塗覆的顆粒和相關方法
2023-05-25 17:06:06
塗覆的顆粒和相關方法
【專利摘要】塗覆的顆粒，其包含芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是1μm-500μm。使塗覆材料附著於和覆蓋該芯顆粒的至少一部分外表面，該塗覆材料包含胺封端的基團。將多個納米顆粒附著於該塗覆材料，該多個納米顆粒選自碳納米管、納米石墨、納米石墨烯、非金剛石碳同素異形體、表面改性的納米金剛石、BeO的納米尺寸顆粒和包含第VIIIA族元素的納米尺寸顆粒。
【專利說明】塗覆的顆粒和相關方法
[0001]優選權要求
[0002]本申請要求2011年6月22日提交的、名為「塗覆的顆粒和相關方法」的美國專利申請序列號13/166，557的提交日權益。
【技術領域】
[0003]本公開的實施方案總體上涉及塗覆的顆粒，形成塗覆的顆粒的方法和由塗覆的顆粒形成多晶複合片的方法。具體地，本公開的實施方案涉及其上塗覆有納米顆粒的超硬材料的顆粒。
[0004]發明背景
[0005]已經證明，超硬材料可用於廣泛的多種應用。例如，鑽地工具中所用的切割元件經常包括多晶金剛石(PCD)材料，其可以用於形成多晶金剛石刀具(經常稱作「PDC」)。這種多晶金剛石切割元件常規上如下來形成:在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或者其合金及混合物)存在下，在高溫和高壓條件下，將相對小的金剛石晶粒或晶體燒結和結合在一起，以在切割元件基底上形成多晶金剛石材料的層。這些處理經常被稱作高溫/高壓(或者「HTHP」)處理。該切割元件基底可以包含金屬陶瓷材料(即，陶瓷-金屬複合材料)，其包含在金屬基質中的硬質材料的多個顆粒，例如鈷燒結碳化鎢。在這種情況中，切割元件基底中的催化劑材料可以在燒結過程中進入金剛石晶粒或者晶體中，並且催化由金剛石晶粒或者晶體形成金剛石臺。在其他方法中，可以先將粉末化的催化劑材料與金剛石晶粒或者晶體混合，然後在HTHP處理中將晶粒或者晶體一起燒結。
[0006]用於在地下地層中形成鑽井的鑽地工具可以包括多個安裝在本體上的切割元件，包括例如固定刀具的鑽地旋轉鑽頭(也稱作「刮刀鑽頭」)。這種固定刀具的鑽頭包括多個切割元件，其固定附接到鑽頭的鑽頭體上，常規上處於在刀片和鑽頭體的其他外部部分中形成的凹處中。其他鑽地工具可以包括牙輪鑽地鑽頭，其包括附接到從懸在鑽頭體上的腿上的軸承銷的多個刀具。該刀具可以包括在刀具上經碾磨或者其他方式形成的切割元件(有時候稱作「齒」)，其可以包括在切割元件外表面上的耐磨堆焊，或者該刀具可以包括附接到刀具上的切割元件(有時候稱作「嵌入件」)，通常處於刀具中形成的凹處中。包括超硬材料的切割元件提高了它們所附接到其上的鑽地工具的使用壽命，因為超硬材料提高了工具的強度和耐磨性。
[0007]—些超硬材料具有令人期望的性能，其使得它們可用於另外的應用中。例如，這種材料的高強度和耐磨性使得它們可用於研磨、拋光和機加工應用中。提高一些超硬材料的熱導率使得它們可以用作分散在潤滑劑(例如車用機油和泵油)中的顆粒，因為這種潤滑劑經常用於冷卻它們所潤滑的部件。此外，提高一些超硬材料的電導率使得它們可以用作聚合物和彈性體中的填料，其中提高聚合物和彈性體的至少一些部分的電導率是令人期望的。
[0008]已經進行了一些嘗試，通過在其上形成其他材料的層，來增強或者改變超硬材料的性能。例如，Gaurav Saini, David S.Jensen, Landon A.Wiest, Michael A.Vail, AndrewDadson, Milton L.Lee, V.Shutthanandan,和 Matthew R.Linford 等人的 Core-ShellDiamond as a Support for Solid-Phase Extraction and High-Performance LiquidChromatigraphy, 82Analytical Chem.4448 (2010 年 6 月 I 日)，除了其他方面，公開了在胺官能化的微米金剛石(microdiamond)上逐層沉積含胺的聚合物和納米金剛石。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]雖然說明書結束於具體指出和明確主張何為本發明的權利要求的書，但是當結合附圖來閱讀時，可以從下面對本發明實施方案的說明中更容易地確定本發明實施方案的不同特徵和優點，附圖中:
[0010]圖1是芯顆粒的橫截面圖；
[0011]圖2顯示了圖1的芯顆粒在用塗覆材料塗覆後的橫截面圖；
[0012]圖3顯示了圖2的塗覆的芯顆粒在納米顆粒已經置於塗覆材料上之後的橫截面圖；
[0013]圖4是圖3的塗覆的芯顆粒在用另一塗層塗覆納米顆粒之後的橫截面圖；
[0014]圖5顯示了圖4的塗覆的芯顆粒在其他納米顆粒已經置於其他塗層上之後的橫截面圖；
[0015]圖6顯示了圖5所示的納米顆粒的一個替代實施方案的橫截面圖；
[0016]圖7是圖5所示的塗覆的芯顆粒的另一實施方案的橫截面圖，其中其他納米顆粒直接置於該第一納米顆粒上；
[0017]圖8顯示了圖5的塗覆的芯顆粒在用又一其他塗層塗覆該其他納米顆粒之後的橫截面圖；
[0018]圖9顯示了圖8的塗覆的芯顆粒在又一其他納米顆粒已經置於該又一其他塗層上之後的橫截面圖；
[0019]圖10是圖9的塗覆的芯顆粒在該又一其他納米顆粒已經被塗覆於最終塗層中之後的橫截面圖；
[0020]圖11顯示了可以用於形成切割元件的模具的橫截面圖；
[0021]圖12顯示了可以附接到鑽地工具上的切割元件的局部剖視透視圖；和
[0022]圖13是切割元件可以附接到其上的鑽地工具的透視圖。
【具體實施方式】
[0023]這裡所提出的圖示並不表示任何具體的顆粒、切割元件或鑽地工具的實際視圖，而僅僅是理想化的表示，其用於描述本發明的實施方案。因此，該附圖不必是符合比例的，並且為了清楚起見，相對尺寸可以誇大。此外，圖之間共同的元件可以保持相同或類似的附圖標記。
[0024]本發明的實施方案涉及超硬材料的顆粒，其具有塗覆其上的納米顆粒。在一些實施方案中，包含胺封端的基團的塗覆材料可以連續地介於顆粒和/或納米顆粒之間。
[0025]作為此處使用的，術語「鑽地工具」和「鑽地鑽頭」表示和包括用於在地下地層中形成和擴大井筒過程中用於鑽探的任何類型的鑽頭或者工具，並且包括例如固定刀具鑽頭、牙輪鑽頭、衝擊鑽頭、取心鑽頭、偏心鑽頭、雙中心鑽頭、混合式鑽頭以及擴眼鑽頭、研磨機和本領域已知的其他鑽探鑽頭和工具。
[0026]作為此處使用的，術語「多晶材料」表示和包括任何這樣的結構，其包含通過晶粒間鍵直接結合到一起的材料(例如超硬材料)的多個晶粒(即晶體)。該材料的單個晶粒的晶體結構可以在多晶材料內的空間內無規定向。
[0027]作為此處使用的，術語「晶粒間鍵」和「相互鍵合」表示和包括在超級磨料材料相鄰晶粒中的原子之間的任何直接原子鍵(例如共價鍵，金屬鍵等)。
[0028]作為此處使用的，術語「超硬材料」表示和包括Knoop硬度值是約3，OOOKgf/mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。超硬材料包括例如金剛石和立體氮化硼。超硬材料也可以表述為「超級磨料」材料。
[0029]作為此處使用的，術語「納米顆粒」和「納米尺寸」表示和包括平均顆徑是約lnm-500nm的任何顆粒,例如晶體或晶粒。
[0030]作為此處使用的，術語「碳化鎢」表示包含鎢和碳的化學化合物任何材料組合物，化合物例如wc、w2c以及WC和W2C的組合。碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢和粗晶碳化鶴。
[0031]參見圖1，顯示了芯顆粒100的橫截面圖。為了簡單起見，將芯顆粒100顯示為具有圓形橫截面，但是芯顆粒100實際上可以具有任何形狀的橫截面，包括不規則形狀。芯顆粒100可以包含超硬材料。例如，芯顆粒100可以包含合成金剛石、天然金剛石、立方體氮化硼或者本領域已知的任何超硬材料。因此，芯顆粒100可以包含例如金剛石的單晶粒。芯顆粒100可以包括I μ m-500 μ m的平均直徑。芯顆粒100可以作為多個類似的芯顆粒100之一來提供。這種多個芯顆粒100可以沒有納米尺寸顆粒。
[0032]在一些實施方案中，芯顆粒100的外表面102可以通過表面處理來改性。例如，芯顆粒100的外表面102可以經衍生化來表現出淨負電荷或者淨正電荷。因此，可以將淨電荷賦予芯顆粒100的外表面102。表面處理可以使用例如電暈處理、等離子體處理、化學氣相處理、溼法蝕刻、灰化、底漆處理(例如聚合物基或者有機矽烷底漆處理)和本領域已知的其他表面處理來完成。
[0033]參見圖2，顯示了圖1的芯顆粒100在用塗覆材料104塗覆後的橫截面圖。雖然塗覆材料104被顯示為覆蓋芯顆粒100的整個外表面102的均勻厚度的塗層，但是塗覆材料104實際上可以是非均勻厚度的和可以僅覆蓋芯顆粒100的一部分外表面102。塗覆材料104可以帶有與芯顆粒100的外表面102的淨電荷相反的淨電荷，這可以例如通過吸附來促進塗覆材料104附著於芯顆粒100的外表面102。塗覆材料104可以包含胺封端的基團。例如，塗覆材料104可以包含聚烯丙基胺、聚乙烯亞胺、聚乙烯胺。作為繼續的例子，塗覆材料104可以包含通過氮丙啶聚合所製備的多胺，並且包括具有支化結構的聚乙烯胺和聚乙烯亞胺，其衍生自氮丙啶和三(氨乙基)胺、超支化或樹狀多胺(例如聚醯胺型胺(PAMAM)樹狀體)、聚氨基丙烯酸酯(例如聚(N，N-二甲基氨基乙基-(甲基)丙烯酸酯))、其與烷基或者芳烷基(甲基)丙烯酸酯[例如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸2-羥丙基酯、(甲基)丙烯腈、聚(N，N-二甲基氨基乙基-(甲基)丙烯酸酯)_並-((甲基)丙烯酸甲酯)]的共聚物以及包含它們的至少一種的組合。作為一個具體的例子，塗覆材料104可以包含聚乙烯亞胺，其帶有淨正電荷和是水溶性的。
[0034]塗覆材料104可以通過任何的幾種公知方法置於芯顆粒100的外表面102上。例如，塗覆材料104可以通過以下方法置於芯顆粒100的外表面102上:溼化學方法(例如浸塗、固體-凝膠加工等)、物理沉積方法(例如濺射，也稱作物理氣相沉積(PVD)等)、化學沉積方法(例如化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)等)或者它們的組合。作為一個具體的例子，多個芯顆粒100 (其已經使用電暈處理來處理表面，以將淨負電荷賦予該多個芯顆粒100的顆粒外表面102)可以置於聚烯丙基胺的水溶液中，其帶有淨正電荷，和該聚烯丙基胺可以附著於該多個芯顆粒100的顆粒外表面102上。
[0035]參見圖3，顯示了圖2的塗覆的芯顆粒100在多個納米顆粒106已經置於塗覆材料104上之後的橫截面圖。雖然為了簡單起見，該多個納米顆粒106顯示為具有圓形橫截面，但是該多個納米顆粒106可以包含任何形狀，並且具體地實際上可以具有不規則形狀。另外，雖然多個納米顆粒106顯示為在整個塗覆材料104上以相當規則的間隔置於塗覆材料104上，但是該多個納米顆粒106可以以不規則的間隔和/或在塗覆材料104的僅一部分上置於塗覆材料104上。多個納米顆粒106可以包含例如表面改性的納米金剛石、氧化的納米金剛石、碳納米管、納米石墨、納米石墨烯、碳的其他納米尺寸的非金剛石同素異形體(例如無定形碳、富勒烯、碳納米芽、六方碳等)、BeO的納米尺寸顆粒和在本領域中已知為催化劑材料的包含第VIIIA族元素(例如鐵、鈷、鎳等)的納米尺寸顆粒。因此，在一些實施方案中，多個納米顆粒106的材料可以與芯顆粒100的材料相同。在其他實施方案中，多個納米顆粒106可以包含與芯顆粒100的材料不同的材料。在一些實施方案中，多個納米顆粒106可以包含一種材料(例如石墨)的至少一些納米顆粒106和另一種材料(例如第VIIIA族元素催化劑材料)的至少一些其他納米顆粒106。
[0036]在一些實施方案中，在沉積到塗覆材料104上之前，多個納米顆粒106可以通過表面處理來改性。例如，多個納米顆粒106的外表面108可以經衍生化來表現出與塗覆材料104的淨電荷相反的淨電荷，其可以是淨負電荷或淨正電荷。表面處理可以使用例如在前面就芯顆粒100所述的任何表面處理和本領域已知的其他表面處理來完成。通過改變塗覆的芯顆粒100的連續組成部分所帶的淨電荷，每個連續組成部分(例如芯顆粒100、塗覆材料104和多個納米顆粒106)可以使用非共價分子間相互作用(例如範德華力)和機械幹涉附著於它的相鄰組成部分。
[0037]可以通過例如將該多個納米顆粒106分散在連續相材料中來形成分散體，而將多個納米顆粒106置於塗覆材料104上。所形成的分散體可以例如是懸浮液、膠體或溶液，這取決於所用的連續相材料和該多個納米顆粒106的材料的類型。作為一個具體的例子，多個納米顆粒106可以包含懸浮在水中的碳納米管。在圖3中顯示為位於塗覆材料104上的該多個納米顆粒106可以代表分散體中整個多個納米顆粒106的僅小部分，以確保存在足夠量的納米顆粒106用於附著於塗覆材料104上。然後至少部分塗覆有塗覆材料104的多個芯顆粒100可以通過將該多個塗覆的芯顆粒100置於分散體中，而暴露於分散的多個納米顆粒106。在一些實施方案中，然後可以攪拌該分散體來循環多個塗覆的芯顆粒100和多個納米顆粒106，並提高至少一些的多個納米顆粒106能夠附著於位於塗覆的芯顆粒100上的塗覆材料104的可能性。結果，該多個納米顆粒106的至少一些納米顆粒可以位於和附著於塗覆材料104，其位於和附著於多個芯顆粒100。
[0038]多個納米顆粒106可以賦予芯顆粒100所需的特性。在芯顆粒100包含金剛石和多個納米顆粒106包含納米石墨的情況中，例如與其上沒有塗覆任何納米顆粒106的芯顆粒100相比，該多個納米顆粒106可以提聞所形成的塗覆的芯顆粒100的潤滑能力，提聞電絕緣性和提高絕熱性。這種特性組合在例如塗覆的芯顆粒100能夠分散在其中的潤滑劑中會是令人期望的。因此，所用的芯顆粒100、塗覆材料104和納米顆粒106將取決於它們的目標應用和每個的性能。在一些實施方案中，塗覆材料104和納米顆粒106的單獨施用可能是足夠的。在其他實施方案中，塗覆的芯顆粒100可以經過隨後的處理。
[0039]參見圖4，顯示了圖3的塗覆的芯顆粒100在多個納米顆粒106用第二塗覆材料104』塗覆後的橫截面圖。雖然第二塗覆材料104』被顯示為覆蓋多個納米顆粒106的整個暴露的外表面108和下面的塗覆材料104的均勻厚度的塗層，但是該第二塗覆材料104』可以是非均勻厚度的，和實際上可以僅覆蓋塗覆的芯顆粒100的組成部分(例如下面的塗覆材料104和多個納米顆粒106)的一部分暴露的外表面。第二塗覆材料104』可以帶有與多個納米顆粒106的外表面108的淨電荷相反的淨電荷，其可以例如通過吸附來促進第二塗覆材料104』附著於多個納米顆粒106的外表面108。第二塗覆材料104』可以包含胺封端的基團，例如在前面就下面的塗覆材料104所述的任何胺封端的基團材料。在一些實施方案中，第二塗覆材料104』可以包含與下面的塗覆材料104相同的材料。在其他實施方案中，第二塗覆材料104』可以包含與下面的塗覆材料104不同的材料。
[0040]第二塗覆材料104』可以通過任何的幾種公知方法置於塗覆的芯顆粒100上。例如，第二塗覆材料104』可以通過在前面就下面的塗覆材料104所述的任何方法置於塗覆的芯顆粒100上。作為一個具體的例子，可以將多個塗覆的芯顆粒100(其具有介於每個芯顆粒100和多個納米顆粒106之間並附著於其上的塗覆材料104，該多個納米顆粒100已經使用電暈處理來進行表面處理，以將淨負電荷賦予多個納米顆粒106的外表面108)置於聚烯丙基胺的水溶液中，其帶有淨正電荷，和該聚烯丙基胺可以由此置於和附著於多個納米顆粒106的外表面108上。
[0041]參見圖5，顯示了圖4的塗覆的芯顆粒100在第二多個納米顆粒106』已經置於第二塗覆材料104』上之後的橫截面圖。雖然為了簡單起見，第二多個納米顆粒106』被顯示為具有圓形橫截面，但是該第二多個納米顆粒106』實際上可以包括任何形狀，和具體地可以具有不規則的形狀。另外，雖然第二多個納米顆粒106』被顯示為在整個第二塗覆材料104』上以相對規則的間隔置於第二塗覆材料104』上，但是該第二多個納米顆粒106』可以在第二塗覆材料104』的僅一部分上以不規則的間隔置於第二塗覆材料104』上。第二多個納米顆粒106』可以包含在前面就第一多個納米顆粒106所述的任何材料。因此，在一些實施方案中，第二多個納米顆粒106』的材料可以與芯顆粒100的材料和第一多個納米顆粒106的材料相同。在其他實施方案中，第二多個納米顆粒106』可以包含與芯顆粒100和第一多個納米顆粒106的材料之一或二者不同的材料。在一些實施方案中，第二多個納米顆粒106』可以包含一種材料(例如石墨)的至少一些納米顆粒106』和另一種材料(例如第VIIIA族元素催化劑材料)的至少一些其他納米顆粒106』。作為一個具體的非限定性例子，圖5所示的芯顆粒100可以包含金剛石晶體，第一多個納米顆粒106可以包含納米石墨，和第二多個納米顆粒106』可以包含納米石墨烯。
[0042]在一些實施方案中，在沉積到第二塗覆材料104』之前，第二多個納米顆粒106』可以通過表面處理來改性。例如，第二多個納米顆粒106』的外表面110可以經衍生化來表現出與第二塗覆材料104』的淨電荷相反的淨電荷，其可以是淨負電荷或淨正電荷。表面處理可以使用例如在前面就芯顆粒100所述的任何表面處理和本領域已知的其他表面處理來完成。通過改變塗覆的芯顆粒100的連續組成部分所帶的淨電荷，每個連續組成部分(例如芯顆粒100、第一塗覆材料104、第一多個納米顆粒106、第二塗覆材料104』和第二多個納米顆粒106』 )可以附著於它的相鄰組成部分。
[0043]可以通過例如將第二多個納米顆粒106』分散在連續相材料中來形成分散體，而將第二多個納米顆粒106』置於第二塗覆材料104』上。所形成的分散體可以例如是懸浮液、膠體或溶液，這取決於所用的連續相材料和第二多個納米顆粒106』的材料的類型。作為一個具體的例子，第二多個納米顆粒106』可以包含懸浮在水中的鈷的納米尺寸顆粒。在圖5中顯示為位於第二塗覆材料104』上的第二多個納米顆粒106』可以代表分散體中整個第二多個納米顆粒106』的僅小部分，以確保存在足夠量的納米顆粒106』用於附著於第二塗覆材料104』上。然後例如圖4所示的多個塗覆的芯顆粒100可以通過將該多個塗覆的芯顆粒100置於分散體中，而暴露於分散的第二多個納米顆粒106』。在一些實施方案中，然後可以攪拌該分散體來循環多個塗覆的芯顆粒100和第二多個納米顆粒106』，並提高至少一些的第二多個納米顆粒106』能夠附著於位於塗覆的芯顆粒100上的第二塗覆材料104』的可能性。結果，第二多個納米顆粒106』的至少一些納米顆粒可以位於和附著於第二塗覆材料104，上。
[0044]參見圖6，顯示了圖5的第二多個納米顆粒106』的一個替代實施方案的橫截面圖。具體地，圖6所示的芯顆粒100可以包含金剛石晶體，第一多個納米顆粒106可以包含納米石墨，和第二多個納米顆粒106』可以包含鈷的納米尺寸顆粒。該塗覆的顆粒可以作為前體，用於製造PDC切割元件的多晶金剛石材料的方法中。通過將包含碳同素異形體的納米顆粒和催化劑材料彼此緊鄰並且緊鄰較大的金剛石芯顆粒放置，該塗覆的芯顆粒100可以促進金剛石晶粒的原位成核。例如，塗覆的芯顆粒100的催化劑材料可以更容易接觸和原位催化金剛石晶粒從納米石墨顆粒的成核，因為該催化劑材料不必如鈷燒結碳化物基底那樣，流過納米石墨中存在的通常曲折的路徑。DiGiovanni等人的公布於2011年2月10日的美國申請公開N0.2011/0031034，公開了金剛石晶粒的原位成核可以得到更堅固和更耐磨的多晶金剛石材料。
[0045]參見圖7,顯示了圖5所示的塗覆的芯顆粒100的另一替代實施方案的橫截面圖。在該實施方案中，第二多個納米顆粒106』直接附著於第一多個納米顆粒106。為了促進附著，可以通過表面處理來改性第二多個納米顆粒106』。例如，第二多個納米顆粒106』的外表面110可以經衍生化來表現出與第一多個納米顆粒106的外表面108的淨電荷相反的淨電荷，其可以是淨負電荷或淨正電荷。表面處理可以使用例如在前面就芯顆粒100所述的任何表面處理和本領域已知的其他表面處理來完成。在顆粒彼此直接附著的實施方案中，可以省略塗覆材料，例如圖5和6所示的第二塗覆材料104』。因此，可以任選地省略前述的任何塗覆材料104和104』和此後所述的任何塗覆材料，其中改變外表面所帶的淨電荷或者其他因素允許相鄰的顆粒彼此直接附著。
[0046]參見圖8，顯示了圖5的塗覆的芯顆粒100在用第三塗覆材料104」塗覆第二多個納米顆粒106』之後的橫截面圖。雖然第三塗覆材料104」被顯示為覆蓋第二多個納米顆粒106』的整個暴露的外表面110和下面的第二塗覆材料104』的均勻厚度的塗層，但是該第三塗覆材料104」可以是非均勻厚度的，和實際上可以僅覆蓋塗覆的芯顆粒100的組成部分(例如下面的第二塗覆材料104』和第二多個納米顆粒106』 )的一部分暴露的外表面。第三塗覆材料104」可以帶有與第二多個納米顆粒106』的外表面110的淨電荷相反的淨電荷，其可以例如通過吸附來促進第三塗覆材料104」附著於第二多個納米顆粒106』的外表面110。第三塗覆材料104」可以包含胺封端的基團，例如在前面就第一塗覆材料104所述的任何胺封端的基團材料。在一些實施方案中，第三塗覆材料104」可以包含與第一塗覆材料104和第二塗覆材料104』相同的材料。在其他實施方案中，第三塗覆材料104」可以包含與第一塗覆材料104和第二塗覆材料104』的至少一個不同的材料。
[0047]第三塗覆材料104」可以通過任何的幾種公知方法置於塗覆的芯顆粒100上。例如，第三塗覆材料104」可以通過在前面就第一塗覆材料104所述的任何方法置於塗覆的芯顆粒100上。作為一個具體的例子，可以將多個塗覆的芯顆粒100 (其具有附著於其上的外部第二多個納米顆粒106』，其已經使用電暈處理來進行表面處理，以將淨負電荷賦予第二多個納米顆粒106』的外表面110)置於聚烯丙基胺的水溶液中，其帶有淨正電荷，和該聚烯丙基胺可以由此置於和附著於第二多個納米顆粒106』的外表面110上。
[0048]參見圖9，顯示了圖8的塗覆的芯顆粒100在第三多個納米顆粒106」已經置於第三塗覆材料104」上之後的橫截面圖。雖然為了簡單起見，第三多個納米顆粒106」被顯示為具有圓形橫截面，但是該第三多個納米顆粒106」實際上可以包括任何形狀，和具體地可以具有不規則的形狀。另外，雖然第三多個納米顆粒106」被顯示為在整個第三塗覆材料104」上以相對規則的間隔置於第三塗覆材料104」上，但是該第三多個納米顆粒106」可以在第三塗覆材料104」的僅一部分的上以不規則的間隔置於第三塗覆材料104」上。第三多個納米顆粒106」可以包含在前面就第一多個納米顆粒106所述的任何材料。因此，在一些實施方案中，第三多個納米顆粒106」的材料可以與芯顆粒100的材料、第一多個納米顆粒106的材料和第二多個納米顆粒106』的材料相同。在其他實施方案中，第三多個納米顆粒106」可以包含與芯顆粒100、第一多個納米顆粒106和第二多個納米顆粒106』的材料中的一種、一些或者全部不同的材料。在一些實施方案中，第三多個納米顆粒106」可以包含一種材料(例如石墨)的至少一些納米顆粒106」和另一種材料(例如第VIIIA族元素催化劑材料)的至少一些其他納米顆粒106」。作為一個具體的非限定性例子，圖9所示的芯顆粒100可以包含金剛石晶體，第一多個納米顆粒106可以包含納米石墨，第二多個納米顆粒106』可以包含納米石墨烯，和第三多個顆粒106」可以包含碳納米管。
[0049]在一些實施方案中，在沉積到第三塗覆材料104」之前，第三多個納米顆粒106」可以通過表面處理來改性。例如，第三多個納米顆粒106」的外表面112可以經衍生化來表現出與第三塗覆材料104」的淨電荷相反的淨電荷，其可以是淨負電荷或淨正電荷。表面處理可以使用例如在前面就芯顆粒100所述的任何表面處理和本領域已知的其他表面處理來完成。通過改變塗覆的芯顆粒100的連續組成部分所帶的淨電荷，每個連續組成部分(例如芯顆粒100、第一塗覆材料104、第一多個納米顆粒106、第二塗覆材料104』、第二多個納米顆粒106』、第三塗覆材料104」和第三多個顆粒106」)可以附著於它的相鄰組成部分。
[0050]可以通過例如將第三多個納米顆粒106」分散在連續相材料中來形成分散體，而將第三多個納米顆粒106」置於第三塗覆材料104」上。所形成的分散體可以例如是懸浮液、膠體或溶液，這取決於所用的連續相材料和第三多個納米顆粒106」的材料的類型。作為一個具體的例子，第三多個納米顆粒106」可以包含懸浮在水中的BeO的納米尺寸顆粒。在圖9中顯示為位於第三塗覆材料104」上的第三多個納米顆粒106」可以代表分散體中整個第三多個納米顆粒106」的僅小部分，以確保存在足夠量的納米顆粒106」用於附著於第三塗覆材料104」上。然後例如圖8所示的塗覆的芯顆粒100，多個塗覆的芯顆粒100可以通過將該多個塗覆的芯顆粒100置於分散體中，而暴露於分散的第三多個納米顆粒106」。在一些實施方案中，然後可以攪拌該分散體來循環多個塗覆的芯顆粒100和第三多個納米顆粒106」，並提高至少一些的第三多個納米顆粒106」能夠附著於位於多個塗覆的芯顆粒100上的第三塗覆材料104」的可能性。結果，第三多個納米顆粒106」的至少一些納米顆粒可以位於和附著於第三塗覆材料104」上。
[0051]參見圖10，顯示了圖9的塗覆的芯顆粒100在用第四塗覆材料104」』塗覆第三多個納米顆粒106」之後的橫截面圖。雖然第四塗覆材料104」』被顯示為覆蓋第三多個納米顆粒106」的整個暴露的外表面112和下面的第三塗覆材料104」的均勻厚度的塗層，但是該第四塗覆材料104」』可以是非均勻厚度的，和實際上可以僅覆蓋塗覆的芯顆粒100的組成部分(例如下面的第三塗覆材料104」和第三多個納米顆粒106」)的一部分暴露的外表面。第四塗覆材料104」』可以帶有與第三多個納米顆粒106」的外表面112的淨電荷相反的淨電荷，其可以例如通過吸附來促進第四塗覆材料104」』附著於第三多個納米顆粒106」的外表面112。第四塗覆材料104」』可以包含胺封端的基團，例如在前面就第一塗覆材料104所述的任何胺封端的基團材料。在一些實施方案中，第四塗覆材料104」』可以包含與第一塗覆材料104、第二塗覆材料104』和第三塗覆材料104」相同的材料。在其他實施方案中，第四塗覆材料104」』可以包含與第一塗覆材料104、第二塗覆材料104』和第三塗覆材料104」的至少一種不同的材料。
[0052]第四塗覆材料104」』可以通過任何的幾種公知方法置於塗覆的芯顆粒100上。例如，第四塗覆材料104」』可以通過在前面就第一塗覆材料104所述的任何方法置於塗覆的芯顆粒100上。作為一個具體的例子，可以將多個塗覆的芯顆粒100(其具有附著於其上的外部第三多個納米顆粒106」，其已經使用電暈處理來進行表面處理，以將淨負電荷賦予第三多個納米顆粒106」的外表面112)置於聚烯丙基胺的水溶液中，其帶有淨正電荷，和該聚烯丙基胺可以由此置於和附著於第三多個納米顆粒106」的外表面112上。
[0053]多個納米顆粒和塗覆材料的連續沉積(一種在本領域稱作逐層或者「LbL」沉積的方法)可以根據需要或者可行性來繼續多次。例如，可以將第四、第五、第六、第七等多個納米顆粒置於第四、第五、第六、第七等塗覆材料上。這種多個納米顆粒和塗覆材料的後續沉積可以包含材料，和可以使用例如在前面就第一多個納米顆粒106和第一塗覆材料104 (圖3)所述的那些方法來完成。
[0054]在已經發生了所需數目的塗覆材料和多個納米顆粒迭代沉積之後，可以交聯塗覆材料。交聯塗覆材料能夠增強該塗覆材料的機械強度和穩定性。交聯可以使用例如加入交聯劑、紫外輻射、電子束輻射、加熱或者本領域已知的用於交聯的其他方法來完成。
[0055]圖11顯示了可以用於形成切割元件的模具114的橫截面圖。模具114可以包括一個或多個大致杯形的元件，例如杯形元件114a、杯形元件114b和杯形元件114c,它們可以組裝和型鍛和/或焊接在一起來形成模具114。包含超硬材料的多個顆粒116可以置於內杯形元件114c內，如圖11所示，其具有圓形端壁和從該圓形端壁垂直延伸的大致圓柱形的側壁，以使得內杯形元件114c大致為圓柱形，並且包括第一封閉端和第二相對開放端。[0056]多個顆粒116可以包括至少一個塗覆的顆粒，例如在圖3-10所示的任意顆粒。在一些實施方案中，多個顆粒116的每個顆粒可以包括塗覆的顆粒，其類似於多個塗覆的顆粒的其他塗覆的顆粒。在其他實施方案中，至少一些顆粒可以包括塗覆的顆粒，其具有與多個顆粒116的其他顆粒不同數目的塗層和/或材料的不同組合。在另外的實施方案中，在多個顆粒116中，塗覆的顆粒(例如圖3-10所示的任意顆粒)可以與未塗覆的顆粒(例如圖1所示)互混或者間層。在一些實施方案中，任選的粉末形式的催化劑材料118可以散布於包含超硬材料的多個顆粒116中。多個顆粒116可以包括單峰或多峰粒徑分布。
[0057]包含適用於鑽地應用的硬質材料的基底120可以在模具114中與多個顆粒116相鄰布置。基底120的硬質材料可以包含例如陶瓷-金屬複合材料(即「金屬陶瓷」材料)，其包含分散在整個金屬基質材料中的多個硬質陶瓷顆粒。硬質陶瓷顆粒可以包括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具體地，硬質陶瓷顆粒可以包括由例如W、T1、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素製成的碳化物和硼化物。作為舉例而非限制，能夠用於形成硬質陶瓷顆粒的材料包括碳化鎢、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和碳化矽(SiC)。陶瓷-金屬複合材料的金屬基質材料可以包括例如鈷基、鐵基、鎳基、鐵和鎳基、鈷和鎳基以及鐵和鈷基合金。基質材料也可以選自市售的純單質，例如鈷、鐵和鎳。作為一個具體的非限定性的例子，硬質材料可以包含在鈷基質中的多個碳化鎢顆粒(在本領域中稱作鈷燒結碳化鎢)。
[0058]然後多個顆粒116、任選的催化劑材料118和基底120可以經過高溫/高壓(HTHP)處理。雖然HTHP處理的精確操作參數可以根據燒結中的不同材料的具體組成和量而變化，但是加熱的壓機中的壓力可以大於約5.0GPa和溫度可以大於約1，400°C。在一些實施方案中，加熱的壓機中的壓力可以大於約6.5GPa(例如約6.7GPa)，甚至可以超過8.0GPa0此夕卜，燒結中的材料可以在這樣的溫度和壓力保持約30秒到約20分鐘的時間段。如果必需或者需要，該溫度可以降低到約1，000°C和保持長至約I小時或者更長，以幫助超硬材料晶粒的原位成核。另外，在類似於冶金領域中稱作「重結晶退火」處理的那些處理中，該溫度可以降低到和保持在約400°C -約800°C的溫度至少約30分鐘(例如長至約24小時或更長)。
[0059]參見圖12，顯示了通過HTHP處理所形成的切割元件122的局部剖視透視圖。切割元件122包括附接到基底120端部的多晶臺124。多晶臺124包含多晶超硬材料，例如多晶金剛石。雖然切割元件122被顯示為具有圓柱形，但是塗覆的芯顆粒(例如圖3-10所示的任意芯顆粒)可以用於形成具有任何形狀的多晶臺124，例如穹形、圓錐形、碑形和本領域已知的用於超硬多晶材料的其他形狀。
[0060]參見圖13，顯示了鑽地工具126的透視圖，其上可以附接切割元件122。鑽地工具126包括鑽頭體128，其具有從鑽頭體128延伸的刀片130。切割元件122可以固定在刀片130中形成的凹處132內。但是，此處所述的切割元件122和多晶臺124可以結合到和用於其他類型的鑽地工具，包括例如牙輪鑽頭、衝擊鑽頭、潛鑄式鑽頭、取芯鑽頭、偏心鑽頭、雙種心鑽頭、擴眼鑽頭、可膨脹擴眼鑽頭、研磨機、混合式鑽頭和本領域已知的其他鑽探鑽頭和工具。
[0061]雖然已經就某些實施方案在此描述了本發明，但是本領域技術人員將會認識到和理解的是，它並非限制於此。而是可以對此處所述的實施方案進行許多增加、刪除和改變，而不脫離下面請求保護的本發明的範圍，包括其法律等價物。另外，來自一個實施方案的特徵可以與另一實施方案的特徵相組合，同時仍然包含在發明人所預期的本發明的範圍內。
[0062]結論
[0063]在一些實施方案中，塗覆的顆粒包含芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是I μ m-500 μ m。使塗覆材料附著於和覆蓋芯顆粒的至少一部分外表面，該塗覆材料包含胺封端的基團。將多個納米顆粒附著於塗覆材料，該多個納米顆粒選自碳納米管、納米石墨、納米石墨烯、非金剛石碳同素異形體、表面改性的納米金剛石、BeO的納米尺寸顆粒和包含第VIIIA族元素的納米尺寸顆粒。
[0064]在其他實施方案中，塗覆顆粒的方法包括用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是I μ m-500 μ m。該塗覆材料附著於芯顆粒的外表面。將該至少部分塗覆的芯顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的多個納米顆粒，該多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石，BeO和第VIIIA族元素的材料。該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於塗覆材料。
[0065]在另外的實施方案中，形成多晶複合片的方法包括用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆多個芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是I μ m-500 μ m。該塗覆材料附著於多個芯顆粒的外表面。將該至少部分塗覆的多個芯顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的多個納米顆粒，該多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料。該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於塗覆材料。通過使至少部分塗覆的多個芯顆粒的至少一些經過高溫/高壓處理而使它們相互鍵合，以形成多晶材料。
【權利要求】
1.一種塗覆的顆粒，其包含: 芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是I μ m-500 μ m ； 塗覆材料，該塗覆材料附著於和覆蓋該芯顆粒的至少一部分外表面，該塗覆材料包含胺封端的基團；和 多個納米顆粒，該多個納米顆粒選自碳納米管、納米石墨、納米石墨烯、非金剛石碳同素異形體、表面改性的納米金剛石、BeO的納米尺寸顆粒和包含第VIIIA族元素的納米尺寸顆粒，並且附著於該塗覆材料。
2.權利要求1的塗覆的顆粒，其中該芯顆粒的外表面包含第一淨電荷，該塗覆材料包含與該第一淨電荷相反的第二淨電荷，和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒的外表面包含與該第二淨電荷相反的第三淨電荷。
3.權利要求1的塗覆的顆粒，其進一步包含至少第二塗覆材料，該至少第二塗覆材料附著於和覆蓋至少一部分該多個納米顆粒。
4.權利要求3的塗覆的顆粒，其進一步包含至少第二多個納米顆粒，該至少第二多個納米顆粒選自碳納米管、納米石墨、納米石墨烯、非金剛石碳同素異形體、表面改性的納米金剛石、BeO的納米尺寸顆粒和包含第VIIIA族元素的納米尺寸顆粒，並且附著於該至少第二塗覆材料。
5.權利要求4的塗覆的顆粒，其中該多個納米顆粒包含與該至少第二多個納米顆粒的材料不同的材料。
6.權利要求4或5的塗覆的顆粒，其中該芯顆粒、該塗覆材料、該多個納米顆粒、該至少第二塗覆材料和該至 少第二多個納米顆粒包含與它們相鄰的組成部分的淨電荷相反的淨電荷。
7.權利要求4或5的塗覆的顆粒，其進一步包含彼此連續布置和附著的多個其他塗覆材料和其他多個納米顆粒。
8.權利要求1的塗覆的顆粒，其中該塗覆材料包含聚烯丙基胺和支化的聚乙烯亞胺的至少一種。
9.一種塗覆顆粒的方法，其包括: 用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是 I U m-500 μ m ； 將該塗覆材料附著於該芯顆粒的外表面； 將該至少部分塗覆的芯顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的多個納米顆粒，該多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料；和 將該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於該塗覆材料。
10.權利要求9的方法，其進一步包括: 將與該塗覆材料的第二淨電荷相反的第一淨電荷賦予該芯顆粒的外表面；和 將與該第二淨電荷相反的第三淨電荷賦予該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒的外表面。
11.權利要求9的方法，其進一步包括: 用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒；和 將該塗覆材料附著於該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒。
12.權利要求11的方法，其進一步包括: 將該芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料；和 將該另外的多個 納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於該塗覆材料。
13.權利要求12的方法，其中「將該芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料」包括將該芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含與該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒的材料不同的材料。
14.權利要求12或13的方法，其進一步包括將至少部分塗覆、附著、置於分散體中和附著的操作重複預定的次數。
15.權利要求9的方法，其進一步包括在至少部分塗覆該芯顆粒之前，將該芯顆粒的外表面衍生化。
16.權利要求9的方法，其進一步包括在將該至少部分塗覆的芯顆粒置於包含該多個納米顆粒的該分散體中之前，將該多個納米顆粒的外表面衍生化。
17.權利要求9或16的方法，其進一步包括: 將該芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的多個納米顆粒，該多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料，其中該多個納米顆粒包含與該至少一些納米顆粒的電荷相反的電荷；和 將該多個納米顆粒的至少一些其他納米顆粒附著於該納米顆粒的至少一些納米顆粒。
18.權利要求9或16的方法，其進一步包括交聯該塗覆材料。
19.權利要求9或16的方法，其中「用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆芯顆粒，該芯顆粒包含超硬材料和平均直徑是I μ m-500 μ m」包括用聚烯丙基胺和支化的聚乙烯亞胺的至少一種至少部分塗覆該芯顆粒。
20.一種形成多晶複合片的方法，其包括: 用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆多個芯顆粒，該多個芯顆粒包含超硬材料和平均粒度是I μ m-500 μ m ； 將該塗覆材料附著於該多個芯顆粒的外表面； 將該至少部分塗覆的多個芯顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的多個納米顆粒，該多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料； 將該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於塗覆材料；和 通過使該至少部分塗覆的多個芯顆粒的至少一些至少部分塗覆的芯顆粒經過高溫/高壓處理而使它們相互鍵合，以形成多晶材料。
21.權利要求20的方法，其進一步包括: 將與該塗覆材料的第二淨電荷相反的第一淨電荷賦予該多個芯顆粒的外表面；和 將與該第二淨電荷相反的第三淨電荷賦予該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒的外表面。
22.權利要求20的方法，其進一步包括用包含胺封端的基團的塗覆材料至少部分塗覆該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒。
23.權利要求22的方法，其進一步包括: 將該多個芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料；和 將該另外的多個納米顆粒的至少一些納米顆粒附著於該塗覆材料。
24.權利要求23的方法，其中「將該多個芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含分散在連續相材料中的另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含選自石墨、石墨烯、碳的非金剛石同素異形體、表面改性的金剛石、BeO和第VIIIA族元素的材料」包括將該多個芯顆粒、該塗覆材料和該多個納米顆粒的至少一些納米顆粒置於分散體中，該分散體包含另外的多個納米顆粒，該另外的多個納米顆粒包含與該多個納米顆 粒的至少一些納米顆粒的材料不同的材料。
【文檔編號】B22F1/02GK103703208SQ201180072548
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2011年10月26日 優先權日:2011年6月22日
【發明者】S·查客拉伯蒂, O·庫茲涅佐夫, G·阿格拉瓦爾 申請人:貝克休斯公司