本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)?01480011691.3、申請(qǐng)日2014年2月28日、發(fā)明名稱(chēng)“通過(guò)使金剛石納米顆粒功能化來(lái)制作聚晶金剛石的方法、包括功能化金剛石納米顆粒的生坯體和形成聚晶金剛石切削元件的方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

優(yōu)先權(quán)聲明

本申請(qǐng)要求2013年3月1日提交的名稱(chēng)為“methodsoffabricatingpolycrystallinediamondbyfunctionalizingdiamondnanoparticles,greenbodiesincludingfunctionalizeddiamondnanoparticles,andmethodsofformingpolycrystallinediamondcuttingelements”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)栃蛄刑?hào)13/782,341的申請(qǐng)日利益。

本發(fā)明的實(shí)施方案整體上涉及形成聚晶金剛石材料的方法、形成包括聚晶金剛石材料的切削元件的方法以及可用于形成這樣的切削元件的生坯體。

背景

用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具通常包括固定于本體的多個(gè)切削元件。例如，固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(還稱(chēng)為“刮刀鉆頭”)包括多個(gè)切削元件，其固定連接至鉆頭的鉆頭體。類(lèi)似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭包括安裝在由鉆頭體的腿部延伸的牙輪軸上的錐體，從而使得每個(gè)錐體能夠圍繞錐體被安裝在其上的牙輪軸旋轉(zhuǎn)。可以將多個(gè)切削元件安裝到鉆頭的每個(gè)錐體。

在這樣的鉆地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金剛石切刀(經(jīng)常稱(chēng)為“pdc”)，其為包括聚晶金剛石(pcd)材料的切削元件。通過(guò)在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或其合金和混合物)的存在下在高溫和高壓的條件下將相對(duì)小的金剛石的晶?；蚓w燒結(jié)并結(jié)合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金剛石材料層,來(lái)形成這樣的聚晶金剛石切削元件。這些過(guò)程往往稱(chēng)為“高壓高溫過(guò)程”(“hpht過(guò)程”)。切削元件基材可以是金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料)，例如鈷-燒結(jié)碳化鎢。在這樣的情況下，切削元件基材中的鈷或其它催化劑材料可以在燒結(jié)過(guò)程中被吸入到金剛石晶?；蚓w中并且充當(dāng)用于從所述金剛石晶?；蚓w形成金剛石臺(tái)的催化劑材料。在其它方法中，可在將晶?；蚓w在hpht過(guò)程中燒結(jié)在一起之前將粉末狀的催化劑材料與金剛石晶?；蚓w混合。

鈷，其在燒結(jié)過(guò)程中常用來(lái)形成pcd材料，在約1495℃下熔化?？梢酝ㄟ^(guò)將鈷與碳或另外的元素合金化來(lái)降低熔化溫度，因此可以在高于約1450℃的溫度下進(jìn)行含鈷體的hpht燒結(jié)。在使用hpht過(guò)程形成金剛石臺(tái)時(shí)，催化劑材料可以保留在所得的聚晶金剛石臺(tái)中的金剛石晶?；蛘呔w之間的間隙空間中。當(dāng)在使用過(guò)程中加熱切削元件時(shí)，由于在切削元件與地層之間的接觸點(diǎn)處的摩擦，催化劑材料在金剛石臺(tái)中的存在可導(dǎo)致金剛石臺(tái)中的熱損壞。其中催化劑材料保留在金剛石臺(tái)中的聚晶金剛石切削元件通常是熱穩(wěn)定的直到約750℃的溫度，但是聚晶金剛石臺(tái)內(nèi)的內(nèi)部應(yīng)力可在超過(guò)約350℃的溫度下開(kāi)始發(fā)展。該內(nèi)部應(yīng)力至少部分是由于金剛石臺(tái)和與其結(jié)合的切削元件基材之間的熱膨脹速率的差異。熱膨脹速率的這種差別可導(dǎo)致在金剛石臺(tái)與基材之間的界面處相對(duì)大的壓縮和拉伸應(yīng)力，并可導(dǎo)致金剛石臺(tái)從基材脫層。在約750℃以上的溫度下，由于金剛石臺(tái)本身內(nèi)的金剛石材料與催化劑材料的熱膨脹系數(shù)的差異，金剛石臺(tái)內(nèi)的應(yīng)力可顯著增加。例如，鈷熱膨脹顯著快于金剛石，這可導(dǎo)致裂紋在包括鈷的金剛石臺(tái)內(nèi)形成和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金剛石臺(tái)的劣化和切削元件的無(wú)效。

為減少與聚晶金剛石切削元件中不同的熱膨脹速率相關(guān)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定的”聚晶金剛石(tsd)切削元件?？赏ㄟ^(guò)例如使用酸從金剛石臺(tái)中的金剛石晶粒之間的間隙空間浸出催化劑材料(例如鈷)來(lái)形成這樣的熱穩(wěn)定的聚晶金剛石切削元件?？梢詮慕饎偸_(tái)移除所有的催化劑材料，或可以?xún)H移除一部分。報(bào)道了其中從金剛石臺(tái)浸出基本上所有的催化劑材料的熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削元件為熱穩(wěn)定的直到約1200℃的溫度。然而還報(bào)道了：與未浸出的金剛石臺(tái)相比，完全浸出的金剛石臺(tái)是相對(duì)更脆并且容易受到剪切、壓縮和拉伸應(yīng)力。為了努力提供具有相對(duì)于未浸出的金剛石臺(tái)是更加熱穩(wěn)定、但是相對(duì)于完全浸出的金剛石臺(tái)也相對(duì)不太脆并且不太容易受到剪切、壓縮和拉伸應(yīng)力的金剛石臺(tái)的切削元件，提供切削元件，其包括金剛石臺(tái)，其中從金剛石臺(tái)浸出所述催化劑材料的僅一部分。

發(fā)明概述

在一些實(shí)施方案中，制作聚晶金剛石的方法，包括：采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物，和使該混合物經(jīng)受高壓和高溫(hpht)條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合。

在某些實(shí)施方案中，生坯體包括采用氟功能化的多個(gè)金剛石納米顆粒和散布有該多個(gè)金剛石納米顆粒的聚合物材料。

在其它實(shí)施方案中，形成切削元件的方法，包括：采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，并且將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物。在本體上方提供該混合物，并且使該混合物與本體經(jīng)受hpht條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合并將結(jié)合的金剛石納米顆粒固定于該本體。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是說(shuō)明金剛石納米顆粒的簡(jiǎn)化視圖；

圖2是說(shuō)明圖1的金剛石納米顆粒在采用氟功能化后的簡(jiǎn)化視圖；

圖3是說(shuō)明與聚合物混合的圖2的功能化的金剛石納米顆粒的簡(jiǎn)化視圖；

圖4是說(shuō)明包括圖3的功能化的金剛石納米顆粒和聚合物的材料片材的簡(jiǎn)化視圖；

圖5是說(shuō)明與金剛石砂?；旌系膱D3的功能化的金剛石納米顆粒和聚合物的簡(jiǎn)化視圖；

圖6是生坯體的局部剖開(kāi)的透視圖，該生坯體包括在基材上方的顆粒-聚合物混合物體積；

圖7是通過(guò)使圖6的結(jié)構(gòu)經(jīng)受hpht燒結(jié)過(guò)程而形成的切削元件的局部剖開(kāi)的透視圖；和

圖8說(shuō)明了固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭，其包括聚晶金剛石切削元件，例如在圖7中所示的切削元件。

具體實(shí)施方案

在這里所呈現(xiàn)的說(shuō)明并不意味著是任何特定的材料、設(shè)備、系統(tǒng)或方法的實(shí)際視圖，而是用于描述某些實(shí)施方案的僅僅理想化的表示。為了在說(shuō)明中清楚起見(jiàn)，實(shí)施方案當(dāng)中的共同的各種特征和元件可以用相同或類(lèi)似的附圖標(biāo)記引用。

如在這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“鉆頭”是指并包括在井眼的形成或擴(kuò)大過(guò)程中用于鉆探的任何類(lèi)型的鉆頭或工具，并且例如包括旋轉(zhuǎn)鉆頭、沖擊鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴(kuò)孔鉆、可膨脹擴(kuò)孔鉆、磨機(jī)、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、混合式鉆頭和本領(lǐng)域中已知的其它鉆探頭和工具。

術(shù)語(yǔ)“聚晶材料”是指并包括包含通過(guò)晶間結(jié)合直接結(jié)合在一起的材料的多個(gè)晶粒(即晶體)的任何材料。所述材料的單獨(dú)晶粒的晶體結(jié)構(gòu)在聚晶材料內(nèi)的空間中可以是無(wú)規(guī)取向的。

如在這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“晶間結(jié)合”是指并包括材料的相鄰晶粒內(nèi)的原子之間的任何直接的原子鍵(例如離子的、共價(jià)的、金屬的，等等)。

如在這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“晶粒尺寸”是指并包括從經(jīng)過(guò)塊體材料的二維截面測(cè)量的幾何平均直徑。可以使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來(lái)確定一組顆粒的幾何平均直徑，例如在ervine.underwood,quantitativestereology,103-105(addison-wesleypublishingcompany,inc.,1970)中提出的那些。

圖1是說(shuō)明金剛石納米顆粒100的簡(jiǎn)化視圖。可通過(guò)化學(xué)氣相沉積、爆轟合成、機(jī)械研磨或任何其它方法來(lái)形成金剛石納米顆粒100。金剛石納米顆粒100可具有任何所選擇的尺寸分布，其可以是單峰或多峰(雙峰，三峰等)。金剛石納米顆粒100可以具有從約1nm(納米)至約150nm、從約1nm至約20nm、從約20nm至約50nm、從約50nm至約100nm或甚至從100nm至約150nm的平均直徑。在一些實(shí)施方案中，金剛石納米顆?？删哂袕募s2nm至約10nm的平均直徑。例如，金剛石納米顆粒100可具有從約4nm至5nm的平均直徑。觀察到這樣的金剛石納米顆粒100可以自組織成尺寸為從約20nm至約30nm的一次聚集體，其又可形成較大的弱結(jié)合的尺寸范圍為從幾百納米到微米的二次聚集體。

可以采用氟使金剛石納米顆粒100功能化。圖2是說(shuō)明功能化的金剛石納米顆粒104的簡(jiǎn)化視圖。所述功能化的金剛石納米顆粒104包括在金剛石納米顆粒100的至少一部分上方的氟涂層102。

如在2010年10月26日授權(quán)的名稱(chēng)為“functionalizationofnanodiamondpowderthroughfluorinationandsubsequentderivatizationreactions”的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,820,130中描述的，可通過(guò)在升高的溫度(例如從約50℃至約500℃)下使金剛石納米顆粒100與氟氣(f2)接觸來(lái)形成氟涂層102。氟涂層102的氟原子可與金剛石納米顆粒100的碳原子共價(jià)結(jié)合。氟涂層102可以是金剛石納米顆粒100上方的單層。功能化的金剛石納米顆粒104中氟的量可以是金剛石納米顆粒100的平均直徑的函數(shù)。例如，如果該氟涂層102具有給定的厚度(例如一個(gè)單層)，那么較小的功能化的金剛石納米顆粒104將具有高于較大的功能化的金剛石納米顆粒104的氟濃度。功能化金剛石納米顆粒104可包括例如從約1％至約30重量％的氟，例如從約5％至約20重量％的氟。在一些實(shí)施方案中，功能化的金剛石納米顆粒104可包括約15重量％的氟。

如圖3所示，可以將功能化的金剛石納米顆粒104與聚合物106組合以形成混合物108，使得在燒結(jié)時(shí)聚合物106促進(jìn)晶間金剛石至金剛石結(jié)合的形成。該聚合物106可包括材料，例如聚乙烯(pe)，聚丙烯(pp)，聚苯乙烯(ps)，聚丙烯腈(pan)，聚丁二烯(pbd)，聚丁烯(pb)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)，聚碳硅烷(pcs)等等?？梢赃x擇該聚合物106不含氧。在隨后的燒結(jié)過(guò)程中，氧可導(dǎo)致碳的氧化，從而弱化結(jié)合?？梢赃x擇該聚合物106包括主要c－h(huán)單鍵、雙鍵或芳族鍵(例如如在pe、pp和ps中的)。該聚合物106還可以包括不傾向于干擾金剛石至金剛石結(jié)合的形成的其它元素，例如氮和硅。該聚合物106例如可以是熱塑性聚合物或熱固性聚合物?？梢詫⒃摼酆衔?06作為液體(例如處于熔融狀態(tài)，在熱塑性塑料的情況下)或固體與功能化的金剛石納米顆粒104混合。例如，可以將該聚合物106與功能化的金剛石納米顆粒104在聚合物106是液體的溫度下混合。隨后可以將該聚合物106冷卻和固化，例如以將混合物108形成為粘性固體?；旌衔?08則可以是未燒結(jié)體，但是仍然可以保留形狀。因此，可以將該混合物108擠出、壓制、研磨、成形至模具等。在一些實(shí)施方案中，可以將混合物108研磨成粉末，并且然后可以將粉末擠壓、壓制、模制(例如注射成型)、噴霧干燥、旋涂、熱或冷軋、帶式澆注(tapecast)等。

在一些實(shí)施方案中，可以將該聚合物106作為固體添加到功能化的金剛石納米顆粒104。例如，該聚合物106可以是粉末或粒狀材料，并且可以與功能化的金剛石納米顆粒104機(jī)械混合。在一些實(shí)施方案中，聚合物106和功能化的金剛石納米顆粒104可為混合粉末。可將該混合物108加熱以軟化或液化聚合物106，并促進(jìn)混合物108形成為所選擇的形狀。

該混合物108可以包括從約0.1重量％至約20重量％的聚合物106(即從約80重量％至約99.9重量％的功能化的金剛石納米顆粒104)。例如，該混合物108可以包括從約0.5重量％至約10重量％的聚合物106(即從約90重量％至約99.5重量％的功能化的金剛石納米顆粒104)，或約1.0重量％至約5.0重量％的聚合物106(即從約95重量％至約99重量％的功能化的金剛石納米顆粒104)。可以選擇與功能化的金剛石納米顆粒104混合的聚合物106的量具有的體積大約等于功能化的金剛石納米顆粒104之間的間隙空間的體積，使得聚合物106大致填充所述間隙空間。例如，聚合物106的體積可為從約50％至約150％的間隙空間的體積，或從約90％至約110％的間隙空間的體積。

在一些實(shí)施方案中，混合物108可以包括從約0.1重量％至約50重量％的聚合物106。例如，該混合物108可以包括從約0.5重量％至約20重量％的聚合物106，或約1.0重量％至約10重量％的聚合物106?？梢赃x擇與功能化的金剛石納米顆粒104混合的聚合物106的量具有的體積大約等于功能化的金剛石納米顆粒104之間的間隙空間的體積，使得聚合物106大致填充所述間隙空間。例如，聚合物106的體積可為從約50％至約150％的間隙空間的體積，或從約90％至約110％的間隙空間的體積。

如圖4所示，可以將混合物108形成為片材110，例如通過(guò)擠出或通過(guò)輥之間的壓制(其在本領(lǐng)域中可稱(chēng)作軋制(rollmilling))。例如，可如vijayak.rangari等人,“alignmentofcarbonnanotubesandreinforcingeffectsinnylon-6polymercompositefibers,”19nanotechnology245703(ioppublishing,2008)”中所述進(jìn)行擠出。片材110可包括功能化的金剛石納米顆粒104和聚合物106。片材110每個(gè)可以是生坯(未燒結(jié))體，并且可以用于制作其它生坯體，例如通過(guò)在彼此上方層疊該片材110以形成片材110疊層。可以形成具有任何所選擇的長(zhǎng)度、寬度和厚度的片材110。例如，片材110可以具有的厚度為從約0.1mm至約10mm，例如從約0.5mm至約2mm。片材110可以具有相同的組成，或可具有不同的組成。例如，片材110可為如在2012年2月16日公開(kāi)的名稱(chēng)為“cuttingelementsincludingnanoparticlesinatleastoneportionthereof,earthboringtoolsincludingsuchcuttingelements,andrelatedmethods”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2012/0037431中所描述的。片材110可包括不同平均晶粒尺寸的功能化的金剛石納米顆粒104，或者可以具有不同量的功能化的金剛石納米顆粒104或聚合物106。

如圖5所示，混合物108可以與相對(duì)較大的金剛石顆粒112(例如金剛石“砂粒”)混合或散布，以形成第二混合物114?；蛘撸梢栽谔砑泳酆衔?06之前將所述功能化的納米金剛石顆粒104與較大的金剛石顆粒112混合。在一些實(shí)施方案中，功能化的金剛石納米顆粒104、聚合物106和較大的金剛石顆粒112可以在單一操作中進(jìn)行混合。因此，第二混合物114可以包括功能化的金剛石納米顆粒104、聚合物106和較大的金剛石顆粒112。如上所述，也可以使較大的金剛石顆粒112功能化。

如圖5所示，第二混合物114可包括散布的較大金剛石顆粒112，其形成金剛石材料的三維網(wǎng)絡(luò)。較大的金剛石顆粒112可具有小于1mm、小于0.1mm、小于0.01mm、小于1μm或甚至小于0.1μm的平均顆粒尺度(例如平均直徑)。也就是說(shuō)，較大的金剛石顆粒112可以包括微米金剛石顆粒(處于從約1μm至約500μm(0.5mm)范圍內(nèi)的金剛石晶粒)、亞微米金剛石顆粒(處于從約500nm(0.5μm)至約1μm范圍內(nèi)的金剛石晶粒)和/或金剛石納米顆粒(具有約500nm或更小的平均顆粒直徑的顆粒)。較大的金剛石顆粒112可具有單峰或多峰晶粒尺寸分布。

圖6示出結(jié)構(gòu)120，其包含處于生坯或未燒結(jié)的狀態(tài)的混合物122(其可以是如圖3所示的混合物108，或如圖5所示的第二混合物114)。任選地，結(jié)構(gòu)120還可以包括基材124形式的本體。例如，基材124可以包括鈷-燒結(jié)碳化鎢材料的大致柱形體，但是也可以采用不同幾何形狀和組成的基材。該混合物122可以是在基材124上的臺(tái)(即層)的形式。可以在基材124的表面上提供(例如形成或固定)該混合物122。在另外的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)120可簡(jiǎn)單地包含具有任何所需形狀的混合物122，并且可以不包括任何基材124。

該混合物122可以包含通過(guò)堆疊或?qū)盈B在本文中所描述的混合物的部分(例如通過(guò)在支撐表面上層疊圖4中所示的片材110)而形成的復(fù)合混合物，在一些實(shí)施方案中該支撐表面可以包括基材124形式的本體?；旌衔锏牟糠挚筛髯跃哂邢嗤慕M成，或可以選擇不同部分的組成以提供任何所選擇的晶粒構(gòu)造。例如，該混合物122的內(nèi)部區(qū)域可以具有與混合物122的外部區(qū)域不同的尺寸分布的顆粒。在一些實(shí)施方案中，混合物122可以是單一的材料塊，而沒(méi)有有區(qū)別的層。

可以在高壓和高溫(hpht)條件(例如高于約900℃的溫度和高于5.0gpa的壓力)下燒結(jié)該混合物108(圖3)、114(圖5)或122(圖6)以形成相鄰的功能化的金剛石納米顆粒104之間或較大的金剛石顆粒112與功能化的金剛石納米顆粒104之間的晶間結(jié)合。燒結(jié)過(guò)程可引起在聚合物106的c－h(huán)鍵和功能化的金剛石納米顆粒的c－f鍵之間的界面化學(xué)相互作用，從而導(dǎo)致氟化氫(hf)的釋放，和聚合物106的碳原子與一個(gè)或多個(gè)金剛石顆粒(例如功能化的金剛石納米顆粒104或較大的金剛石顆粒112)的晶粒結(jié)構(gòu)結(jié)合并變得納入其中。不受任何特定理論的束縛，來(lái)自聚合物106的似乎替代功能化的金剛石納米顆粒104的氟，原位形成材料的相鄰晶粒之間的共價(jià)鍵(參見(jiàn)valerya.davydov等人,“synergisticeffectoffluorineandhydrogenonprocessesofgraphiteanddiamondformationfromfluorographite-napthalenemixturesathighpressures,”115j.phys.chem.21000(acspublications,2011)；還參見(jiàn)“merlynx.pulikkathara等人,“mediumdensitypolyethylenecompositeswithfunctionalizedcarbonnanotubes,”20nanotechnology195602(ioppublishing,2009”。

在燒結(jié)過(guò)程中，由于聚合物106中的碳轉(zhuǎn)化為金剛石，金剛石的總質(zhì)量可以增加。因此，燒結(jié)過(guò)程后由聚晶金剛石占據(jù)的總體積可以比在不具有氟涂層102或聚合物106的金剛石納米顆粒的常規(guī)燒結(jié)之后的聚晶金剛石的體積大。

聚合物106的氫原子可以形成氫氣(h2)，其可以是還原劑。一些氫氣可與混合物中的雜質(zhì)或催化劑材料(如果存在的話(huà))反應(yīng)。一些氫氣可以與暴露的顆粒表面結(jié)合以形成以氫終端的聚晶金剛石。熱解也可以形成產(chǎn)物，例如脂肪族和芳香族烴類(lèi)、蠟類(lèi)、木炭等。聚合物106的熱解的一些產(chǎn)物可在燒結(jié)過(guò)程中作為氣體逸出，或可以保持在所得的結(jié)構(gòu)中。聚合物106的熱解可促進(jìn)金剛石至金剛石結(jié)合的形成。

該聚合物106可以在比常規(guī)hpht過(guò)程中使用的溫度低的溫度下熱解。例如，可以將含有聚合物106的混合物在從約1400℃至約1700℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。在一些實(shí)施方案中，可以將混合物在從約1300℃至約1450℃或從約1200℃至約1350℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。該聚合物106可以在低于1000℃、低于500℃、低于300℃或甚至低于200℃的溫度下熱解。不同的聚合物106具有不同的熱解溫度，并且可以基于該聚合物106的類(lèi)型和量來(lái)選擇工藝條件(例如燒結(jié)溫度、升溫速度、保持時(shí)間等)。

在hpht過(guò)程中，可以向混合物108(圖3)、114(圖5)或122(圖6)施加壓力，例如至少約5.0gpa、至少約6.0gpa、至少約8.0gpa或至少約9.0gpa的壓力。

圖7說(shuō)明了切削元件200，其可以通過(guò)在圖6中所示的結(jié)構(gòu)120的hpht燒結(jié)而形成。切削元件200包括通過(guò)燒結(jié)該混合物122形成的聚晶金剛石202。任選地，切削元件200還可以包括基材204，聚晶金剛石202可以與該基材結(jié)合。例如，基材204可以包括鈷-燒結(jié)碳化鎢材料的大致柱形體，但是還可以采用不同的幾何形狀和組成的基材。聚晶金剛石202可以是在基材204上的聚晶金剛石202的臺(tái)(即層)的形式?？梢栽诨?04的表面上提供(例如形成或固定)聚晶金剛石202。在另外的實(shí)施方案中，切削元件200可簡(jiǎn)單地包含具有任何所需形狀的聚晶金剛石202的體積，并且可以不包括任何基材204。與常規(guī)方法相比，通過(guò)在本文中描述的方法形成切削元件200可以導(dǎo)致聚晶金剛石202中的金剛石晶粒之間的改進(jìn)的晶間金剛石至金剛石結(jié)合。

可以將包括如本文中所述而制作的聚晶金剛石202的切削元件200的實(shí)施方案(圖7)安裝到鉆地工具，并且根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的其它實(shí)施方案用于去除地下地層材料。切削元件200可以包括來(lái)自工藝的殘留的氟，并可表現(xiàn)出聚晶金剛石202的氟含量梯度。例如，由于在hpht燒結(jié)過(guò)程中鈷推動(dòng)氟朝向工作表面，工作表面附近的聚晶金剛石202的部分可具有比距工作表面更遠(yuǎn)的部分相對(duì)更高的濃度。

圖8說(shuō)明了固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭210。鉆頭210包括鉆頭體212?？梢詫⑷绫疚闹兴龅亩鄠€(gè)切削元件200安裝在鉆頭210的鉆頭體212上?？梢詫⑶邢髟?00釬焊或以其它方式固定在鉆頭體212的外表面中形成的袋狀部?jī)?nèi)，連接方法有點(diǎn)與基材124是否存在相關(guān)。其它類(lèi)型的鉆地工具，例如牙輪鉆頭、沖擊鉆頭、混合式鉆頭、擴(kuò)孔鉆等，也可以包括如在本文中所述的切削元件200。

通過(guò)在本文中所述的方法形成的聚晶金剛石可表現(xiàn)出改進(jìn)的耐磨性和熱穩(wěn)定性。此外，與常規(guī)方法相比，由具有聚合物的混合物形成聚晶金剛石可以是較少能量密集的，因?yàn)樗鼍酆衔锟稍诘陀诔Ｒ?guī)燒結(jié)催化劑的熔點(diǎn)的溫度下熱解。聚合物可以是相對(duì)便宜且供應(yīng)充足，并作為其它工藝的廢物可為可獲得的。

本公開(kāi)內(nèi)容的其它非限制性的示例性實(shí)施方案描述如下。

實(shí)施方案1：制作聚晶金剛石的方法，包括：采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物，和使該混合物經(jīng)受高壓和高溫(hpht)條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合。

實(shí)施方案2：實(shí)施方案1的方法，還包括將功能化的金剛石納米顆粒與金剛石砂粒組合。

實(shí)施方案3：實(shí)施方案1或?qū)嵤┓桨?的方法，其中將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合包括將功能化的金剛石納米顆粒與選自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚碳硅烷、聚丁二烯、聚丁烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的聚合物組合。

實(shí)施方案4：任何實(shí)施方案1至3的方法，其中將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合包括將功能化的金剛石納米顆粒與液體熱塑性聚合物混合。

實(shí)施方案5：任何實(shí)施方案1至4的方法，其中將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合包括將功能化的金剛石納米顆粒與固體熱塑性聚合物的多個(gè)顆?；旌稀?/p>

實(shí)施方案6：任何實(shí)施方案1至5的方法，其中將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合包括將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物擠出。

實(shí)施方案7：任何實(shí)施方案1至6的方法，還包括使該混合物成形為片材。

實(shí)施方案8：任何實(shí)施方案1至7的方法，其中使該混合物經(jīng)受hpht條件包括保持該混合物低于約1350℃。

實(shí)施方案9：任何實(shí)施方案1至8的方法，其中使該混合物經(jīng)受hpht條件包括使該混合物經(jīng)受至少約5.0gpa的壓力。

實(shí)施方案10：任何實(shí)施方案1至9的方法，其中將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合包括形成混合物，在該混合物中該聚合物占該混合物的從約0.1重量％至約10.0重量％。

實(shí)施方案11：生坯體，包含：采用氟功能化的多個(gè)金剛石納米顆粒；和散布有該多個(gè)金剛石納米顆粒的聚合物材料。

實(shí)施方案12：實(shí)施方案11的生坯體，還包括散布有該多個(gè)金剛石納米顆粒的金剛石砂粒。

實(shí)施方案13：實(shí)施方案11或?qū)嵤┓桨?2的生坯體，其中該多個(gè)金剛石納米顆粒和該聚合物材料構(gòu)成厚度為從約0.1mm至約10mm的至少一個(gè)材料片材。

實(shí)施方案14：任何實(shí)施方案11至13的生坯體，其中該聚合物材料包含選自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚碳硅烷、聚丁二烯、聚丁烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的材料。

實(shí)施方案15：任何實(shí)施方案11至14的生坯體，其中該熱塑性聚合物占該生坯體的從約0.1重量％至約10.0重量％。

實(shí)施方案16：任何實(shí)施方案11至15的生坯體，其中該多個(gè)金剛石納米顆粒的平均直徑為從約1nm至約20nm。

實(shí)施方案17：形成切削元件的方法，包括：采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物，在本體上方提供該混合物，和使該混合物與本體經(jīng)受高壓和高溫(hpht)條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合并將結(jié)合的金剛石納米顆粒固定于該本體。

實(shí)施方案18：實(shí)施方案17的方法，其中在本體上方提供該混合物包括在該本體上方提供該混合物的片材。

實(shí)施方案19：實(shí)施方案17或?qū)嵤┓桨?8的方法，其中使該混合物與本體經(jīng)受hpht條件包括保持該本體低于約1350℃。

實(shí)施方案20：任何實(shí)施方案17至19的方法，其中在本體上方形成該混合物包括在切削元件基材上方形成該混合物。

實(shí)施方案21：切削元件，其通過(guò)任何實(shí)施方案17至20的方法形成。

雖然在本文中關(guān)于特定實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)和理解本發(fā)明不限于此。相反地，可對(duì)在本文中的描繪和描述的實(shí)施方案做出許多添加、刪除和改變，而不脫離如下文要求保護(hù)的以及合法的等價(jià)物的發(fā)明范圍。此外，可將來(lái)自一個(gè)實(shí)施方案的特征與另一實(shí)施方案的特征組合，同時(shí)仍然包括在如發(fā)明人所設(shè)想的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明在具有不同鉆頭剖面和不同切刀類(lèi)型的鉆頭中具有實(shí)用性。