CN103890308B - 制作多晶金刚石的方法和包括多晶金刚石的切割元件和钻地工具 - Google Patents
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Abstract
制作多晶金刚石的方法，其包括用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。用于钻地工具的切割元件包含通过这种方法形成的多晶金刚石材料。钻地工具包括这种切割元件。
Description
优先权权利
本申请要求2011年9月16日提交的美国临时专利申请序列号61/535,475的提交日权益，该申请的申请人为DiGiovanni和Chakraborty，名称为“METHODS OF FABRICATINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND，AND CUTTING ELEMENTSAND EARTH-BORING TOOLS COMPRISINGPOLYCRYSTALLINE DIAMOND”。
本申请的主题涉及到与其同一日期提交的申请人为Anthony A.DiGiovanni的美国专利申请序列号13/___,___(代理案号1684-P10759.1US(NAN4-52001-US))的主题。本申请的主题还涉及2011年12月9日提交的申请人为Mazyar等人的美国专利申请序列号13/316,094(代理案号NAN4-52588-US/BAO0893US)的主题。
技术领域
本发明的实施方案总体上涉及形成多晶金刚石材料的方法，包含多晶金刚石材料的切割元件，和包括该切割元件的用于钻探地下地层的钻地工具。
发明背景
用于在地下地层中形成井容器的钻地工具可以包括多个安装在机身上的切割元件。例如，固定刀具的钻地旋转钻机钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定附接到钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个牙轮能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个牙轮。
用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石刀具(经常称作“PDC”)，其是包括多晶金刚石(PCD)材料的切割元件。这种多晶金刚石切割元件如下来形成：在高温和高压条件下，在催化剂(例如钴、铁、镍或者其合金和混合物)存在下，将相对小的金刚石晶粒或晶体烧结和结合在一起，以在切割元件基底上形成多晶金刚石材料层。这些处理经常称作高压高温(或“HPHT”)处理。切割元件基底可以包含金属陶瓷材料(即陶瓷-金属复合材料)，例如钴烧结碳化钨。在这种情况中，切割元件基底中的钴(或其他催化剂材料)可以在烧结过程中进入金刚石晶粒或晶体中，并且充当催化剂材料用于由金刚石晶粒或晶体来形成金刚石台。在其他方法中，在金刚石晶粒或者晶体在HPHT方法中一起烧结之前，粉末化的催化剂材料可以与该晶粒或者晶体混合。
通过使用HPHT处理形成金刚石台，催化剂材料可以保持在所形成的多晶金刚石台中的金刚石晶粒或者晶体之间的间隙中。金刚石台中存在的催化剂材料会导致当切割元件在使用过程中受热时金刚石台中的热损伤，这归因于在切割元件和地层之间的接触点处的摩擦。多晶金刚石切割元件(在其中催化剂材料保持在该金刚石台中)通常在高到约750℃的温度是热稳定的，不过多晶金刚石台中的内应力在超过约350℃的温度会开始形成。这种内应力至少部分归因于金刚石台和它所结合到的切割元件基底之间的热膨胀率的差异。这种热膨胀率差异会在金刚石台与基底之间的界面处产生相对较大的压应力和张应力，并且会导致金刚石台从基底上脱层。在约750℃和更高的温度，金刚石台中的应力会明显增加，这归因于金刚石台自身中金刚石材料和催化剂材料之间热膨胀系数的差异。例如，钴热膨胀明显快于金刚石，这会导致在包含钴的金刚石台中裂纹形成和蔓延，最终导致金刚石台劣化和切割元件失效。
为了减少与多晶金刚石切割元件中热膨胀速率不同有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定的”多晶金刚石(TSD)切割元件。这种热稳定的多晶金刚石切割元件可以通过使用例如酸将催化剂材料(例如钴)从金刚石台中的金刚石晶粒之间的间隙中浸提出来而形成。可以从金刚石台中除去全部的催化剂材料，或者可以仅除去一部分。已经报道了热稳定的多晶金刚石切割元件(在其中基本上全部的催化剂材料已经从金刚石台中浸提出去)在高到约1200℃的温度是热稳定的。但是，也报道了与非浸提的金刚石台相比，这种完全浸提的金刚石台相对更脆和容易受到剪应力、压应力和张应力损坏。在提供具有相对于非浸提的金刚石台更热稳定，但与完全浸提的金刚石台相比也相对不太脆和不太容易受到剪应力、压应力和张应力损坏的金刚石台的切割元件的努力中，已经提供了包括仅部分催化剂材料已经从金刚石台中浸提的金刚石台的切割元件。
发明内容
在本公开的一些实施方案中，一种制作多晶金刚石的方法包括用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
在一些实施方案中，一种用于钻地工具的切割元件包含通过包括以下的方法形成的多晶金刚石材料：用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历HPHT条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
在一些实施方案中，一种钻地工具包括切割元件。该切割元件包含通过包括以下方法形成的多晶金刚石材料：用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历HPHT条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
附图说明
图1是包括在基底上的大量多晶金刚石的切割元件的一种实施方案的部分剖开透视图；
图2是表示在放大视图下图1的切割元件的多晶金刚石的微观结构如何呈现的简化图；
图3A-3D显示了通过将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，用于形成图1的切割元件的多晶金刚石；
图4是一个简化的横截面图，显示了用于在容器中形成图1的切割元件的材料，其包含参考图3所述而形成的颗粒混合物，该容器准备经历HPHT烧结过程；
图5A和5B显示了在封闭腔室内，在含有烃物质(例如甲烷)的气态环境中，图3的材料包封在图4的容器中；和
图6显示了一个钻地旋转钻头，其包括此处所述的多晶金刚石切割元件。
具体实施方式
这里所提出的图示并不表示任何具体的材料、设备、***或方法的实际视图，而仅是理想化的表示，其用于描述本发明的某些实施方案。为了清楚说明，在本发明实施方案中共有的不同的特征和元件可以用相同或类似的附图标记来表示。
图1显示了切割元件100，其可以根据这里公开的方法的实施方案来形成。切割元件100包括多晶金刚石102。任选地，切割元件100还可以包括基底104，多晶金刚石102可以结合到该基底。例如，基底104可以包括通常钴烧结碳化钨材料的圆柱体，不过也可以使用不同几何形状和组成的基底。多晶金刚石102可以为基底104上的多晶金刚石102的台(即层)的形式，如图1所示。多晶金刚石102可以提供在(例如形成于或者固定到)基底104的表面上。在另外的实施方案中，切割元件100可以简单地包括一定体积的多晶金刚石102(具有任何所需的形状)，并且可以不包括任何基底104。
如图2所示，多晶金刚石102可以包含散布的和相互键合的金刚石晶粒，其形成了金刚石材料的三维网络。在一些实施方案中，多晶金刚石102的金刚石晶粒任选地可以具有多峰晶粒尺寸分布。例如，多晶金刚石102可以包括较大的金刚石晶粒106和较小的金刚石晶粒108。较大的金刚石晶粒106和/或较小的金刚石晶粒108的平均颗粒尺寸(例如平均直径)可以小于1mm，小于0.1mm，小于0.01mm，小于1μm，小于0.1μm或者甚至小于0.01μm。即，较大的金刚石晶粒106和较小的金刚石晶粒108可以均包括微米金刚石晶粒(约1μm-约500μm(0.5mm)的金刚石晶粒)、亚微米金刚石晶粒(约500nm(0.5μm)-约1μm的金刚石晶粒)和/或金刚石纳米颗粒(平均颗粒直径是约500nm或更低的颗粒)。在一些实施方案中，较大的金刚石晶粒106可以是微米金刚石晶粒，较小的金刚石晶粒108可以是亚微米金刚石晶粒或者金刚石纳米颗粒。在一些实施方案中，较大的金刚石晶粒106可以是亚微米金刚石晶粒，较小的金刚石晶粒108可以是金刚石纳米颗粒。在其他实施方案中，多晶金刚石102的金刚石晶粒可以具有单峰晶粒尺寸分布。在图2中，金刚石晶粒106、108之间直接的金刚石-金刚石晶粒间键用虚线110来表示。间隙112(图2中的黑色阴影)存在于多晶金刚石102的相互键合的金刚石晶粒106、108之间。这些间隙112可以至少部分地填充有固体物质，例如金属溶剂催化剂(例如铁、钴、镍或者其合金或混合物)和/或无碳材料。在其他实施方案中，间隙112可以包括多晶金刚石102中的空隙，在其中不存在固体或液体物质(不过气体如空气可以存在于该空隙中)。这种空隙可以通过在形成多晶金刚石102之后，从间隙112中除去(例如浸提)固体材料来形成。在仍然另外的实施方案中，在多晶金刚石102的一个或多个区域中，间隙112可以至少部分地填充有固体物质，而在多晶金刚石102的一个或多个其他区域中，间隙112包括空隙。
这里公开的方法的实施方案可以用于形成多晶金刚石102，并且可以在多晶金刚石102中的金刚石晶粒106、108之间产生改进的晶粒间金刚石-金刚石键合。
无碳颗粒(例如纳米颗粒、亚微米颗粒和/或微米尺寸颗粒)可以用金刚石前体官能团来官能化，并且在金刚石晶粒经历HPHT加工来形成多晶金刚石102之前与金刚石颗粒(例如纳米颗粒、亚微米颗粒和/或微米尺寸颗粒)混合。图3A-3D显示了可以用于形成颗粒混合物以经历HPHT条件来形成多晶金刚石102的方法的示例实施方案。
图3A显示了金刚石纳米颗粒130的简化图。金刚石纳米颗粒130可以是单峰的或多峰的(包括双峰的)。在一些实施方案中，金刚石纳米颗粒130可以包括外部碳壳，其在本领域中可以被称作碳“洋葱”。在其他实施方案中，金刚石纳米颗粒130可以不包括任何这样的外部碳壳。
如图3B所示，金刚石纳米颗粒130可以与具有无碳芯的经官能化的纳米颗粒131合并和混合，以形成第一颗粒混合物132。经官能化的纳米颗粒131可以具有芯，其包括例如金属或金属合金。该金属或者金属合金可以是例如铁、钴、镍或者这些金属的合金或混合物。这些金属可以充当溶剂金属催化剂，用于形成直接的金刚石-金刚石晶粒间键，如本领域中已知的那样。在另外的实施方案中，经官能化的纳米颗粒131可以具有芯，其包括陶瓷材料例如氧化物(例如氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)等)或氮化物。
作为非限定性的例子，该芯可以用官能团例如甲基官能团或乙炔官能团来官能化。包含碳和氢的官能团可以增强多晶金刚石102中的金刚石晶粒106、108之间的晶粒间金刚石-金刚石键的形成(图2)。不受限于具体的理论，化学官能团中的氢可以在HPHT条件下在金刚石颗粒附近提供还原性气氛。例如，在HPHT条件下，该官能团可以至少部分地离解或分解。这种分解的产物可以包括单质碳和氢。
在一些实施方案中，无碳芯(例如无碳纳米颗粒，如陶瓷纳米颗粒)可以通过将该无碳芯暴露于包含碳和氢的官能团来官能化。例如，该官能团可以是甲基，其通过将该无碳芯暴露于甲烷气环境来提供。甲烷气可以通过化学气相沉积(CVD)在该无碳芯上形成碳基官能团。在某些实施方案中，纳米颗粒可以用酸处理，然后用聚合物包封。这种方法描述在A.R.Mahdavian等人的“Nanocomposite particles withcore-shell morphology III：preparation and characterization of nanoAl2O3-poly(styrene-methyl methacrylate)particles via miniemulsionpolymerization”，63Polymer Bulletin329-340(2009)中。在其他实施方案中，该无碳芯可以使用技术例如公开在例如2011年10月20日公布的美国专利申请公布2011/0252711(名称为“Method of PreparingPolycrystalline Diamond from Derivatized Nanodiamond”)中的那些技术来官能化。
在一些实施方案中，具有不同的官能团的经官能化的纳米颗粒131可以在经官能化的纳米颗粒131与金刚石纳米颗粒130混合之前进行掺合。例如，具有第一官能团的经官能化的纳米颗粒131可以以任何比例与具有第二官能团的经官能化的纳米颗粒131掺合。因此，可以选择或调节在经官能化的纳米颗粒131的混合物和在所形成的第一颗粒混合物132中每种官能团的量。可以选择具体的官能团或官能团的组合来具有碳原子与氢原子所选择的比例。例如，官能团或官能团的组合的碳原子与氢原子之比可以是约1:1-约1:3，例如约1:2-约1:3。
如图3B所示，第一颗粒混合物132可以例如通过将经官能化的纳米颗粒131和金刚石纳米颗粒130悬浮于液体中形成悬浮体而形成。该悬浮体可以干燥，留下第一颗粒混合物132，其可以是粉末产物(例如粉饼)形式。干燥方法可以包括例如以下的一种或多种：喷雾干燥方法、冷冻干燥方法、急骤干燥方法或者本领域已知的任何其他干燥方法。
任选地，第一颗粒混合物132可以压碎、研磨或者以其他方式搅拌，以形成第一颗粒混合物132的相对小的簇或者聚集体133，如图3C所示。第一颗粒混合物132的聚集体133可以与相对较大的金刚石颗粒134(即，金刚石“磨料粒”)合并和混合以形成第二颗粒混合物135，如图3D所示。作为一个非限定性例子，相对较大的金刚石颗粒134可以是微米金刚石颗粒和/或亚微米金刚石颗粒，平均颗粒尺寸是约五百纳米(500nm)至约十微米(10μm)。相对较大的金刚石颗粒134如同金刚石纳米颗粒130那样，可以包括或者可以不包括外部碳壳。
在另外的实施方案中，第二颗粒混合物135可以如下来形成：将相对较大的金刚石颗粒134与金刚石纳米颗粒130和经官能化的纳米颗粒131一起悬浮于液体悬浮体中，随后使用技术例如前面公开的那些来干燥该液体悬浮体。在这种方法中，不会产生不同的第一和第二颗粒混合物，因为金刚石纳米颗粒130、经官能化的纳米颗粒131和相对较大的金刚石颗粒134可以一起合并在单个液体悬浮体中，其可以干燥以直接形成第二颗粒混合物135。
第二颗粒混合物135因此包括金刚石纳米颗粒130、经官能化的纳米颗粒131和较大的金刚石颗粒134。第二颗粒混合物135然后可以经历HPHT加工以形成多晶金刚石102。任选地，第二颗粒混合物135可以经历研磨加工，然后使第二颗粒混合物135经历HPHT过程。
在一些实施方案中，HPHT条件可以包括至少约1400℃的温度和至少约5.0GPa的压力。
参见图4，颗粒混合物135可以位于容器118(例如金属容器)中。颗粒混合物135包括金刚石纳米颗粒130和相对较大的金刚石颗粒134，其最终在烧结过程中分别形成多晶金刚石102中的金刚石晶粒108、106(图2)。颗粒混合物135还包括经官能化的纳米颗粒131。
如图4所示，容器118可以包括内杯120，颗粒混合物135可以布置在其中。如果切割元件100包括基底104，则基底104任选地可以在内杯120中提供在颗粒混合物135之上或之下，并且可以最终包封在容器118中。容器118可以进一步包括顶端片122和底端片124，其可以在内杯120周围与颗粒混合物135和其中任选的基底104一起组装和结合(例如型锻结合)。该密封的容器118然后可以经历HPHT过程以形成多晶金刚石102。
在一些实施方案中，烃物质例如甲烷气、另一种烃或者烃的混合物也可以包封在容器118中，处于颗粒混合物135中不同颗粒之间的空间中。甲烷是用于在CVD方法中形成多晶金刚石膜的主要碳源之一。如果使用，烃物质会渗入容器118(例如容器118的内杯120)，其中存在着颗粒混合物135。容器118然后可以用颗粒混合物135和其中的烃物质密封。可以在颗粒混合物135上进行了真空净化处理(例如在将金刚石颗粒116和/或容器118暴露于处于所选温度的减压(真空)环境以蒸发挥发性化合物)以降低容器118内的杂质之后引入烃物质。烃物质也可以在压力下引入容器118中，以便在密封容器118和将该密封的容器118经历HPHT条件之前选择性控制烃物质的浓度。换句话说，通过选择性控制烃物质的压力(例如分压)，也能够选择性控制密封容器118中的烃物质的浓度。在烃物质在压力下引入到容器118中的一些实施方案中，烃物质的分压可以是至少约10kPa，至少约100kPa，至少约1000kPa(1.0MPa)，至少约10MPa，至少约100MPa或者甚至至少约500MPa。
在密封容器118和将该密封的容器118经历HPHT条件之前，可以选择性控制颗粒混合物135、任选的烃物质和容器118的温度。例如，可以在例如小于-150℃，小于-161℃或者小于-182℃的温度引入烃物质和密封容器118。在一些实施方案中，烃物质可以在分别是液氮和液氦温度的约-196℃(77K)或者甚至约-269℃(4.2K)的温度引入。在这样的温度，烃物质可以是液体或固体，并且密封具有烃物质的容器118可以比密封容器118中的气态烃物质相对更简单。具体地，如果烃物质是甲烷，则该甲烷可以是处于小于-161℃的温度的液体形式和小于-182℃的温度的固体形式，其分别是甲烷的沸点和熔点。本领域技术人员可以选择其他烃物质处于液体或固体形式时的适当温度，在此不再列举。
图5A显示了置于封闭腔室128中的容器118(图4)的内杯120中的颗粒混合物135。烃物质可以通过入口139引入到封闭腔室128中，如图5A中的方向箭头所示。可以选择性控制(例如提高)封闭腔室128内烃物质的压力，以选择性控制要包封到容器118内的烃物质的量(图4)。例如，封闭腔室128内烃物质的压力可以是至少约10kPa，至少约100kPa，至少约1000kPa(1.0MPa)，至少约10MPa，至少约100MPa或者甚至至少约500MPa。
参见图5B，容器118可以组装在封闭腔室128内，以将封闭腔室128中的气态环境中存在的颗粒混合物135和烃物质包封在容器118内。该密封的容器118然后可以经历HPHT加工。
在一些实施方案中，在将颗粒混合物135置入容器118后，烃物质可以引入到容器118中以经历HPHT加工。在其他实施方案中，在将颗粒混合物135置入容器118中以经历HPHT加工之前，烃物质可以引入到在分别的容器中的颗粒混合物135中。在该实施方案中，颗粒混合物135可以保持在烃环境中，直到它密封在容器118中以经历HPHT加工。
在本公开另外的实施方案中，烃物质可以与颗粒混合物135混合，并且密封到容器118中以经历HPHT加工，同时该烃物质处于固态或液态。例如，烃物质可以是压缩的液体或固态或者烃与其他材料的配合物。在一些实施方案中，烃物质可以包括水合的烃，例如甲烷水合物(即甲烷包合物)、乙烷水合物等。甲烷水合物、其他烃水合物或者其他形式的烃混合物(其可以是液体或固体形式)可以与颗粒混合物135一起引入。引入烃物质可以任选地在低于室温的温度(例如低温)进行。例如，烃物质可以与颗粒混合物135一起在烃物质形成液体或固体的温度例如小于-150℃，小于-161℃或者小于-182℃的温度引入。
不受限于任何具体的理论，据信经官能化的纳米颗粒131上的官能团和任选的烃物质促进了金刚石晶粒106、108之间的金刚石-金刚石晶粒间键110的形成，如图2所示。例如，官能团和烃物质可以在HPHT条件中离解。每个碳原子在离解后可以与一个或多个金刚石颗粒(例如金刚石纳米颗粒130或者相对较大的金刚石颗粒134(图3D))键合。氢原子在离解后可以形成氢气(H2)，其可以是还原剂。一些氢气可以与多晶金刚石102中的杂质或催化剂材料(如果存在)反应。一些氢气会扩散出该多晶金刚石102，并且会与容器118的材料反应。一些氢气会键合到多晶金刚石102的暴露表面以形成氢封端的多晶金刚石。
包括如此处所述而制作的多晶金刚石102的切割元件100的实施方案(图1)可以安装到钻地工具上和用于根据本公开另外的实施方案来除去地下地层材料。图6显示了固定刀具钻地旋转钻头160。钻头160包括钻头体162。这里所述的多个切割元件100可以安装到钻头160的钻头体162上。切割元件100可以钎焊或者以其他方式固定到钻头体162的外表面中形成的凹处内。其他类型的钻地工具例如牙轮钻头、冲击钻头、混合式钻头、扩眼钻头等也可以包括此处所述的切割元件100。
使用这里所述的方法制作的多晶金刚石102(图1和2)会表现出改进的耐磨性和热稳定性。
下面描述了本发明另外的非限定性示例实施方案。
实施方案1：一种制作多晶金刚石的方法，其包括：用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历HPHT条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
实施方案2：实施方案1的方法，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用甲基官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
实施方案3：实施方案1或实施方案2的方法，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用乙炔官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
实施方案4：实施方案1-3任一项的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含金属或金属合金。
实施方案5：实施方案4的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含铁、钴和镍中的一种或多种。
实施方案6：实施方案1-3任一项的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含陶瓷材料。
实施方案7：实施方案6的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含氧化物和氮化物中的一种或多种。
实施方案8：实施方案6或实施方案7的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含氧化铝或氧化镁。
实施方案9：实施方案1-8任一项的方法，其中将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物包括将经官能化的纳米颗粒和金刚石纳米颗粒悬浮在液体中以形成悬浮体，和干燥该悬浮体。
实施方案10：实施方案9的方法，其中干燥该悬浮体包括喷雾干燥、冷冻干燥和急骤干燥该悬浮体中的一种或多种。
实施方案11：实施方案9或实施方案10的方法，其进一步包括将金刚石磨料粒悬浮在液体中。
实施方案12：实施方案9-11任一项的方法，其中干燥该悬浮体包括干燥该悬浮体以形成粉末产物。
实施方案13：实施方案12的方法，其进一步包括将该粉末产物与金刚石磨料粒混合以形成该颗粒混合物。
实施方案14：实施方案13的方法，其进一步包括在该颗粒混合物经历HPHT条件之前，研磨该颗粒混合物。
实施方案15：实施方案12的方法，其进一步包括研磨该粉末产物。
实施方案16：实施方案1-15任一项的方法，其中使该颗粒混合物经历HPHT条件包括将该颗粒混合物经历至少约1400℃的温度和至少约5.0GPa的压力。
实施方案17：一种用于钻地工具的切割元件，该切割元件包含通过包括以下的方法形成的多晶金刚石材料：用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历HPHT条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
实施方案18：实施方案17的切割元件，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用甲基或者乙炔官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
实施方案19：一种包括切割元件的钻地工具，该切割元件包含通过包括以下的方法形成的多晶金刚石材料：用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面，将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物，和使该颗粒混合物经历HPHT条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
实施方案20：实施方案19的钻地工具，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含陶瓷、金属或金属合金。
实施方案21：实施方案19或实施方案20的钻地工具，其中该钻地工具包括钻地旋转钻头。
虽然已经在此参考某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将会认可和理解它不限于此。而是可以对所示和所述的实施方案进行许多的增加、删除和改变，而不脱离如下文所要求的本发明的范围，以及法律等价物。另外，来自一种实施方案的特征可以与另一实施方案的特征相组合，同时仍然包括在本发明人所预期的本发明的范围内。此外，本发明可用于具有不同的钻头轮廓以及不同的刀具类型的钻头。
Claims (17)
1.一种制作多晶金刚石的方法，其包括：
用一种或多种官能团来官能化包含陶瓷材料的无碳纳米颗粒的表面；
将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物；和
使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用甲基官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用乙炔官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含氧化物和氮化物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括选择无碳纳米颗粒以包含氧化铝或氧化镁。
6.一种制作多晶金刚石的方法，其包括：
用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面；
将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并；
将经官能化的纳米颗粒和金刚石纳米颗粒悬浮在液体中以形成悬浮体；
干燥该悬浮体以形成包含经官能化的纳米颗粒、金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒的颗粒混合物；和
使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
7.根据权利要求6所述的方法，其中干燥该悬浮体包括喷雾干燥、冷冻干燥和急骤干燥该悬浮体中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将金刚石磨料粒悬浮在液体中。
9.根据权利要求6所述的方法，其中干燥该悬浮体包括干燥该悬浮体以形成粉末产物。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将该粉末产物与金刚石磨料粒混合以形成颗粒混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在该颗粒混合物经历HPHT条件之前，研磨该颗粒混合物。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括研磨该粉末产物。
13.根据权利要求1所述的方法，其中使该颗粒混合物经历HPHT条件包括将该颗粒混合物经历至少1400℃的温度和至少5.0GPa的压力。
14.一种用于钻地工具中的切割元件，该切割元件包含通过包括以下的方法形成的多晶金刚石材料：
用一种或多种官能团来官能化包含陶瓷材料的无碳纳米颗粒的表面；
将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物；和
使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
15.根据权利要求14所述的切割元件，其中用一种或多种官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面包括用甲基或者乙炔官能团来官能化无碳纳米颗粒的表面。
16.一种包括切割元件的钻地工具，该切割元件包含通过包括以下的方法形成的多晶金刚石材料：
用一种或多种官能团来官能化包含陶瓷材料的无碳纳米颗粒的表面；
将经官能化的纳米颗粒与金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒合并以形成颗粒混合物；和
使该颗粒混合物经历高压和高温(HPHT)条件以在金刚石纳米颗粒和金刚石磨料粒之间形成晶粒间键。
17.根据权利要求16所述的钻地工具，其中该钻地工具包括钻地旋转钻头。
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| US6655845B1 (en) * | 2001-04-22 | 2003-12-02 | Diamicron, Inc. | Bearings, races and components thereof having diamond and other superhard surfaces |
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