相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年11月6日提交的美國專利申請第14/534331號的權益，其全部內容通過引用并入本文。

背景技術：

干膜涂層已廣泛用于機器或工具零件上，以保護這些零件免于擦傷、卡住或磨損。大多數干膜涂層是有機基的，其使用有機潤滑劑或需要聚合物材料將無機潤滑劑鍵合到待保護的基底上。雖然已經證明有機基干膜涂層對于大多數應用是令人滿意的，但是在惡劣的操作條件和極端環(huán)境下使用機器或工具零件時會產生困難。這些條件可以包括有機物易于降解或分解的高溫、液體潤滑劑可能凝固或凍結的極低溫度，以及潤滑劑可能蒸發(fā)的低壓或高真空應用。因此，對方法和材料的改進受到了行業(yè)的好評，該改進改善了對潤滑劑和涂層的環(huán)境影響。

技術實現要素：

在一個實施例中，現有技術中的上述和其他缺陷通過一種制品來克服，該制品包含基底；包含碳復合物的涂層；以及設置在基底和涂層之間的粘合層；其中該碳復合物包含碳和含有以下一種或多種的粘合劑：二氧化硅；硅；硼；氧化硼(b2o3)；金屬；或該金屬的合金；并且該金屬包含以下一種或多種：鋁；銅；鈦；鎳；鎢；鉻；鐵；錳；鋯；鉿；釩；鈮；鉬；錫；鉍；銻；鉛；鎘；或硒。

一種涂覆基底的方法包含在基底上設置涂層，該涂層包含碳復合箔；并將涂層粘合到基底。

附圖說明

以下描述無論如何都不應視作限制性的。參考附圖，相同元件的編號相同：

圖1為根據本發(fā)明的一個實施例的制品的示意圖；并且

圖2示出了使用電連接技術涂覆基底的示例性工藝；

圖3示出了具有設置在碳復合涂層和基底之間的活化箔的制品；并且

圖4示出了各種材料的摩擦測試結果。

具體實施方式

與有機基潤滑劑相比，石墨具有許多優(yōu)點，包括在高溫和腐蝕性環(huán)境下優(yōu)異的潤滑性。然而，由于碳材料的高石墨化溫度(通常大于1500℃)，將石墨材料直接沉積在金屬制品上是不切實際的。為了實現穩(wěn)固的石墨涂層，石墨顆?？梢苑稚⒃跇渲腿軇┑墓不煳镏校缓笸扛苍诮饘俦砻嫔?。即使在該方法中可形成潤滑膜，涂層中有機物的存在嚴重限制了其在極端條件(諸如高壓、高溫和酸性環(huán)境)下的應用。

本發(fā)明的發(fā)明人已經開發(fā)出了在金屬或陶瓷基底上涂覆石墨的簡單并且穩(wěn)固的工藝。有利地，石墨與形成碳復合物的無機粘合劑一起使用。涂層中無機粘合劑的存在顯著提高了石墨的機械強度。同時，無機粘合劑促進了涂層與基底的粘合。這些工藝淘汰了現有技術工藝通常所需的樹脂和溶劑，因此提供了即使在高壓、高溫和腐蝕性環(huán)境下，在高達450℃的條件下可靠和有效的潤滑的涂層。在進一步有利的特征中，涂層提供不受灰塵、污垢和濕氣影響的干燥和清潔的潤滑。此外，涂層還可以具有終生潤滑而不老化、蒸發(fā)或氧化。

在一個實施例中，提供了一種制品，包含基底；包含碳復合物的涂層；以及設置在基底和涂層之間的粘合層，其中該碳復合物包含石墨和無機粘合劑。

基底可以是金屬或陶瓷材料。其可以不進行表面處理來使用或可以進行處理，包括化學地、物理地或機械地處理基底。例如，可以例如通過砂磨、研磨或噴砂來粗糙化處理基底或增加基底的表面積。還可以通過化學和/或機械方式清潔基底的表面以除去污染物。

基底的金屬包括元素周期表第1族到第12族的元素、它們的合金或它們的組合。示例性金屬是鎂、鋁、鈦、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鉬、鎢、鈀、鉻、釕、金、銀、鋅、鋯、釩、硅或它們的組合，包括它們的合金。金屬合金包括例如鋁基合金、鎂基合金、鎢基合金、鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金、鈷和鎳基合金、鐵和鎳基合金、鐵和鈷基合金、銅基合金，以及鈦基合金。如本文所用，術語“金屬基合金”是指金屬合金，其中合金中特定金屬的重量百分比大于合金的任何其他組分的重量百分比，基于合金的總重量。示例性金屬合金包括鋼、鎳鉻合金、黃銅、鉛錫銻合金、青銅、因瓦(invar)合金、鉻鎳鐵合金、哈斯特洛伊(hastelloy)合金、鎂鋯鋅合金、鎂鋁鋅合金、鋁銅鋅錳合金，以及鋁鎂鋅硅錳合金。

陶瓷沒有特別限制，并且可以根據已經涂覆有碳復合涂層的基底的具體應用來選擇。陶瓷的示例包括氧化物基陶瓷、氮化物基陶瓷、碳化物基陶瓷、硼化物基陶瓷、硅化物基陶瓷或它們的組合。在一個實施例中，氧化物基陶瓷是二氧化硅(sio2)或二氧化鈦(tio2)。氧化物基陶瓷、氮化物基陶瓷、碳化物基陶瓷、硼化物基陶瓷或硅化物基陶瓷可以含有非金屬(例如，氧、氮、硼、碳或硅等)、金屬(例如，鋁、鉛、鉍等)、過渡金屬(例如，鈮、鎢、鈦、鋯、鉿、釔等)、堿金屬(例如，鋰、鉀等)、堿土金屬(例如，鈣、鎂、鍶等)、稀土(例如，鑭、鈰等)或鹵素(例如，氟、氯等)。

該基底可以是任何形狀。示例性形狀包括立方體、球體、圓柱體、環(huán)形、多邊形、螺旋、它們的截頂形狀或它們的組合?；椎淖铋L線性尺寸可以從500nm到幾百米，沒有限制?；卓梢跃哂心軌虺惺?不會分解或降解)暴露于從-10℃到800℃的溫度下的熱分解溫度。然而，設置在基底上的涂層可以提供溫度屏蔽或熱傳導來將熱量從基底帶走，使得基底不會經受接近其熱分解溫度的溫度。

涂層包含碳復合物，該碳復合物包含碳和無機粘合劑。碳可以是石墨。如本文所用，石墨包括以下一種或多種：天然石墨；合成石墨；可膨脹石墨；或膨脹石墨。天然石墨是天然形成的石墨。其可以分為“片狀”石墨、“紋理”石墨，以及“無定形”石墨。合成石墨是由碳材料制造的制造產品。熱解石墨是合成石墨的一種形式?？膳蛎浭侵妇哂胁迦朐谔烊皇蚝铣墒膶又g的插入材料的石墨。說明：intercallant應為intercalant，下同已經使用各種各樣的化學品來插入石墨材料。它們包括酸、氧化劑、鹵化物等。示例性的插入材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、三氧化硫或鹵化物(諸如氯化鐵(fecl3)、氯化鋅(zncl2)和五氯化銻(sbcl5))。在加熱時，插入劑從液態(tài)或固態(tài)轉化為氣相。氣體的形成產生壓力，其推動相鄰的碳層分離，導致石墨膨脹。膨脹石墨顆粒在外觀上是蠕蟲狀的，因此通常稱為蠕蟲。

在一個實施例中，碳復合物包含了在碳微觀結構之間具有間隙空間的碳微觀結構；其中粘合劑設置在至少一些間隙空間中。在一個實施例中，碳微觀結構包含了在碳微觀結構中的未填充的空隙。在另一實施例中，碳微觀結構之間的間隙空間和碳微觀結構中的空隙都用粘合劑或其衍生物填充。

碳微觀結構是將石墨壓縮成高度冷凝狀態(tài)后形成的石墨的微觀結構。它們包含沿壓縮方向堆疊在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦的、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。碳微觀結構通常是平坦的和薄的。它們可以具有不同的形狀，并且也可以稱為微片、微圓盤等。在一個實施例中，碳微觀結構基本上彼此平行。

在碳復合物中存在兩種類型的空隙-碳微觀結構之間的空隙或間隙空間以及每個單獨的碳微觀結構中的空隙。碳微觀結構之間的間隙空間具有約0.1到約100微米，特別是約1到約20微米的尺寸，而碳微觀結構中的空隙小得多，并且通常在約20納米到約1微米之間，特別是約200納米到約1微米。空隙或間隙空間的形狀沒有特別限制。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，并且可以通過高分辨率電子或原子力顯微鏡技術來確定。

碳微觀結構之間的間隙空間用微米或納米尺寸的粘合劑填充。例如，粘合劑可占據碳微觀結構之間的約10％到約90％的間隙空間。在一個實施例中，粘合劑不滲透單獨的碳微觀結構，并且碳微觀結構中的空隙未填充，即未填充任何粘合劑。因此，碳微觀結構中的碳層不通過粘合劑鎖定在一起。通過這種機理，可以保持碳復合物，特別是膨脹碳復合物的柔性。在另一實施例中，為了實現高強度，用粘合劑或其衍生物填充碳微觀結構中的空隙。填充碳微觀結構中的空隙的方法包括氣相沉積。

碳微觀結構具有約1到約200微米、約1到約150微米、約1到約100微米、約1到約50微米或約10到約20微米的厚度。碳微觀結構的直徑或最大尺寸為約5到約500微米或約10到約500微米。碳微觀結構的長寬比可以為約10到約500、約20到約400或約25到約350。在一個實施例中，碳微觀結構中的碳層之間的距離為約0.3納米到約1微米。碳微觀結構可以具有約0.5到約3g/cm³或約0.1到約2g/cm³的密度。

在碳復合物中，碳微觀結構通過粘合相保持在一起。粘合相包含通過機械互鎖粘合碳微觀結構的粘合劑。可選地，在粘合劑和碳微觀結構之間形成界面層。界面層可以包含化學鍵、固溶體或它們的組合。當存在時，化學鍵、固溶體或它們的組合可以加強碳微觀結構的互鎖。應當理解，碳微觀結構可以通過機械互鎖和化學鍵合保持在一起。例如，化學鍵合、固溶體或它們的組合可以在一些碳微觀結構和粘合劑之間形成，或者僅在碳微觀結構和粘合劑的表面上的一部分碳之間形成特定的碳微觀結構。對于不形成化學鍵、固溶體或它們的組合的碳微結構或部分的碳微結構，可通過機械互鎖來粘合碳微觀結構。粘合相的厚度為約0.1到約100微米或約1到約20微米。粘合相可以形成將碳微觀結構粘合在一起的連續(xù)或不連續(xù)的網絡。

示例性粘合劑包括非金屬、金屬、合金或包含前述中的至少一種的組合。該非金屬是以下一種或多種：二氧化硅；硅；硼；或氧化硼(b2o3)。該金屬可以是以下中的至少一種：鋁·；銅；鈦；鎳；鎢；鉻；鐵；錳；鋯；鉿；釩；鈮；鉬；錫；鉍；銻；鉛；鎘；或硒。該合金包括以下一種或多種：鋁合金；銅合金；鈦合金；鎳合金；鎢合金；鉻合金；鐵合金；錳合金；鋯合金；鉿合金；釩合金；鈮合金；鉬合金；錫合金；鉍合金；銻合金；鉛合金；鎘合金；或硒合金；在一個實施例中，粘合劑包含以下一種或多種：銅；鎳；鉻；鐵；鈦；銅的合金；鎳的合金；鉻的合金；鐵的合金；或鈦的合金。示例性合金包括鋼、鎳-鉻基合金(諸如inconel*)，以及鎳-銅基合金(諸如monel合金)。鎳-鉻基合金可以含有約40-75％的鎳和約10-35％的鉻。鎳-鉻基合金還可以含有約1到約15％的鐵。在鎳-鉻基合金中還可以包括少量的鉬、鈮、鈷、錳、銅、鋁、鈦、硅、碳、硫、磷、硼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、碳和硅。這些材料可以是不同的形狀，諸如顆粒、纖維和線?？梢允褂貌牧系慕M合。

用于制造碳復合物的粘合劑可以是微米或納米尺寸的。在一個實施例中，該粘合劑具有約0.05到約250微米、約0.05到約50微米、約1微米到約40微米，特別是約0.5到約5微米，更特別是約0.1到約3微米的平均粒徑。不希望受理論束縛，據信當粘合劑具有在這些范圍內的尺寸時，它在碳微觀結構之間會均勻分散。

當存在界面層時，粘合相包含粘合劑層，該粘合劑層包含粘合劑和將至少兩個碳微觀結構中的一個鍵合到粘合劑層的界面層。在一個實施例中，粘合相包含粘合劑層、將碳微觀結構中的一個鍵合到粘合劑層的第一界面層，以及將另一個微觀結構鍵合到粘合劑層的第二界面層。第一界面層和第二界面層可以具有相同或不同的組成。

界面層包含以下一種或多種：碳-金屬鍵；碳-硼鍵；碳-硅鍵；碳-氧-硅鍵；碳-氧-金屬鍵；或金屬碳溶液。鍵由碳微觀結構表面上的碳和粘合劑形成。

在一個實施例中，界面層包含粘合劑的碳化物。碳化物包括以下一種或多種：鋁的碳化物；鈦的碳化物；鎳的碳化物；鎢的碳化物；鉻的碳化物；鐵的碳化物；錳的碳化物；鋯的碳化物；鉿的碳化物；釩的碳化物；鈮的碳化物；或鉬的碳化物。通過使相應的金屬或金屬合金粘合劑與碳微觀結構的碳原子反應而形成這些碳化物。粘合相還可以包含通過使二氧化硅(sio2)或硅與碳微觀結構的碳反應而形成的碳化硅(sic)，或通過使硼或氧化硼(b2o3)與碳微觀結構的碳反應而形成的碳化硼(b4c)。當使用粘合劑材料的組合時，界面層可以包含這些碳化物的組合。碳化物可以是鹽狀碳化物(諸如碳化鋁)、共價碳化物(諸如碳化硅(sic)和碳化硼(b4c))、間隙碳化物(諸如4、5和6族過渡金屬的碳化物，或中間過渡金屬碳化物，例如鉻、錳、鐵、鈷和鎳的碳化物)。

在另一實施例中，界面層包含碳的固溶體，諸如石墨和粘合劑。碳在某些金屬基質中或在某些溫度范圍具有溶解性，這可以促進金屬相潤濕并粘合到碳微觀結構上。通過熱處理，可以在低溫下保持碳在金屬中的高溶解度。這些金屬包括以下一種或多種：鈷；鐵；鑭；錳；鎳；或銅。粘合劑層還可以包含固溶體和碳化物的組合。

碳復合物包含約20到約95重量％、約20到約80重量％或約50到約80重量％的碳，基于碳復合物的總重量。粘合劑以約5重量％到約75重量％或約20重量％到約50重量％的量存在，基于碳復合物的總重量。在碳復合物中，碳相對于粘合劑的重量比為約1:4到約20:1、或約1:4到約4:1、或約1:1到約4:1。

碳復合物可以可選地包含填料。示例性填料包括以下一種或多種：碳纖維；碳黑；云母；粘土；玻璃纖維；陶瓷纖維；或陶瓷粉末。陶瓷材料包括碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)、氮化硼(bn)等。填料可以以約0.5重量％到約50重量％、約0.5重量％到約40重量％、約0.5重量％到約25重量％、0.5重量％到約10重量％或約1重量％到約8重量％的量存在。

在一個實施例中，涂層包含一個或多個碳復合箔。碳復合箔在厚度和化學組成方面可以相同或不同。為了促進涂層和基底之間的粘合，當存在多于一個碳復合箔時，與離基底更遠的箔相比，最接近基底的箔可具有更大量的粘合劑。

形成在基底上的涂層可以完全覆蓋基底或基底的表面涂層的厚度可以從約5μm到約10mm，特別是約10μm到約5mm。在一個實施例中，涂層是連續(xù)的，并且不具有空隙、微空隙、裂縫或其他缺陷，包括針孔等。

涂層可以通過粘合層粘合到基底上。粘合層的厚度可以為約50nm到約2mm或約100nm到約1mm。粘合層包含以下一種或多種：碳復合物中的粘合劑和基底的固溶體；包括在碳復合物的粘合劑和基底這兩者中的材料；或焊料。在使用活化箔的實施例中，粘合層可以進一步包含活化材料的反應產物。如果存在，反應產物分散在固溶體中、包括在碳復合物的粘合劑和基底這兩者中的材料中；或粘合層的焊料中。

根據預期的用途或應用方法，各種合金可以用作用于將涂層連接到基底的焊料。如本文所用，焊料包括用于釬焊的填料金屬。示例性焊料包括銅合金、銀合金、鋅合金、錫合金、鎳合金，以及鉛合金。也可以使用其他已知的焊料材料。焊料可以進一步包括合金的組合。

圖1為根據本發(fā)明的一個實施例的制品的示意圖。如圖1中所示，制品包含基底1、涂層5，以及設置在基底和涂層之間的粘合層2。涂層5包含石墨4和無機粘合劑3。

一種用于涂覆基底的方法包括：在基底上設置涂層；并將涂層粘合到基底。涂層包含碳復合箔。如本文所用，碳復合箔是指含有如本文所述的碳復合物的箔。

在一個實施例中，將涂層粘合到基底包含加熱涂層和基底以在涂層和基底之間形成粘合層。加熱的方法沒有特別限制。例如，涂覆的基底可以在約350℃到約1400℃，特別是約800℃到約1200℃的溫度下在烘箱中加熱?？蛇x地，該方法進一步包含在加熱期間將涂層和基底壓在一起。

在另一實施例中，將涂層粘合到基底包含通過以下一種或多種方法加熱涂層和基底的設置涂層的表面：直流加熱；感應加熱；微波加熱；或火花等離子燒結?？蛇x地，可以對涂層和基底施加力，以在加熱期間將它們保持在一起。

一種示例性的涂覆工藝在圖2中示出。如圖2中所示，電流經過電極6到達基底1和碳復合箔5。由于涂層和基底彼此接觸處的較高電阻而產生熱量。產生的熱量可以熔化或軟化碳復合箔中的粘合劑和/或基底表面上的材料，從而在涂層和基底之間形成粘合層2。在冷卻時，粘合層將涂層粘合到基底。

在一個實施例中，該方法進一步包含在涂層和基底之間設置焊料；向焊料施加熱量；并將涂層粘合到基底。因為與碳復合物中的無機粘合劑和基底材料相比，焊料可以具有更低的熔點或更低的軟化溫度，所以如果使用焊料，則可以需要更少的熱量?？蛇x地，該方法進一步包含在向焊料施加熱量期間將涂層和基底壓在一起。

在另一實施例中，該方法進一步包含在基底和涂層之間設置活化箔；并且將活化箔暴露于選定形式的能量中以將涂層粘合到基底。圖3示出了具有設置在碳復合涂層5和基底1之間的活化箔7的制品。替代地，活化箔可以層壓到碳復合箔上以形成涂層。然后，可以將包含碳復合箔和活化箔的涂層設置在基底的表面上。可選地，方法進一步包括將涂層、活化箔和基底壓在一起，同時將活化箔暴露于選定形式的能量中。

活化箔包含當暴露于選定形式的能量中時可發(fā)生劇烈放熱反應以產生大量局部熱的材料或反應物。選定形式的能量包括電流；電磁輻射，包括紅外輻射、紫外輻射、γ射線輻射，以及微波輻射；或熱量。因此，活化箔可以用作將涂層連接到基底的熱源。

鋁熱劑和自蔓延粉末混合物可用作活化材料。鋁熱劑組成包括例如產生被稱為鋁熱反應的放熱氧化還原反應的金屬粉末(還原劑)和金屬氧化物(氧化劑)。還原劑的選項包括例如鋁、鎂、鈣、鈦、鋅、硅、硼，以及包括上述中的至少一種的組合，同時氧化劑的選項包括例如硼氧化物、硅氧化物、鉻氧化物、錳氧化物、鐵氧化物、銅氧化物、鉛氧化物，以及包括上述中的至少一種的組合。自蔓延粉末混合物包括以下一種或多種：鋁-鎳(鋁粉末和鎳粉末的混合物)；鈦-硅(鈦粉末和硅粉末的混合物)；鈦-硼(鈦粉末和硼粉末的混合物)；鋯-硅(鋯粉末和硅粉末的混合物)、鋯-硼(鋯粉末和硼粉末的混合物)；鈦-鋁(鈦粉末和鋁粉末的混合物)；鎳-鎂(鎳粉末和鎂粉末的混合物)；或鎂-鉍(鎂粉末和鉍粉末的混合物)。

制備碳復合物的方法已經公開在共同未決申請第14/499,397號中，其全部內容通過引用并入本文。在涂層中形成碳復合物的一種方法是壓縮包含碳和微米或納米尺寸粘合劑的組合以通過冷壓提供生坯；并壓縮和加熱生坯，從而形成碳復合物。在另一實施例中，可以在室溫下壓縮該組合以形成坯，并然后在大氣壓下加熱坯以形成碳復合物。這些工藝可以稱為兩步工藝。替代地，包含碳和微米或納米尺寸粘合劑的組合可以被壓縮并直接加熱以形成碳復合物。該工藝可以稱為一步工藝。

在組合中，碳(諸如石墨)以約20重量％到約95重量％、約20重量％到約80重量％或約50重量％到約80重量％的量存在，基于組合的總重量。粘合劑以約5重量％到約75重量％或約20重量％到約50重量％的量存在，基于組合的總重量。組合中的石墨可以是碎片、粉末、小片、薄片等的形式。在一個實施例中，石墨為具有約50微米到約5,000微米，優(yōu)選地為約100微米到約300微米的直徑的薄片形式。石墨薄片可以具有約1微米到約5微米的厚度。組合的密度為約0.01g/cm³到約0.05g/cm³、約0.01g/cm³到約0.04g/cm³、約0.01g/cm³到約0.03g/cm³或約0.026g/cm³?？梢越浻杀绢I域已知的任何合適的方法通過共混石墨和微米或納米尺寸的粘合劑來形成該組合。合適的方法的示例包括球混合、聲混合、螺條共混、立式螺桿混合，以及v型共混。在另一實施例中，組合是通過氣相沉積法來制造?！皻庀喑练e”工藝是指通過氣相在基底上沉積材料的工藝。氣相沉積工藝包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、激光氣相沉積，以及等離子輔助氣相沉積。粘合劑前體的示例包括三乙基鋁和羰基鎳。可以使用物理沉積、化學沉積和等離子輔助氣相沉積的不同變化。示例性沉積工藝可以包括等離子輔助化學氣相沉積、濺射、離子束沉積、激光燒蝕或熱蒸發(fā)。通過氣相沉積工藝，粘合劑可以至少部分地填充碳微觀結構中的空隙。

參考兩步工藝，冷壓是指，只要粘合劑不與石墨微觀結構顯著鍵合，就在室溫或高溫下壓縮包含石墨和微米尺寸或納米尺寸粘合劑的組合。在一個實施例中，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％的微觀結構不在生坯中鍵合。形成生坯的壓力可以為約500psi到約10ksi，溫度可以為約20℃到約200℃。在該階段的減少比，即生坯的體積相對于組合的體積為約40％到約80％。生坯的密度為約0.1到約5g/cm³、約0.5到約3g/cm³或約0.5到約2g/cm³。

生坯可以在約350℃到約1400℃，特別是約800℃到約1200℃的溫度下加熱，以形成碳復合物。在一個實施例中，該溫度為粘合劑熔點的約±20℃到約±100℃，或粘合劑熔點的約±20℃到約±50℃。在另一實施例中，該溫度高于粘合劑的熔點，例如比粘合劑的熔點高約20℃到約100℃或約20℃到約50℃。當溫度較高時，粘合劑變得粘性較小并且流動地更好，并且只需要較小的壓力便可以使粘合劑均勻地分布在碳微觀結構之間的空隙中。然而，如果溫度太高，可能對儀器有不利的影響。

可以根據預定的溫度計劃或斜率來施加溫度。加熱的方法沒有特別限制。示例性的加熱方法包括直流(dc)加熱、感應加熱、微波加熱，以及火花等離子燒結(sps)。在一個實施例中，經由直流加熱進行加熱。例如，包含石墨和微米或納米尺寸粘合劑的組合可以充入電流，其流過該組合并非?？斓禺a生熱量?？蛇x地，加熱也可以在惰性氣氛下進行，例如在氬氣或氮氣下進行。在一個實施例中，在空氣存在下加熱生坯。

加熱可以在約500psi到約30,000psi或約1000psi到約5000psi的壓力下進行。壓力可以是超過大氣壓力的壓力或低于大氣壓力的壓力。不希望受理論束縛，據信當向組合施加超過大氣壓力的壓力時，微米或納米尺寸的粘合劑通過滲透作用被迫進入碳微觀結構之間的空隙中。當向組合施加低于大氣壓的壓力時，微米或納米尺寸的粘合劑也可以通過毛細力被迫進入碳微觀結構之間的空隙中。

在一個實施例中，形成碳復合物的所需壓力不是一次全部施加。在加載生坯之后，首先在室溫或低溫下向組合施加低壓以封閉組合中的大孔。否則，熔融的粘合劑可能流到模具的表面。一旦溫度達到預定的最高溫度，就可以施加制造碳復合物所需的所需壓力?？梢栽陬A定最高溫度和預定最大壓力下保持溫度和壓力約5分鐘到約120分鐘。在一個實施例中，該預定最高溫度為粘合劑熔點的約±20℃到約±100℃，或粘合劑熔點的約±20℃到約±50℃。

在該階段的減小比，即碳復合物的體積相對于生坯體積為約10％到約70％或約20到約40％。碳復合物的密度可以通過控制壓縮度來改變。碳復合物的密度為約0.5到約10g/cm³、約1到約8g/cm³、約1到約6g/cm³、約2到約5g/cm³、約3到約5g/cm³或約2到約4g/cm³。

替代地，還參考兩步工藝，可以首先在室溫和約500psi到30,000psi的壓力下壓縮該組合以形成坯；坯可以進一步在約350℃到約1200℃，特別是約800℃到約1200℃的溫度下加熱，以制造碳復合物。在一個實施例中，該溫度為粘合劑熔點的約±20℃到約±100℃，或粘合劑熔點的約±20℃到約±50℃。在另一實施例中，該溫度可以比粘合劑的熔點高約20℃到約100℃或約20℃到約50℃。加熱可以在存在或不存在惰性氣氛的情況下在大氣壓下進行。

在另一實施例中，可以由石墨和粘合劑的組合直接制造碳復合物，而不制造生坯。壓縮和加熱可以同時進行。合適的壓力和溫度可以與本文對兩步工藝的第二步討論的相同。

熱壓是同時施加溫度和壓力的工藝。它既可用于一步工藝中又可用于兩步工藝中來制造碳復合物。

碳復合箔可以通過一步或兩步工藝在模具中制造。碳復合箔也可以經由熱軋制造。在一個實施例中，通過熱軋制造的碳復合箔可以進一步加熱以允許粘合劑有效地將碳微觀結構鍵合在一起。

碳復合涂層可具有優(yōu)異的潤滑性能。圖4示出了碳復合物、ffkm(來自dupont的商品名為kalrez*的全氟彈性體)、fepm(四氟乙烯/丙烯二聚物)、nbr(丙烯腈丁二烯橡膠)，以及peek(聚醚醚酮)的摩擦試驗結果。如圖4中所示，在測試的樣品中，碳復合物提供了最低的摩擦系數。

碳復合涂層在高溫下可具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在一個實施例中，碳復合涂層可具有高耐熱性，其操作溫度范圍為約-65°f到高達約1200°f，特別是高達約1100°f，并且更特別是約1000°f。

碳復合涂層還可以具有在高溫下的優(yōu)異的耐化學性。在一個實施例中，該涂層對水、油、鹽水，以及酸具有耐化學性，并且耐性等級從良好到優(yōu)異。例如，涂層可以在高溫和高壓下連續(xù)使用，例如在濕條件(包括堿性和酸性條件)下約68°f到約1200°f，或約68°f到約1000°f，或約68°f到約750°f。因此，當暴露于化學試劑(例如，水、鹽水、烴、諸如鹽酸(hcl)的酸、諸如甲苯的溶劑等)中，即使長時間在高達200°f的高溫，以及高壓(大于大氣壓)下時，涂層也具有抗溶脹和降解的性能。涂層是中等硬到特硬，并且硬度從約50的肖氏硬度a到高達約75的肖氏硬度d標度。

含有這種涂層的制品可用于各種各樣的應用，包括但不限于電子、原子能、熱金屬處理、涂層、航空航天、汽車、石油和天然氣，以及船舶應用。例如，示例性制品包括涂層軸承；涂層閥，諸如安全閥；涂層管道，例如在化學工廠中使用的那些；涂層活塞，以及涂層軸。涂層軸承可用于井下工具，諸如esp泵、鉆頭等，或者用于出于安全考慮而禁止使用油潤滑劑的藥品或食品工業(yè)中。涂層活塞和涂層軸可用于各種機器或工具零件，包括應用在石油和天然氣工業(yè)、汽車工業(yè)或航空航天工業(yè)中的發(fā)動機和齒輪等。

本文公開的所有范圍包括端點，并且端點可彼此獨立地組合。如本文所用的后綴“(s)”旨在包括其修飾的術語的單數和復數這兩者，從而包括該術語中的至少一個(例如，著色劑包括至少一種著色劑)?！盎颉笔侵浮昂?或”?！翱蛇x的”或“可選地”是指隨后描述的事件或情況可發(fā)生或可不發(fā)生，并且該描述包括事件發(fā)生的情況和不發(fā)生的情況。如本文所用，“組合”包括共混物、混合物、合金、反應產物等?！八鼈兊慕M合”是指“包含一個或多個列出的項目和可選地未列出的類似項目的組合”。所有參考文獻通過引用并入本文。

在描述本發(fā)明的上下文中(特別是在所附權利要求書的上下文中)使用的術語“一個”和“一種”和“該(所述)”，以及類似的指示物應被解釋為涵蓋單數和復數，除非本文另有說明或與上下文明顯矛盾。進一步地，應該進一步指出，本文中的術語“第一”、“第二”等不指代任何順序、數量或重要性，而是用于元素彼此之間的區(qū)分.結合數量使用的修飾語“約”包括所述值，并具有上下文所規(guī)定的含義(例如，其包括與特定量的測量結果相關聯的誤差程度)。

雖然為了說明的目的已經闡述了典型的實施例，但是前面的描述不應被認為是對本文范圍的限制。因此，在不脫離本文的精神和范圍的情況下，本領域技術人員可以作出各種修改、調整和替代。