相關申請的交叉引用

本專利申請要求提交于2014年11月25日的美國專利申請號14/553472的權益，所述專利申請全文以引用的方式并入本文。

背景技術：

密封件廣泛用于資源勘探、開采和co2封存系統。密封件用于井上和井下。動態密封件提供了移動部件和靜止部件之間的密封界面。通常，密封件從塑料和彈性體形成。望料和彈性體二者在井上和井下的使用存在各種挑戰。塑料和彈性體易受諸如存在于烴回收的高溫、高壓和腐蝕環境導致的磨損的影響。因此，從塑料和彈性體形成的密封件可經歷使用壽命有限，或受到某些操作環境的限制。例如，很多彈性體在接近600°f(315.5℃)的溫度下開始分解。

石墨是碳的同素異形體，并且具有層狀平面結構。在每層中，碳原子通過共價鍵排列成六邊形陣列或網絡。然而，不同的碳層僅通過弱范德華力結合在一起。

石墨由于其優異的導熱性和導電性、光亮度、低摩擦和高耐熱性和耐腐蝕性，已用于許多應用，包括電子設備、原子能、熱金屬加工、涂料、航空航天等等。然而，常規的石墨是沒有彈性的并且具有低強度，這可限制其另外的應用，諸如形成用于井下環境的密封件。本行業將易于接受密封技術的改進，包括從表現出柔性、化學穩定性、耐腐蝕性增加，以及耐高溫和耐高壓性質的材料形成的密封件。

技術實現要素：

一種形成柔性碳復合材料自潤滑密封件的方法包括將碳復合材料混合物壓入模具，形成柔性碳復合材料自潤滑環形密封件。

附圖簡述

現在參見附圖，其中多個附圖中類似元件的編號類似：

圖1是包含在室溫和大氣壓下共混的膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的組合物的掃描電子顯微(“sem”)圖像；

圖2是根據本公開的一個實施方案的在高壓和高溫條件下從膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑形成的碳復合材料的sem圖像；

圖3是根據本公開的另一個實施方案的碳微觀結構的sem圖像；

圖4是根據本公開的一個實施方案的碳復合材料的示意圖；

圖5示出了(a)天然石墨；(b)膨脹石墨；(c)膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的混合物，其中所述樣品在室溫和高壓下壓實；(d)根據本公開的一個實施方案在高溫和低壓下從膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的混合物壓實的碳復合材料(也稱為“軟復合材料”)；以及(e)根據本公開的另一個實施方案在高壓和高溫條件下從膨脹石墨和微米和納米尺寸粘結劑形成的碳復合材料(也稱為“硬復合材料”)的應力-應變曲線；

圖6示出了碳復合材料在不同負載下的環路測試結果；

圖7示出了分別在室溫和500°f下測試的碳復合材料的遲滯結果；

圖8比較了在500℃下暴露至空氣25小時之前和之后的碳復合材料；

圖9(a)是在熱沖擊之后的碳復合材料圖片；圖9(b)示出了熱沖擊的條件；

圖10比較了在200°f下暴露至自來水20小時(a)之前和(b)之后，或(c)在200°f下暴露至自來水3天之后的碳復合材料樣品；

圖11比較了在200°f下暴露至含抑制劑的15％hcl溶液20小時(a)之前和(b)之后，或(c)在200°f下暴露至15％hcl溶液3天之后的碳復合材料樣品；

圖12示出了在600°f下的碳復合材料密封力弛豫測試結果；

圖13示出了根據示例性實施方案的地下勘探系統，其包括管狀支承件、自給供電的柔性自潤滑碳復合材料密封件；

圖14示出了流程圖，其示出了形成柔性碳復合材料自潤滑環形密封件的方法；

圖15示出了引入模具的碳復合材料混合物；

圖16示出了壓入模具的碳復合材料混合物；

圖17示出了壓入被加熱模具的碳復合材料混合物；

圖18示出了從模具移除的柔性碳復合材料環形密封件；

圖19示出了根據一個示例性實施方案的一個方面的具有集成偏置構件的柔性碳復合材料環形密封件；

圖20示出了根據一個示例性實施方案的另一個方面的在多個偏置構件周圍形成的柔性碳復合材料環形密封件；

圖21示出了根據一個示例性實施方案的又一個方面的具有大致圓形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件；

圖22示出了根據一個示例性實施方案的又一個方面的具有大致矩形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件；

圖23示出了根據一個示例性實施方案的又一個方面的具有圓形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件；

圖24示出了根據一個示例性實施方案的又一個方面的具有x形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件；以及

圖25示出了根據一個示例性實施方案的柔性碳復合材料與其他材料比較的坐標圖。

具體實施方式

發明人據此發現，在高溫下從石墨和微米或納米尺寸粘結劑形成的碳復合材料與單獨石墨，從相同的石墨但不同的粘結劑形成的組合物，或相同的石墨和相同的粘結劑在室溫、大氣壓或高壓下共混的混合物相比，具有改善的平衡性質。新碳復合材料具有優異的彈性。此外，碳復合材料在高溫下具有優異的機械強度、耐熱性和耐化學性。在另一個有利的特征中，復合材料保持了石墨的各種優良性質，諸如導熱性、導電性、潤滑性等等。

不希望受理論的束縛，據信設置在碳微觀結構之間的粘結相提供了機械強度的改善。碳微觀結構之間不存在力或僅存在弱范德華力，因此石墨疏松材料具有弱機械強度。在高溫下，微米和納米尺寸粘結劑液化，并均勻分散在碳微觀結構之間。在冷卻時，粘結劑固化，并形成通過機械聯鎖將碳納米結構粘結在一起的粘結相。

另外不希望受理論的束縛，對于具有改善的機械強度和改善的彈性二者的復合材料，據信碳微觀結構本身是疊堆層之間具有空間的層狀結構。粘結劑僅在微觀結構的邊緣選擇性地將其鎖定，而不滲入微觀結構。因此，微觀結構內的無界層提供了彈性，并且設置在碳微觀結構之間的粘結相提供了機械強度。

碳微觀結構是將石墨壓成高度壓縮狀態之后形成的石墨微觀結構。它們包括沿壓縮方向疊堆在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦、平行的碳原子片或層，其中每個片或層具有單原子厚度。石墨基面也稱為碳層。碳微觀結構是大致平坦的和薄的。它們可具有不同的形狀，也可稱為微片、微盤等等。在一個實施方案中，碳微觀結構是基本上彼此平行的。

碳復合材料中有兩種類型空隙-碳微觀結構之間的空隙或間隙空間和每個單獨碳微觀結構內的空隙。碳微觀結構之間的間隙空間具有約0.1至約100微米、具體地講約1至約20微米的尺寸，而碳微觀結構內的空隙更小，通常在約20納米至約1微米、具體地講約200納米至約1微米之間?？障痘蜷g隙空間的形狀無特別限制。如本文所用，空隙或間隙空間的尺寸是指空隙或間隙空間的最大尺寸，并且可通過高分辨率電子或原子力顯微技術測定。

碳微觀結構之間的間隙空間填充有微米或納米尺寸粘結劑。例如，粘結劑可占據碳微觀結構之間約10％至約90％的間隙空間。然而，粘結劑不滲透單個碳微觀結構，并且碳微觀結構內的空隙是未填充的，即未填充任何粘結劑。因此，碳微觀結構內的碳層不通過粘結劑鎖定在一起。通過所述機制，可保持碳復合材料，具體地講膨脹碳復合材料的柔性。

碳微觀結構具有約1至約200微米、約1至約150微米、約1至約100微米、約1至約50微米或約10至約20微米的厚度。碳微觀結構的直徑或最大尺寸為約5至約500微米或約10至約500微米。碳微觀結構厚徑比可為約10至約500、約20至約400或約25至約350。在一個實施方案中，碳微觀結構中碳層之間的距離為約0.3納米至約1微米。碳微觀結構可具有約0.5至約3g/cm³、或約0.1至約2g/cm³的密度。

如本文所用，石墨包括天然石墨、合成石墨、可膨脹石墨、膨脹石墨或包含上述中的至少一者的組合。天然石墨是天然形成的石墨。它可分為“片狀”石墨、“脈狀”石墨和“無定形”石墨。合成石墨是由碳材料制成的制品。熱解石墨是合成石墨的一種形式。可膨脹石墨是指天然石墨或合成石墨的層之間插入插層材料的石墨。許多化學品用于插層石墨材料。這些化學品包括酸、氧化劑、鹵化物等等。示例性插層材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、so3或鹵化物諸如fecl3、zncl2和sbcl5。在加熱時，插層從液態或固態轉化為氣相。氣體形成產生壓力，推動鄰近的碳層分離，產生膨脹石墨。膨脹石墨顆粒的外觀是蠕蟲狀的，因此通常稱為蠕蟲。

有利地，碳復合材料包括膨脹石墨微觀結構。與其他形式的石墨相比，膨脹石墨具有高柔性和壓縮回復，以及較大的各向異性。因此，在高壓和高溫條件下從膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑形成的復合材料除所需機械強度之外，還可具有優異的彈性。

在碳復合材料中，碳微觀結構通過粘結相結合在一起。粘結相包含粘結劑，其通過機械聯鎖結合碳微觀結構。任選地，界面層在粘結劑和碳微觀結構之間形成。界面層可包括化學鍵、固態溶液或它們的組合。當存在化學鍵、固態溶液或它們的組合時，可強化碳微觀結構的聯鎖?？梢岳斫獾氖牵嘉⒂^結構可通過機械聯鎖和化學鍵合二者結合在一起。例如，化學鍵合、固態溶液或它們的組合可形成于一些碳微觀結構和粘結劑之間，或對于特定的碳微觀結構，僅形成于碳微觀結構表面上的一部分碳和粘結劑之間。對于不形成化學鍵、固態溶液或它們的組合的碳微觀結構或碳微觀結構的一部分，碳微觀結構可由機械聯鎖界定。粘結相的厚度為約0.1至約100微米或約1至約20微米。粘結相可形成使碳微觀結構結合在一起的連續或不連續網絡。

示例性粘結劑包括sio2、si、b、b2o3、金屬、合金或包含上述中的至少一者的組合。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、銅的合金、鎳的合金、鉻的合金、鐵的合金、鈦的合金或包含上述金屬或金屬合金中的至少一者的組合。示例性合金包括鋼、基于鎳-鉻的合金諸如因科鎳合金(inconel)*和基于鎳-銅的合金諸如蒙乃爾(monel)合金?；阪?鉻的合金可包含約40-75％的ni、約10-35％的cr。基于鎳-鉻的合金也可包含約1％至約15％的鐵。少量mo、nb、co、mn、cu、al、ti、si、c、s、p、b或包含上述中的至少一者的組合也可包括于基于鎳-鉻的合金中?；阪?銅的合金主要由鎳(最多至約67％)和銅構成?；阪?銅的合金也可包含少量鐵、錳、碳和硅。這些材料可具有不同的形狀，諸如顆粒、纖維和線材?？墒褂貌牧系慕M合。

用于制備碳復合材料的粘結劑是微米或納米尺寸的。在一個實施方案中，粘結劑具有約0.05至約10微米，具體地講約0.5至約5微米，更具體地講約0.1至約3微米的平均粒度。不希望受理論的束縛，據信當粘結劑具有這些范圍內的尺寸時，其在碳微觀結構之間均勻分散。

當存在界面層時，粘結相包括粘結劑層(所述粘結劑層包含粘結劑)和界面層(所述界面層將至少兩個碳微觀結構中的一者鍵合至粘結劑層)。在一個實施方案中，粘結相包括粘結劑層、第一界面層(所述第一界面層將一個碳微觀結構鍵合至粘結劑層)和第二界面層(所述第二界面層將另一個微觀結構粘結至粘結劑層)。第一界面層和第二界面層可具有相同或不同的組成。

界面層包含c-金屬鍵合、c-b鍵合、c-si鍵合、c-o-si鍵合、c-o-金屬鍵合、金屬碳溶液或包含上述中的至少一者的組合。所述鍵合從碳微觀結構表面上的碳和粘結劑形成。

在一個實施方案中，界面層包含粘結劑的碳化物。所述碳化物包括鋁、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬的碳化物或包含上述中的至少一者的組合。這些碳化物通過對應的金屬或金屬合金粘結劑與碳微觀結構的碳原子反應來形成。粘結相也可包含sio2或si與碳微觀結構的碳反應形成的sic，或b或b2o3與碳微觀結構的碳反應形成的b4c。當使用粘結劑材料的組合時，界面層可包含這些碳化物的組合。碳化物可以是鹽類碳化物諸如碳化鋁、共價碳化物諸如sic、b4c、間隙碳化物諸如4族、5族和5族過渡金屬的碳化物、或中間過渡金屬碳化物例如cr、mn、fe、co和ni的碳化物。

在另一個實施方案中，界面層包含碳的固態溶液和粘結劑。碳在某些金屬基質中或在某些溫度范圍內具有溶解性，這有助于金屬相潤濕和粘結到碳微觀結構上。通過熱處理，可在低溫下保持金屬中碳的高溶解度。這些金屬包括co、fe、la、mn、ni或cu。粘結劑層也可包含固態溶液和碳化物的組合。

碳復合材料包含基于復合材料的總重量計約20至約95重量％、約20至約80重量％或約50至約80重量％的碳。粘結劑以基于復合材料的總重量計約5重量％至約75重量％或約20重量％至約50重量％的量存在。在碳復合材料中，碳相對于粘結劑的重量比為約1∶4至約20∶1，或約1∶4至約4∶1，或約1∶1至約4∶1。

圖1是包含在室溫和大氣壓下共混的膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的組合物的sem圖像。如圖1所示，粘結劑(白色區域)僅沉積于一些膨脹石墨蠕蟲的表面。

圖2是在高壓和高溫條件下從膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑形成的碳復合材料的sem圖像。如圖2所示，粘結相(亮區域)均勻分布在膨脹石墨微觀結構(暗區域)之間。

碳石墨微觀結構的sem圖像如圖3所示。碳復合材料的一個實施方案如圖4所示。如圖4所示，復合材料包括碳微觀結構1和鎖定碳微觀結構的粘結相2。粘結相2包括粘結劑層3和設置在粘結劑層和碳微觀結構之間的任選界面層4。碳復合材料包含碳微觀結構1之間的間隙空間5。碳微觀結構內存在未填充的空隙6。

碳復合材料可任選地包含填料。示例性填料包括碳纖維、炭黑、云母、粘土、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等等。填料可以約0.5至約10重量％或約1至約8％的量存在。

復合材料可具有任何所需的形狀，包括條狀、塊狀、片狀、管狀、圓柱形坯、環面、粉末、丸?；蚩杉庸?、形成或者用于形成有用制品的其他形式。這些形式的尺寸或大小無特別限制。如圖所示，片狀具有約10μm至約10cm的厚度和約10mm至約2m的寬度。粉末包括平均尺寸為約10μm至約1cm的顆粒。丸粒包括平均尺寸為約1cm至約5cm的顆粒。

形成碳復合材料的一種方式是通過冷壓來壓縮包含碳和微米或納米尺寸粘結劑的組合從而得到生坯；以及壓縮和加熱生坯從而形成碳復合材料。在另一個實施方案中，所述組合可在室溫下壓縮形成壓坯，然后在大氣壓下加熱所述壓坯形成碳復合材料。這些工藝可稱為兩步工藝。或者，可直接壓縮和加熱包含碳和微米或納米尺寸粘結劑的組合形成碳復合材料。所述工藝可稱為一步工藝。

在所述組合中，碳諸如石墨以基于組合的總重量計約20重量％至約95重量％、約20重量％至約80重量％或約50重量％至約80重量％的量存在。粘結劑以基于組合的總重量計約5重量％至約75重量％或約20重量％至約50重量％的量存在。所述組合中的石墨可為碎片、粉末、小片、薄片等等的形式。在一個實施方案中，石墨呈直徑為約50微米至約5,000微米、優選地約100至約300微米的薄片的形式。石墨薄片可具有約1至約5微米的厚度。所述組合的密度為約0.01至約0.05g/cm³、約0.01至約0.04g/cm³、約0.01至約0.03g/cm³或約0.026g/cm³。所述組合可通過本領域已知的任何合適方法共混石墨和微米或納米尺寸粘結劑來形成。合適方法的實例包括滾球混合、聲波混合、帶式共混、豎直螺桿混合和v-共混。

參見兩步工藝，冷壓意指在室溫下或在高溫下壓縮包含石墨和微米尺寸或納米尺寸粘結劑的組合，只要粘結劑不顯著鍵合石墨微觀結構即可。在一個實施方案中，生坯中大于約80重量％、大于約85重量％、大于約90重量％、大于約95重量％或大于約99重量％的微觀結構不鍵合。形成生坯的壓力可為約500psi至約10ksi，溫度可為約20℃至約200℃。所述階段的縮減比率，即生坯的體積相對于組合的體積為約40％至約80％。生坯的密度為約0.1至約5g/cm³、約0.5至約3g/cm³或約0.5至約2g/cm³。

生坯可在約350℃至約1200℃，具體地講約800℃至約1200℃的溫度下加熱形成碳復合材料。在一個實施方案中，所述溫度高于粘結劑的熔點，例如比粘結劑的熔點高約20℃至約100℃或高約20℃至約50℃。當溫度較高時，粘結劑的粘滯性變小，流動性變好，粘結劑均勻分布在碳微觀結構之間的空隙所需的壓力變小。然而，如果溫度過高，可對儀器帶來有害影響。

溫度可根據預定的溫度計劃或緩增速率應用。加熱的方式無特別限制。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燒結(sps)。在一個實施方案中，加熱通過dc加熱進行。例如，包含石墨和微米或納米尺寸粘結劑的組合可通過電流充電，電流通過所述組合非常迅速地產生熱量。任選地，加熱也可在惰性氣氛中，例如在氬氣或氮氣中進行。在一個實施方案中，生坯在存在空氣的情況下加熱。

加熱可在約500psi至約30,000psi或約1000psi至約5000psi的壓力下進行。壓力可為超大氣壓或負壓。不希望受理論的束縛，據信當超大氣壓施加至組合時，通過滲透迫使微米或納米尺寸粘結劑進入碳微觀結構之間的空隙。當負壓施加至組合時，也可通過毛細管力迫使微米或納米尺寸粘結劑進入碳微觀結構之間的空隙。

在一個實施方案中，形成碳復合材料所需的壓力不同時施加。在加載生坯之后，在室溫下或在低溫下將低壓初始施加至組合物，以密閉組合物中的大孔?；蛘?，熔融粘結劑可流至模具的表面。一旦溫度達到預定的最大溫度，即可施加制備碳復合材料所需的壓力。溫度和壓力可保持預定的最大溫度和預定的最大溫度5分鐘至120分鐘。

所述階段的縮減比率，即碳復合材料的體積相對于生坯的體積為約10％至約70％或約20至約40％。碳復合材料的密度可通過控制壓縮度來改變。碳復合材料具有約0.5至約10g/cm³、約1至約8g/cm³、約1至約6g/cm³、約2至約5g/cm³、約3至約5g/cm³或約2至約4g/cm³的密度。

或者，還可參見兩步工藝，所述組合可首先在室溫和約500psi至30,000psi的壓力下壓縮形成壓坯；所述壓坯可在高于粘結劑的熔點的溫度下進一步加熱，制備碳復合材料。在一個實施方案中，溫度可高于粘結劑的熔點約20℃至約100℃或高于約20℃至約50℃。加熱可在大氣壓下進行。

在另一個實施方案中，碳復合材料可直接由石墨和粘結劑的組合制成，無需制備生坯。壓縮和加熱可同時進行。對于兩步工藝的第二步，合適的壓力和溫度可與本文討論的相同。

熱壓縮是同時施加溫度和壓力的工藝。它可用于制備碳復合材料的一步和兩步工藝。

碳復合材料可在模具中通過一步或兩步工藝制備。所獲得的碳復合材料可進一步加工或成型為形成條狀、塊狀、管狀、圓柱形坯或環面。加工包括使用例如磨床、鋸子、車床、刻模機、放電加工機等等切割、鋸開、消融、研磨、鋪面、車床加工、鉆孔等等?；蛘?，碳復合材料可通過選擇具有所需形狀的模具直接模制成可用的形狀。

片狀材料諸如幅材、紙材、條帶、帶材、箔、墊等等也可通過熱軋制備。在一個實施方案中，可進一步加熱通過熱軋制備的碳復合材料片材，以允許粘結劑有效地將碳微觀結構鍵合在一起。

碳復合材料丸?？赏ㄟ^擠出制備。例如，石墨和微米或納米尺寸粘結劑的組合可首先裝入容器。然后，通過活塞將組合推入擠出機。擠出溫度可為約350℃至約1400℃或約800℃至約1200℃。在一個實施方案中，擠出溫度高于粘結劑的熔點，例如高于粘結劑的熔點約20℃至約50℃。在一個實施方案中，線材從擠出獲得，可切割所述線材形成丸粒。在另一個實施方案中，丸粒直接從擠出機獲得。任選地，可將后處理工藝施加到丸粒。例如，如果碳微觀結構在擠出期間未鍵合或未充分鍵合，則可在高于粘結劑的熔融溫度的爐中加熱丸粒，使得粘結劑可將碳微觀結構鍵合在一起。

碳復合材料粉末可通過使用剪切力(切削力)研磨碳復合材料例如固塊來制備。值得注意的是，不應擊碎碳復合材料。或者，可破壞碳微觀結構內的空隙，從而使碳復合材料喪失彈性。

碳復合材料具有可用于多種應用的許多有利性質。在特別有利的特征中，通過形成碳復合材料，改善了機械強度和彈性體性質。

為了示出碳復合材料實現的彈性能改善，圖5中示出了以下樣品的應力-應變曲線：(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或納米尺寸粘結劑的混合物，(d)在高溫和大氣壓下形成的膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的混合物；以及(e)在高壓和高溫條件下從膨脹石墨和微米和納米尺寸粘結劑形成的碳復合材料。對于天然石墨，樣品通過在鋼模中高壓壓縮天然石墨來制備。膨脹石墨樣品也以類似的方式制備。

如圖5所示，天然石墨具有非常低的彈性能(應力-應變曲線下面積)，并且非常易碎。膨脹石墨的彈性能以及在室溫和高壓下壓實的膨脹石墨和微米或納米尺寸粘結劑的混合物的彈性能高于天然石墨。相反地，與單獨天然石墨、單獨膨脹石墨以及在室溫和高壓下壓實的膨脹石墨和粘結劑的混合物相比，本公開的硬和軟碳復合材料表現出彈性能顯著增加所展示的彈性顯著改善。在一個實施方案中，碳復合材料的彈性伸長為大于約4％、大于約6％或在約4％和約40％之間。

碳復合材料的彈性在圖6和圖7中進一步示出。圖6示出了碳復合材料在不同負載下的環路測試結果。圖7示出了分別在室溫和500°f下測試的碳復合材料的遲滯結果。如圖7所示，碳復合材料的彈性在500°f下得以保持。

除機械強度和彈性之外，碳復合材料在高溫下也可具有優異的熱穩定性。圖8比較了在500℃下暴露至空氣5天之前和之后的碳復合材料。圖9(a)是在熱沖擊8小時之后碳復合材料樣品的圖片。圖9(b)示出了熱沖擊的條件。如圖8和圖9(a)所示，在500℃下暴露至空氣25小時之后或在熱沖擊之后，碳復合材料樣品無變化。碳復合材料在從約-65°f最高至約1200°f，具體地講最高至約1100°f，更具體地講約1000°f的操作溫度范圍內可具有高耐熱性。

碳復合材料在高溫下也可具有優異的耐化學性。在一個實施方案中，復合材料具有耐水、油、鹽水和酸的耐化學性，耐性評級為良好至優異。在一個實施方案中，碳復合材料可在高溫和高壓下，例如約68°f至約1200°f、或約68°f至約1000°f、或約68°f至約750°f，在潮濕條件，包括堿性和酸性條件下連續使用。因此，當碳復合材料長期暴露至化學試劑(如，水、鹽水、烴、酸諸如hcl、溶劑諸如甲苯等)，甚至在最高至200°f的高溫下，以及在高壓(大于大氣壓)下時，可抵抗溶脹和性質降解。碳復合材料的耐化學性如圖10和圖11所示。圖10比較了在200°f下暴露至自來水20小時之前和之后，或在200°f下暴露至自來水3天之后的碳復合材料樣品。如圖10所示，樣品無變化。圖11比較了在200°f下暴露至含抑制劑的15％hcl溶液20小時之前和之后，或在200°f下暴露至15％hcl溶液3天之后的碳復合材料樣品。另外，碳復合材料樣品無變化。

碳復合材料是中硬至超硬的，硬度為約50(肖氏硬度a)最高至約75(肖氏硬度d)。

另外有利的特征是，碳復合材料在高溫下具有穩定的密封力。在恒定壓縮應變下，組分的應力衰減稱為壓縮應力弛豫。壓縮應力弛豫測試也稱為密封力弛豫測試，它測定在兩塊平板之間的壓縮下密封件或o形環所施加的密封力。它通過測定樣品的密封力衰減隨時間、溫度和環境的變化，為材料使用壽命預測提供確定信息。圖12示出了在600°f下的碳復合材料樣品的密封力弛豫測試結果。如圖12所示，碳復合材料的密封力在高溫下穩定。在一個實施方案中，復合材料樣品的密封力在15％應變和600°f下保持約5800psi，而無需弛豫至少20分鐘。

上文描述的碳復合材料可用于制備用于許多應用的制品，包括但不限于電子器件、所述熱金屬加工、涂料、航空航天、汽車、油氣和航海應用。示例性制品包括密封件、軸承、軸承座、封隔器、閥門、引擎、反應器、冷卻系統和散熱器。因此，在一個實施方案中，制品包含碳復合材料。根據示例性實施方案的一個方面，碳復合材料可用于形成井下制品的全部或一部分，如下文更詳細地討論。當然，應當理解，碳復合材料可用于許多廣泛的應用和環境。

根據一個示例性實施方案，地下勘探系統在圖13中通常以200表示。地下開采系統200包括可操作地連接到井下系統206的井上系統204。井上系統204可包括有助于完井和/或開采工藝的泵208以及流體儲存部分210。流體儲存部分210可包含流體，所述流體可引入井下系統206。井下系統206可包括延伸至地層222中形成的井筒221的井下管柱220。井筒221可包括井筒套管223。井下管柱220可包括多個連接的井下管224。管224中的一者可支承柔性碳復合材料環形密封件228。

柔性碳復合材料環形密封件228包括山形或v形橫截面，并且可根據圖14所述的方法280制備。在方框300中，碳復合材料混合物302(圖15)可通過使膨脹石墨與金屬粘結劑組合/共混來形成。金屬粘結劑可以50％或更大的重量比存在。根據一個示例性實施方案的一個方面，可研磨碳復合材料混合物形成粉末，如方框304所示。然而，應當理解，碳復合材料混合物也可在不研磨的情況下利用。

在方框306中，將碳復合材料混合物302引入具有模具銷322的模具320中，如圖15所示。模具銷322包括對應于柔性碳復合材料環形密封件228的v形橫截面的一部分的表面輪廓(未單獨標出)。圖16示出了引入模具320的第二模具銷330。第二模具銷330包括對應于柔性碳復合材料環形密封件228的v形橫截面的另一部分的表面輪廓(未單獨標出)。第二模具銷330推向第一模具銷322，壓縮碳復合材料混合物302，如方框334所示。在圖17中，可通過將電流引入第一和第二電極342和344，使碳復合材料混合物302加熱至選擇的溫度，如方框350所示。加熱可通過使電流通過碳復合材料混合物302來實現。當然，應當理解，碳復合材料混合物302可通過其他機制加熱。另外，應當理解，選擇的溫度可根據柔性碳復合材料環形密封件228的所需性質而變化。

在方框360中，從模具320移除柔性碳復合材料環形密封件228，如圖18所示。在這一點上，柔性碳復合材料環形密封件228可安裝到井下管224。當然，應當理解，柔性碳復合材料密封件228可用于許多廣泛的井下和井上應用。還應當理解，柔性碳復合材料密封件228可用于資源勘探、資源開采和co2封存系統。還應當理解，柔性碳復合材料環形密封件228可采取多種形狀。根據一個示例性實施方案的一個方面，柔性碳復合材料環形密封件228可加工形成選擇的形狀，如方框365所示。根據另一個示例性方面，如圖19所示，柔性碳復合材料密封件362示出具有c形橫截面。在這種情況下，以卷簧366的形式示出的偏置元件364可集成進柔性碳復合材料環形密封件362，如方框370所示。圖20示出了柔性碳復合材料環形密封件380，其包括第一和第二偏置構件390和400。第一和第二偏置構件390和400被碳復合材料混合物302過度模塑或包封。

方法280也可用于形成其他環形密封件形狀，諸如具有圖21所示的大致圓形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件410、具有圖22所示的大致矩形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件420、具有圖23所示的大致t形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件430以及具有圖24所示的大致x形橫截面的柔性碳復合材料環形密封件440。還可以想到其他形狀。

碳復合材料混合物的使用產生具有低摩擦系數的密封件。低摩擦系數為根據示例性實施方案形成的柔性碳復合材料環形密封件提供了自潤滑品質。如圖24所示，示例性實施方案的柔性碳復合材料包括摩擦系數更低的全氟彈性體(ffkm)、四氟乙烯/丙烯(fepm)、腈橡膠(nbr)和聚醚醚酮(peek)。除自潤滑特征之外，由于低摩擦系數，上述碳復合材料的使用使得能夠將柔性密封件用于許多廣泛的操作環境。柔性密封件抵抗磨損、刺激性化學品、腐蝕、氧化和暴露至高溫。更具體地講，柔性密封件可用于達到1200°f(648.8℃)的環境。另外，柔性密封件的機械性質，包括通過驅動金屬熔體進入石墨層基面之間的間隙形成聯鎖結構，可通過調整金屬相選擇、石墨/金屬比率、熱處理加工等等調成專用品質。另外，應當理解，除烴勘探和回收應用之外，柔性密封件還可用于食品和藥物應用。

雖然示出和描述了一個或多個實施方案，但在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可對其進行修改和替換。因此，應當理解，本發明以舉例而非限制的方式進行描述。