CN103038005A - 纳米基质金属复合材料 - Google Patents

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Abstract

公开了一种粉末金属复合材料。该粉末金属复合材料包括基本上连续的、泡孔式纳米基质，该基质包含纳米基质材料。该复合材料还包括分散在纳米基质中的多个分散的第一颗粒，每个第一颗粒包含第一颗粒芯材料，该芯材料包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合；与该分散的第一颗粒互混的多个分散的第二颗粒，每个第二颗粒包含第二颗粒芯材料，该芯材料包含碳纳米颗粒；和在分散的第一和第二颗粒之间的整个纳米基质中延伸的固态结合层。该纳米基质粉末金属复合材料是独特的轻重量、高强度材料，其还提供了独特的可选择和可控腐蚀性能，包括非常快的腐蚀速率，用于制造广泛的多种可降解或者一次性制品，包括不同的井下工具和部件。

Description

纳米基质金属复合材料
交叉引用的相关申请
本申请要求2010年7月30日提交的美国申请US12/847594的权益，该申请通过引用全部纳入本申请。
本申请包含了与下面的共同待决申请的主题相关的主题：美国专利申请12633682；12/633686；12/633688；12/633678；12/633683；12/633662；12/633677；和12/633668，其全部都是在2009年12月8日提交的，属于与本申请相同的申请人Baker Hughes Incorpora tedof Hous ton，Texas；并且其在此以其全部通过引用纳入本申请。
发明背景
井下钻探和完井工业的作业者经常使用井筒部件或者工具，由于于它们的功能，仅仅要求所述部件或者工具具有有限的寿命，其远小于井的寿命。在部件或者工具的使命完成后，必须将它除去或者处置，以恢复流体通道的初始尺寸，从而用于包括例如烃生产、CO2封存(seques trat ion)等。部件或者工具的处置通常是通过将该部件或者工具在井筒外研磨或者钻孔而完成的。这样的操作通常是耗时和昂贵的。
为了消除对于研磨或者钻孔操作的需要，已经提出了通过使用各种井筒流体溶解可降解多乳酸聚合物，来除去部件或者工具。但是，这些聚合物通常在井筒的运行温度范围内不具有履行井筒部件或者工具的功能所必需的机械强度、断裂韧度和其他机械性能，所以它们的应用有限。
因此，非常期望的是开发这样的材料，其能够用于形成井筒部件和工具，该部件和工具具有履行它们的目标功能所必需的机械性能、然后通过使用井筒流体进行的可控溶解被从井筒除去中。
发明内容
公开了一种示例性实施方案的粉末金属复合材料。该粉末复合材料包括基本上连续的、泡孔式(cellular)纳米基质，该基质包含纳米基质材料。该复合材料还包括分散在泡孔式纳米基质中的多个分散的第一颗粒，每个第一颗粒包含第一颗粒芯材料，该芯材料包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合。该复合材料还包括与分散的第一颗粒互混的多个分散的第二颗粒，每个第二颗粒包含第二颗粒芯材料，该芯材料包含碳纳米颗粒。该复合材料进一步包括在分散的第一颗粒和分散的第二颗粒之间的整个泡孔式纳米基质中延伸的固态结合层。
附图说明
现在参见附图，其中在几个图中相同的元件是相同标记的：
图1是本文公开的第一粉末10的显微照片，该粉末已经嵌入到环氧样品安装材料中并且进行了截面化；
图2是粉末颗粒12的一种示例性实施方案的示意图，它是通过图1的截面2-2所表示的示例性截面图来显示的；
图3是粉末颗粒12的第二示例性实施方案的示意图，它是通过图1的截面2-2所表示的第二示例性截面图来显示的；
图4是粉末颗粒12的第三示例性实施方案的示意图，它是通过图1的截面2-2所表示的第三示例性截面图来显示的；
图5是粉末颗粒12的第四示例性实施方案的示意图，它是通过图1的截面2-2所表示的第四示例性截面图来显示的；
图6是本文公开的粉末的第二示例性实施方案的示意图，其具有多峰分布的粒度；
图7是本文公开的粉末的第三示例性实施方案的示意图，其具有多峰分布的粒度；
图8是制造本文公开的粉末的方法的一种示例性实施方案的流程图；
图9是使用具有单层包覆的粉末颗粒的粉末混合物制成的粉末复合材料的相邻第一和第二粉末颗粒的示例性实施方案的示意图；
图10是本文公开的由第一粉末和第二粉末形成的、并且具有均匀的多峰分布的粒度的粉末复合材料的示例性实施方案的示意图；
图11是本文公开的由第一粉末和第二粉末形成的、并且具有非均匀的多峰分布的粒度的粉末复合材料的示例性实施方案的示意图。
图12是使用具有多层包覆的粉末颗粒的粉末混合物制成的粉末复合材料的相邻第一和第二粉末颗粒的另一种示例性实施方案的示意图；
图13是前体粉末复合材料的示例性实施方案的横截面示意图；和
图14是制造本文公开的粉末复合材料的一种示例性方法的流程图。
具体实施方式
公开了轻重量、高强度金属材料，其可以用于广泛的多种应用和应用环境，包括用于不同的井筒环境来制造不同的可选择和可控的一次性的或者可降解的轻重量、高强度井下工具或者其他井下部件，以及用于耐用的、以及一次性或者可降解的制品的许多其他的应用。这些轻重量、高强度和可选择的和可控降解的材料包括完全致密的烧结粉末复合材料，其由包括不同的轻重量颗粒芯和芯材料(其具有不同的单层和多层纳米尺度的涂层)的涂覆粉末材料形成。这些粉末复合材料是由涂覆的金属粉末制成的，该涂覆的金属粉末包括不同电化学活性(例如具有相对更高的标准氧化电位)的轻重量、高强度颗粒芯和芯材料，例如电化学活性金属，其分散在由金属涂层材料不同的纳米尺度金属涂层所形成的泡孔式纳米基质中，并且在井筒应用中是特别有用的。这些粉末复合材料还包括分散的金属化的碳纳米颗粒。该碳纳米颗粒也可以涂覆有不同的单层和多层纳米尺度涂层，可以包括与用于涂覆金属颗粒芯相同的涂层。该金属化的碳纳米颗粒充当了粉末复合材料的微结构中的增强剂。它们还可以通过用该碳纳米颗粒代替纳米基质中的一部分的金属颗粒芯，来进一步降低粉末复合材料的密度。通过使用与用于涂覆颗粒芯相同或者类似的涂覆材料，用于碳纳米颗粒的涂层也被结合到泡孔式纳米基质中。
这些粉末复合材料提供了独特的和有利的机械强度性能组合，例如压缩强度和剪切强度，低密度以及可选择的和可控的腐蚀性能，特别是在各种井筒流体中快速的和受控的溶解。例如，这些粉末的颗粒芯和涂层可以选择来提供适于用作高强度工程化材料的烧结粉末复合材料，该高强度工程化材料具有与各种其他工程化材料(包括碳、不锈钢和合金钢)相当的压缩强度和剪切强度，但是其也具有与各种聚合物、弹性体、低密度多孔陶瓷和复合材料相当的低密度。作为再另一例子，这些粉末和粉末复合材料可以配置来提供响应环境条件变化的可选择的和可控的降解或者处置，例如响应由该复合材料所形成的制品附近的井筒性能或者条件变化(包括与该粉末复合材料接触的井筒流体中的性能变化)的从非常低的溶解速率向非常快的溶解速率的转变。所述的可选择的和可控的降解或者处置特性还允许保持由这些材料制成的制品如井筒工具或者其他部件的尺寸稳定性和强度，直到不再需要它们为止，在此时，可以改变预定的环境条件例如井筒条件，包括井筒流体温度、压力或者pH值，来促使它们通过快速溶解而除去。在下面进一步描述这些涂覆的粉末材料和粉末复合材料和由它们制成的工程化材料，以及制造它们的方法。
参见图1-7，一种金属粉末(其可以用于制作前体粉末复合材料100(图13)和粉末复合材料200(图9-12))包含第一粉末10和第二粉末30，该第一粉末包括多个金属包覆的第一粉末颗粒12，和该第二粉末包括多个包含碳纳米颗粒的第二粉末颗粒32。第一粉末颗粒12和第二粉末颗粒32可以形成和互混来提供粉末混合物5(图7)，包括自由流动性粉末，其可以倾倒于或者置于全部方式的形式或者模具中(未示出)，具有全部方式的形状和尺寸，并且其能够用于制作前体粉末复合材料100(图13)和粉末复合材料200(图9-12)，如此处所述的，其可以用作或者用于制造各种制品，包括各种井筒工具和部件。
第一粉末10的每个金属涂覆的第一粉末颗粒12包括第一颗粒芯14和位于颗粒芯14上的第一金属涂层16。颗粒芯14包括第一芯材料18。芯材料18可以包括任何适于形成颗粒芯14的材料，其提供了粉末颗粒12，该颗粒可以烧结以形成轻重量、高强度的具有可选择的和可控的溶解特性的粉末复合材料200。合适的芯材料包括标准氧化电位大于或者等于Zn的电化学活性金属，包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合。这些电化学活性金属与许多通常的井筒流体是高反应性的，所述的井筒流体包括任何数目的离子流体或者高极性流体，例如包含各种氯化物的这些。例子包括包含氯化钾(KCl)、盐酸(HCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钙(CaBr2)或者溴化锌(ZnBr2)的流体。芯材料18还可以包括电化学活性小于Zn或者非金属材料或者它们的组合的其他金属。合适的非金属材料包括陶瓷、复合材料、玻璃或者碳或者它们的组合。芯材料18可以选择来提供在预定的井筒流体中高的溶解速率，但是也可以选择来提供相对低的溶解速率，包括0溶解，这时纳米基质材料快速的溶解使得颗粒芯14在与井筒流体的界面处从颗粒复合材料上快速破坏和释放，这样使用这些芯材料18的颗粒芯14所制成的颗粒复合材料的有效溶解速率是高的，即使芯材料18本身可具有低的溶解速率也是如此，包括在井筒流体中基本不溶的芯材料。
关于作为芯材料18的电化学活性金属(包括Mg、Al、Mn或者Zn)，这些金属可以作为纯金属或者彼此任意的组合来使用，包括这些材料的各种合金组合，包括这些材料的二元、三元或者四元合金。这些组合还可以包括这些材料的复合材料。此外，除了彼此的组合之外，Mg、Al、Mn或者Zn芯材料18也可以包括其他成分(包括各种合金添加剂)，例如通过改进芯材料18的强度、降低密度或者改变溶解特性来改变颗粒芯14的一种或多种性能。
在电化学活性金属中，特别有用的是Mg，无论是作为纯金属还是作为合金或者复合材料，这归因于它低的密度和形成高强度合金的能力，以及它高的电化学活性度，因为它的标准氧化电位高于Al、Mn或者Zn。Mg合金包括全部的具有Mg作为合金成分的合金。特别有用的是这样的Mg合金，其与作为合金成分的其他的电化学活性金属例如此处所述的金属相组合，包括二元的Mg-Zn、Mg-Al和Mg-Mn合金，以及三元的Mg-Zn-Y和Mg-Al-X合金，这里X包括Zn、Mn、Si、Ca或者Y或者它们的组合。这些Mg-Al-X合金可以包括(重量)至多大约85%的Mg、至多大约15%的Al和至多大约5%的X。颗粒芯14和芯材料18，特别是电化学活性金属(包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合)，也可以包括稀土元素或者稀土元素的组合。作为此处使用的，稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd或者Er或者稀土元素的组合。在存在时，稀土元素或者稀土元素的组合可以以任何合适的重量量存在，包括大约5%或者更低的量。
颗粒芯14和芯材料18具有熔融温度(TP)。作为此处使用的，TP1包括在芯材料18中发生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融时的最低温度，而不管芯材料18是否包含纯金属、具有不同熔融温度的多相合金或者具有不同熔融温度的材料的复合材料。
颗粒芯14可以具有任何合适的粒度或者粒度范围或者粒度分布。例如，可以选择颗粒芯14来提供用在平均值或者中值左右的正态或者高斯类型的单峰分布所表示的平均粒度，其通常如图1所示。在另一例子中，颗粒芯14可以选择或者混合来提供多峰分布的粒度，包括多个平均颗粒芯尺寸，例如诸如均匀的双峰分布的平均粒度，其如图6通常所示意和示例。颗粒芯尺寸分布的选择可以用于确定例如第一粉末10的颗粒12的粒度和颗粒间间隙15。在一种示例性实施方案中，颗粒芯14可以具有单峰分布，并且平均粒径是大约5μm-大约300μm，更具体的大约80μm-大约120μm，和甚至更具体的大约100μm。
颗粒芯14可以具有任何合适的颗粒形状，包括任何规则的或者不规则的几何形状或者它们的组合。在一种示例性实施方案中，颗粒芯14是基本类球体的电化学活性金属颗粒。在另一示例性实施方案中，颗粒芯14可以包括基本上为不规则形状的陶瓷颗粒。在再另一示例性实施方案中，颗粒芯14可以包括碳纳米管、平坦的石墨烯或者球形纳米金刚石结构，或者中空玻璃微球体，或者它们的组合。
第一粉末10的每个金属涂覆的粉末颗粒12还包括位于颗粒芯14上的金属涂层16。金属涂层16包括金属涂覆材料20。金属涂覆材料20为粉末颗粒12和第一粉末10赋予它的金属性。金属涂层16是纳米尺寸涂层。在一种示例性实施方案中，金属涂层16的厚度可以是大约25nm-大约2500nm。金属涂层16的厚度可以在颗粒芯14的表面上变化，但是优选在颗粒芯14表面上具有基本均匀的厚度。金属涂层16可以包括如图2所示的单层，或者作为多层涂层结构的多层，如图3-5所示的至多4层。在单层涂层中，或者在多层涂层的每个层中，金属涂层16可以包括单成分化学元素或者化合物，或者可以包括多个化学元素或者化合物。在包括多个化学成分或者化合物的层的情况中，它们可以具有全部方式的均匀或者非均匀分布，包括冶金相的均匀或者非均匀分布。这可以包括梯度分布，在这里相关量的化学成分或者化合物根据各自的成分曲线沿着层厚度而变化。在单层和多层金属涂层16中，各自的层或者它们的组合中的每个可以用于为粉末颗粒12或者由其所形成的烧结的粉末复合材料提供预定的性能。例如，该预定的性能可以包括颗粒芯14和涂覆材料20之间的冶金结合的结合强度；颗粒芯14和金属涂层16之间的相互扩散特性，包括多层涂层16的层之间的任何相互扩散；多层涂层16的各层之间的相互扩散特性；一个粉末颗粒和相邻粉末颗粒12的金属涂层16之间的相互扩散特性；相邻的烧结的粉末颗粒12的金属涂层(包括多层涂层的最外层)之间的冶金结合的结合强度；和涂层16的电化学活性。
金属涂层16和涂覆材料20具有熔融温度(TC1)。作为此处使用的，TC1包括在涂覆材料20内发生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融时的最低温度，而不管涂覆材料20是否包含纯金属、具有多相(每个具有不同的熔融温度)的合金或者复合材料，包括包含多个具有不同的熔融温度的涂覆材料层的复合材料。
金属涂覆材料20可以包括任何合适的金属涂覆材料20，其具有能烧结的外表面21，该外表面配置为烧结到相邻的也具有金属涂层16和能烧结的外表面21的粉末颗粒12上。在此处所述的粉末混合物(其包括第一粉末10和第二粉末30，该第二粉末也包括第二或者另外的(涂覆的或者未涂覆的)颗粒32)中，金属涂层16的能烧结的外表面21也配置为烧结到第二颗粒32的能烧结的外表面21上。在一种示例性实施方案中，该第一粉末颗粒12和第二粉末颗粒32是在预定的烧结温度(TS)能烧结的，该温度是第一和第二芯材料18、38和第一和第二涂覆材料20、40的函数，以使得粉末复合材料200的烧结是完全在固态完成的，并且这里TS小于TP1、TP2、TC1和TC2。在固态的烧结限制了颗粒芯金属涂层与固态扩散过程和冶金传输现象的相互作用，并且限制了它们之间所形成的界面的生长和提供了对其的控制。相反，例如，液相烧结的引入将提供颗粒芯和金属涂层材料的快速相互扩散和使得它难以限制它们之间所形成的界面的生长和提供对其的控制，和因此干扰此处所述的颗粒复合材料200令人期望的微观结构的形成。
在一种示例性实施方案中，芯材料18将选择来提供芯化学组成，涂覆材料20将选择来提供涂层化学组成，并且这些化学组成也将选择为彼此不同。在另一种示例性实施方案中，芯材料18将选择来提供芯化学组成和涂覆材料20将选择来提供涂层化学组成，并且这些化学组成也将选择为在它们的界面处彼此不同。涂覆材料20和芯材料18的化学组成差异可以选择来为它们混入其中的粉末复合材料200提供不同的溶解速率和可选择的和可控的溶解，这使得它们的溶解性是可选择和可控的。这包括溶解速率，其是根据井筒中变化的条件而变化的，包括井筒流体中间接或者直接的变化。在一种示例性实施方案中，粉末复合材料200是由具有芯材料18和涂覆材料20的化学组成的第一粉末10形成的，这使得复合材料200能够根据变化的井筒条件而选择性溶解在井筒流体中，所述的变化的井筒条件包括井筒流体温度的变化、压力的变化、流速的变化、pH的变化或者化学组成的变化或者它们的组合。对于改变的条件的可选择的溶解响应可以是由促进了不同的溶解速率的实际的化学反应或者方法形成的，但是也涵盖溶解响应中的变化，该变化是与物理反应或者方法有关的，例如井筒流体压力或者流速的变化。
在第一粉末10的一种示例性实施方案中，颗粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合作为芯材料18，和更具体的可以包括纯Mg和Mg合金，并且金属涂层16包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物，或者任何前述材料的组合，作为涂覆材料20。
在第一粉末10的另外一种示例性实施方案中，颗粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合作为芯材料18，和更具体的可以包括纯Mg和Mg合金，并且金属涂层16包括单层的Al或者Ni或者它们的组合作为涂覆材料20，如图2所示。这里金属涂层16包括两种或者更多种成分例如Al和Ni的组合，该组合可以包括这些材料不同等级的或者共沉积的结构，这里每个成分的量，和因此所述层的组成，是沿着层厚度变化的，同样如图2所示。
在再另一种示例性实施方案中，颗粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合作为芯材料18，和更具体的可以包括纯Mg和Mg合金，并且涂层16包括两个层作为芯材料20，如图3所示。第一层22位于颗粒芯14表面上，并且包括Al或者Ni或者它们的组合，如此处所述。第二层24位于第一层的表面上，并且包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它们的组合，并且该第一层的化学组成不同于第二层的化学组成。通常，第一层22将选择来提供与颗粒芯14强的冶金结合和来限制颗粒芯14与涂层16、特别是与第一层22之间的相互扩散。第二层24可以选择来提高金属涂层16的强度，或者来提供强的冶金结合和促进与相邻的粉末颗粒12的第二层24的烧结，或者二者。在一种示例性实施方案中，金属涂层16各自的层可以选择来促进涂层16对于此处所述的井筒(包括井筒流体)性能变化响应的选择性和可控的溶解。但是，这仅仅是示例性的，并且应当理解还可以使用用于不同层的其他选择标准。例如，任何的各自层可以选择来促进涂层16对于此处所述的井筒(包括井筒流体)性能变化响应的选择性和可控的溶解。用于含Mg的颗粒芯14上的示例性实施方案的两层金属涂层16包括第一/第二层组合，该组合包含Al/Ni和Al/W。
在再另一种实施方案，颗粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合作为芯材料18，和更具体的可以包括纯Mg和Mg合金，并且涂层16包括三层，如图4所示。第一层22位于颗粒芯14上，并且可以包括Al或者Ni或者它们的组合。第二层24位于第一层22上，并且可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni，或者其氧化物、氮化物或者碳化物，或者任何前述第二层材料的组合。第三层26位于第二层24上，并且可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或者它们的组合。在三层构造中，相邻层的组成是不同的，这样第一层的化学组成不同于第二层，第二层的化学组成不同于第三层。在一种示例性实施方案中，第一层22可以选择来提供与颗粒芯14强的冶金结合和限制颗粒芯14与涂层16、特别是与第一层22之间的相互扩散。第二层24可以选择来提高金属涂层16的强度，或者限制颗粒芯14或者第一层22与外层或者第三层26之间的相互扩散，或者促进第三层26和第一层22之间的附着性和强的冶金结合，或者它们任意的组合。第三层26可以选择来提供强的冶金结合和促进与相邻的粉末颗粒12的第三层26的烧结。但是，这仅仅是示例性的，并且将理解还可以使用用于不同层的其他选择标准。例如，任何的各自的层可以选择来促进涂层16对于此处所述的井筒(包括井筒流体)性能变化响应的可选择性和可控的溶解。用于含Mg的颗粒芯上的一种示例性实施方案的三层涂层包括第一/第二/第三层的组合，该组合包含Al/Al2O3/Al。
在再另一实施方案中，颗粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合作为芯材料18，和更具体的可以包括纯Mg和Mg合金，并且涂层16包括四层，如图5所示。在该四层构造中，第一层22可以包括Al或者Ni或者它们的组合，如此处所述。第二层24可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物、碳化物，或者前述第二层材料的组合。第三层26还可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物，或者任何前述第三层材料的组合。第四层28可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或者它们的组合。在该四层构造中，相邻层的化学组成是不同的，这样第一层22的化学组成不同于第二层24的化学组成，第二层24的化学组成不同于第三层26的化学组成，和第三层26的化学组成不同于第四层28的化学组成。在一种示例性实施方案中，各层的选择将类似于上面的三层构造中关于内层(第一层)和外层(第四层)所述那样，并且第二和第三层可用于提供增强的层间附着性、整个金属涂层16的强度、受限制的层间扩散或者可选择的和可控的溶解或者它们的组合。但是，这仅仅是示例性的，并且将理解还可以使用用于各层的其他选择标准。例如，任何的各自的层可以选择来促进涂层16对于此处所述的井筒(包括井筒流体)性能变化响应的可选择性和可控的溶解。
在多层构造中不同层的厚度可以以任何方式在该不同的层之间分配，只要层厚度的总和提供了包括此处所述的层厚的纳米尺寸的涂层16就行。在一种实施方案中，第一层22和外层(24、26或者28，这取决于层数)可以厚于所存在的其他层，这归因于在粉末复合材料200烧结过程中，期望提供足够的材料来促进第一层22与颗粒芯14期望的结合，或者相邻的粉末颗粒12外层的结合。
第一粉末10还包括散布在多个第一粉末颗粒12中的另外的或者第二粉末30，如图7所示。在一种示例性实施方案中，第二粉末30包括多个第二粉末颗粒32。第二粉末颗粒32包含第二颗粒芯34，该芯包括第二颗粒芯材料38。第二颗粒芯材料38可以包括各种碳纳米材料，包括各种碳纳米颗粒，更具体来说是碳的纳米尺寸微粒同素异形体。这可以包括碳的任何合适的同素异形体形式，包括任何实心微粒同素异形体，和特别是包括任何包含石墨烯、富勒烯或者纳米金刚石颗粒结构的纳米颗粒。合适的富勒烯可以包括巴奇球(buckeyball)、巴奇球蔟(buckeyballculsters)、巴奇纸(buckeypaper)或者纳米管，包括单壁纳米管和多壁纳米管。富勒烯还包括任何上面的三维聚合物。合适的富勒烯还可以包括茂金属富勒烯，或者包含各种金属或者金属离子的这些。巴奇球可以包括任何合适的球尺寸或者直径，包括具有任何碳原子数的基本上类球体构造，包括C60、C70、C76、C84等。单壁和多壁纳米管二者是基本上圆柱形的，可以具有任何预定的管长度或者管直径，或者它们的组合。多壁纳米管可以具有任何预定数目的壁。石墨烯纳米颗粒可以是任何合适的预定平面尺寸，包括任何预定的管长度或者预定的外径，因此可以包括任何预定数目的碳原子。纳米金刚石可以包括任何合适的类球体构造，其具有任何预定的球体直径，包括多个不同的预定直径。
第二颗粒芯34和第二芯材料38具有熔融温度(TP2)。作为此处使用的，TP2包括在第二芯材料38内发生开始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融时的最低温度。
第二颗粒芯34可以具有任何合适的粒度或者粒度范围或者粒度分布。例如，该第二颗粒芯34可以选择来提供在平均值或者中值左右的正态或者高斯类型单峰分布所代表的平均粒度，其类似于图1中第一颗粒芯14的通常所示。在另一例子中，第二颗粒芯34可以选择或者混合来提供多峰分布的粒度，包括多个平均颗粒芯尺寸，例如诸如均匀的双峰分布的平均粒度，类似于图6中第一颗粒芯14通常所显示和所示意的那样。
由于这样的事实，即，第一和第二粉末颗粒12、32二者可以具有单峰或者多峰粒度分布，粉末混合物5可以具有单峰或者多峰分布的粒度。此外，第一和第二粉末颗粒的混合物可以是均匀的或者非均匀的。
这些第二粉末颗粒32可以选择为改变由第一粉末10和第二粉末30所形成的粉末颗粒复合材料200的物理、化学、机械或者其他性能，或者这样的性能的组合。在一种示例性实施方案中，该性能变化可以包括提高由第一粉末10和第二粉末30所形成的粉末复合材料200的压缩强度。在另一示例性实施方案中，第二粉末30可以选择来促进由第一粉末10和第二粉末30所形成的颗粒复合材料200响应此处所述的井筒(包括井筒流体)的性能变化的可选择性和可控的溶解。第二粉末颗粒32包括未涂覆的第二颗粒芯34或者可以包括涂覆有金属涂层36的第二颗粒芯34。当涂覆时(包括单层或者多层涂层)，第二粉末颗粒32的涂层36可以包含与粉末颗粒12的涂覆材料20相同的涂覆材料40，或者涂覆材料40可以是不同的。在示例性的实施方案中，此处所述的任意的示例性单层和多层金属涂层16组合也可以位于第二颗粒芯34上作为第二金属涂层36。第二粉末颗粒32(未涂覆的)或者颗粒芯34可以包括任何合适的碳纳米颗粒来提供期望的益处。在一种示例性的实施方案中，当使用具有第一颗粒芯14(其包含Mg、Al、Mn或者Zn或者它们的组合)的涂覆的粉末颗粒12时，具有第二颗粒芯34的合适的第二粉末颗粒32可以包括此处所述的示例性的碳纳米颗粒。因为第二粉末颗粒32也将配置来用于在预定的烧结温度(TS)固态烧结到粉末颗粒12上，颗粒芯34将具有熔融温度TP2和任何涂层36将具有第二熔融温度TC2，这里TS也小于TP2和TC2。还将理解第二粉末30不限于一种另外的粉末颗粒32类型(即，第二粉末颗粒)，而是可以包括任意数目的多个第二粉末颗粒32(即，第二、第三、第四等类型的第二粉末颗粒32)。
未涂覆的第二颗粒32还可以包括官能化的碳纳米颗粒，该纳米颗粒不包括金属涂层，而是使用化学官能度的任何合适的化学或者物理结合，从而用任何期望的化学官能度来官能化的。官能化的碳纳米颗粒可以用于帮助将碳纳米颗粒结合到纳米基质材料220中。
参见图8，公开了一种制造第一粉末10或者第二粉末30的示例性实施方案的方法300。方法300包括形成310此处所述的多个第一或者第二颗粒芯14、34。方法300还包括将第一或者第二金属涂层16、36沉积320到多个各自的第一或者第二颗粒芯14、34的每个上。沉积320是这样的方法，通过其将第一或者第二涂层16、36布置到此处所说的各自的第一或者第二颗粒芯14、34的每个上。
第一或者第二颗粒芯14、34的形成310可以通过用于形成期望的第一或者第二芯材料18、38的多个第一或者第二颗粒芯14、34的任何合适的方法来进行，其基本上包含形成第一或者第二芯材料18、38的粉末的方法。第一颗粒芯14的合适的金属粉末形成方法可以包括机械方法；其包括机加工、研磨、冲击和其他用于形成金属粉末的机械方法；化学方法，其包括化学分解、从液体或者气体中沉淀、固-固反应性合成、化学气相沉积和其他化学粉末形成方法；雾化方法，包括气体雾化法、液体和水雾化法、离心雾化法、等离子体雾化法和其他用于形成粉末的雾化方法；和不同的蒸发和冷凝方法。在一种示例性的实施方案中，包含Mg的第一颗粒芯14可以使用雾化方法来制作，例如真空喷雾成形或者惰性气体喷雾成形。在另一示例性实施方案中，包含碳纳米管的第二颗粒芯34可以使用电弧放电、激光消融、高压一氧化碳或者化学气相沉积来形成。
第一或者第二金属涂层16、36在多个各自的第一或者第二颗粒芯14、34上的沉积320可以使用任何合适的沉积方法来进行，包括不同的薄膜沉积方法，例如诸如化学气相沉积和物理气相沉积方法。在一种示例性的实施方案中，第一或者第二金属涂层16、36的沉积320可以使用流化床化学气相沉积(FBCVD)来进行。第一或者第二金属涂层16、36通过FBCVD的沉积320包括在合适的条件(包括温度、压力和流速条件等)下，将作为涂覆介质的反应性流体(其包括期望的第一或者第二金属涂覆材料20、40)流过在反应器容器中流化的各自的第一或者第二颗粒芯14、34的床，所述的条件足以引起涂覆介质的化学反应，来产生期望的第一或者第二金属涂覆材料20、40和诱导它在第一或者第二颗粒芯14、34表面上沉积来形成第一或者第二涂覆的粉末颗粒12、32。所选择的反应性流体将取决于所期望的金属涂覆材料20，并且将典型的包含有机金属化合物，该化合物包括待沉积的金属材料例如四羰基镍(Ni(CO)4)、六氟化钨(WF6)和三乙基铝(C6H15Al)，其是在载流体例如氦气或者氩气中传输的。该反应性流体(包括载流体)导致至少一部分的多个第一或者第二颗粒芯14、34悬浮到流体中，由此使得各自的第一或者第二悬浮的颗粒芯14、34的整个表面能够曝露于该反应性流体，包括例如期望的有机金属成分，和使得第一或者第二金属涂覆材料20、40和第一或者第二涂层16、36能够沉积到第一或者第二颗粒芯14、34的整个表面上，以使得它们每个变得紧密，形成此处所述的具有第一或者第二金属涂层16、36的第一或者第二涂覆的颗粒12、32。同样如此处所述的，每个第一或者第二金属涂层16、36可以包括多个涂层。第一或者第二涂覆材料20、40可以如下沉积在多层中来形成多层的第一或者第二金属涂层16、36：通过重复上述的沉积320步骤，并且改变330该反应性流体来提供用于每个随后的层的期望的第一或者第二金属涂覆材料20、40，这里每个随后的层沉积在各自的第一或者第二颗粒芯14、34的外表面上，其已经包括了构成第一或者第二金属涂层16、36的任何事先沉积的层。各自层(例如22、24、26、28等)的第一或者第二金属涂覆材料20、40可以彼此不同，并且可以通过使用不同的反应性介质来提供差异，所述的反应性介质被配置来在流化床反应器中在第一或者第二颗粒芯14、34上产生期望的第一或者第二金属涂层16、36。
如图1所示，在一种示例性的实施方案中，第一和第二颗粒芯14、34和第一和第二芯材料18、38和第一和第二金属涂层16、36和第一和第二涂覆材料20、40可以选择来提供第一和第二粉末颗粒12、32和第一和第二粉末10、30，其可以组合成此处所述的混合物和配置来用于压实和烧结，来提供粉末复合材料200，该复合材料是轻重量(即，具有相对低的密度)、高强度的，并且通过响应井筒性能的变化而能够可选择的和可控的从井筒中除去，包括可选择的和可控的溶解在适当的井筒流体中，包括此处所述公开的各种井筒流体。粉末复合材料200包括纳米基质材料220的基本上连续的、泡孔式纳米基质216，其具有分散在整个泡孔式纳米基质216中的多个分散的第一颗粒214和分散的第二颗粒234。该基本连续的泡孔式纳米基质216和由烧结的第一和第二金属涂层16、36所形成的纳米基质材料220是通过压实和烧结多个第一和第二粉末颗粒12、32的多个第一和第二金属涂层16、36来形成的。纳米基质材料220的化学组成可以不同于第一或者第二涂覆材料20、40，这归因于与此处所述的烧结有关的扩散效应。粉末金属复合材料200还包括多个第一和第二分散的颗粒214、234，其包含第一和第二颗粒芯材料218、238。当第一和第二金属涂层16、36烧结在一起来形成纳米基质216时，第一和第二分散的颗粒芯214、234和第一和第二芯材料218、238对应于并且是由多个第一和第二粉末颗粒12、32的多个第一和第二颗粒芯14、34和第一和第二芯材料18、38形成的。第一和第二芯材料218、238的化学组成可以不同于第一和第二芯材料18、38，这归因于与此处所述的烧结有关的扩散效应。
作为此处使用的，使用术语基本上连续的泡孔式纳米基质216不表示该粉末复合材料的主要成分，而是指的是少数成分，无论是重量还是体积单位都是如此。这有别于大部分的基质复合材料(这里该基质包含重量或者体积单位的主要成分)。使用术语基本上连续的泡孔式纳米基质目的是描述纳米基质材料220在粉末复合材料200中广泛的、规则的、连续的和互连性质的分布。作为此处使用的，“基本上连续的”描述了纳米基质材料在整个粉末复合材料200中的延伸，以使得它在基本上全部的第一和第二分散的颗粒214、234之间和包封着其来延伸。“基本上连续的”被用于表示纳米基质在第一和第二分散的颗粒214、234的每个周围上完全连续和规则次序不是需要的。例如，在第一或者第二粉末颗粒12、32的一些上的第一或者第二颗粒芯14、34上的第一或者第二涂层16、36中的缺陷会引起该第一或者第二颗粒芯14、34在粉末复合材料200烧结过程中的某些桥连，由此在泡孔式纳米基质216中引起局部的不连续性，即使在该粉末复合材料的其他部分中，该纳米基质是基本上连续的和表现出此处所述的结构时也是如此。作为此处使用的，使用“泡孔式”来表示该纳米基质限定出了纳米基质材料220通常重复性的、互连的隔室或者泡孔网络，所述基质材料包含以及互连了第一和第二分散的颗粒214、234。作为此处使用的，“纳米基质”被用于描述基质的尺寸或者大小，特别是相邻的第一或者第二分散的颗粒214、234之间的基质的厚度。金属涂层(其烧结在一起来形成纳米基质)它们本身是纳米尺寸厚度的涂层。因为在大部分位置上(而非大于两种的第一或者第二分散的颗粒214、234的交集区域)的纳米基质通常包含来自具有纳米尺寸厚度的相邻的第一或者第二粉末颗粒12、32的两个第一或者第二涂层16、36的相互扩散和结合，所形成的基质也具有纳米尺寸厚度(例如，是此处所述的涂层厚度的大约2倍)和是因此被称作纳米基质。此外，使用术语第一或者第二分散的颗粒214、234不意味着粉末复合材料200的较小成分，而是指的是主要成分，无论是重量还是体积单位的都是如此。使用术语分散的颗粒目的是覆盖不连续的或者离散的分布在粉末复合材料200中的第一或者第二颗粒芯材料218、238。
粉末复合材料200可以具有任何期望的形状或者尺寸，包括圆柱形块或者棒，其可以机加工或者用于形成有用的制品，包括不同的井筒工具和部件。使用压缩来形成前体粉末复合材料100，并且使用烧结和压缩方法来形成粉末复合材料200和变形该第一和第二粉末颗粒12、32，包括第一和第二颗粒芯14、34和第一和第二涂层16、36，来提供粉末复合材料200的全密度和期望的宏观形状和尺寸以及它的微观结构。粉末复合材料200的微观结构包括第一和第二分散的颗粒214、234的各方等大的构造，所述的第一和第二分散的颗粒214、234分散在烧结的涂层的基本连续的泡孔式纳米基质216的整个中和嵌入其中。这个微观结构有一些类似于具有连续的晶界相的等轴晶微观结构，除了它不需要使用能够产生这样的结构的、具有热力学相均衡性能的合金成分。而是，烧结的第一或者第二金属涂层16、36的这种各方等大的分散的颗粒结构和泡孔式纳米基质216可以使用成分来产生，这里热力学相均衡条件将不产生各方等大的结构。该颗粒层的第一和第二分散的颗粒214、234和泡孔式纳米基质216的各方等大形态是由该第一和第二粉末颗粒12、32在它们压实和相互扩散和变形来填充颗粒间空间15时的烧结和变形来形成的(图1)。烧结温度和压力可以选择来确保粉末复合材料200的密度实现基本上全部的理论密度。
在图1所示的一种示例性的实施方案中，分散的第一和第二颗粒214、234是由分散在烧结的第一和第二金属涂层16、36的泡孔式纳米基质216中的第一和第二颗粒芯14、34形成的，并且该纳米基质216包括固态冶金结合217或者结合层219，如图9所示，其在第一或者第二分散的颗粒214、234之间延伸在整个的泡孔式纳米基质216中，其是在烧结温度(TS)形成的，这里TS小于TC1、TC2和TP2。如所示的，固态冶金结合217是通过相邻的第一或者第二粉末颗粒12、32的第一或者第二涂层16、36之间的固态相互扩散而以固态形式形成的，该相邻的第一或者第二粉末颗粒12、32是在用于形成此处所述的粉末复合材料200的压实和烧结方法过程中被压成接触点。同样的，泡孔式纳米基质216的烧结的涂层16包括固态结合层219，该结合层的厚度(t)是由第一或者第二涂层16、36的第一或者第二涂覆材料20、40的相互扩散程度来限定的，其将依次通过涂层16的性质来限定，包括它们是单层涂层还是多层涂层，它们被选择来促进还是限制这样的相互扩散，以及此处所述的其他因素，以及用于形成粉末复合材料200的烧结和压实条件，包括烧结时间、温度和压力。
当纳米基质216(包括结合217和结合层219)形成时，第一或者第二金属涂层16、36的化学组成或者相分布或者二者会发生改变。纳米基质216也具有熔融温度(TM)。作为此处使用的，TM包括在纳米基质216中将发生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融时的最低温度，而不管纳米基质材料220是否包含纯金属、具有多相(每个具有不同的熔融温度)的合金或者复合材料(包括包含具有不同的熔融温度不同涂覆材料的多个层的复合材料)或者它们的组合，或者其他的。当分散的第一和第二颗粒214、234和第一和第二颗粒芯材料218、238与纳米基质216一起形成时，金属涂层16的成分向颗粒芯14中的扩散也是可能的，这会导致第一或者第二颗粒芯14、34的化学组成或者相分布的变化，或者二者都变化。结果，分散的第一和第二颗粒214、234和第一和第二颗粒芯材料218、238会具有各自的熔融温度(TDP1、TDP2)，其不同于TP1、TP2。作为此处使用的，TDP1、TDP2包括在分散的第一和第二颗粒214、234中发生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融时的最低温度，而不管第一或者第二颗粒芯材料218、238是否包含纯金属、具有多相(每个具有不同的熔融温度)的合金或者复合材料，或者其他的。粉末复合材料200是在烧结温度(TS)形成的，这里TS小于TC1、TC1、TP1、TP2、TM、TDP1和TDP2。
分散的第一和第二颗粒214、234可以包含这里所述的用于第一和第二颗粒芯14、34的任何材料，即使分散的第一和第二颗粒214、234的化学组成会因为这里所述的扩散效应而不同时也是如此。在一种示例性的实施方案，第一分散的颗粒214是由包含标准氧化电位大于或者等于Zn的材料(包括Mg、A l、Zn或者Mn或者它们的组合)的第一颗粒芯14形成的，其可以包括不同的二元、三元和四元合金或者在此与第一颗粒芯14一起公开的这些成分的其他组合。在这些材料中，特别有用的是那些，其具有含Mg的第一分散的颗粒214和由此处所述的金属涂层16形成的纳米基质216。Mg、A l、Zn或者Mn或者它们的组合的分散的第一颗粒214和第一颗粒芯材料218还可以包括稀土元素或者所公开的稀土元素与颗粒芯14一起的组合。在这种示例性的实施方案，分散的第二颗粒234是由包含碳纳米颗粒的第二颗粒芯34形成的，其包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇纸、单壁纳米管和多壁纳米管。
在另一示例性的实施方案中，分散的颗粒214是由这样的颗粒芯14形成的，该颗粒芯包含电化学活性小于Zn的金属或者非金属材料。合适的非金属材料包括陶瓷、玻璃(例如空心玻璃微球)或者碳或者它们的组合，如此处所述。在这种示例性的实施方案，分散的第二颗粒234是由这样的第二颗粒芯34形成的，该颗粒芯包含碳纳米颗粒，包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇纸、单壁纳米管和多壁纳米管。
粉末复合材料200的第一和第二分散的颗粒214、234可以具有任何合适的粒度，包括此处所述的第一和第二颗粒芯14、34的平均粒度。
第一和第二分散的颗粒214、234的分散体的性质会受到用于制造颗粒复合材料200的第一和第二粉末10、30或者粉末10、30的影响。第一和第二分散的颗粒214、234可以具有任何合适的形状，这取决于所选择的第一和第二颗粒芯14、34和第一和第二粉末颗粒12、32的形状，以及用于烧结和复合材料第一粉末10的方法。在一种示例性的实施方案中，第一和第二粉末颗粒12、32可以是类球体或者大体上类球体的，并且第一和第二分散的颗粒214、234可以包括此处所述的各方等大的颗粒构造。在其他示例性的实施方案，第一粉末颗粒12可以是类球体或者基本上类球体，并且第二粉末颗粒32可以平坦的(如其中它们包含石墨烯的情况)或者是管状的(如其中它们包含纳米管的情况)或者类球体的(如其中它们包含巴奇球、巴奇球蔟或者纳米金刚石的情况)或者其他非球形的形式。在这些实施方案中，会产生非各方等大的颗粒结构或者微结构，这里该第二分散的颗粒234在相邻的第一颗粒214之间延伸，或者包卷或者包裹在第一颗粒214的周围。使用基本球形的第一粉末颗粒12和非球形的粉末颗粒234的组合能够产生许多非各方等大的微结构。
在另一示例性实施方案中，该第二粉末颗粒232可以是未涂覆的，这样分散的第二颗粒234嵌入到纳米基质216中。作为本文公开的，第一粉末10和第二粉末30可以混合来形成分散的第一颗粒214和分散的第二颗粒234均匀的分散体(如图10所示)或者来形成这些颗粒非均匀的分散体(如图11所示)。
纳米基质216是彼此烧结在一起的第一和第二金属涂层16、36的基本连续的泡孔式网络。纳米基质216的厚度将取决于第一粉末10和第二粉末30的性质，特别是与这些粉末颗粒有关的涂层厚度。在一种示例性的实施方案中，纳米基质216的厚度在粉末复合材料200的整个微观结构中是基本均匀的，并且包含第一和第二粉末颗粒12、32的第一和第二涂层16、36的厚度的两倍。在另一示例性的实施方案中，该泡孔式纳米基质216在分散的颗粒214之间具有大约50nm-大约5000nm的基本均匀的平均厚度。
纳米基质216是如下来形成的：通过此处所述的结合层219的相互扩散和产生，将相邻颗粒的金属涂层16彼此烧结在一起。金属涂层16可以是单层或者多层结构，和它们可以选择来促进或者抑制金属涂层16的层内或者层间，或者金属涂层16和颗粒芯14之间，或者相邻的粉末颗粒的金属涂层16和金属涂层16之间的扩散，或者二者，金属涂层16在烧结过程中的相互扩散的程度可以是有限的或者扩大的，这取决于涂层厚度、所选择的涂覆材料或者材料、烧结条件和其他因素。给定的成分的相互扩散和相互作用的潜在的复杂性，纳米基质216和纳米基质材料220所形成的化学组成的描述可以简单理解为是第一或者第二涂层16、36的成分的组合，其还可以包括第一或者第二分散的颗粒214、234的一种或多种成分，这取决于分散的颗粒214和纳米基质216之间所出现的任何相互扩散的程度。类似的，第一和第二分散的颗粒214、234和第一和第二颗粒芯材料218、238的化学组成可以简单的理解为是各自的第一和第二颗粒芯14、34的成分的组合，其也可以包括纳米基质216和纳米基质材料220的一种或者多种成分，这取决于在第一和第二分散的颗粒214、234和纳米基质216之间发生的任何相互扩散的程度。
在一种示例性的实施方案中，纳米基质材料220的化学组成和第一和第二颗粒芯材料218、238的化学组成不同于纳米基质材料220的化学组成，并且第一和第二颗粒12、32的化学组成的差异和相对量、尺寸、形状和分布可以配置来提供可选择的和可控的溶解速率，包括从非常低的溶解速率向非常快的溶解速率的可选择的转换，所述的溶解速率是响应了邻近复合材料200的井筒的性能或者条件的受控的变化而发生的，包括与此处所述的粉末复合材料200接触的井筒流体性能的变化。它们还可以选择来为粉末复合材料200提供可选择的密度或者机械性能例如拉伸强度。纳米基质216可以是由具有单层和多层的第一和第二涂层16、36的第一和第二粉末颗粒12、32形成。这种设计的灵活性提供了很多数目的材料组合，特别是在多层第一和第二涂层16、36的情况中更是如此，该多层第一和第二涂层16、36能够用于如下来调节泡孔式纳米基质216和纳米基质材料220的组成：通过控制给定的层内以及第一或者第二涂层16、36与它们相连的第一或者第二颗粒芯14、34或者相邻的粉末颗粒的涂层之间二者的涂层成分的相互作为。下面提供证实了这种灵活性的几个示例性的实施方案。
如图9所示，在一种示例性的实施方案中，粉末复合材料200是由第一和第二粉末颗粒12、32形成的，这里涂层16包含单个层，并且在多个分散的颗粒214相邻的两个颗粒之间所形成的纳米基质216包含了第一或者第二粉末颗粒12、32之一的单金属第一或者第二涂层16、36，相邻的第一或者第二粉末颗粒12、32彼此的结合层219和单个的第一或者第二涂层16、36。结合层219的厚度(t)取决于单金属第一或者第二涂层16、36之间相互扩散的程度，并且可以包含纳米基质216的整个厚度或者仅仅其的一部分。在使用具有单金属第一和第二涂层16、36的第一和第二粉末10，30所形成的粉末复合材料200的一种示例性的实施方案中，粉末复合材料200可以包括分散的第一颗粒214(包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合)，第二颗粒234可以包括碳纳米颗粒和纳米基质216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、碳化物或者氮化物，或者任何前述材料的组合，包括这样的组合，其中泡孔式纳米基质216的纳米基质材料220(包括结合层219)具有化学组成，并且分散的第一和第二颗粒214、234的第一和第二芯材料218、238的化学组成不同于纳米基质材料216的化学组成。并且纳米基质材料220和第一和第二芯材料218、238的化学组成的差异可以用于提供响应此处所述井筒性能(包括井筒流体性能)变化的可选择的和可控的溶解。它们还可以选择来提供粉末复合材料200可选择的密度或者机械性能例如拉伸强度。在由具有单涂层构造的第一和第二粉末10、30所形成的粉末复合材料200的另一示例性实施方案中，分散的第一颗粒214包括Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合，分散的第二颗粒234包括碳纳米颗粒，和泡孔式纳米基质216包括Al或者Ni或者它们的组合。
如图12所示，在另一示例性实施方案中，粉末复合材料200是由第一和第二粉末颗粒12、32形成的，这里该第一和第二涂层16、36包含具有多个涂层的多层涂层，并且在多个第一和第二分散的颗粒214、234的相邻颗粒之间所形成的纳米基质216包含了多个层(t)，该多个层包含第一或者第二颗粒12、32之一的第一或者第二涂层16、36，结合层219，并且该多个层包含第一或者第二粉末颗粒12、32彼此的第一或者第二涂层16、36。在图12中，这是用两层金属第一和第二涂层16、36来表示的，但是将理解多层金属第一和第二涂层16、36的多个层可以包括任何期望的层数目。结合层219的厚度(t)同样取决于各自的第一和第二涂层16、36的多个层之间的相互扩散的程度，并且可以包含纳米基质216的整个厚度或者仅仅其的一部分。在这种实施方案中，包含第一和第二涂层16、36每个的多个层可以用于控制结合层219的相互扩散和形成以及厚度(t)。
在使用具有多层第一和第二涂层16、36的第一和第二粉末颗粒12、32制造的粉末复合材料200的一种示例性实施方案中，该复合材料包括此处所述的分散的第一颗粒214(其包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合)、分散的第二颗粒234(其包含碳纳米颗粒)和纳米基质216包含图3所示的烧结的双层第一和第二涂层16、36的泡孔式网络，其包含第一层22(该层位于分散的第一和第二颗粒214、234上)和第二层24(该层位于第一层22上)。第一层22包括Al或者Ni或者它们的组合，和第二层24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它们的组合。在这些构造中，对分散的颗粒214和多层第一和第二涂层16、36(用于形成纳米基质216)的材料进行选择，以使得相邻的材料(例如分散的颗粒/第一层和第一层/第二层)的化学组成是不同的。
在使用具有多层第一和第二涂层16、36的第一和第二粉末颗粒12、32制造的粉末复合材料200的另一示例性实施方案中，该复合材料包括此处所述的分散的第一颗粒214(其包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合)、分散的第二颗粒234(其包含碳纳米颗粒)，并且纳米基质216包含如图4所示的烧结的三层金属第一和第二涂层16、36的泡孔式网络，其包含第一层22(该层位于分散的第一和第二颗粒214、234上)、第二层24(该层位于第一层22上)和第三层26(该层位于第二层24上。第一层22包括Al或者Ni或者它们的组合；第二层24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物或者任何前述第二层材料的组合；和该第三层包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它们的组合。材料的选择类似于此处所述的用于使用双层涂层粉末制成的粉末复合材料200的选择考虑，但是还必须扩展到包括用于第三涂层的材料。
在使用具有多层第一和第二涂层16、36的第一和第二粉末颗粒12、32制成的粉末复合材料200再另一示例性实施方案中，该复合材料包括此处所述的分散的第一颗粒214(其包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合)、分散的第二颗粒234(其包含碳纳米颗粒)和纳米基质216包含烧结的四层第一和第二涂层16、36的泡孔式网络，其包含第一层22(其位于分散的第一和第二颗粒214；234上)、第二层24(其位于第一层22上)、第三层26(其位于第二层24上)和第四层28(其位于第三层26上)。第一层22包括Al或者Ni或者它们的组合；第二层24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物或者任何前述第二层材料的组合；第三层包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物或者任何前述第三层材料的组合；和第四层包括Al、Mn、Fe、Co或者Ni或者它们的组合。材料的选择类似于此处所述的用于使用双层涂层粉末制成的粉末复合材料200的选择考虑，但是还必须扩展到包括用于第三和第四涂层的材料。
在粉末复合材料200的另一示例性实施方案中，分散的第一颗粒214包含此处所述的标准氧化电位小于Zn的金属或者非金属材料或者它们的组合，分散的第二颗粒234包含碳纳米颗粒和纳米基质216包含烧结的金属涂层16的泡孔式网络。合适的非金属材料包括不同的陶瓷、玻璃或者碳的形式或者它们的组合。此外，在粉末复合材料200中(其包括分散的第一和第二颗粒214、234，该颗粒包含这些金属或者非金属材料)，纳米基质216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、碳化物或者氮化物或者任何前述材料的组合作为纳米基质材料220。
参见图13，烧结的粉末复合材料200可以包含烧结的前体粉末复合材料100，其包括此处所述的多个变形的、机械结合的第一和第二粉末颗粒12、32。前体粉末复合材料100可以如下来形成：将第一和第二粉末10、30复合到这样的程度，即，第一和第二粉末颗粒12、32彼此压合在一起，由此使得它们变形和形成与这种变形有关的颗粒间机械或者其他结合110，其足以导致变形的粉末颗粒12彼此粘合和形成生坯态粉末复合材料，该生坯态复合材料的生坯密度小于第一粉末10完全致密的复合材料的理论密度，这部分的归因于颗粒间空间15。可以例如通过在室温等静压压缩第一和第二粉末10、30来提供形成前体粉末复合材料100所必需的第一和第二粉末颗粒12、32的变形和颗粒间结合，来进行压实。
参见图14，公开了制造粉末复合材料200的方法400。方法400包括形成410粉末混合物5，该混合物包含第一和第二涂覆的金属粉末10、30，该金属粉末包含此处所述的第一和第二粉末颗粒12、32。方法400还包括如下来形成420粉末复合材料200：通过施加预定的温度和预定的压力到涂覆的第一和第二粉末颗粒12、32，其足以通过该第一和第二涂层16、36的固相烧结来形成纳米基质材料220和分散在此处所述的纳米基质216中的多个分散的第一和第二颗粒214、234的基本连续的泡孔式纳米基质216，来烧结它们。在粉末混合物5包括未涂覆的第二粉末颗粒32的情况中，该烧结包含仅仅烧结该第一涂层。
形成410该粉末混合物5可以通过任何合适的方法来进行。在一种示例性实施方案中，形成410包括使用此处所述的流化床化学气相沉积(FBCVD)，将此处所述的金属第一和第二涂层16、36施用到此处所述的第一和第二颗粒芯14、34上。金属涂层的施用可以包括施用此处所述的单层金属涂层或者多层金属涂层。金属涂层的施用还可以包括在单个层施用时控制它们的厚度，以及控制金属涂层的整体厚度。颗粒芯可以如此处所述来形成。
形成420该粉末复合材料200可以包括形成粉末混合物5的完全致密的复合材料的任何合适的方法。在一种示例性实施方案中，形成420包括动态锻造生坯密度的前体粉末复合材料100来施加预定的温度和预定的压力，该温度和压力足以烧结和变形粉末颗粒和形成此处所述的完全致密的纳米基质216和分散的第一和第二颗粒214、234。作为此处使用的，动态锻造表示在一定的温度和时间动态施加足以促进相邻的第一和第二粉末颗粒12、32的金属涂层烧结的负荷，并且可以优选包括以预定的负荷速率在一定的时间和温度施加动态锻造负荷，所述的时间和温度足以形成烧结的和完全致密的粉末复合材料200。在一种示例性实施方案中，动态锻造可以包括：1)将前体或者生坯态粉末复合材料100加热到预定的固相烧结温度，例如诸如足以促进相邻的第一和第二粉末颗粒12、32的金属涂层之间的相互扩散的温度；2)将该前体粉末复合材料100在烧结温度保持预定的保持时间，例如诸如足以确保前体复合材料100整个中烧结温度基本均匀的时间；3)将该前体粉末复合材料100锻造到全密度，例如诸如根据足以快速实现全密度，同时将复合材料保持在预定的烧结温度的预定的压力方案或者增加速率，施加预定的锻造压力；和4)将该粉末复合材料200冷却到室温。在形成420过程中所施加的预定压力和预定温度将包括此处所述的烧结温度TS和锻造压力PF，其将确保粉末颗粒12固态烧结和变形，来形成完全致密的粉末复合材料200，包括固态结合217和结合层219。将前体粉末复合材料100加热到和保持于预定的烧结温度预定的时间的步骤可以包括温度和时间任何合适的组合，并且将取决于例如所选择的粉末10(包括用于第一和第二颗粒芯14、34和第一和第二金属涂层16、36的材料)、前体粉末复合材料100的尺寸、所用的加热方法和其他因素，该其他因素影响在前体粉末复合材料100内实现期望的温度和温度均匀性所必需的时间。在锻造步骤中，预定的压力可以包括任何合适的压力和压力施加方案或者压力升高率，其足以实现完全致密的粉末复合材料200，并且将取决于例如所选择的第一和第二粉末颗粒12、32的材料性能，包括依赖于温度的应力/应变特性(例如应力/应变率特性)、相互扩散和冶金热力学和相均衡特性、位错动力学(disloca tion dynamics)和其他材料性能。例如动态锻造和锻造方案的最大锻造压力(即，对应于所用应变率的压力升高率)可以用于调节该粉末复合材料的机械强度和韧度。最大锻造压力和锻造升高率(即，应变率)是刚刚低于复合材料破裂压力的压力，即，在这里在复合材料中不形成裂纹的情况下，动态恢复过程不能缓解复合材料微结构中的应变能。例如，对于要求粉末复合材料具有相对更高的强度和更低的韧度的应用而言，可以使用相对更高的锻造压力和升高率。如果需要相对更高韧度的粉末复合材料，则可以使用相对较低的锻造压力和升高率。
对于此处所述的粉末混合物5和尺寸足以形成许多井筒工具和部件的前体复合材料100的某些示例性实施方案来说，可以使用大约1-大约5小时的预定的保持时间。预定的烧结温度TS将优选如此处所述来选择，以避免第一或者第二颗粒芯14、34或者第一或者第二金属涂层16、36当它们在方法400的过程中转变来提供分散的第一和第二颗粒214、234和纳米基质216时，发生熔融。对于这些实施方案而言，动态锻造可以包括施加锻造压力，例如以大约0.5-大约2ksi/s的压力升高速率通过动态压缩到最大大约80ksi。
在其中如此处所述第一颗粒芯14包括Mg和金属涂层16包括不同的单和多层涂层(例如不同的单和多层涂层包含Al)的一种示例性实施方案中，动态锻造可以通过在大约450℃-大约470℃的温度TS烧结至多大约1小时来进行，无需施加锻造压力，随后通过以大约0.5-大约2ksi/s的升高率施加等静压压力到大约30ksi-大约60ksi的最大压力PS来进行动态锻造，这会产生15s-大约120s的锻造周期。锻造周期短的持续期是一个重要的优势，这是因为它限制了相互扩散，包括第一和涂层16、36内的相互扩散、相邻的金属第一和第二涂层16、36之间的相互扩散和第一和第二涂层16、36和各自的第一和第二颗粒芯14、34之间的相互扩散(其是形成冶金结合217和结合层219所需要的)，同时还保持了期望的微观结构，例如各方等大的分散的第一和第二颗粒214、234形状，具有泡孔式纳米基质216增强相的完整性。动态锻造周期的持续期远远短于常规粉末复合材料形成方法例如热等静压(HIP)、压力辅助烧结或者扩散烧结所需的形成周期和烧结时间。
方法400还可以任选的包括如下来形成430前体粉末复合材料：通过将多个第一和第二粉末颗粒12、32充分压实来变形该颗粒和形成彼此的颗粒间结合以及在形成420粉末复合材料之前形成前体粉末复合材料100。压实430可以包括在室温压缩例如等静压压缩多个粉末颗粒12来形成前体粉末复合材料100。在一种示例性实施方案中，粉末10可以包括含Mg的第一颗粒芯14，并且形成430前体粉末复合材料可以在室温和大约10ksi-大约60ksi的等静压压力来进行。
虽然已经显示和描述了一种或多种实施方案，但是可以对其进行改变和替代，而不脱离本发明的主旨和范围。因此，应当理解所述的本发明是为了示例而非限制性的。

Claims (27)

1.一种粉末金属复合材料，其包含：
包含纳米基质材料的基本上连续的、泡孔式纳米基质；
分散在该泡孔式纳米基质中的多个分散的第一颗粒，每个第一颗粒包含第一颗粒芯材料，该芯材料包含Mg、Al、Zn或者Mn或者它们的组合；
与分散的第一颗粒互混的多个分散的第二颗粒，每个第二颗粒包含第二颗粒芯材料，该芯材料包含碳纳米颗粒；和
在分散的第一颗粒和分散的第二颗粒之间的整个泡孔式纳米基质中延伸的固态结合层。
2.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该纳米基质材料具有熔融温度(TM)，该第一颗粒芯材料具有熔融温度(TDP1)和该第二颗粒芯材料具有熔融温度(TDP2)；其中该复合材料在烧结温度(TS)是固态能烧结的，并且TS小于TM、TDP1和TDP2。
3.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该第一颗粒芯材料包含Mg-Zn、Mg-Zn、Mg-Al、Mg-Mn或者Mg-Zn-Y。
4.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该第一颗粒芯材料包含Mg-Al-X合金，其中X包括Zn、Mn、Si、Ca或者Y或者它们的组合。
5.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该分散的第一颗粒进一步包含稀土元素。
6.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该分散的第一颗粒的平均粒度是大约5μm-大约300μm。
7.权利要求1的粉末金属复合材料，其中分散的第一颗粒和分散的第二颗粒的分散体包括在泡孔式纳米基质中的基本均匀的分散体。
8.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该碳纳米颗粒包括官能化的碳纳米颗粒。
9.权利要求8的粉末金属复合材料，其中该官能化的碳纳米颗粒包括石墨烯纳米颗粒。
10.权利要求8的粉末金属复合材料，其中该官能化的碳纳米颗粒包括富勒烯纳米颗粒。
11.权利要求8的粉末金属复合材料，其中该官能化的碳纳米颗粒包括纳米金刚石颗粒。
12.权利要求10的粉末金属复合材料，其中该官能化的碳纳米颗粒包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇纸、单壁纳米管或者多壁纳米管。
13.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该碳纳米颗粒包括金属化的碳纳米颗粒。
14.权利要求13的粉末金属复合材料，其中该金属化的碳纳米颗粒包括石墨烯纳米颗粒。
15.权利要求13的粉末金属复合材料，其中该金属化的碳纳米颗粒包括金属化的富勒烯纳米颗粒。
16.权利要求13的粉末金属复合材料，其中该金属化的碳纳米颗粒包括金属化的纳米金刚石颗粒。
17.权利要求15的粉末金属复合材料，其中该金属化的富勒烯纳米颗粒包括金属化的巴奇球、巴奇球蔟、巴奇纸、单壁纳米管或者多壁纳米管。
18.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该纳米基质材料包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni，或者其氧化物、碳化物或者氮化物，或者任何前述材料的组合，和其中该纳米基质材料具有化学组成，并且该第一颗粒芯材料的化学组成不同于该纳米基质材料的化学组成。
19.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该泡孔式纳米基质的平均厚度是大约50nm-大约5000nm。
20.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该复合材料是由包含多个第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的烧结的粉末形成的，该第一粉末颗粒和该第二粉末颗粒中的每个具有布置在其上的单层金属涂层，和其中在多个分散的第一颗粒和分散的第二颗粒相邻的颗粒之间的泡孔式纳米基质包括第一或者第二粉末颗粒中之一的单金属涂层、结合层和该第一或者第二粉末颗粒中另一个的单金属涂层。
21.权利要求20的粉末金属复合材料，其中该分散的第一粉末颗粒包含Mg，并且该泡孔式纳米基质包含Al或者Ni或者它们的组合。
22.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该复合材料是由包含多个第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的烧结的粉末形成的，每个该第一粉末颗粒和该第二粉末颗粒中具有布置在其上的多个金属涂层，和其中在多个分散的第一颗粒和分散的第二颗粒之间的相邻颗粒之间的泡孔式纳米基质包括第一或者第二粉末颗粒之一的多个金属涂层、结合层和该第一或者第二粉末颗粒中另一个的多个金属涂层，和其中该多个金属涂层的相邻层各自具有不同的化学组成。
23.权利要求22的粉末金属复合材料，其中该多个层包含第一层和第二层，该第一层位于第一和第二颗粒芯的各自颗粒芯上，第二层位于第一层上。
24.权利要求23的粉末金属复合材料，其中该分散的第一颗粒包含Mg，该第一层包含Al或者Ni或者它们的组合，和该第二层包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它们的组合，其中第一层的化学组成不同于第二层的化学组成。
25.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该碳纳米颗粒包括石墨烯纳米颗粒。
26.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该碳纳米颗粒包括富勒烯纳米颗粒。
27.权利要求1的粉末金属复合材料，其中该碳纳米颗粒包括纳米金刚石颗粒。
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