(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（４）、
ポリマーコーティング（７）、および
基板（４）とポリマーコーティング（７）の間に配設される中間層を含む物品であって、
前記中間層は、炭素複合材を含み、
前記炭素複合材は、炭素、およびＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｂ、Ｂ２Ｏ３、金属、または該金属の合金のいずれか１以上を含む結合剤（２）を含み、前記金属は、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウム、またはセレンのいずれか１以上を含み、
前記炭素複合材は、炭素微細構造間に格子間空間を有し、該格子間空間の少なくともいくつかに前記結合剤が配設された炭素微細構造を含む、物品。
【請求項２】
前記基板（４）が、金属、該金属の合金、またはセラミックのいずれか１以上を含み、前記基板（４）中の金属が、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステン、パラジウム、クロム、ルテニウム、金、銀、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、またはケイ素のいずれか１以上を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記ポリマーコーティング（７）が、フルオロエラストマー、ぺルフルオロエラストマー、水素化ニトリルブチルゴム、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、シリコーン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ビスマレイミド、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、フェノール樹脂、ナイロン、ポリカーボネート、ポリウレタン、テトラフルオロエチレン−プロピレンエラストマー共重合体、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルスルホン、自己強化ポリフェニレン、ポリアリールエーテルケトン、またはそれらの架橋物のいずれか１以上を含む、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
前記炭素複合材層（３）中の炭素が黒鉛を含み、前記黒鉛（１）は所望により、カルボキシ、エポキシ、エーテル、ケトン、アミン、ヒドロキシ、アルコキシ、アルキル、ラクトン、またはアリールのいずれか１以上の官能基を含むように誘導化されていても、誘導化されていなくてもよい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項５】
前記中間層および前記基板（４）の間に第一結合層（５）を更に含み、
前記第一結合層（５）が、前記基板（４）および前記炭素複合材中の結合剤（２）との固溶体、前記炭素複合材の結合剤（２）および前記基板（４）の両方に含まれる材料、またははんだのいずれか１以上を含み、かつ、
前記ポリマーコーティング（７）と前記中間層の間に第二結合層（６）を更に含み、
前記第二結合層（６）が、共有結合にて前記炭素複合材層（３）中の炭素に結合するポリマーまたはモノマーを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項６】
前記ポリマーが、アクリル鎖、ポリアミン、またはポリ（アルキレングリコール）のいずれか１以上を含む、請求項５に記載の物品。
【請求項７】
前記モノマーが、α，β−不飽和ニトリル基、アルケニル基、アルキニル基、ビニルカルボン酸エステル基、カルボキシ基、カルボニル基、エポキシ基、イソシアネート基、ヒドロキシル基、アミド基、アミノ基、エステル基、ホルミル基、ニトリル基、またはニトロ基のいずれか１以上の重合性基を含む、請求項５に記載の物品。
【請求項８】
基板（４）のコーティング方法であって、
基板（４）上に炭素複合材層（３）を配設する工程、
炭素複合材層（３）を基板（４）に結合し、第一結合層（５）を炭素複合材層（３）と基板（４）の間に形成する工程、
モノマー、第一ポリマー、またはそれらの組み合わせを基板（４）上に配設された炭素複合材層（３）にグラフトし、第二結合層（６）を形成する工程、および
第二結合層（６）を、第二ポリマーを含み、所望により架橋剤を含んでもよいコーティング組成物でコーティングする工程、
を含み、
前記炭素複合材層（３）が、炭素、および結合剤（２）を含み、
前記結合剤（２）は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｂ、Ｂ２Ｏ３、金属、または該金属の合金のいずれか１以上を含み、前記金属は、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タングステン、クロム、鉄、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、モリブデン、スズ、ビスマス、アンチモン、鉛、カドミウム、またはセレンのいずれか１以上を含み、
前記炭素複合材は、炭素微細構造間に格子間空間を有し、該格子間空間の少なくともいくつかに前記結合剤が配設された炭素微細構造を含む、方法。
【請求項９】
前記グラフト工程が、前記第二結合層（６）と前記炭素複合材層の間に共有結合を形成することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第二結合層（６）のコーティング工程が、積層、ディップコーティング、溶媒キャスト法、塗装、スプレーコーティング、ロールコーティング、交互積層コーティング、スピンコーティング、またはラングミュアー・ブロジェット・コーティングのいずれか１以上を含む、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第一ポリマーと前記第二ポリマーを架橋する工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記炭素複合材層（３）を基板（４）に結合する工程が、前記炭素複合材層（３）、および前記基板（４）または前記基板（４）の表面を加熱することを含み、所望により、前記炭素複合材層（３）と前記基板（４）は加熱中に互いに押圧されても、押圧されなくてもよい、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
はんだを前記炭素複合材層（３）と前記基板（４）の間に配設する工程、前記はんだを加熱する工程、および、前記炭素複合材層（３）と前記基板（４）を結合する工程をさらに含み、所望により、前記炭素複合材層（３）と前記基板（４）が、前記はんだを加熱中に互いに押圧されても、押圧されなくてもよい、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板（４）と前記炭素複合材層の間に活性化フォイルを配設する工程、および、前記活性化フォイルを、エネルギーの特定形態へ露出し、前記炭素複合材層（３）と前記基板（４）を結合する工程をさらに含み、所望により、前記活性化フォイルを前記エネルギーの特定形態へ露出する間、前記炭素複合材層、前記活性化フォイル、および前記基板（４）が互いに押圧されても、押圧されなくてもよい、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記活性化フォイルが、テルミット、Ａｌ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｂ、Ｚｒ−Ｓｉ、Ｚｒ−Ｂ、Ｔｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｍｇ、またはＭｇ−Ｂｉのいずれか１以上を含み、前記テルミットが、還元剤および酸化剤を含み、前記還元剤が、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、亜鉛、ケイ素、またはホウ素のいずれか１以上を含み、かつ、前記酸化剤が、酸化ホウ素、酸化ケイ素、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、または酸化鉛のいずれか１以上を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本出願は、２０１４年１１月１８日に出願された米国特許第１４／５４６，３３２号の利益を主張し、その全体を参照として本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
ポリマーコーティングは、流動抵抗を削減することにより坑井掘削性向上ために、ボーリングツールやアクセサリで幅広く使用されている。流体中のスイートガスおよびサワーガスによる腐食を最小限に抑えることにより、金属基板を保護するためにもポリマーコーティングは使用される。しかし、ポリマーは通常、金属と強固な化学結合を形成しない。従って、ポリマーコーティングおよび金属基板は多くの場合、弱いファン・デル・ワールス力、弱い水素結合、または、機械的結合によって結合しているだけである。困難な条件下では、ポリマーコーティングの寿命を縮める層間剥離が生じ得る。そのため、金属基板上でのポリマーコーティングの信頼性および寿命の向上させる材料および方法が当該技術分野において受け入れられるであろう。
【発明の概要】
【０００３】
発明が解決しようとする手段
従来技術の上記および他の欠点は、実施形態において、基板；ポリマーコーティング；基板とポリマーコーティング間に配設される中間層を含む物品により克服され、この中間層に含まれる炭素複合材は：炭素、およびＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；Ｂ２；Ｏ３；金属；または金属合金を１つ以上含む結合剤から成り；また、この金属は：１以上のアルミニウム；銅；チタン；ニッケル；タングステン；クロム；鉄；マンガン；ジルコニウム；ハフニウム；バナジウム；ニオビウム；モリブデン；スズ；ビスマス；アンチモン；鉛；カドミウム；または；セレンを含む。
【０００４】
基板のコーティング方法は：基板上に炭素複合材層を配設する工程；基板に炭素複合材層を結合し、炭素複合材層と基板間に第一結合層を形成する工程、モノマー、第一ポリマー、またはそれらの組み合わせを炭素複合材層にグラフトし、第二結合層を形成する工程；および、第二ポリマーを含むコーティング組成物で第二結合層をコーティングする工程を含み；この炭素複合材層は、炭素および結合材を含み；この結合材は：ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；Ｂ２；Ｏ３；金属；または金属合金を１つ以上含む結合剤から成り；この金属は：アルミニウム；銅；チタン；ニッケル；タングステン；クロム；鉄；マンガン；ジルコニウム；ハフニウム；バナジウム；ニオビウム；モリブデン；スズ；ビスマス；アンチモン；鉛；カドミウム；または、セレンを１つ以上含む。 
【図面の簡単な説明】
【０００５】
以下の説明はどのような方法における制限も考えるべきでない。添付図面において、同様の構成要素は、同じように番号が付されている：
【図１】図１は、本開示の実施形態に従う金属基板上のポリマーコーティング形成プロセスを示し；図１ａは、炭素複合材層によりコーティングされた基板を示し；図１ｂは、第一結合層が基板と炭素複合材層の間に形成されていることを示し；図１ｃは、第二結合層が、炭素複合材層状にグラフトさていることを示し；図１ｄは、ポリマーコーティングが、第二結合層上に配設されていることを示す；
【図２】図２は、本開示の実施形態に従う炭素複合材のＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書の発明は、金属またはセラミック製基板上へのポリマーのコーティングプロセスを向上してきた。有利には、ポリマーコーティングと金属またはセラミック基板の間に中間層が配設される。中間層は、黒鉛などの炭素および無機結合剤含む炭素複合材を含む。炭素複合材内の無機結合剤は、中間層の基板への結合を促進させる。一方、炭素複合材内の炭素は、共有結合などの強固な化学結合により、中間層のポリマーコーティングへの結合を促進する。本プロセスは、信頼性および寿命の向上に寄与するコーティング基板の製造を可能にする。
【０００７】
一実施形態では、基板；ポリマーコーティング；基板とポリマーコーティングの間に配設される中間層を含む物品が提供され、この中間層は、炭素および結合剤を含む炭素複合材を含む。
【０００８】
基板は、金属またはセラミック材料であり得る。これは、表面処理なしで使用可能であり、もしくは、基板への化学的、物理的、また、機械的な処理を含む加工をすることもできる。例えば、サンディング、ラッピング、または、サンドブラストなどにより、基板の表面を荒くするよう、または、表面積を増加するよう処理することができる。基板の表面は、化学的または機械的手段により、汚染物質除去のために、洗浄してもよい。 
【０００９】
基板の金属は、周期表の１族から１２族までの元素、その合金、または、それらの組み合わせを含む。代表的な金属は、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、タングステン、パラジウム、クロム、ルテニウム、金、銀、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ケイ素、およびこれらの合金を含む、これらの組み合わせを含む。合金は、例えば、アルミニウム基合金、マグネシウム基合金、タングステン基合金、コバルト基合金、鉄基合金、ニッケル基合金、コバルト−ニッケル基合金、鉄−ニッケル基合金、鉄−コバルト基合金、銅基合金、およびチタン基合金を含む。本明細書で使用する「金属基合金」という用語は、合金の総重量を基づき、合金内の特定金属の重量割合が、合金の他どの成分より非常に大きい金属合金を意味する。代表的な合金は、鋼鉄、ニクロム、黄銅、ピューター、銅、インバール、インコネル、ハステロイ、ＭｇＺｒＺｎ、ＭｇＡｌＺｎ、ＡｌＣｕＺｎＭｎ、およびＡｌＭｇＺｎＳｉＭｎを含む。
【００１０】
セラミックは特に制限されておらず、炭素複合材でコーティングされている基板の特定用途によって、選択することができる。セラミックの例としては、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック、ホウ化物系セラミック、ケイ化物系セラミック、およびそれらの組み合わせがある。一実施形態では、酸化物系セラミックは、シリカ（ＳｉＯ２）、または、チタニア（ＴｉＯ２）である。酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック、ホウ化物系セラミック、または、ケイ化物系セラミックは、非金属（酸素、窒素、ホウ酸、炭素、ケイ素など）、金属（アルミニウム、鉛、ビスマスなど）、遷移金属（ニオビウム、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウムなど）、アルカリ金属（リチウム、カリウムなど）、アルカリ土類（カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムなど）、希土類元素（ランタン、セリウムなど）、またはハロゲン（フッ素、塩素など）を含むことができる。
【００１１】
基板はどのような形状でもよい。代表的な形状は、立方体、球状、円筒状、環状、多角形、螺旋状、それらを切頭したもの、または、それらを組み合わせたものを含む。基板の最長直線長さは、５００ｎｍから数百メートルまで制限はない。基板は、分解や劣化をせず、−１０℃から８００℃までの露出に耐えられる熱分解温度を有し得る。しかし、基板上に配設するコーティングは、温度遮蔽性または熱伝導性を提供することで基板から熱を離すことができるため、基板が熱分解温度付近まで上昇することはない。
【００１２】
中間層は、炭素および無機結合剤を含む炭素複合材を含む。炭素は黒鉛であってよい。本発明で使用する場合、黒鉛は、１種以上の、天然黒鉛；合成黒鉛；膨張性黒鉛（ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）；または、膨張黒鉛（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）を含む。天然黒鉛は天然に形成される。これは、「片状」黒鉛、「鱗状」黒鉛、および「土状」黒鉛に分類することができる。合成黒鉛は、炭素材料にからの製造品である。熱分解黒鉛は合成黒鉛の一形状である。膨張性黒鉛は、天然黒鉛または合成黒鉛の層間に挿入されるインターカレート材料を有する黒鉛を意味する。幅広い化学物質が黒鉛層間物質に使用されている。これらには、酸、オキシダント、ハロゲン化物等が挙げられる。代表的なインターカレート物質としては、硫酸、硝酸、クロム酸、ホウ酸、ＳＯ３、または、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、およびＳｂＣｌ５などのハロゲン化物が挙げられる。加熱すると、インターカレートは、液体または固体状態から気相へ転移する。ガス化により発生した圧力が炭素層同士を押し離し、その結果膨張黒鉛となる。膨張黒鉛粒子は、外見が蠕虫状であり一般的にワームと呼ばれる。   
【００１３】
黒鉛は、一般的に誘導体化して、例えば、カルボキシ（カルボン酸基など）、エポキシ、エチル、ケトン、アミン、ヒドロキシ、アルコキシ、アルキル、アリー、アラルキル、アルカリル、ラクトンなど、種々の異なる官能基を含むことができる。  
【００１４】
代表的実施形態において、例えば、黒鉛はアミノ化により誘導体化されてアミン基を有し、そのアミノ化は、還元後のニトロ化により、もしくは、脱保護後に必要に応じて、アミン、置換アミンまたは保護アミンによる脱離基の求核置換により行うことができる。他の実施形態では、黒鉛は、酸化法によって、エポキシ、ヒドロキシ基、過酸化物を使用するグリコール基を生成するために、または、ケトン、アルデヒド、または、カルボン酸官能基などを形成するために、過酸化マンガン酸塩などの例えば金属媒介酸化に起因する二重結合開裂により誘導体化される。
【００１５】
官能基が、アルキル、アリール、アラルキル、アルカリルまたはこれらの基の組み合わせであると、誘導体黒鉛に、より優れた熱的および化学的安定性を提供するためにヘテロ原子の介在なしの炭素―炭素結合により、官能基は、中間官能基（カルボキシル基、アミノ基など）を介して、または直接黒鉛に付着し：また同様に、少ない工程のより効率的な合成プロセスである；炭素―酸素結合（黒鉛がヒドロキシまたはカルボン酸などの酸素含有官能基を含む）；または、炭素―窒素結合（ナノ粒子がアミンまたはアミドなどの窒素含有官能基を含む）によって結合する。一実施形態では、黒鉛は、スティル反応、鈴木カップリング、ジアゾカップリングなどのパラジウム媒介反応、または、有機銅カップリング反応などにより、炭素―炭素結合の形成工程におけるＣ６−３０アリルまたはＣ７−３０アラルキルハロゲン化物（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）との金属媒介反応により誘導体化することができる。 
【００１６】
別の実施形態では、黒鉛は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属などとの反応により直接メタレートされ、その後、炭素―炭素結合形成にて、ハロゲン化物（Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）または、他の脱離基（例、トシレート、メシラート）などの脱離基の伴うＣｌ−３０アルキルまたはＣ７−３０アルカリル化合物との反応が起こる。アリールまたはアラルキルハロゲン化合物、もしくは、アルキルまたはアラルキル化合物は、ヒドロキシ、カルボキシ、エーテルなどの官能基と置換することができる。代表的な基は例えば、ヒドロキシ基、カルボン酸基、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、ドデシル、オクタデシルなどのアルキル基；フェニルおよびヒドロキシフェニルを含むアリール基；４−メチルフェニル、４―ヒドロキシメチルフェニル、または、４−（２−ヒドロキシエチル）フェニル（フェネチル・アルコールとも呼ばれる）基などのアリール部を介して付着されるベンジル基などのアルカリ基、あるいは、フェニルメチル、または、４―ヒドロキシフェニル・メチル基などのベンジル（アルキル）部分に、フェネチルにて２位、または４−ヒドロキシフェネチル基などの部分に付着されるアラルキル基を含む。代表的実施例において、誘導体化された黒鉛は、ベンジル、４−ヒドロキシベンジル、フェネチル、４−ヒドロキシフェネチル、４−ヒドロキシメチルフェニル、もしくは、４−（２−ヒドロキシエチル）フェネル基、または、少なくとも上述の基のうち１つを含む組み合わせと置換された黒鉛である。
【００１７】
一実施形態では、炭素複合材は、炭素微細構造間に格子間空間を有し、格子間空間の少なくともいくつかに結合剤が配設される炭素微細構造を含む。一実施形態では、炭素微細構造は、炭素微細構造内に未充填ボイドを含む。別の実施形態では、炭素微細構造内の格子間空間および炭素微細構造内のボイドは共に結合剤またはその誘導体により充填される。
【００１８】
炭素微細構造は、黒鉛を凝集状態へ加圧後、黒鉛の微小構造を形成する。これらは、圧縮方向に沿って積層される黒鉛底面を含む。本発明で使用する場合、黒鉛底面は、実質的に平らで、平行の単原子厚である炭素原子のシートまたは層のことを言う。黒鉛底面は炭素層とも呼ばれる。炭素微細構造は通常平坦で薄い。これらは、異なる形状を有し、かつ、マイクロフレーク（ｍｉｃｒｏ−ｆｌａｋｅｓ）、マイクロディスク（ｍｉｃｒｏ−ｄｉｓｃｓ）などと呼ばれることもある。一実施形態では、炭素微細構造は、互いにほぼ平行である。
【００１９】
炭素複合材には、炭素微細構造間の、ボイドまたは格子間空間、および、各炭素微細構造内のボイドという二種類のボイドがある。炭素微細構造間の格子間空間は、約０．１〜約１００ミクロン、具体的には、約１〜約２０ミクロンのサイズであり、これに対して、炭素微細構造内のボイドはさらに小さく、一般的には約２０ナノメートル〜約１ミクロン、具体的には、約２００ナノメートル〜約１ミクロンである。ボイドまたは格子間空間の形状は、特に限定されない。本発明で使用する場合、ボイドまたは格子間空間の寸法は、ボイドまたは格子間空間の最大寸法を意味し、高解像度の電子または原子間力顕微鏡技術により測定することができる。
【００２０】
炭素微細構造間の格子間空間は、マイクロまたはナノサイズの結合剤で充填される。例えば、結合剤は、炭素微細構造間にある格子間空間の約１０％〜約９０％を占め得る。一実施形態では、結合剤は、各炭素微細構造には浸透せず、炭素微細構造内のボイドは充填されず、すなわち、どのような結合剤によっても充填されない。従って、炭素微細構造内の炭素層は、結合剤により結合されない。このメカニズムにより、炭素複合材、特に膨張黒鉛複合材の柔軟性は保たれる。他の実施形態では、高強度を得るために、炭素微細構造内にあるボイドは、結合剤またはその誘導体により充填される。炭素微細構造内のボイドへの充填方法は、蒸着を含む。
【００２１】
炭素微細構造の厚みは、約１〜約２００ミクロン、約１〜約１５０ミクロン、約１〜約１００ミクロン、約１〜約５０ミクロン、または、約１０〜約２０ミクロンである。炭素微細構造の寸法または最大寸法は、約５〜約５００ミクロン、または、約１０〜約５００ミクロンである。炭素微細構造のアスペクト比は、約１０〜約５００、約２０〜約４００、または、約２５〜約３５０であり得る。一実施形態では、炭素微細構造内の炭素層間の距離は、約０．３ナノメートル〜約１ミクロンである。炭素微細構造は、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ３、または約０．１〜約２ｇ／ｃｍ３の密度を有し得る。
【００２２】
炭素複合材では、炭素微細構造は結合相により互いに結合する。結合相は、機械的結合により炭素微細構造を結合する結合剤を含む。所望により、結合剤および炭素微細構造の間に界面層が形成される。界面層は、化学結合、固溶体、またはこれらの組み合わせを含むことができる。これらが存在する場合、化学結合、固溶体、またはこれらの組み合わせは、炭素微細構造の結合を強固にすることができる。炭素微細構造は、機械的結合および化学結合の両方により結合し得ると理解されている。例えば、化学結合、固溶体、またはこれらの組み合わせは、いくつかの炭素微細構造および結合剤の間で形成し、またそうでない特定の炭素微細構造においては、炭素微細構造の表面上にある一部の炭素、および、結合剤の間でのみ形成する。化学結合、固溶体、またはそれらの組み合わせを形成しない、炭素微細構造および一部の炭素微細構造において、それらの炭素微細構造は機械的結合によって結合し得る。結合相の厚みは、約０．１〜約１００ミクロンまたは約１〜約２０ミクロンである。結合相は、炭素微細構造を結合する連続的または不連続的な網状組織を形成し得る。 
【００２３】
代表的な結合剤は、非金属、金属、合金、またはこれらのうち少なくとも１つを含む組み合わせである。非金属は、１つ以上の：ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；またはＢ２Ｏ３である。金属は：アルミニウム；銅；チタン；ニッケル；タングステン；クロム；鉄；マンガン；ジルコニウム；ハフニウム；バナジウム；ニオビウム；モリブデン；スズ；ビスマス；アンチモン；鉛；カドミウムまたはセレンのうち少なくとも１つであり得る。合金は：アルミニウム合金；銅合金；チタン合金；ニッケル合金；タングステン合金；クロム合金；鉄合金；マンガン合金；ジルコニウム合金；ハフニウム合金；バナジウム合金；ニオビウム合金；モリブデン合金；スズ合金；ビスマス合金；アンチモン合金；鉛合金；カドミウム合金；またはセレン合金のうち１つ以上を含む。一実施形態では、結合剤は：銅；ニッケル；クロム；鉄；チタン；銅合金；ニッケル合金；クロム合金；鉄合金；またはチタン合金のうち１つ以上を含む。代表的な合金は、鋼鉄、インコネル＊などのニッケル―クロム基合金、およびモネル合金などのニッケル―銅基合金を含む。ニッケル―クロム基合金は、約４０〜７５％のＮｉ、および約１０〜３５％のＣｒを含有し得る。ニッケル−クロム基合金は、約１〜約１５％の鉄も含有し得る。少量のＭｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、またはこれらの少なくとも１つを含む組み合わせもまた、ニッケル−クロム基合金に含有し得る。ニッケル−銅基合金は、主にニッケル（最大約６７％まで）および銅から成る。ニッケル−銅基合金は、鉄、マンガン、炭素、およびケイ素も少量含有し得る。これらの材料は、粒子、繊維、ワイヤなど、異なる形状である。材料を組み合わせて使用できる。  
【００２４】
炭素複合材形成に使用される結合剤は、マイクロまたはナノサイズであり得る。一実施形態では、結合剤は、約０．０５〜約２５０ミクロン、約０．０５〜約５０ミクロン、約１〜約４０ミクロン、具体的には約０．５〜約５ミクロン、更に具体的には約０．１〜約３ミクロンの平均粒子寸法を有する。理論に拘束されるものではないが、結合剤がこれらの範囲内である場合、炭素微細構造間を均一に分散すると考えられている。  
【００２５】
界面層が存在する場合、結合相は、結合剤、および、少なくとも２つの炭素微細構造のうち１つを結合層へ結合させる界面層を有する結合層を含む。一実施形態では、結合相は、結合層、炭素微細構造のうちの１つを結合層へ結合させる第一界面層、および、他の微細構造を結合層へ結合させる第二界面層から成る。第一および第二界面層は、同一のまたは異なる組成物を有し得る。
【００２６】
界面層は、１つ以上の：Ｃ−金属結合；Ｃ−Ｂ結合；Ｃ−Ｓｉ結合；Ｃ−Ｏ−Ｓｉ結合；Ｃ−Ｏ−金属結合；または金属炭素固溶体から成る。結合は、炭素微細構造および結合剤の表面上にある炭素から形成される。
【００２７】
一実施形態では、界面層は結合剤の炭化物から成る。炭化物は１つ以上の：アルミニウム炭化物；チタン炭化物；ニッケル炭化物；タングステン炭化物；クロム炭化物；鉄炭化物；マンガン炭化物；ジルコニウム炭化物；ハフニウム炭化物；バナジウム炭化物；ニオビウム炭化物；モリブデン炭化物を含む。これらの炭化物は、対応する金属または金属結合剤と、炭素微細構造の炭素原子との反応により形成される。結合相は、ＳｉＯ２またはＳｉと炭素微細構造の炭素との反応により形成されるＳｉＣ、もしくは、ＢまたはＢ２Ｏ3と炭素微細構造の炭素との反応により形成されるＢ４Ｃも含み得る。結合剤材料が組み合わせて使用される場合、界面層はこれらの炭化物の組み合わせを含み得る。炭化物は、アルミニウム炭化物などの塩類似炭化物、ＳｉＣおよびＢ４Ｃなどの共有結合性炭化物、４、５、６族の遷移金属の炭化物などの侵入型炭化物、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉ炭化物などの、中間遷移金属炭化物であり得る。
【００２８】
別の実施形態では、界面層は、黒鉛および結合剤などの炭素の固溶体を含む。炭素は、特定の金属マトリクス中、または特定温度範囲では、炭素微細構造への金属相の濡れ性および結合力を促進する溶解性を有する。熱処理を行うことにより、金属中の炭素の高溶解性は、低温にて保持され得る。これらの金属は、１つ以上のＣｏ；Ｆｅ；Ｌａ；Ｍｎ；Ｎｉ；またはＣｕを含む。結合層は、固溶体および炭化物の組み合わせもまた含み得る。
【００２９】
炭素複合材は、炭素複合材の総重量を基準として、約２０〜約９５ｗｔ．％、約２０〜約８０ｗｔ．％、または約５０〜約８０ｗｔ．％の炭素を含む。結合剤は、炭素複合材の総重量を基準として、約５〜約７５ｗｔ．％または約２０〜約５０ｗｔ．％の量で存在する。炭素複合材において、炭素と結合剤の重量比は、約１：４〜約２０：１、約１：４〜約４：１、または約１：１〜約４：１である。
【００３０】
炭素複合材は、所望により充填剤を含むことができる。代表的な充填剤は：１つ以上の炭素繊維；カーボンブラック；雲母；クレイ；ガラス繊維；セラミック繊維；またはセラミック粉末を含む。セラミック材料は、ＳｉＣ，Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＢＮ、などを含む。充填剤は、約０．５〜約５０ｗ．％、約０．５〜約４０ｗｔ．％、約０．５〜約２５ｗｔ．％、約０．５〜約１０ｗｔ．％、または約１〜約８ｗｔ．％の量で存在することができる。
【００３１】
一実施形態では、中間層は１つ以上の炭素複合材フォイルを含む。炭素複合材フォイルは、厚みおよび化学的組成の観点から同一であるかまたは異なることがあり得る。中間層および基板間の結合を促進するために、複数の炭素複合材フォイルが存在する場合、基板に最も近いフォイルは、基板から遠いフォイルと比較して多量の結合剤を有し得る。 
【００３２】
基板上に形成する中間層は、基板、または基板表面を完全に覆い得る。中間層の厚みは、約５μｍ〜約１０ｍｍ、具体的には約１０μｍ〜約５ｍｍである。一実施形態では、中間層は連続的であり、かつ、ボイド、マイクロボイド、亀裂、またはピンホールなどを含む他の欠陥を有しない。
【００３３】
中間層は、第一結合層を介して基板に結合し得る。第一結合層の厚みは、約５０ｎｍ〜約２ｍｍまたは約１００ｎｍ〜約１ｍｍであり得る。第一結合層は：基板と炭素複合材内の結合剤との固溶体；炭素複合材の結合剤および基板の両方に含まれる材料；またははんだのうち１つ以上を含む。活性化フォイルを使用する実施形態では、結合層は、さらに活性化材料の反応生成物を有し得る。反応生成物が存在する場合、固溶体、炭素複合材の結合剤および基板の両方に含まれる材料、または、結合層内のはんだへ反応生成物が分散する。
【００３４】
種々の合金は、使用目的または適用方法に応じて基板へコーティングを結合するためのはんだとして使用することができる。本発明で使用する場合、はんだは、ろう付け用溶加材を含む。代表的なはんだは、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金、Ｓｎ合金、Ｎｉ合金およびＰｂ合金を含む。他の公知のはんだ材料も使用可能である。はんだは、合金の組み合わせもさらに含むことができる。
【００３５】
炭素複合材内の黒鉛などの炭素は、特定のポリマー鎖またはモノマーを黒鉛の官能基にグラフトすることにより誘導体化することができる。例えば、カルボン酸官能基、ヒドロキシ官能基、およびアミン官能基を有するアクリル鎖などのポリマー鎖；ポリエチレンアミンまたはポリエチレンイミンなどのポリアミン；および、ポリ（エチレングリコール）およびポリ（プロピレングリコール）などのポリ（アルキレングリコール）は、黒鉛の官能基との反応によって包含されてもよい。代替的またはこれに加え、炭素複合材内の黒鉛もまた、重合性基を有するモノマーにより誘導体化し得る。重合性基は、α，β−不飽和カルボニル基、α，β−不飽和ニトリル基、アルケニル基、アルキニル基、ビニルカルボン酸エステル基、カルボキシ基、カルボニル基、エポキシ基、イソシアネート基、ヒドロキシル基、アミド基、アニモ基、エステル基、 ホルミル基、ニトリル基、ニトロ基、または、これらを１つ以上含む組み合わせを含む。グラフトポリマーまたはモノマーは、強固な共有結合により中間層表面に鎖でつながれる薄い結合層を形成する。
【００３６】
ポリマーコーティングは、ポリマーおよび、ェノール、レジノール、ｏ−，ｍ−，ｐ−キシレノール、ｏ−，ｍ−，ｐ−クレゾールなどから調合したものを含むフェノール樹脂などの樹脂、ならびに代表的なフェノール樹脂がフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を含む場合は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ヘキサナール、オクタナール、ドデカナール、ベンズアルデヒド、サリチルアルデヒドなどのアルデヒドを含み、また、ビスフェノールＡジエポキシドから調整したエポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、ナイロン−６およびナイロン６，６などのナイロン、ビスフェノールＡポリカーボネートなどのポリカーボネート、ポリウレタン、ニトリル−ブチルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリル−ブチルゴム（ＨＮＢＲ）、ＦＫＭ系であり、ＶＩＴＯＮ（登録商標）の商標名にて流通する（ＦＫＭ市場にて入手可能）高フッ素含有フルオロエラストマーゴム、およびＫＡＬＲＥＺ（登録商標）パーフロロエラストマー（ＤｕＰｏｎｔにて入手可能）の商標名にて流通するＦＦＫＭ（ＦＫＭ市場にて入手可能）などパールロロエラストマー、ならびに、ＶＥＣＴＯＲ（登録商標）接着剤（ＤｅｘｃｏＬＰにて入手可能）、官能化または非官能化ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの有機ポリシロキサン、ＡＦＬＡＳ（登録商標）の商標名で、旭硝子株式会社により流通するテトラフルオロエチレン−プロピレン・エラストマー状共重合体、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、ポリエチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルスルホン、自己強化ポリフェニレン、ポリアリルエーテルケトン、または、これらポリマーの架橋物を含む。
【００３７】
一実施形態では、ポリマーコーティングは、鎖の絡み合いにより薄いグラフト結合層に付着される。別の実施形態では、ポリマーコーティング内のポリマーは、薄いグラフト結合層内のモノマーまたはポリマーと架橋し得る。
【００３８】
所望により、架橋剤は架橋を助けるのに使用される。架橋剤は、ペルオキシ化合物、金属過酸化物、金属酸化物、キノン、シリカ、硫黄、またはそれらの組み合わせを含み得る。代表的なキノンは、ｐ−ベンゾキノリン、テトラメチルベンゾキノン、ナフトキノンなどを含む。架橋剤として有用なペルオキシ化合物は、アルキルまたはアリールジペルオキシ化合物、および金属過酸化物を含む。代表的なアリールジペルオキシ化合物は、ＤＩ−ＣＵＰ（登録商標）ジアルキル過酸化物、ＤＩ−ＣＵＰ（登録商標）４０Ｃジアルキル過酸化物（炭酸カルシウム担持体上）、ＤＩ−ＣＵＰ（登録商標）４０Ｋジアルキル過酸化物、ＤＩ−ＣＵＰ（登録商標）４０ＫＥジアルキル過酸化物、を含むＤＩ−ＣＵＰ（登録商標）の商標名にてアルケマ社により流通するジクミルペルオキシド（ＤＣＰ）をベースにしたもの、および、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサンを含み、 アクゾノーベル社により、ＴＲＩＧＯＮＯＸ（登録商標）１０１の商標名にて流通するアリールジペルオキシ化合物が挙げられる。代表的な金属過酸化物は、マグネシウム過酸化物、カリウム過酸化物、亜鉛過酸化物など、またはそれらの組み合わせを含む。架橋剤として有用な金属酸化物は、例えば酸化亜鉛、酸化マグネシウム、二酸化チタンなど、またはそれらの組み合わせを含む。
【００３９】
基板をコーティングする方法は、 基板上に炭素複合材層を配設する工程、基板へ炭素複合材層を結合し；炭素複合材層と基板の間に第一結合層を形成するする工程、炭素複合材層上にモノマー、第一ポリマー、またはそれらの組み合わせをグラフトし、第二結合層を形成する工程；および、第二ポリマーを含む複合材で第二結合層をコーティングする工程とを含む。 
【００４０】
一実施形態では、基板への炭素複合材層の結合工程は、炭素複合材層と基板間の第一結合を形成するために炭素複合材層および基板を加熱することを含む。加熱方法は特に制限されない。例えば、基板へコーティングされる炭素複合材は、約３５０〜約１４００℃、具体的には約８００〜約１２００℃の温度のオーブンで加熱できる。所望により、この方法は、加熱中に炭素複合材層および基板を互いに押圧する工程を更に含む。 
【００４１】
別の実施形態では、炭素複合材層の基板への結合は：直流加熱法；誘導加熱法；マイクロ波加熱法；または、放電プラズマ焼結法など、複数の方法によりコーティングが施される、炭素複合材層および基板表面の加熱工程を含む。所望により、加熱中、炭素複合材層および基板を互いに固定するために力を加えることができる。
【００４２】
例えば、電流が電極を介して基板および炭素複合材層へ通ることができる。炭素複合材層および基板が互いに接触する箇所では高い電気的抵抗により熱が発生する。発生した熱は、炭素複合材層と基板間に第一結合層を形成する基板表面上にある材料および炭素複合材層内の結合剤を溶解または軟化し得る。冷却するとすぐに、結合層は、炭素複合材層を基板へ結合させる。 
【００４３】
一実施形態では、この方法は、炭素複合材層と基板間にはんだを配設する工程；はんだを加熱する工程；および炭素複合材層を基板へ結合する工程を更に含む。炭素複合材層および基板材料内の無機結合剤と比較して、はんだはより低い融点または軟化温度を有することができるため、はんだを使用する場合、低温であってよい。所望により、この方法は、はんだを加熱中に、炭素複合材層および基板を互いに押圧する工程を更に含む。  
【００４４】
別の実施形態では、この方法はさらに基板と炭素複合材層間に活性化フォイルを配設する工程；および、炭素複合材層を基板へ結合するために、エネルギーの特定形態へ活性化フォイルを露出する工程を含む。あるいは、活性化フォイルは炭素複合材フォイル上へ積層し、炭素複合材層を形成することができる。次に炭素複合材フォイルおよび活性化フォイルを含む炭素複合材層を基板表面上に配設することができる。所望により、この方法は、エネルギーの特定形態へ活性化フォイルを露出する間、炭素複合材層、活性化フォイル、および基板を互いに押圧する工程を更に含む。 
【００４５】
活性化フォイルは、エネルギーの特定形態へ露出する際に、大量の局所的熱を発生させるために、激しい発熱反応を起こし得る材料または反応物を含む。エネルギーの特定形態は、電流または赤外線、紫外線、ガンマ線、およびマイクロ波放射を含む電磁放射線、あるいは熱を含む。従って、活性化フォイルは、炭素複合材層を基板に結合させる熱源として機能することができる。  
【００４６】
テルミットと自己伝播粉末の混合物は活性化材料として有用である。テルミット組成物は、例えば 、金属粉末（還元剤）、およびテルミット反応として知られる発熱酸化還元反応を引き起こす金属酸化物（酸化剤）を含む。還元剤の選択肢としては例えばアルミニウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、亜鉛、ケイ素、ホウ素、および、これらが少なくとも１つ含まれる組み合わせが挙げられ、一方、酸化剤の選択肢としては、例えば酸化ホウ素、酸化ケイ素、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、 酸化鉛、および、これらが少なくとも１つ含まれる組みあわせが挙げられる。自己伝播粉体混合物は、１つ以上のＡｌ−Ｎｉ（Ａｌ粉体およびＮｉ粉体の混合物）、Ｔｉ−Ｓｉ（Ｔｉ粉体およびＳｉ粉体の混合物）、Ｔｉ−Ｂ（Ｔｉ粉体およびＢ粉体の混合物）、Ｚｒ−Ｓｉ（Ｚｒ粉体およびＳｉ粉体の混合物）、Ｚｒ−Ｂ（Ｚｒ粉体およびＢ粉体の混合物）、Ｔｉ−Ａｌ（Ｔｉ粉体およびＡｌ粉体の混合物）、Ｎｉ−Ｍｇ（Ｎｉ粉体およびＭｇ粉体の混合物）、またはＭｇ−Ｂｉ（Ｍｇ粉体およびＢｉ粉体混合物）を含む。 
【００４７】
炭素複合材を調整する方法は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる、同時係属中の出願第１４／４９９，３９７号明細書に開示さる。コーティング内に炭素複合材を形成する方法は、圧粉体を提供するために、冷間圧縮により炭素およびマイクロまたはナノサイズの結合剤を含む組み合わせを圧縮し、圧粉体を圧縮および加熱することで、炭素複合材を形成する。他の実施形態では、組み合わせたものは、常温で押圧され成形体を形成し、その後、成形体は大気圧にて加熱され炭素複合材を形成する。これらの工程は、二段工程と呼ばれることがある。あるいは、炭素およびマイクロまたはナノサイズの結合剤を含む組み合わせは、直接的に炭素複合材を形成するために圧縮および加熱することができる。この工程は一段工程と呼ばれることがある。
【００４８】
この組み合わせにおいて、組み合わせの総重量を基準として、黒鉛などの炭素は、約２０〜約９５ｗｔ．％、約２０〜約８０ｗｔ．％、約５０〜約８０ｗｔ．％の量で存在する。組み合わせの総重量を基準として、結合剤は、約５〜７５ｗｔ．％または約２０〜５０ｗｔ．％の量で存在する。組み合わせ内の黒鉛は、小片、粉末、小板、薄片などの形状であり得る。一実施形態では、黒鉛は、約５０〜約５，０００ミクロン、具体的には約１００〜約３００ミクロンの直径を有する薄片形状である。黒鉛薄片は、約１〜約５ミクロンの厚みを有し得る。組み合わせの密度は、約０．０１〜約０．０５ｇ／ｃｍ３、約０．０１〜約０．０４ｇ／ｃｍ３、約０．０１〜約０．０３ｇ／ｃｍ３または約０．０２６ｇ／ｃｍ３である。組み合わせは、黒鉛およびマイクロまたはナノサイズの結合剤を、当該技術分野において公知の任意の好適な方法を用いて、黒鉛およびマイクロまたはナノサイズの結合剤を混合することによって形成することができる。好適な方法の例として、ボール混合、音響混合、リボン混合、縦型スクリュー混合、およびＶ型混合を含む。別の実施形態では、組み合わせは蒸着により形成される。「蒸着」工程は、蒸気相を用いて基板上に材料を堆積させる工程を意味する。蒸着工程は、物理蒸着、化学蒸着、原子層蒸着、レーザー蒸着、および、プラズマアシスト蒸着を含む。結合剤前駆体の例として、トリエチルアルミニウムおよびニッケルカルボニルが挙げられる。物理蒸着、化学蒸着、およびプラズマアシスト蒸着の異なる変形形態は使用することができる。代表的な堆積工程としては、プラズマアシスト化学蒸着、スパッタリング、イオンビーム蒸着、レーザーアブレーション、または熱蒸着を挙げることができる。蒸着工程により、結合剤は、炭素微細構造内のボイドを少なくとも部分的に充填することができる。
【００４９】
二段工程を参照すると、冷間圧縮は、黒鉛とマイクロまたはナノサイズの結合剤を含む組み合わせが常温、または結合剤が、著しく黒鉛微細構造と結合しない限り高温にて、圧縮されることを意味する。一実施形態では、微細構造の、約８０ｗｔ．％超、約８５ｗｔ．％超、約９０ｗｔ．％超、約９５ｗｔ．％超、約９９ｗｔ．％超は、圧粉体に結合されない。圧粉体を形成する圧力は、約５００ｐｓｉ〜約１０ｋｓｉ、かつ、温度は約２０〜約２００℃であり得る。この段階での還元率、つまり、組み合わせに対する圧粉体の量は、約４０〜約８０％である。圧粉体の密度は、約０．１〜約５ｇ／ｃｍ３、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ３、または約０．５〜約２ｇ／ｃｍ３である。
【００５０】
圧粉体は約３５０〜約１４００℃、具体的には約８００〜約１２００℃まで炭素複合材を形成するために加熱することができる。一実施形態では、温度は結合剤の融点の約±２０〜約±１００℃または、結合剤の融点の約±２０〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度は結合剤の融点を超え、例えば、約２０〜約１００℃、または約２０〜約５０℃高い。温度が高くなると、結合剤の粘度が低下しよく流れるため、結合剤は低い圧力で炭素微細構造間のボイドに均一に分散することができる。しかし、温度が高すぎると、装置へ悪影響を与える可能性がある。 
【００５１】
所定の温度スケジュールまたはランプレートに従う温度が適用される。加熱手段は特に限定されない。代表的な加熱方法は、直流（ＤＣ）加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱、およびスパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）を含む。一実施形態では、ＤＣ加熱法を用いて加熱を行う。例えば、黒鉛およびマイクロまたはナノサイズの結合剤を含む組み合わせに電流が供給され、その電流が組み合わせを通過することで、瞬時に熱が発生する。所望により、例えばアルゴンまたは窒素など、不活性雰囲気下においても、加熱を行うことができる。一実施形態では、圧粉体は空気の存在下で加熱される。
【００５２】
加熱は、約５００〜約３０，０００ｐｓｉまたは約１，０００〜約５，０００ｐｓｉの圧力下で行うことができる。圧力は、超大気圧または亜大気圧であってよい。理論に束縛されるものではないが、組み合わせに超大気圧がかかると、マイクロまたはナノサイズの結合剤が炭素微細構造間のボイドに浸透していくと考えられている。組み合わせに亜大気圧がかかると、マイクロまたはナノサイズの結合剤が炭素微細構造間のボイドへ毛管力により浸透していくこともできる。
【００５３】
一実施形態では、炭素複合材を形成するのに望ましい圧力は、一度に全て加えない。圧粉体の堆積後、常温または低温にて、最初に組成物に低圧が加わり、組成物の大細孔を閉じる。そうでなければ、溶けた結合剤が、ダイ表面へ流れ込む可能性がある。温度が所定の最高温度に達すると、炭素複合材を形成するのに必要な望ましい圧力が加えることができる。温度および圧力は、所定の最高温度および最高圧力で約５〜約１２０分間保持される。一実施形態では、所定の最高温度は、結合剤の融点の約±２０〜約±１００℃、または、結合剤の融点の約±２０〜約±５０℃である。
【００５４】
この段階での還元率、つまり、圧粉体量に対する炭素複合材の量は、約１０〜約７０％または、約２０〜約４０％である。炭素複合材の密度は、圧縮程度を調整することにより変化可能である。炭素複合材の密度は、約０．５〜約１０ｇ／ｃｍ３、約１〜約８ｇ／ｃｍ３、約１〜約６ｇ／ｃｍ３、約２〜約５ｇ／ｃｍ３、約３〜約５ｇ／ｃｍ３、または約２〜約４ｇ／ｃｍ３である。
【００５５】
あるいは、二段工程では、組み合わせは最初に常温、かつ約５００〜約３０，０００ｐｓｉの圧力にて押圧され、成形体を形成し；この成形体を約３５０〜約１２００℃、具体的には約８００〜約１２００℃の温度にてさらに加熱し、炭素複合材を形成することができる。一実施形態では、温度は結合剤の融点の約±２０〜約±１００℃または、結合剤の融点の約±２０〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度は約２０〜約１００℃、また約２０〜約５０℃、結合剤の融点より高い。還元性雰囲気の存在下または不存在下にて、大気圧にて加熱を行うことができる。
【００５６】
別の実施形態では、炭素複合材は、圧粉体を形成せずに直接黒鉛および結合剤の組み合わせから形成することが可能である。押圧および加熱は、同時に実施可能である。好適な圧力および温度は、本明細書にて開示する二段工程の第二ステップにおけるものと同一であり得る。  
【００５７】
熱間圧縮は、温度および圧力を同時に加える工程である。炭素複合材を製造するために、一段および二段工程の両方に使用可能である。
【００５８】
炭素複合材フォイルは、一段または二段工程にて、型を使用して製造可能である。炭素複合材フォイルは、熱間圧延にて製造も可能である。一実施形態では、熱間圧延にて製造される炭素複合材フォイルを、結合剤を効果的に炭素微細構造へ結合できるようさらに加熱することができる。  
【００５９】
炭素複合材フォイルは、直接的に使用可能である。図２で示すように、本開示の実施形態に従う炭素複合材のＳＥＭ特性評価は、炭素複合材の８０％超が黒鉛相に覆われている。従って、炭素複合材は、ポリマーまたはモノマーと結合するのに十分な表面積を提供する。あるいは、炭素複合材フォイルを基板に配設する前に、炭素複合材フォイルの片側または両側の表面を荒くし、または、その表面積を増加させることができる。代表的な方法は、サンディング、ラッピングまたはサンドブラストを含む。表面が荒くなると、結合面積が増加する。加えて、表面を荒くすると、機械的結合により炭素複合材のへのポリマーコーティングの接着性向上が可能となる。
【００６０】
グラフトは、第二結合層および炭素複合材層間の共有結合を形成し得る。例えば、炭素複合材層の炭素上の官能基とのポリマーまたはモノマー上の官能基の反応により、ポリマーまたはモノマーは、炭素複合材層へグラフトできる。本発明で使用する場合、「グラフト法」は、「グラフト導入」（ｇｒａｆｔｉｎｇ  ｔｏ）法、および「グラフト成長」（ｇｒａｆｔｉｎｇ  ｆｒｏｍ）法が挙げられる。グラフト導入法は、炭素複合材層上の官能基を介して末端官能基ポリマーをグラフトすることを含む。この反応は、ポリマー溶液内、またはポリマー溶解物から行うことができる。例えば、末端官能基ポリマーの溶液または分散体は基板上に配設される炭素複合材層の上にコーティングされ得る。その後に、積層構造にコーティングされた末端官能基ポリマーは、加熱され、末端官能基化したポリマーを炭素複合材層へグラフトすることができる。 
【００６１】
グラフト成長法は、基板上に配設された炭素複合材層にて、ｉｎ  ｓｉｔｕ（その場）での共有結合ポリマーの合成方法を意味する。ポリマー合成の公知のメカニズムは、「グラフト成長法」アプローチに用いることができる。反応メカニズムに応じて、反応開始剤は、炭素複合材表面に共有結合し得る。ラジカル重合には、アゾ反応開始剤、過酸化物または光反応開始剤が使用可能である。 
【００６２】
コーティング組成物は、ポリマーコーティングの関連において本明細書で記載されるポリマーを含む。所望により、コーテイング組成物は、架橋剤を更に含む。架橋剤はコーティング組成物内のポリマーの重量を基準にして、０．１〜１５ｗｔ％、具体的には０．５〜１０ｗｔ％、更に具体的は０．５〜５ｗｔ％の量で存在する。
【００６３】
コーティング組成物は、積層、ディップコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティング、スピンキャスティング、交互積層（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）コーティング、ラングミュアー・ブロジェット・コーティングなどの任意の好適な、しかしこれに限定されない方法によって第二結合層へコーティングしてよい。その後コーティングは周囲温度にて、または室温を超える温度、具体的は８０℃以上、更に具体的には９０℃以上、また具体的には１００℃以上で稼動するオーブンにて乾燥される。コーティングがさらに硬化されると強化され、耐溶剤性および耐摩耗性マトリックスの保護部を提供するが、これは硬化法が、熱硬化；可視光線または紫外線、電子ビーム、Ｘ線などを含む電離；または非電離放射線を使用する照射、例えば、酸または塩基；などの活性硬化剤へ露出をするような化学的硬化などの場合である。  
【００６４】
基板コーティングの代表的プロセスは、図１に示される。図１に示すように、黒鉛１および結合剤２を含む炭素複合材層３が最初に基板４上に配設される。次に、炭素複合材層は基板に結合し、第一結合層５を形成する。次に、モノマー、第一ポリマー、またはそれらの組み合わせを炭素複合材層３上にグラフトし、第二結合層６を形成する。最後に、ポリマーコーティング７が第二結合層（図２に図示せず）上に形成される。  
【００６５】
このようなコーティングを含む物品は、電子機器、原子力、ホットメタルプロセス、コーティング、航空機、自動車、オイル＆ガス、および海洋用途を含む、しかしそれに限定されない多様な用途に有用である。例えば、代表的物品は、ボーリングツール、管、パイプライン、流量制御装置、フィルタ、膜、サンドスクリーン、モーターカバー、メッシュ、シート、包装構成品、破裂防止部品、水中ポンプモータ保護バッグ、センサプロテクタ、サッカーロッド、Ｏリング、Ｔリング、ガスケット、ポンプシャフトシール、チューブシール、バルブシール、電子機器用シール、電子機器用絶縁体、または採掘モータ用シールなどを含む。   
【００６６】
本明細書で開示された範囲はすべて、終点を含むものであり、該終点は互いに独立に組み合わせできる。本明細書で使用される接尾辞「ｓ」は、それが修飾する用語の単数および複数の両方を含むものとし、それによってその用語の少なくとも１つ以上を含む（例えば、着色剤（ｃｏｌｏｒａｎｔ（ｓ））は少なくとも１つ以上の着色剤を含む）。「または」は、「および／または」を意味する。「任意」または「所望にて」は、次に記述される事象または状況は発生してもしなくてもよく、その記述は、事象がどこで発生するかの例、およびどこで発生しないかの例を含む。本発明で使用する、「組み合わせ」は、配合物、混合物、合金、反応生成物などを含む。「その組み合わせ」は、「１つ以上の挙げられた物質、および所望により、１つ以上の挙げられていない物質」を意味する。全ての参照は、参考として本明細書に組み込まれている。
【００６７】
本発明を記述する文脈においては、（特に続く特許請求の文脈においては）、「ａ」および「ａｎ」ならびに「ｔｈｅ」ならびに類似の指示語の使用は、本明細書において特に断らない限り、または、文脈において明白に矛盾することがない限り、単数と複数の両方を包括するものと受け取るべきである。更に、本明細書の「第一の」、「第二の」などの用語は、いかなる順序、量、または重要性を意味せず、１つのエレメントと他のエレメントを区別するために用いられるということをさらに留意すべきである。量に関して使用される修飾語「約」は、表示量を含み、かつ、文脈から指示された意味を有する（例えば特定量の測定に関する誤差の程度を含む）。
【００６８】
便宜上、典型的実施形態を述べるが、本明細書の範囲において前述部が制限されると見なすべきでない。従って、当業者は種々の修正、適合、および代替をこの発明の範囲と精神とから外れることなく実施できる。
【図１】
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【図２】
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