碳複合材料的製作方法
2023-08-06 01:44:56
本申請要求於2014年9月17日提交的美國申請號14/488851的權益，其全部內容通過引用併入本文。
背景技術：
石墨為碳的同素異形體並且具有層狀平面結構。在每層中，碳原子通過共價鍵布置成六邊形排列或者網狀。然而，不同碳層僅僅通過弱的範德華力保持在一起。
由於石墨導熱和導電優異、質輕、摩擦係數低並且耐熱和耐蝕性高，其已經廣泛用於各種應用，包括電子設備、核能、熱金屬加工、塗料、航天等。然而，石墨沒有彈性並且具有低強度，這可能限制其進一步應用。因此，本行業一直接受具有改進的彈性和機械強度的新石墨材料。如果這類材料還具有改進的高溫耐蝕性，那將是更有利的。
技術實現要素：
現有技術中的上述和其他缺陷在一個實施方案中通過包含在碳微結構之間具有間隙空間的碳微結構和設置在至少一些所述間隙空間中的粘結劑的碳複合材料克服；其中所述碳微結構包含碳微結構內的未填充空隙。
在另一個實施方案中，碳複合材料包含：至少兩個碳微結構；以及設置在所述至少兩個碳微結構之間的粘結相；其中所述粘結相包括粘結劑，其包含SiO2、Si、B、B2O3、金屬、金屬的合金或包含前述中的至少一種的組合；其中金屬是鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘和硒中的至少一種。
所述複合材料可以是條、塊、片、管形、圓柱形坯料、環形體、粉末或粒料的形式。
附圖說明
以下說明不應以任何方式視為限制性的。參照所附附圖，相同的元件以相同的方式編號。
圖1是在室溫和大氣壓下共混的包含膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的複合材料的掃描電子顯微鏡(「SEM」)圖像；
圖2是根據本公開的一個實施例的在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的碳複合材料的SEM圖像；
圖3是根據本公開的另一實施例的碳微結構的SEM圖像；
圖4是根據本公開的一個實施例的碳複合材料的示意性圖示；
圖5示出了以下的應力-應變曲線：(A)天然石墨；(B)膨脹石墨；(C)膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的混合物，其中在室溫和高壓下壓制樣品；(D)根據本公開的一個實施例的在高溫和低壓下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑壓制的碳複合材料(還稱為「軟複合材料」)；以及(E)根據本公開的另一實施例的在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小和納米大小的粘結劑形成的碳複合材料(還稱為「硬複合材料」)；
圖6示出了碳複合材料在不同負載情況下的環路試驗結果；
圖7示出了碳複合材料的分別在室溫和500°F下試驗的滯後結果；
圖8是碳複合材料在500℃下暴露於空氣25小時之前和在500℃下暴露於空氣25小時之後的比較；
圖9A是碳複合材料在熱衝擊之後的照片；圖9B圖示了關於熱衝擊的情況；
圖10是碳複合材料樣品(A)在200°F下暴露於自來水20小時之前和(B)在200°F下暴露於自來水20小時之後，或者(C)在200°F下暴露於自來水3天之後的比較；
圖11是碳複合材料樣品(A)在200°F下暴露於帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之前和(B)在200°F下暴露於帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之後，或者(C)在200°F下暴露於15％HCl溶液3天之後的比較；以及
圖12示出了碳複合材料在600°F下的密封力鬆弛試驗結果。
具體實施方式
本發明人已發現，與單獨的石墨、由相同石墨但是不同粘結劑所形成的複合材料、或者在大氣壓或者高壓下在室溫下共混的相同石墨和相同粘結劑的混合物相比，在高溫下由石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的碳複合材料具有改進的均衡性能。新的碳複合材料具有優異的彈性。另外，碳複合材料在高溫下具有優異的機械性能、耐熱性和耐化學性。在另一個有利特徵中，複合材料保持石墨的多個出色性能，諸如導熱、導電、潤滑性等。
不希望受限於理論，據信在機械強度方面的改進通過設置在碳微結構之間的粘結相來實現。在碳微結構之間沒有力或者僅僅弱範德華力存在，因此石墨塊材料具有弱機械強度。在高溫下，微米大小和納米大小的粘結劑液化以及在碳微結構中均勻分散。當冷卻時，粘結劑固化並且形成粘結相通過機械互鎖使碳納米結構粘結在一起。
進一步不希望受限於理論，對於具有改進的機械強度和改進的彈性兩者的複合材料，據信碳微結構自身是在堆疊層之間具有空間的層狀結構。粘結劑僅僅將微結構選擇性地鎖在它們的邊界處而不穿透微結構。因此，在微結構內的無界層提供彈性，並且設置在碳微結構之間的粘結相提供機械強度。
碳微結構是在將石墨壓縮為高凝狀態之後所形成的石墨的在顯微鏡下的結構。它們包括沿壓縮方向堆疊在一起的石墨基面。如此處所使用的，碳基面指基本上平坦、平行的碳原子片或者層，其中每片或者每層具有單一原子厚度。石墨基面還稱為碳層。碳微結構通常是平坦並且薄的。它們可以具有不同的形狀，並且還可以稱為微薄片、微盤等。在一個實施例中，碳微結構基本上彼此平行。
在碳複合材料中存在兩類空隙-在碳微結構中的空隙或者間隙空間和在每個單獨的碳微結構內的空隙。在碳微結構之間的間隙空間具有約0.1微米至約100微米的大小，特別是約1微米至20微米，然而在碳微結構之間的空隙更小得多並且通常在約20納米至約1微米之間，特別是約200納米至約1微米。空隙或者間隙空間的形狀不特別限制。如此處所使用的，空隙或者間隙空間的大小指空隙或者間隙空間的最大尺寸，並且可以通過高解析度電子或者原子力顯微鏡技術來確定。
用微米或者納米大小的粘結劑填充在碳微結構之間的間隙空間。例如，粘結劑可以佔據在碳微結構之間的間隙空間的約10％至約90％。然而，粘結劑不穿透單獨的碳微結構，從而在碳微結構內的空隙未被填充，即，沒有被任何粘結劑填充。因此，在碳微結構內的碳層通過粘結劑沒有鎖在一起。通過該機制，碳複合材料，具體地，膨脹碳複合材料的柔性可以被保留。
碳微結構具有約1微米至約200微米，約1微米至約150微米，約1微米至約100微米，約1微米至約50微米，或者約10微米至約20微米的厚度。碳微結構的直徑或者最大尺寸為約5微米至約500微米或者約10微米至約500微米。碳微結構的縱擺比可以為約10至約500，約20至約400，或者約25至約350。在一個實施例中，在碳微結構中的碳層之間的距離為約0.3納米至約1微米。碳微結構可以具有約0.5g/cm3至約3g/cm3，或者約0.1g/cm3至約2g/cm3的密度。
如此處所使用的，石墨包括天然石墨、合成石墨、可膨脹石墨、膨脹石墨、或者包括前述中至少一種的組合。天然石墨是天然形成的石墨。其可以分類為「鱗片」石墨、「脈」石墨和「無定形」石墨。合成石墨是由碳材料製成的製成品。熱解石墨是合成石墨的一種形式。可膨脹石墨指具有插入在天然石墨或者合成石墨的各層之間的插層材料的石墨。已經使用多種化學品以對石墨材料進行插層。這些包括酸、氧化劑、滷化物等。示例性插層材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、SO3或者滷化物諸如FeCl3、ZnCl2和SbCl5。當加熱時，插層材料從液態或者固態轉化為氣相。氣體形成生成壓力，壓力將相鄰的碳層推開，生成膨脹石墨。膨脹石墨顆粒在外觀上呈蠕蟲狀，並且因此通常被稱為蠕蟲。
有利地，碳複合材料包括膨脹石墨微結構。與其它形式的石墨相比，膨脹石墨具有高柔性和壓縮回彈，以及更大的各向異性。因此，除了理想的機械強度之外，在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的複合材料可以具有優異的彈性。
在碳複合材料中，碳微結構通過粘結相保持在一起。粘結相包括粘結劑，該粘結劑通過機械互鎖粘結碳微結構。可選地，在粘結劑與碳微結構之間形成界面層。界面層可以包括化學鍵、固溶體、或其組合。當存在時，化學鍵、固溶體、或其組合可以加強碳微結構的互鎖。應當理解的是碳微結構可以通過機械互鎖和化學結合兩者而保持在一起。例如，化學鍵、固溶體、或其組合可以在某些碳微結構與粘結劑之間形成或者用於僅僅在碳的在碳微結構的表面上的一部分之間的具體碳微結構和粘結劑。對於碳微結構或者碳微結構的不形成化學鍵、固溶體、或其組合的部分，碳微結構可以通過機械互鎖來粘結。粘結相的厚度為約0.1微米至約100微米或者約1微米至約20微米。粘結相可以形成使碳微結構粘結在一起的連續或者不連續網絡。
示例性粘結劑包括SiO2、Si、B、B2O3、金屬、合金或包含前述中的至少一種的組合。金屬可以是鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘和硒。合金包括鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘和硒的合金。在一個實施方案中，粘結劑包含銅、鎳、鉻、鐵、鈦、銅合金、鎳合金、鉻合金、鐵合金、鈦合金或包含前述金屬或金屬合金中至少一種的組合。示例性合金包括鋼、鎳鉻基合金如Inconel*和鎳銅基合金如Monel合金。鎳鉻基合金可含有約40-75％的Ni，約10-35％的Cr。鎳鉻基合金還可以含有約1至約15％的鐵。在鎳鉻基合金中還可以包括少量的Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P、B或包含前述中的至少一種的組合。鎳銅基合金主要由鎳(高達約67％)和銅組成。鎳銅基合金還可以含有少量的鐵、錳、碳和矽。這些材料可以是不同的形狀，例如顆粒、纖維和線材。可以使用材料的組合。
用於製造碳複合材料的粘結劑是微米大小或者納米大小的。在一個實施例中，粘結劑具有約0.05微米至約10微米，特別地，約0.5微米至約5微米，更特別地約0.1微米至約3微米的平均粒度。不希望受限於理論，據信當粘結劑具有在這些範圍內的大小時，其在碳微結構中均勻分散。
當界面層存在時，粘結相包括粘結劑層，該粘結劑層包括粘結劑；以及界面層，該界面層使至少兩個碳微結構中的一個結合至粘結劑層。在一個實施例中，粘結相包括粘結劑層、使碳微結構中的一個結合至粘結劑層的第一界面層、以及使碳微結構中的另一個結合至粘結劑層的第二界面層。第一界面層和第二界面層可以具有相同或者不同的複合材料。
界面層包括C-金屬鍵、C-B鍵、C-Si鍵、C-O-Si鍵、C-O-金屬鍵、金屬碳溶體、或者包括前述中至少一種的組合。這些鍵由在碳微結構的表面上的碳和粘結劑形成。
在一個實施例中，界面層包括粘結劑的碳化物。碳化物包括以下的碳化物：鋁、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、或者包括前述中至少一種的組合。通過使對應金屬或者金屬合金粘結劑與碳微結構的碳原子反應形成這些碳化物。粘結相還可以包括通過使SiO2或者Si與碳微結構的碳反應所形成的SiC，或者通過使B或者B2O3與碳微結構的碳反應所形成的B4C。當使用粘結劑材料的組合時，界面層可以包括這些碳化物的組合。碳化物可以是鹽類碳化物諸如碳化鋁、共價型碳化物諸如SiC、B4C、間隙型碳化物諸如第4族、第5族和第5族過渡金屬的碳化物、或者中間過渡金屬碳化物，例如Cr、Mn、Fe、Co和Ni的碳化物。
在另一實施例中，界面層包括碳的固溶體和粘結劑。碳在特定金屬基體中或者在特定溫度範圍下具有溶解度，這有助於使金屬相均浸潤和粘結到碳微結構上。通過熱處理，在金屬中碳的高溶解度可以在低溫下被保持。這些金屬包括Co、Fe、La、Mn、Ni或者Cu。粘結劑層還可以包括固溶體和碳化物的組合。
基於複合材料的總重量，碳複合材料包括約20wt.％至約95wt.％、約20wt.％至約80wt.％、或者約50wt.％至約80wt.％的碳。基於複合材料的總重量，粘結劑以約5wt.％至約75wt.％或者約20wt.％至約50wt.％的量存在。在碳複合材料中，碳相對於粘結劑的重量比為約1:4至約20:1，或者約1:4至約4:1，或者約1:1至約4:1。
圖1是在室溫和大氣壓下共混的包含膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的複合材料的SEM圖像。如圖1所示，粘結劑(白色區域)僅僅沉積在膨脹石墨蠕蟲中的某些的表面上。
圖2是在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的碳複合材料的SEM圖像。如圖2所示，粘結相(亮區域)在膨脹石墨微結構之間均勻地分布(暗區域)。
碳石墨微結構的SEM圖像在圖3中示出。碳複合材料的一個實施例在圖4中圖示。如圖4所示，複合材料包括碳微結構1和鎖緊碳微結構的粘結相2。粘結相2包括粘結劑層3和設置在粘結劑層與碳微結構之間的可選的界面層4。碳複合材料包含在碳微結構1中的間隙空間5。在碳微結構內，存在未填充空隙6。
碳複合材料可以可選地包括填料。示例性填料包括碳纖維、碳黑、雲母、黏土、玻璃纖維、陶瓷纖維和陶瓷中空結構。陶瓷材料包括SiC、Si3N4、SiO2、BN等。填料可以以約0.5wt.％至約10wt.％或者約1wt.％至約8wt.％的量存在。
複合材料可以具有任何理想的形狀，包括條、塊、片、管形、圓柱形坯料、環形體、粉末、粒料或者其它形式，這樣可以加工、形成或者另外用於形成有用的製成品。這些形式的大小或者尺寸不特別限制。示例性地，片材具有約10μm至約10cm的厚度和約10mm至約2m的寬度。粉末包括具有約10μm至約1cm的平均大小的顆粒。粒料包括具有約1cm至約5cm的平均大小的顆粒。
用於形成碳複合材料的一種方法是壓縮包括碳和微米大小或者納米大小的粘結劑的組合以通過冷壓提供生坯；以及壓縮並且對生坯進行加熱從而形成碳複合材料。在另一實施例中，可以在室溫下對組合進行加壓以形成坯塊，並且然後在大氣壓下對坯塊進行加熱以形成碳複合材料。這些過程可以稱為兩步法。可替代地，可以壓縮包括碳和微米大小或者納米大小的粘結劑的組合併且直接加熱以形成碳複合材料。該過程可以稱為一步法。
在組合中，基於組合的總重量，碳諸如石墨以約20wt.％至約95wt.％、約20wt.％至約80wt.％、或者約50wt.％至約80wt.％的量存在。基於組合的總重量，粘結劑以約5wt.％至約75wt.％或者約20wt.％至約50wt.％的量存在。在組合中的石墨可以呈碎片、粉末、小片、薄片等形式。在一個實施例中，石墨呈薄片的形式，該薄片具有約50微米至約5,000微米的直徑，優選地約100微米至約300微米。石墨薄片可以具有約1微米至約5微米的厚度。組合的密度為約0.01g/cm3至約0.05g/cm3，約0.01g/cm3至約0.04g/cm3，約0.01g/cm3至約0.03g/cm3或者約0.026g/cm3。可以經由本領域已知的任何合適方法通過共混石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成組合。合適方法的示例包括：球磨混合、聲學混合、螺條共混、垂直螺杆混合和V型-共混。
參照兩步法，冷壓意味著在室溫下或者在高溫下壓縮包括石墨微米大小或者納米大小的粘結劑的組合，只要粘結劑不與石墨微結構明顯結合。在一個實施例中，使大於約80wt.％，大於約85wt.％，大於約90wt.％，大於約95wt.％，或者大於約99wt.％的微結構在生坯中不結合。用於形成生坯的壓力可以是約500psi至約10ksi，並且溫度可以是約20℃至約200℃。在該階段的減少比(即，生坯的體積相對於組合的體積)為約40％至約80％。生坯的密度為約0.1g/cm3至約5g/cm3，約0.5g/cm3至約3g/cm3，或者約0.5g/cm3至約2g/cm3。
生坯塊可以在約350℃至約1200℃，特別是約800℃至約1200℃的溫度下加熱以形成碳複合材料。在一個實施方案中，溫度高於粘結劑的熔點，例如比粘結劑的熔點高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃。當溫度較高時，粘結劑變得較少粘性並且流動更好，並且可能需要較小的壓力以使粘結劑均勻地分布在碳微結構之間的空隙中。然而，如果溫度太高，它可能對儀器具有不利的影響。
可以根據預定溫度表或者斜率來應用溫度。加熱的手段不特別限制。示例性加熱方法包括直流(DC)加熱、感應加熱、微波加熱和放電等離子體燒結(SPS)。在一個實施例中，經由DC加熱進行加熱。例如，可以利用電流對包括石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的組合進行充電，電流流過組合，非常快地生成熱。可選地，還可以在惰性氣氛下，例如，在氬氣或者氮氣下進行加熱。在一個實施例中，在空氣的存在下對生坯進行加熱。
可以在約500psi至約30,000psi或者約1000psi至約5000psi的壓力下進行加熱。壓力可以是超壓或者負壓。不希望受限於理論，據信當超壓施加於組合時，微米大小或者納米大小的粘結劑通過滲透被迫進入在碳微結構之間的空隙。當負壓施加於組合時，微米大小或者納米大小的粘結劑還可以通過毛細力被迫進入在碳微結構之間的空隙。
在一個實施方案中，不一次全部施加用於形成碳複合材料的期望壓力。在加載生坯之後，首先在室溫或低溫下向組合物施加低壓以封閉組合物中的大孔。否則，熔融的粘結劑可能流到模具的表面。當溫度達到預定的最高溫度，可以施加製造碳複合材料所需的期望的壓力。溫度和壓力可以保持在預定的最高溫度下且預定的最高溫度保持5分鐘至120分鐘。
在該階段的減少比(即，碳複合材料的體積相對於生坯的體積)為約10％至約70％或者約20％至約40％。通過控制壓縮程度可以改變碳複合材料的密度。碳複合材料具有約0.5g/cm3至約10g/cm3，約1g/cm3至約8g/cm3，約1g/cm3至約6g/cm3，約2g/cm3至約5g/cm3，約3g/cm3至約5g/cm3，或者約2g/cm3至約4g/cm3的密度。
或者，也參考兩步法，該組合可以首先在室溫和約500psi至30,000psi的壓力下加壓以形成坯塊；可以在比粘結劑的熔點高的溫度下進一步加熱坯塊來製造碳複合材料。在一個實施方案中，溫度可比粘結劑的熔點高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃。加熱可以在大氣壓下進行。
在另一實施例中，可以由石墨和粘結劑直接製成碳複合材料，無需製造生坯。加壓和加熱可以同時執行。合適的壓力和溫度可以與此處關於二步法的第二步驟所討論的相同。
熱壓是同時施加溫度和壓力的方法。其可以在一步法和二步法兩者中用於製造碳複合材料。
可以通過一步法或者二步法在模具中製造碳複合材料。可以將所獲得的碳複合材料進一步加工或者成形以形成條、塊、管狀、圓柱形坯料或者環形體。加工包括使用例如銑床、鋸條、車床、槽刨機、放電加工工具機等進行的切割、鋸、燒蝕、銑削、表面加工、車削、鏜等。可替代地，可以通過選擇具有理想形狀的模具將碳複合材料直接模製成有用的形狀。
還可以經由熱軋製成片狀材料諸如網、紙、條、帶、箔、墊等。在一個實施例中，可以將通過熱軋製成的碳複合材料片材進一步進行加熱以允許粘結劑使碳微結構有效地粘結在一起。
可通過擠出製成碳複合材料粒料。例如，可以首先將石墨和微米或納米尺寸的粘結劑的組合裝載在容器中。然後,通過活塞將組合推入擠出機。擠出溫度可以為約350℃至約1200℃或約800℃至約1200℃。在一個實施方案中，擠出溫度高於粘結劑的熔點，例如比粘結劑的熔點高約20至約50℃。在一個實施方案中，從擠出獲得線材，其可以被切割以形成粒料。在另一個實施方案中，直接從擠出機獲得粒料。任選地，可以對粒料應用後處理工藝。例如，可以在高於粘結劑的熔融溫度的爐中加熱粒料，使得如果在擠出期間碳微結構沒有結合或未充分結合，則粘結劑可以將碳微結構結合在一起。
可以通過剪切力(切割力)銑削碳複合材料，例如實心件製成碳複合材料粉末。應該注意的是碳複合材料不應被粉碎。另外，在碳微結構內的空隙可能被破壞，因此碳複合材料失去彈性。
碳複合材料具有多個有利性能適用於廣泛應用。在特別有利的特徵中，通過形成碳複合材料，機械強度和彈性體性能兩者均得到改進。
為了說明由碳複合材料實現的彈性能量的改進，關於以下樣品的應力-應變曲線在圖5中示出：(A)天然石墨，(B)膨脹石墨，(C)在室溫和大氣壓下形成的膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的混合物，(D)通過在高溫和大氣壓下形成的膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的混合物；以及(E)在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小和納米大小的粘結劑形成的碳複合材料。關於天然石墨，通過在高壓下將天然石墨壓縮在鋼模中製成樣品。膨脹石墨樣品也按相似方式製成。
如圖5所示，天然石墨具有非常低的彈性能量(在應力-應變曲線下的區域)並且非常脆。膨脹石墨的彈性能量和在室溫和高壓下壓制的膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的混合物的彈性能量高於天然石墨的彈性能量。相反，與單獨的天然石墨、單獨的膨脹石墨、以及在室溫和高壓下壓制的膨脹石墨和粘結劑的混合物相比，本公開的硬碳複合材料和軟碳複合材料兩者均表現出明顯改進的彈性，顯示出彈性能量顯著增加。在一個實施例中，碳複合材料具有大於約4％，大於約6％或者在約4％與約40％之間的彈性伸長率。
碳複合材料的彈性在圖6和圖7中進一步圖示。圖6示出了碳複合材料在不同負載情況下的環路試驗結果。圖7示出了碳複合材料分別在室溫和500°F下試驗的滯後結果。如圖7所示，碳複合材料的彈性在500°F下被保持。
除了機械強度和彈性之外，碳複合材料還可以在高溫下具有優異的熱穩定性。圖8是碳複合材料在500℃下暴露於空氣25小時之前和在500℃下暴露於空氣25小時之後的比較。圖9A是碳複合材料樣品在熱衝擊8小時之後的照片。關於熱衝擊的條件在圖9B中示出。如圖8和圖9A所示，碳複合材料樣品在500℃下暴露於空氣25小時之前或者在熱衝擊之後不存在變化。碳複合材料可以具有高耐熱性，其中操作溫度的範圍從約-65°F高達約1200°F，特別地高達約1100°F，並且更特別地約1000°F。
碳複合材料還可以在高溫下具有優異的耐化學性。在一個實施例中，複合材料化學上耐水、油、滷水和酸，其中耐抗率從良好至優異。在一個實施例中，在高溫和高壓下，例如，約68°F至約1200°F，或者約68°F至約1000°F，或者約68°F至約750°F在溼條件下，包括鹼性和酸性條件下，可以連續使用碳複合材料。因此，當長時間暴露於化學劑(例如，水、鹽水、碳氫化合物、酸諸如HCl、溶劑諸如甲苯等)時，甚至在高達200°F的高溫下，以及在高壓(大於大氣壓)下，碳複合材料在延長的時間段內抵抗溶脹和性能的降解。碳複合材料的耐化學性在圖10和圖11中圖示。圖10是碳複合材料樣品在200°F下暴露於自來水20小時之前和在200°F下暴露於自來水20小時之後，或者在200°F下暴露於自來水3天之後的比較。如圖10所示，對於樣品而言不存在變化。圖11是碳複合材料樣品在200°F下暴露於帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之前和在200°F下暴露於帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之後，或者在200°F下暴露於15％HCl溶液3天之後的比較。同樣，對於碳複合材料樣品而言不存在變化。
碳複合材料是中硬至特硬，其中硬度從以肖氏A計約50至以肖氏D計約75。
如進一步有利的特徵，碳複合材料在高溫下具有穩定的密封力。在恆定壓縮應變下部件的應力延遲已知為壓縮應力鬆弛。還已知為密封力鬆弛試驗的壓縮應力鬆弛試驗在兩塊板之間的壓縮作用下測量由密封件或者O形環施加的密封力。通過根據時間、溫度和環境的函數測量樣品的密封力衰減，為預報材料的使用壽命提供決定性信息。圖12示出了碳複合材料樣品在600°F下的密封力鬆弛試驗結果。如圖12所示，碳複合材料的密封力在高溫下是穩定的。在一個實施例中，使複合材料的樣品的在15％應變和600°F下的密封力在約5800psi下維持至少20分鐘，沒有鬆弛。
碳複合材料有助於製備用於很多種應用的製品，包括但不限於，電子設備、核能、熱金屬加工、塗料、航天、汽車、石油和天然氣和航海應用。示例性製品包括密封件、軸承、軸承座、包裝件、閥門、發動機、反應器、冷卻系統和散熱器。因此，在一個實施例中，製品包括碳複合材料。碳複合材料可以用於形成製品的所有或者一部分。
製品可以是井下元件。示例性製品包括密封件、密封孔保護件、刷拭元件保護件、壓裂塞的部件、橋塞、壓縮包裝元件(初級密封件)、膨脹包裝元件(ARC密封件)、O形環、結合密封件、子彈密封件、地下安全閥(SSSV)動態密封件、SSSV擋板密封件、V形環、支承環、鑽頭密封件或者ESP密封件。在一個實施例中，製品為包裝件、密封件或者O形環。
本文所公開的所有範圍包括端點，並且端點彼此獨立組合。本文所使用的後綴「(s)」意在包括其所修飾的術語的單數和複數，因此包括至少一個該術語(例如，著色劑(s)包括至少一種著色劑)。「或者」意味著「以及/或者」。「可選的」或者「可選地」意味著之後所描述的事件或者情況可能發生或者可能不發生，並且該說明包括發生該事件的情形和不發生該事件的情形。如此處所使用的，「組合」包括共混物、混合物、合金、反應產物等。所有參考文獻以引用的方式併入本文。
在描述本發明的上下文中(特別是在以下權利要求書的上下文中)，除非本文另有指明或者上下文明顯矛盾，術語「一」、「一個」和「該」和相似指示物的使用被解釋為覆蓋單數和複數兩種。進一步地，應該進一步注意的是，術語「第一」、「第二」等在此並不表示任何順序、數量或者重要性，而是用於區分一個元件與另一個元件。與數量結合使用的修飾語「約」包括所指出的值，並且具有上下文所示的意義(例如，其包括與具體數量的測量相關的誤差程度)。
雖然已為說明的目的闡明了典型的實施例，但是前述說明不應被認為是對本文範圍的限制。因此，在不背離本文的精神和範圍的情況下，本領域技術人員可以做出各種修改、調整以及替換。