制备抗摩擦涂层的方法 |
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| 申请号 | CN201580056875.6 | 申请日 | 2015-10-06 | 公开(公告)号 | CN107124875A | 公开(公告)日 | 2017-09-01 |
| 申请人 | 贝克休斯公司; | 发明人 | 赵磊; 徐志跃; | ||||
| 摘要 | 一种制品包含基底；包含 碳 复合物的涂层；以及设置在基底和涂层之间的粘合层。该碳复合物包含碳和含有以下一种或多种的 粘合剂 ： 二 氧 化 硅 ；硅； 硼 ；氧化硼(B2O3)；金属；或该金属的 合金 ；并且该金属包含以下一种或多种： 铝 ； 铜 ； 钛 ；镍；钨；铬； 铁 ；锰；锆；铪； 钒 ；铌；钼； 锡 ；铋；锑；铅；镉；或硒。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制品，包含： |
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| 说明书全文 | 制备抗摩擦涂层的方法[0001] 相关申请的交叉引用 背景技术[0003] 干膜涂层已广泛用于机器或工具零件上，以保护这些零件免于擦伤、卡住或磨损。大多数干膜涂层是有机基的，其使用有机润滑剂或需要聚合物材料将无机润滑剂键合到待保护的基底上。虽然已经证明有机基干膜涂层对于大多数应用是令人满意的，但是在恶劣的操作条件和极端环境下使用机器或工具零件时会产生困难。这些条件可以包括有机物易于降解或分解的高温、液体润滑剂可能凝固或冻结的极低温度，以及润滑剂可能蒸发的低压或高真空应用。因此，对方法和材料的改进受到了行业的好评，该改进改善了对润滑剂和涂层的环境影响。 发明内容 [0004] 在一个实施例中，现有技术中的上述和其他缺陷通过一种制品来克服，该制品包含基底；包含碳复合物的涂层；以及设置在基底和涂层之间的粘合层；其中该碳复合物包含碳和含有以下一种或多种的粘合剂：二氧化硅；硅；硼；氧化硼(B2O3)；金属；或该金属的合金；并且该金属包含以下一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。 [0006] 以下描述无论如何都不应视作限制性的。参考附图，相同元件的编号相同： [0007] 图1为根据本发明的一个实施例的制品的示意图；并且 [0008] 图2示出了使用电连接技术涂覆基底的示例性工艺； [0009] 图3示出了具有设置在碳复合涂层和基底之间的活化箔的制品；并且 [0010] 图4示出了各种材料的摩擦测试结果。 具体实施方式[0011] 与有机基润滑剂相比，石墨具有许多优点，包括在高温和腐蚀性环境下优异的润滑性。然而，由于碳材料的高石墨化温度(通常大于1500℃)，将石墨材料直接沉积在金属制品上是不切实际的。为了实现稳固的石墨涂层，石墨颗粒可以分散在树脂和溶剂的共混物中，然后涂覆在金属表面上。即使在该方法中可形成润滑膜，涂层中有机物的存在严重限制了其在极端条件(诸如高压、高温和酸性环境)下的应用。 [0012] 本发明的发明人已经开发出了在金属或陶瓷基底上涂覆石墨的简单并且稳固的工艺。有利地，石墨与形成碳复合物的无机粘合剂一起使用。涂层中无机粘合剂的存在显著提高了石墨的机械强度。同时，无机粘合剂促进了涂层与基底的粘合。这些工艺淘汰了现有技术工艺通常所需的树脂和溶剂，因此提供了即使在高压、高温和腐蚀性环境下，在高达450℃的条件下可靠和有效的润滑的涂层。在进一步有利的特征中，涂层提供不受灰尘、污垢和湿气影响的干燥和清洁的润滑。此外，涂层还可以具有终生润滑而不老化、蒸发或氧化。 [0013] 在一个实施例中，提供了一种制品，包含基底；包含碳复合物的涂层；以及设置在基底和涂层之间的粘合层，其中该碳复合物包含石墨和无机粘合剂。 [0014] 基底可以是金属或陶瓷材料。其可以不进行表面处理来使用或可以进行处理，包括化学地、物理地或机械地处理基底。例如，可以例如通过砂磨、研磨或喷砂来粗糙化处理基底或增加基底的表面积。还可以通过化学和/或机械方式清洁基底的表面以除去污染物。 [0015] 基底的金属包括元素周期表第1族到第12族的元素、它们的合金或它们的组合。示例性金属是镁、铝、钛、锰、铁、钴、镍、铜、钼、钨、钯、铬、钌、金、银、锌、锆、钒、硅或它们的组合，包括它们的合金。金属合金包括例如铝基合金、镁基合金、钨基合金、钴基合金、铁基合金、镍基合金、钴和镍基合金、铁和镍基合金、铁和钴基合金、铜基合金，以及钛基合金。如本文所用，术语“金属基合金”是指金属合金，其中合金中特定金属的重量百分比大于合金的任何其他组分的重量百分比，基于合金的总重量。示例性金属合金包括钢、镍铬合金、黄铜、铅锡锑合金、青铜、因瓦(invar)合金、铬镍铁合金、哈斯特洛伊(hastelloy)合金、镁锆锌合金、镁铝锌合金、铝铜锌锰合金，以及铝镁锌硅锰合金。 [0016] 陶瓷没有特别限制，并且可以根据已经涂覆有碳复合涂层的基底的具体应用来选择。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、硅化物基陶瓷或它们的组合。在一个实施例中，氧化物基陶瓷是二氧化硅(SiO2)或二氧化钛(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属(例如，氧、氮、硼、碳或硅等)、金属(例如，铝、铅、铋等)、过渡金属(例如，铌、钨、钛、锆、铪、钇等)、碱金属(例如，锂、钾等)、碱土金属(例如，钙、镁、锶等)、稀土(例如，镧、铈等)或卤素(例如，氟、氯等)。 [0017] 该基底可以是任何形状。示例性形状包括立方体、球体、圆柱体、环形、多边形、螺旋、它们的截顶形状或它们的组合。基底的最长线性尺寸可以从500nm到几百米，没有限制。基底可以具有能够承受(不会分解或降解)暴露于从-10℃到800℃的温度下的热分解温度。 然而，设置在基底上的涂层可以提供温度屏蔽或热传导来将热量从基底带走，使得基底不会经受接近其热分解温度的温度。 [0018] 涂层包含碳复合物，该碳复合物包含碳和无机粘合剂。碳可以是石墨。如本文所用，石墨包括以下一种或多种：天然石墨；合成石墨；可膨胀石墨；或膨胀石墨。天然石墨是天然形成的石墨。其可以分为“片状”石墨、“纹理”石墨，以及“无定形”石墨。合成石墨是由碳材料制造的制造产品。热解石墨是合成石墨的一种形式。可膨胀石墨是指具有插入在天然石墨或合成石墨的层之间的插入材料的石墨。说明：intercallant应为intercalant，下同已经使用各种各样的化学品来插入石墨材料。它们包括酸、氧化剂、卤化物等。示例性的插入材料包括硫酸、硝酸、铬酸、硼酸、三氧化硫或卤化物(诸如氯化铁(FeCl3)、氯化锌(ZnCl2)和五氯化锑(SbCl5))。在加热时，插入剂从液态或固态转化为气相。气体的形成产生压力，其推动相邻的碳层分离，导致石墨膨胀。膨胀石墨颗粒在外观上是蠕虫状的，因此通常称为蠕虫。 [0019] 在一个实施例中，碳复合物包含了在碳微观结构之间具有间隙空间的碳微观结构；其中粘合剂设置在至少一些间隙空间中。在一个实施例中，碳微观结构包含了在碳微观结构中的未填充的空隙。在另一实施例中，碳微观结构之间的间隙空间和碳微观结构中的空隙都用粘合剂或其衍生物填充。 [0020] 碳微观结构是将石墨压缩成高度冷凝状态后形成的石墨的微观结构。它们包含沿压缩方向堆叠在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦的、平行的碳原子片或层，其中每个片或层具有单原子厚度。石墨基面也称为碳层。碳微观结构通常是平坦的和薄的。它们可以具有不同的形状，并且也可以称为微片、微圆盘等。在一个实施例中，碳微观结构基本上彼此平行。 [0021] 在碳复合物中存在两种类型的空隙-碳微观结构之间的空隙或间隙空间以及每个单独的碳微观结构中的空隙。碳微观结构之间的间隙空间具有约0.1到约100微米，特别是约1到约20微米的尺寸，而碳微观结构中的空隙小得多，并且通常在约20纳米到约1微米之间，特别是约200纳米到约1微米。空隙或间隙空间的形状没有特别限制。如本文所用，空隙或间隙空间的尺寸是指空隙或间隙空间的最大尺寸，并且可以通过高分辨率电子或原子力显微镜技术来确定。 [0022] 碳微观结构之间的间隙空间用微米或纳米尺寸的粘合剂填充。例如，粘合剂可占据碳微观结构之间的约10％到约90％的间隙空间。在一个实施例中，粘合剂不渗透单独的碳微观结构，并且碳微观结构中的空隙未填充，即未填充任何粘合剂。因此，碳微观结构中的碳层不通过粘合剂锁定在一起。通过这种机理，可以保持碳复合物，特别是膨胀碳复合物的柔性。在另一实施例中，为了实现高强度，用粘合剂或其衍生物填充碳微观结构中的空隙。填充碳微观结构中的空隙的方法包括气相沉积。 [0023] 碳微观结构具有约1到约200微米、约1到约150微米、约1到约100微米、约1到约50微米或约10到约20微米的厚度。碳微观结构的直径或最大尺寸为约5到约500微米或约10到约500微米。碳微观结构的长宽比可以为约10到约500、约20到约400或约25到约350。在一个实施例中，碳微观结构中的碳层之间的距离为约0.3纳米到约1微米。碳微观结构可以具有约0.5到约3g/cm3或约0.1到约2g/cm3的密度。 [0024] 在碳复合物中，碳微观结构通过粘合相保持在一起。粘合相包含通过机械互锁粘合碳微观结构的粘合剂。可选地，在粘合剂和碳微观结构之间形成界面层。界面层可以包含化学键、固溶体或它们的组合。当存在时，化学键、固溶体或它们的组合可以加强碳微观结构的互锁。应当理解，碳微观结构可以通过机械互锁和化学键合保持在一起。例如，化学键合、固溶体或它们的组合可以在一些碳微观结构和粘合剂之间形成，或者仅在碳微观结构和粘合剂的表面上的一部分碳之间形成特定的碳微观结构。对于不形成化学键、固溶体或它们的组合的碳微结构或部分的碳微结构，可通过机械互锁来粘合碳微观结构。粘合相的厚度为约0.1到约100微米或约1到约20微米。粘合相可以形成将碳微观结构粘合在一起的连续或不连续的网络。 [0025] 示例性粘合剂包括非金属、金属、合金或包含前述中的至少一种的组合。该非金属是以下一种或多种：二氧化硅；硅；硼；或氧化硼(B2O3)。该金属可以是以下中的至少一种：铝·；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。该合金包括以下一种或多种：铝合金；铜合金；钛合金；镍合金；钨合金；铬合金；铁合金；锰合金；锆合金；铪合金；钒合金；铌合金；钼合金；锡合金；铋合金；锑合金；铅合金；镉合金；或硒合金；在一个实施例中，粘合剂包含以下一种或多种：铜；镍；铬；铁；钛；铜的合金；镍的合金；铬的合金；铁的合金；或钛的合金。示例性合金包括钢、镍-铬基合金(诸如Inconel*)，以及镍-铜基合金(诸如Monel合金)。镍-铬基合金可以含有约40-75％的镍和约10-35％的铬。镍-铬基合金还可以含有约1到约15％的铁。在镍-铬基合金中还可以包括少量的钼、铌、钴、锰、铜、铝、钛、硅、碳、硫、磷、硼或包含前述中的至少一种的组合。镍-铜基合金主要由镍(高达约67％)和铜组成。镍-铜基合金还可以含有少量的铁、锰、碳和硅。这些材料可以是不同的形状，诸如颗粒、纤维和线。可以使用材料的组合。 [0026] 用于制造碳复合物的粘合剂可以是微米或纳米尺寸的。在一个实施例中，该粘合剂具有约0.05到约250微米、约0.05到约50微米、约1微米到约40微米，特别是约0.5到约5微米，更特别是约0.1到约3微米的平均粒径。不希望受理论束缚，据信当粘合剂具有在这些范围内的尺寸时，它在碳微观结构之间会均匀分散。 [0027] 当存在界面层时，粘合相包含粘合剂层，该粘合剂层包含粘合剂和将至少两个碳微观结构中的一个键合到粘合剂层的界面层。在一个实施例中，粘合相包含粘合剂层、将碳微观结构中的一个键合到粘合剂层的第一界面层，以及将另一个微观结构键合到粘合剂层的第二界面层。第一界面层和第二界面层可以具有相同或不同的组成。 [0028] 界面层包含以下一种或多种：碳-金属键；碳-硼键；碳-硅键；碳-氧-硅键；碳-氧-金属键；或金属碳溶液。键由碳微观结构表面上的碳和粘合剂形成。 [0029] 在一个实施例中，界面层包含粘合剂的碳化物。碳化物包括以下一种或多种：铝的碳化物；钛的碳化物；镍的碳化物；钨的碳化物；铬的碳化物；铁的碳化物；锰的碳化物；锆的碳化物；铪的碳化物；钒的碳化物；铌的碳化物；或钼的碳化物。通过使相应的金属或金属合金粘合剂与碳微观结构的碳原子反应而形成这些碳化物。粘合相还可以包含通过使二氧化硅(SiO2)或硅与碳微观结构的碳反应而形成的碳化硅(SiC)，或通过使硼或氧化硼(B2O3)与碳微观结构的碳反应而形成的碳化硼(B4C)。当使用粘合剂材料的组合时，界面层可以包含这些碳化物的组合。碳化物可以是盐状碳化物(诸如碳化铝)、共价碳化物(诸如碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C))、间隙碳化物(诸如4、5和6族过渡金属的碳化物，或中间过渡金属碳化物，例如铬、锰、铁、钴和镍的碳化物)。 [0030] 在另一实施例中，界面层包含碳的固溶体，诸如石墨和粘合剂。碳在某些金属基质中或在某些温度范围具有溶解性，这可以促进金属相润湿并粘合到碳微观结构上。通过热处理，可以在低温下保持碳在金属中的高溶解度。这些金属包括以下一种或多种：钴；铁；镧；锰；镍；或铜。粘合剂层还可以包含固溶体和碳化物的组合。 [0031] 碳复合物包含约20到约95重量％、约20到约80重量％或约50到约80重量％的碳，基于碳复合物的总重量。粘合剂以约5重量％到约75重量％或约20重量％到约50重量％的量存在，基于碳复合物的总重量。在碳复合物中，碳相对于粘合剂的重量比为约1:4到约20:1、或约1:4到约4:1、或约1:1到约4:1。 [0032] 碳复合物可以可选地包含填料。示例性填料包括以下一种或多种：碳纤维；碳黑；云母；粘土；玻璃纤维；陶瓷纤维；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。填料可以以约0.5重量％到约50重量％、约0.5重量％到约 40重量％、约0.5重量％到约25重量％、0.5重量％到约10重量％或约1重量％到约8重量％的量存在。 [0033] 在一个实施例中，涂层包含一个或多个碳复合箔。碳复合箔在厚度和化学组成方面可以相同或不同。为了促进涂层和基底之间的粘合，当存在多于一个碳复合箔时，与离基底更远的箔相比，最接近基底的箔可具有更大量的粘合剂。 [0034] 形成在基底上的涂层可以完全覆盖基底或基底的表面涂层的厚度可以从约5μm到约10mm，特别是约10μm到约5mm。在一个实施例中，涂层是连续的，并且不具有空隙、微空隙、裂缝或其他缺陷，包括针孔等。 [0035] 涂层可以通过粘合层粘合到基底上。粘合层的厚度可以为约50nm到约2mm或约100nm到约1mm。粘合层包含以下一种或多种：碳复合物中的粘合剂和基底的固溶体；包括在碳复合物的粘合剂和基底这两者中的材料；或焊料。在使用活化箔的实施例中，粘合层可以进一步包含活化材料的反应产物。如果存在，反应产物分散在固溶体中、包括在碳复合物的粘合剂和基底这两者中的材料中；或粘合层的焊料中。 [0036] 根据预期的用途或应用方法，各种合金可以用作用于将涂层连接到基底的焊料。如本文所用，焊料包括用于钎焊的填料金属。示例性焊料包括铜合金、银合金、锌合金、锡合金、镍合金，以及铅合金。也可以使用其他已知的焊料材料。焊料可以进一步包括合金的组合。 [0037] 图1为根据本发明的一个实施例的制品的示意图。如图1中所示，制品包含基底1、涂层5，以及设置在基底和涂层之间的粘合层2。涂层5包含石墨4和无机粘合剂3。 [0038] 一种用于涂覆基底的方法包括：在基底上设置涂层；并将涂层粘合到基底。涂层包含碳复合箔。如本文所用，碳复合箔是指含有如本文所述的碳复合物的箔。 [0039] 在一个实施例中，将涂层粘合到基底包含加热涂层和基底以在涂层和基底之间形成粘合层。加热的方法没有特别限制。例如，涂覆的基底可以在约350℃到约1400℃，特别是约800℃到约1200℃的温度下在烘箱中加热。可选地，该方法进一步包含在加热期间将涂层和基底压在一起。 [0040] 在另一实施例中，将涂层粘合到基底包含通过以下一种或多种方法加热涂层和基底的设置涂层的表面：直流加热；感应加热；微波加热；或火花等离子烧结。可选地，可以对涂层和基底施加力，以在加热期间将它们保持在一起。 [0041] 一种示例性的涂覆工艺在图2中示出。如图2中所示，电流经过电极6到达基底1和碳复合箔5。由于涂层和基底彼此接触处的较高电阻而产生热量。产生的热量可以熔化或软化碳复合箔中的粘合剂和/或基底表面上的材料，从而在涂层和基底之间形成粘合层2。在冷却时，粘合层将涂层粘合到基底。 [0042] 在一个实施例中，该方法进一步包含在涂层和基底之间设置焊料；向焊料施加热量；并将涂层粘合到基底。因为与碳复合物中的无机粘合剂和基底材料相比，焊料可以具有更低的熔点或更低的软化温度，所以如果使用焊料，则可以需要更少的热量。可选地，该方法进一步包含在向焊料施加热量期间将涂层和基底压在一起。 [0043] 在另一实施例中，该方法进一步包含在基底和涂层之间设置活化箔；并且将活化箔暴露于选定形式的能量中以将涂层粘合到基底。图3示出了具有设置在碳复合涂层5和基底1之间的活化箔7的制品。替代地，活化箔可以层压到碳复合箔上以形成涂层。然后，可以将包含碳复合箔和活化箔的涂层设置在基底的表面上。可选地，方法进一步包括将涂层、活化箔和基底压在一起，同时将活化箔暴露于选定形式的能量中。 [0044] 活化箔包含当暴露于选定形式的能量中时可发生剧烈放热反应以产生大量局部热的材料或反应物。选定形式的能量包括电流；电磁辐射，包括红外辐射、紫外辐射、γ射线辐射，以及微波辐射；或热量。因此，活化箔可以用作将涂层连接到基底的热源。 [0045] 铝热剂和自蔓延粉末混合物可用作活化材料。铝热剂组成包括例如产生被称为铝热反应的放热氧化还原反应的金属粉末(还原剂)和金属氧化物(氧化剂)。还原剂的选项包括例如铝、镁、钙、钛、锌、硅、硼，以及包括上述中的至少一种的组合，同时氧化剂的选项包括例如硼氧化物、硅氧化物、铬氧化物、锰氧化物、铁氧化物、铜氧化物、铅氧化物，以及包括上述中的至少一种的组合。自蔓延粉末混合物包括以下一种或多种：铝-镍(铝粉末和镍粉末的混合物)；钛-硅(钛粉末和硅粉末的混合物)；钛-硼(钛粉末和硼粉末的混合物)；锆-硅(锆粉末和硅粉末的混合物)、锆-硼(锆粉末和硼粉末的混合物)；钛-铝(钛粉末和铝粉末的混合物)；镍-镁(镍粉末和镁粉末的混合物)；或镁-铋(镁粉末和铋粉末的混合物)。 [0046] 制备碳复合物的方法已经公开在共同未决申请第14/499,397号中，其全部内容通过引用并入本文。在涂层中形成碳复合物的一种方法是压缩包含碳和微米或纳米尺寸粘合剂的组合以通过冷压提供生坯；并压缩和加热生坯，从而形成碳复合物。在另一实施例中，可以在室温下压缩该组合以形成坯，并然后在大气压下加热坯以形成碳复合物。这些工艺可以称为两步工艺。替代地，包含碳和微米或纳米尺寸粘合剂的组合可以被压缩并直接加热以形成碳复合物。该工艺可以称为一步工艺。 [0047] 在组合中，碳(诸如石墨)以约20重量％到约95重量％、约20重量％到约80重量％或约50重量％到约80重量％的量存在，基于组合的总重量。粘合剂以约5重量％到约75重量％或约20重量％到约50重量％的量存在，基于组合的总重量。组合中的石墨可以是碎片、粉末、小片、薄片等的形式。在一个实施例中，石墨为具有约50微米到约5,000微米，优选地为约100微米到约300微米的直径的薄片形式。石墨薄片可以具有约1微米到约5微米的厚度。组合的密度为约0.01g/cm3到约0.05g/cm3、约0.01g/cm3到约0.04g/cm3、约0.01g/cm3到约0.03g/cm3或约0.026g/cm3。可以经由本领域已知的任何合适的方法通过共混石墨和微米或纳米尺寸的粘合剂来形成该组合。合适的方法的示例包括球混合、声混合、螺条共混、立式螺杆混合，以及V型共混。在另一实施例中，组合是通过气相沉积法来制造。“气相沉积”工艺是指通过气相在基底上沉积材料的工艺。气相沉积工艺包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、激光气相沉积，以及等离子辅助气相沉积。粘合剂前体的示例包括三乙基铝和羰基镍。可以使用物理沉积、化学沉积和等离子辅助气相沉积的不同变化。示例性沉积工艺可以包括等离子辅助化学气相沉积、溅射、离子束沉积、激光烧蚀或热蒸发。通过气相沉积工艺，粘合剂可以至少部分地填充碳微观结构中的空隙。 [0048] 参考两步工艺，冷压是指，只要粘合剂不与石墨微观结构显著键合，就在室温或高温下压缩包含石墨和微米尺寸或纳米尺寸粘合剂的组合。在一个实施例中，大于约80重量％、大于约85重量％、大于约90重量％、大于约95重量％或大于约99重量％的微观结构不在生坯中键合。形成生坯的压力可以为约500psi到约10ksi，温度可以为约20℃到约200℃。在该阶段的减少比，即生坯的体积相对于组合的体积为约40％到约80％。生坯的密度为约 0.1到约5g/cm3、约0.5到约3g/cm3或约0.5到约2g/cm3。 [0049] 生坯可以在约350℃到约1400℃，特别是约800℃到约1200℃的温度下加热，以形成碳复合物。在一个实施例中，该温度为粘合剂熔点的约±20℃到约±100℃，或粘合剂熔点的约±20℃到约±50℃。在另一实施例中，该温度高于粘合剂的熔点，例如比粘合剂的熔点高约20℃到约100℃或约20℃到约50℃。当温度较高时，粘合剂变得粘性较小并且流动地更好，并且只需要较小的压力便可以使粘合剂均匀地分布在碳微观结构之间的空隙中。然而，如果温度太高，可能对仪器有不利的影响。 [0050] 可以根据预定的温度计划或斜率来施加温度。加热的方法没有特别限制。示例性的加热方法包括直流(DC)加热、感应加热、微波加热，以及火花等离子烧结(SPS)。在一个实施例中，经由直流加热进行加热。例如，包含石墨和微米或纳米尺寸粘合剂的组合可以充入电流，其流过该组合并非常快地产生热量。可选地，加热也可以在惰性气氛下进行，例如在氩气或氮气下进行。在一个实施例中，在空气存在下加热生坯。 [0051] 加热可以在约500psi到约30,000psi或约1000psi到约5000psi的压力下进行。压力可以是超过大气压力的压力或低于大气压力的压力。不希望受理论束缚，据信当向组合施加超过大气压力的压力时，微米或纳米尺寸的粘合剂通过渗透作用被迫进入碳微观结构之间的空隙中。当向组合施加低于大气压的压力时，微米或纳米尺寸的粘合剂也可以通过毛细力被迫进入碳微观结构之间的空隙中。 [0052] 在一个实施例中，形成碳复合物的所需压力不是一次全部施加。在加载生坯之后，首先在室温或低温下向组合施加低压以封闭组合中的大孔。否则，熔融的粘合剂可能流到模具的表面。一旦温度达到预定的最高温度，就可以施加制造碳复合物所需的所需压力。可以在预定最高温度和预定最大压力下保持温度和压力约5分钟到约120分钟。在一个实施例中，该预定最高温度为粘合剂熔点的约±20℃到约±100℃，或粘合剂熔点的约±20℃到约±50℃。 [0053] 在该阶段的减小比，即碳复合物的体积相对于生坯体积为约10％到约70％或约20到约40％。碳复合物的密度可以通过控制压缩度来改变。碳复合物的密度为约0.5到约10g/cm3、约1到约8g/cm3、约1到约6g/cm3、约2到约5g/cm3、约3到约5g/cm3或约2到约4g/cm3。 [0054] 替代地，还参考两步工艺，可以首先在室温和约500psi到30,000psi的压力下压缩该组合以形成坯；坯可以进一步在约350℃到约1200℃，特别是约800℃到约1200℃的温度下加热，以制造碳复合物。在一个实施例中，该温度为粘合剂熔点的约±20℃到约±100℃，或粘合剂熔点的约±20℃到约±50℃。在另一实施例中，该温度可以比粘合剂的熔点高约20℃到约100℃或约20℃到约50℃。加热可以在存在或不存在惰性气氛的情况下在大气压下进行。 [0055] 在另一实施例中，可以由石墨和粘合剂的组合直接制造碳复合物，而不制造生坯。压缩和加热可以同时进行。合适的压力和温度可以与本文对两步工艺的第二步讨论的相同。 [0056] 热压是同时施加温度和压力的工艺。它既可用于一步工艺中又可用于两步工艺中来制造碳复合物。 [0058] 碳复合涂层可具有优异的润滑性能。图4示出了碳复合物、FFKM(来自DuPont的商品名为Kalrez*的全氟弹性体)、FEPM(四氟乙烯/丙烯二聚物)、NBR(丙烯腈丁二烯橡胶)，以及PEEK(聚醚醚酮)的摩擦试验结果。如图4中所示，在测试的样品中，碳复合物提供了最低的摩擦系数。 [0059] 碳复合涂层在高温下可具有优异的热稳定性。在一个实施例中，碳复合涂层可具有高耐热性，其操作温度范围为约-65°F到高达约1200°F，特别是高达约1100°F，并且更特别是约1000°F。 [0060] 碳复合涂层还可以具有在高温下的优异的耐化学性。在一个实施例中，该涂层对水、油、盐水，以及酸具有耐化学性，并且耐性等级从良好到优异。例如，涂层可以在高温和高压下连续使用，例如在湿条件(包括碱性和酸性条件)下约68°F到约1200°F，或约68°F到约1000°F，或约68°F到约750°F。因此，当暴露于化学试剂(例如，水、盐水、烃、诸如盐酸(HCl)的酸、诸如甲苯的溶剂等)中，即使长时间在高达200°F的高温，以及高压(大于大气压)下时，涂层也具有抗溶胀和降解的性能。涂层是中等硬到特硬，并且硬度从约50的肖氏硬度A到高达约75的肖氏硬度D标度。 [0061] 含有这种涂层的制品可用于各种各样的应用，包括但不限于电子、原子能、热金属处理、涂层、航空航天、汽车、石油和天然气，以及船舶应用。例如，示例性制品包括涂层轴承；涂层阀，诸如安全阀；涂层管道，例如在化学工厂中使用的那些；涂层活塞，以及涂层轴。涂层轴承可用于井下工具，诸如ESP泵、钻头等，或者用于出于安全考虑而禁止使用油润滑剂的药品或食品工业中。涂层活塞和涂层轴可用于各种机器或工具零件，包括应用在石油和天然气工业、汽车工业或航空航天工业中的发动机和齿轮等。 [0062] 本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合。如本文所用的后缀“(s)”旨在包括其修饰的术语的单数和复数这两者，从而包括该术语中的至少一个(例如，着色剂包括至少一种着色剂)。“或”是指“和/或”。“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括事件发生的情况和不发生的情况。如本文所用，“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。“它们的组合”是指“包含一个或多个列出的项目和可选地未列出的类似项目的组合”。所有参考文献通过引用并入本文。 [0063] 在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求书的上下文中)使用的术语“一个”和“一种”和“该(所述)”，以及类似的指示物应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。进一步地，应该进一步指出，本文中的术语“第一”、“第二”等不指代任何顺序、数量或重要性，而是用于元素彼此之间的区分.结合数量使用的修饰语“约”包括所述值，并具有上下文所规定的含义(例如，其包括与特定量的测量结果相关联的误差程度)。 |
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