JP2018504291A - 傾斜機能物品及び製造方法 - Google Patents

Abstract

物品は、第１炭素複合材を含む第１部材、ならびに該第１部材上に配置され、第２炭素複合材及び補強剤を含む第２部材を含み、該第２部材は、該第２炭素複合材の該補強剤に対する重量比の勾配を有し、該第１部材は、該第２部材のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１１月２５日に出願された米国特許出願第１４／５５２，８３２号の利益を主張し、その全内容を参照により本明細書に援用する。

幅広い用途の様々なツールにシールが用いられている。その幅広い用途のために、特に高圧及び高温用途において、または他の過酷な環境において、高い熱安定性及び高い化学的安定性を有するシールを提供することが望まれる。高い耐侵食性を有するシールを提供することも望まれる。

エラストマーは比較的軟質で変形可能な材料であり、シールに用いられてきた。しかし、エラストマーは過酷な条件の下では分解しやすいため、その用途が制限される。代替として、金属の高い耐侵食性ならびに優れた高圧及び高温耐性ゆえに金属対金属シールが用いられてきた。しかし、金属は低い弾性及び低い順応性を有する。したがって、金属はエラストマーと比較して粗いケーシング表面を密封する効果が低い。

そのため、当業界では弾性及び耐侵食性が同時に向上した新規材料は常に受け入れられる。こうした材料の熱安定性及び化学的安定性も向上していれば、さらに有利であろう。

従来技術における上記及び他の欠陥は、一実施形態において、物品が、第１炭素複合材を含む第１部材、ならびに第１部材上に配置され、第２炭素複合材及び補強剤を含む第２部材を含み、第２部材が、第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の勾配を有し、第１部材が、第２部材のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有することにより克服される。

別の実施形態では、物品は、第１炭素複合材を含む第１部材、ならびに第１部材上に配置され、第２炭素及び第２結合剤を含む第２炭素複合材を含む第２部材を含み、第２部材は、第２炭素の第２結合剤に対する重量比の勾配を有し、第１部材は、第２部材のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する。

物品の製造方法は、第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、第２炭素、第２結合剤、及び補強剤を含み、補強剤の重量に対する第２炭素及び第２結合剤の合計重量の比の勾配を有する第２粉末混合物を、第１粉末混合物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で複合組成物を加圧して物品を形成することを含む。

別の実施形態では、物品の製造方法は、第１炭素複合材を含む第１部材を形成すること、ならびに第２炭素複合材及び補強剤を含み、第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の勾配を有する第２部材を第１部材上に配置することを含み、第１部材は第２部材のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する。

物品の製造方法は、第１炭素複合材を含む第１部材を鋳型内に配置すること、第２炭素、第２結合剤、及び補強剤を含む粉末混合物、ならびに補強剤の重量に対する第２炭素及び第２結合剤の合計重量の比の勾配を有する第２の粉末混合物を、第１部材上に配置すること、ならびに約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で粉末混合物を加圧して物品を形成することも含むことができる。

さらに別の実施形態では、物品の製造方法は、第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、第２炭素及び第２結合剤を含み、第２結合剤に対する第２炭素の重量比の勾配を有する第２粉末混合物を、第１粉末混合物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で複合組成物を加圧して物品を形成することを含む。

以下の説明は決して限定するものとみなされるべきではない。添付図面に関して、同様の要素には同様の番号を付してある。

本開示の実施形態による物品の断面図を示す。 黒鉛対結合剤比の勾配を有する第２部材の断面図を示し、黒鉛対結合剤比が最も高い領域は最も明るいグレースケールの値を有し、一方、黒鉛対結合剤比が最も低い領域は最も暗いグレースケールの値で示してある。 図２に示した第２部材の領域Ａの微細構造を示す。 図２に示した物品の領域Ｂの微細構造を示す。 図２に示した物品の領域Ｃの微細構造を示す。

本発明者らは、炭素複合材から製造される物品は傾斜機能化することができ、その結果、物品の一部が物品の別の部分のものとは異なる次の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有することができることを見出した。この発見により、高弾性及び高耐侵食／摩耗性を同時に有する物品の製造が可能となる。エラストマーシールと比較して、本物品は耐侵食／摩耗性が向上し、熱安定性が向上しており、そのため高耐侵食／摩耗性が望まれる用途または高温及び高圧環境において用いることができる。従来の耐侵食性金属対金属シールと比較して、本物品は弾性及び順応性が劇的に上昇し、より高い密封率及びより確実な密封を可能とする。

加えて、本物品は、低温（例えば極低温）と高温（例えば物品の分解温度よりもわずかに低い温度）との間で繰り返し熱サイクルを受けることができ、また、本物品はその化学的、物理的、及び機械的特性をほとんど偏移なく維持する。さらに、本物品は、長期間、例えば３か月超、具体的には６か月超、より具体的には１年超、さらに具体的には２年超の間低温または高温で浸漬した後であっても、その化学的、物理的、及び機械的特性をほとんど偏移なく維持する。さらなる有利な特徴として、本物品は優れた機械的強度を有する。

一実施形態において、物品は、第１炭素複合材を含む第１部材、ならびに第１部材上に配置され、第２炭素複合材及び補強剤を含む第２部材を含み、第２部材は、第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の勾配を有し、第１部材は、第２部材のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する。

別の実施形態において、特性の変化は炭素対結合剤重量比の変化によって実現される。例えば、第２部材は炭素及び結合剤を含有する炭素複合材を含み、また、第２部材は炭素の結合剤に対する重量比の勾配を有する。任意により、第２部材は補強剤をさらに含む。補強剤は第２部材中に均一に分布させることができる。あるいは、第２部材は炭素の補強剤に対する重量比の勾配を有する。

第２部材は任意の好適な形態を有し得る。一実施形態において、第２部材は第１部材上に配置された層を含む。第２部材は、坑井作業または本物品が関連する作業を実施するのに必要な任意の好適な厚さを有し得る。例示的実施形態において、第２部材は約５０μｍ〜約１０ｍｍまたは約５００μｍ〜約５ｍｍの厚さを有する。

ある実施形態において、第２部材が第１部材を完全にまたは部分的に覆う外層を含む例のように、第１部材は第２部材によって完全にまたは部分的に覆われ得る。他の実施形態において、第２部材は第１部材の一部または複数部分にのみ適用される場合もある。

第２部材中の補強剤は次の酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、金属、金属合金、カーボンファイバー、カーボンブラック、雲母、粘土、ガラス繊維、またはセラミック材料のうち１種以上を含む。金属には、Ｎｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｆｅ、またはＷが含まれる。これらの金属の合金、酸化物、窒化物、炭化物、または金属間化合物も用いることができる。セラミック材料には、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＢＮなどが含まれる。補強剤の組合せを用いてもよい。一実施形態において、補強剤は第１部材の炭素組成物中の結合剤または第２部材中の炭素複合材と同一ではない。

第２炭素複合材の補強剤に対する重量比は約１：１００〜約１００：１、約１：５０〜約５０：１、または約１：２０〜約２０：１とすることができる。有利には、第２部材は第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の勾配を有する。勾配は第１部材に近接する内側部分から第１部材から離れた外側部分に及ぶ。勾配は、第２部材の内側部分から第２部材の外側部分への第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の漸減を含むことができる。例えば、第２炭素複合材の補強剤に対する重量比は、第２部材の内側部分における約５０：１、約２０：１、または約１０：１から、第２部材の外側部分における約１：５０、約１：２０、または約１：１０まで変化し得る。一実施形態において、勾配は第２部材の内側部分から第２部材の外側部分まで連続的に変化する。別の実施形態では、勾配は第２部材の内側部分から第２部材の外側部分まで別々の段階で変化する。

第２部材が炭素の結合剤に対する重量比の勾配を有する場合、重量比は約１：１００〜約１：１または約１：１０〜約１：２とすることができる。勾配は第１部材に近接する内側部分から第１部材から離れた外側部分に及ぶ。勾配は、第２部材の内側部分から第２部材の外側部分への炭素の結合剤に対する重量比の漸減を含むことができる。例えば、炭素の結合剤に対する重量比は、第２部材の内側部分における約１：１または約１：２から、第２部材の外側部分における約１：１００または約１：１０まで変化し得る。一実施形態において、勾配は第２部材の内側部分から第２部材の外側部分まで連続的に変化する。別の実施形態では、勾配は第２部材の内側部分から第２部材の外側部分まで別々の段階で変化する。

第１部材及び第２部材は独立して、黒鉛などの炭素及び結合剤を含有する炭素複合材を含む。第１及び第２部材中の炭素複合材は同一であっても異なっていてもよい。一実施形態において、第１部材中の炭素複合材は第２部材中の炭素複合材と同一である。別の実施形態では、第２部材中の結合剤は、第１部材中の結合剤に比べて高い耐腐食／摩耗性を有する。

本明細書で用いる場合、黒鉛には次の天然黒鉛、人造黒鉛、膨張性黒鉛、または膨張化黒鉛のうち１種以上が含まれる。天然黒鉛は自然に形成された黒鉛である。これを「鱗片状」黒鉛、「塊状」黒鉛、及び「土状」黒鉛に分類することができる。人造黒鉛は炭素材料から製造された工業製品である。熱分解黒鉛が人造黒鉛の一形態である。膨張性黒鉛は、インターカラント材料が天然黒鉛または人造黒鉛の層間に挿入された黒鉛のことをいう。様々な化学物質が黒鉛材料にインターカレートするのに用いられている。これらには酸、酸化剤、ハロゲン化物などが含まれる。例示的なインターカラント材料としては、硫酸、硝酸、クロム酸、ホウ酸、ＳＯ_３、またはハロゲン化物、例えばＦｅＣｌ_３、ＺｎＣｌ_２、及びＳｂＣｌ_５などが挙げられる。加熱すると、インターカラントは液体または固体状態から気相に変化する。気体形成により圧力が生じて隣接する炭素層を押し離し、その結果、膨張化黒鉛が得られる。膨張化黒鉛粒子は蠕虫状の外観をしており、そのため一般にワームと呼ばれる。

有利には、黒鉛は膨張化黒鉛を含む。他の形態の黒鉛と比較して、膨張化黒鉛は高い柔軟性、高い圧縮復元性、及びより大きな異方性を有する。したがって、膨張化黒鉛及び本明細書に開示の結合剤から形成される炭素複合材は、望ましい機械的強度に加えて優れた弾性を有することができる。

炭素複合材は黒鉛相及び結合相を含むことができる。結合相は、黒鉛粒、黒鉛粒子、黒鉛片、黒鉛結晶、または黒鉛微細構造体を機械的なインターロッキングによって結合する結合剤を含む。一実施形態において、炭素複合材は炭素微細構造体を含み、炭素微細構造体の間に間隙空間があり、結合剤は間隙空間の少なくともいくつかの中に配置されており、炭素微細構造体は炭素微細構造体の内部に無充填の空隙を含む。

炭素微細構造体は、黒鉛を加圧して高度に圧縮した状態にした後に形成される黒鉛の微細構造体である。炭素微細構造体は圧縮方向に沿って一緒に積層された黒鉛底面を含む。本明細書で用いる場合、炭素底面は炭素原子の実質的に平らで平行なシートまたは層のことをいい、各シートまたは層は原子１個の厚さを有する。黒鉛底面は炭素層とも呼ばれる。炭素微細構造体は一般に平らで薄い。炭素微細構造体は様々な形状を有することができ、マイクロフレーク、マイクロディスクなどとも呼ぶことができる。一実施形態において、炭素微細構造体は互いにほぼ平行である。

炭素複合材には２種類の空隙、すなわち炭素微細構造体の間の空隙または間隙空間及び個々の炭素微細構造体内部の空隙がある。炭素微細構造体の間の間隙空間は約０．１〜約１００μｍ、具体的には約１〜約２０μｍのサイズを有し、一方で炭素微細構造体内部の空隙はさらに小さく、一般に約２０ｎｍ〜約１μｍ、具体的には約２００ｎｍ〜約１μｍである。空隙または間隙空間の形状は特に限定されない。本明細書で用いる場合、空隙または間隙空間のサイズは、空隙または間隙空間の最大寸法のことをいい、高解像度の電子顕微鏡または原子間力顕微鏡技術によって測定することができる。

炭素微細構造体の間の間隙空間はマイクロまたはナノサイズ結合剤で充填されている。例えば、結合剤は炭素微細構造体の間の間隙空間の約１０％〜約９０％を占有することができる。一実施形態において、結合剤は個々の炭素微細構造体に浸透せず、炭素微細構造体内部の空隙は無充填、すなわち結合剤で全く充填されていない。したがって、炭素微細構造体内部の炭素層は結合剤によって互いに固定されてはいない。この機構により、本物品、特に膨張化黒鉛を含む物品の柔軟性を保持することができる。

任意により、結合剤と黒鉛との間に界面層が形成される。界面層は化学結合、固溶体、またはこれらの組合せを含むことができる。化学結合、固溶体、またはこれらの組合せが存在する場合、黒鉛のインターロッキングが強化され得る。黒鉛は機械的なインターロッキング及び化学結合の両方によって互いに固定され得ると理解される。結合相の厚さは約０．１〜約１００μｍまたは約１〜約２０μｍである。結合相は黒鉛を互いに結合させる連続的または不連続的ネットワークを形成することができる。

例示的な結合剤としては、非金属、金属、合金、またはこれらの少なくとも１種を含む組合せが挙げられる。非金属は次のＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｂ、またはＢ_２Ｏ_３のうちの１種以上である。金属はアルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウム、またはセレン、のうちの１種以上とすることができる。合金には次のアルミニウム合金、銅合金、チタン合金、ニッケル合金、タングステン合金、クロム合金、鉄合金、マンガン合金、ジルコニウム合金、ハフニウム合金、バナジウム合金、ニオブ合金、モリブデン合金、スズ合金、ビスマス合金、アンチモン合金、鉛合金、カドミウム合金、またはセレン合金のうちの１種以上が含まれる。一実施形態において、結合剤は次の銅、ニッケル、クロム、鉄、チタン、銅の合金、ニッケルの合金、クロムの合金、鉄の合金、またはチタンの合金のうちの１種以上を含む。例示的な合金としては、鋼、インコネル^＊などのニッケル−クロム系合金、及びモネル合金などのニッケル−銅系合金が挙げられる。ニッケル−クロム系合金は、約４０〜７５％のＮｉ及び約１０〜３５％のＣｒを含有することができる。ニッケル−クロム系合金は約１〜約１５％の鉄も含有することができる。少量のＭｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓ、Ｐ、Ｂまたはこれらの少なくとも１種を含む組合せがニッケル−クロム系合金に含まれていてもよい。ニッケル−銅系合金は主にニッケル（最大約６７％）及び銅で構成される。ニッケル−銅系合金は、少量の鉄、マンガン、炭素、及びケイ素も含有することができる。これらの材料は様々な形状、例えば粒子、繊維、及びワイヤなどとすることができる。これらの材料の組合せを用いることができる。

耐侵食／摩耗性結合剤としては、次のＮｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｗ、及びこれらの合金の１種以上が挙げられる。耐侵食／摩耗性結合剤は、物品が粗面をシールするのに十分に順応することができるように比較的延性もあるべきであると理解される。耐侵食性結合剤は、使用される場合、その高い靱性を考慮して、物品表面近傍の領域に限定することができる。物品の他の部分、例えば第１部材などには、より延性のある結合剤を用いることができる。このようにして、本物品は耐侵食／摩耗性であると同時に、制限された固定力の下で十分に変形することができる。一実施形態において、第２部材の炭素組成物中の第２結合剤は耐侵食／摩耗性結合剤を含む。

本物品を製造するために用いられる結合剤はマイクロまたはナノサイズである。一実施形態において、結合剤は約０．０５〜約２５０μｍ、約０．０５〜約５０μｍ、約０．０５〜約１０μｍ、具体的には約０．５〜約５μｍ、より具体的には約０．１〜約３μｍの平均粒径を有する。理論に縛られることを望むものではないが、結合剤がこれらの範囲内のサイズを有する場合、黒鉛の間に均一に分散すると考えられる。

界面層が存在する場合、結合相は、結合剤を含む結合剤層及び黒鉛を結合剤層と結合させる界面層を含む。界面層は次のＣ−金属結合、Ｃ−Ｂ結合、Ｃ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−金属結合、または金属炭素固溶体のうち１種以上を含む。結合は黒鉛の表面上の炭素及び結合剤から形成される。

一実施形態において、界面層は結合剤の炭化物を含む。炭化物には次のアルミニウムの炭化物、チタンの炭化物、ニッケルの炭化物、タングステンの炭化物、クロムの炭化物、鉄の炭化物、マンガンの炭化物、ジルコニウムの炭化物、ハフニウムの炭化物、バナジウムの炭化物、ニオブの炭化物、またはモリブデンの炭化物のうちの１種以上が含まれる。これらの炭化物は、対応する金属または金属合金結合剤を炭素微細構造体の炭素原子と反応させることによって形成される。結合相は、ＳｉＯ_２もしくはＳｉを炭素微細構造体の炭素と反応させることによって形成されるＳｉＣ、またはＢもしくはＢ_２Ｏ_３を炭素微細構造体の炭素と反応させることによって形成されるＢ_４Ｃを含むこともできる。結合剤材料の組合せを用いる場合、界面層はこれらの炭化物の組合せを含むことができる。炭化物は、炭化アルミニウムなどの塩様炭化物、ＳｉＣ及びＢ_４Ｃなどの共有結合性炭化物、４、５、及び６族遷移金属の炭化物などの侵入型炭化物、または中間遷移金属炭化物、例えばＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの炭化物とすることができる。

別の実施形態では、界面層は黒鉛などの炭素及び結合剤の固溶体を含む。炭素は特定の金属マトリックスに、または特定の温度範囲で溶解性を有し、炭素微細構造体上への金属相の濡れ及び結合の両方を容易とすることができる。熱処理により、金属中での炭素の高溶解性を低温で維持することができる。こうした金属としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｎｉ、またはＣｕの１種以上が挙げられる。結合剤層は固溶体及び炭化物の組合せを含むこともできる。

炭素複合材は、炭素複合材の全重量に対して、約２０〜約９５ｗｔ％、約２０〜約８０ｗｔ％、または約５０〜約８０ｗｔ％の黒鉛を含む。結合剤は、炭素複合材の全重量に対して、約５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％または約２０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の量で存在する。

図１を参照すると、例示的実施形態において、物品１０は第１炭素複合材を含む第１部材１を含む。物品１０は、第１部材１上に配置され、第２炭素複合材及び補強剤を含む第２部材２も含み、第２部材２は第２炭素複合材３の補強剤４に対する重量比の勾配を有する。

図２は、黒鉛対結合剤比の勾配を有する第２部材５の断面図を示す。図２において、黒鉛対結合剤比が最も高い領域は最も明るいグレースケールの値を有し、一方で、黒鉛対結合剤比が最も低い領域は最も暗いグレースケールの値で示してある。図２に示すように、黒鉛対結合剤比は第２部材の頂部から第２部材の底部まで漸増している。

第２部材の領域Ａ〜Ｃの微細構造をそれぞれ図３〜５に示す。図３に示すように、物品が摩耗物にさらされる第２部材の頂部近傍では、結合剤７が優位を占めており、黒鉛粒子６が摩耗物と物品表面との間の摩擦を軽減する潤滑剤としてその中に分散している。図４は、第２部材の中央では、結合剤が、黒鉛９と互いに結合して物品の構造一体性及び耐熱性を向上させる結合相８を形成することを示す。図５に示すように、第２部材の底部では、黒鉛相９が優位を占めており、より高い弾性、ひいてはより効率的かつ確実な密封を可能とする。

傾斜機能物品を形成する一方法は、第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、第２炭素、第２結合剤、及び補強剤を含み、補強剤の重量に対する第２炭素及び第２結合剤の合計重量の比の勾配を有する第２粉末混合物を、第１組成物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに約３５０℃〜約１２００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で複合組成物を加圧して物品を形成することを含む。

第２部材が炭素の結合剤に対する重量比の勾配を有する場合、この方法は、第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、第２炭素及び第２結合剤を含み、第２結合剤に対する第２炭素の重量比の勾配を有する第２粉末混合物を、第１粉末混合物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で複合組成物を加圧して物品を形成することを含む。

一実施形態において、補強剤の重量に対する第２炭素及び第２結合剤の合計重量の比（原材料重量比とも呼ぶ）の勾配を確立するために、第２粉末混合物を複数部分に分けて配置する。例えば、第２粉末混合物の第１部分は９０：１０の原材料重量比を有することができる。第２粉末混合物の第２部分は８０：２０の原材料重量比を有することができる。第２粉末混合物の第３部分は７０：３０の原材料重量比を有することができる。また、第２粉末混合物の最後の部分は１０：９０の原材料重量比を有することができる。第１粉末混合物が鋳型内に配置されるとと、第２粉末混合物の第１部分が第１粉末混合物上に配置され、第２部分が第１部分上に配置され、かつ第３部分が第２部分上に配置されてから、最後の部分を鋳型内に配置する。部分の数は特に限定されない。一実施形態において、第２粉末混合物を約３〜約１００部分、約３〜約５０部分、約３〜約２０部分、約５〜約１５部分、または約５〜約１０部分に分けて連続的に配置することによって勾配を確立するが、この場合、連続する部分の原材料重量比は漸減している。第２炭素の第２結合剤に対する重量比の勾配を確立するために、第２粉末混合物を同様にして配置することができる。

粉末混合物は、黒鉛及びマイクロまたはナノサイズの結合剤、ならびに存在する場合には補強剤を、当該技術分野において公知の任意の好適な方法でブレンドすることによって形成することができる。好適な方法の例としては、ボール混合法、音響混合法、リボンブレンド法、垂直スクリュー混合法、及びＶブレンド法が挙げられる。

物品は１段階プロセスまたは２段階プロセスによって形成することができる。２段階プロセスでは、複合組成物を冷間圧縮により加圧して圧粉体とし、その後、圧粉体を加圧及び加熱することによって物品を形成する。別の実施形態では、複合組成物を室温で加圧して圧粉体を形成することができ、その後、圧粉体を大気圧で加熱して物品を形成する。これらのプロセスを２段階プロセスと呼ぶことができる。あるいは、複合組成物を加圧及び加熱して直接物品を形成することもできる。このプロセスを１段階プロセスと呼ぶことができる。

黒鉛はチップ、粉末、プレートレット、フレークなどの形態とすることができる。一実施形態において、黒鉛は約５０μｍ〜約５，０００μｍ、好ましくは約１００〜約３００μｍの直径を有するフレーク状である。黒鉛フレークは約１〜約５μｍの厚さを有することができる。

２段階プロセスに関して、冷間圧縮は、複合組成物を室温または結合剤が黒鉛と実質的に結合しない限りの高温で圧縮することを意味する。一実施形態において、約８０ｗｔ％超、約８５ｗｔ％超、約９０ｗｔ％超、約９５ｗｔ％超、または約９９ｗｔ％超の黒鉛は圧粉体中で結合していない。圧粉体を形成する圧力は約５００ｐｓｉ〜約１０ｋｓｉとすることができ、温度は約２０℃〜約２００℃とすることができる。この段階での縮小率、すなわち複合組成物の体積に対する圧粉体の体積は約４０％〜約８０％である。圧粉体の密度は約０．１〜約５ｇ／ｃｍ^３、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ^３、または約０．５〜約２ｇ／ｃｍ^３である。

圧粉体を、約３５０℃〜約１４００℃、具体的には約８００℃〜約１４００℃の温度で加熱して物品を形成することができる。一実施形態において、温度は結合剤の融点の約±２０℃〜約±１００℃、または結合剤の融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度は結合剤の融点を超え、例えば、結合剤の融点よりも約２０℃〜約１００℃高いかまたは約２０℃〜約５０℃高い。温度が高いほど、結合剤は粘性が低くなり、より良好に流れ、結合剤を黒鉛と均一にブレンドするために必要とされる圧力が低くなり得る。しかし、温度は高すぎると、器具に有害な影響を及ぼし得る。

温度は所定の温度スケジュールまたは傾斜率に従って加えることができる。加熱手段は特に限定されない。例示的な加熱方法としては、直流（ＤＣ）加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱、及び放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）が挙げられる。一実施形態において、ＤＣ加熱によって加熱を行う。例えば、複合組成物を電流で荷電し、電流が組成物を通って流れて熱を非常に素早く発生させることができる。任意により、不活性雰囲気下、例えばアルゴンまたは窒素下で加熱を行うこともできる。一実施形態において、圧粉体は空気の存在下で加熱される。

加熱は約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉまたは約１０００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの圧力で行うことができる。圧力は超大気圧または亜大気圧とすることができる。一実施形態において、物品を形成するのに望ましい圧力を一度に印加しない。圧粉体を装填した後、室温または低温で最初に低い圧力を組成物に印加して組成物中の大きな孔を閉塞する。さもなければ、溶融した結合剤が金型の表面に流れる場合がある。温度が所定の最高温度に達すると、物品を製造するのに必要な望ましい圧力を印加することができる。温度及び圧力は、約５分間〜約１２０分間所定の最高温度及び所定の最大圧力に保持することができる。一実施形態において、所定の最高温度は結合剤の融点の約±２０℃〜約±１００℃、または結合剤の融点の約±２０℃〜約±５０℃である。

この段階での縮小率、すなわち圧粉体の体積に対する物品の体積は、約１０％〜約７０％または約２０〜約４０％である。物品の密度は圧縮の程度を制御することによって変化させることができる。物品は約０．５〜約１０ｇ／ｃｍ^３、約１〜約８ｇ／ｃｍ^３、約１〜約６ｇ／ｃｍ^３、約２〜約５ｇ／ｃｍ^３、約３〜約５ｇ／ｃｍ^３、または約２〜約４ｇ／ｃｍ^３の密度を有することができる。

あるいは、同様に２段階プロセスに関して、最初に室温及び約５００ｐｓｉ〜３０，０００ｐｓｉの圧力で複合組成物を加圧して圧粉体を形成することができ、さらに圧粉体を約３５０℃〜約１４００℃、具体的には約８００℃〜約１４００℃の温度で加熱して物品を製造することができる。一実施形態において、温度は結合剤の融点の約±２０℃〜約±１００℃、または結合剤の融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度は結合剤の融点よりも約２０℃〜約１００℃または約２０℃〜約５０℃高くすることができる。加熱は不活性雰囲気の存在下または非存在下の大気圧で行うことができる。

別の実施形態では、圧粉体を作製せずに複合組成物から直接物品を製造することができる。加圧及び加熱は同時に行うことができる。好適な圧力及び温度は、２段階プロセスの第２段階について本明細書で考察したものと同様とすることができる。

ホットプレスは温度及び圧力を同時に加えるプロセスである。傾斜機能物品を製造するために、１段階及び２段階プロセスの両方においてホットプレスを用いることができる。

別の実施形態では、第１部材及び第２部材を別々に形成する。その後、第１部材を第２部材上に配置する。例えば、第１粉末混合物を鋳型に装填し、本明細書に開示の複合組成物から物品を製造する１段階または２段階法に従って加工することができる。同様に、第２粉末混合物を鋳型に装填し、本明細書に開示の複合組成物から物品を製造する１段階または２段階法に従って加工することができるが、この場合第２部材は、第２炭素複合材の補強剤に対する重量比の勾配、または第２炭素の第２結合剤に対する重量比の勾配を有する。

第１部材を第２部材上に配置する方法は特に限定されない。一実施形態において、第１部材の表面及び／または第２部材の表面に局部加熱を適用することによって、第１部材を第２部材に積層する。他の例示的方法としては、静水圧圧縮、拡散接合、熱成形、溶接、ろう付けなどが挙げられる。

別の実施形態では、第１部材を形成した後、これを鋳型に配置する。次に、本明細書に記載の第２粉末混合物を第１部材の表面上に配置する。その後、第２粉末混合物及び第１部材を一緒に成形して傾斜機能物品を形成する。

本明細書の傾斜機能物品は多様な形状、例えばリング、チューブ、パイプ、ロッド、トロイド、球、多角形、円錐、円筒、これらの切頭形状などで形成することができる。こうした形状は鋳造プロセス、押出成形などから得ることができる。加えて、成形形状に切断、のこ引き、アブレーション加工、及び他の材料除去法を含めた様々な形削り加工をさらに適用させることができる。

傾斜機能物品は複数の有利な特性を有し、様々な用途に用いることができる。本物品はツールまたはツールの構成部品を製造するのに用いることができる。例示的なツールとしては、シール、高圧ビーズ型フラックスクリーンプラグ、スクリーンベースパイププラグ、圧縮パッキン部品、Ｏリング、ボンデッドシール、ブレットシール、地下安全バルブシール、地下安全バルブフラッパーシール、運動用シール、バックアップリング、ドリルビットシール、ライナーポートプラグ、デブリバリア、掘削刺激ライナープラグ、流入制御装置プラグ、フラッパー、ボールシート、ガスリフトバルブプラグ、流体損失制御フラッパー、電動水中ポンプシール、せん断プラグ、フラッパーバルブ、ガスリフトバルブ、及びスリーブが挙げられる。他の例示的な物品としては、原子炉圧力容器シール、原子炉アクチュエータシール、原子力発電所のポンプシール、圧力解放シール、回転シール、スプールバルブシール、ブレーキピストンシール、シャフトシール、ベアリングシーリング、またはピニオンシールが挙げられる。一実施形態において、物品はダウンホール部品である。

本物品は、動作温度の範囲が約−６５°Ｆ〜約１２００°Ｆの高い耐熱性を有する。特に有利な特徴として、傾斜機能物品を形成することによって耐侵食／腐食性及び弾性の両方が向上する。本物品は侵食／腐食損傷を受けるシール、例えば安全または遮断バルブ用途に用いられるフラッパーまたはロータリーボールバルブシールとしての用途に特に好適である。本物品または本物品を備えるツールは様々な用途に用いることができる。一実施形態において、本物品または本物品を備えるツールは流れを抑制するために用いることができる。

本明細書に開示したすべての範囲は端点を含み、端点は互いに独立して組合せ可能である。本明細書で用いる場合、接尾辞「（ｓ）（複数可）」は修飾する用語の単数形及び複数形両方を含むことを意図し、そのため、その用語の少なくとも１つを含む（例えば、ｃｏｌｏｒａｎｔ（ｓ）（着色剤（複数可））は少なくとも１種の着色剤を含む）。「ｏｒ（または）」は「ａｎｄ／ｏｒ（及び／または）」を意味する。「ｏｐｔｉｏｎａｌ（任意の）」または「ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ（任意に）」はその後に記載の事象または状況が起きても起きなくてもよいことを意味し、この記載はその事象が起きる場合及び起きない場合を含むことを意味する。本明細書で用いる場合、「ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ（組合せ）」はブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含む。「ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｔｈｅｒｅｏｆ（これらの組合せ）」は、「列挙した事項及び任意により列挙していない類似の事項の１つ以上を含む組合せ」を意味する。すべての参照文献は参照により本明細書に援用される。

本発明を記述する文脈（特に以下の特許請求の範囲の文脈中）における用語「ａ」及び「ａｎ」ならびに「ｔｈｅ」ならびに同様の指示対象の使用は、本明細書で別途示されない限り、または文脈と明らかに矛盾しない限り、単数形及び複数形両方を包含すると解釈されるべきである。さらに、本明細書における用語「ｆｉｒｓｔ（第１）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２）」などは、いかなる順序、量、または重要性も表さず、むしろ、ある要素を別の要素と区別するために用いられることにも留意すべきである。量に関連して用いられる修飾語「ａｂｏｕｔ（約）」は記載した値を含み、状況からわかる意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。

例示を目的として典型的な実施形態を記載したが、上述の記載は本発明の範囲に対する制限であるとみなされるべきではない。したがって、当業者であれば本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、応用、及び代替を想到することができる。

Claims (15)

1. 第１炭素複合材を含む第１部材（１）、ならびに
   前記第１部材（１）上に配置され、第２炭素複合材（３）及び補強剤（４）を含む第２部材（２）、
   を含み、
   前記第２部材（２）が前記第２炭素複合材（３）の前記補強剤（４）に対する重量比の勾配を有し、
   前記第１部材（１）が前記第２部材（２）のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する物品（１０）。
2. 第１炭素複合材を含む第１部材（１）、ならびに
   前記第１部材（１）上に配置され、第２炭素及び第２結合剤を含む第２炭素複合材（３）を含む第２部材（２）、
   を含み、
   前記第２部材（２）が前記第２炭素の前記第２結合剤に対する重量比の勾配を有し、
   前記第１部材（１）が前記第２部材（２）のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する物品（１０）。
3. 前記勾配が前記第１部材（１）に近接する内側部分から前記第１部材（１）から離れた外側部分に及び、
   前記勾配が、前記第２部材（２）の前記内側部分から前記第２部材（２）の前記外側部分への、前記第２炭素複合材（３）の前記補強剤（４）に対する重量比の漸減、または前記第２炭素の前記第２結合剤に対する重量比の漸減を含む、請求項１または２に記載の物品（１０）。
4. 前記勾配が前記第２部材（２）の前記内側部分から前記第２部材（２）の前記外側部分まで連続的に変化するか、または前記勾配が前記第２部材（２）の前記内側部分から前記第２部材（２）の前記外側部分まで別々の段階で変化する、請求項２または３に記載の物品（１０）。
5. 前記第１炭素複合材及び前記第２炭素複合材（３）のそれぞれが独立して、炭素及び次のＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｂ、Ｂ_２Ｏ_３、金属、または前記金属の合金のうち１種以上を含有する結合剤（７）を含み、前記金属が、次のアルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウム、またはセレンのうちの１種以上であり、前記第１炭素複合材中の前記炭素及び前記第２炭素複合材（３）中の前記炭素が独立して、次の膨張化黒鉛、膨張性黒鉛、天然黒鉛、または人造黒鉛のうち１種以上を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の物品（１０）。
6. 前記第１炭素複合材及び前記第２炭素複合材（３）が炭素微細構造体を含み、前記炭素微細構造体の間に間隙空間があり、前記結合剤（７）が前記間隙空間の少なくともいくつかの中に配置されており、前記炭素微細構造体が前記炭素微細構造体の内部に無充填の空隙を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の物品（１０）。
7. 前記第１及び前記第２炭素複合材（３）が少なくとも２つの炭素微細構造体及び前記少なくとも２つの炭素微細構造体の間に配置された結合相（８）を含み、前記結合相（８）が結合剤層及び前記少なくとも２つの炭素微細構造体の１つを前記結合剤層と結合させる界面層を含み、前記界面層が次のＣ−金属結合、Ｃ−Ｂ結合、Ｃ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−金属結合、または金属炭素固溶体のうち１種以上を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の物品（１０）。
8. 前記補強剤（４）が次の酸化物、窒化物、炭化物、金属間化合物、金属、金属合金、カーボンファイバー、カーボンブラック、雲母、粘土、ガラス繊維、またはセラミック材料のうち１種以上を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の物品（１０）。
9. 原子炉圧力容器シール、原子炉アクチュエータシール、原子力発電所のポンプシール、圧力解放シール、回転シール、スプールバルブシール、ブレーキピストンシール、シャフトシール、ベアリングシーリング、ピニオンシール、またはシール、シール弁座、シールアセンブリ、高圧ビーズ型フラックスクリーンプラグ、スクリーンベースパイププラグ、ロータリーボールバルブシール、圧縮パッキン部品、Ｏリング、ボンデッドシール、ブレットシール、地下安全バルブシール、地下安全バルブフラッパーシール、運動用シール、バックアップリング、ドリルビットシール、ライナーポートプラグ、デブリバリア、掘削刺激ライナープラグ、流入制御装置プラグ、フラッパー、ボールシート、ガスリフトバルブプラグ、流体損失制御フラッパー、電動水中ポンプシール、せん断プラグ、フラッパーバルブ、ガスリフトバルブ、もしくはスリーブから選択されるダウンホール物品（１０）である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品（１０）。
10. 物品（１０）の製造方法であって、
    第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、
    第２炭素、第２結合剤、及び補強剤（４）を含み、前記補強剤（４）の重量に対する前記第２炭素及び前記第２結合剤の合計重量の比の勾配を有する第２粉末混合物を、前記第１粉末混合物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに
    約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で前記複合組成物を加圧して前記物品（１０）を形成すること、
    を含む、前記方法。
11. 物品（１０）の製造方法であって、
    第１炭素及び第１結合剤を含む第１粉末混合物を鋳型内に配置すること、
    第２炭素及び第２結合剤を含み、前記第２結合剤に対する前記第２炭素の重量比の勾配を有する第２粉末混合物を、前記第１粉末混合物上に配置して複合組成物を得ること、ならびに
    約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で前記複合組成物を加圧して前記物品（１０）を形成すること、
    を含む前記方法。
12. 前記補強剤（４）の重量に対する前記第２炭素及び前記第２結合剤の合計重量の比の勾配を確立するために、または前記第２結合剤に対する前記第２炭素の重量比の勾配を確立するために、前記第２粉末混合物を複数部分に分けて配置する、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 第１炭素複合材を含む第１部材（１）を形成すること、ならびに
    第２炭素複合材（３）及び補強剤（４）を含み、前記第２炭素複合材（３）の前記補強剤（４）に対する重量比の勾配を有する第２部材（２）を前記第１部材（１）上に配置すること、
    を含み、
    前記第１部材（１）が前記第２部材（２）のものとは異なる以下の特性、すなわち弾性、耐腐食性、耐侵食性、または硬度を１つ以上有する、請求項１に記載の物品（１０）の製造方法。
14. 請求項１に記載の物品（１０）の製造方法であって、
    第１炭素複合材を含む第１部材（１）を鋳型内に配置すること、
    第２炭素、第２結合剤、及び補強剤（４）を含む粉末混合物、ならびに前記補強剤（４）の重量に対する前記第２炭素及び前記第２結合剤の合計重量の比の勾配を有する第２の粉末混合物を、前記第１部材（１）上に配置すること、ならびに
    約３５０℃〜約１４００℃の温度及び約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉの圧力で前記粉末混合物を加圧して前記物品（１０）を形成すること、
    を含む前記方法。
15. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の物品（１０）の１つ以上を用いることを含む流れの抑制方法。