尽管在温度超过约400°C时该切削元件内的内应力可能由于金属催化剂中的相变(例如钴，其经历从β相到α相的转变)和/或金刚石晶粒与晶界处的催化剂金属的热膨胀差异而开始产生。因此，随着时间，这样的PDC钻头仍遭受积累失效模式。在钻孔过程中，切削元件会磨损、破裂或积累损伤，这会改变、限制或明显劣化它们在其所适用的应用中的性能。切削刀性能的劣化可导致钻孔过程的延迟，从而提高井的总生产成本。概述在一个实施方案中，形成多晶金刚石的方法包括将纳米金刚石衍生化以形成官能团，以及将所述衍生化纳米金刚石与平均粒径大于该衍生化纳米金刚石的平均粒径的微米金刚石、和金属溶剂-催化剂合并。在另一个实施方案中，制备制品的方法，包括通过将以下物质组合来形成超硬磨料多晶金刚石复合体衍生化以包括官能团的纳米金刚石、平均粒径大于所述衍生化纳米金刚石的平均粒径的微米金刚石、和金属溶剂-催化剂；将所述多晶金刚石与包含陶瓷的基材组合；以及通过浸析将部分所述金属溶剂-催化剂从所述多晶金刚石复合体除去。在另一个实施方案中，形成多晶金刚石的方法包括在热和压力下处理悬浮体，该悬浮体包含作为组分的如下物质平均粒径为l_500nm且进行衍生化以包括官能团的纳米金刚石，所述官能团包含烧基、稀基、块基、竣基、轻基、氣基、酸氣基、环氧基、丽基、烧氧基、醚、酯、内酯、金属基团、有机金属基团、聚合物基团、或包含前述中至少一种的组合，平均粒径大于所述衍生化纳米金刚石的平均粒径的微米金刚石，金属催化剂，溶剂，以及粘合剂，其中所述组分比在包括非衍生化纳米金刚石而不是衍生化纳米金刚石时更加均匀地分布在整个悬浮体中。附图简要描述现参照附图图I是显示纳米金刚石核、碳洋葱和无定形碳区域的示例性纳米金刚石的透射电子显微镜法(TEM)图像；图2是示例性多晶金刚石复合体(roc)的横截面图；图3是显示纳米金刚石(ND)、与I-碘十二烷(ND+Do-I)混合的纳米金刚石、和正十二烷基改性的纳米金刚石(Do-ND)的TGA性能的对比热解重量分析法(TGA)图；图4A和4B显示了未改性的纳米金刚石(图4A)和正十二烷基改性的纳米金刚石 (图4B)的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)谱图；图5A-5C显示了收到状态的纳米金刚石(图5A)、用十二烷基衍生化后的纳米金刚石(图5B)、和TGA后(post-TGA)的纳米金刚石(图5C)的拉曼IR谱图；以及图6是用衍生化纳米金刚石和微米金刚石制得的示例性多晶金刚石，用非衍生化纳米金刚石和微米金刚石制得的对比多晶金刚石，仅微米金刚石，商业多晶金刚石，和“浸析”的商业多晶金刚石的相对磨损面积相对于切削距离的对比图。详述本文公开了形成多晶金刚石的新的方法。如本文所使用的，术语“多晶”是指材料(例如金刚石或金刚石复合物)包含通过粒间键直接键合在一起的多个颗粒(即晶体)。材料的个体晶粒的晶体结构可以在多晶材料内的空间中任意取向。已发现，将纳米金刚石衍生化以包括官能团，并且将所述衍生化纳米金刚石与多晶金刚石的其它组分例如较大的金刚石颗粒(如微米金刚石)和在金刚石形成期间用于催化碳-碳键合的金属一起悬浮在溶剂和/或水中，这在与溶剂合并时提供了前体悬浮体，在所述溶剂中所述组分均匀地分布。所述衍生化纳米金刚石在悬浮时对其环境具有较大的亲和性并且比非衍生化纳米金刚石或与分散剂共悬浮的纳米金刚石悬浮更长时间。由这种悬浮体，可制备前体复合体，并且在随后的热(至少1，OO(TC)处理和压力(至少5千兆帕(GPa))处理之后接着进行催化剂去除，所得多晶金刚石具有高度一致的结构，该结构对例如钻孔应用中使用所产生的磨损和劣化具有提高的抵抗性。这样的多晶金刚石以及由该多晶金刚石制得的roc和切削工具(例如钻头)与在无衍生化纳米金刚石情况下所制备的类似制得的多晶金刚石相比具有更长的有效使用寿命。通过本文方法制得的多晶金刚石包括已衍生化的纳米金刚石、微米金刚石、和金属溶剂-催化剂。还可以包括另外的组分，例如不同于所述衍生化纳米金刚石的纳米颗粒，和不同于所述微米金刚石的微米颗粒。纳米金刚石是平均粒径小于I微米(ym)的金刚石颗粒。如本文所使用的，“平均粒径”是指基于颗粒的最大线性尺寸的数均粒径(有时称作“直径”)。粒径包括平均粒径、最大粒径和最小粒径，可以通过测定颗粒大小的合适方法例如使用激光光源的静态或动态光散射(SLS或DLS)进行测定。本文公开的纳米金刚石通常包括平均粒径为I纳米(nm)至小于Iym的金刚石颗粒，并且同时包括平均粒径为250nm或更小的金刚石颗粒(本领域有时称作“纳米金刚石”)和平均粒径大于250nm至小于I μ m的金刚石颗粒(本领域有时称作“亚微米尺寸”的金刚石颗粒)。在一个实施方案中，纳米金刚石可以具有约O. 01-约500纳米(nm),特别地O. l_250nm,更特别地约I-约150nm,更特别地约10-约125nm,还更特别地约25-约IOOnm的平均粒径。纳米金刚石可以呈单分散性，其中所有颗粒具有变化很小的相同尺寸，或呈多分散性，其中颗粒具有尺寸范围并且进行平均。通常，使用多分散性纳米金刚石。可以使用不同平均粒径的纳米金刚石，并且以这种方式，纳米金刚石的粒径分布可以是单峰(表现出单一分布)，表现出两个分布的双峰，或表现出多于一个粒径分布的多峰(其中存在粒径梯度)。最少5%的纳米金刚石的最小粒径可以小于O. Inm,特别地小于或等于O. 05nm,更特别地小于或等于O. Olnm。类似地,95%的纳米金刚石的最大粒径大于或等于900nm,特别地大于或等于750nm,更特别地大于或等于500nm。本文所使用的纳米金刚石可以来自天然来源，例如天然金刚石的研磨或其它加工的副产物，或者可以是合成的，通过任何合适的商业方法例如但不限于高压高温(HPHT)、爆炸冲击(还称作爆轰，缩写为DTD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、超声空化等进行制备。纳米金刚石可以按收到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·查克拉伯蒂，G·阿格拉瓦尔，A·A·迪乔瓦尼，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：
国别省市：