CN107406899A - 超高温弹性金属复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种金属复合材料包括：基体，所述基体包括周期性金属弹簧；以及填充材料，所述填充材料包括以下中的一种或多种：碳复合材料；聚合物；金属；石墨；棉；石棉；或玻璃纤维；其中所述填充材料经由以下中的一种或多种结合至所述基体：机械互锁；化学键；固溶体；或安置在所述周期性金属弹簧与所述填充材料之间的活性层。

Description

超高温弹性金属复合材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月2日提交的美国申请号14/676864的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。
背景
本公开总体上涉及金属复合材料，其制造方法，以及由其形成的制品。
金属具有高耐腐蚀性和优异的高压和高温耐受性。然而，常规金属不是可延展的并具有低弹性，这可限制其作为密封材料的应用。弹性体是柔性的，但在高压和高温条件下可能分解并丧失弹性。因此，工业总是易于接受具有均衡的稳定性、弹性和机械强度的改进的基于金属的材料。
简述
现有技术中的上述和其他缺陷在一个实施方案中通过一种金属复合材料来克服，所述金属复合材料包括：基体，所述基体包括周期性金属弹簧；以及填充材料，所述填充材料包括以下中的一种或多种：碳复合材料；聚合物；金属；石墨；棉；石棉；或玻璃纤维；其中所述填充材料经由以下中的一种或多种结合至所述基体：机械互锁；化学键；固溶体；或安置在所述周期性金属弹簧与所述填充材料之间的活性层。
一种制造金属复合材料的方法包括：将包括周期性金属弹簧的基体与填充材料组合；以及经由以下中的一种或多种形成所述金属复合材料：粉末熔渗和烧结；压缩模制；注塑模制；挤出模制；真空熔渗；气相沉积；电化学沉积；热等静压；铸造；或钎焊。
还公开了包括所述金属复合材料的制品。
附图简述
以下描述不应在任何方面视为限制。参照附图，相同元件用相同数字编号：
图1是根据本公开的实施方案的包括周期性金属弹簧的金属基体的微观视图；
图2示出金属复合材料的示例性实施方案，所述金属复合材料包括金属基体以及安置在所述金属基体的孔中的填充材料；
图3示出金属复合材料的示例性实施方案，所述金属复合材料包括金属基体和至少部分地包封所述金属基体的填充材料；
图4示出金属复合材料，所述金属复合材料包括安置在由填充材料形成的两个层之间的金属基体；并且
图5示出金属复合材料的示例性实施方案(实线)和聚合物PTFE(虚线)的载荷位移曲线。
详述
本发明人已经发现，由包括周期性金属弹簧和填充材料的金属基体形成的金属复合材料具有改进的均衡性能。虽然常规金属具有低弹性，但是当金属线被缠绕至周期性弹簧时，可实现大于约50％至约100％的较大结构弹性伸长率。周期性金属弹簧通过以下中的至少一种结合至填充材料：机械互锁、化学键合、固溶体或安置在所述周期性金属弹簧与所述填充材料之间的活性层，从而提供具有优异弹性、高温度额定值、高耐腐蚀性和高耐挤压性的金属复合材料。金属复合材料也可例如通过控制用于金属弹簧和填料的材料、金属弹簧的缠绕模式以及金属基体中的孔隙百分比来进行调整以使所述复合材料适合用于各种应用中。
周期性金属弹簧由金属线形成。所述线可具有约0.08至约0.5mm的直径。合适的周期性金属弹簧的平均弹簧节距为所述线径的约10至约15倍，其中弹簧的节距是指从一个螺旋的中心至相邻螺旋的中心的距离。平均弹簧直径也是所述线径的约10至约15倍。如本文所用，弹簧直径是指螺旋的外径减去一个线径(d)。这种弹簧直径通常也被称为平均螺旋直径。在一个实施方案中，金属弹簧具有约0.8至约7.5mm的平均弹簧节距和约0.8至约7.5mm的平均弹簧直径。周期性金属弹簧可具有约0.2至约4g/cm3的密度。在一个示例性实施方案中，金属弹簧是具有在几十纳米至几十微米(10纳米至90微米)范围内的壁厚的中空构件。在某些实施方案中，金属弹簧是固体构件。周期性金属弹簧可经由三维印刷技术(也称为增材制造)、织造、非织造、蚀刻、微机械加工、光刻法、投影微型光固化立体成型或本领域中已知的其他微制造工艺来形成。
周期性金属弹簧至少包括耐腐蚀金属或耐腐蚀金属合金。用于金属弹簧的示例性材料包括以下中的一种或多种：铁合金、镍-铬基合金、镍合金、铜或形状记忆合金。铁合金包括钢，如不锈钢。镍-铬基合金包括InconelTM。镍-铬基合金可含有约40％-75％的Ni和约10％-35％的Cr。镍-铬基合金还可含有约1％至约15％的铁。少量Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P、B或包括前述中的至少一种的组合也可包括在镍-铬基合金中。镍合金包括HastelloyTM。Hastelloy是Haynes International，Inc的商标名称。如本文所用，哈氏合金可以是具有“Hastelloy”商标作为前缀的任何高度耐腐蚀的超级合金。本公开中提及的HastelloyTM组合金的主要元素是镍；然而，其他合金成分被添加至此商品名的每个子类别中的镍中，并且包括不同百分比的元素钼、铬、钴、铁、铜、锰、钛、锆、铝、碳和钨。形状记忆合金是当加热时“记得”其初始形状并且在变形时恢复至其变形前形状的合金。示例性形状记忆合金包括Cu-Al-Ni基合金、Ni-Ti基合金、Zn-Cu-Au-Fe基合金以及铁基和铜基形状记忆合金，如Fe-Mn-Si、Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni。
周期性金属弹簧形成金属基体。因此，如本文所用，金属基体是指周期性金属弹簧的组合，包括由金属线的缠绕产生的开放空间。图1中示出根据本公开的实施方案的金属基体的微观视图。如图1中所示，金属基体100包括周期性金属弹簧2和所述金属弹簧中的孔1。
有利地，填充材料可增强金属基体的密封特性，同时提供额外的强度和刚性。填充材料可具有基体的相似或互补的弹性性能。任选地，填充材料具有高温度额定值。金属复合材料中的填充材料包括碳复合材料；聚合物；金属；石墨；棉；石棉；或玻璃纤维。可使用材料的组合。任选地，填充材料含有增强纤维，所述增强纤维以短的、长的或连续的纤维、珠或球囊取向。填充材料和金属基体之间的体积比可根据应用而变化。在一个实施方案中，金属基体相对于填充材料的体积比是约2.5％∶97.5％至约80％∶20％、约5％∶95％至约70％∶30％、或约10％∶90％至约60％∶40％。
当填充材料是碳复合材料时，金属复合材料可具有大于约600℃的温度额定值。碳复合材料含有碳和无机粘合剂。碳可以是石墨，如天然石墨；合成石墨；可膨胀石墨；或膨胀石墨；或包括前述中的至少一种的组合。
在一个实施方案中，碳复合材料包括碳微结构，在所述碳微结构之间具有间隙空间；其中所述粘合剂被安置在所述间隙空间中的至少一些中。碳微结构之间的间隙空间具有约0.1至约100微米、具体地约1至约20微米的大小。粘合剂可占据碳微结构之间的间隙空间的约10％至约90％。
碳微结构还可包括在所述碳微结构内的空隙。碳微结构内的空隙通常介于约20纳米至约1微米、具体地约200纳米至约1微米之间。如本文所用，空隙或间隙空间的大小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镜技术来测定。在一个实施方案中，为了实现高强度，用粘合剂或其衍生物填充碳微结构内的空隙。用于填充碳微观结构内的空隙的方法包括气相沉积。
碳微结构是在将石墨压缩成高度凝聚状态后形成的石墨的微观结构。它们包括沿着压缩方向堆叠在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦的、平行的碳原子片或层，其中每个片或层具有单个原子厚度。石墨基面也称为碳层。碳微结构通常是平坦的且薄的。它们可具有不同的形状，并且也可被称为微薄片、微盘等。在一个实施方案中，碳微结构基本上彼此平行。
碳微结构具有约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。碳微结构的直径或最大尺寸是约5至约500微米或约10至约500微米。碳微结构的纵横比可以是约10至约500、约20至约400、或约25至约350。在一个实施方案中，碳微结构中的碳层之间的距离是约0.3纳米至约1微米。碳微结构可具有约0.5至约3g/cm3或约0.1至约2g/cm3的密度。
在碳复合材料中，碳微结构通过粘合相固持在一起。粘合相包括通过机械互锁结合碳微结构的粘合剂。任选地，在粘合剂与碳微结构之间形成界面层。界面层可包括化学键、固溶体或其组合。当存在时，化学键、固溶体或其组合可加强碳微结构的互锁。应了解，碳微结构可通过机械互锁和化学键合两者固持在一起。例如，化学键合、固溶体或其组合可在一些碳微结构与粘合剂之间形成，或者对于特定碳微结构，仅在碳微结构的表面上的一部分碳与粘合剂之间形成。对于碳微结构或碳微结构的不形成化学键、固溶体或其组合的部分，碳微结构可通过机械互锁来结合。粘合相的厚度是约0.1至约100微米或约1至约20微米。粘合相可形成将碳微结构结合在一起的连续或不连续网。
示例性粘合剂包括非金属、金属、合金或包括前述中的至少一者的组合。非金属是以下中的一种或多种：SiO2；Si；B；或B2O3。金属可以是以下中的至少一种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。合金包括以下中的一种或多种：铝合金；铜合金；钛合金；镍合金；钨合金；铬合金；铁合金；锰合金；锆合金；铪合金；钒合金；铌合金；钼合金；锡合金；铋合金；锑合金；铅合金；镉合金；或硒合金。在一个实施方案中，粘合剂包含以下中的一种或多种：铜；镍；铬；铁；钛；铜合金；镍合金；铬合金；铁合金；或钛合金。示例性合金包括钢、镍-铬基合金(如Inconel*)和镍-铜基合金(如蒙乃尔(Monel)合金)。镍-铬基合金可含有约40％-75％的Ni和约10％-35％的Cr。镍-铬基合金还可含有约1％至约15％的铁。少量Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P、B或包括前述中的至少一种的组合也可包括在镍-铬基合金中。镍-铜基合金主要由镍(达约67％)和铜组成。镍-铜基合金还可含有少量铁、锰、碳和硅。这些材料可处于不同形状，如颗粒、纤维和线。可使用材料的组合。
用于制备碳复合材料的粘合剂是微米大小或纳米大小的。在一个实施方案中，粘合剂具有约0.05至约250微米、约0.05至约100微米、约0.05至约50微米、或约0.05至约10微米的平均粒度。不希望受理论束缚，据信当粘合剂具有在这些范围内的大小时，其均匀地分散在碳微结构中。
当存在界面层时，粘合相包括粘合剂层，所述粘合剂层包括粘合剂；以及界面层，所述界面层使至少两个碳微结构中的一个键合至粘合剂层。在一个实施方案中，粘合相包括粘合剂层，使碳微结构中的一个键合至所述粘合剂层的第一界面层，以及使至少两个微结构中的另一个键合至粘合剂层的第二界面层。第一界面层和第二界面层可具有相同或不同的组成。
界面层包括以下中的一种或多种：C-金属键；C-B键；C-Si键；C-O-Si键；C-O-金属键；或金属碳固溶体。所述键由碳微结构的表面上的碳和粘合剂形成。
在一个实施方案中，界面层包括粘合剂的碳化物。碳化物包括以下中的一种或多种：铝的碳化物；钛的碳化物；镍的碳化物；钨的碳化物；铬的碳化物；铁的碳化物；锰的碳化物；锆的碳化物；铪的碳化物；钒的碳化物；铌的碳化物；或钼的碳化物。通过使对应金属或金属合金粘合剂与碳微结构的碳原子反应来形成这些碳化物。粘合相还可包括通过使SiO2或Si与碳微结构的碳反应形成的SiC，或通过使B或B2O3与碳微结构的碳反应形成的B4C。当使用粘合剂材料的组合时，界面层可包括这些碳化物的组合。碳化物可以是盐状碳化物，如碳化铝；共价型碳化物如SiC和B4C；间隙型碳化物如第4族、第5族和第6族过渡金属的碳化物；或中间过渡金属碳化物，例如Cr、Mn、Fe、Co和Ni的碳化物。
在另一个实施方案中，界面层包括碳(如石墨)的固溶体和粘合剂。碳在特定金属基体中或在特定温度范围下具有溶解度，这可有助于使金属相浸润和粘合到碳微结构上。通过热处理，在金属中碳的高溶解度可在低温下被保持。这些金属包括以下中的一种或多种：Co；Fe；La；Mn；Ni；或Cu。粘合剂层还可包括固溶体与碳化物的组合。
基于复合材料的总重量，碳复合材料包括约20至约95wt.％、约20至约80wt.％或约50至约80wt.％的碳。基于复合材料的总重量，粘合剂以约5wt.％至约75wt.％或约20wt.％至约50wt.％的量存在。在碳复合材料中，碳相对于粘合剂的重量比是约1∶4至约20∶1、或约1∶4至约4∶1、或约1∶1至约4∶1。
碳复合材料可任选地包括增强剂。示例性增强剂包括以下中的一种或多种：碳纤维；碳黑；云母；粘土；玻璃纤维；陶瓷纤维；或陶瓷中空结构。陶瓷材料包括SiC、Si3N4、SiO2、BN等。基于碳复合材料的总重量，增强剂可以约0.5至约10wt.％或约1至约8％的量存在。
除了碳复合材料之外的填充材料也可用于本公开的金属复合材料中。用于金属复合材料的其他合适的填充材料包括软金属、软金属合金或包括前述中的一种或多种的组合。用于填充材料的示例性金属包括以下中的一种或多种：铝；铜；铅；铋；镓；镉；银；金；铑；铊；锡；其合金；或共晶合金。共晶合金是熔点尽可能低的合金，并且所述合金的所有成分在此温度下从液体状态同时结晶。
用于金属复合材料的填充材料还可以是聚合物，如热固性聚合物、热塑性聚合物或包括前述中的至少一种的组合。如本文所用，聚合物包括合成聚合物和天然聚合物两者。聚合物还包括交联聚合物。当填充材料是聚合物时，金属复合材料可具有大于约30％的可恢复变形。
用于填充材料的示例性聚合物包括丙烯腈丁二烯橡胶(NBR)；氢化丁腈(HNBR)；丙烯腈丁二烯羧基单体(XNBR)；乙烯丙烯二烯单体(EPDM)；氟碳橡胶(FPM)；FEKM；全氟化碳橡胶(FFKM)；四氟乙烯/丙烯橡胶(FEPM)；脂肪族聚酰胺如尼龙；聚乙烯；聚四氟乙烯(PTFE)如聚苯硫醚(PPS)如或交联聚苯硫醚；或聚碳酸酯。
填充材料经由机械互锁；或化学键合；直接地或通过金属弹簧的表面与填充材料之间的活性界面层结合至金属弹簧。周期性金属弹簧与填充材料之间的粘合有助于在金属弹簧与填充材料之间传递载荷。有利地，最佳粘合允许在载荷条件下金属弹簧和填充材料的不同材料的相容性和完整性。弱界面结合可能不足以用于载荷分布和转化，因为可能发生分层或裂纹并破坏复合材料的完整性，而过度界面结合可能导致刚性复合材料，这损害金属基体的弹性。
当填充材料包括碳复合材料或金属时，填充材料可经由在周期性金属弹簧中的金属与填充材料中的金属之间形成的固溶体或金属间化合物中的至少一种结合至周期性金属弹簧。有利地，形成固溶体，从而在填充材料与金属弹簧之间提供牢固粘合。当填充材料包括聚合物时，填充材料可通过机械互锁结合至金属弹簧。
周期性金属弹簧可在没有表面处理的情况下使用或者可进行处理，包括化学地、物理地或机械地处理所述金属弹簧的表面。例如，金属弹簧可进行处理以粗糙化或增加金属弹簧的表面区域，例如通过砂磨、研磨或喷砂处理。金属弹簧的表面也可通过化学和/或机械手段进行清洁以除去污染物。在一个实施方案中，将金属弹簧的表面用底料或粘合剂处理以有助于金属弹簧与填充材料之间的粘合。用于处理的化学品可包括但不限于有机官能硅烷或任何其他合适的化学品。在另一个实施方案中，当填充材料包括聚合物时，可将金属弹簧首先涂覆一层金属氧化物，并且然后可将聚合物填充材料随后键合至金属氧化物。
可将填充材料浸渍到基体中并且至少部分地填充周期性金属弹簧中的开放空间。在一个实施方案中，填充材料占据周期性金属弹簧中的开放空间的约10％至约90％、约20％至约80％或约30％至约85％。图2示出金属复合材料200的示例性实施方案。金属复合材料包括周期性金属弹簧2和安置在金属弹簧2中的开放空间中的填充材料3。
或者，填充材料可被安置在金属基体的外表面上以至少部分地包封金属基体。例如，填充材料可在金属基体的表面上形成涂层。涂层的厚度是约10μm至约100μm或约0.1mm至约50mm。至少部分包封的金属复合材料提供增强的密封性能，同时允许支撑载荷。此外，减少了填料的量，从而允许节省重量和成本。对于至少部分包封的金属复合材料，金属基体相对于填充材料的体积比是约2.5％∶10％至约80％∶10％或约2.5％∶90％至约80％∶15％。
在一个实施方案中，填充材料不占据金属基体中的开放空间。然而，如果需要，填充材料可至少部分地占据金属基体中的开放空间。图3示出金属复合材料300的示例性实施方案。金属复合材料包括周期性金属弹簧2和包封由周期性金属弹簧形成的基体的填充材料4。
在另一个实施方案中，金属基体被安置在由填充材料形成的两个层之间。这种布置允许有利的密封性能，同时沿着所需方向的界面支撑载荷。此外，减少了填充材料的量，从而允许节省重量和成本。例如，对于所述设计金属基体相对于填充材料的体积比是约2.5％∶10％至约80％∶10％或约2.5％∶90％至约80％∶15％。图4示出金属复合材料400的示例性实施方案。金属复合材料包括金属基体，所述金属基体含有夹在由填充材料形成的两个层5之间的周期性金属弹簧2。
经由以下中的一种或多种制造金属复合材料：粉末熔渗和烧结；压缩模制；注塑模制；挤出模制；真空熔渗；气相沉积；电化学沉积；热等静压；铸造；或钎焊。
为了制备含有安置在金属基体的开放空间中的填充材料的金属复合材料，任选地在超大气压或低于大气压的压力下将所述填充材料浸渍到所述基体的开放空间中。任选地，在制造过程中使用增塑剂、表面活性剂和润滑剂以促进填充材料渗透或浸润到金属基体中的开放空间中。也可使呈颗粒、纤维或其他形状的形式的粘合剂与填充材料以一定比例混合以促进金属弹簧与填充材料之间的键合。如果需要，在制造过程之后可除去此类增塑剂和润滑剂。在某些实施方案中，使用具有填充材料的微米大小或纳米大小的颗粒的悬浮液。浸渍的金属基体可在合适的高温下进行烧结。可基于填充材料和金属弹簧的材料施加压力。在其他实施方案中，经由注塑模制、压缩模制、挤出模制、钎焊、铸造、气相沉积、电化学沉积、热等静压等将填充材料引入金属基体中。在一些实施方案中，可能需要通过热处理来释放金属复合材料中的残余应力。例如，可在低于烧结温度约20℃至50℃的温度下加热通过烧结工艺制备的金属复合材料。热处理温度和烧结温度可由本领域的技术人员确定，而无需过过度实验。
为了制备至少部分包封的金属复合材料，首先可由填充材料形成包封层；并且然后将所述包封层与基体一起烧结或模制以形成金属复合材料。或者或另外，将包封层层压或钎焊到金属基体上，从而形成复合材料。在另一个实施方案中，制备金属复合材料的方法包括由填充材料形成两个层；将基体安置在所述两个层之间；并且经由以下中的一种或多种形成所述复合材料：烧结；压缩模制；或钎焊。应了解，包封层或填料层不必在单独的步骤形成。例如，可将模具负载第一填充材料、周期性金属弹簧和第二填充材料以提供组合。然后将所述组合在高温下压制以提供金属复合材料，所述金属复合材料包括安置在由填充材料形成的两个层之间的金属基体。
本公开的金属复合材料具有优异的弹性。图5示出金属复合材料的示例性实施方案的载荷位移曲线。通过单轴压缩试验(在1000磅载荷下负载和卸载)对纯PTFE和PTFE-周期性金属弹簧复合材料两者进行了测试。弹性回复率可被定义为相对于总位移B的弹性或可恢复位移A。复合材料具有较小的总位移和较高的弹性回复率(64.3％)，而纯PTFE具有较大的总位移和较低的弹性恢复率(44％)。
金属复合材料适用于制备用于各种应用的制品。金属复合材料可用于形成制品的全部或一部分。因此，提供了包括金属复合材料的制品。
金属复合材料可用于密封应用中。示例性密封元件包括例如，密封件，如静密封件或动态密封件；密封座；封隔密封件，如可收回固井封隔件、抛光孔座封隔件、电缆封隔件；封隔器；接合垫片；垫圈；桥塞；包装，如泵包装、阀包装等。不同类型的密封元件之间可能存在重叠。静态密封是指两个稳定且不可移动的部件之间的密封，并且包括C形环、E形环、O形环、U形环、T形环、L形环、矩形环、方形环、x形截面环等。动态密封件没有特别限制，并且包括一对相对可移动的构件之间的任何密封。垫圈是填充两个或更多个配合表面之间的空间的机械密封件。示例性垫圈包括经受压力和热的高性能垫圈，例如用于汽车的气缸盖垫圈和排气管垫圈以及用于精炼厂的法兰垫圈。密封元件具有优异的弹性性能。因此，它们可填充待密封的表面中的间隙和缺陷，从而提供流体密封或气密密封。密封元件可进一步具有高耐热性和耐久性，并且可在广泛温度范围内使用。
所述制品可以是井下元件。示例性制品包括密封件、高压珠状压裂筛网塞、筛网基管塞、用于滚珠和底座的涂层、压缩包装元件、可膨胀包装元件、O形环、粘结密封件、子弹密封件、地下安全阀密封件、地下安全阀挡板密封件、动态密封件、V形环、支承环、钻头密封件、衬里端口塞、大气式圆盘、大气式腔室圆盘、碎片阻挡件、钻入式激励衬里塞、流入控制装置塞、挡板、底座、球座、直接连接盘；钻入线性盘、气举阀塞、失液量控制挡板、电动潜水泵密封件、剪切塞、挡板阀、气举阀以及套管。
金属复合材料具有高耐热性，其操作温度范围为约-65°F直至约1200°F。因此，诸如封隔器的井下制品可用于从具有大于750°F或大于1000°F的环境温度的地下位置产生烃。在一个实施方案中，本公开的制品在大于750°F的环境温度下持续抵抗热裂解、热降解或热分解中的一种或多种超过30天。如本文所用，“持续抵抗”是指少于约10wt.％、少于约5wt.％、少于约2wt.％或少于约1wt.％的碳复合材料或含有碳复合材料的制品被热裂解、热降解和/或热分解。
井下制品也可用于隔离或完成井筒。所述方法包括在井筒中部署包括一个或多个所述井下制品的设备。例如，制品可具有适合于填充围绕一个或多个生产管件的位置中的钻孔内的环形部分的类型。如本文所用，术语“生产管件”被定义为包括例如用于完成井的任何种类的管件，如但不限于生产管路、生产套管、中间套管以及烃通过其流动至表面的装置。在非限制性实施方案中，这种制品的实例包括用于阻挡非目标生产区或水区的环形隔离器等。
制品可通过成形或机械加工或其组合由含有金属基体和填充材料的组合物直接制备。成形包括模制、挤出、铸造和层压。机械加工包括使用例如铣床、锯、车床、刨槽机、放电加工机等的切割、锯切、烧蚀、铣削、表面加工、车床加工、钻孔等。
本文所公开的所有范围包括端点，并且所述端点可彼此独立组合。“或”是指“和/或”。如本文所用，“组合”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。“其组合”是指包括所列项目和任选地未列出的类似项目中的一个或多个的组合。所有参考文献都以引用的方式并入本文。
在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)，术语“一个/种(a/an)”和“所述”以及类似指代物的使用意图解释为涵盖单数和复数两者，除非在本文另外地指示或明显地与上下文矛盾。此外，应进一步指出，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开。结合量使用的修饰语“大约”包括所述的值并且具有上下文所述的含义(例如，其包括与特定量的测量相关联的误差程度)。
虽然已经出于说明的目的阐述了典型的实施方案，但是前述描述不应被认为是对本文的范围的限制。因此，在不脱离本文的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可想到各种修改、调整和替代。

Claims (15)

1.一种金属复合材料(200-400)，所述金属复合材料包括：
金属基体(100)，所述金属基体包括周期性金属弹簧(2)；以及
填充材料(3)，所述填充材料包括以下中的一种或多种：碳复合材料；聚合物；金属；石墨；棉；石棉；或玻璃纤维；
其中所述填充材料(3)经由以下中的一种或多种结合至所述金属基体(100)：机械互锁；化学键；固溶体；或安置在所述周期性金属弹簧(2)与所述填充材料(3)之间的活性层。
2.如权利要求1所述的金属复合材料(200-400)，其中所述周期性金属弹簧(2)包括螺旋弹簧(2)，所述螺旋弹簧具有约0.8至约7.5mm的平均弹簧节距和约0.8至约7.5mm的平均弹簧直径；任选地，所述周期性金属弹簧(2)具有约0.08至约0.5mm的平均线径；并且任选地，所述周期性金属弹簧(2)具有约0.2至约4g/cm3的密度。
3.如权利要求1或权利要求2所述的金属复合材料(200-400)，其中所述周期性金属弹簧(2)包括以下中的一种或多种：铁合金；镍-铬基合金；镍合金；铜；或形状记忆合金。
4.如权利要求1至3中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述填充材料(3)的所述碳复合材料包括碳和含有以下中的一种或多种的粘合剂：SiO2；Si；B；B2O3；金属；或所述金属的合金；并且其中所述金属是以下中的一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒；并且其中任选地，所述碳复合材料中的所述碳包括以下中的一种或多种：膨胀石墨；可膨胀石墨；天然石墨；或合成石墨。
5.如权利要求4所述的金属复合材料(200-400)，其中所述填充材料(3)的所述金属包括以下中的一种或多种：铝；铜；锡；或共晶合金。
6.如权利要求1至5中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述填充材料(3)的所述聚合物包括以下中的一种或多种：丙烯腈丁二烯橡胶；氢化丁腈；丙烯腈丁二烯羧基单体；乙烯丙烯二烯单体；氟碳橡胶；全氟化碳橡胶；四氟乙烯/丙烯橡胶；脂肪族聚酰胺；聚乙烯；聚四氟乙烯；聚苯硫醚或交联聚苯硫醚；或聚碳酸酯；并且其中任选地，所述填充材料(3)还包括增强剂。
7.如权利要求1至6中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述填充材料(3)被安置在所述基体内的多个孔(1)中。
8.如权利要求1至6中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述填充材料(3)形成至少部分地包封所述基体的涂层。
9.如权利要求1至6中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述基体被安置在由所述填充材料(3)形成的两个层(5)之间。
10.如权利要求1至9中任一项所述的金属复合材料(200-400)，其中所述基体相对于所述填充材料(3)的体积比是约2.5％∶97.5％至约80％∶20％。
11.一种制造金属复合材料(200-400)的方法，所述方法包括：
将包括周期性金属弹簧(2)的基体与填充材料(3)组合；以及
经由以下中的一种或多种形成所述金属复合材料(200-400)：粉末熔渗和烧结；压缩模制；注塑模制；挤出模制；真空熔渗；气相沉积；电化学沉积；热等静压；铸造；或钎焊。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法包括：
由所述填充材料(3)形成两个层(5)；
将所述基体安置在所述两个层(5)之间；以及
经由以下中的一种或多种形成所述复合材料(200-400)：烧结；压缩模制；或钎焊。
13.如权利要求11所述的方法，所述方法包括：
由所述填充材料(3)形成包封层；
将所述包封层安置在所述基体周围；以及
经由以下中的一种或多种形成所述复合材料(200-400)：烧结；压缩模制；或钎焊。
14.一种制品，所述制品包括如权利要求1至10中任一项所述的金属复合材料(200-400)。
15.如权利要求14所述的制品，其中所述制品是井下元件，其包括密封件；高压珠状压裂筛网塞；筛网基管塞；用于滚珠和底座的涂层；压缩包装元件；可膨胀包装元件；O形环；粘结密封件；子弹密封件；地下安全阀密封件；地下安全阀挡板密封件；动态密封件；V形环；支承环；钻头密封件；衬里端口塞；大气式圆盘；大气式腔室圆盘；碎片阻挡件；钻入式激励衬里塞；流入控制装置塞；挡板；底座；球座；直接连接盘；钻入线性盘；气举阀塞；失液量控制挡板；电动潜水泵密封件；剪切塞；挡板阀；气举阀；或套管。
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