JP2018517052A - 超高温弾性金属コンポジット - Google Patents

Abstract

金属コンポジットは、周期的な金属ばねを含むマトリクスと、炭素コンポジット、ポリマー、金属、黒鉛、綿、アスベスト、またはガラス繊維の１種または複数種を含む充填材とを含み、上記充填材が、機械的連結、化学結合、固溶体、または上記周期的な金属ばねと上記充填材との間に配置された活性層の１または複数を介して上記マトリクスに結合されている。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１５年４月２日出願の米国出願第１４／６７６，８６４の優先権を主張し、該出願はその全体が参照により本明細書に援用される。

本開示は概括的には金属コンポジット、それらの製造方法、及びそれらから形成される物品に関する。

金属は高い耐腐食性及び優れた高圧及び高温耐性を有する。しかしながら、従来の金属は延性がなく且つ弾性が低く、このことが金属のシール材としての使用を制限する場合がある。エラストマーは可撓性ではあるが、高圧及び高温条件下では破壊し、弾性を失う場合がある。したがって、工業界は常に、安定性、弾性、及び機械的強度の均衡がとれた金属系の改善された材料を受け入れる用意がある。

先行技術の上記及び他の欠点は、一実施形態において、周期的な金属ばねを含むマトリクスと、炭素コンポジット、ポリマー、金属、黒鉛、綿、アスベスト、またはガラス繊維の１種または複数種を含む充填材とを含み、上記充填材が、機械的連結、化学結合、固溶体、または上記周期的な金属ばねと上記充填材との間に配置された活性層の１または複数を介して上記マトリクスに結合されている金属コンポジットによって克服される。

金属コンポジットの製造方法は、周期的な金属ばねを含むマトリクスを充填材と混ぜ合わせることと、粉体浸透及び焼結、圧縮成型、射出成型、押出成形、真空浸透、蒸着、電気化学的析出、熱間静水圧圧縮成型、鋳造、またはろう付けの１または複数によって上記金属コンポジットを形成することとを含む。

上記金属コンポジットを含む物品もまた開示される。

以下の説明は如何なる形態であっても限定するものと考えられるべきではない。添付の図面を参照すると、同様の要素には同様の番号が付されている。

本開示の一実施形態に係る、周期的な金属ばねを含む金属マトリックスの顕微鏡像である。 金属マトリクスと、該金属マトリクスの細孔中に配置された充填材とを含む金属コンポジットの例示的な実施形態を示す図である。 金属マトリクスと、該金属マトリクスを少なくとも部分的に取り囲む充填材とを含む金属コンポジットの例示的な実施形態を示す図である。 充填材から形成された２の層の間に配置された金属マトリクスを含む金属コンポジットを示す図である。 本金属コンポジット（実線）及びポリマーＰＴＦＥ（点線）の例示的な実施形態の荷重−変位曲線を示す図である。

本発明者らは、周期的な金属ばねと充填材とを含む金属マトリクスから形成された金属コンポジットが、改善された均衡のとれた特性を有することを見出した。従来の金属は弾性が低いが、金属線が周期的なばねへと巻回されると、約５０％超〜約１００％の大きな構造的な弾性伸びを達成することができる。上記周期的な金属ばねは、機械的連結、化学結合、固溶体、または該周期的な金属ばねと上記充填材との間に配置された活性層の少なくとも１を介して充填材に結合し、優れた弾性、高い温度定格、高い耐腐食性、及び高い耐押出性を有する金属コンポジットを与える。上記金属コンポジットを、例えば、上記金属ばね及び上記充填材のための材料、該金属ばねの巻回パターン、及び上記金属マトリクス中の多孔質空間の割合を制御することによって調整して、該コンポジットを様々な用途における使用に適合させることもできる。

上記周期的な金属ばねは金属線から形成される。該金属線の直径は約０．０８〜約０．５ｍｍであってよい。好適な周期的な金属ばねの平均ばねピッチは線径の約１０〜約１５倍であり、但し、該ばねのピッチとは、１つのコイルの中心から隣接するコイルの中心までの距離をいう。平均ばね径もまた上記線径の約１０〜約１５倍である。本明細書では、ばね径とは、当該コイルの外径から１本分の線径（ｄ）を差し引いた値をいう。かかるばね径は一般に平均コイル径としても知られる。一実施形態において、上記金属ばねの平均ばねピッチは約０．８〜約７．５ｍｍであり、平均ばね径は約０．８〜約７．５ｍｍである。上記周期的な金属ばねの密度は約０．２〜約４ｇ／ｃｍ^３であってよい。例示的な実施形態において、金属ばねは、数十ナノメートル〜数十ミクロン（１０ナノメートル〜９０ミクロン）の範囲の壁厚を有する中空部材である。特定の実施形態において、金属ばねは中実の部材である。上記周期的な金属ばねは、三次元印刷技術（付加製造技術としても知られる）、製織、不織、エッチング、微細加工、フォトリソグラフィ、投影マイクロステレオリソグラフィ、または当技術分野で公知の他のマイクロ生産プロセスによって形成することができる。

上記周期的な金属ばねは、少なくとも耐腐食性金属または耐腐食性金属合金を含む。上記金属ばね用の例示的な材料としては、鉄合金、ニッケル−クロム基合金、ニッケル合金、銅、または形状記憶合金の１種または複数種が挙げられる。鉄合金としてはステンレス鋼などの鋼が挙げられる。ニッケル−クロム基合金としてはインコネル（商標）が挙げられる。ニッケル−クロム基合金は約４０〜７５％のＮｉと約１０〜３５％のＣｒとを含んでいてよい。上記ニッケル−クロム基合金はまた、約１〜約１５％の鉄を含有していてもよい。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種を含む組み合せも、上記ニッケル−クロム基合金に含まれていてよい。ニッケル合金としてはハステロイ（商標）が挙げられる。ハステロイはヘインズ・インターナショナル社の商標登録された名称である。本明細書では、ハステロイは、「ハステロイ」商標を接頭辞として有する耐腐食性に優れた超合金のいずれかであってよい。本開示で言及される上記ハステロイ（商標）合金群の主たる元素はニッケルである。但し、この商標の名称の各下位分類において、他の合金成分がニッケルに添加され、該成分としては、種々の割合の元素モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステンが挙げられる。形状記憶合金は、その当初の形状を「記憶しており」、変形すると、加熱された際にその変形前の形状に戻る合金である。例示的な形状記憶合金としては、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ基合金、Ｎｉ−Ｔｉ基合金、Ｚｎ−Ｃｕ−Ａｕ−Ｆｅ基合金、ならびにＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ及びＣｕ−Ａｌ−Ｎｉなどの鉄基及び銅基形状記憶合金が挙げられる。

上記周期的な金属ばねは金属マトリクスを形成する。したがって、本明細書では、金属マトリクスとは、金属線の巻回によって生じる開放空間を含む周期的な金属ばねの組合せをいう。本開示の一実施形態に係る金属マトリクスの顕微鏡像を図１に示す。図１に示すように、金属マトリクス１００は周期的な金属ばね２と該金属ばねに囲まれた細孔１とを含む。

有利なことに、上記充填材は、上記金属マトリクスのシーリング特性を向上させる一方で、更なる強度及び剛性を与え得る。上記充填材は同様のまたは相補的な上記マトリクスの弾性特性を有することができる。任意選択で、上記充填材は高い温度定格を有する。本金属コンポジット中の上記充填材は、炭素コンポジット、ポリマー、金属、黒鉛、綿、アスベスト、またはガラス繊維を含む。上記材料の組み合わせを用いてもよい。任意選択で、上記充填材は、配向した短繊維、長繊維、もしくは連続繊維の形態の強化繊維、ビーズまたはバルーンを含有する。上記充填材と金属マトリクスとの間の容積比は用途に応じて変化し得る。一実施形態において、上記充填材に対する金属マトリクスの上記体積比は、約２．５％：９７．５％〜約８０％：２０％、約５％：９５％〜約７０％：３０％、または約１０％：９０％〜約６０％：４０％である。

上記充填材が炭素コンポジットである場合、本金属コンポジットは約６００℃を超える温度定格を有することができる。炭素コンポジットは炭素と無機バインダとを含有する。上記炭素は、天然黒鉛、合成黒鉛、膨張性黒鉛、もしくは膨張化黒鉛、またはこれらの少なくとも１種を含む組み合せであってよい。

一実施形態において、上記炭素コンポジットは、炭素微細構造体であって、該炭素微細構造体間に間隙を有する上記炭素微細構造体を含み、上記バインダは少なくとも一部の上記隙間中に配置されている。上記炭素微細構造体間の間隙の大きさは、約０．１〜約１００ミクロン、詳細には約１〜約２０ミクロンである。バインダは、上記炭素微細構造体間の間隙の約１０％〜約９０％を占めていてよい。

上記炭素微細構造体はまた、該炭素微細構造体内に空隙を含んでいてもよい。上記炭素微細構造体内の空隙は、一般に約２０ナノメートルと約１ミクロンとの間、詳細には約２００ナノメートル〜約１ミクロンである。本明細書では、上記空隙または間隙の大きさとは、当該の空隙または間隙の最大寸法をいい、高分解能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。一実施形態において、高強度を達成するためには、上記炭素微細構造体内の空隙に上記バインダまたはその誘導体が充填される。上記炭素微細構造体内の空隙への充填方法としては蒸着が挙げられる。

上記炭素微細構造体は、黒鉛を高度に凝集した状態へと圧縮した後に形成される黒鉛の微細構造体である。該構造体は圧縮方向に沿って積層された黒鉛基底面を含む。本明細書では、炭素基底面とは炭素原子の実質的に平坦で平行なシートまたは層をいい、ここで各シートまたは層は単原子厚を有する。上記黒鉛基底面は炭素層とも称される。上記炭素微細構造体は一般に平坦で薄い。該構造体は種々の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称される場合もある。一実施形態において、上記炭素微細構造体は互いに実質的に平行である。

上記炭素微細構造体の厚さは、約１〜約２００ミクロン、約１〜約１５０ミクロン、約１〜約１００ミクロン、約１〜約５０ミクロン、または約１０〜約２０ミクロンである。上記炭素微細構造体の直径または最大寸法は、約５〜約５００ミクロンまたは約１０〜約５００ミクロンである。上記炭素微細構造体のアスペクト比は、約１０〜約５００、約２０〜約４００、または約２５〜約３５０であってよい。一実施形態において、上記炭素微細構造体中の上記炭素層間の距離は約０．３ナノメートル〜約１ミクロンである。上記炭素微細構造体の密度は、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ^３、または約０．１〜約２ｇ／ｃｍ^３であってよい。

上記炭素コンポジットにおいては、上記炭素微細構造体は結合相によって結束される。該結合相は、機械的連結によって炭素微細構造体を結合するバインダを含む。任意選択で、上記バインダと炭素微細構造体との間に界面層が形成される。該界面層は、化学結合、固溶体、またはそれらの組み合わせを含んでいてもよい。上記化学結合、固溶体、またはそれらの組み合わせが存在する場合、これらは上記炭素微細構造体の連結を強化し得る。上記炭素微細構造体は、機械的連結と化学結合の両方によって結束されていてもよいことが理解される。例えば、化学結合、固溶体、またはそれらの組み合わせは、一部の炭素微細構造体と上記バインダとの間に、または特定の炭素微細構造体に関しては、当該の炭素微細構造体の表面上の炭素の一部とバインダとの間にのみ形成され得る。化学結合、固溶体、またはそれらの組み合わせを形成しない上記炭素微細構造体または炭素微細構造体の一部に関しては、当該炭素微細構造体は機械的連結によって結合することができる。上記結合相の厚さは約０．１〜約１００ミクロンまたは約１〜約２０ミクロンである。上記結合相は、炭素微細構造体を結び付ける連続的なまたは不連続なネットワークを形成していてもよい。

例示的なバインダとしては、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。上記非金属は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｂ、またはＢ_２Ｏ_３の１種または複数種である。上記金属は、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、またはセレンの少なくとも１種であってよい。上記合金としては、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１種または複数種が挙げられる。一実施形態において、上記バインダは、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１種または複数種を含む。例示的な合金としては、鋼、インコネル^＊などのニッケル−クロム基合金、及びモネル合金などのニッケル−銅基合金が挙げられる。ニッケル−クロム基合金は約４０〜７５％のＮｉと約１０〜３５％のＣｒを含有していてもよい。上記ニッケル−クロム基合金はまた約１〜約１５％の鉄を含有してもよい。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種を含む組合せも上記ニッケル−クロム基合金に含めてもよい。ニッケル−銅基合金は主としてニッケル（最大で約６７％）及び銅からなる。上記ニッケル−銅基合金はまた、少量の鉄、マンガン、炭素、及びケイ素を含有していてもよい。これらの材料は、粒子、繊維、及び線材などの種々の形状であってよい。上記材料の組み合わせを用いてもよい。

上記炭素コンポジットを製造するために使用されるバインダ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、上記バインダの平均粒子径は、約０．０５〜約２５０ミクロン、約０．０５〜約１００ミクロン、約０．０５〜約５０ミクロン、または約０．０５〜約１０ミクロンである。理論に拘束されることを望むものではないが、上記バインダがこれらの範囲内の大きさを有する場合、該バインダは上記炭素微細構造体間で均一に分散すると考えられる。

界面層が存在する場合、上記結合相は、バインダ層であって、バインダと、少なくとも２の炭素微細構造体の１を上記バインダ層に結合する界面層とを含む上記バインダ層を含む。一実施形態において、上記結合相は、バインダ層、上記炭素微細構造体の１を上記バインダ層に結合する第１の界面層、及び少なくとも上記２の微細構造体の他方を上記バインダ層に結合する第２の界面層を含む。第１の界面層及び第２の界面層は、同一のまたは異なる組成を有していてもよい。

上記界面層は、Ｃ−金属結合、Ｃ−Ｂ結合、Ｃ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−Ｓｉ結合、Ｃ−Ｏ−金属結合、または金属炭素溶液の１または複数を含む。上記結合は、上記炭素微細構造体及びバインダの表面上の炭素から形成される。

一実施形態において、上記界面層は上記バインダの炭化物を含む。該炭化物としては、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１種または複数種が挙げられる。これらの炭化物は、相当する金属または金属合金バインダを上記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。上記結合相はまた、ＳｉＯ_２または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たＳｉＣ、またはＢまたはＢ_２Ｏ_３を上記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たＢ_４Ｃを含んでいてもよい。バインダ材の組み合わせが用いられる場合、上記界面層はこれらの炭化物の組み合せを含んでいてよい。上記炭化物は、炭化アルミニウムなどの塩様の炭化物、ＳｉＣ及びＢ_４Ｃなどの共有結合炭化物、第４族、第５族及び第６族の遷移金属の炭化物などの格子間型炭化物（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｃａｒｂｉｄｅｓ）、または中間型遷移金属炭化物（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｃａｒｂｉｄｅｓ）、例えば炭化物Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの炭化物であってよい。

別の実施形態において、上記界面層は、黒鉛などの炭素とバインダとの固溶体を含む。炭素は、特定の金属マトリクスにまたは特定の温度範囲において溶解性を有し、このことが、金属相の上記炭素微細構造体上へ濡れ及び結合の両方を促進し得る。熱処理により、金属中の炭素の高い溶解性を低温において維持することができる。これらの金属としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｎｉ、またはＣｕが挙げられる。上記バインダ層はまた、固溶体と炭化物との組み合わせを含んでもよい。

上記炭素コンポジットは、該コンポジットの全重量を基準として、約２０〜約９５ｗｔ％、約２０〜約８０ｗｔ％、または約５０〜約８０ｗｔ％の炭素を含む。上記バインダは、上記コンポジットの全重量を基準として、約５ｗｔ％〜約７５ｗｔ％または約２０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の量で存在する。上記炭素コンポジットにおいては、上記バインダに対する炭素の重量比は、約１：４〜約２０：１、または約１：４〜約４：１、または約１：１〜約４：１である。

上記炭素コンポジットは任意選択で強化剤を含んでいてもよい。例示的な強化剤としては、炭素繊維、カーボンブラック、マイカ、クレー、ガラス繊維、セラミック繊維、またはセラミック中空構造体の１種または複数種が挙げられる。セラミック材としては、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＢＮなどが挙げられる。上記強化剤は、上記炭素コンポジットの全重量を基準として、約０．５〜約１０ｗｔ％または約１〜約８％の量で存在してもよい。

本開示の金属コンポジットにおいては、炭素コンポジット以外の充填材を用いてもよい。本金属コンポジット用の他の好適な充填材としては、軟質金属、軟質金属合金、またはこれらの１種または複数種を含む組み合せが挙げられる。上記充填材用の例示的な金属としては、アルミニウム、銅、鉛、ビスマス、ガリウム、カドミウム、銀、金、ロジウム、タリウム、スズ、それらの合金、または共晶合金が挙げられる。共晶合金は、該合金の融点ができるだけ低い合金であり、該合金の全ての成分が液体状態からこの温度で同時に結晶化する。

本金属コンポジット用の充填材はまた、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマーまたはこれらの少なくとも１種を含む組み合わせなどのポリマーであってよい。本明細書では、ポリマーとしては合成ポリマー及び天然ポリマーの両方が挙げられる。ポリマーとしては架橋ポリマーも挙げられる。上記充填材がポリマーである場合、本金属コンポジットの回復可能な変形は約３０％を超えることが可能である。

上記充填材用の例示的なポリマーとしては、アクリロニトリル／ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリル／ブタジエン（ＨＮＢＲ）、アクリロニトリル／ブタジエン／カルボキシモノマー（ＸＮＢＲ）、エチレン／プロピレン／ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＰＭ）、ＦＥＫＭ、パーフルオロカーボンゴム（ＦＦＫＭ）、テトラフルオロエチレン／プロピレンゴム（ＦＥＰＭ）、ナイロンなどの脂肪族ポリアミド、ポリエチレン、テフロン（登録商標）などのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ライトン（登録商標）などのポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）もしくは架橋ポリフェニレンスルフィド、またはポリカーボネートが挙げられる。

上記充填材は、直接または上記金属ばねの表面と該充填材との間の活性界面層を介するかのいずれかで、機械的連結、または化学結合を介して該金属ばねに結合されている。周期的な金属ばねと充填材との間の上記結合は、該金属ばねと充填材との間での荷重の移動を容易にする。有利には、結合を最適化することで、荷重条件下での金属ばねと上記充填材の異なる材料の適合性及び完全性をもたらす効果がある。層間剥離または亀裂が発生して本コンポジットの完全性を破壊する場合があることから、弱い界面結合は荷重の分布及び変換に対して十分でないことがある一方で、過剰な界面結合はコンポジットを剛直にする場合があり、これにより上記金属マトリクスの弾性が損なわれる。

上記充填材が炭素コンポジットまたは金属を含む場合、該充填材を、上記周期的な金属ばね中の金属と該充填材中の金属との間に形成される、固溶体または金属間化合物の少なくとも１種を介して該周期的な金属ばねに結合させてもよい。有利には、固溶体が形成されて、上記充填材と金属ばねとの間の強固な結合を与える。上記充填材がポリマーを含む場合、該充填材は機械的連結によって上記金属ばねに結合されてもよい。

上記周期的な金属ばねは表面加工することなく用いてもよく、または該金属ばねの表面を化学的に、物理的にまたは機械的に処理することを含めて、加工してもよい。例えば、研磨、ラッピングまたはサンドブラストによって、例えば、上記金属ばねを処理して表面を荒らすか、または該金属ばねの表面積を増大させてもよい。該金属ばねの表面を、化学的及び／または機械的手段によって洗浄して、汚染物質を除去してもよい。一実施形態において、上記金属ばねの表面をプライマーまたは接着剤で処理して、該金属ばねと充填材との間の結合を容易にする。処理のための化学物質としては、有機官能性シラン、または任意の他の適宜の化学物質を挙げることができるが、これらに限定はされない。別の実施形態において、上記充填材がポリマーを含む場合、上記金属ばねを最初に金属酸化物の層で被覆し、次いで上記ポリマー充填材を該金属酸化物に後で結合させてもよい。

上記充填材を上記マトリクス中に含浸し、該充填材によって上記周期的な金属ばねに囲まれた開放空間を少なくとも部分的に充填してもよい。一実施形態において、充填材は、上記周期的な金属ばねに囲まれた開放空間の約１０％〜約９０％、約２０％〜約８０％、または約３０％〜約８５％を占める。図２は金属コンポジット２００の例示的な実施形態を示す。該金属コンポジットは、周期的な金属ばね２と、該金属ばね２に囲まれた開放空間中に配置された充填材３とを含む。

あるいは、上記充填材を上記金属マトリクスの外表面上に配置して、該金属マトリクスを少なくとも部分的にカプセル化してもよい。例えば、上記充填材は、上記金属マトリクスの表面上に被覆を形成してもよい。該被覆の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍまたは約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍである。少なくとも部分的にカプセル化された金属コンポジットは、荷重を支持しつつシール性能を向上させる。更に、充填材の量が低減され、重量及びコストが節約されるという効果がある。上記少なくとも部分的にカプセル化された金属コンポジット用の充填材に対する上記金属マトリクスの容積比は、約２．５％：１０％〜約８０％：１０％または約２．５％：９０％〜約８０％：１５％である。

一実施形態において、上記充填材は上記金属マトリクスの開放空間を占有しない。但し、所望であれば、該充填材は該金属マトリクス中の開放空間を少なくとも部分的に占有してもよい。図３は、金属コンポジット３００の例示的な実施形態を示す。該金属コンポジットは、周期的な金属ばね２と、該周期的な金属ばねによって形成されたマトリクスをカプセル化する充填材４とを含む。

別の実施形態において、上記金属マトリクスは、上記充填材から形成される２の層の間に配置される。かかる配置では、所望の方向の界面に沿って荷重が支持されつつ、シール特性が有利になるという効果がある。更に、該充填材の量が低減され、重量及びコストが節約されるという効果がある。例えば、当該の設計に関して、該充填材に対する該金属マトリクスの容積比は、約２．５％：１０％〜約８０％：１０％、または約２．５％：９０％〜約８０％：１５％である。図４は、金属コンポジット４００の例示的な実施形態を示す。該金属コンポジットは、充填材から形成された２の層５の間に挟持された周期的な金属ばね２を含有する金属マトリクスを含む。

本金属コンポジットは、粉体浸透及び焼結、圧縮成型、射出成型、押出成形、真空浸透、蒸着、電気化学的析出、熱間静水圧圧縮成型、鋳造、またはろう付けの１または複数によって製造される。

上記金属マトリクスの開放空間中に配置された充填材を含有する金属コンポジットを製造するために、任意選択で大気圧を超えるまたは大気圧より低い圧力下で、該充填材を該マトリクス中の開放空間内に含侵させる。任意選択で、上記製造プロセス中に可塑剤、界面活性剤、及び潤滑剤を利用して、該金属マトリクス中の開放空間内への該充填材の浸透（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）または浸透（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）を促進する。粒子、繊維、または他の形状の形態のバインダもまた、特定の比率で上記充填材と混合し、上記金属ばねと充填材との間の結合を容易にしてもよい。所望であれば、かかる可塑剤及び潤滑剤は該製造プロセス後に除去してもよい。特定の実施形態において、上記充填材のマイクロまたはナノサイズの粒子を含む懸濁液が利用される。含浸された金属マトリクスを適宜の高温で焼結してもよい。当該充填材及び金属ばねの材料に基づいて圧力を印加してもよい。他の実施形態において、射出成型、圧縮成型、押出成形、ろう付け、鋳造、蒸着、電気化学的析出、熱間静水圧圧縮成型などによって、充填材を上記金属マトリクス中に導入する。いくつかの実施形態において、熱処理によって本金属コンポジットの残留応力を解放することが望ましい場合がある。例えば、焼結プロセスによって調製された金属コンポジットは、焼結温度よりも約２０〜５０℃低い温度で加熱してもよい。該熱処理の温度及び焼結温度は、過度の実験を行うことなく当業者が決定することができる。

少なくとも部分的にカプセル化された金属コンポジットを製造するために、最初に上記充填材からカプセル化層を形成してもよく、次いで該カプセル化層を上記マトリクスと共に焼結または成型して、本金属コンポジットを形成する。あるいはまたはこれに加えて、上記カプセル化層を上記金属マトリクスに積層またはロウ付けし、このようにして本コンポジットを形成する。別の実施形態において、本金属コンポジットの製造方法は、上記充填材から２の層を形成することと、該２の層の間に上記マトリクスを配置することと、焼結、圧縮成型、またはろう付けの１または複数によって本コンポジットを形成することを含む。上記カプセル化層または充填材層は別個の工程で形成される必要はないことが理解される。例えば、金型に第１の充填材、周期的な金属ばね、及び第２の充填材を充填して配合物を与えてもよい。次いで、該配合物を高温で圧縮して、充填材から形成された２の層の間に配置された金属マトリクスを含む本金属コンポジットを与える。

本開示の金属コンポジットは優れた弾性を有する。図５は、金属コンポジットの例示的な実施形態の荷重−変位曲線を示す。純粋なＰＴＦＥ及びＰＴＦＥ−周期的な金属ばねコンポジット材の両方を、一軸圧縮試験（１，０００ポンド荷重での負荷及び除荷）によって試験した。弾性回復率は、全変位Ｂに対する弾性的すなわち回復可能な変位Ａとして定義することができる。本コンポジット材は全変位がより小さく、弾性回復率（６４．３％）がより高い一方、純粋なＰＴＦＥは全変位がより大きく、弾性回復率がより小さい（４４％）。

本金属コンポジットは広範囲の用途のための物品の調製に有用である。本金属コンポジットを物品の全部または一部を形成するために使用してもよい。したがって、本金属コンポジットを含む物品が提供される。

本金属コンポジットはシーリング用途に使用することができる。例示的なシーリングエレメントとしては、例えば、静的シール材または動的シール材などのシール材；シールシート；回収可能なセメンチング・パックオフ（ｒｅｔｒｉｅｖａｂｌｅ ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ ｐａｃｋｏｆｆ）、ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｂｏｒｅ ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ（ＰＢＲ）パックオフ、ワイヤーライン・パックオフ（ｗｉｒｅｌｉｎｅ ｐａｃｋｏｆｆ）などのパックオフシール材；パッカー；ジョイントシート；ガスケット；ブリッジプラグ（ｂｒｉｄｇｅ ｐｌｕｇｓ）；ポンプパッキン、弁パッキンなどのパッキン等が挙げられる。異なる種類のシーリングエレメントの間で重複があり得る。静的シール材とは、２の固定された不動の構成部材間のシール材をいい、Ｃリング、Ｅリング、Ｏリング、Ｕリング、Ｔリング、Ｌリング、レクタンギュラリング、角リング、Ｘリングなどが挙げられる。動的シール材としては特に限定されず、相対的に可動な一対の部材間の任意のシール材が挙げられる。ガスケットは、２以上の合わせ面の間の空間を充填する機械的シール材である。例示的なガスケットとしては、圧力及び熱にさらされる高性能ガスケット、例えば、自動車用のヘッドガスケット及び排気ガスケット、ならびに製油所用の継手ガスケットが挙げられる。本シーリングエレメントは優れた弾性特性を有する。したがって、シールされるべき表面の隙間及び不完全部を充填して、流体密または気密シールを与えることができる。本シーリングエレメントは、高い耐熱性及び耐久性を更に有することができ、広範な温度範囲で使用することができる。

本物品はダウンホール・エレメントであってよい。例示的な物品としては、シール材、高圧ビードフラックスクリーン・プラグ（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅａｄｅｄ ｆｒａｃ ｓｃｒｅｅｎ ｐｌｕｇｓ）、スクリーン・ベースパイプ・プラグ（ｓｃｒｅｅｎ ｂａｓｅ ｐｉｐｅ ｐｌｕｇｓ）、ボール及びシート用被覆、圧縮パッキンエレメント、エクスパンダブルパッキン（ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｐａｃｋｉｎｇ）エレメント、Ｏリング、ボンドシール材（ｂｏｎｄｅｄ ｓｅａｌ）、弾丸シール材、地下安全弁シール材、地下安全弁フラッパーシール材、動的シール材、Ｖリング、バックアップリング、ドリルビットシール材、ライナーポート・プラグ（ｌｉｎｅｒ ｐｏｒｔ ｐｌｕｇｓ）、大気ディスク（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｉｓｃｓ）、大気チャンバ・ディスク（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｈａｍｂｅｒ ｄｉｓｃｓ）、デブリ・バリア（ｄｅｂｒｉｓ ｂａｒｒｉｅｒｓ）、ｄｒｉｌｌ ｉｎ ｓｔｉｍ ｌｉｎｅｒ ｐｌｕｇｓ、整流装置プラグ（ｉｎｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｐｌｕｇｓ）、フラッパー、シート、ボールシート、直接接続ディスク（ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｎｎｅｃｔ ｄｉｓｋｓ）、ｄｒｉｌｌ−ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｋｓ、ガスリフト弁プラグ、脱水量制御フラッパー（ｆｌｕｉｄ ｌｏｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌａｐｐｅｒｓ）、電動水中ポンプシール材、シェアアウト・プラグ（ｓｈｅａｒ ｏｕｔ ｐｌｕｇｓ）、フラッパー弁、ガスリフト弁、及びスリーブが挙げられる。

本金属コンポジットは、約−６５°Ｆから約１２００°Ｆまでの運転温度の範囲であり、高い耐熱性を有する。したがって、パッカーなどの上記ダウンホール物品は、７５０°Ｆを超えるまたは１０００°Ｆを超える周囲温度の地下の部位から炭化水素を生産するために使用することができる。一実施形態において、本開示の物品は、７５０°Ｆを超える周囲温度で３０日を超える間、熱亀裂、熱劣化または熱分解の１または複数に対して連続して耐性がある。本明細書では、「連続して耐性がある」とは、本炭素コンポジットまたは本炭素コンポジットを含有する物品の約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、約２ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満のみに熱亀裂が起こり、熱劣化が起こり及び／または熱分解が起こることを意味する。

上記ダウンホール物品はまた、坑井を周囲から隔てるまたは仕上げるために用いてもよい。該方法は、１または複数の本ダウンホール物品を備える装置を坑井内に配置することを含む。例えば、上記物品は、１本または複数本のプロダクション・チューブラー（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｕｂｕｌａｒｓ）を取り囲む部位の坑井内の環状部を充填するのに適したタイプであってもよい。本明細書では、用語「プロダクション・チューブラー」とは、例えば、プロダクション・チュービング、プロダクション・ケーシング、中間ケーシング及び、そこを通って炭化水素が地表／水面に流れる機構などの、但しこれらに限定されない、坑井の仕上げに用いられる任意の種類の管を含むと定義される。かかる物品の例としては、非限定的な実施形態において、非標的生産物または水帯などを遮断するために用いられる環状アイソレータが挙げられる。

本物品は、金属マトリクス及び充填材を含有する組成物から、成形もしくは機械加工またはそれらの組み合わせによって直接製造することができる。成形としては、型成型、押出、鋳造、及び積層が挙げられる。機械加工としては、例えば、摩砕機、鋸、旋盤、ルータ、放電機などを用いた、切削、鋸断、切除、摩砕、表面仕上げ、旋盤加工、穿孔などが挙げられる。

本明細書に開示される全ての範囲は端点を含み、該端点は互いに独立に組み合わせ可能である。「または」は「及び／または」を意味する。本明細書では、「組み合わせ」とは、配合物、混合物、合金、反応生成物などを含む。「それらの組み合わせ」とは、列挙された項目の１または複数、及び任意選択で列挙されていない類似の項目を含む組み合わせを意味する。

本発明を記述する文脈における（特に、添付の特許請求の範囲の文脈における）用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」ならびに同様の指示対象の使用は、本明細書中で別段の指示がない限り、または文脈と明らかに矛盾しない限り、単数及び複数の両方を包含するものと解釈されるべきである。更に、本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、いずれの順序、量、または重要性を示すものではなく、一要素を別の要素と区別するために用いられることに留意する必要がある。量に関連して用いられる修飾語「約」は、記載された値を含み、文脈によって指示される意味を有する（例えば、特定の量の測定に伴う誤差の程度を含む）。

例示の目的で代表的な実施形態を説明してきたが、上述の説明は本明細書における範囲に対する限定と見なされるべきではない。したがって、本明細書における趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な改変、適合化、及び代替物が当業者に生じ得る。

Claims (15)

1. 周期的な金属ばね（２）を含む金属マトリクス（１００）と、
   炭素コンポジット、ポリマー、金属、黒鉛、綿、アスベスト、またはガラス繊維の１種または複数種を含む充填材（３）と
   を含み、
   前記充填材（３）が、機械的連結、化学結合、固溶体、または前記周期的な金属ばね（２）と前記充填材（３）との間に配置された活性層の１または複数を介して前記金属マトリクス（１００）に結合されている金属コンポジット（２００〜４００）。
2. 前記周期的な金属ばね（２）が、平均ばねピッチが約０．８〜約７．５ｍｍであり平均ばね径が約０．８〜約７．５ｍｍであるコイルばね（２）を含み、任意選択で前記周期的な金属ばね（２）の平均線径が約０．０８〜約０．５ｍｍであり、任意選択で前記周期的な金属ばね（２）の密度が約０．２〜約４ｇ／ｃｍ^３である、請求項１に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
3. 前記周期的な金属ばね（２）が、鉄合金、ニッケル−クロム基合金、ニッケル合金、銅、または形状記憶合金の１種または複数種を含む、請求項１または請求項２に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
4. 前記充填材（３）の前記炭素コンポジットが、炭素と、ＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｂ、Ｂ_２Ｏ_３、金属、または前記金属の合金の１種または複数種を含有するバインダとを含み、前記金属が、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１種または複数種であり、任意選択で、前記炭素コンポジット中の前記炭素が、膨張化黒鉛、膨張性黒鉛、天然黒鉛、または合成黒鉛の１種または複数種を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
5. 前記充填材（３）の前記金属が、アルミニウム、銅、スズ、または共晶合金の１種または複数種を含む、請求項４に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
6. 前記充填材（３）の前記ポリマーが、アクリロニトリル／ブタジエンゴム、水素化ニトリル／ブタジエン、アクリロニトリル／ブタジエン／カルボキシモノマー、エチレン／プロピレン／ジエンモノマー、フッ素ゴム、パープロオロカーボンゴム、テトラフルオロエチレン／プロピレンゴム、脂肪族ポリアミド、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンスルフィドもしくは架橋ポリフェニレンスルフィド、またはポリカーボネートの１種または複数種を含み、任意選択で前記充填材（３）が強化剤を更に含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
7. 前記充填材（３）が、前記マトリクス内の複数の細孔（１）中に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
8. 前記充填材（３）が、前記マトリクスを少なくとも部分的にカプセル化する被覆を形成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
9. 前記マトリクスが、前記充填材（３）から形成される２の層（５）の間に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
10. 前記充填材（３）に対する前記マトリクスの容積比が約２．５％：９７．５％〜約８０％：２０％である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）。
11. 金属コンポジット（２００〜４００）の製造方法であって、
    周期的な金属ばね（２）を含むマトリクスを充填材（３）と混ぜ合わせることと、
    粉体浸透及び焼結、圧縮成型、射出成型、押出成形、真空浸透、蒸着、電気化学的析出、熱間静水圧圧縮成型、鋳造、またはろう付けの１または複数によって前記金属コンポジット（２００〜４００）を形成することと
    を含む、前記製造方法。
12. 前記充填材（３）から２の層（５）を形成することと、
    前記２の層（５）の間に前記マトリクスを配置することと、
    焼結、圧縮成型、またはろう付けの１または複数によって前記コンポジット（２００〜４００）を形成することと
    を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記充填材（３）からカプセル化層を形成することと、
    前記カプセル化層を前記マトリクスの周囲に配置することと、
    焼結、圧縮成型、またはろう付けの１または複数によって前記金属コンポジット（２００〜４００）を形成することと
    を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属コンポジット（２００〜４００）を含む物品。
15. シール材、高圧ビード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、ボール及びシート用被覆、圧縮パッキンエレメント、エクスパンダブルパッキンエレメント、Ｏリング、ボンドシール材、弾丸シール材、地下安全弁シール材、地下安全弁フラッパーシール材、動的シール材、Ｖリング、バックアップリング、ドリルビットシール材、ライナーポート・プラグ、大気ディスク、大気チャンバ・ディスク、デブリ・バリア、ｄｒｉｌｌ ｉｎ ｓｔｉｍ ｌｉｎｅｒ ｐｌｕｇ、整流装置プラグ、フラッパー、シート、ボールシート、直接接続ディスク、ｄｒｉｌｌ−ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｋ、ガスリフト弁プラグ、脱水量制御フラッパー、電動水中ポンプシール材、シェアアウト・プラグ、フラッパー弁、ガスリフト弁、またはスリーブを含むダウンホール・エレメントである、請求項１４に記載の物品。