(57)【要約】  物品が、基板と、炭素複合材を含むコーティングと；基板とコーティングとの間に配置された結合層とを備えている。炭素複合材は、炭素およびバインダーを備え、バインダーは：ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；Ｂ２Ｏ３；金属または金属の合金のうちの１つ以上を含み；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；ニオブ；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の１つ以上を含んでいる。【選択図】図１
2018501399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）；
炭素複合材を含むコーティング（５）；及び
前記基板（１）と前記コーティング（５）との間に配置される結合層（２）と
を備える物品であって：
前記炭素複合材は、炭素およびバインダー（３）を備え、該バインダーは、ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；Ｂ２Ｏ３；金属；または金属の合金のうちの１つ以上を含み；
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；ニオブ；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の１つ以上を含む、物品。
【請求項２】
前記基板（１）は：金属；金属の合金；またはセラミックのうちの１つ以上を含み、前記基板（１）中の金属は：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；またはケイ素のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記結合層（２）は：前記炭素複合材および前記基板（１）内にある前記バインダー（３）の固溶体；前記炭素複合材と前記基板（１）の両方の前記バインダー（３）に含まれる材料；またははんだのうちの１つ以上を含む、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
前記コーティング（５）は、約５μｍ〜約１０ｍｍの厚みを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項５】
前記炭素複合材は、少なくとも２つの炭素微細構造と、前記少なくとも２つの炭素微細構造の間に配置された結合相とを備え；前記結合相は前記バインダー（３）を備えている；請求項１〜４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項６】
前記結合相は、バインダー（３）層と、前記少なくとも２つの炭素微細構造のうちの一方を前記バインダー（３）層に結合する界面層とを備え、前記界面層は、Ｃ−金属接合；Ｃ−Ｂ接合；Ｃ−Ｓｉ接合；Ｃ−Ｏ−Ｓｉ接合；Ｃ−Ｏ−金属接合；または金属炭素溶液のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の物品。
【請求項７】
前記炭素複合材は黒鉛（４）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の物品。
【請求項８】
前記物品は、コーティングしたベアリング、コーティングしたパイプライン、コーティングしたバルブ、コーティングしたピストン、またはコーティングしたシャフトである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の物品。
【請求項９】
基板（１）をコーティング（５）する方法であって、該方法が：
基板（１）にコーティング（５）を配置することであって、前記コーティングは炭素複合材箔を含むことと；
前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合させることを含み；
前記炭素複合材箔は、炭素およびバインダー（３）を含み；
前記バインダー（３）は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｂ、Ｂ２Ｏ３、金属または金属の合金のうちの１つ以上を含み；
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；ニオブ；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の１つ以上を含む、方法。
【請求項１０】
前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合することは、前記コーティング（５）および前記基板（１）を加熱し、前記コーティング（５）と前記基板（１）との間に結合層（２）を形成することを含み、任意選択として、前記方法は、加熱過程で前記コーティング（５）および前記基板（１）を一緒に加圧することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合することは、前記コーティング（５）と前記コーティング（５）を配置する前記基板（１）の表面とを：直流電流加熱；誘導加熱；マイクロ波加熱；またはスパークプラズマ焼結のうちの１つ以上を用いて加熱することを含み、任意選択として、前記方法は、加熱過程で前記コーティング（５）および前記基板（１）を一緒に加圧することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記コーティング（５）と前記基板（１）との間にはんだを配置することと；前記はんだに熱を加えることと；前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合させることとをさらに含み、任意選択として、前記方法は、前記はんだに熱を加えている間に前記コーティング（５）および前記基板（１）を一緒に加圧することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記炭素複合材層に活性化層を重ねてコーティング（５）を形成することと、前記活性化層が前記炭素複合材箔と前記基板（１）との間に位置するように、前記コーティング（５）を前記基板（１）に配置することと；前記活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露して前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合することとを含み、任意選択として、前記方法は、前記活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露している間に前記コーティング（５）、前記活性化箔、および前記基板（１）を一緒に加圧することをさらに含み、前記選択したエネルギー形態は：電流；電磁放射線；または熱のうちの１つ以上である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
基板（１）と前記コーティング（５）との間に活性化箔を配置することと；前記活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露して前記コーティング（５）を前記基板（１）に結合させることとをさらに含み、任意選択として、前記方法は、前記活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露している間に前記コーティング（５）、前記活性化箔、および前記基板（１）を一緒に加圧することをさらに含み、前記選択したエネルギー形態は：電流；電磁放射線；または熱のうちの１つ以上である、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記活性化箔は：テルミット；Ａｌ−Ｎｉ；Ｔｉ−Ｓｉ；Ｔｉ−Ｂ；Ｚｒ−Ｓｉ；Ｚｒ−Ｂ；Ｔｉ−Ａｌ；Ｎｉ−Ｍｇ；またはＭｇ−Ｂｉのうちの１つ以上を含み；前記テルミットは、還元剤および酸化剤を含み；前記還元剤は：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うちの１つ以上を含み；前記酸化剤は：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；酸化鉛のうちの１つ以上を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
関連出願の相互参照
本明細書は、２０１４年１１月６日に出願された米国出願第１４／５３４，３３１号の利益を主張し、その全容を参照することにより本願に援用する。
【背景技術】
【０００２】
機械または工具のパーツを摩損、焼付き、または摩耗から保護するために、これらのパーツにドライフィルムコーティングが広く使用されてきた。ほとんどのドライフィルムコーティングは、有機潤滑剤を使用するか、被保護基板に無機潤滑剤を接着するためのポリマー材料を必要とする有機系のものである。有機系のドライフィルムコーティングはほとんどの用途で満足のいく結果が出ているが、機械または工具のパーツが厳しい動作条件かつ極限環境で使用される場合には困難が生じることがある。このような条件として、有機物が劣化または分解しやすい高温、液体の潤滑剤が凝固または凍結する可能性のある極度の低温、および潤滑剤が蒸発する可能性のある低圧または高真空の用途などを挙げることができる。そのため、潤滑剤およびコーティングに対する環境作用を改善する方法および材料の進歩が業界に歓迎されている。
【発明の概要】
【０００３】
発明が解決しようとする手段
先行技術にみられる上記の欠点およびその他の欠点は、一実施形態では、基板と；炭素複合材を含むコーティングと；基板とコーティングとの間に配置された結合層とを備える物品であって；炭素複合材は、炭素およびバインダーを備え、バインダーは：ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；Ｂ２Ｏ３；金属；または金属の合金；のうちの１つ以上を含み；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；ニオブ；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の１つ以上を含む、物品によって解決される。
【０００４】
基板をコーティングする方法は、基板にコーティングを配置することであって、コーティングが炭素複合材の箔を含むことと；コーティングを基板に結合させることとを含む。
【０００５】
以下の説明を限定的なものとみなしてはならない。添付の図面に関して、同じ要素には同じ符号を付している：
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の一実施形態による物品の概略図である；及び
【図２】電気による接合技術を用いて基板をコーティングする例示的なプロセスを示す図である；
【図３】炭素複合材のコーティングと基板との間に配置された活性化箔を有する物品を示す図である；及び
【図４】様々な材料の摩擦試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
有機系潤滑剤と比較して、黒鉛は、高温および腐食環境での潤滑性が高いなどの多くの利点を有する。しかしながら、炭素材料の黒鉛化温度が高いため（通常は１５００℃よりも高い）、黒鉛材料を金属物品の上に直接堆積させることは非現実的である。強固な黒鉛コーティングを達成するために、黒鉛粒子を樹脂と溶剤との混合物中に分散させ、その後、金属表面にコーティングすることができる。この方法で潤滑膜を形成できるとしても、コーティング中の有機物の存在が、高圧、高温、および酸性環境などの極限条件での用途を厳しく制限する。
【０００８】
本明細書の発明者らは、黒鉛を金属またはセラミックの基板にコーティングする単純かつ強固なプロセスを開発した。有利には、黒鉛は、無機バインダーと一緒に使用されて炭素複合材を形成する。コーティング内に無機バインダーがあることで、黒鉛の機械的強度が大幅に向上する。その一方で、無機バインダーはコーティングの基板への結合を容易にする。これらのプロセスでは、先行技術のプロセスで通常必要とされる樹脂および溶剤が省略され、それによって高圧環境、高温環境、および腐食環境であっても最大４５０℃まで信頼性が高く効果的な潤滑性を有するコーティングを提供できる。さらに有利な特徴として、コーティングは、粉塵、汚れおよび湿気の影響を受けない乾燥した清浄な潤滑を実現する。このほか、コーティングは、経年劣化、蒸発、または酸化することなく、寿命期間にわたって潤滑を保つこともできる。
【０００９】
一実施形態では、基板と、炭素複合材を含むコーティングと、基板とコーティングとの間に配置された結合層とを備える物品であって、炭素複合材が黒鉛および無機バインダーを含む、物品が提供される。
【００１０】
基板は、金属またはセラミック材料であってよい。基板は、表面処理なしで使用されてもよいし、基板を化学的、物理的、または機械的に加工処理するなどによって処理されてもよい。例えば、基板を加工処理して、サンダー仕上げ、ラッピング、またはサンドブラストなどによって基板を粗面化する、あるいは基板の面積を増大させることができる。基板の面積を化学的かつ／または機械的手段によって清掃して汚染物質を除去することもできる。
【００１１】
基板の金属として、周期表の第１族から第１２族の元素、その合金、またはその組み合わせなどが挙げられる。例示的な金属は、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、またはこれらの組み合わせであり、これらの合金も含まれる。金属合金として、例えば、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金、タングステン系合金、コバルト系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、コバルトおよびニッケル系合金、鉄およびニッケル系合金、鉄およびコバルト系合金、銅系合金、ならびにチタン系合金などが挙げられる。本明細書で使用したように、「金属系合金」という用語は、合金の総重量を基準にして、合金中の特定の金属の重量百分率がその合金の他の構成要素の重量百分率よりも大きい金属合金を意味する。例示的な金属合金として、鋼、ニクロム、真鍮、ピューター、ブロンズ、インバー、インコネル、ハステロイ、ＭｇＺｒＺｎ、ＭｇＡｌＺｎ、ＡｌＣｕＺｎＭｎ、およびＡｌＭｇＺｎＳｉＭｎなどが挙げられる。
【００１２】
セラミックは、特に限定されず、炭素複合材のコーティングで被覆された基板の特定の用途に応じて選択され得る。セラミックの例として、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、ケイ化物系セラミック、またはこれらの組み合わせなどが挙げられる。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（例えば酸素、窒素、ホウ素、炭素、またはケイ素など）、金属（例えば、アルミニウム、鉛、ビスマスなど）、遷移金属（例えば、ニオブ、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（例えば、リチウム、カリウムなど）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムなど）、希土類（例えば、ランタン、セリウムなど）、またはハロゲン（例えばフッ素、塩素など）を含有し得る。
【００１３】
基板は、どのような形状であってもよい。例示的な形状として、立方体、球体、円筒体、環状体、多角形、螺旋形、これらの切頭形、またはこれらの組み合わせなどが挙げられる。基板の最長の線形寸法は５００ｎｍから数百メートルまで可能で、制限はない。基板は、分解も劣化もせずに−１０℃〜８００℃の温度への暴露に耐え得る熱分解温度を有することができる。しかしながら、基板上に配置されたコーティングは、基板がその熱分解温度に近い温度を経験しないように、温度遮蔽または熱コンダクタンスを実現して基板から熱を遠ざけることができる。
【００１４】
コーティングは炭素複合材を含み、この炭素複合材は炭素および無機バインダーを含有している。炭素は黒鉛であってよい。本明細書で使用したように、黒鉛として、天然黒鉛；合成黒鉛；膨張性黒鉛（ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）；または膨張黒鉛（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｇｒａｐｈｉｔｅ）のうちの１つ以上が挙げられる。天然黒鉛は、自然によって形成された黒鉛である。天然黒鉛は、「フレーク」状黒鉛、「木目」状黒鉛、および「不定形」黒鉛に分類できる。合成黒鉛は、炭素材料から作製された製品である。熱分解黒鉛は、合成黒鉛の一形態である。膨張性黒鉛とは、天然黒鉛または合成黒鉛の層の間にインターカラント材が挿入されている黒鉛のことである。多種多様な化学物質が、黒鉛材料の間に挿入するのに使用されている。これらの例として、酸、酸化体、ハロゲン化物などが挙げられる。例示的なインターカラント材として、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、インターカラントは液体または固体の状態から気相に変換される。気体の形成により、隣接する炭素層を押し離す圧力が発生し、それによって膨張黒鉛が生じる。膨張黒鉛粒子は、外観が蠕虫状であり、そのため一般にワーム（ｗｏｒｍ）と呼ばれる。
【００１５】
一実施形態では、炭素複合材は炭素微細構造を備え、炭素微細構造の間に間隙空間を有し；バインダーは少なくとも一部の間隙空間に配置される。一実施形態では、炭素微細構造は、炭素微細構造内に無充填のボイドを含んでいる。別の実施形態では、炭素微細構造の間にある間隙空間と炭素微細構造内にあるボイドの両方に、バインダーまたはその誘導剤が充填される。
【００１６】
炭素微細構造は、黒鉛を圧縮して高濃度状態にした後に形成された黒鉛の微細な構造である。炭素微細構造は、圧縮方向に沿って合わせて積み重ねられた黒鉛の基底面を含んでいる。本明細書で使用したように、炭素の基底面とは、実質的に平坦で平行な炭素原子のシートまたは層のことであり、各シートまたは層は原子の厚みが単一である。黒鉛の基底面は炭素層とも呼ばれる。炭素微細構造は、概して平坦で薄い。炭素微細構造は、様々な形状であってよく、微細フレーク（ｍｉｃｒｏ−ｆｌａｋｅｓ）、微細ディスク（ｍｉｃｒｏ−ｄｉｓｃｓ）などと呼ぶこともできる。一実施形態では、炭素微細構造は、実質的に互いに平行である。
【００１７】
炭素複合材には２種類のボイドがある−炭素微細構造どうしの間にあるボイドまたは間隙空間、および個別の炭素微細構造内にあるボイドである。炭素微細構造どうしの間にある間隙空間は、サイズが約０．１〜約１００ミクロン、具体的には約１〜約２０ミクロンであるのに対し、炭素微細構造内にあるボイドはそれよりも遙かに小さく、概して約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。ボイドまたは間隙空間の形状は、特に限定されない。本明細書で使用したように、ボイドまたは間隙空間のサイズとは、ボイドまたは間隙空間の最大寸法のことであり、高分解能電子または原子間力顕微鏡技術によって測定され得る。
【００１８】
炭素微細構造どうしの間にある間隙空間には、ミクロサイズまたはナノサイズのバインダーが充填される。例えば、バインダーは、炭素微細構造どうしの間にある間隙空間の約１０％〜約９０％をふさぐことができる。一実施形態では、バインダーは個々の炭素微細構造に浸透せず、炭素微細構造内のボイドは無充填、すなわち一切のバインダーが充填されない。そのため、炭素微細構造内の炭素層は、バインダーによって一緒に閉じ込められることがない。この機構によって、炭素複合材、特に膨張した炭素複合材の可撓性を保持できる。別の実施形態では、高強度を達成するために、炭素微細構造内のボイドにはバインダーまたはその誘導剤が充填される。炭素微細構造内のボイドに充填する方法として、蒸着が挙げられる。
【００１９】
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。炭素微細構造の直径または最大寸法は、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であってよい。一実施形態では、炭素微細構造内の炭素層どうしの間の距離は、約０．３ナノメートル〜約１ミクロンである。炭素微細構造の密度は、約０．５〜約３ｇ／ｃｍ３、または約０．１〜約２ｇ／ｃｍ３であってよい。
【００２０】
炭素複合材では、炭素微細構造は結合相を介して一つに保持される。結合相は、炭素微細構造を機械連結によって結合するバインダーを含んでいる。任意選択として、バインダーと炭素微細構造との間に界面層を形成する。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んでいてよい。化学結合、固溶体、またはこれらの組み合わせは、それがある場合、炭素微細構造の連結を強化する可能がある。炭素微細構造は、機械連結と化学結合の両方を用いて一つに保持されてもよいことが理解される。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とバインダーとの間に形成されることもあれば、特定の炭素微細構造の場合は、炭素微細構造の表面上の炭素の一部とバインダーとの間のみに形成されることもある。炭素微細構造または炭素微細構造の一部が化学結合、固溶体、またはこれらの組み合わせを形成しない場合、炭素微細構造は、機械連結によって結合され得る。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、炭素微細構造を一つに結合する連続的または断続的な網状組織を形成し得る。
【００２１】
例示的なバインダーとして、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が挙げられる。非金属は:ＳｉＯ２；Ｓｉ；Ｂ；またはＢ２Ｏ３のうちの１つ以上である。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；ニオブ；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の少なくとも１つであってよい。合金として：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；ニオブ合金；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の１つ以上が挙げられる。一実施形態では：バインダーとして；銅；ニッケル；クロム；鉄；チタン；銅の合金；ニッケルの合金；クロムの合金；鉄の合金；またはチタンの合金のうちの１つ以上が挙げられる。例示的な合金として、鋼、インコネル＊などのニッケル−クロム系合金、およびモネル合金などのニッケル−銅系合金が挙げられる。ニッケル−クロム系合金は、Ｎｉを約４０〜７５％、Ｃｒを約１０〜３５％含有していてよい。ニッケル−クロム系合金はまた、鉄を約１〜約１５％含有していてよい。少量のＭｏ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、またはこれらのうち少なくとも１つを含む組み合わせも、ニッケル−クロム系合金に含まれ得る。ニッケル−銅系合金は、主にニッケル（最大約６７％）および銅で構成される。ニッケル−銅系合金はまた、少量の鉄、マンガン、炭素、およびケイ素を含有していてよい。これらの材料は、粒子、繊維、およびワイヤなどの様々な形状であってよい。材料を組み合わせたものを使用してもよい。
【００２２】
炭素複合材を作製するのに使用するバインダーは、ミクロサイズまたはナノサイズのものであってよい。一実施形態では、バインダーは、平均粒子サイズが約０．０５〜約２５０ミクロン、約０．０５〜約５０ミクロン、約１ミクロン〜約４０ミクロン、具体的には、約０．５〜約５ミクロン、さらに具体的には約０．１〜約３ミクロンである。理論に束縛されるものではないが、バインダーのサイズがこれらの範囲内である場合、バインダーは炭素微細構造の間で均質に分散すると考えられる。
【００２３】
界面層がある場合、結合相は、バインダーを含むバインダー層と、少なくとも２つの炭素微細構造のうちの一方をバインダー層に接合する界面層とを備えている。一実施形態では、結合相は、バインダー層と、炭素微細構造のうちの一方をバインダー層に接合する第１の界面層と、もう一方の微細構造をバインダー層に接合する第２の界面層とを備えている。第１の界面層および第２の界面層は、組成物が同じであっても異なっていてもよい。
【００２４】
界面層は：Ｃ−金属接合；Ｃ−Ｂ接合；Ｃ−Ｓｉ接合；Ｃ−Ｏ−Ｓｉ接合；Ｃ−Ｏ−金属接合；または金属炭素溶液のうちの１つ以上を含んでいる。接合は、炭素微細構造の表面上の炭素とバインダーとで形成される。
【００２５】
一実施形態では、界面層は、バインダーの炭化物を含んでいる。炭化物として：アルミニウムの炭化物；チタンの炭化物；ニッケルの炭化物；タングステンの炭化物；クロムの炭化物；鉄の炭化物；マンガンの炭化物；ジルコニウムの炭化物；ハフニウムの炭化物；バナジウムの炭化物；ニオブの炭化物；またはモリブデンの炭化物のうちの１つ以上が挙げられる。これらの炭化物は、該当する金属または金属合金のバインダーを炭素微細構造の炭素原子と反応させることで形成される。結合相は、ＳｉＯ２もしくはＳｉを炭素微細構造の炭素と反応させることで形成されるＳｉＣ、またはＢもしくはＢ２Ｏ３を炭素微細構造の炭素と反応させることで形成されるＢ４Ｃを含むこともできる。バインダー材料の組み合わせを使用する場合、界面層は、これらの炭化物の組み合わせを含んでいてよい。炭化物は、炭化アルミニウムなどの塩様の炭化物、ＳｉＣおよびＢ４Ｃなどの共有結合性炭化物、第４族、第５族、および第６族の遷移金属の炭化物などの侵入型炭化物、または、例えばＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの炭化物などの中間の遷移金属炭化物であり得る。
【００２６】
別の実施形態では、界面層は、黒鉛およびバインダーなどの炭素の固溶体を含んでいる。炭素は、特定の金属マトリクス内または特定の温度範囲で可溶性を有し、これによって金属相の湿潤と金属相の炭素微細構造への結合の両方を促進することができる。熱処理によって、金属中の炭素の高い可溶性を低温で維持できる。これらの金属として、Ｃｏ；Ｆｅ；Ｌａ；Ｍｎ；Ｎｉ；またはＣｕのうちの１つ以上が挙げられる。バインダー層は、固溶体と炭化物の組み合わせを含むこともできる。
【００２７】
炭素複合材は、炭素複合材の総重量を基準として、炭素を約２０〜約９５重量％、約２０〜約８０重量％、または約５０〜約８０重量％含んでいる。バインダーは、炭素複合材の総重量を基準として、約５重量％〜約７５重量％または約２０重量％〜約５０重量％の量で存在する。炭素複合材において、バインダーに対する炭素の重量割合は、約１：４〜約２０：１、または約１：４〜約４：１、または約１：１〜約４：１である。
【００２８】
炭素複合材は、任意選択としてフィラーを備えることができる。例示的なフィラーとして：炭素繊維；カーボンブラック；雲母；粘土；ガラス繊維；セラミック繊維；またはセラミック粉末のうちの１つ以上が挙げられる。セラミック材料として、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＢＮなどが挙げられる。フィラーは、約０．５〜約５０重量％、約０．５〜約４０重量％、約０．５〜約２５重量％、０．５〜約１０重量％、または約１〜約８％の量で存在し得る。
【００２９】
一実施形態では、コーティングは、１つ以上の炭素複合材箔を含んでいる。炭素複合材箔は、厚みおよび化学構成が同じであっても異なっていてもよい。コーティングと基板との結合を容易にするため、２つ以上の炭素複合材箔がある場合、基板に最も近い箔は、基板から離れている箔よりも多量のバインダーを有することができる。
【００３０】
基板上に形成されたコーティングは、基板または基板の表面を完全に覆うことができる。コーティングの厚みは、約５μｍ〜約１０ｍｍ、具体的には約１０μｍ〜約５ｍｍであってよい。一実施形態では、コーティングは、途切れなく、ボイド、ミクロボイド、裂け目、またはピンホールなどを含むその他の欠陥がない。
【００３１】
コーティングは、結合層を介して基板に結合され得る。結合層の厚みは、約５０ｎｍ〜約２ｍｍまたは約１００ｎｍ〜約１ｍｍであってよい。結合層は：炭素複合材および基板内にあるバインダーの固溶体；炭素複合材と基板の両方のバインダーに含まれる材料；またははんだのうちの１つ以上を含んでいる。活性化箔を使用する実施形態では、結合層は、活性化材料の反応生成物をさらに含んでいてもよい。反応生成物は、もしあれば、固溶体、炭素複合材と基板の両方のバインダーに含まれる材料；または結合層のはんだの中に分散される。
【００３２】
コーティングを基板に接合するためのはんだとして、目的の使用または適用方法に応じて多様な合金を使用できる。本明細書で使用したように、はんだとして、ろう付けのためのフィラー金属が挙げられる。例示的なはんだとして、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金、Ｓｎ合金、Ｎｉ合金、およびＰｂ合金が挙げられる。その他の公知のはんだ材料を使用してもよい。はんだとして、合金の組み合わせもさらに挙げられる。
【００３３】
図１は、本開示の一実施形態による物品の概略図である。図１に示したように、物品は、基板１と、コーティング５と、基板とコーティングとの間に配置された結合層２とを備えている。コーティング５は、黒鉛４および無機バインダー３を含んでいる。
【００３４】
基板をコーティングする方法は：コーティングを基板上に配置することと、コーティングを基板に結合することとを含む。コーティングは、炭素複合材箔を備えている。本明細書で使用したように、炭素複合材箔とは、本明細書に記載した炭素複合材を含有する箔のことである。
【００３５】
一実施形態では、コーティングを基板に結合することは、コーティングおよび基板を加熱して、コーティングと基板との間に結合層を形成することを含む。加熱方法は、特に限定されない。例えば、コーティングされた基板は、約３５０℃〜約１４００℃、具体的には約８００℃〜約１２００℃の温度で炉で加熱されてよい。任意選択として、本方法は、加熱過程でコーティングおよび基板を一緒に加圧することをさらに含む。
【００３６】
別の実施形態では、コーティングを基板に結合することは、コーティングとコーティングを配置する基板の表面とを：直流電流加熱；誘導加熱；マイクロ波加熱；またはスパークプラズマ焼結のうちの１つ以上を用いて加熱することを含む。任意選択として、コーティングおよび基板に力を印加して加熱過程で両者を一つに保持できる。
【００３７】
図２に例示的なコーティングプロセスを示している。図２に示したように、電流が電極６を通って基板１および炭素複合材箔５に流れる。コーティングと基板が互い接触する所は電気抵抗が高いため、熱が発生する。発生した熱は、炭素複合材箔内のバインダー、および／またはコーティングと基板との間に結合層２を形成する基板の表面上の材料を溶解または軟化できる。冷却されると、結合層はコーティングを基板に結合する。
【００３８】
一実施形態では、本方法は、コーティングと基板との間にはんだを配置することと；はんだに熱を加えることと；コーティングを基板に結合させることとをさらに含む。はんだは、炭素複合材および基板材料内にある無機バインダーと比較して融点が低い、または軟化温度が低いことがあるため、はんだを使用する場合に必要となり得る熱が少ない。任意選択として、本方法は、はんだに熱を加えている間にコーティングおよび基板を一緒に加圧することをさらに含む。
【００３９】
別の実施形態では、本方法は、基板とコーティングとの間に活性化箔を配置することと；活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露してコーティングを基板に結合させることとをさらに含む。図３は、炭素複合材コーティング５と基板１との間に配置された活性化箔７を有する物品を示している。これに代えて、活性化箔を炭素複合材箔の上に重ねてコーティングを形成してもよい。その場合、炭素複合材箔および活性化箔を含んでいるコーティングは、基板の表面に配置され得る。任意選択として、本方法は、活性化箔を選択したエネルギー形態に暴露している間にコーティング、活性化箔、および基板を一緒に加圧することをさらに含む。
【００４０】
活性化箔は、選択したエネルギー形態に暴露されたときに、強力な発熱反応に耐えて局所熱を大量に発生させることができる材料または反応体を備えている。選択されるエネルギー形態として；電流、赤外線、紫外線、ガンマ線、およびマイクロ波などの電磁放射線；または熱が挙げられる。そのため、活性化箔は、コーティングを基板に接合するための熱源としての役割を果たすことができる。
【００４１】
活性化材料として、テルミットおよび自己伝播性の粉末混合物が使用可能である。テルミットの組成物として、例えば、テルミット反応として知られる発熱性の酸化還元反応を生じる金属粉末（還元剤）および金属酸化物（酸化剤）が挙げられる。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、およびこれらのうち少なくとも１つを含む組み合わせが挙げられ、一方、酸化剤の選択としては、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のうち少なくとも１つを含む組み合わせが挙げられる。自己伝播性の粉末混合物として：Ａｌ−Ｎｉ（Ａｌ粉末とＮｉ粉末との混合物）；Ｔｉ−Ｓｉ（Ｔｉ粉末とＳｉ粉末との混合物）；Ｔｉ−Ｂ（Ｔｉ粉末とＢ粉末との混合物）；Ｚｒ−Ｓｉ（Ｚｒ粉末とＳｉ粉末との混合物）；Ｚｒ−Ｂ（Ｚｒ粉末とＢ粉末との混合物）；Ｔｉ−Ａｌ（Ｔｉ粉末とＡｌ粉末との混合物）；Ｎｉ−Ｍｇ（Ｎｉ粉末とＭｇ粉末との混合物）；またはＭｇ−Ｂｉ（Ｍｇ粉末とＢｉ粉末との混合物）のうちの１つ以上が挙げられる。
【００４２】
炭素複合材を作製する方法は、同時係属出願第１４／４９９，３９７号に開示されており、同出願の全容を参照して本願に援用する。コーティング内に炭素複合材を形成する１つの方法が、炭素とミクロサイズまたはナノサイズのバインダーとを含む組み合わせを圧縮して冷圧で圧粉体を生成し；圧粉体を圧縮し加熱することによって炭素複合材を形成するという方法である。別の実施形態では、この組み合わせを室温で圧縮して成形体を形成でき、その後、成形体は大気圧で加熱されて炭素複合材を形成する。これらのプロセスを二段プロセスと呼ぶことができる。これに代えて、炭素とミクロサイズまたはナノサイズのバインダーとを含む組み合わせを直接圧縮し加熱して炭素複合材を形成できる。このプロセスを一段プロセスと呼ぶことができる。
【００４３】
組み合わせにおいて、黒鉛などの炭素は、組み合わせの総重量を基準として、約２０重量％〜約９５重量％、約２０重量％〜約８０重量％、または約５０重量％〜約８０重量％の量で存在する。バインダーは、組み合わせの総重量を基準として、約５重量％〜約７５重量％または約２０重量％〜約５０重量％の量で存在する。組み合わせの中の黒鉛は、チップ、粉末、小板、フレークなどの形態であり得る。一実施形態では、黒鉛は、直径が約５０ミクロン〜約５，０００ミクロン、好ましくは約１００〜約３００ミクロンであるフレークの形態である。黒鉛のフレークは、厚みが約１〜約５ミクロンであってよい。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、黒鉛とミクロサイズまたはナノサイズのバインダーとを先行技術で公知の任意の適切な方法を介して混合して形成され得る。適切な方法の例として、ボール混合、音波混合、リボン混合、垂直スクリューの混合、およびＶ型混合が挙げられる。別の実施形態では、組み合わせは、蒸着によって作製される。「蒸着」プロセスとは、蒸気相を介して基板上に材料を堆積させるプロセスのことである。蒸着プロセスとして、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が挙げられる。バインダー前駆体の例として、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別の変形形態を使用してもよい。蒸着プロセスの例として、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、レーザアブレーション、または熱蒸発を挙げることができる。蒸着プロセスによって、バインダーは少なくとも部分的に炭素微細構造内のボイドを充填できる。
【００４４】
二段プロセスに関して、冷圧とは、黒鉛とミクロサイズまたはナノサイズのバインダーとを含む組み合わせが、バインダーが黒鉛の微細構造と有意に結合しない限り室温または高温で圧縮されるという意味である。一実施形態では、微細構造の約８０重量％よりも多く、約８５重量％よりも多く、約９０重量％よりも多く、約９５重量％よりも多く、または約９９重量％よりも多くが圧粉体内で結合されない。圧粉体を形成するための圧力は約５００ｐｓｉ〜約１０ｋｓｉであってよく、温度は約２０℃〜約２００℃であってよい。この段階での縮小率、すなわち組み合わせの体積に対する圧粉体の体積は、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。
【００４５】
圧粉体は、約３５０℃〜約１４００℃、具体的には約８００℃〜約１２００℃の温度で加熱されて炭素複合材を形成できる。一実施形態では、温度は、バインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度は、バインダーの融点よりも高く、例えば、バインダーの融点よりも約２０℃〜約１００℃高い、または約２０℃〜約５０℃高い。温度が高くなると、バインダーは粘性が少なくなって流れがよくなり、バインダーが炭素微細構造中のボイドに均一に分散されるのに必要な圧力が少なくなる。しかしながら、温度が高すぎると、器具に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００４６】
温度は、所定の温度スケジュールまたはランプ速度に応じて適用されてよい。加熱の手段は特に限定されない。例示的な加熱方法として、直流電流（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）が挙げられる。一実施形態では、加熱はＤＣ加熱によって実施される。例えば、黒鉛とミクロサイズまたはナノサイズのバインダーとを含む組み合わせに電流を通すことができ、この電流はこの組み合わせを流れて極めて急速に熱を発生させる。任意選択として、加熱は、不活性雰囲気下、例えばアルゴン下または窒素下で実施されてもよい。一実施形態では、圧粉体は空気がある中で加熱される。
【００４７】
加熱は、約５００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉまたは約１０００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの圧力で実施され得る。圧力は、大気圧よりも高い圧力または大気圧よりも低い圧力であってよい。理論に束縛されるものではないが、組み合わせに大気圧よりも高い圧力が印加された場合、ミクロサイズまたはナノサイズのバインダーは浸透によって炭素微細構造中のボイドの中に強制的に入っていくと考えられる。組み合わせに大気圧よりも低い圧力が印加された場合、同じくミクロサイズまたはナノサイズのバインダーは、毛細管力によって炭素微細構造中のボイドの中に強制的に入っていくことができる。
【００４８】
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、すべてが一度に印加されない。圧粉体が設置された後、組成物中の大きな孔を閉じるために組み合わせには最初に低圧が室温でまたは低温で印加される。さもないと、溶解したバインダーがダイの表面に流れるおそれがある。温度が所定の最大温度に達した時点で、炭素複合材を作製するのに必要な望ましい圧力を印加できる。温度および圧力は、所定の最大温度および所定の最大圧力に約５分〜約１２０分間にわたって維持され得る。一実施形態では、所定の最大温度はバインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。
【００４９】
この段階での縮小率、すなわち圧粉体の体積に対する炭素複合材の体積は、約１０％〜約７０％または約２０％〜約４０％である。炭素複合材の密度は、圧縮の度合いを制御することで変化し得る。炭素複合材は、密度が約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。
【００５０】
これに代えて、また、二段プロセスに関して言えば、組み合わせは、まず室温で約５００ｐｓｉ〜３０，０００ｐｓｉの圧力で加圧されて成形体を形成できる；成形体は、さらに約３５０℃〜約１２００℃、具体的には約８００℃〜約１２００℃の温度で加熱されて炭素複合材を作製できる。一実施形態では、温度はバインダーの融点の約±２０℃〜約±１００℃、またはバインダーの融点の約±２０℃〜約±５０℃である。別の実施形態では、温度はバインダーの融点よりも約２０℃〜約１００℃高い、または約２０℃〜約５０℃高くてよい。加熱は、大気圧で、不活性雰囲気があるまたはない状態で実施され得る。
【００５１】
別の実施形態では、炭素複合材は、圧粉体を作製せずに黒鉛とバインダーとの組み合わせから直接作製され得る。加圧および加熱は、同時に実行され得る。適切な圧力および温度は、二段プロセスの第２段階でも本明細書で考察したものと同じであってよい。
【００５２】
熱圧は、温度および圧力を同時に印加するプロセスである。熱圧を一段プロセスと二段プロセスの両方で使用して炭素複合材を作製できる。
【００５３】
炭素複合材箔は、一段プロセスまたは二段プロセスによって型内で作製され得る。炭素複合材箔は、熱間圧延によっても作製され得る。一実施形態では、熱間圧延で作製された炭素複合材箔は、バインダーが炭素微細構造を効果的に一つに結合できるようにさらに加熱されてよい。
【００５４】
炭素複合材のコーティングは、優れた潤滑特性を有し得る。図４は、炭素複合材、ＦＦＫＭ（ＤｕＰｏｎｔ社の商品名Ｋａｌｒｅｚ＊として入手可能なパーフルオロエラストマー）、ＦＥＰＭ（テトラフルオロエチレン／プロピレンジポリマー）、ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）、およびＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）の摩擦試験結果を示している。図４に示したように、試験した試料のうち、炭素複合材の摩擦係数が最も低くなっている。
【００５５】
炭素複合材のコーティングは、高温で優れた熱安定性を有し得る。一実施形態では、炭素複合材のコーティングは、約−６５°Ｆから最大約１２００°Ｆまで、具体的には最大約１１００°Ｆまで、より具体的には約１０００°Ｆまでの動作温度範囲で高い耐熱性を有し得る。
【００５６】
炭素複合材のコーティングは、高温で優れた化学耐性も有し得る。一実施形態では、コーティングは、良から優の耐性格付けで、水、油、塩水、および酸に対して化学的に耐性がある。例えば、コーティングは、高温かつ高圧、例えば、約６８°Ｆ〜約１２００°Ｆ、または約６８°Ｆ〜約１０００°Ｆ、または約６８°Ｆ〜約７５０°Ｆで、塩基性および酸性の状態を含む濡れた状態で連続的に使用できる。そのため、コーティングは、最大２００°Ｆの高温でさえ、かつ高圧力（大気圧よりも高い）で、長期間にわたって化学薬剤（例えば水、塩水、炭化水素、ＨＣｌなどの酸、トルエンなどの溶剤など）に暴露されたときに、膨潤および特性の劣化に抵抗する。コーティングは、ショアＡスケールでの約５０からショアＤスケールでの最大約７５までの硬さの中硬度から高硬度である。
【００５７】
このようなコーティングを含有している物品は多種多様な用途に有用であり、その例として、電子機器、原子力、溶鉄処理、コーティング、航空宇宙、自動車、石油およびガス、および海洋用途などが挙げられるが、これに限定されない。例えば、例示的な物品として；コーティングしたベアリング；コーティングした安全バルブなどのバルブ、コーティングしたパイプライン；例えば化学工場で使用されるパイプライン、コーティングしたピストン、およびコーティングしたシャフトなどが挙げられる。コーティングしたベアリングは、ＥＳＰポンプ、ドリルビットなどの掘削工具、または安全性の点で油潤滑剤が禁止されている製薬産業または食品産業で使用され得る。コーティングしたピストンおよびコーティングしたシャフトは、石油およびガス産業、自動車産業、または航空宇宙産業における用途として、様々な機械またはエンジンおよび歯車などの機械のパーツに使用され得る。
【００５８】
本明細書に開示した範囲はすべて端点を含み、端点は互いに独立して組み合わせることが可能である。本明細書で使用した接尾辞「（ｓ）」は、それが修飾する用語の単数形と複数形を両方含むことを意図しており、したがってその用語の少なくとも１つを含む（例えば着色剤（ｓ）は、少なくとも１つの着色剤を含む）。「または」は「および／または」を意味する。「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意選択として（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後に記載される事象または状況が起こり得るか否かを意味し、その記載には、事象が起こる事例および起こらない事例が含まれることを意味する。本明細書で使用したように、「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含む。「これらの組み合わせ」は、「列挙した項目および任意選択として列挙していない同様の項目の１つ以上を含む組み合わせ」を意味する。参考文献はすべて参照により本願に援用される。
【００５９】
発明を説明する文脈で（特に以下の請求項の文脈で）「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」という用語、ならびに同様の指示語が使用されている場合、本明細書に別途記載がない限り、または文脈と明確に矛盾しない限り、単数と複数の両方を網羅すると解釈すべきである。さらに、本明細書で使用した「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」などの用語は、何らかの順序、量、または重要性を示すものではなく、ある要素を他の要素と区別するために使用していることにさらに留意すべきである。ある量に関して使用した修飾語「約」は、記載した値を含み、文脈が指示する意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。
【００６０】
説明のために典型的な実施形態を記載したが、上記の説明文が本明細書の範囲を限定するものとみなしてはならない。したがって、本明細書の趣旨および範囲から逸脱しない限り、当業者は様々な修正例、適応例、および代替例を思いつく可能性がある。
【図１】
2018501399.tif 000003
【図２】
2018501399.tif 000004
【図３】
2018501399.tif 000005
【図４】
2018501399.tif 000006
【国際調査報告】
2018501399.tif 000007
2018501399.tif 000008
2018501399.tif 000009
2018501399.tif 000010