專利名稱：納米基質(zhì)金屬復(fù)合材料的制作方法
納米基質(zhì)金屬復(fù)合材料交叉引用的相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求2010年7月30日提交的美國申請(qǐng)US12/847594的權(quán)益，該申請(qǐng)通過引用全部納入本申請(qǐng)。本申請(qǐng)包含了與下面的共同待決申請(qǐng)的主題相關(guān)的主題美國專利申請(qǐng)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，屬于與本申請(qǐng)相同的申請(qǐng)人BakerHughes Incorpora ted of Hous ton, Texas ;并且其在此以其全部通過引用納入本申請(qǐng)。
背景技術(shù)：
井下鉆探和完井工業(yè)的作業(yè)者經(jīng)常使用井筒部件或者工具，由于于它們的功能，僅僅要求所述部件或者工具具有有限的壽命，其遠(yuǎn)小于井的壽命。在部件或者工具的使命完成后，必須將它除去或者處置，以恢復(fù)流體通道的初始尺寸，從而用于包括例如烴生產(chǎn)、CO2封存(seques trat ion)等。部件或者工具的處置通常是通過將該部件或者工具在井筒外研磨或者鉆孔而完成的。這樣的操作通常是耗時(shí)和昂貴的。為了消除對(duì)于研磨或者鉆孔操作的需要，已經(jīng)提出了通過使用各種井筒流體溶解可降解多乳酸聚合物，來除去部件或者工具。但是，這些聚合物通常在井筒的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)不具有履行井筒部件或者工具的功能所必需的機(jī)械強(qiáng)度、斷裂韌度和其他機(jī)械性能，所以它們的應(yīng)用有限。因此，非常期望的是開發(fā)這樣的材料，其能夠用于形成井筒部件和工具，該部件和工具具有履行它們的目標(biāo)功能所必需的機(jī)械性能、然后通過使用井筒流體進(jìn)行的可控溶解被從井筒除去中。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種不例性實(shí)施方案的粉末金屬復(fù)合材料。該粉末復(fù)合材料包括基本上連續(xù)的、泡孔式(cellular)納米基質(zhì),該基質(zhì)包含納米基質(zhì)材料。該復(fù)合材料還包括分散在泡孔式納米基質(zhì)中的多個(gè)分散的第一顆粒，每個(gè)第一顆粒包含第一顆粒芯材料，該芯材料包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合。該復(fù)合材料還包括與分散的第一顆?；セ斓亩鄠€(gè)分散的第二顆粒，每個(gè)第二顆粒包含第二顆粒芯材料，該芯材料包含碳納米顆粒。該復(fù)合材料進(jìn)一步包括在分散的第一顆粒和分散的第二顆粒之間的整個(gè)泡孔式納米基質(zhì)中延伸的固態(tài)結(jié)合層。


現(xiàn)在參見附圖，其中在幾個(gè)圖中相同的元件是相同標(biāo)記的圖1是本文公開的第一粉末10的顯微照片，該粉末已經(jīng)嵌入到環(huán)氧樣品安裝材料中并且進(jìn)行了截面化；圖2是粉末顆粒12的一種示例性實(shí)施方案的示意圖，它是通過圖1的截面2-2所表示的示例性截面圖來顯示的；
圖3是粉末顆粒12的第二示例性實(shí)施方案的示意圖，它是通過圖1的截面2-2所表示的第二示例性截面圖來顯示的；圖4是粉末顆粒12的第二不例性實(shí)施方案的不意圖，它是通過圖1的截面2_2所表示的第三示例性截面圖來顯示的；圖5是粉末顆粒12的第四示例性實(shí)施方案的示意圖，它是通過圖1的截面2-2所表示的第四示例性截面圖來顯示的；圖6是本文公開的粉末的第二示例性實(shí)施方案的示意圖，其具有多峰分布的粒度；圖7是本文公開的粉末的第三示例性實(shí)施方案的示意圖，其具有多峰分布的粒度；圖8是制造本文公開的粉末的方法的一種示例性實(shí)施方案的流程圖；圖9是使用具有單層包覆的粉末顆粒的粉末混合物制成的粉末復(fù)合材料的相鄰第一和第二粉末顆粒的示例性實(shí)施方案的示意圖；圖10是本文公開的由第一粉末和第二粉末形成的、并且具有均勻的多峰分布的粒度的粉末復(fù)合材料的示例性實(shí)施方案的示意圖；圖11是本文公開的由第一粉末和第二粉末形成的、并且具有非均勻的多峰分布的粒度的粉末復(fù)合材料的示例性實(shí)施方案的示意圖。圖12是使用具有多層包覆的粉末顆粒的粉末混合物制成的粉末復(fù)合材料的相鄰第一和第二粉末顆粒的另一種示例性實(shí)施方案的示意圖；圖13是前體粉末復(fù)合材料的示例性實(shí)施方案的橫截面示意圖；和圖14是制造本文公開的粉末復(fù)合材料的一種示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式公開了輕重量、高強(qiáng)度金屬材料，其可以用于廣泛的多種應(yīng)用和應(yīng)用環(huán)境，包括用于不同的井筒環(huán)境來制造不同的可選擇和可控的一次性的或者可降解的輕重量、高強(qiáng)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許多其他的應(yīng)用。這些輕重量、高強(qiáng)度和可選擇的和可控降解的材料包括完全致密的燒結(jié)粉末復(fù)合材料，其由包括不同的輕重量顆粒芯和芯材料(其具有不同的單層和多層納米尺度的涂層)的涂覆粉末材料形成。這些粉末復(fù)合材料是由涂覆的金屬粉末制成的，該涂覆的金屬粉末包括不同電化學(xué)活性(例如具有相對(duì)更高的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位)的輕重量、高強(qiáng)度顆粒芯和芯材料，例如電化學(xué)活性金屬，其分散在由金屬涂層材料不同的納米尺度金屬涂層所形成的泡孔式納米基質(zhì)中，并且在井筒應(yīng)用中是特別有用的。這些粉末復(fù)合材料還包括分散的金屬化的碳納米顆粒。該碳納米顆粒也可以涂覆有不同的單層和多層納米尺度涂層，可以包括與用于涂覆金屬顆粒芯相同的涂層。該金屬化的碳納米顆粒充當(dāng)了粉末復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)劑。它們還可以通過用該碳納米顆粒代替納米基質(zhì)中的一部分的金屬顆粒芯，來進(jìn)一步降低粉末復(fù)合材料的密度。通過使用與用于涂覆顆粒芯相同或者類似的涂覆材料，用于碳納米顆粒的涂層也被結(jié)合到泡孔式納米基質(zhì)中。這些粉末復(fù)合材料提供了獨(dú)特的和有利的機(jī)械強(qiáng)度性能組合，例如壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，低密度以及可選擇的和可控的腐蝕性能，特別是在各種井筒流體中快速的和受控的溶解。例如，這些粉末的顆粒芯和涂層可以選擇來提供適于用作高強(qiáng)度工程化材料的燒結(jié)粉末復(fù)合材料，該高強(qiáng)度工程化材料具有與各種其他工程化材料(包括碳、不銹鋼和合金鋼)相當(dāng)?shù)膲嚎s強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，但是其也具有與各種聚合物、彈性體、低密度多孔陶瓷和復(fù)合材料相當(dāng)?shù)牡兔芏?。作為再另一例子，這些粉末和粉末復(fù)合材料可以配置來提供響應(yīng)環(huán)境條件變化的可選擇的和可控的降解或者處置，例如響應(yīng)由該復(fù)合材料所形成的制品附近的井筒性能或者條件變化(包括與該粉末復(fù)合材料接觸的井筒流體中的性能變化)的從非常低的溶解速率向非?？斓娜芙馑俾实霓D(zhuǎn)變。所述的可選擇的和可控的降解或者處置特性還允許保持由這些材料制成的制品如井筒工具或者其他部件的尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度，直到不再需要它們?yōu)橹?，在此時(shí)，可以改變預(yù)定的環(huán)境條件例如井筒條件，包括井筒流體溫度、壓力或者PH值，來促使它們通過快速溶解而除去。在下面進(jìn)一步描述這些涂覆的粉末材料和粉末復(fù)合材料和由它們制成的工程化材料，以及制造它們的方法。參見圖1-7，一種金屬粉末(其可以用于制作前體粉末復(fù)合材料100 (圖13)和粉末復(fù)合材料200 (圖9-12))包含第一粉末10和第二粉末30,該第一粉末包括多個(gè)金屬包覆的第一粉末顆粒12，和該第二粉末包括多個(gè)包含碳納米顆粒的第二粉末顆粒32。第一粉末顆粒12和第二粉末顆粒32可以形成和互混來提供粉末混合物5 (圖7)，包括自由流動(dòng)性粉末，其可以傾倒于或者置于全部方式的形式或者模具中(未示出)，具有全部方式的形狀和尺寸，并且其能夠用于制作前體粉末復(fù)合材料100 (圖13)和粉末復(fù)合材料200 (圖9-12)，如此處所述的，其可以用作或者用于制造各種制品，包括各種井筒工具和部件。第一粉末10的每個(gè)金屬涂覆的第一粉末顆粒12包括第一顆粒芯14和位于顆粒芯14上的第一金屬涂層16。顆粒芯14包括第一芯材料18。芯材料18可以包括任何適于形成顆粒芯14的材料，其提供了粉末顆粒12，該顆?？梢詿Y(jié)以形成輕重量、高強(qiáng)度的具有可選擇的和可控的溶解特性的粉末復(fù)合材料200。合適的芯材料包括標(biāo)準(zhǔn)氧化電位大于或者等于Zn的電化學(xué)活性金屬,包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合。這些電化學(xué)活性金屬與許多通常的井筒流體是高反應(yīng)性的，所述的井筒流體包括任何數(shù)目的離子流體或者高極性流體，例如包含各種氯化物的這些。例子包括包含氯化鉀(KCl)、鹽酸(HCl)、氯化隹丐(CaCl2)、溴化I丐(CaBr2)或者溴化鋅(ZnBr2)的流體。芯材料18還可以包括電化學(xué)活性小于Zn或者非金屬材料或者它們的組合的其他金屬。合適的非金屬材料包括陶瓷、復(fù)合材料、玻璃或者碳或者它們的組合。芯材料18可以選擇來提供在預(yù)定的井筒流體中高的溶解速率，但是也可以選擇來提供相對(duì)低的溶解速率，包括O溶解，這時(shí)納米基質(zhì)材料快速的溶解使得顆粒芯14在與井筒流體的界面處從顆粒復(fù)合材料上快速破壞和釋放，這樣使用這些芯材料18的顆粒芯14所制成的顆粒復(fù)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，包括在井筒流體中基本不溶的芯材料。關(guān)于作為芯材料18的電化學(xué)活性金屬(包括Mg、Al、Mn或者Zn)，這些金屬可以作為純金屬或者彼此任意的組合來使用，包括這些材料的各種合金組合，包括這些材料的二元、三元或者四元合金。這些組合還可以包括這些材料的復(fù)合材料。此外，除了彼此的組合之外，Mg、Al、Mn或者Zn芯材料18也可以包括其他成分(包括各種合金添加劑)，例如通過改進(jìn)芯材料18的強(qiáng)度、降低密度或者改變?nèi)芙馓匦詠砀淖冾w粒芯14的一種或多種性倉泛。在電化學(xué)活性金屬中，特別有用的是Mg，無論是作為純金屬還是作為合金或者復(fù)合材料，這歸因于它低的密度和形成高強(qiáng)度合金的能力，以及它高的電化學(xué)活性度，因?yàn)樗臉?biāo)準(zhǔn)氧化電位高于Al、Mn或者Zn。Mg合金包括全部的具有Mg作為合金成分的合金。特別有用的是這樣的Mg合金，其與作為合金成分的其他的電化學(xué)活性金屬例如此處所述的金屬相組合，包括二元的Mg-ZruMg-Al和Mg-Mn合金，以及三元的Mg-Zn-Y和Mg-Al-X合金，這里X包括Zn、Mn、S1、Ca或者Y或者它們的組合。這些Mg-Al-X合金可以包括(重量)至多大約85%的Mg、至多大約15%的Al和至多大約5%的X。顆粒芯14和芯材料18，特別是電化學(xué)活性金屬(包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合),也可以包括稀土元素或者稀土元素的組合。作為此處使用的，稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd或者Er或者稀土元素的組合。在存在時(shí)，稀土元素或者稀土元素的組合可以以任何合適的重量量存在，包括大約5%或者更低的量。顆粒芯14和芯材料18具有熔融溫度(Tp)。作為此處使用的，Tpi包括在芯材料18中發(fā)生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管芯材料18是否包含純金屬、具有不同熔融溫度的多相合金或者具有不同熔融溫度的材料的復(fù)合材料。顆粒芯14可以具有任何合適的粒度或者粒度范圍或者粒度分布。例如，可以選擇顆粒芯14來提供用在平均值或者中值左右的正態(tài)或者高斯類型的單峰分布所表示的平均粒度，其通常如圖1所示。在另一例子中，顆粒芯14可以選擇或者混合來提供多峰分布的粒度，包括多個(gè)平均顆粒芯尺寸，例如諸如均勻的雙峰分布的平均粒度，其如圖6通常所示意和示例。顆粒芯尺寸分布的選擇可以用于確定例如第一粉末10的顆粒12的粒度和顆粒間間隙15。在一種示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14可以具有單峰分布，并且平均粒徑是大約5 μ m-大約300 μ m,更具體的大約80 μ m_大約120 μ m,和甚至更具體的大約100 μ m。顆粒芯14可以具有任何合適的顆粒形狀，包括任何規(guī)則的或者不規(guī)則的幾何形狀或者它們的組合。在一種示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14是基本類球體的電化學(xué)活性金屬顆粒。在另一示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14可以包括基本上為不規(guī)則形狀的陶瓷顆粒。在再另一示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14可以包括碳納米管、平坦的石墨烯或者球形納米金剛石結(jié)構(gòu)，或者中空玻璃微球體，或者它們的組合。第一粉末10的每 個(gè)金屬涂覆的粉末顆粒12還包括位于顆粒芯14上的金屬涂層16。金屬涂層16包括金屬涂覆材料20。金屬涂覆材料20為粉末顆粒12和第一粉末10賦予它的金屬性。金屬涂層16是納米尺寸涂層。在一種示例性實(shí)施方案中，金屬涂層16的厚度可以是大約25nm-大約2500nm。金屬涂層16的厚度可以在顆粒芯14的表面上變化，但是優(yōu)選在顆粒芯14表面上具有基本均勻的厚度。金屬涂層16可以包括如圖2所示的單層，或者作為多層涂層結(jié)構(gòu)的多層，如圖3-5所示的至多4層。在單層涂層中，或者在多層涂層的每個(gè)層中，金屬涂層16可以包括單成分化學(xué)元素或者化合物，或者可以包括多個(gè)化學(xué)元素或者化合物。在包括多個(gè)化學(xué)成分或者化合物的層的情況中，它們可以具有全部方式的均勻或者非均勻分布，包括冶金相的均勻或者非均勻分布。這可以包括梯度分布，在這里相關(guān)量的化學(xué)成分或者化合物根據(jù)各自的成分曲線沿著層厚度而變化。在單層和多層金屬涂層16中，各自的層或者它們的組合中的每個(gè)可以用于為粉末顆粒12或者由其所形成的燒結(jié)的粉末復(fù)合材料提供預(yù)定的性能。例如，該預(yù)定的性能可以包括顆粒芯14和涂覆材料20之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度；顆粒芯14和金屬涂層16之間的相互擴(kuò)散特性，包括多層涂層16的層之間的任何相互擴(kuò)散；多層涂層16的各層之間的相互擴(kuò)散特性；一個(gè)粉末顆粒和相鄰粉末顆粒12的金屬涂層16之間的相互擴(kuò)散特性；相鄰的燒結(jié)的粉末顆粒12的金屬涂層(包括多層涂層的最外層)之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度；和涂層16的電化學(xué)活性。金屬涂層16和涂覆材料20具有熔融溫度(Tci)。作為此處使用的，Tci包括在涂覆材料20內(nèi)發(fā)生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管涂覆材料20是否包含純金屬、具有多相(每個(gè)具有不同的熔融溫度)的合金或者復(fù)合材料，包括包含多個(gè)具有不同的熔融溫度的涂覆材料層的復(fù)合材料。金屬涂覆材料20可以包括任何合適的金屬涂覆材料20，其具有能燒結(jié)的外表面21，該外表面配置為燒結(jié)到相鄰的也具有金屬涂層16和能燒結(jié)的外表面21的粉末顆粒12上。在此處所述的粉末混合物(其包括第一粉末10和第二粉末30，該第二粉末也包括第二或者另外的(涂覆的或者未涂覆的)顆粒32)中，金屬涂層16的能燒結(jié)的外表面21也配置為燒結(jié)到第二顆粒32的能燒結(jié)的外表面21上。在一種示例性實(shí)施方案中，該第一粉末顆粒12和第二粉末顆粒32是在預(yù)定的燒結(jié)溫度(Ts)能燒結(jié)的，該溫度是第一和第二芯材料18、38和第一和第二涂覆材料20、40的函數(shù)，以使得粉末復(fù)合材料200的燒結(jié)是完全在固態(tài)完成的，并且這里Ts小于TP1、TP2、TC1和TC2。在固態(tài)的燒結(jié)限制了顆粒芯金屬涂層與固態(tài)擴(kuò)散過程和冶金傳輸現(xiàn)象的相互作用，并且限制了它們之間所形成的界面的生長和提供了對(duì)其的控制。相反，例如，液相燒結(jié)的引入將提供顆粒芯和金屬涂層材料的快速相互擴(kuò)散和使得它難以限制它們之間所形成的界面的生長和提供對(duì)其的控制，和因此干擾此處所述的顆粒復(fù)合材料200令人期望的微觀結(jié)構(gòu)的形成。在一種示例性實(shí)施方案中，芯材料18將選擇來提供芯化學(xué)組成，涂覆材料20將選擇來提供涂層化學(xué)組成，并且這些化學(xué)組成也將選擇為彼此不同。在另一種示例性實(shí)施方案中，芯材料18將選擇來提供芯化學(xué)組成和涂覆材料20將選擇來提供涂層化學(xué)組成，并且這些化學(xué)組成也將選擇為在它們的界面處彼此不同。涂覆材料20和芯材料18的化學(xué)組成差異可以選擇來為它們混入其中的粉末復(fù)合材料200提供不同的溶解速率和可選擇的和可控的溶解，這使得它們的溶解性是可選擇和可控的。這包括溶解速率，其是根據(jù)井筒中變化的條件而變化的，包括井筒流體中間接或者直接的變化。在一種示例性實(shí)施方案中，粉末復(fù)合材料200是由具有芯材料18和涂覆材料20的化學(xué)組成的第一粉末10形成的，這使得復(fù)合材料200能夠根據(jù)變化的井筒條件而選擇性溶解在井筒流體中，所述的變化的井筒條件包括井筒流體溫度的變化、壓力的變化、流速的變化、PH的變化或者化學(xué)組成的變化或者它們的組合。對(duì)于改變的條件的可選擇的溶解響應(yīng)可以是由促進(jìn)了不同的溶解速率的實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)或者方法形成的，但是也涵蓋溶解響應(yīng)中的變化，該變化是與物理反應(yīng)或者方法有關(guān)的，例如井筒流體壓力或者流速的變化。在第一粉末10的一種示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合作為芯材料18，和更具體的可以包括純Mg和Mg合金，并且金屬涂層16包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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組合，作為涂覆材料20。在第一粉末10的另外一種示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合作為芯材料18，和更具體的可以包括純Mg和Mg合金，并且金屬涂層16包括單層的Al或者Ni或者它們的組合作為涂覆材料20，如圖2所示。這里金屬涂層16包括兩種或者更多種成分例如Al和Ni的組合，該組合可以包括這些材料不同等級(jí)的或者共沉積的結(jié)構(gòu)，這里每個(gè)成分的量，和因此所述層的組成，是沿著層厚度變化的，同樣如圖2所
/Jn ο在再另一種示例性實(shí)施方案中，顆粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合作為芯材料18，和更具體的可以包括純Mg和Mg合金，并且涂層16包括兩個(gè)層作為芯材料20,如圖3所示。第一層22位于顆粒芯14表面上，并且包括Al或者Ni或者它們的組合，如此處所述。第二層24位于第一層的表面上，并且包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它們的組合，并且該第一層的化學(xué)組成不同于第二層的化學(xué)組成。通常，第一層22將選擇來提供與顆粒芯14強(qiáng)的冶金結(jié)合和來限制顆粒芯14與涂層16、特別是與第一層22之間的相互擴(kuò)散。第二層24可以選擇來提高金屬涂層16的強(qiáng)度，或者來提供強(qiáng)的冶金結(jié)合和促進(jìn)與相鄰的粉末顆粒12的第二層24的燒結(jié)，或者二者。在一種示例性實(shí)施方案中，金屬涂層16各自的層可以選擇來促進(jìn)涂層16對(duì)于此處所述的井筒(包括井筒流體)性能變化響應(yīng)的選擇性和可控的溶解。但是，這僅僅是示例性的，并且應(yīng)當(dāng)理解還可以使用用于不同層的其他選擇標(biāo)準(zhǔn)。例如，任何的各自層可以選擇來促進(jìn)涂層16對(duì)于此處所述的井筒(包括井筒流體)性能變化響應(yīng)的選擇性和可控的溶解。用于含Mg的顆粒芯14上的示例性實(shí)施方案的兩層金屬涂層16包括第一 /第二層組合，該組合包含Al/Ni和 A1/W。在再另一種實(shí)施方案,顆粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合作為芯材料18，和更具體的可以包括純Mg和Mg合金，并且涂層16包括三層，如圖4所示。第一層22位于顆粒芯14上，并且可以包括Al或者Ni或者它們的組合。第二層24位于第一層22上，并且可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni，或者其氧化物、氮化物或者碳化物，或者任何前述第二層材料的組合。第三層26位于第二層24上，并且可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或者它們的組合。在三層構(gòu)造中，相鄰層的組成是不同的，這樣第一層的化學(xué)組成不同于第二層，第二層的化學(xué)組成不同于第三層。在一種示例性實(shí)施方案中，第一層22可以選擇來提供與顆粒芯14強(qiáng)的冶金結(jié)合和限制顆粒芯14與涂層16、特別是與第一層22之間的相互擴(kuò)散。第二層24可以選擇來提高金屬涂層16的強(qiáng)度，或者限制顆粒芯14或者第一層22與外層或者第三層26之間的相互擴(kuò)散，或者促進(jìn)第三層26和第一層22之間的附著性和強(qiáng)的冶金結(jié)合，或者它們?nèi)我獾慕M合。第三層26可以選擇來提供強(qiáng)的冶金結(jié)合和促進(jìn)與相鄰的粉末顆粒12的第三層26的燒結(jié)。但是，這僅僅是示例性的，并且將理解還可以使用用于不同層的其他選擇標(biāo)準(zhǔn)。例如，任何的各自的層可以選擇來促進(jìn)涂層16對(duì)于此處所述的井筒(包括井筒流體)性能變化響應(yīng)的可選擇性和可控的溶解。用于含Mg的顆粒芯上的一種示例性實(shí)施方案的三層涂層包括第一/第二/第三層的組合，該組合包含 A1/A1203/A1。在再另一實(shí)施方案中，顆粒芯14包括Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合作為芯材料18，和更具體的可以包括純Mg和Mg合金，并且涂層16包括四層，如圖5所示。在該四層構(gòu)造中，第一層22可以包括Al或者Ni或者它們的組合，如此處所述。第二層24可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物、碳化物，或者前述第二層材料的組合。第三層26還可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者其氧化物、氮化物或者碳化物,或者任何前述第三層材料的組合。第四層28可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或者它們的組合。在該四層構(gòu)造中，相鄰層的化學(xué)組成是不同的，這樣第一層22的化學(xué)組成不同于第二層24的化學(xué)組成，第二層24的化學(xué)組成不同于第三層26的化學(xué)組成，和第三層26的化學(xué)組成不同于第四層28的化學(xué)組成。在一種示例性實(shí)施方案中，各層的選擇將類似于上面的三層構(gòu)造中關(guān)于內(nèi)層(第一層)和外層(第四層)所述那樣，并且第二和第三層可用于提供增強(qiáng)的層間附著性、整個(gè)金屬涂層16的強(qiáng)度、受限制的層間擴(kuò)散或者可選擇的和可控的溶解或者它們的組合。但是，這僅僅是示例性的，并且將理解還可以使用用于各層的其他選擇標(biāo)準(zhǔn)。例如，任何的各自的層可以選擇來促進(jìn)涂層16對(duì)于此處所述的井筒(包括井筒流體)性能變化響應(yīng)的可選擇性和可控的溶解。在多層構(gòu)造中不同層的厚度可以以任何方式在該不同的層之間分配，只要層厚度的總和提供了包括此處所述的層厚的納米尺寸的涂層16就行。在一種實(shí)施方案中，第一層22和外層(24、26或者28，這取決于層數(shù))可以厚于所存在的其他層，這歸因于在粉末復(fù)合材料200燒結(jié)過程中，期望提供足夠的材料來促進(jìn)第一層22與顆粒芯14期望的結(jié)合，或者相鄰的粉末顆粒12外層的結(jié)合。第一粉末10還包括散布在多個(gè)第一粉末顆粒12中的另外的或者第二粉末30，如圖7所示。在一種示例性實(shí)施方案中，第二粉末30包括多個(gè)第二粉末顆粒32。第二粉末顆粒32包含第二顆粒芯34，該芯包括第二顆粒芯材料38。第二顆粒芯材料38可以包括各種碳納米材料，包括各種碳納米顆粒，更具體來說是碳的納米尺寸微粒同素異形體。這可以包括碳的任何合適的同素異形體形式，包括任何實(shí)心微粒同素異形體，和特別是包括任何包含石墨烯、富勒烯或者納米金剛石顆粒結(jié)構(gòu)的納米顆粒。合適的富勒烯可以包括巴奇球(buckeyball)、巴奇球族(buckeyballculsters)、巴奇紙(buckeypaper)或者納米管，包括單壁納米管和多壁納米管。富勒烯還包括任何上面的三維聚合物。合適的富勒烯還可以包括茂金屬富勒烯，或者包含各種金屬或者金屬離子的這些。巴奇球可以包括任何合適的球尺寸或者直徑，包括具有任何碳原子數(shù)的基本上類球體構(gòu)造，包括c6(l、C70> C76> C84等。單壁和多壁納米管二者是基本上圓柱形的，可以具有任何預(yù)定的管長度或者管直徑，或者它們的組合。多壁納米管可以具有任何預(yù)定數(shù)目的壁。石墨烯納米顆?？梢允侨魏魏线m的預(yù)定平面尺寸，包括任何預(yù)定的管長度或者預(yù)定的外徑，因此可以包括任何預(yù)定數(shù)目的碳原子。納米金剛石可以包括任何合適的類球體構(gòu)造，其具有任何預(yù)定的球體直徑，包括多個(gè)不同的預(yù)定直徑。第二顆粒芯34和第二芯材料38具有熔融溫度(Tp2)。作為此處使用的，Tp2包括在第二芯材料38內(nèi)發(fā)生開始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融時(shí)的最低溫度。第二顆粒芯34可以具有任何合適的粒度或者粒度范圍或者粒度分布。例如，該第二顆粒芯34可以選擇來提供在平均值或者中值左右的正態(tài)或者高斯類型單峰分布所代表的平均粒度，其類似于圖1中第一顆粒芯14的通常所示。在另一例子中，第二顆粒芯34可以選擇或者混合來提供多峰分布的粒度，包括多個(gè)平均顆粒芯尺寸，例如諸如均勻的雙峰分布的平均粒度，類似于圖6中第一顆粒芯14通常所顯示和所示意的那樣。由于這樣的事實(shí)，即，第一和第二粉末顆粒12、32 二者可以具有單峰或者多峰粒度分布，粉末混合物5可以具有單峰或者多峰分布的粒度。此外，第一和第二粉末顆粒的混合物可以是均勻的或者非均勻的。這些第二粉末顆粒32可以選擇為改變由第一粉末10和第二粉末30所形成的粉末顆粒復(fù)合材料200的物理、化學(xué)、機(jī)械或者其他性能，或者這樣的性能的組合。在一種示例性實(shí)施方案中，該性能變化可以包括提高由第一粉末10和第二粉末30所形成的粉末復(fù)合材料200的壓縮強(qiáng)度。在另一示例性實(shí)施方案中，第二粉末30可以選擇來促進(jìn)由第一粉末10和第二粉末30所形成的顆粒復(fù)合材料200響應(yīng)此處所述的井筒(包括井筒流體)的性能變化的可選擇性和可控的溶解。第二粉末顆粒32包括未涂覆的第二顆粒芯34或者可以包括涂覆有金屬涂層36的第二顆粒芯34。當(dāng)涂覆時(shí)(包括單層或者多層涂層)，第二粉末顆粒32的涂層36可以包含與粉末顆粒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。在示例性的實(shí)施方案中，此處所述的任意的示例性單層和多層金屬涂層16組合也可以位于第二顆粒芯34上作為第二金屬涂層36。第二粉末顆粒32 (未涂覆的)或者顆粒芯34可以包括任何合適的碳納米顆粒來提供期望的益處。在一種示例性的實(shí)施方案中，當(dāng)使用具有第一顆粒芯14(其包含Mg、Al、Mn或者Zn或者它們的組合)的涂覆的粉末顆粒12時(shí)，具有第二顆粒芯34的合適的第二粉末顆粒32可以包括此處所述的示例性的碳納米顆粒。因?yàn)榈诙勰╊w粒32也將配置來用于在預(yù)定的燒結(jié)溫度(Ts)固態(tài)燒結(jié)到粉末顆粒12上，顆粒芯34將具有熔融溫度Tp2和任何涂層36將具有第二熔融溫度Te2，這里Ts也小于Tp2和還將理解第二粉末30不限于一種另外的粉末顆粒32類型(即，第二粉末顆粒)，而是可以包括任意數(shù)目的多個(gè)第二粉末顆粒32 (即，第二、第三、第四等類型的第二粉末顆粒32)。未涂覆的第二顆粒32還可以包括官能化的碳納米顆粒，該納米顆粒不包括金屬涂層，而是使用化學(xué)官能度的任何合適的化學(xué)或者物理結(jié)合，從而用任何期望的化學(xué)官能度來官能化的。官能化的碳納米顆?？梢杂糜趲椭鷮⑻技{米顆粒結(jié)合到納米基質(zhì)材料220中。參見圖8，公開了一種制造第一粉末10或者第二粉末30的示例性實(shí)施方案的方法300。方法300包括形成310此處所述的多個(gè)第一或者第二顆粒芯14、34。方法300還包括將第一或者第二金屬涂層16、36沉積320到多個(gè)各自的第一或者第二顆粒芯14、34的每個(gè)上。沉積320是這樣的方法，通過其將第一或者第二涂層16、36布置到此處所說的各自的第一或者第二顆粒芯14、34的每個(gè)上。第一或者第二顆粒芯14、34的形成310可以通過用于形成期望的第一或者第二芯材料18、38的多個(gè)第一或者第二顆粒芯14、34的任何合適的方法來進(jìn)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。第一顆粒芯14的合適的金屬粉末形成方法可以包括機(jī)械方法；其包括機(jī)加工、研磨、沖擊和其他用于形成金屬粉末的機(jī)械方法；化學(xué)方法，其包括化學(xué)分解、從液體或者氣體中沉淀、固-固反應(yīng)性合成、化學(xué)氣相沉積和其他化學(xué)粉末形成方法；霧化方法，包括氣體霧化法、液體和水霧化法、離心霧化法、等離子體霧化法和其他用于形成粉末的霧化方法；和不同的蒸發(fā)和冷凝方法。在一種示例性的實(shí)施方案中，包含Mg的第一顆粒芯14可以使用霧化方法來制作，例如真空噴霧成形或者惰性氣體噴霧成形。在另一示例性實(shí)施方案中，包含碳納米管的第二顆粒芯34可以使用電弧放電、激光消融、高壓一氧化碳或者化學(xué)氣相沉積來形成。第一或者第二金屬涂層16、36在多個(gè)各自的第一或者第二顆粒芯14、34上的沉積320可以使用任何合適的沉積方法來進(jìn)行，包括不同的薄膜沉積方法，例如諸如化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積方法。在一種不例性的實(shí)施方案中，第一或者第二金屬涂層16、36的沉積320可以使用流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)來進(jìn)行。第一或者第二金屬涂層16、36通過FBCVD的沉積320包括在合適的條件(包括溫度、壓力和流速條件等)下，將作為涂覆介質(zhì)的反應(yīng)性流體(其包括期望的第一或者第二金屬涂覆材料20、40)流過在反應(yīng)器容器中流化的各自的第一或者第二顆粒芯14、34的床，所述的條件足以引起涂覆介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，來產(chǎn)生期望的第一或者第二金屬涂覆材料20、40和誘導(dǎo)它在第一或者第二顆粒芯14、34表面上沉積來形成第一或者第二涂覆的粉末顆粒12、32。所選擇的反應(yīng)性流體將取決于所期望的金屬涂覆材料20，并且將典型的包含有機(jī)金屬化合物，該化合物包括待沉積的金屬材料例如四羰基鎳(Ni (CO)4)、六氟化鎢(WF6)和三乙基鋁(C6H15Al),其是在載流體例如氦氣或者氬氣中傳輸?shù)?。該反?yīng)性流體(包括載流體)導(dǎo)致至少一部分的多個(gè)第一或者第二顆粒芯14、34懸浮到流體中，由此使得各自的第一或者第二懸浮的顆粒芯14、34的整個(gè)表面能夠曝露于該反應(yīng)性流體，包括例如期望的有機(jī)金屬成分，和使得第一或者第二金屬涂覆材料20、40和第一或者第二涂層16、36能夠沉積到第一或者第二顆粒芯14、34的整個(gè)表面上，以使得它們每個(gè)變得緊密，形成此處所述的具有第一或者第二金屬涂層16、36的第一或者第二涂覆的顆粒12、32。同樣如此處所述的，每個(gè)第一或者第二金屬涂層16、36可以包括多個(gè)涂層。第一或者第二涂覆材料20、40可以如下沉積在多層中來形成多層的第一或者第二金屬涂層16、36 :通過重復(fù)上述的沉積320步驟，并且改變330該反應(yīng)性流體來提供用于每個(gè)隨后的層的期望的第一或者第二金屬涂覆材料20、40，這里每個(gè)隨后的層沉積在各自的第一或者第二顆粒芯14、34的外表面上，其已經(jīng)包括了構(gòu)成第一或者第二金屬涂層16、36的任何事先沉積的層。各自層(例如22、24、26、28等)的第一或者第二金屬涂覆材料20、40可以彼此不同，并且可以通過使用不同的反應(yīng)性介質(zhì)來提供差異，所述的反應(yīng)性介質(zhì)被配置來在流化床反應(yīng)器中在第一或者第二顆粒芯14、34上產(chǎn)生期望的第一或者第二金屬涂層16、36。

如圖1所示，在一種示例性的實(shí)施方案中，第一和第二顆粒芯14、34和第一和第二芯材料18、38和第一和第二金屬涂層16、36和第一和第二涂覆材料20、40可以選擇來提供第一和第二粉末顆粒12、32和第一和第二粉末10、30，其可以組合成此處所述的混合物和配置來用于壓實(shí)和燒結(jié)，來提供粉末復(fù)合材料200，該復(fù)合材料是輕重量(S卩，具有相對(duì)低的密度)、高強(qiáng)度的，并且通過響應(yīng)井筒性能的變化而能夠可選擇的和可控的從井筒中除去，包括可選擇的和可控的溶解在適當(dāng)?shù)木擦黧w中，包括此處所述公開的各種井筒流體。粉末復(fù)合材料200包括納米基質(zhì)材料220的基本上連續(xù)的、泡孔式納米基質(zhì)216，其具有分散在整個(gè)泡孔式納米基質(zhì)216中的多個(gè)分散的第一顆粒214和分散的第二顆粒234。該基本連續(xù)的泡孔式納米基質(zhì)216和由燒結(jié)的第一和第二金屬涂層16、36所形成的納米基質(zhì)材料220是通過壓實(shí)和燒結(jié)多個(gè)第一和第二粉末顆粒12、32的多個(gè)第一和第二金屬涂層16、36來形成的。納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成可以不同于第一或者第二涂覆材料20、40，這歸因于與此處所述的燒結(jié)有關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。粉末金屬復(fù)合材料200還包括多個(gè)第一和第二分散的顆粒214、234，其包含第一和第二顆粒芯材料218、238。當(dāng)?shù)谝缓偷诙饘偻繉?6、36燒結(jié)在一起來形成納米基質(zhì)216時(shí)，第一和第二分散的顆粒芯214、234和第一和第二芯材料218、238對(duì)應(yīng)于并且是由多個(gè)第一和第二粉末顆粒12、32的多個(gè)第一和第二顆粒芯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的化學(xué)組成可以不同于第一和第二芯材料18、38，這歸因于與此處所述的燒結(jié)有關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。
作為此處使用的，使用術(shù)語基本上連續(xù)的泡孔式納米基質(zhì)216不表示該粉末復(fù)合材料的主要成分，而是指的是少數(shù)成分，無論是重量還是體積單位都是如此。這有別于大部分的基質(zhì)復(fù)合材料(這里該基質(zhì)包含重量或者體積單位的主要成分)。使用術(shù)語基本上連續(xù)的泡孔式納米基質(zhì)目的是描述納米基質(zhì)材料220在粉末復(fù)合材料200中廣泛的、規(guī)則的、連續(xù)的和互連性質(zhì)的分布。作為此處使用的，“基本上連續(xù)的”描述了納米基質(zhì)材料在整個(gè)粉末復(fù)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顆粒214、234之間和包封著其來延伸?！盎旧线B續(xù)的”被用于表示納米基質(zhì)在第一和第二分散的顆粒214、234的每個(gè)周圍上完全連續(xù)和規(guī)則次序不是需要的。例如，在第一或者第二粉末顆粒12、32的一些上的第一或者第二顆粒芯14、34上的第一或者第二涂層16、36中的缺陷會(huì)引起該第一或者第二顆粒芯14、34在粉末復(fù)合材料200燒結(jié)過程中的某些橋連，由此在泡孔式納米基質(zhì)216中引起局部的不連續(xù)性，即使在該粉末復(fù)合材料的其他部分中，該納米基質(zhì)是基本上連續(xù)的和表現(xiàn)出此處所述的結(jié)構(gòu)時(shí)也是如此。作為此處使用的，使用“泡孔式”來表示該納米基質(zhì)限定出了納米基質(zhì)材料220通常重復(fù)性的、互連的隔室或者泡孔網(wǎng)絡(luò)，所述基質(zhì)材料包含以及互連了第一和第二分散的顆粒214、234。作為此處使用的，“納米基質(zhì)”被用于描述基質(zhì)的尺寸或者大小，特別是相鄰的第一或者第二分散的顆粒214、234之間的基質(zhì)的厚度。金屬涂層(其燒結(jié)在一起來形成納米基質(zhì))它們本身是納米尺寸厚度的涂層。因?yàn)樵诖蟛糠治恢蒙?而非大于兩種的第一或者第二分散的顆粒214、234的交集區(qū)域)的納米基質(zhì)通常包含來自具有納米尺寸厚度的相鄰的第一或者第二粉末顆粒12、32的兩個(gè)第一或者第二涂層16、36的相互擴(kuò)散和結(jié)合，所形成的基質(zhì)也具有納米尺寸厚度(例如，是此處所述的涂層厚度的大約2倍)和是因此被稱作納米基質(zhì)。此外，使用術(shù)語第一或者第二分散的顆粒214、234不意味著粉末復(fù)合材料200的較小成分，而是指的是主要成分，無論是重量還是體積單位的都是如此。使用術(shù)語分散的顆粒目的是覆蓋不連續(xù)的或者離散的分布在粉末復(fù)合材料200中的第一或者第二顆粒芯材料218、238。粉末復(fù)合材料200可以具有任何期望的形狀或者尺寸，包括圓柱形塊或者棒，其可以機(jī)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。使用壓縮來形成前體粉末復(fù)合材料100，并且使用燒結(jié)和壓縮方法來形成粉末復(fù)合材料200和變形該第一和第二粉末顆粒12、32，包括第一和第二顆粒芯14、34和第一和第二涂層16、36，來提供粉末復(fù)合材料200的全密度和期望的宏觀形狀和尺寸以及它的微觀結(jié)構(gòu)。粉末復(fù)合材料200的微觀結(jié)構(gòu)包括第一和第二分散的顆粒214、234的各方等大的構(gòu)造，所述的第一和第二分散的顆粒214、234分散在燒結(jié)的涂層的基本連續(xù)的泡孔式納米基質(zhì)216的整個(gè)中和嵌入其中。這個(gè)微觀結(jié)構(gòu)有一些類似于具有連續(xù)的晶界相的等軸晶微觀結(jié)構(gòu)，除了它不需要使用能夠產(chǎn)生這樣的結(jié)構(gòu)的、具有熱力學(xué)相均衡性能的合金成分。而是，燒結(jié)的第一或者第二金屬涂層16、36的這種各方等大的分散的顆粒結(jié)構(gòu)和泡孔式納米基質(zhì)216可以使用成分來產(chǎn)生，這里熱力學(xué)相均衡條件將不產(chǎn)生各方等大的結(jié)構(gòu)。該顆粒層的第一和第二分散的顆粒214、234和泡孔式納米基質(zhì)216的各方等大形態(tài)是由該第一和第二粉末顆粒12、32在它們壓實(shí)和相互擴(kuò)散和變形來填充顆粒間空間15時(shí)的燒結(jié)和變形來形成的(圖1)。燒結(jié)溫度和壓力可以選擇來確保粉末復(fù)合材料200的密度實(shí)現(xiàn)基本上全部的理論密度。在圖1所示的一種示例性的實(shí)施方案中，分散的第一和第二顆粒214、234是由分散在燒結(jié)的第一和第二金屬涂層16、36的泡孔式納米基質(zhì)216中的第一和第二顆粒芯14、34形成的，并且該納米基質(zhì)216包括固態(tài)冶金結(jié)合217或者結(jié)合層219，如圖9所示，其在第一或者第二分散的顆粒214、234之間延伸在整個(gè)的泡孔式納米基質(zhì)216中，其是在燒結(jié)溫度(Ts)形成的，這里Ts小于Ta、Tc2和ΤΡ2。如所示的，固態(tài)冶金結(jié)合217是通過相鄰的第一或者第二粉末顆粒12、32的第一或者第二涂層16、36之間的固態(tài)相互擴(kuò)散而以固態(tài)形式形成的，該相鄰的第一或者第二粉末顆粒12、32是在用于形成此處所述的粉末復(fù)合材料200的壓實(shí)和燒結(jié)方法過程中被壓成接觸點(diǎn)。同樣的，泡孔式納米基質(zhì)216的燒結(jié)的涂層16包括固態(tài)結(jié)合層219，該結(jié)合層的厚度(t)是由第一或者第二涂層16、36的第一或者第二涂覆材料20、40的相互擴(kuò)散程度來限定的，其將依次通過涂層16的性質(zhì)來限定，包括它們是單層涂層還是多層涂層，它們被選擇來促進(jìn)還是限制這樣的相互擴(kuò)散，以及此處所述的其他因素，以及用于形成粉末復(fù)合材料200的燒結(jié)和壓實(shí)條件，包括燒結(jié)時(shí)間、溫度和壓力。當(dāng)納米基質(zhì)216 (包括結(jié)合217和結(jié)合層219)形成時(shí)，第一或者第二金屬涂層16、36的化學(xué)組成或者相分布或者二者會(huì)發(fā)生改變。納米基質(zhì)216也具有熔融溫度(TM)。作為此處使用的，Tm包括在納米基質(zhì)216中將發(fā)生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管納米基質(zhì)材料220是否包含純金屬、具有多相(每個(gè)具有不同的熔融溫度)的合金或者復(fù)合材料(包括包含具有不同的熔融溫度不同涂覆材料的多個(gè)層的復(fù)合材料)或者它們的組合，或者其他的。當(dāng)分散的第一和第二顆粒214、234和第一和第二顆粒芯材料218、238與納米基質(zhì)216 —起形成時(shí)，金屬涂層16的成分向顆粒芯14中的擴(kuò)散也是可能的，這會(huì)導(dǎo)致第一或者第二顆粒芯14、34的化學(xué)組成或者相分布的變化，或者二者都變化。結(jié)果，分散的第一和第二顆粒214、234和第一和第二顆粒芯材料218、238會(huì)具有各自的熔融溫度(TDP1、Tdp2)，其不同于TP1、TP2。作為此處使用的，TDP1、TDP2包括在分散的第一和第二顆粒214、234中發(fā)生初始熔融或者液化或者其他形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管第一或者第二顆粒芯材料218、238是否包含純金屬、具有多相(每個(gè)具有不同的熔融溫度)的合金或者復(fù)合材料，或者其他的。粉末復(fù)合材料200是在燒結(jié)溫度(Ts)形成的，這里 Ts 小于 Τα、Τα、Tp1、ΤΡ2、TM、Tdpi 和 Tdp2。分散的第一和第二顆粒214、234可以包含這里所述的用于第一和第二顆粒芯14、34的任何材料，即使分散的第一和第二顆粒214、234的化學(xué)組成會(huì)因?yàn)檫@里所述的擴(kuò)散效應(yīng)而不同時(shí)也是如此。在一種示例性的實(shí)施方案，第一分散的顆粒214是由包含標(biāo)準(zhǔn)氧化電位大于或者等于Zn的材料(包括Mg、A1、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合)的第一顆粒芯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與第一顆粒芯14 一起公開的這些成分的其他組合。在這些材料中，特別有用的是那些，其具有含Mg的第一分散的顆粒214和由此處所述的金屬涂層16形成的納米基質(zhì)216。Mg、A1、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合的分散的第一顆粒214和第一顆粒芯材料218還可以包括稀土元素或者所公開的稀土元素與顆粒芯14 一起的組合。在這種示例性的實(shí)施方案，分散的第二顆粒234是由包含碳納米顆粒的第二顆粒芯34形成的，其包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇紙、單壁納米管和多壁納米管。在另一示例性的實(shí)施方案中，分散的顆粒214是由這樣的顆粒芯14形成的，該顆粒芯包含電化學(xué)活性小于Zn的金屬或者非金屬材料。合適的非金屬材料包括陶瓷、玻璃(例如空心玻璃微球)或者碳或者它們的組合，如此處所述。在這種示例性的實(shí)施方案，分散的第二顆粒234是由這樣的第二顆粒芯34形成的，該顆粒芯包含碳納米顆粒，包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇紙、單壁納米管和多壁納米管。粉末復(fù)合材料200的第一和第二分散的顆粒214、234可以具有任何合適的粒度，包括此處所述的第一和第二顆粒芯14、34的平均粒度。第一和第二分散的顆粒214、234的分散體的性質(zhì)會(huì)受到用于制造顆粒復(fù)合材料200的第一和第二粉末10、30或者粉末10、30的影響。第一和第二分散的顆粒214、234可以具有任何合適的形狀，這取決于所選擇的第一和第二顆粒芯14、34和第一和第二粉末顆粒12、32的形狀，以及用于燒結(jié)和復(fù)合材料第一粉末10的方法。在一種不例性的實(shí)施方案中，第一和第二粉末顆粒12、32可以是類球體或者大體上類球體的，并且第一和第二分散的顆粒214、234可以包括此處所述的各方等大的顆粒構(gòu)造。在其他示例性的實(shí)施方案，第一粉末顆粒12可以是類球體或者基本上類球體，并且第二粉末顆粒32可以平坦的(如其中它們包含石墨烯的情況)或者是管狀的(如其中它們包含納米管的情況)或者類球體的(如其中它們包含巴奇球、巴奇球蔟或者納米金剛石的情況)或者其他非球形的形式。在這些實(shí)施方案中，會(huì)產(chǎn)生非各方等大的顆粒結(jié)構(gòu)或者微結(jié)構(gòu)，這里該第二分散的顆粒234在相鄰的第一顆粒214之間延伸，或者包卷或者包裹在第一顆粒214的周圍。使用基本球形的第一粉末顆粒12和非球形的粉末顆粒234的組合能夠產(chǎn)生許多非各方等大的微結(jié)構(gòu)。在另一示例性實(shí)施方案中，該第二粉末顆粒232可以是未涂覆的，這樣分散的第二顆粒234嵌入到納米基質(zhì)216中。作為本文公開的，第一粉末10和第二粉末30可以混合來形成分散的第一顆粒214和分散的第二顆粒234均勻的分散體(如圖10所示)或者來形成這些顆粒非均勻的分散體(如圖11所示)。納米基質(zhì)216是彼此燒結(jié)在一起的第一和第二金屬涂層16、36的基本連續(xù)的泡孔式網(wǎng)絡(luò)。納米基質(zhì)216的厚度將取決于第一粉末10和第二粉末30的性質(zhì)，特別是與這些粉末顆粒有關(guān)的涂層厚度。在一種示例性的實(shí)施方案中，納米基質(zhì)216的厚度在粉末復(fù)合材料200的整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)中是基本均勻的，并且包含第一和第二粉末顆粒12、32的第一和第二涂層16、36的厚度的兩倍。在另一示例性的實(shí)施方案中，該泡孔式納米基質(zhì)216在分散的顆粒214之間具有大約50nm-大約5000nm的基本均勻的平均厚度。納米基質(zhì)216是如下來形成的通過此處所述的結(jié)合層219的相互擴(kuò)散和產(chǎn)生，將相鄰顆粒的金屬涂層16彼此燒結(jié)在一起。金屬涂層16可以是單層或者多層結(jié)構(gòu)，和它們可以選擇來促進(jìn)或者抑制金屬涂層16的層內(nèi)或者層間，或者金屬涂層16和顆粒芯14之間，或者相鄰的粉末顆粒的金屬涂層16和金屬涂層16之間的擴(kuò)散，或者二者，金屬涂層16在燒結(jié)過程中的相互擴(kuò)散的程度可以是有限的或者擴(kuò)大的，這取決于涂層厚度、所選擇的涂覆材料或者材料、燒結(jié)條件和其他因素。給定的成分的相互擴(kuò)散和相互作用的潛在的復(fù)雜性，納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220所形成的化學(xué)組成的描述可以簡單理解為是第一或者第二涂層16、36的成分的組合，其還可以包括第一或者第二分散的顆粒214、234的一種或多種成分，這取決于分散的顆粒214和納米基質(zhì)216之間所出現(xiàn)的任何相互擴(kuò)散的程度。類似的，第一和第二分散的顆粒214、234和第一和第二顆粒芯材料218、238的化學(xué)組成可以簡單的理解為是各自的第一和第二顆粒芯14、34的成分的組合，其也可以包括納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的一種或者多種成分，這取決于在第一和第二分散的顆粒214、234和納米基質(zhì)216之間發(fā)生的任何相互擴(kuò)散的程度。
在一種示例性的實(shí)施方案中，納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成和第一和第二顆粒芯材料218、238的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成，并且第一和第二顆粒12、32的化學(xué)組成的差異和相對(duì)量、尺寸、形狀和分布可以配置來提供可選擇的和可控的溶解速率，包括從非常低的溶解速率向非常快的溶解速率的可選擇的轉(zhuǎn)換，所述的溶解速率是響應(yīng)了鄰近復(fù)合材料200的井筒的性能或者條件的受控的變化而發(fā)生的，包括與此處所述的粉末復(fù)合材料200接觸的井筒流體性能的變化。它們還可以選擇來為粉末復(fù)合材料200提供可選擇的密度或者機(jī)械性能例如拉伸強(qiáng)度。納米基質(zhì)216可以是由具有單層和多層的第一和第二涂層16、36的第一和第二粉末顆粒12、32形成。這種設(shè)計(jì)的靈活性提供了很多數(shù)目的材料組合，特別是在多層第一和第二涂層16、36的情況中更是如此，該多層第一和第二涂層16、36能夠用于如下來調(diào)節(jié)泡孔式納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的組成通過控制給定的層內(nèi)以及第一或者第二涂層16、36與它們相連的第一或者第二顆粒芯14、34或者相鄰的粉末顆粒的涂層之間二者的涂層成分的相互作為。下面提供證實(shí)了這種靈活性的幾個(gè)示例性的實(shí)施方案。如圖9所示，在一種示例性的實(shí)施方案中，粉末復(fù)合材料200是由第一和第二粉末顆粒12、32形成的，這里涂層16包含單個(gè)層，并且在多個(gè)分散的顆粒214相鄰的兩個(gè)顆粒之間所形成的納米基質(zhì)216包含了第一或者第二粉末顆粒12、32之一的單金屬第一或者第二涂層16、36，相鄰的第一或者第二粉末顆粒12、32彼此的結(jié)合層219和單個(gè)的第一或者第二涂層16、36。結(jié)合層219的厚度(t)取決于單金屬第一或者第二涂層16、36之間相互擴(kuò)散的程度，并且可以包含納米基質(zhì)216的整個(gè)厚度或者僅僅其的一部分。在使用具有單金屬第一和第二涂層16、36的第一和第二粉末10, 30所形成的粉末復(fù)合材料200的一種不例性的實(shí)施方案中，粉末復(fù)合材料200可以包括分散的第一顆粒214 (包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合)，第二顆粒234可以包括碳納米顆粒和納米基質(zhì)216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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組合，包括這樣的組合，其中泡孔式納米基質(zhì)216的納米基質(zhì)材料220(包括結(jié)合層219)具有化學(xué)組成，并且分散的第一和第二顆粒214、234的第一和第二芯材料218、238的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)材料216的化學(xué)組成。并且納米基質(zhì)材料220和第一和第二芯材料218、238的化學(xué)組成的差異可以用于提供響應(yīng)此處所述井筒性能(包括井筒流體性能)變化的可選擇的和可控的溶解。它們還可以選擇來提供粉末復(fù)合材料200可選擇的密度或者機(jī)械性能例如拉伸強(qiáng)度。在由具有單涂層構(gòu)造的第一和第二粉末10、30所形成的粉末復(fù)合材料200的另一示例性實(shí)施方案中，分散的第一顆粒214包括Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合，分散的第二顆粒234包括碳納米顆粒，和泡孔式納米基質(zhì)216包括Al或者Ni或者它們的組合。如圖12所示，在另一示例性實(shí)施方案中，粉末復(fù)合材料200是由第一和第二粉末顆粒12、32形成的，這里該第一和第二涂層16、36包含具有多個(gè)涂層的多層涂層，并且在多個(gè)第一和第二分散的顆粒214、234的相鄰顆粒之間所形成的納米基質(zhì)216包含了多個(gè)層(t)，該多個(gè)層包含第一或者第二顆粒12、32之一的第一或者第二涂層16、36，結(jié)合層219,并且該多個(gè)層包含第一或者第二粉末顆粒12、32彼此的第一或者第二涂層16、36。在圖12中，這是用兩層金屬第一和第二涂層16、36來表示的，但是將理解多層金屬第一和第二涂層16、36的多個(gè)層可以包括任何期望的層數(shù)目。結(jié)合層219的厚度(t)同樣取決于各自的第一和第二涂層16、36的多個(gè)層之間的相互擴(kuò)散的程度，并且可以包含納米基質(zhì)216的整個(gè)厚度或者僅僅其的一部分。在這種實(shí)施方案中，包含第一和第二涂層16、36每個(gè)的多個(gè)層可以用于控制結(jié)合層219的相互擴(kuò)散和形成以及厚度(t)。在使用具有多層第一和第二涂層16、36的第一和第二粉末顆粒12、32制造的粉末復(fù)合材料200的一種示例性實(shí)施方案中，該復(fù)合材料包括此處所述的分散的第一顆粒214 (其包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合)、分散的第二顆粒234 (其包含碳納米顆粒)和納米基質(zhì)216包含圖3所示的燒結(jié)的雙層第一和第二涂層16、36的泡孔式網(wǎng)絡(luò)，其包含第一層22 (該層位于分散的第一和第二顆粒214、234上)和第二層24 (該層位于第一層22上)。第一層22包括Al或者Ni或者它們的組合，和第二層24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它們的組合。在這些構(gòu)造中，對(duì)分散的顆粒214和多層第一和第二涂層16、36(用于形成納米基質(zhì)216)的材料進(jìn)行選擇，以使得相鄰的材料(例如分散的顆粒/第一層和第一層/第二層)的化學(xué)組成是不同的。在使用具有多層第一和第二涂層16、36的第一和第二粉末顆粒12、32制造的粉末復(fù)合材料200的另一示例性實(shí)施方案中，該復(fù)合材料包括此處所述的分散的第一顆粒214 (其包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合)、分散的第二顆粒234 (其包含碳納米顆粒)，并且納米基質(zhì)216包含如圖4所示的燒結(jié)的三層金屬第一和第二涂層16、36的泡孔式網(wǎng)絡(luò)，其包含第一層22 (該層位于分散的第一和第二顆粒214、234上)、第二層24 (該層位于第一層22上)和第三層26 (該層位于第二層24上。第一層22包括Al或者Ni或者它們的組合；第二層 24 包括 Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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層材料的組合；和該第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它們的組合。材料的選擇類似于此處所述的用于使用雙層涂層粉末制成的粉末復(fù)合材料200的選擇考慮，但是還必須擴(kuò)展到包括用于第三涂層的材料。在使用具有多層第一和第二涂層16、36的第一和第二粉末顆粒12、32制成的粉末復(fù)合材料200再另一示例性實(shí)施方案中，該復(fù)合材料包括此處所述的分散的第一顆粒214 (其包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合)、分散的第二顆粒234 (其包含碳納米顆粒)和納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的四層第一和第二涂層16、36的泡孔式網(wǎng)絡(luò)，其包含第一層22 (其位于分散的第一和第二顆粒214 ;234上)、第二層24 (其位于第一層22上)、第三層26 (其位于第二層24上)和第四層28 (其位于第三層26上)。第一層22包括Al或者Ni或者它們的組合；第二層 24 包括 Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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層材料的組合；第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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層材料的組合；和第四層包括Al、Mn、Fe、Co或者Ni或者它們的組合。材料的選擇類似于此處所述的用于使用雙層涂層粉末制成的粉末復(fù)合材料200的選擇考慮，但是還必須擴(kuò)展到包括用于第三和第四涂層的材料。在粉末復(fù)合材料200的另一示例性實(shí)施方案中，分散的第一顆粒214包含此處所述的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位小于Zn的金屬或者非金屬材料或者它們的組合，分散的第二顆粒234包含碳納米顆粒和納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的金屬涂層16的泡孔式網(wǎng)絡(luò)。合適的非金屬材料包括不同的陶瓷、玻璃或者碳的形式或者它們的組合。此外，在粉末復(fù)合材料200中(其包括分散的第一和第二顆粒214、234，該顆粒包含這些金屬或者非金屬材料)，納米基質(zhì)216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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組合作為納米基質(zhì)材料220。參見圖13，燒結(jié)的粉末復(fù)合材料200可以包含燒結(jié)的前體粉末復(fù)合材料100，其包括此處所述的多個(gè)變形的、機(jī)械結(jié)合的第一和第二粉末顆粒12、32。前體粉末復(fù)合材料100可以如下來形成將第一和第二粉末10、30復(fù)合到這樣的程度，即，第一和第二粉末顆粒12、32彼此壓合在一起，由此使得它們變形和形成與這種變形有關(guān)的顆粒間機(jī)械或者其他結(jié)合110，其足以導(dǎo)致變形的粉末顆粒12彼此粘合和形成生坯態(tài)粉末復(fù)合材料，該生坯態(tài)復(fù)合材料的生坯密度小于第一粉末10完全致密的復(fù)合材料的理論密度，這部分的歸因于顆粒間空間15?？梢岳缤ㄟ^在室溫等靜壓壓縮第一和第二粉末10、30來提供形成前體粉末復(fù)合材料100所必需的第一和第二粉末顆粒12、32的變形和顆粒間結(jié)合，來進(jìn)行壓實(shí)。參見圖14，公開了制造粉末復(fù)合材料200的方法400。方法400包括形成410粉末混合物5,該混合物包含第一和第二涂覆的金屬粉末10、30，該金屬粉末包含此處所述的第一和第二粉末顆粒12、32。方法400還包括如下來形成420粉末復(fù)合材料200 :通過施加預(yù)定的溫度和預(yù)定的壓力到涂覆的第一和第二粉末顆粒12、32，其足以通過該第一和第二涂層16、36的固相燒結(jié)來形成納米基質(zhì)材料220和分散在此處所述的納米基質(zhì)216中的多個(gè)分散的第一和第二顆粒214、234的基本連續(xù)的泡孔式納米基質(zhì)216，來燒結(jié)它們。在粉末混合物5包括未涂覆的第二粉末顆粒32的情況中，該燒結(jié)包含僅僅燒結(jié)該第一涂層。形成410該粉末混合物5可以通過任何合適的方法來進(jìn)行。在一種示例性實(shí)施方案中，形成410包括使用此處所述的流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)，將此處所述的金屬第一和第二涂層16、36施用到此處所述的第一和第二顆粒芯14、34上。金屬涂層的施用可以包括施用此處所述的單層金屬涂層或者多層金屬涂層。金屬涂層的施用還可以包括在單個(gè)層施用時(shí)控制它們的厚度，以及控制金屬涂層的整體厚度。顆粒芯可以如此處所述來形成。形成420該粉末復(fù)合材料200可以包括形成粉末混合物5的完全致密的復(fù)合材料的任何合適的方法。在一種示例性實(shí)施方案中，形成420包括動(dòng)態(tài)鍛造生坯密度的前體粉末復(fù)合材料100來施加預(yù)定的溫度和預(yù)定的壓力，該溫度和壓力足以燒結(jié)和變形粉末顆粒和形成此處所述的完全致密的納米基質(zhì)216和分散的第一和第二顆粒214、234。作為此處使用的，動(dòng)態(tài)鍛造表示在一定的溫度和時(shí)間動(dòng)態(tài)施加足以促進(jìn)相鄰的第一和第二粉末顆粒12,32的金屬涂層燒結(jié)的負(fù)荷，并且可以優(yōu)選包括以預(yù)定的負(fù)荷速率在一定的時(shí)間和溫度施加動(dòng)態(tài)鍛造負(fù)荷，所述的時(shí)間和溫度足以形成燒結(jié)的和完全致密的粉末復(fù)合材料200。在一種示例性實(shí)施方案中，動(dòng)態(tài)鍛造可以包括1)將前體或者生坯態(tài)粉末復(fù)合材料100加熱到預(yù)定的固相燒結(jié)溫度，例如諸如足以促進(jìn)相鄰的第一和第二粉末顆粒12、32的金屬涂層之間的相互擴(kuò)散的溫度；2)將該前體粉末復(fù)合材料100在燒結(jié)溫度保持預(yù)定的保持時(shí)間，例如諸如足以確保前體復(fù)合材料100整個(gè)中燒結(jié)溫度基本均勻的時(shí)間；3)將該前體粉末復(fù)合材料100鍛造到全密度，例如諸如根據(jù)足以快速實(shí)現(xiàn)全密度，同時(shí)將復(fù)合材料保持在預(yù)定的燒結(jié)溫度的預(yù)定的壓力方案或者增加速率，施加預(yù)定的鍛造壓力；和4)將該粉末復(fù)合材料200冷卻到室溫。在形成420過程中所施加的預(yù)定壓力和預(yù)定溫度將包括此處所述的燒結(jié)溫度Ts和鍛造壓力Pf，其將確保粉末顆粒12固態(tài)燒結(jié)和變形，來形成完全致密的粉末復(fù)合材料200，包括固態(tài)結(jié)合217和結(jié)合層219。將前體粉末復(fù)合材料100加熱到和保持于預(yù)定的燒結(jié)溫度預(yù)定的時(shí)間的步驟可以包括溫度和時(shí)間任何合適的組合，并且將取決于例如所選擇的粉末10 (包括用于第一和第二顆粒芯14、34和第一和第二金屬涂層16、36的材料)、前體粉末復(fù)合材料100的尺寸、所用的加熱方法和其他因素，該其他因素影響在前體粉末復(fù)合材料100內(nèi)實(shí)現(xiàn)期望的溫度和溫度均勻性所必需的時(shí)間。在鍛造步驟中，預(yù)定的壓力可以包括任何合適的壓力和壓力施加方案或者壓力升高率，其足以實(shí)現(xiàn)完全致密的粉末復(fù)合材料200，并且將取決于例如所選擇的第一和第二粉末顆粒12、32的材料性能，包括依賴于溫度的應(yīng)力/應(yīng)變特性(例如應(yīng)力/應(yīng)變率特性)、相互擴(kuò)散和冶金熱力學(xué)和相均衡特性、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)(disloca tion dynamics)和其他材料性能。例如動(dòng)態(tài)鍛造和鍛造方案的最大鍛造壓力(即，對(duì)應(yīng)于所用應(yīng)變率的壓力升高率)可以用于調(diào)節(jié)該粉末復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和韌度。最大鍛造壓力和鍛造升高率(即，應(yīng)變率)是剛剛低于復(fù)合材料破裂壓力的壓力，即，在這里在復(fù)合材料中不形成裂紋的情況下，動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程不能緩解復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變能。例如，對(duì)于要求粉末復(fù)合材料具有相對(duì)更高的強(qiáng)度和更低的韌度的應(yīng)用而言，可以使用相對(duì)更高的鍛造壓力和升高率。如果需要相對(duì)更高韌度的粉末復(fù)合材料，則可以使用相對(duì)較低的鍛造壓力和升高率。對(duì)于此處所述的粉末混合物5和尺寸足以形成許多井筒工具和部件的前體復(fù)合材料100的某些示例性實(shí)施方案來說，可以使用大約1-大約5小時(shí)的預(yù)定的保持時(shí)間。預(yù)定的燒結(jié)溫度TS將優(yōu)選如此處所述來選擇，以避免第一或者第二顆粒芯14、34或者第一或者第二金屬涂層16、36當(dāng)它們在方法400的過程中轉(zhuǎn)變來提供分散的第一和第二顆粒214、234和納米基質(zhì)216時(shí)，發(fā)生熔融。對(duì)于這些實(shí)施方案而言，動(dòng)態(tài)鍛造可以包括施加鍛造壓力，例如以大約O. 5-大約2ksi/s的壓力升高速率通過動(dòng)態(tài)壓縮到最大大約80ksi。在其中如此處所述第一顆粒芯14包括Mg和金屬涂層16包括不同的單和多層涂層(例如不同的單和多層涂層包含Al)的一種示例性實(shí)施方案中，動(dòng)態(tài)鍛造可以通過在大約450°C -大約470°C的溫度Ts燒結(jié)至多大約I小時(shí)來進(jìn)行，無需施加鍛造壓力，隨后通過以大約O. 5-大約2ksi/s的升高率施加等靜壓壓力到大約30ks1-大約60ksi的最大壓力Ps來進(jìn)行動(dòng)態(tài)鍛造，這會(huì)產(chǎn)生15s-大約120s的鍛造周期。鍛造周期短的持續(xù)期是一個(gè)重要的優(yōu)勢，這是因?yàn)樗拗屏讼嗷U(kuò)散，包括第一和涂層16、36內(nèi)的相互擴(kuò)散、相鄰的金屬第一和第二涂層16、36之間的相互擴(kuò)散和第一和第二涂層16、36和各自的第一和第二顆粒芯14、34之間的相互擴(kuò)散(其是形成冶金結(jié)合217和結(jié)合層219所需要的)，同時(shí)還保持了期望的微觀結(jié)構(gòu)，例如各方等大的分散的第一和第二顆粒214、234形狀，具有泡孔式納米基質(zhì)216增強(qiáng)相的完整性。動(dòng)態(tài)鍛造周期的持續(xù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于常規(guī)粉末復(fù)合材料形成方法例如熱等靜壓(HIP)、壓力輔助燒結(jié)或者擴(kuò)散燒結(jié)所需的形成周期和燒結(jié)時(shí)間。方法400還可以任選的包括如下來形成430前體粉末復(fù)合材料通過將多個(gè)第一和第二粉末顆粒12、32充分壓實(shí)來變形該顆粒和形成彼此的顆粒間結(jié)合以及在形成420粉末復(fù)合材料之前形成前體粉末復(fù)合材料100。壓實(shí)430可以包括在室溫壓縮例如等靜壓壓縮多個(gè)粉末顆粒12來形成前體粉末復(fù)合材料100。在一種示例性實(shí)施方案中，粉末10可以包括含Mg的第一顆粒芯14，并且形成430前體粉末復(fù)合材料可以在室溫和大約IOks1-大約60ksi的等靜壓壓力來進(jìn)行。雖然已經(jīng)顯示和描述了一種或多種實(shí)施方案，但是可以對(duì)其進(jìn)行改變和替代，而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍。因此，應(yīng)當(dāng)理解所述的本發(fā)明是為了示例而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種粉末金屬復(fù)合材料,其包含 包含納米基質(zhì)材料的基本上連續(xù)的、泡孔式納米基質(zhì)； 分散在該泡孔式納米基質(zhì)中的多個(gè)分散的第一顆粒，每個(gè)第一顆粒包含第一顆粒芯材料,該芯材料包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合； 與分散的第一顆粒互混的多個(gè)分散的第二顆粒，每個(gè)第二顆粒包含第二顆粒芯材料，該芯材料包含碳納米顆粒；和 在分散的第一顆粒和分散的第二顆粒之間的整個(gè)泡孔式納米基質(zhì)中延伸的固態(tài)結(jié)合層。
2.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該納米基質(zhì)材料具有熔融溫度(TM)，該第一顆粒芯材料具有熔融溫度(Tdpi)和該第二顆粒芯材料具有熔融溫度(Tdp2);其中該復(fù)合材料在燒結(jié)溫度(Ts)是固態(tài)能燒結(jié)的，并且Ts小于TM、Tdpi和Tdp2。
3.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該第一顆粒芯材料包含Mg-Zn、Mg-Zn、Mg-Al、Mg-Mn 或者 Mg-Zn-Y。
4.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該第一顆粒芯材料包含Mg-Al-X合金,其中X包括Zn、Mn、S1、Ca或者Y或者它們的組合。
5.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該分散的第一顆粒進(jìn)一步包含稀土元素。
6.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該分散的第一顆粒的平均粒度是大約5 μ m-大約 300 μ m。
7.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中分散的第一顆粒和分散的第二顆粒的分散體包括在泡孔式納米基質(zhì)中的基本均勻的分散體。
8.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該碳納米顆粒包括官能化的碳納米顆粒。
9.權(quán)利要求8的粉末金屬復(fù)合材料，其中該官能化的碳納米顆粒包括石墨烯納米顆粒。
10.權(quán)利要求8的粉末金屬復(fù)合材料，其中該官能化的碳納米顆粒包括富勒烯納米顆粒。
11.權(quán)利要求8的粉末金屬復(fù)合材料，其中該官能化的碳納米顆粒包括納米金剛石顆粒。
12.權(quán)利要求10的粉末金屬復(fù)合材料，其中該官能化的碳納米顆粒包括巴奇球、巴奇球蔟、巴奇紙、單壁納米管或者多壁納米管。
13.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該碳納米顆粒包括金屬化的碳納米顆粒。
14.權(quán)利要求13的粉末金屬復(fù)合材料，其中該金屬化的碳納米顆粒包括石墨烯納米顆粒。
15.權(quán)利要求13的粉末金屬復(fù)合材料，其中該金屬化的碳納米顆粒包括金屬化的富勒烯納米顆粒。
16.權(quán)利要求13的粉末金屬復(fù)合材料，其中該金屬化的碳納米顆粒包括金屬化的納米金剛石顆粒。
17.權(quán)利要求15的粉末金屬復(fù)合材料，其中該金屬化的富勒烯納米顆粒包括金屬化的巴奇球、巴奇球蔟、巴奇紙、單壁納米管或者多壁納米管。
18.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該納米基質(zhì)材料包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、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組合，和其中該納米基質(zhì)材料具有化學(xué)組成，并且該第一顆粒芯材料的化學(xué)組成不同于該納米基質(zhì)材料的化學(xué)組成。
19.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該泡孔式納米基質(zhì)的平均厚度是大約50nm-大約 5000nm。
20.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料是由包含多個(gè)第一粉末顆粒和第二粉末顆粒的燒結(jié)的粉末形成的，該第一粉末顆粒和該第二粉末顆粒中的每個(gè)具有布置在其上的單層金屬涂層，和其中在多個(gè)分散的第一顆粒和分散的第二顆粒相鄰的顆粒之間的泡孔式納米基質(zhì)包括第一或者第二粉末顆粒中之一的單金屬涂層、結(jié)合層和該第一或者第二粉末顆粒中另一個(gè)的單金屬涂層。
21.權(quán)利要求20的粉末金屬復(fù)合材料,其中該分散的第一粉末顆粒包含Mg,并且該泡孔式納米基質(zhì)包含Al或者Ni或者它們的組合。
22.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料是由包含多個(gè)第一粉末顆粒和第二粉末顆粒的燒結(jié)的粉末形成的，每個(gè)該第一粉末顆粒和該第二粉末顆粒中具有布置在其上的多個(gè)金屬涂層，和其中在多個(gè)分散的第一顆粒和分散的第二顆粒之間的相鄰顆粒之間的泡孔式納米基質(zhì)包括第一或者第二粉末顆粒之一的多個(gè)金屬涂層、結(jié)合層和該第一或者第二粉末顆粒中另一個(gè)的多個(gè)金屬涂層，和其中該多個(gè)金屬涂層的相鄰層各自具有不同的化學(xué)組成。
23.權(quán)利要求22的粉末金屬復(fù)合材料,其中該多個(gè)層包含第一層和第二層,該第一層位于第一和第二顆粒芯的各自顆粒芯上，第二層位于第一層上。
24.權(quán)利要求23的粉末金屬復(fù)合材料，其中該分散的第一顆粒包含Mg，該第一層包含Al或者Ni或者它們的組合，和該第二層包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或者Ni或者它們的組合，其中第一層的化學(xué)組成不同于第二層的化學(xué)組成。
25.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該碳納米顆粒包括石墨烯納米顆粒。
26.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該碳納米顆粒包括富勒烯納米顆粒。
27.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中該碳納米顆粒包括納米金剛石顆粒。
全文摘要
公開了一種粉末金屬復(fù)合材料。該粉末金屬復(fù)合材料包括基本上連續(xù)的、泡孔式納米基質(zhì)，該基質(zhì)包含納米基質(zhì)材料。該復(fù)合材料還包括分散在納米基質(zhì)中的多個(gè)分散的第一顆粒，每個(gè)第一顆粒包含第一顆粒芯材料，該芯材料包含Mg、Al、Zn或者M(jìn)n或者它們的組合；與該分散的第一顆粒互混的多個(gè)分散的第二顆粒，每個(gè)第二顆粒包含第二顆粒芯材料，該芯材料包含碳納米顆粒；和在分散的第一和第二顆粒之間的整個(gè)納米基質(zhì)中延伸的固態(tài)結(jié)合層。該納米基質(zhì)粉末金屬復(fù)合材料是獨(dú)特的輕重量、高強(qiáng)度材料，其還提供了獨(dú)特的可選擇和可控腐蝕性能，包括非?？斓母g速率，用于制造廣泛的多種可降解或者一次性制品，包括不同的井下工具和部件。
文檔編號(hào)B22F1/00GK103038005SQ201180037374
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者徐志躍, S·查克拉伯蒂, G·阿格拉瓦爾 申請(qǐng)人:貝克休斯公司