TW202415470A - 在感應熔化爐中使用丸粒狀金屬裝飾材料 - Google Patents

Abstract

揭示了用於形成獨特之物質組合物的創新技術以及所得材料之各種有利的物理特性及相關聯性質。明確而言，金屬(包括各種合金，諸如英高鎳超合金)之特徵在於其金屬晶格結構內設置有碳。該碳主要或完全存在於該金屬晶格之間隙位點處，且可以在約15 wt%至約90 wt%之範圍內的量存在。此外，該碳與該晶格之金屬原子及存在於該晶格中之其他碳原子形成非極性共價鍵。此有助於該碳實質上均勻分地分散於所得材料內，從而提供獨特且有利之性質，諸如如本文所描述之強度重量比、密度、機械韌性、抗剪強度、撓曲強度、硬度、耐腐蝕性、導電性及/或導熱性等。在一些方法中，該物質組合物可被粉末化，或可對粉末造粒。

Description

在感應熔化爐中使用丸粒狀金屬裝飾材料

本揭示案大體上係關於在感應熔化爐中製造及使用含碳合金。

特種合金係在真空感應熔化(VIM)爐中熔煉。此類VIM爐之坩堝用於熔化及混合各種混合物組分(例如，金屬及非金屬)。一旦金屬之各種組合混合，便可將熔體丟到(例如，倒入)模具中並冷卻。一些混合物包括粉末狀之成分。遺憾的係，來自VIM爐之感應線圈的電動勢作用於粉末以使粉末自VIM爐噴出。如此阻止粉末與其他成分之混合。需要用於在真空感應熔化爐中使用粉末狀成分的改良之方法。

如本文所用，術語「covetic材料」係指含有奈米級大小之碳顆粒的金屬。covetic材料在各種應用中係所要的，因為covetic材料擁有超過傳統非含碳材料之能力的許多物理、化學及電性質。

提供本發明內容係為了以簡化形式介紹下文在具體實施方式中進一步描述之一系列概念。本發明內容不意欲標識要求保護之主題的關鍵特徵或必要特徵，亦不意欲限制要求保護之主題的範疇。此外，本揭示案之系統、方法及裝置各自具有若干創新態樣，該等創新態樣中之單個態樣不僅僅負責本文所揭示之所要屬性。

本文揭示之主題的各個實施方式大體上係關於碳-金屬複合材料之設備、方法及各種組合物。示出並討論之設備可能與電漿噴塗炬設備之受控使用有關，以產生各種碳-金屬鍵合之物質組合物，該碳-金屬鍵合之物質組合物在本揭示案中通常被稱為「covetic材料」。在一些情況下，該等材料為金屬裝飾碳。在一些情況下，該等材料為碳裝飾金屬。在其他態樣中，如下文更詳細地描述，碳可能與除金屬外之材料(諸如陶瓷、塑膠、複合材料、矽等)組合。

電漿噴塗炬之一種組態體現為具有反應室、微波能量源及控制器之設備，該反應室經組態以收納與複數個熔融金屬奈米級大小之顆粒混合的烴製程氣體，該微波能量源操作性地耦接至該反應室以向該反應室提供動力，該控制器用於調整該微波能量源以在反應室中創造條件，使得該烴製程氣體離解成其組成碳原子，且單層石墨烯(SLG)或少層石墨烯(FLG)自該等碳原子生長至該等熔融金屬奈米級大小之顆粒上，以形成複數個碳-金屬奈米級大小之顆粒。在一些組態中，該反應室中之條件引起：(i)第一溫度，碳原子在該第一溫度下溶解到熔融金屬奈米級大小之顆粒中；及(ii)第二溫度，溶解之碳原子中的至少一些碳原子在該第二溫度下以某一晶體構型與該熔融金屬組合。該設備之一些組態利用冷卻區域來將該複數個碳-金屬奈米級大小之顆粒冷卻為粉末形式，該粉末形式可被收集並儲存在接近該反應室且與該反應室並置之貯存容器中。

根據各種實施方式，目前揭示之發明構思可體現為具有以下物理及/或結構特性及相關聯性質中之任一者的物質組合物。此外，根據不同實施例，此等特性及/或性質可按不同組合或排列來包括，但不作限制。

在一個態樣中，一種物質組合物包含一或多個顆粒，且每一顆粒獨立地包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於其中的一或多個相干的平面石墨烯層。較佳地，該一或多個相干的平面石墨烯層之至少一些碳原子設置於該金屬晶格內之間隙位點中。更佳地，該一或多個相干的平面石墨烯層有間隙地交錯在該晶格之基面之間。石墨烯可作為單層(例如，「單層石墨烯」或「SLG」)或多個層(例如，兩個層、三個層、五個層、十個層或任何數目個層直至十五個，本文亦稱為「少層石墨烯」或「FLG」)存在。該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子共價鍵合至金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，該一或多個石墨烯層之碳原子可共價鍵合至該一或多個石墨烯層之其他碳原子，且根據不同實施方式，此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多個顆粒可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，每一顆粒之金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。該一或多個石墨烯層各自較佳地實質上沒有缺陷，使得石墨烯係「原始的」。較佳地，每一顆粒之特徵亦在於在晶界處及/或在金屬晶格之表面處實質上缺少或更佳地完全缺少碳聚集體及/或團聚物。由於本文描述之創新處理技術，顆粒之總碳載量的範圍可為約15 wt%至約90 wt%，亦展示了各種中間載量(例如，在各種實施方式中，約20 wt%、約25 wt%、約33 wt%、約40 wt%、約50 wt%、約60 wt%、約75 wt%或直至90 wt%)。此外，該等顆粒之特徵可在於在約20 nm至約3.5 μm之範圍內的直徑，及/或具有在約0.1 nm至約1 µm之範圍內的最大可辨別特徵大小。在一些實施方式中，該等顆粒可被壓制成丸粒。

根據另一個態樣，一種物質組合物包括英高鎳合金，該英高鎳合金具有設置於其晶格中之碳。較佳地，該等碳中之至少一些設置於該金屬晶格之間隙位點處，且更佳地，碳實質上均勻地分散於該金屬晶格中。此外，在一些實施方式中，該物質組合物之晶界及/或金屬晶格之表面實質上沒有碳聚集體及/或團聚物。因此，該物質組合物之最大可辨別特徵大小可在約0.1 nm至約1 µm之範圍內。至少一些碳原子共價鍵合至該金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，碳原子可共價鍵合至其他碳原子，且根據不同實施方式，此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多種物質組合物可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。

根據又一個態樣，一種物質組合物包括一金屬晶格，該金屬晶格中設置有至少約15 wt%碳。較佳地，該碳中之至少一些設置於該金屬晶格之間隙位點處，且更佳地，碳實質上均勻地分散於該金屬晶格中。此外，在一些實施方式中，該物質組合物之晶界及/或金屬晶格之表面實質上沒有碳聚集體及/或團聚物。因此，該物質組合物之最大可辨別特徵大小可在約0.1 nm至約1 µm之範圍內。至少一些碳原子共價鍵合至該金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，根據不同實施方式，碳原子可共價鍵合至其他碳原子，且此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多種物質組合物可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。

在前述態樣之各種實施方式中，該金屬晶格可包括選自由以下各者組成之群中的一或多種金屬：鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其組合。因此，金屬晶格之特徵可在於晶體結構，諸如面心立方(FCC)、體心立方(BCC)或六方密積(HCC)。此外，金屬晶格可包含約15 wt%至約90 wt%之碳(例如，在各種實施方式中，約20 wt%、約25 wt%、約33 wt%、約40 wt%、約50 wt%、約60 wt%、約75 wt%或直至90 wt%)。碳較佳地存在於金屬晶格之間隙位點處。在一些方法中，金屬可以合金形式存在。例如，在特別較佳之方法中，金屬可以一或多種英高鎳合金之形式存在，諸如Inconel 600、Inconel 617、Inconel 625、Inconel 690、Inconel 718及/或Inconel X-750。更佳地，英高鎳合金為超合金。

下文在附圖及說明書中闡述了本揭示案中描述之主題的一或多個實施方式之詳細內容。根據本說明書、附圖以申請專利範圍，其他特徵、態樣及優點將變得顯而易見。應注意，以下圖之相對尺寸可能不按比例繪製。

相關申請案

本專利申請案為主張以下各案之優先權的國際申請案：2022年9月30日申請的題為「USING PELLETIZED METAL-DECORATED MATERIALS IN AN INDUCTION MELTING FURNACE」之美國專利申請案No. 17/957,937 (隨後在2023年5月11日在相同標題下公佈為美國專利公开案No. 2023-0145800)；及2022年9月30日申請的題為「USING PELLETIZED METAL-DECORATED MATERIALS IN AN INDUCTION MELTING FURNACE」之美國專利申請案No. 17/957,989 (隨後在2023年2月9日在相同標題下公佈為美國專利公开案No. 2023-0040722)。所有先前申請案之揭示內容均被視為本專利申請案之部分且以引用方式併入本專利申請案中。所有先前申請案之揭示內容被視為本專利申請案之部分且以引用方式併入本專利申請案中。

本揭示案之態樣係關於用於使用噴塗技術而非藉由將碳基材料混合至熔融金屬漿料本體中來產生covetic材料的方法。一些實施方式係關於用於將間隙碳結構之大小減小至奈米(nm)級之技術。本文中之附圖及討論呈現了用於產生「covetic」材料之例示性環境、例示性系統及例示性方法，covetic材料在本文中通常被理解及定義為暗示包含高濃度(＞6 % wt及直至90 % wt)之碳，該碳以在熔化或磁控濺射期間碳不會分離出來之方式整合至其他材料(如本文所描述，根據各種實施例，諸如金屬、含金屬材料、塑膠、複合材料、陶瓷等)中。所得材料與產生其之基礎材料相比具有很多獨特且改良之性質。碳以有助於改良材料性質之若干方式分散於(例如，金屬)基體中。例如，碳非常牢固地鍵合於所得材料(例如，covetic材料)中，從而經常在偵測及表徵其形式時抵制很多標準方法。包含奈米級碳提高了所得材料之熔點及表面張力。根據本文描述之技術生產的材料具有更高之熱加工及冷加工強度。 問題與機會之鑒別及重要性

金屬基體複合材料可由(至少)金屬或金屬合金(指藉由將兩種或更多種金屬元素組合(特別係為了給出更高之強度或耐腐蝕性)而製成之金屬)基體與高強度模量陶瓷、碳基增強體或連續或不連續纖維、晶須或顆粒形式之微填料相組合構成。增強體之大小很重要，因為微米大小之增強金屬可表現出比基礎合金更高之強度及剛度，高達可接受之水準。然而，由於在加工期間顆粒之間(例如，在晶界處)非所要、非均勻之碳設置，此類改良亦可能伴隨有非所要之較差延展性及非所要之低屈服強度、機械加工性及臨限值負載下之斷裂韌性。為了避免具有不相容之微米大小之增強體的金屬基體複合材料的過早開裂及其他缺點，將增強相之大小減小至奈米級係至關重要的。此外，需要多種方法，使得將增強相併入至(例如，金屬合金)基體中，且最佳地，使得將增強相均勻地併入至基體中。

與上述碳基增強體之添加相稱的係，已觀察到機械、熱學、電學及摩擦學(指相對運動中相互作用之表面的科學及工程)性質方面有顯著提高。值得注意的係，當增強體之大小自微米級(諸如1-1000 µm)減小至奈米級(諸如＜100 nm)時，由於基體與顆粒之間的內聚力增加，此類性質可能改變及/或得到改良。性質之改良可歸因於形成了促進高效強化機制之強界面。據報道，奈米大小之顆粒(~20 nm)與微米大小之顆粒(~3.5 μm)相比，拉伸強度及屈服強度得到增強，儘管奈米大小之顆粒的體積負載與微米大小之顆粒相比減少了一個數量級。因此，如本領域已知之舊有技術，諸如感應熔化、電漿火花燒結等，通常無法提供奈米級之增強體。因此，目前需要將其中含有間隙空位之碳結構減小至奈米級。 微波 (MW) 電漿炬反應器

使用微波(MW)電漿炬反應器，原始3D少層石墨烯(FLG)顆粒可連續成核，諸如在諸如甲烷氣體等含碳物質之大氣壓力蒸汽流中的飛行中，其中此類成核發生在最初合成之碳基或含碳「種子」顆粒中。由多層FLG (諸如5-15層)構成的凸蝕狀高度結構化且可調諧之3D介孔碳基顆粒自含碳物質中生長，同時伴隨著金屬元素或金屬基合金之併入，以形成至少部分共價鍵合(以及至少部分金屬鍵合或離子鍵合)之碳-金屬複合(在本文亦稱為「covetic」)顆粒結構。在一些實施方式中，在所描述之MW炬反應器中提供或產生之「原始」石墨烯(指無缺陷或缺陷很少之石墨烯)未被氧化或者含有極低(諸如＜ 1%)之氧含量。在一些實施方式中，(所得covetic材料中之)金屬本身藉由金屬鍵合而保持在一起，且(石墨烯或諸如基體或晶格等一些其他有組織之碳基2D或3D結構中普遍存在的)碳本身(主要)藉由非極性共價鍵而保持在一起。複合碳-金屬結構可包括在金屬-碳界面處出現的碳原子與金屬原子之間的非極性共價鍵。在較佳實施方式中，物質組合物中存在的碳原子之間及/或碳原子與金屬原子之間的共價鍵基本上由或完全由非極性共價鍵組成。

此外，碳可以使用習知技術無法達成之量存在，例如，根據各種實施例，所得材料可包含大於約6 wt%碳、大於約15 wt%碳、大於約40 wt%碳、大於約60 wt%碳或直至約90 wt%碳。在各種實施例中，碳可以前述量包含在金屬晶格中，使得所有或實質上所有的碳併入至金屬(或其他材料)晶格中，且晶界/晶格表面實質上或完全沒有碳聚集體及/或團聚物。此外，碳較佳地位於晶格之間隙位點處。

在特別較佳之實施例中，材料可提供為粉末之形式，該粉末具有如本文描述之「covetic」材料之物理特性。該粉末可包含複數個顆粒，例如，直徑約20 nm至約3.5 µm之顆粒，其中每一顆粒包括具有如本文所描述設置於金屬晶格中之碳的金屬裝飾碳(呈金屬上碳或碳上金屬之形式)。最佳地，顆粒各自獨立地包含金屬晶格，該金屬間隔具有設置於該金屬晶格中的一或多個(例如，一個、兩個、五個、十個或直至十五個)相干的平面石墨烯層。圖21C及圖27C示出了根據目前描述之發明構思之一個態樣的沿著鋁基體之基面設置的此類相干的平面石墨烯層之例示性橫截面結構。熟習此項技術者將瞭解到，目前描述之粉末的各種實施方式可包括表現出此類橫截面結構之顆粒。實際上，由於碳併入至晶格中，因此碳有利地滲入至基面表面而非沉澱於晶界(或其他晶格表面)處。此過程之所以可能發生係因為奈米級石墨烯之可濕性質，且在使用習知技術生產碳植入材料時不會觀察到該過程。

在各個態樣中，一或多個相干的平面石墨烯層之至少一些碳原子設置於金屬晶格內之間隙位點中，且較佳地，一或多個相干的平面石墨烯層平行於金屬晶格之基面而並置。在一些實施例中，一或多個相干的平面石墨烯層有間隙地並置於金屬晶格之基面之間。在一些實施例中，一或多個相干的平面石墨烯層有間隙地交錯於金屬晶格之基面之間。熟習此項技術者在閱讀了本揭示案後將瞭解到，碳在間隙位點處之該獨特分散及相對於晶格之基面的設置之所以發生係因為本文描述之創新處理，該創新處理利用了奈米級石墨烯(特別係原始石墨烯)之高「可濕性」，且如本文所描述，實現了高碳載量、實質上均勻之碳分散及實質上缺少碳聚集體及/或團聚物，以上各者均為使用習知技術不可達成的。參見例如圖1A-1B，以獲得習知上生產之「covetic材料」與使用本文描述之創新技術生產之材料相比的圖形比較，以及下文之對應描述。

繼續參考根據本揭示案之粉末狀材料，碳原子中之至少一些可共價鍵合至金屬晶格之金屬原子，同時亦允許碳原子之間的非極性共價鍵合及/或材料之金屬原子之間的金屬鍵合。更具體而言，碳原子之間及/或碳原子與金屬原子之間的非極性共價鍵合之特徵在於在所鍵合原子之間均等共用電子，此不同於極性共價鍵合(其中電子在所鍵合原子之間共用)或離子鍵合(其中所鍵合原子由於在電子自一個原子轉移至另一個原子之後電荷差異而保持在一起)。在一些態樣中，粉末狀材料之顆粒可實質上或完全不包括極性共價鍵及/或離子鍵。在本上下文中，「實質上」不包括極性共價鍵及/或離子鍵係指其性質(例如，晶體結構、機械強度、導熱性/導電性、反射率等，如下文所描述，尤其，參看圖29)並非由於極性共價鍵及/或離子鍵之存在而導致的組合物。實質上不包括極性共價鍵及/或離子鍵之組合物可被視為基本上或完全由非極性共價鍵組成，至少就在結構內鍵合在一起之碳原子及金屬原子而言。

此外，石墨烯較佳為「原始的」，因為2D或3D結構實質上沒有缺陷，諸如空位、夾雜物、污染物等，如一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將理解的。

金屬晶格可包括一或多種金屬，諸如鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其組合。在包括組合之情況下，金屬較佳地呈合金形式，諸如英高鎳合金，較佳地由鎳、鉻、鋁、銅、鐵、鈦、鉭、鉬、鈷、錳及/或鈮形成之英高鎳，且最佳地，英高鎳超合金為Inconel 600、Inconel 617、Inconel 625、Inconel 690、Inconel 718、Inconel X-750或其組合。在一些情況下，組合包括錫及/或鎢，及/或銀，及/或銻，單獨地或成組合。在一些實施例中，前述金屬中之一種或多種可單獨地或按組合用作表面活性劑以改良金屬-碳組合之可濕性。

如本文描述之粉末狀材料較佳地使用非平衡電漿形成，諸如可使用如本文描述之微波電漿基反應器來產生。目前揭示之微波電漿基反應器製程提供了反應及加工環境，其中氣-固反應可在非平衡條件下控制(指不處於熱力學平衡狀態但可用變量來描述之物理系統，該等變量表示用於指定處於熱力學平衡狀態下之系統之變量的外推；非平衡熱力學涉及傳輸過程及化學反應速率，以及可獨立地由電離勢及動量以及熱能控制之金屬粉末之初始熔融)。

在原位(係指在反應器或反應室內就地)成核後，自電漿炬中離開之固體、基本固體或半固體之碳基顆粒可以增材、之逐層方式沉積到溫度受控之基板(諸如滾筒)上。離開之顆粒可被噴塗至特定基板上且鍵合至特定基板上或其中。在一些情況中，不使用基板，而是，成組離開之半固體顆粒形成一或多個定向組織的、獨立的、自支撐的結構。與操作流量、功率及組態受到限制之標準電漿炬不同，目前揭示之微波電漿炬包括控制機制(諸如流量控制、功率控制、溫度控制等)，以獨立地控制一或多個組成材料溫度及氣-固反應化學，以便產生獨特、凸蝕狀、高度組織、共價鍵合之碳-金屬結構，該等碳-金屬結構具有令人驚喜的及極高程度的均質性。

为了進行闡釋，根據各種實施方式，均勻分散之金屬-碳組合的最大可辨別特徵大小(例如，由沿著所述「特徵」之縱軸測得的長度定義)係在約0.01奈米(nm)至1微米(µm)之範圍內，較佳地在約0.01 nm至約1 µm之範圍內，更佳地在約0.01 nm至約750 nm之範圍內，更佳地在約0.01 nm至約500 nm之範圍內，更佳地在約0.01 nm至約100 nm之範圍內，在某一範圍內，更佳地在約0.01 nm至約50 nm之範圍內，且最佳地在約0.01 nm至約10 nm特徵大小之範圍內。此與非均勻分散相反，非均勻分散之特徵在於約幾(例如，3-5)微米或更大的相對較大之特徵大小。

該物質組合物亦可包括複數個「聚集體」及/或複數個「團聚物」，其中每一聚集體包括連接在一起之大量顆粒，且每一團聚物包括連接在一起之大量聚集體。在一些實施方式中，每一顆粒可具有20 nm與150 nm之間的主要尺寸。每一聚集體可具有40 nm與10 µm之間的主要尺寸。每一團聚物可具有0.1 µm與1,000 µm之間的主要尺寸。

由目前揭示之基於MW反應器之技術產生的covetic材料產生了原本在當前材料或產品中無法獲得之各種競爭性優點。一個此類優點涉及固有之可擴展性及多功能性，以調配獨特的、物理及化學穩定的、多功能金屬-碳複合材料，該等金屬-碳複合材料在各種組態及/或架構中表現出可預測之變形(指應力、應變、彈性、或某其他可確定之物理特性)，該等各種組態及/或架構諸如(但不限於)：(1)緻密薄膜植入；(2)塗層；(3)厚條帶及(4)可經受隨後之重熔及鑄造及/或用於形成經工程化之金屬合金組件的粉末狀顆粒。與現有之母體金屬合金調配物相比，任何前述緻密薄膜MW反應器產生之碳基金屬複合材料植入及/或塗層及/或條帶及/或粉末狀顆粒皆表現出增強之物理、化學及電學性質。

使用如上所述之粉末(及/或由此類粉末形成之丸粒)產生的材料享有粉末自身的相同的有利物理特性及性質中之許多性質，除了微米級材料可能不會表現出碳存在於沿著金屬晶格之基面設置的相干的平面層中之外。而是，微米級材料(例如，藉由微波電漿噴塗炬或本文描述之其他合適技術(及熟習此項技術者在閱讀了此類描述之後將瞭解的等效物)生產)之特徵在於迄今不能達成之碳載量(例如，1.5 wt%至90 wt%，及其間之任何量)、碳在金屬基體中之均一/均勻分散，及晶格表面(例如，晶界)處缺少碳聚集體及/或團聚物。除了該區別之外，使用粉末狀材料(較佳地粉末狀covetic材料)產生之最終產品可表現出粉末狀前體之任何一或多種物理特性及/或性質(按任何組合)，而不會脫離目前描述之發明構思的範疇。 一般實施例

根據一個一般態樣，一種物質組合物包含一或多個顆粒，其中每一顆粒獨立地包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於該金屬晶格中的一或多個相干的平面石墨烯層。

根據另一個一般態樣，一種物質組合物包含一英高鎳合金，該英高鎳合金具有設置於該英高鎳合金之晶格中的碳。

根據又一個一般態樣，一種物質組合物包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於該金屬晶格中之至少約15 wt%碳。

此外，在各種實施方式中，前述態樣可包括以下物理及/或結構特性及相關聯性質中之任一者。此外，根據不同實施例，此等特性及/或性質可按不同組合或排列來包括，但不作限制。

在一個態樣中，一種物質組合物包含一或多個顆粒，且每一顆粒獨立地包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於其中的一或多個相干的平面石墨烯層。較佳地，該一或多個相干的平面石墨烯層之至少一些碳原子設置於該金屬晶格內之間隙位點中。更佳地，該一或多個相干的平面石墨烯層有間隙地交錯於該金屬晶格之基面之間。石墨烯可作為單層(例如，「單層石墨烯」或「SLG」)或多個層(例如，兩個層、三個層、五個層、十個層或任何數目個層直至十五個，本文亦稱為「少層石墨烯」或「FLG」)存在。該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子共價鍵合至金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，該一或多個石墨烯層之碳原子可共價鍵合至該一或多個石墨烯層之其他碳原子，且根據不同實施方式，此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多個顆粒可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，每一顆粒之金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。該一或多個石墨烯層各自較佳地實質上沒有缺陷，使得石墨烯係「原始的」。較佳地，每一顆粒之特徵亦在於在晶界處及/或在金屬晶格之表面處實質上缺少或更佳地完全缺少碳聚集體及/或團聚物。由於本文描述之創新處理技術，顆粒之總碳載量可在約15 wt%至約90 wt%之範圍內，亦展示了各種中間載量(例如，在各種實施方式中，約20 wt%、約25 wt%、約33 wt%、約40 wt%、約50 wt%、約60 wt%、約75 wt%或直至90 wt%)。此外，該等顆粒之特徵可在於在約20 nm至約3.5 μm之範圍內的直徑，及/或具有在約0.1 nm至約1 µm之範圍內的最大可辨別特徵大小。在一些實施方式中，該等顆粒可被壓制成丸粒。

根據另一個態樣，一種物質組合物包含英高鎳合金，該英高鎳合金具有設置於其金屬晶格中之碳。較佳地，該碳中之至少一些設置於該金屬晶格之間隙位點處，且更佳地，碳實質上均勻地分散於該金屬晶格中。此外，在一些實施方式中，該物質組合物之晶界及/或金屬晶格之表面實質上沒有碳聚集體及/或團聚物。因此，該物質組合物之最大可辨別特徵大小可在約0.1 nm至約1 µm之範圍內。至少一些碳原子共價鍵合至該金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，碳原子可共價鍵合至其他碳原子，且根據不同實施方式，此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多種物質組合物可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。

根據又一個態樣，一種物質組合物包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於其中的至少約15 wt%碳。較佳地，該碳中之至少一些設置於該金屬晶格之間隙位點處，且更佳地，碳實質上均勻地分散於該金屬晶格中。此外，在一些實施方式中，該物質組合物之晶界及/或金屬晶格之表面實質上沒有碳聚集體及/或團聚物。因此，該物質組合物之最大可辨別特徵大小可在約0.1 nm至約1 µm之範圍內。至少一些碳原子共價鍵合至該金屬晶格之金屬原子，且碳原子與金屬原子之間的共價鍵為非極性共價鍵或包括非極性共價鍵。在一些實施例中，該等共價鍵可基本上由或完全由非極性共價鍵組成。類似地，碳原子可共價鍵合至其他碳原子，且根據不同實施方式，此等共價鍵可包括非極性共價鍵、基本上由非極性共價鍵組成或完全由非極性共價鍵組成。因此，該一或多種物質組合物可實質上或完全不包括極性共價鍵。同樣地，金屬晶格可實質上或完全不包括離子鍵。

在前述態樣之各種實施方式中，該金屬晶格可包含選自由以下各者組成之群中的一或多種金屬：鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其組合。因此，金屬晶格之特徵可在於晶體結構，諸如面心立方(FCC)、體心立方(BCC)或六方密積(HCC)。此外，金屬晶格可包含約15 wt%至約90 wt%之碳(例如，在各種實施方式中，約20 wt%、約25 wt%、約33 wt%、約40 wt%、約50 wt%、約60 wt%、約75 wt%或直至90 wt%)。碳較佳地存在於金屬晶格之間隙位點處。在一些方法中，金屬可以合金形式存在。例如，在特別較佳之方法中，金屬以一或多種英高鎳合金之形式存在，諸如Inconel 600、Inconel 617、Inconel 625、Inconel 690、Inconel 718及/或Inconel X-750。更佳地，英高鎳合金為超合金。 概述

本文之揭示內容描述了低劑量之奈米填料碳基材料(諸如石墨烯等)與金屬之整合，該石墨烯因其固有之結構特性如高縱橫比及「2D」平面幾何形狀而聞名。石墨烯由於其面內sp ²C=C鍵合(產生2D平面幾何形狀)而擁有驚人之良好機械、物理、熱學及電學性質。因此，與替代物(諸如微填料聚丙烯腈(PAN)基碳纖維)比較，石墨烯將用作金屬基體複合材料之理想增強體。應注意，即便在低石墨烯奈米薄片含量(載量)下，3D網路亦被形成為具有各向異性(指當在不同方向上量測時物理性質之值不同的物件或物質)，此使得導熱性及導電性以及機械特徵顯著改良。

在金屬基體複合材料中使用碳奈米填料遇到之挑戰包括由於潤濕性(指液體與固體表面保持接觸之能力，該接觸係由於當將兩者帶到一起時分子間之相互作用引起的；潤濕程度(稱為可濕性)由粘合力與內聚力之間的力平衡決定)差而難以分散。由於碳原子之間的凡得瓦力，由奈米填料呈現之增加之表面積使顆粒形成團簇並纏繞。奈米填料在金屬基體複合材料中之聚集可能會導致非所要之裂紋及孔隙之形成，最終可能會損害所得材料之結構完整性，從而使得在高負載或效能條件下過早失效。

儘管許多加工方法，諸如習知之粉末冶金、熱軋、鑄造及增材製造等，已經(且目前亦可能)用於產生金屬基體複合材料，但對於均勻分散奈米填料仍然存在挑戰。由在固結期間施加之應力對奈米填料造成之損害及在燒結及鑄造期間在高溫下與基體發生非所要或不可控制之化學反應為在試圖實現奈米填料分散期間所面臨之挑戰的一些實例。

與可能更易於與金屬相互作用以形成碳化物(根據吉布斯自由能在熱力學上有利)之石墨烯片材之側面及末端相比，石墨烯之無缺陷基面表現出異常有利之化學穩定性。然而，在加工期間，可能很容易在基面中形成缺陷，從而導致碳化物形成並對複合材料性質產生不利影響。因此，諸如高溫及高壓等相對苛刻之加工條件可能對碳奈米填料與其周圍金屬基基體之間的界面質量產生不利影響。具體地，高溫及高壓可能不利地影響濕潤能力、結構完整性，可能有害地影響碳化物形成，且亦可能引起其他有害之界面反應。

被稱為covetic (如前面介紹的)之替代製程已成功地用於將碳奈米填料併入至金屬基體中。在covetic相關製程中，已表明，石墨烯「帶」及奈米顆粒之網路係藉由使用外加電場在液態金屬內形成，該網路在金屬基體內表現出非凡之穩定性，即使在重熔後亦如此。對應地，該複合結構比母體金屬更高效地導熱及導電。 均勻分散

由於將石墨烯併入至金屬基體中之挑戰之一為實現均勻分散，因此covetic加工經由在外加電場內伴隨地剝離及潤濕石墨烯帶及/或顆粒(來自碳電極或者來自碳添加劑之分解)而克服了該問題。諸如氧及氫等雜質可經由顆粒表面處之氧化還原反應來管理，假設在該表面處有適當之感應電壓，以促進潤濕/分散。挑戰為以下各項之一：控制石墨烯帶及/或顆粒之結構完整性及均勻性(諸如關於大小、缺陷等之均勻性)，以及控制在高溫下與金屬之化學反應性，以及控制顆粒在熔體之本體中及表面處之分佈。 另外之複雜性

儘管金屬中之基本能量傳導模式(熱及電兩者)可(至少部分地)由電子進行且由諸如石墨烯等填料之結晶度及雜質控制以增強金屬基體複合材料之導熱性(其中傳導係經由石墨烯中之聲子進行)，但亦需要與金屬晶格(另外地或替代地稱為支架、基體或結構)有一定程度之匹配及/或共格(諸如整體鍵合之奈米級碳)或者需要針對薄片之間的傳導具有最小薄片間隔(諸如接近度或網路)臨限值(諸如石墨烯將需要為單層或僅僅幾層且長度為數十奈米)。然而，關於強化金屬基體，為了合適之負載傳遞(注意，為了最大之負載傳遞，石墨烯之長度可大於~0.5 μm)，石墨烯可能需要化學鍵合(或在一些情況中，亦物理鍵合)至基體。除了依賴於碳(石墨烯)奈米填料與金屬晶格之間的共格及/或半共格彈性應變之固溶強化之外，離散之石墨烯奈米顆粒可用作晶界處之位錯堆積或釘紮之屏障(諸如霍爾佩奇(Hall Petch)晶粒細化，指一種藉由改變材料之平均微晶(晶粒)大小來強化材料之方法；該晶粒細化係基於觀察到晶界為位錯不可逾越之界限及晶粒內位錯之數量能夠影響在相鄰晶粒中形成應力之方式，此將最終激活位錯源且因此使相鄰晶粒中能夠發生變形；因此，藉由改變晶粒大小，可影響晶界處堆積之位錯數量及屈服強度)，該兩者均能提高機械效能。

同樣，由於其2D性質及高表面積，石墨烯除了沿金屬結構內之滑移平面對齊外，亦可沿晶界處之區域取向。無論所關注之性質是化學的、機械的、熱學的抑或是電學的，奈米填料與周圍金屬基體之晶體結構之對齊及匹配 (在原子水平上)愈大，金屬基體複合結構之性質的增強及穩定性就愈大。

根本上，碳在金屬表面處之生長(非均質)或在熔體中自溶液中沉澱出來(均質)取決於碳在金屬中之溶解度(根據圖10右側所示之二元相圖)。諸如在接近金屬之熔點時，碳在純過渡金屬(大體上，及許多純金屬)中之溶解度很低，但該溶解度隨著溫度增加到遠高於金屬之熔點(諸如高達2,000℃及以上)而增加。碳在鎳中之溶解度(例如，在大約2.5%之過共晶點附近)為碳在純金屬中之較高溶解度之一。應注意，向金屬中添加間隙雜質(諸如氧、硼或氮)或置換原子可能會影響(諸如潛在地增加)碳之溶解度。已經證明，碳在金屬中之溶解度愈高或熔融金屬之溫度愈高，隨著金屬冷卻及凝固，在金屬表面處沉澱之碳就愈厚。需要注意的係，碳在自由表面附近之溶解度更高，此與液-氣界面之界面能相組合有利於固體碳在金屬熔體-空氣界面處之沉澱。設備及用於操作該設備以克服伴隨該現象之問題的技術在與附圖及對應討論有關之情況下被涉及。 定義及圖之使用

本說明書中使用之術語中之一些術語為便於參考而在以下定義。呈現之術語及其各別定義並不嚴格地限於此等定義—術語可進一步由該術語在本揭示案中之使用來定義。術語「例示性」在本文被用來意指用作實例、例子或例示。本文中被描述為「例示性」之任何態樣或設計不一定被解釋為比其他態樣或設計更佳或有優勢。而是，使用詞語例示性旨在以具體方式呈現概念。如在本申請案及所附申請專利範圍中使用的，術語「或」意欲表示包括性的「或」，而非排他性的「或」。亦即，除非另外指明或在上下文中清楚看到，否則「X採用A或B」意欲表示自然之包括性排列中之任一者。亦即，若X採用A，X採用B，或X採用A及B兩者，則「X採用A或B」在前述情況中之任一者下均被滿足。如本文所使用的，A或B中之至少一個意指A中之至少一個或B中之至少一個，或A及B兩者中之至少一個。換言之，該片語為析取的。本申請案及所附申請專利範圍中使用之冠詞「一個(a)」及「一種(an)」總體上應當被解釋為指「一或多個」，除非另有指定或自上下文中明顯看出係針對單數形式。

本文參考附圖描述了各個實施方式。應注意，附圖不一定按比例繪製，且在整個附圖中，相似結構或功能之元件有時藉由相似附圖標記表示。亦應注意，附圖僅旨在促進對所揭示之實施方式的描述——附圖並不代表對所有可能實施方式之詳盡處理，且不旨在對請求項之範疇進行任何限制。另外，展示之實施方式不需要描繪在任何特定環境中使用之所有態樣或優點。

結合特定實施方式描述之態樣或優點不一定限於該實施方式，且可在任何其他實施方式中實踐，即使未如此說明。在本說明書中提及「一些實施方式」或「其他實施方式」係指結合該實施方式描述之特定特徵、結構、材料或特性包括在至少一個實施方式中。因此，在本說明書之不同地方出現片語「在一些實施方式中」或「在其他實施方式中」不一定係指相同的一或多個實施方式。所揭示之實施方式不旨在限制請求項。 例示性實施方式之說明

圖1A為示出了兩種不同之covetic材料形成技術102及分別由應用該等covetic材料形成技術中之每種技術產生之例性示材料的比較圖1A00。

在用於產生covetic材料之習知金屬熔化方法103之情況中，固體碳被添加到金屬熔體中。該習知金屬熔化技術由在外加電流下跨固-液(諸如碳-金屬)界面之碳化物形成及相互擴散之動力學來管理，該電流提供額外能量來克服碳原子與金屬原子之間的堆垛層錯能。如此，用於形成covetic加工之習知金屬熔化技術與其他複合材料加工方法(诸如粉末冶金及/或熱軋)並無顯著區別，該複合材料製程涉及將第二相顆粒固結至金屬基體中。此等習知複合材料加工方法在分散及/或分佈、反應性及材料性質之可變性方面面臨許多挑戰。此外，習知covetic加工依賴於分批加工，且經常產生不一致之轉化產率以及所得性質之廣泛差異。

如影像105描繪的，當使用習知金屬熔化方法103時，所得材料包括很多碳聚集體及/或團聚物，尤其係在晶界處及/或金屬晶格之表面處。此繼而：(1)限制碳增強晶格之作用；及(2)限制表面功能化之表面形態的可調諧性。作為比較，當使用目前揭示之技術時，所得材料表現出幾乎均勻之均質性(諸如沒有或實質上沒有聚集體及/或團聚物，尤其係在晶界及/或晶格表面處)，該均質性係由碳均勻分散於晶格中產生。此在均質性影像106中示出。

諸如均質性影像106中描繪之covetic材料之特徵可在於許多所要之材料性質108，諸如均勻性、高碳載量、表面處之低碳含量等。此等性質為使用習知金屬熔化方法103形成之材料未表現出的極其所要之材料性質。因此，要尋求的係克服習知金屬熔化方法103之缺點的改良方法。

一種此類改良方法涉及電漿噴塗炬方法104。電漿噴塗炬方法之應用導致covetic材料之產率一致，因此克服了習知金屬熔化方法之產率缺點。此外，應用電漿噴塗炬方法所產生之covetic材料具有上述改良之機械性質、改良之熱學性質及改良之電學性質，因此克服了習知金屬熔化方法之所得材料的缺點。 改良方法

如所示，電漿噴塗炬方法104可經組態以使用引入之輸入材料(指提供氣態形式之含碳原料物質，諸如甲烷，且經由施加被引導通過甲烷氣體等之MW能量對其供能)。然而，藉由在高溫下離解含碳氣體(諸如甲烷或其他烴源)，自限性單層碳—特別係原始石墨烯—可生長至金屬(諸如銅、金、鋅、錫及鉛)晶格上或其中。單層之數量至少部分地取決於碳在金屬中之溶解度。石墨烯膜在金屬基板上之生長動力學、結合及最終結構取決於金屬之價電子及對稱性(緊密堆積平面)。類似地，金屬可在碳上生長，優先在碳之缺陷位點處或亦在選擇性氧或氫終止位點處成核及生長。然後可製作單層碳及金屬之交替堆疊，以實現石墨烯增強金屬複合結構之增強性質。

使用微波電漿反應器，原始3D少層石墨烯顆粒可自烴氣體源連續成核及生長。另外，藉由將選擇性元素添加到電漿氣體料流中，可將該等選擇性元素併入於3D石墨烯顆粒支架中。微波電漿反應器製程提供了獨特之反應環境，其中可在非平衡條件下控制氣-固反應(諸如化學反應可由電離勢及動量以及熱能獨立控制)。反應物可以固體、液體或氣體之形式插入於電漿反應器區域中，以獨立地控制獨特之非平衡結構(諸如金屬上之石墨烯及石墨烯上之金屬)的成核及生長動力學。

例如，為了產生奈米級之整合石墨烯-金屬複合材料，可將精細奈米級金屬顆粒與烴氣體(諸如甲烷)一起引入微波電漿炬中。甲烷離解成氫及碳(諸如使用微波電漿之理想能量形成C及H ₂)，然後碳可成核並將有序之石墨烯生長至金屬顆粒之半熔融表面上。非平衡能量條件可藉由對製程條件進行調整以相對於碳反應性及向金屬表面之遞送獨立地控制金屬之溫度來產生。在受控之低能量下，經電離之氫(或其他離子)可用於撞擊/濺射正在生長之石墨烯-金屬表面，而不會破壞石墨烯-金屬組合物之結構。此隨後會促進交替石墨烯-金屬層之進一步生長。另外，根據在電漿反應區域內之停留時間及能量，可產生具有特定性質之金屬-石墨烯結構，當金屬-石墨烯結構在受控溫度下噴塗至基板上後迅速冷卻時，該等特定性質被保留。在電漿內以受控能量形成金屬-石墨烯結構以及對基板溫度之控制在此等covetic材料之整個演變過程中提供了對能量條件之獨立控制。

石墨烯可經由「濺射」(指在固體材料自身受到電漿或氣體之高能顆粒轟擊後，該材料之微觀顆粒自其表面射出之現象；可使濺射作用於極精細之材料層之事實在科學及工業中經常被利用——在科學及工業中，該濺射用於執行精確蝕刻，進行分析技術，及在光學塗層、半導體裝置及奈米技術產品等之製造中沉積薄膜層)而被施加(及/或沉積)至金屬或含金屬之材料層上。當與目前討論之MW電漿反應器一起使用時，如此描述之此濺射可藉由控制在電漿反應區域內之停留時間及能量來控制以促進交替石墨烯-金屬層之生長。此等交替之石墨烯-金屬層被組織在呈規則(諸如晶體)構型之原子的相干平面中。當石墨烯-金屬層被快速淬火(在材料科學領域，淬火或快速/急劇淬火係指工件在水、油或空氣中受控快速冷卻，以獲得某些材料性質；淬火為一種熱處理，其藉由減少時間窗口來防止或控制非所要之低溫過程諸如相變發生，在該時間窗口期間此等非所要之反應在熱力學上係有利的且在動力學上係可行的；例如，淬火可減小金屬材料及塑膠材料二者之晶粒大小，從而增加其硬度)至較冷之基板上時，該晶體構型得以保留。正如所描述的，快速淬火用於基本上將石墨烯以在電漿反應器內形成之所要晶體構型「凍結」(指保持為實質固態狀態，而不僅僅是自液體至固體之傳統相變定義)至金屬。所得材料內及表面處之均質性非常均勻。此非常均勻之均質性可用於與已用金屬熔化方法104形成之材料進行區分。原因在於金屬熔化方法104不能獨立於熱能來控制離子能量。更具體地，因為金屬熔化方法104不能獨立於熱能來達成所要之較高離子能，因此金屬熔化反應室中之溫度可能過高而無法使石墨烯-金屬層被組織在呈所要晶體構型之原子相干平面中。

因此，當使用金屬熔化方法104時，石墨烯-金屬之所要晶體構型絕不會出現，因此在石墨烯-金屬層淬火至較冷基板上時不能保留所要之晶體構型。而是，當使用金屬熔化方法104時，非所要之碳沉澱發生(諸如碳自熔體中沉澱出來)，此繼而導致非所願地形成聚集體及/或團聚物，繼而導致所得組合物之不均勻性。所得組合物之該不均勻性可能會導致所得組合物之化學及/或物理(機械)特性不太理想，包括但不限於過早之機械故障。

圖1B呈現了高解析度透射電子顯微術影像114及高解析度能量色散光譜x射線影像116。為方便起見，此處亦示出了圖1A之均質性影像106。

如該組例示性影像所描繪，碳均勻地分佈於金屬晶格中。在高解析度透射電子顯微術影像114中對此進行強調。此外，藉由高解析度能量色散光譜x射線影像116清楚地示出了金屬晶格中極高之碳載量。在此實例中，碳載量形成整個銅-碳晶格之約60%。此示出於高解析度能量色散光譜x射線影像116中。在該特定影像中，較暗之區域為碳，且較亮之區域(呈現為點)為銅。

如自影像中可看出，且具體地，如自高解析度能量色散光譜x射線影像116之圖案中可看出，碳及母體金屬(諸如在該情況下為銅)係均勻分散的。如所示出，該均勻晶格級分散存在於表面處，此外，該均勻晶格級分散亦存在於母體金屬之深處。圖20A1、圖20A2及圖20B給出了covetic材料之另外影像，該等圖緊隨(1)材料演變過程、(2)電漿噴塗炬設備及(3)電漿噴塗炬之各種組態之討論。

在一個使用場景中，圖1B中之covetic材料可使用可調諧微波電漿炬製造，該可調諧微波電漿炬以高速率及高體積產生整合之石墨烯-金屬複合膜。現在簡要討論一種特定製造製程，在該特定製造製程期間石墨烯生長至小熔融金屬顆粒上。

圖2描繪了用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之製造製程200。作為選項，製造製程200或其任何態樣之一或多種變型可在本文所述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。製造製程200或其任何態樣可在任何環境中實施。

一種可能方法為使用「非平衡能量」微波電漿炬以獨立於碳之產生來提供對金屬溫度之非平衡控制。隨後將此電漿炬能量引導至熔融及/或半熔融金屬顆粒表面。該種技術允許有時間在熔體上進行生長。炬內產生之熔體(或半熔體或核殼材料)上之生長物將經由主電漿羽流流出至要在上面進行生長之金屬表面，且隨後快速淬火。該種技術提供了用於生長厚膜之手段，在分層時，厚膜可生長成均質厚錠及/或生長至要後加工或重熔到應用中之組成部件中或上。

另外，圖2被呈現來展示在將石墨烯生長至小熔融顆粒上時獨立控制組成材料溫度及氣-固反應化學之影響。圖2示出了經過若干covetic材料製造過程之演變；且呈現了在基於電漿炬之covetic材料之形成中使用的製程。

如所示出，自電漿炬中離開之半固體顆粒可以加成、逐層之方式沉積至溫度受控之基板上。與操作流量以及功率控制及其他組態受到限制之標準電漿炬不同，可操作所討論之微波電漿炬以獨立控制組成材料溫度以及氣-固反應化學。

自以上揭示內容中可看出，微波電漿源可產生(例如)：(1)更高之電漿密度；(2)具有更窄離子能量分佈之離子能量；及(3)改良之塗層性質。此至少部分歸因於在2.45 GHz下改良之功率耦合及(電磁能)吸收。壓力相關之典型電子溫度在1 eV至15 eV之數量級，從而產生＞ 10 ¹¹cm ^–3之電漿密度。此類低電子溫度不僅在控制電漿化學方面有利，而且在限制離子能量方面亦係有利的，其中基於氬氣之同軸微波電漿之離子能量通常在5 eV至80 eV之範圍內。由於使用此等高密度電漿形成之窄電漿鞘，防止離子能量分佈之碰撞展寬，因此導致支持對某些膜沉積過程之精細控制的尖銳離子能量分佈。另外，經由將脈衝功率用於微波電漿，可形成及控制非平衡能量。在微波能量之施加期間，功率被遞送至整個將要形成電漿之體積中，因此能量以逐步碰撞能量模式積累。

圖2之前述討論包括用於施加微波能量功率之技術，該技術進一步詳細揭示如下。

圖3描繪了示出如何使用脈衝微波能量源來將石墨烯生長至小熔融顆粒上的電漿能量狀態圖300。

由於改良了在2.45 GHz下之功率耦合及吸收，微波電漿源有潛力達成更高之電漿密度、離子能量分佈更窄之離子能量及改良之塗層性質。壓力相關之典型電子溫度在1 eV至15 eV之數量級，從而產生＞ 10 ¹¹cm ^–3之電漿密度。此類低電子溫度不僅在控制電漿化學方面有利，而且在限制離子能量方面亦係有利的，其中基於氬氣之同軸微波電漿之離子能量通常在5 eV至80 eV之範圍內。由於使用此等高密度電漿形成之窄等離子鞘，防止離子能量分佈之碰撞展寬，因此導致尖銳離子能量分佈，此對於一些膜沉積製程之精細控制係必要的。另外，經由使用遞送至微波反應器之脈衝功率，可形成及控制電漿非平衡能量。在微波能量之施加期間，功率被遞送至整個將要形成電漿之體積中，因此能量以逐步碰撞能量模式積累。

一旦初始電漿在體積之大部分中形成，能量處於最大值之遞送天線繼續以高度局部化之方式增加。附近之電漿密度略微減小，直至電漿收縮。關於用於製造及使用脈衝微波能量源之一般方法的其他細節在2019年6月25日發佈之美國專利公開案No. 10,332,726中描述，該美國專利公開案特此以全文引用之方式併入。

圖3示出了電漿之初始能量在非平衡狀態下要高得多，直至該電漿收縮到低得多之穩定溫度。更具體地，電漿能量狀態圖描繪了自初始高能量非平衡狀態至較低能量穩定平衡狀態之轉變。一旦初始電漿形成，能量處於最大值之遞送天線將繼續以高度局部化之方式增加，直至電漿收縮且由於能量屏蔽而在室之其餘部分中損失。

可控制脈衝微波能量源，以便最佳化用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之電子溫度。此在壓力＞＞20托之情況下特別有效。為了保證電漿化學離解為均質的且材料塗層亦為均質的，必須對室之環境進行控制。

如圖3所示，能量曲線圖表明初始能量較高，且一段時間後收縮到較低水準，其停留於該較低水準，直至移除功率為止。電漿熄滅，且在重新啟動之後，再次遵循能量循環。藉由縮短初始電漿點火與其達到穩定之間的時間，電漿主要保留於系統本體中，在該系統本體中可能發生材料之更均質離解。初始電漿點火與其達到穩定時之間的時間縮短可藉由控制脈衝之頻率及占空比來完成。

關於圖4示出及描述一種用於控制脈衝微波反應器中之電子溫度之技術。

圖4描繪了用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之電子溫度控制技術400。作為選項，電子溫度控制技術400或其任何態樣之一或多種變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。電子溫度控制技術400或其任何態樣可在任何環境中實施。

圖4展示了關於將幾層石墨烯生長至熔融奈米級大小之顆粒上而非將碳混合至熔融漿料本體中的態樣。具體地，該圖係關於其經由控制微波脈衝頻率而對控制電漿溫度之貢獻來呈現。 經由控制脈衝頻率進行之電漿溫度控制

如前述圖3所描繪，能量曲線圖表明初始能量較高，且一段時間後收縮到較低水準，其停留於該較低水準，直至移除功率為止。電漿熄滅，且在重新啟動之後，再次遵循能量循環。藉由縮短初始電漿點火與達到穩定之間的時間，電漿主要保留於系統本體中，在該系統本體中可能發生材料之更均質離解。

如圖4所示，效果實質上取決於微波能量源之接通/斷開循環之定時。藉由控制脈衝頻率，可產生最佳化學離解及均勻塗層。此外，藉由設置脈衝頻率，亦可控制電漿之平均溫度。 微波電漿炬中之電漿溫度控制

本文討論之整合式微波電漿炬用於解決整合之第二相碳-金屬複合結構的形成，與現有之金屬合金及習知複合材料加工方法相比，該複合結構具有增強之機械、熱學及電學性質。此外，微波電漿炬可用於將碳-金屬複合塗層及顆粒直接形成在高價值資產組件上。此外，前述方法及設備滿足與改良之配電及有效變壓器及熱交換器效能相關的許多清潔能源目標。 微波電漿炬實際應用

使用整合式微波電漿炬技術，材料可以較快之速率經濟地(諸如有成本效益地)沉積及/或形成且可以各種不同組態應用。此技術之捐助者包括各種能源生產行業，特別係與傳輸及儲存運輸行業、軍事設備行業以及許多其他製造業相關。作為一個具體實際應用實例，飛行器之金屬表面可藉由電漿噴塗處理，以在金屬-空氣界面處產生covetic材料。因此金屬表面變得不受腐蝕之影響。另外，靠近表面之碳原子允許其他材料化學地鍵合至碳原子及/或粘附至表面。可化學地鍵合至碳原子之前述其他材料可基於各種實際應用中出現之要求進行選擇。

作為另一個具體實際應用實例，空中交通工具(諸如飛機、直升飛機、無人機、射彈、導彈等)之金屬表面可藉由電漿噴塗處理，以產生起到紅外遮蔽物(諸如偵測對策)作用之covetic材料塗層。

圖5展示了用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之雙電漿炬設備500。作為選項，雙電漿炬設備500或其任何態樣之一或多種變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。雙電漿炬設備500或其任何態樣可在任何環境中實施。

所示之設備設置使用：(1)用於將熔融金屬供應至受熱基板(Al、Cu、Ag等)之表面的金屬電漿噴塗炬；(2)用於將電離之碳及電漿自由基遞送至熔融表面以便使covetic生長至熔融金屬上的微波電漿炬。

系統被插入於惰性氣體環境或氣氛受控之室中，以提供對材料氧化之更佳控制。在一個實施方式中，圖5中之炬的設置及操作在表1示出，其細節在下文討論。

步驟	設置及操作描述
1	鑒定並選擇反應物材料
2	將標準非微波電漿噴塗炬及微波電漿炬整合於雙電漿炬中
3	定義電漿炬加工參數
4	操作雙電漿炬以在半熔融顆粒表面上產生石墨烯生長物

表1 步驟 D1 ：反應物材料鑒定及選擇

可將任何數量之金屬與亞穩態碳物質同時進行電漿噴塗，以形成奈米碳-金屬複合結構。當以高於熱力學溶解度極限之濃度形成2D石墨烯時，可使用具有高電導率及熱導率之不同金屬。在一些情況下，選擇了兩種不同金屬，該等金屬各自具有不同之碳溶解度極限及/或不同之熔點及/或不同之密度及/或不同之晶體結構。 步驟 D2 ：微波及 「 標準 」 電漿噴塗炬之選擇、修改及驗證

圖5之設備可(在某些實施方式中)實質上由“標準”之現成電漿噴塗及微波電漿炬構成。具有兩個炬允許兩個不同之加工步驟，亦即：(1)金屬之初始熔化；及(2)石墨烯薄片自烴源成核/生長。兩個炬中之每一個炬可彼此獨立控制。

如圖5所示，將兩個炬並置以用於並行或按順序操作。具體地，具有低電子溫度及高電子密度之微波電漿可用於最佳化石墨烯形成(包括碳過飽和臨限值下之成核速率)，而標準電漿噴塗炬可用於將金屬粉末/顆粒加熱至熔融或半熔融狀態，且然後使顆粒(及成核電離碳/石墨烯)朝基板加速。可協調兩個獨立之流動料流以在半熔融顆粒表面上實現精細級石墨烯生長。在一些情況下，雙炬組態包括用於在炬之出口料流處或附近及在基板表面處之衝擊區域內及周圍保持惰性氣氛(諸如覆蓋氣體)的構件。此佈置為有利的以使該物質組合物中之大氣氣體如一般熟習此項技術者將理解的，諸如氧氣、氮氣、水蒸氣等)含量(最小化或較佳地防止包含大氣氣體，該等大氣氣體可能會不利地影響碳與金屬原子之間的鍵合。因此，在某些實施方式中，雙炬系統經組態以插入完全受控之惰性氣體環境(諸如室)中，以便提供對材料氧化之有效控制。 步驟 D3 ：電漿加工參數之基本原理及定義

選擇反應物(諸如烴)及惰性氣體及流動以確保電漿之穩定性，並確保控制電漿內之成核及生長過程(諸如給定之氣體混合物及流速的過飽和臨限值)。在自電漿至基板之游移期間，亞穩態碳之加速速率及溫度受到控制。對應地，設置標準電漿噴塗炬之製程條件，以便產生碳可撞擊於其上並發生反應之固結薄膜。控制表面溫度及局部氣相環境，以便促進亞穩態碳相之相互作用及生長。 步驟 D4 ：操作雙 ( 金屬及微波 ) 電漿炬

金屬及微波電漿炬之各種加工窗口參數被組態為獨立控制的，或在某些實施方式中相互結合來控制。在金屬及微波電漿炬(在本文中稱為「雙電漿炬」)中之一或多者操作之前、期間及之後，對整合式碳-金屬形成之加工窗口進行表徵。此外，選擇一或多個參數或參數組合，觀察碳-金屬之沉積，且使用任何本領域已知之技術，可關於各種區分因素對沉積態樣本進行表徵，該等區分因素包括(但不限於)：形態(諸如使用掃描電子顯微鏡(SEM))、結構(諸如經由x射線繞射(XRD)及拉曼光譜)及/或物理及化學組成。

圖6展示了可被調整以用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之脈衝微波電漿噴塗炬設備600。作為實例，脈衝微波電漿噴塗炬設備600 (或其任何態樣)之一或多種變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。脈衝微波電漿噴塗炬設備600 (或其任何態樣)可在任何環境中實施。

在該種組態中，橫向電場(TE)微波能量功率構件可耦合至(或者，在一些實施方式中，亦實質上穿透)中央介電管，以將微波能量傳播至中央介電管中並貫穿該中央介電管。供應至中心區域中之氣體(在此實例中)可為吸收微波輻射之烴氣體，諸如甲烷。供應金屬粉末(由實質上惰性之載氣攜帶)以在脈衝微波電漿噴塗炬設備600之主體(或主室)內由電漿衍生及應用之熱能之組合來加熱。當暴露於此能量時，金屬粉末在達到熔化溫度時熔化，以產生黏性可流動液體材料或液滴(可能含有半固態材料)，或任何其他可想像之分散體(很大程度上取決於伴隨之熔化條件)。

當烴氣體分解成其組成元素物質時，碳自由基在熔化金屬液滴之暴露表面上成核。微波之能量調諧設置及熱羽流溫度設置之組合可允許脈衝微波電漿噴塗炬設備600之中心區域中熔化溫度與電漿分解/電離溫度之間的不同溫度。電漿噴塗炬設備之中心室或區域內之非平衡條件(指溫度、壓力等)可允許(或以其他方式促進)石墨烯/碳之內部晶格放置，而快速淬火產生了有利於covetic材料生長之條件。

如本文所理解，內部晶格放置係指例如碳材料(諸如石墨烯)之合成晶格結構在輸入金屬之晶格結構內的定位，使得單獨之碳及金屬原子至少部分地對齊。例如，內部晶格放置包括一或多個石墨烯層(較佳為相干的平面層)(諸如單層石墨烯(SLG)或少層石墨烯(FLG))有間隙地並置於金屬晶格之基面之間及/或有間隙地交錯於金屬晶格之基面之間的情形。內部晶格放置亦包括其他碳基化合物(諸如三維石墨烯、碳奈米洋蔥(CNO)、石墨烯奈米帶、碳奈米管、石墨烯超晶格及一般熟習此項技術者將理解之其等效物)有間隙地並置於金屬晶格之基面之間及/或有間隙地交錯於金屬晶格之基面之間的實施例。同樣，不管碳基化合物之特定合成晶格結構如何，內部晶格放置之主要特性均為各個碳及金屬原子至少部分對齊。示出了其中碳之晶格及金屬之晶格被取向為使得碳原子及金屬原子至少部分對齊的內部晶格之圖在圖8A-B、圖12、圖26C及圖26D及以下對應之書面描述中呈現。

內部晶格放置因此係指碳及金屬原子在晶格中之空間佈置，且與化學及/或離子鍵合區分開，但根據各種實施方式，目前描述之創新物質組合物可另外包括多個特性，諸如該物質組合物內之各個碳原子之間的非極性共價鍵合，及/或該物質組合物內之各個碳原子與金屬原子之間的非極性共價鍵合。

較佳地，表現出內部晶格放置之組合物的特徵在於在各個碳原子之間實質上缺少極性共價鍵合，以及在碳原子與金屬原子之間實質上缺少極性共價鍵合。更佳地，本文描述之發明構思的特徵在於金屬晶格內實質上缺少離子鍵合。

如一般熟習此項技術者將瞭解的，極性共價鍵、非極性共價鍵、離子鍵及金屬鍵各自具有獨特之區分特性，及對應之電子性質及化學性質。

在鍵合電子自一個原子完全轉移至另一個原子之後，得到離子鍵。所得的帶正電荷及帶負電荷之離子隨後被靜電吸引。重要的係，離子鍵很少具有任何特定方向性，因為離子鍵係由每一離子被靜電吸引至周圍所有帶相反電荷之離子而產生。離子化合物大體上具有高熔化溫度、高沸騰溫度且易碎(低機械強度)，且在熔融狀態或處於水溶液中時可導電。

在金屬鍵合中，鍵合電子非定域在原子之晶格上。在金屬中，每一原子提供駐留於許多原子中心之間的一或多個電子。非定域(或「自由」)電子之自由移動因此導致金屬之重要性質，諸如高導電性及導熱性。顯著地，具有分散於金屬晶格中之碳及在晶格之碳原子與金屬原子之間具有實質共價鍵合的本文描述之創新物質組合物的特徵可能在於在此類共價鍵合中涉及了所有或實質上所有(例如，至少90%、至少95%、至少98%、至少99%等)電子，從而更改該組合物之導電性及/或導熱性。

雖然極性及非極性共價鍵合均涉及電子共用，但包括極性共價鍵之化合物的特徵在於電子在鍵合夥伴之間的非均等共用。例如，在氯化氫中，氯原子具有比氫高之電負性，且表現出對電子之較強吸引力。因此，「共用」電子與氯原子之關聯性更強，從而導致氯上之部分負電荷及氫上之部分正電荷(因此在HCl分子中產生偶極子)。在水中，每一氫原子與氧原子之間的鍵歸因於氧之較大電負性而被類似地表徵。如此導致每一氫原子與氧原子之間的偶極矩，且由於其彎曲形狀，在整個水分子上導致整個偶極子。然而，並非所有表現出非極性共價鍵合之化合物均表現出整個偶極子。四氯甲烷具有鍵合至中心碳且彼此等距間隔開之四個氯原子。雖然每一碳-氯共價鍵係非極性的，但分子之空間佈置消除了總體键矩，從而得到具有零淨極性之分子。類似地，二氧化碳之直線形狀消除了在每一氧原子與中心碳之間表現出的偶極矩，從而得到不具有淨偶極矩之分子結構。

不管怎樣，在電場存在之情況下，極性共價鍵合中涉及之原子及/或電子雲可偏移，從而引起與電場對齊之極化。該現象可給出對應之化合物能量儲存能力，且對該物質組合物之電容有貢獻。表現出極性共價鍵合之化合物尤其係具有極性共價鍵之大部分(例如，在各種實施例中，至少10%、至少20%、至少25%、至少50%等)之小分子或分子的特徵在於熔化溫度及沸騰溫度低於表現出離子鍵合之化合物(同樣，尤其係表現出離子鍵之大部分的小化合物及化合物)，但高於表現出非極性共價鍵合之化合物(同樣，尤其係表現出非極性共價鍵之大部分的小化合物及化合物)。表現出極性共價鍵合之化合物可能會或可能不會表現出導電性，但通常小於離子化合物。另外，表現出極性共價鍵合之化合物(同樣，尤其係表現出極性共價鍵之大部分的小化合物及化合物)在水中適度可溶(溶解度取決於化合物之整體極性)，但在非極性溶劑中通常不可溶或僅標稱可溶。

相反地，非極性共價鍵合之特徵在於電子在鍵合夥伴之間均等共用，且因此在其間缺少任何偶極矩。在組成原子之間僅僅(或實質上僅僅)表現出非極性共價鍵合的化合物因此缺少整個偶極矩，且缺少如上文描述的與之相關聯的對應特性及一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將理解的其他特性。僅僅(或實質上僅僅)表現出非極性共價鍵合之例示性、非限制性化合物包括如本文描述之石墨、單層石墨烯(SLG)、少層石墨烯(FLG)、三維石墨烯、碳奈米洋蔥(CNO)、石墨烯奈米帶、碳奈米管(CNT) (單壁(SWCNT)與多壁(MWCNT))、石墨烯超晶格等以及一般熟習此項技術者在閱讀了本說明書之後將理解的其等效物。

例如，表現出非極性共價鍵合之化合物(尤其係諸如二氧化碳、分子氫、甲烷等之小分子)及實質上不包括極性共價鍵及離子鍵之化合物的特徵大體上在於低沸騰溫度及熔化溫度及低導電性。在表現出非極性共價鍵合之大多數化合物中，倫敦分散力控制化合物之電子特性。然而，儘管基本上由非極性共價鍵組成，但石墨烯(及歸因於分子結構之物理佈置及鍵合模式而在電子之間表現出sp ²及/或sp ³鍵合及/或實質協調的類似化合物，如熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將知道的)表現出顯著導電性。類似地，表現出非極性共價鍵合之化合物通常不可溶於水中或僅標稱地溶於水中(但其可溶於非極性溶劑中)。

現在參看圖6，圖6之單個整合式微波電漿炬可如下表2所描繪那般設置及操作，其細節在下文中描述。

步驟	設置/操作描述
1	部署單個整合式微波電漿炬
2	操作單個整合式微波電漿炬以形成石墨烯負載金屬複合合金
3	表徵所得物

表2 步驟 S1 ：部署單個整合式微波電漿炬

圖6描繪了單個整合式微波電漿炬。該炬具有使用(例如)小惰性氣體或用於控制氣體流之差泵真空加工固體、液體及蒸氣反應物原料物質之能力。該炬可部署在任何環境(指實驗室、研究機構或大規模工業企業等)中。 步驟 S2 ：操作單個整合式微波電漿炬以形成石墨烯負載金屬複合 ( 「 covetic 」 ) 合金

微波能量以共線波導組態與用於有效微波能量吸收之集中式氣體饋送系統一起遞送。微波能量源用於將金屬加熱至半熔融狀態。當CH ₄(或其他烴源)在被引導至表面波電漿氣體離解管中之排氣羽流內分解(為其組成物質)時，碳自由基可經由被電漿自由基(被引導至金屬液滴上)激發而在金屬液滴表面上成核(諸如以有組織之逐層方式)。微波熱羽流溫度及電漿之能量調諧允許獨立控制發生在脈衝微波電漿噴塗炬設備600之中心區域內的熔體與電漿分解/電離之間的溫度。

量測且最佳化製程條件。所要之製程條件藉由整合式微波電漿炬控制或針對整合式微波電漿矩進行控制，以在單級或多級電漿反應炬內直接形成石墨烯負載金屬複合材料。電漿炬可在表面波電漿之不同區域內進行調變，以提高共振(調變)次數，且最佳化目標金屬-碳結構之形成。

除了在所描繪位置處之所示製程氣體端口(諸如用於引入烴製程氣體605)之外，亦可在不同位置處設有額外端口604。此類額外端口可用來控制如何將製程氣體引入微波場中，且引入其他製程氣體。作為實例，製程氣體可為SiH ₄或NH ₃。在一些實施方式中，可包括多於一個氣體輸入端口或多於一個顆粒輸入端口(諸如一個碳輸入端口及一個金屬輸入端口)，其中輸入端口之位置可定位在電漿炬之不同區域中。

上述設置及條件以及其他條件被最佳化以在基板表面處產生使撞擊顆粒能夠固結為膜之條件。根據下面步驟S3中概述之方法對沉積態膜進行分析及表徵。 步驟 S3 ：驗證 / 表徵石墨烯 ( 二次相 ) 金屬性質

沉積態整合式碳-金屬複合結構之表徵使用若干技術來完成。例如，x射線光電子能譜(XPS)及/或SEM-EDS可用來確定化學組成、結合能(奈米級碳偵測)及分佈。此外，能量色散x射線光譜(EDS)及/或SEM及/或拉曼光譜及/或XRD可用來確定形態及/或量測晶粒大小及結構態樣。複合材料之電學及熱學性質以及拉伸強度及模量可使用任何已知之技術進行評估。 結果

上述技術使用微波電漿炬連續製作金屬基體複合材料。加工涉及材料成核及在電漿中形成生長區域，然後係用於將材料固結至基板上之加速及碰撞區域。每個區域提供對不同材料合成/調配及整合之獨特控制；亦即，電漿內合金顆粒之選擇性及獨特調配，然後，經由控制在碰撞於基板上期間之動量(主要為動力學)及熱能量，實現用於控制固結參數(諸如孔隙率、缺陷密度、殘餘應力、化學梯度及熱梯度、相變及各向異性)之獨特添加劑製程。

各種材料被選擇用於在電漿操作環境內跨廣泛生長動態使用。具體地，可經由脈衝能量電漿炬加工系統加工具有特定碳氧氫比率之烴氣體源及具有不同碳溶解度、熔點及晶體結構之固體金屬(或金屬合金)顆粒源。如此，可針對顆粒之伴隨初始表面熔化連同金屬表面處2D石墨烯及重新濺射之金屬的成核/或生長及併入來識別具體電漿加工參數。

在自微波電漿炬中將石墨烯併入至金屬中後，對沉積態材料/膜關於「covetic樣」性質進行表徵。作為實例，此等covetic樣性質可表徵為(例如)：(1)化學組成(諸如用於偵測雜質及用於偵測碳形式)；(2)碳分佈(諸如間隙—指金屬基體或晶格內之碳原子或物質之位置，晶內及晶間)；(3)導電性；及(4)材料之機械強度。表徵可包括石墨烯負載與未合金化母體金屬之間的比較。此外，僅作為實例，使用微波電漿炬，沉積態材料可表現出在約3%至90%範圍內(包含端值)之碳與金屬比率。在一些情況下，碳與金屬之比率在約10%至約40%之範圍內(包含端值)。在一些情況下，碳與金屬之比率在約40%至約80%之範圍內(包含端值)。在一些情況下，碳與金屬之比率在約80%至約90%之範圍內(包含端值)。在一些情況下，碳與金屬之比率大於90% (包含端值)。碳與金屬之比率可受定義塗層製程之參數或規格(諸如溫度、厚度、均質性等)之影響(或進一步影響)。

因此，碳可以使用習知技術無法達成之量存在，例如，根據各種實施例，所得材料可包含大於約6 wt%碳、大於約15 wt%碳、大於約40 wt%碳、大於約60 wt%碳或直至約90 wt%碳。在各種實施例中，碳可以前述量包含在金屬晶格中，使得所有或實質上所有的碳併入至金屬(或其他材料)晶格中，且晶界/晶格表面實質上或完全沒有碳聚集體及/或團聚物。此外，碳較佳地存在/位於晶格之間隙位點處。

圖7為描繪了塗層製程之圖700。該圖涉及金屬基板，該基板經受covetic材料之電漿炬噴塗，其繼而產生合成之複合碳塗層。金屬基板可包括鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其合金(例如，如上文描述之各種英高鎳合金 )或其他本體金屬材料中之任何一或多種。covetic材料可包含碳、石墨烯、奈米洋蔥、碳奈米管(CNT)、碳化物植入材料等中之一或多種。

電漿炬噴塗用於用經過沉積之材料塗覆輸入材料，且可使用脈衝能量操作。如所示出，經過沉積之(諸如藉由逐層濺射)材料可為碳、金屬(諸如上文列出的)及/或氧化物或氮化物中之任何一或多種。

使用上述炬會出現若干優點。該等優點中最主要的係製程之可擴展性及多功能性優點，以調配呈各種組態/架構的獨特之穩定金屬-碳複合材料。此等組態/架構之範圍為自完全緻密之薄膜塗層至隨後重熔及鑄造/成形為經工程化之金屬合金組件的厚條帶或顆粒。當與現有母體金屬合金調配物相比時，上述範圍中之此等物質中之每種物質均表現出出人意料的良好(及所要)的增強之機械、熱學及電學性質。另外，共價鍵合之2D石墨烯在金屬合金基體中之濃度及分佈的可調諧性高於熱力學溶解臨限值以及非平衡電漿環境中之逐層形成實現了新的一類複合材料，該類複合材料可被工程化以對應於特定應用及/或對應於特定性質要求。此外，與其他技術相比，此可以大幅降低之成本完成。

增強之機械、熱學及電學性質可應用於大量使用銅及鋁合金之應用。作為實例，此類應用包括(但不限於)：電線導體及高壓電力傳輸電纜、微電子熱管理及熱交換器以及許多使用薄膜電導體之應用，諸如電池、燃料電池及光伏。具體地，微波電漿炬製程與實現碳-金屬合金生產之組合在製造過程中顯著節省了能源以及提高了熱效率，且減少了最終應用效能中之電損耗。

前述電漿噴塗技術僅描繪了用於製造covetic材料之方法的一種類型。另一種類型涉及將碳顆粒噴塗至小熔融金屬顆粒上。關於圖8A-B、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13及圖14以及本文圖式中之討論示出並討論了此類型及該類型之各個方面。

圖8A-B為描繪了用於將碳顆粒噴塗至小熔融顆粒上之電漿噴塗製程800的示意圖。作為選項，電漿噴塗製程800 (或其任何態樣)之一或多種變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。電漿噴塗製程800或其任何態樣可在任何環境中實施。

所示之電漿噴塗技術用於各種塗層製程中，其中受熱材料被噴塗至表面上。藉由電氣手段(諸如電漿或電弧)及/或化學手段(諸如經由燃燒火焰)加熱原料(諸如塗層前體)。根據製程及原料，使用此類電漿噴塗技術可提供厚度在約20 µm至約3 mm之範圍內的塗層。塗層可以高沉積速率施加於大面積上。使用上述技術，沉積速率遠遠高於藉由習知塗層製程諸如電鍍或物理及化學氣相沉積可實現之沉積速率。

除了上述例示性材料之外(或替代上述例示性材料)，可用於電漿噴塗之塗層材料之類型包括金屬、合金、陶瓷、塑膠及複合材料。該等塗層材料以粉末形式或金屬絲形式被饋入於噴塗炬中，然後被加熱至熔融或半熔融狀態，且以微米大小之顆粒形式朝基板加速。燃燒或電弧放電可用作電漿噴塗之能量來源。所得塗層係由許多層噴塗顆粒之累積而成。在許多應用中，基板之表面不會明顯升溫，因此有利於許多物質(包含大多數易燃物質)之塗覆。

圖9為示出了將碳顆粒(諸如粒徑為20 nm至40 µm)噴塗至小熔融金屬顆粒上之效果的掃描電子顯微鏡影像900。噴塗至小熔融金屬顆粒上之碳顆粒可用于各種特殊應用。例如，電漿鋁-石墨複合材料可被專門設計用來為渦輪發動機提供塗層。替代方案包括使用鋁及鈦合金。該電漿噴塗塗層材料之生長速率為抛物線型的。電漿噴塗塗層材料在短時間段內沉澱，該沉澱在很大程度上與溫度無關。為了準備材料表面，某些製程包括對材料進行預熱。在一些實施方式中，為了準備金屬表面，亦使用砂礫進行噴砂。在一些實施方式中，噴塗至表面上之顆粒之某些部分仍然熱到足以在基板表面處形成covetic鍵。在其他情況下，小熔融顆粒處於形成金屬-金屬鍵之溫度下。

與使用習知炬相比，使用本文揭示之微波電漿炬技術能夠產生改良之材料。具體地，習知電漿炬固有之功率控制限制及其他組態約束限制了習知電漿炬獨立控制輸入材料及產生碳所需之其他條件的能力，該等條件在產生表現出足夠高質量及均質性之covetic材料方面係有效的。

圖10示出了描繪石墨烯生長溫度曲線圖1000之圖及二元相圖。作為選項，石墨烯生長溫度曲線圖1000或其任何態樣之一或多種變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。石墨烯生長溫度曲線圖1000或其任何態樣可在任何環境中實施。該圖亦示出了二元相圖，其中x軸為以原子百分比表示的所選金屬(如所示出，諸如銅)中之碳濃度。該圖中之溫度曲線圖中的溫度亦示出於相圖中。可使用各種金屬(諸如銀、錫等)。在一些情況中，形成了合金。

單層石墨烯(SLG)或少層石墨烯(FLG)在熔融金屬上之生長背後的一般想法為在一定溫度下將碳原子溶解在過渡金屬熔體內，然後允許溶解之碳在較低溫度下沉澱出來(指自溶液中產生固體)。

示意圖描繪了藉由(例如)以下步驟自熔融鎳生長石墨烯：(1)在與石墨(作為碳源)接觸的同時使鎳熔化；(2)在高溫下將碳溶解在熔體內；及(3)降低溫度以生長石墨烯。

如所描繪，基於金屬-碳二元相變，在給定之溫度下保持熔體與碳源接觸將引起熔體中碳原子溶解及飽和。在降低溫度後，碳在熔融金屬中之溶解度將降低，且過量之碳將在熔體頂部上沉澱。

圖11為(習知)電漿火焰設備1100之橫截面視圖。呈現該圖係為了將舊有電漿火焰設備之用途與本文揭示之微波電漿炬之用途區分開。具體地，儘管使用舊有電漿火焰設備可在金屬表面上產生金剛石或類金剛石材料，但該製程需要大量之時間用於碳之材料溶解及擴散，使得最終材料沉澱至金屬表面上。在使用目前揭示之實施方式產生本文所揭示之金屬-碳複合材料期間，所要石墨烯在金屬或含金屬複合材料層之間(或晶格或基體位點內)間隙生長及鎖定。然而，為此，必須以高速率調節溫度。遺憾的係，舊有電漿炬對於將間隙碳結構大小減小至奈米級(諸如對於實現本文所要之covetic材料可能係所要的)所需之溫度及其他條件不能提供足夠控制。

相比之下，脈衝微波反應器(與之前介紹的目前揭示之實施方式相關)及對應製程示出並描述於圖12中，以提供對將間隙碳結構大小減小至奈米級所需之溫度及其他條件的足夠詳細之控制。

圖12描繪了當「生長」石墨烯(指石墨烯逐層系統沉積或施加於熔融金屬顆粒的基本上平坦之暴露表面上)時使用之脈衝微波製程流程1200。作為選項，脈衝微波流程1200或其任何態樣之一或多個變型可在本文描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。脈衝微波製程流程1200或其任何態樣可在任何環境中實施。

當使用所示之脈衝微波製程流程1200時，石墨烯生長至小熔融顆粒上。此係藉由在脈衝微波反應器內在入口1204 (諸如在此處金屬粉末及載氣被引進到反應器室中)周圍發生之相互作用來完成。除了入口1204之外，亦在反應器設備一側之不同高度處設有製程氣體端口1202及額外端口(諸如額外端口1203 ₁及額外端口1203 ₂)。波導至少橫穿自反應器一側之製程氣體端口1202之位置至反應器一側之入口1204之位置的距離。下面進一步揭示了如何製造及使用端口來將材料引入及持續供應至此反應器中以將石墨烯生長至小熔融顆粒上的細節。更具體地，關於圖13示出及描述圖12之反應器中之某些組件。

圖13為用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之習知脈衝微波電漿噴塗波導設備1300的透視圖。作為選項，脈衝微波電漿噴塗波導設備1300或其任何態樣之一或多種變型可在本文所描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。脈衝微波電漿噴塗波導設備1300或其任何態樣可在任何環境中實施。

在該實施方式中，將微波遞送組件及脈衝電源整合以形成「surfaguide」(或類似物)氣體反應器。如所示出，此等組件之組合經組態以促進使用微波電漿炬將石墨烯生長至小熔融顆粒上。

替代方法為使用鎢惰性氣體(TIG)電漿源執行微焊接，以部分或完全地使金屬熔化。關於圖14示出並描述此類微焊接技術。

圖14為用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之微焊接技術1400的示意性描繪。作為選項，微焊接技術1400或其任何態樣之一或多種變型可在本文所描述之實施方式之架構及功能的上下文中實施。微焊接技術1400或其任何態樣可在任何環境中實施。

低功率低流量TIG焊機電源及具有定制電漿容納區段之控制單元可有效地用於加熱所有類型之金屬顆粒。如所示出，當排氣羽流插入於表面波電漿氣體離解管中時，該排氣羽流允許保持足夠高之溫度來生長石墨烯。涉及對非平衡條件下形成的由烴及其他添加氣體構成之電漿自由基之控制的該生長模式提供了許多可被微波電漿噴塗設備之許多不同組態所利用的調諧機會。圖15、圖18A1、圖18A2、圖18B、圖18C及圖18D以及其他圖及對應之書面描述揭示了電漿噴塗設備之例示性組態。

圖15為呈同軸組態1500之電漿噴塗設備的示意性描繪。作為選項，同軸組態1500或其任何態樣之一或多種變型可在本文所揭示之實施方式之架構及功能的上下文中實施。同軸組態1500或其任何態樣可在任何環境中實施。

在同軸式實施方式中，微波能量遞送係經由饋入天線中之TEM波實現，其中同軸部件之外部部分為石英管，該石英管之外部為流動之粉末金屬顆粒。在此實例中，饋入中心區域中之氣體為諸如甲烷等烴氣體，該烴氣體在該中心區域吸收微波輻射。粉末藉由自中心區域逸出之微波能量及外部感應加熱來加熱，從而使金屬粉末(呈微粒形式)在顯示之反應器室之傾斜部分或尖端附近熔化。當CH ₄分解(為其組成物質、碳、氫及/或其衍生物)時，碳自由基經由電漿自由基之能量在熔融金屬液滴表面上成核。微波占空比之調諧及感應加熱之調諧以及電漿特性之調諧有助於維持熔體與電漿分解/電離區域之間的不同溫度。此外，非平衡溫度允許(促進)石墨烯/碳之內部晶格放置，且快速淬火創造了有利於其他covetic材料生長之條件。

圖16為示出了藉由經歷一系列非平衡能量條件進行加工之材料之演變的電漿噴塗設備1600的示意性描繪。作為選項，電漿噴塗設備1600 (或其任何態樣)之一或多種變型可在本文所揭示之實施方式之架構及功能的上下文中實施。電漿噴塗設備1600或其任何態樣可在任何環境中實施。

該圖描繪了材料在其通過該設備時之演變。具體地，該圖描繪了在其中發生不同漸進性變化之區域，使得在尖端附近之區域中石墨烯生長至小金屬熔體顆粒上。此材料沉積至基板上。

圖17描繪了用於將石墨烯生長至熔融顆粒上之表面波電漿系統1700。作為選項，表面波電漿系統1700或其任何態樣之一或多種變型可在本文所揭示之實施方式之架構及功能的上下文中實施。電漿系統1700或其任何態樣可在任何環境中實施。

在所示組態中，供應氣體被饋入設備之中心區域中。在此實例中，使用了諸如甲烷等烴氣體。烴氣體吸收微波輻射，該微波輻射為加熱金屬粉末提供熱源。因此，金屬粉末係使用以下兩者來加熱以在尖端附近熔化及變成熔融的：(1)自中心區域逸出之微波能量；及(2)外部感應加熱。當烴氣體分解時，碳自由基經由電漿自由基之能量在熔融金屬液滴表面上成核。

圖18A1描繪了電漿噴塗炬之軸向場組態1810。已經使用若干不同之設備及對應製程討論了covetic材料之形成。可對上述設備及對應製程中之任何設備及製程進行調諧以達到用於形成covetic材料之特定條件。在所示之具體軸向場組態中，製程包括在電極之間產生電場1804，以產生通過金屬及碳材料之熔體的電流。具體地且如所示出，特別組態之電漿炬具有外部控制之場，在該場中，熔化顆粒形成電漿，該電漿繼而變成元電極。場另一側之電極由所示之生長板1803形成。covetic材料加速通過加速區域1821，然後沉積至表面上。所產生之合金及covetic材料繼續沉積至生長板上及/或碰撞區域1823中先前沉積之材料上。該沉積技術產生碳載量均質且濃度高之材料。

可選擇及改變輸入材料，以便實現表現出特定性質之材料。例如且如所示出，電漿噴塗炬之輸入可包括各種輸入氣體1812以及輸入金屬及/或碳顆粒1818。上述輸入可被引入至一或多個輸入端口1862中。在一些情況下，輸入金屬及/或碳顆粒被夾帶在輸入氣體1812之流內。此外，生長板可在正在進行之沉積期間改變其尺寸及組成。例如且如所示出，生長板1803最初可為基板1816，在該基板之頂部沉積有炬料流中之熱covetic材料，該炬料流在covetic材料沉積時至少部分地使基板熔化。所沉積之熱covetic材料自熔融或部分熔融狀態冷卻以形成淬火層。

以此方式，可形成任何數量之層。可控制基板處及/或最頂層處或最頂層附近之溫度，使得當下一層材料落在剛剛先前沉積之層的熔融金屬上時，新沉積之層以側向方式生長以在此熔融金屬表面上產生單層石墨烯。該機制與其他技術之區別至少在於，與其中碳自熔融金屬漿料中沉澱出來之習知金屬熔化方法103相比，本文揭示之電漿噴塗炬方法104之應用導致在短時間段內淬火，使得沒有足夠之時間讓碳自基體中沉澱出來。因此，covetic鍵在整個層中保持完整。片刻後，在淬火已經形成金屬固體及分散良好之碳之後，在其頂部上噴塗另一層，依此類推，從而形成單層石墨烯之層，該等層生長、俘獲並快速淬火以在基體內產生具有極高碳載量之真正covetic材料。作為一個實例，當使用習知金屬熔化方法103 (參見圖1A)時，碳載量可達到6%之碳金屬。相比之下，當使用電漿噴塗炬方法104 (參見圖1A)時，很容易實現60%之碳載量。在一些情況下，對電漿噴塗炬及其環境之輸入及製程參數的嚴格控制允許所產生材料中之碳載量接近多達90%。

使用電漿噴塗炬之實驗結果已經表明，可藉由至少兩種快速淬火(諸如「噴濺」)方法形成高負載高度均勻之covetic層。第一種方法引入碳顆粒來覆蓋金屬顆粒(諸如在電漿中)，且然後將所產生之熱混合物噴塗至溫度低得多之基板上。第二種方法在電漿中產生石墨烯，且然後引入覆蓋石墨烯之熔融金屬。在該兩種情況下，真正之covetic (指共價及金屬化學之組合)鍵合在處於電漿羽流中時發生，且噴霧之快速淬火用於將混合物俘獲至有機金屬晶格中。

如圖18A2所示，可藉由控制電漿火焰1814與基板之間的距離及/或藉由控制基板1816處之溫度(諸如高於或低於環境溫度)及/或藉由控制反應器內部及周圍之壓力使淬火層1824之深度或厚度更厚或更薄。

圖18B描繪了電漿噴塗炬之徑向場組態1820。在該組態中，熔化顆粒在炬內形成電漿，其中電漿變成元電極。其他電極係由內壁之一側形成。

圖18A1、圖18A2及圖18B之前述組態僅為實例。在不脫離本文揭示之電漿噴塗炬之一般性的情況下，涉及不同輸入材料及不同輸入端口組態之其他組態亦為可能的。此外，涉及不同輸入材料及不同輸入端口組態之不同組態可達到相同的預期結果。例如，經調諧以實現相同所得材料之兩種不同組態關於圖18C及圖18D示出及描述。具體地，圖18C及圖18D中之例示性組態可用於將陶瓷膜材料電漿噴塗炬沉積至含碳顆粒(諸如含石墨烯之顆粒)上。

實際上，含碳材料之薄膜沉積(諸如經由大氣壓化學氣相沉積(APECVD)及/或化學氣相沉積(CVD)之其他變型)已進入材料加工之許多領域。涉及此類含碳材料之各種複合材料及塗層可表現出改良之物理性質(諸如強度、防腐蝕性等)。憑藉含碳材料內之分子級組態，各種2D碳及3D碳之形態特性有助於複合材料及塗層具有此等改良之物理性質。在一些情況下，在複合材料及塗層中使用2D碳及3D碳大大提高了所得含碳材料之耐高溫性；然而，在一些情況下，此等高溫升高到~2100℃以上，此高到足以燃燒2D碳及3D碳本身。遺憾的係，破壞2D碳及3D碳繼而破壞了複合材料或塗層中由碳最初產生之益處。因此，需要沉積技術(諸如電漿噴塗炬組態)來產生不受高於碳燃燒溫度之溫度影響之複合材料或塗層。

圖18C描繪了此組態，僅作為非限制性實例。藉由調諧輸入及各種反應器內條件，含石墨烯之材料可塗覆有有機改性矽(ORMOSIL)之吸熱層。ORMOSIL陶瓷材料沉積至含石墨烯之材料上可經由若干方法實現，該等方法包括使用含矽前體1841 (諸如六甲基二矽氧烷)及諸如氧氣等反應性氣體進行大氣、反應性電漿增強化學氣相沉積之製程。含矽前體及氧氣之此特定混合物在電漿內具有反應性。在電漿火焰內發生之分子離解導致氧化矽沉積至諸如前述生長板1803等表面上。為此，控制反應器內條件使得有機改性矽陶瓷在含碳顆粒在反應器內形成時就沉積至其表面上。控制反應器內生長及反應器內沉積(諸如藉由控制APECVD製程)導致在含碳顆粒周圍形成薄之石英塗層，該等含碳顆粒繼而沉積至基板上。薄石英塗層充當阻燃層，以防止含碳顆粒在高溫下燃燒。

圖18D描繪了替代組態，僅作為非限制性實例。如所示出，將金屬材料及/或含碳材料輸入至反應器中。控制微波能量1822以至少達到離解含碳材料(諸如圖10中之T(c-dis))之溫度。將含矽前體1841 (諸如HMDSO、HMDSN等)引入至電漿火焰中，且將電漿餘輝中之溫度降低。由於溫度降低，碳顆粒開始形成，從而變得被氧化矽塗覆。然後塗覆有氧化矽之碳顆粒沉積至基板上。

在一個實施方式中，可將此等3D材料之大約10 nm厚之薄層沉積至基板上，該基板即便在1200℃亦不會燃燒或著火。此係因為原始碳(諸如石墨烯)係結晶的，如此其並非非晶形材料。而是，該原始碳已經變為其根本不能再被燃燒之狀態。

在一種使用情況下，前述電漿噴塗炬技術可用於產生新型非共熔焊料。或者作為另一種使用情況，電漿噴塗炬可將材料塗層直接噴塗至基板上，以防止下面之材料氧化。

除了形成即使在大氣壓下於1200℃下亦不會燃燒之材料之外，將石英置於材料周圍通常會產生巨大之應用優勢。

除了有機改性矽之外，其他有機物質亦可用于塗覆碳顆粒或碳層。可控制塗層之特性。作為一個實例，噴塗材料之表面之孔隙可經調諧而為水力光滑的。

電漿噴塗炬可用于形成由石墨烯及矽構成之吸熱、經玻璃塗覆、不可燃之石墨烯，其中矽塗覆石墨烯，使得石墨烯能夠承受高於1600℃之溫度。此吸熱、經玻璃塗覆的、不可燃的石墨烯吸收紅外能量。

一種用於產生有機改性矽塗層之具體方法包括以下步驟(例如)：(1)將含矽前體引入至電漿噴塗炬設備中；(2)將含矽前體與載氣組合，該載氣具有夾帶在前體氣體中之碳顆粒；及(3)用矽塗覆碳顆粒。

由圖18C及/或圖18D之電漿噴塗炬組態產生的阻燃及紅外遮蔽材料之特性可至少部分地藉由控制反應器中之時間-溫度路徑來調諧。更一般地，由圖18A1、圖18A2、圖18B、圖18C或圖18D之電漿噴塗炬組態產生的材料之特性可至少部分地藉由控制(諸如脈衝)反應器內之微波能量來調諧。

圖19為描繪了在脈衝接通及脈衝斷開期間之能量對時間之圖1900。更具體地，該圖示出了一個完整之時間循環，自時間T = 0至50微秒，其中微波被連續打開，且然後所示循環之剩餘部分描繪了微波被關閉之時間。繪製之曲線描繪了(1)密度之變化及(2)循環中溫度之變化。在時間T = 0時，溫度處於最低點(諸如圖之原點處所描繪)。溫度迅速上升，然後下降，在該時間期間電漿密度達到相對穩定之值。當在時間T = 50微秒關閉微波時，電漿密度及暫時之電子溫度均迅速下降。可控制脈衝時間及占空比，以便在任何時間點達到特定之密度及溫度。

圖20A1描繪了示出當使用電漿噴塗炬將碳及銅組合時發生之有機金屬鍵合的影像。如所示出，碳2052深深嵌入銅2054中。如通常理解及本文所提及，有機金屬化學意謂著有機金屬化合物、在有機分子之碳原子與金屬(包括鹼金屬、鹼土金屬及過渡金屬，且有時會擴大到包括諸如硼、矽及錫等類金屬)之間含有至少一個化學鍵之化合物的研究。除了與有機基片段或分子之鍵合外，與「無機」碳(如一氧化碳(羰基金屬)、氰化物或碳化物)之鍵合通常亦被視為係有機金屬的。有機金屬化合物之討論中可包含如過渡金屬氫化物及金屬膦複合物等相關化合物，但嚴格地說，其不一定為有機金屬的。

在有機金屬化學中，有機銅化合物含有碳與銅化學鍵，且可具有獨特之物理性質、合成及反應。有機銅化合物之結構及反應性可能多種多樣，但對銅(I)之氧化態仍然有些限制，諸如表示為Cu ⁺。作為d ¹⁰金屬中心，其與Ni(0)有關，但由於其較高之氧化態，其參與較少之π反饋鍵合。Cu(II)及Cu(III)之有機衍生物可被稱為中間體，但很少被分離或甚至觀察到。在幾何形狀方面，銅(I)採用對稱結構，與其球形電子外殼保持一致。通常，可採用以下三種協調幾何形狀之一：線性2坐標、三角3坐標及四面體4坐標。有機銅化合物與各種軟配體(諸如烷基膦(R ₃P)、硫醚(R ₂S)及氰化物(CN ⁻))形成複合物。

藉由上述技術中之任何一或多種技術，圖20A1及圖20A2中描繪之碳可與銅化學鍵合，而不是僅僅與銅並置以經由凡得瓦力(諸如指原子或分子之間的距離相關相互作用)黏附於其上。與離子鍵或共價鍵不同，凡得瓦力並非由化學電子鍵產生；凡得瓦力相對較弱，因此更容易受到干擾。此外，凡得瓦力在相互作用分子之間的距離較長時會迅速消失。而是，希望金屬與碳之間進行有機金屬鍵合。

圖20A2描繪了表示施加至基板材料之物質之分級組合物並示出三種材料性質區域的影像。本體金屬區域2066為該三個材料性質區域中之第一材料性質區域。如所示出，第一材料性質區域包括呈第一晶型之金屬，該第一晶型具有第一材料性質區域中存在之金屬原子之間的顯著金屬鍵。此第一材料性質區域與至少部分地與第一材料性質區域重疊之第二材料性質區域實質上相鄰。covetic材料區域2064包括呈第二晶型之至少一些碳原子，其中第二晶型具有至少一些非極性共價鍵，該等非極性共價鍵位於存在於第二材料性質區域之碳原子中之一些碳原子與存在於第一材料性質區域中之金屬原子之間。頂表面區域2062為至少部分地與第二材料性質區域重疊之第三材料性質區域。此頂表面區域包括以第三晶型取向之其他碳原子。第三晶型之特徵在於在存在於第三材料性質區域中之額外碳原子中之單獨碳原子之間具有至少一些非極性共價鍵。在各種實施方式中，在該等區域中之任何區域中可存在一些金屬原子，且在該等區域中之任何區域中可存在一些碳原子。然而，此實施方式之特徵在於與本體金屬區域2066鄰接之更高金屬含量區域2074。在各種實施方式中，在該等區域中之任何區域中可存在一些碳原子，且在該等區域中之任何區域中可存在一些金屬原子。然而，此實施方式之特徵在於與頂表面區域2062鄰接之更高金屬含量區域2072。

圖20B為描繪了當將碳添加至本體鋁時發生之若干分層組態的材料演變圖20B00。在此等實施方式中，材料被噴塗至現有的富碳covetic基板或碳化物層上，以經由碳燒結及/或金屬熔體封裝來產生碳與碳之鍵合，繼而產生附著物以形成複合膜。材料演變圖20B00僅為噴塗至鋁本體材料上之組合材料(碳化矽)之一個實例。可對該製程進行調諧以產生沉積至本體材料上之covetic或covetic樣膜。然後可塗覆所產生之材料以產生功能化之頂層。用於將組合材料噴塗至基板上之設備的一種可能組態在圖21A中給出。

圖21A描繪了用於將材料之熔融混合物噴塗至基板上之設備。該圖描繪了微波反應器，該微波反應器在貯存容器內包括多個區域。脈衝微波能量被遞送至貯存容器中。經由入口端口提供烴製程氣體605。微波能量將製程氣體加熱到足夠高之溫度以形成電漿。貯存容器內材料之膨脹會產生電漿羽流。將材料連續添加至貯存容器中與上述膨脹相組合會在羽流中及其周圍產生炬效應。由於電漿羽流內部及其周圍之高溫，碳與氫離解，從而形成幾種不同之烴物質(諸如CH ₃、CH ₂)。隨著溫度繼續升高(如所示出，在第一區域2104中)，所有或幾乎所有之碳原子皆與氫離解。使用任何已知技術(諸如使用氣-固分離器)，將僅含氫之物質與固體碳物質分離。

在貯存容器之第一區域2104與貯存容器之第二區域2106之間的界面處，熔融金屬或熔融金屬複合材料或熔融陶瓷-金屬或金屬基體或任何種類之金屬混合物經由第二入口被引入至貯存容器(如所示出)中。第二入口之位置係基於電漿羽流之尺寸及/或進入貯存容器之入口點處之熔融金屬之溫度來選擇。更具體地，在熔融金屬與碳物質混合之位置處將金屬熔體2108引入至反應器中。當混合物流過(諸如以高速率)貯存容器時，混合物冷卻至較低之溫度。流動之混合物以高速率離開貯存器，使得碳及熔融金屬之混合物自出口2110噴出。將混合物沉積(諸如經由將噴塗材料2112噴塗)至目標基板2116上。關於圖23A至圖23D示出並討論了用於控制噴塗材料2112及/或所得沉積材料2114之均勻性的各種機制。

第二區域中之溫度足夠低以致於碳中之至少一些碳自混合物中沉澱出來。然而，大部分離解之碳仍與熔融金屬混合。當與碳混合之熔融金屬到達目標基板2116時，其冷卻成固體。在自熔融混合物轉變為固體沉積物期間，碳被截留在金屬層與碳層之間。在某些溫度下，碳與金屬形成非極性共價鍵，因此產生covetic材料。由於金屬基體與碳之間的內聚力(諸如非極性共價鍵)增加，該covetic材料表現出一系列機械、熱學、電學及摩擦學性質。

此類covetic材料為使用脈衝微波能量來控制反應器之第一區域及第二區域中材料成分之能量分佈的結果。更具體地，反應器之第一區域及第二區域中材料成分之能量分佈可部分地藉由脈衝微波及部分地藉由在反應器室之外部環境中使金屬顆粒預熔融來控制(諸如以便將完全熔融或部分熔融之金屬引入至反應器室中)。可單獨或組合使用任何已知技術來使金屬顆粒熔化。如此，可控制完全熔化或部分熔化之顆粒的程度及/或混合。

圖21B描繪了用於將covetic材料噴塗至基板上之方法。該方法可結合圖21A中之設備使用。如所示出，該方法係使用具有用於製程氣體之入口、用於金屬熔體之入口及出口之微波反應器來執行。在操作之前，微波反應器被組態為具有用於烴製程氣體之入口、用於金屬熔體之入口，及出口(操作21B02)。在操作21B10處，入口用於將烴製程氣體引入反應器之第一區域中。使用微波能量，反應器之第一區域中之溫度升高，使得烴製程氣體在接觸金屬熔體之前離解成碳及氫物質。不同之入口用於將金屬熔體引入反應器之第二區域中(操作21B20)。保持第二區域中之高溫直至離解之碳與金屬熔體混合(操作21B30)。上述羽流之作用用於將混合物移動至反應器之第三區域中(操作21B40)。移動遠離微波能源具有降低混合物溫度之效果，直至碳中之至少一些碳自混合物中冷凝出來(操作21B50)。然而，即使溫度降低，電漿炬效應仍用於使混合物以高速率移動通過出口(操作21B60)。如此，將熔融混合物噴塗至基板上(操作21B70)。

圖21C為描繪了用於噴塗膜之電漿噴塗製程之示意圖。如所示出，碳自由基、多環芳香族物、石墨烯片材及金屬顆粒在電漿反應器(諸如指所示之第一區域2104)中在高溫下混合。在此等高溫下發生成核，且在反應器(諸如指所示之第二區域2106)內溫度降低時，開始生長及組合。藉由被塗覆了少層石墨烯的亞微米大小之鋁顆粒描繪了一種可能之生長機制。此等亞微米大小之鋁顆粒可使用金屬鍵、非極性共價鍵及covetic鍵之組合而保持在一起。更具體地且如以2 nm級所示的，碳原子與鋁原子鍵合。碳原子被組織到位於鋁基體內、較佳地交錯於鋁基體之基面之間的相干石墨烯平面中。涉及鋁之前述討論僅為實例。可使用其他金屬。事實上，相干石墨烯平面可不僅位於(同樣，較佳地位於基面之間)面心立方(FCC)金屬晶格中，而且亦位於體心立方(BCC)金屬晶格中，或者位於六方密積(HCC)金屬晶格中。

然後前述經塗覆之顆粒可被燒結以形成直徑大約為100µm之顆粒。此等半熔融顆粒然後加速通過反應器，且碰撞到基板上(諸如在第一次通過中)或碰撞到先前沉積之碰撞顆粒層上(諸如在第二次或第N次通過中)。

圖22A描繪了用於用熔融金屬包裹碳顆粒之設備。圖22A中設備之組態與圖21A中設備之組態的不同之處至少在於使用熔化設備2209控制熔融金屬之引入。當將熔融金屬引入至反應器中時，控制金屬熔體以產生包裹在碳顆粒周圍之熔融金屬。

圖22B描繪了用於用熔融金屬包裹碳顆粒之方法。在操作之前，微波反應器被組態為具有用於烴製程氣體之入口、用於金屬熔體之入口，及出口(操作22B02)。在操作22B10中，入口用於將烴製程氣體引入反應器之第一區域中。該方法與圖21B之方法的不同之處至少在於，在操作22B30中，反應器之不同區域中的溫度被保持，使得一些碳顆粒物質由離解之碳形成。前述羽流之作用用於將混合物移動至反應器之第三區域中(操作22B40)。在操作22B50中，此等碳顆粒中之至少一些碳顆粒被熔融金屬包裹。在碳顆粒之組成原子與金屬熔體之原子之間形成一些鍵。在操作21B60中，金屬包裹之碳顆粒移動通過出口，從而進一步降低溫度。當金屬包裹之顆粒沉積至基板上時(操作21B70)，在金屬包裹之碳與基板之金屬之間形成其他鍵。

圖23A、圖23B、圖23C及圖23D描繪了根據一些實施方式之例示性沉積技術。

如圖23A所示，所沉積之材料具有曲線形狀，其特徵在於更高高度之中間區域及更低高度之端部區域。在一些情況下，此為少量沉積材料之所要形狀。在其他情況下，希望將沉積材料噴塗至更大之區域上。此可藉由相對於噴霧移動基板或藉由相對於基板移動噴霧來實現。圖23B描繪了佈置至供帶盤上之撓性基板2310。撓性基板可被拉到收帶盤上並圍繞收帶盤。如此且在圖23B之組態中，噴霧將covetic材料均勻地沉積至移動之基板上。當噴塗材料2112與基板之間的相對移動受到控制時，所得沉積材料具有均勻之厚度。

在一些情況下，希望在沉積材料之表面處具有不平坦但均勻之圖案化。在此類情況下，基板之移動可逐步通過一系列離散位置，從而形成圖23C之圖案化。另外地或替代地，開縫天線可設置於噴塗材料2112與基板之間。開縫天線藉由將噴霧均勻地分佈在開縫天線之側向距離上起作用。使用此開縫天線，噴塗材料2112之單個點可具有實質上如圖23D所示之厚度及表面均勻性。

圖24A及圖24B描繪了用於將材料沉積至基板上之習知技術。如圖24A所示，經由使用黏結劑(諸如聚合物)將碳團聚物保持在一起。此導致碳團聚物與基板之間的界面處之結合較弱。圖24B描繪了使用黏結劑將碳材料塗覆至基板上。使用黏結劑之習知沉積遭受剝離之不利影響。此外，即使當基板之表面經過機械預處理及/或藉由黏結劑材料之沉積進行預處理時，基板與碳團聚物之間的相互作用亦較弱。

如前所述，基於使用黏結劑及/或使用塗覆技術(諸如關於圖24A及圖24B所示及描述)將材料沉積至基板上之塗層遭受剝離、低強度特性及其他非所要之機械性質的不利影響。在圖25A及圖25B中示出及討論了基於電漿噴塗技術之改良。

圖25A及圖25B描繪了根據一些實施方式的在基板之表面處產生非極性共價鍵合的例示性沉積技術。具體地且如所示出，當使用本文揭示之技術時，藉由碳與基板之間的非極性共價鍵形成covetic材料。如此，不需要或不使用黏結劑。此外，在基板與covetic材料之間的界面處形成的許多非極性鍵為強共價鍵。在一種特定情況下，當基板為鋁時，在鋁之面心立方結構中的原子與六邊形結構中的碳原子之間形成非極性共價鍵。圖25B中描繪了界面鍵合之示意圖。

圖26A、圖26B、圖26C及圖26D呈現了描繪如何在鋁之面心立方結構的正方形形狀中之位點與碳之某些晶體結構中出現的六邊形形狀中之位點之間形成非極性共價鍵的示意圖。

圖26A為示出了鋁之面心立方結構之正方形形狀的正交視圖。圖26B為示出了鋁之某些晶體結構中出現之六邊形形狀的正交視圖。

圖26C描繪了鋁之面心立方結構之正方形形狀的頂部上之碳之某些晶體結構中出現的六邊形形狀之一種可能疊加。圖26D描繪了在某些位點處形成之非極性共價鍵。鋁之面心立方結構之實例僅為一個實例。具有其他晶體結構之其他金屬為可能的。藉由一些實施例展現的意想不到之性質假設係由碳原子與金屬原子之間的非極性共價鍵合係足夠的/有效的而能夠「截留」通常存在於展現出金屬鍵合之化合物中的所有或實質上所有(例如，至少90%、至少95%、至少98%、至少99%等)「自由」電子引起的，因此更改通常與金屬及含金屬化合物中存在「自由」電子相關聯的性質。例如，某些實施方式之特徵可能在於創新物質組合物之表面實際上不具有「自由」電子，因此展現出降低之導熱性及/或導電性。此外，對於實際上不具有「自由」電子之實施方式，創新組合物之表面在暴露於周圍空氣時不會氧化。

圖26E為分層之covetic材料26E00之實例，其中石墨烯樣結構夾在金屬材料層之間。金屬材料之較低層為基板層。金屬材料之頂層係由之前在處於反應器中時熔融之淬火材料形成。由於兩個金屬層之間形成了金屬-金屬鍵，夾在金屬材料層之間的石墨烯樣結構被捕獲在兩個金屬層之間。除了金屬鍵之外，亦形成了用於將石墨烯樣材料包圍在金屬層之間的其他鍵。在一些位置中，碳晶格中存在缺陷。各種類型之鍵在此類缺陷之間或附近形成。

任何或所有用於形成covetic材料之前述技術可用於涉及許多不同類型之基板的很多應用中。此外，可控制噴霧與基板之間的相對移動以產生任何厚度之沉積物。可使用任何已知技術來控制相對移動。例如，出口可在固定基板上移動。此可使用相對於固定基板移動之手持裝置或機器人控制之裝置來實現。在一些情況下，可使基板經受偏壓，使得自出口噴出之材料中之至少一些材料被靜電吸引至基板之表面。此在其中基板不均勻平坦之應用中具有適用性。作為實例，基板不均勻平坦之應用可包括：(1)用於經受腐蝕性惡劣條件之機械中的成型組件；(2)渦輪葉片；(3)熱交換器組件等，其中許多應用將在下文進一步討論。

在其他情況下，可經由使用各種化學氣相沉積技術及/或各種化學氣相沉積技術之組合來增強沉積之特性(諸如厚度、橫向均勻性等)。僅作為一個實例，可控制與本領域已知之電漿增強化學氣相沉積技術有關之態樣或參數，以便最佳化沉積之covetic材料層之特性。作為另一個實例，不是將covetic材料沉積至表面上以形成膜或塗層，而是可將covetic材料形成為顆粒(諸如藉由噴塗至較低溫度環境中)並收集粉末形式之顆粒。下面簡要討論涉及產生及使用粉末狀covetic材料之各種技術。 粉末狀 covetic 材料

在一些情況下，不是將covetic材料形成為基板上或其中之膜或塗層，而是可將covetic材料以covetic材料粉末之形式遞送。此粉末狀covetic材料可在其離開反應器時被收集，冷卻至低於covetic材料熔點之溫度並以粉末之形式被收集。粉末繼而可在室溫下處理(諸如儲存及運輸、傾倒、混合等)。然後可將粉末重熔並壓制成型件或重熔並重新噴塗。作為實例，在高腐蝕性環境中使用之組件可使用射出成型或擠壓由此類粉末狀covetic材料形成。可單獨或組合地使用許多設備來形成及運輸covetic材料粉末。關於圖27A、圖27B1及圖27B2示出並討論了例示性設備。

圖27A描繪了用於在迫使噴霧通過微波反應器之出口2110時使用冷卻區域2702來冷卻噴霧材料2112以產生粉末狀covetic材料2710的例示性設備27A00。按任何組合之任何一或多種冷卻技術可用於將冷卻區域2702中之covetic材料的溫度降低至低於covetic材料之熔點的溫度。冷卻區域2702可容納一或多個設備以引起冷卻。例如且如所示出，收集容器2704可裝配有一或多個設備以在收集容器中引起旋風效應，從而增加用於降低covetic材料之溫度的時間。在一些情況下，控制(諸如經由增加或減少時間)冷卻covetic材料之時間，以允許covetic材料以高度規則之鍵合進行退火。在一些情況下，控制covetic材料冷卻之時間允許covetic材料結晶成高度規則之晶體結構，同時仍保持粉末形式。在一些實施方式中，可在微波反應器之出口2110與收集容器2704之間裝配機械轉筒-攪拌器。轉筒-攪拌器可定期清潔或更換。

替代地或另外地，且在方便及/或需要在流體中容納及/或運輸粉末狀covetic材料之情況下，可使用流化床設備。例如，為了避免形成粉末顆粒之聚集體及/或團聚物，可將粉末狀covetic材料保持(例如，懸浮)在液體中。在一些實施方式中，流化床設備可裝配在微波反應器之出口2110與收集容器2704之間。關於圖27B1及圖27B2示出及描述了此類流化床設備之一個實施方式。

圖27B1及圖27B2描繪了用於冷卻及處理流體中之粉末狀covetic材料之例示性流化床設備27B00。

如所示出，熔融金屬及碳混合物被迫使通過反應器之出口並進入流化床2750之頂部中。當熔融金屬及碳混合物被迫使離開出口時，其以形成顆粒之方式冷卻。顆粒受到向下之重力的作用(諸如所示出，在向下之方向上)，同時自流化床之底部驅迫製程流體2754以產生向上之力。如此，顆粒以比局部重力之加速度變化率慢之加速度變化率朝向流化床底部加速。可藉由流化床之幾何形狀來部分地調節流動動力學。例如且如所示出，一定長度之流化床可形成錐形主體2762，其中錐形主體之第一端部具有第一尺寸D1，且其中錐形主體之第二端部具有第二尺寸D2，且其中D1 ＞ D2。流化床之各個部分內的溫度可部分地藉由為線圈供電之電源2752 (如所示出)及/或藉由在製程流體進入流化床底部之前加熱製程流體2754之熱源2760來控制。

流化床中及流化床之環境界面處之壓力及流速以及其他條件用於使粉末及流體混合物一起表現為流體。該混合物表現出流體之許多性質及特性，諸如在重力作用下自由流動之能力及/或使用流體處理技術進行泵送之能力。

在圖27B1及圖27B2之實施方式中，流化床具有定位於錐形主體不同高度處之多個端口。此使得流體中之第一粉末2756 ₁在特定溫度/壓力下流出，而流體中之第二粉末2756 ₂在第二不同之特定溫度/壓力下流出。可控制通過多個端口之流量，使得收集容器可收納任何比率或量之流體中之第一粉末2756 ₁及流體中之第二粉末2756 ₂。 形成 covetic 材料之方法 表3示出了用於形成粉末狀covetic材料之方法之一些非限制性實例。

例示性方法	名稱
例示性方法1	在基於微波反應器之電漿噴塗炬中離解烴製程氣體之後產生有機金屬材料
例示性方法2	在微波反應器內之輸入顆粒上生長碳同素異形體
例示性方法3	在基於微波反應器之電漿噴塗炬中離解替代性製程氣體之後塗覆輸入材料

表3 例示性方法 1

在方法1之一些實施方式中，結構化碳(諸如碳同素異形體)形成于微波反應器之第一區域中(諸如經由烴製程氣體之離解)。在比第一區域低之溫度下的第二區域中，結構化碳用金屬裝飾，以便形成金屬化碳材料(諸如有機金屬材料)。金屬化碳材料被進一步冷卻至低於金屬熔點之溫度。在一些實施方式中，金屬化碳材料最初呈用金屬裝飾之碳顆粒形式。顆粒被進一步冷卻以便形成粉末。該粉末可被收集並被運輸至施加設施。包含具有covetic鍵之金屬化碳材料的粉末可重熔並與用於由粉末形成組件之任何已知技術一起使用。僅作為實例，組件可藉由使用模壓然後重熔、等靜壓制然後重熔、熱鍛、金屬射出成型、激光燒結等由粉末形成。 例示性方法 2

在此方法2中，一或多種烴氣體(或在一些情況下為氣體及液體)輸入至系統中。僅作為實例，可輸入至系統中之氣體及/或液體包含甲烷、乙烷、甲基乙炔-丙二烯丙烷(MAPP)及己烷。在處於第一溫度下之第一區域2104中，碳原子與其他原子離解(諸如與氫離解)。熔融金屬2108作為金屬顆粒被引入反應器中。然後，在第二區域2106中，在第一區域中產生之碳與金屬顆粒組合。碳可在金屬顆粒之表面上生長及/或在金屬顆粒之內部生長。在一些情況下及在一些條件下，碳生長包括2D碳在金屬顆粒上或金屬顆粒中之生長。在其他情況下及/或在其他條件下，碳生長包括3D碳在金屬顆粒上或金屬顆粒中之生長。在任何前述生長情況中，該生長可在晶格允許之最大程度上發生。例如，熔融金屬可為具有面心立方(FCC)晶體結構之鋁，且碳可形成具有高達特定濃度之鋁的固溶體。在一些實施方式中，碳形成具有高達由金屬性質(諸如晶體結構)確定之濃度之金屬的溶液，且然後自金屬-碳溶液中沉澱出來，以在金屬顆粒上及/或在金屬顆粒內形成2D或3D碳。

此方法2中之生長係在非平衡熱條件下進行。具體地，用於控制(例如)以下各項之各種不同熱條件：(1)第一區域中之控制前述離解所需要之第一溫度(諸如較高溫度)，及(2)第二區域中之用於控制金屬粉末之初始熔化及/或第二區域中金屬-碳顆粒之形成及性質的第二溫度(諸如較低溫度)。此兩個區域中之溫度可為獨立控制的。使用此方法，噴塗材料為表現出真正covetic性狀之真正covetic材料。 例示性方法 3

在其他非限制性實例中，輸入顆粒上之材料及/或塗層可由諸如三甲胺(TMA)、三甲基甘胺酸(TMG)及甲基乙炔-丙二烯丙烷等混合材料產生或沉積。顆粒可被冷卻並以粉末形式收集。可由第一區域中之目標材料產生的顆粒之一些實例為相控碳、碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或金屬。在一些情況下，輸入顆粒為金屬，且化合物膜(諸如金屬氧化物或金屬氮化物)塗覆在金屬輸入顆粒上，而在其他情況下，輸入顆粒含有化合物材料且金屬塗層沉積在輸入顆粒上。可由第一區域中之輸入氣體產生的顆粒之一些實例為碳同素異形體(諸如天然碳)、矽、ZnO、AlOx及NiO。

在一些實施方式中，將包含各種非烴氣體或醇之氣體輸入至第一區域中，且第一區域包括濺射設備及電源，其中濺射設備經組態以由所選目標材料產生多種離子物質。目標材料及離子物質相組合以形成多個顆粒。電源可為AC、DC、RF或大功率脈衝磁控管濺射(HIPIMS)電源且可經組態以藉由對功率、電壓、頻率、重複率及/或電源之其他特性進行調諧由目標材料產生多種離子物質。

圖27C為描繪了用於產生粉末狀covetic材料之電漿噴塗製程的示意圖。 粉末狀材料加工序列

圖27C示出了自烴裂化及顆粒成核(諸如所示之第一區域2104)至石墨烯生長(諸如所示之第二區域2106)、半熔融顆粒之冷卻(諸如在所示之冷卻區域中)及粉末狀covetic材料之收集(諸如在收集區域中，且進入收集容器2704中)之例示性粉末狀材料加工序列之視覺表示。現在簡要討論例示性粉末狀材料加工序列之功效背後的機制。

在不存在金屬前體(無論是金屬有機抑或顆粒形式)之情況下，微波電漿將甲烷離解以形成碳自由基(以及多環芳香族物/乙炔)，然後碳自由基(以及多環芳香族物/乙炔)將分別形成少層(FL)石墨烯(或堆疊片層)結構。然而，在電漿區域(諸如參考圖21A及圖22A之反應器)中存在金屬前體之情況下，金屬(來自金屬有機核或顆粒)可用作非均質碳生長(諸如呈電離自由基、石墨烯核或多環芳香族物(乙炔)之形式的碳)之種子位點。

當使用具有低溶解度之金屬諸如Al或Cu時，石墨烯片材可(諸如經由吸附原子/單體或作為簇)生長至金屬表面上。生長之特性至少部分地取決於金屬表面處之界面自由能的對稱性及最小化。如此，碳生長發生在金屬顆粒處，同時在表面處發生金屬原子重新濺射事件，以產生混合及/或分層之金屬/碳結構。如本領域已知，金屬顆粒之半徑(諸如表面曲率)可能會影響碳在金屬顆粒中之溶解度。作為實例，較小之半徑(諸如對應於較高之曲率)會增加超過平衡之溶解度(在平坦表面)，該溶解度之增加繼而可能會影響石墨烯層之厚度。

一旦粉末狀covetic材料2710已被收集於收集容器中，粉末狀covetic材料就可使用習知技術(諸如射出成型技術、使用粉末狀金屬之其他技術)進行進一步加工。 使用粉末狀 covetic 材料之製造技術

圖28描繪了用於使用射出成型技術由粉末狀covetic材料製造組件之方法。如所示出，在針對將在特定應用及/或環境中使用之組件採集一組性質(操作2810)，然後基於用於該應用或環境之性質中之至少一種性質選擇特定粉末狀covetic材料(操作2820)之後，開始該方法。該選擇可基於組件之所要機械性質，及/或基於組件在與其預期用途相對應之環境中的所要耐腐蝕性質，及/或其他所要性質。該選擇可基於多種所要性質，且在一些情況下，選擇工具基於一組性質及目標函數來解決最佳化問題。

一旦選擇了covetic材料(操作2820)，就使所選粉末狀covetic材料2825熔化(操作2830)並將其引入至模具中(操作2840)。在模具內保持規定之溫度及規定之壓力，持續規定之持續時間(操作2850)，在該持續時間之後，使模具內之溫度及壓力達到約30℃及約大氣壓(操作2860)。將組件自模具中釋離(操作2870)且部署在預期應用中(操作2880)。

如之前提及，特定covetic材料之選擇可基於多種所要性質，該等性質中之一些性質可用作目標函數之變量。在一些情況下，特定covetic材料之選擇可基於特定之主要性質(諸如機械強度、重量、耐腐蝕性等)。在一些情況下，所關注之性質為其他性質之比率，諸如強度:重量、比熱:重量等。在一些情況下，主要性質將在對其他性質之一或多種約束下最大化(或最小化)。

如此，粉末狀covetic材料可部署在廣泛之應用中。在許多情況下，由粉末狀covetic材料製成之所得組件優於由其他材料製成之組件。關於下圖29示出並討論了與某些主要性質相關之一些例示性應用。

圖29為描繪了covetic材料之各種性質的圖2900。所示性質包括機械屬性、導熱性、抗氧化性、耐久性、耐高溫軟化性、耐疲勞性及導電性。此等參數中之各個參數及/或組合在選擇用於特定應用之特定covetic材料時變得占主要地位。

僅作為實例，在選擇用於製造耐腐蝕性閥之covetic材料時，抗氧化性可為主要參數。作為另一實例，當選擇將用於製造用於航空發動機渦輪之葉片的特定covetic材料時，諸如強度與重量比率等受強度最小約束影響的機械屬性可為主要機械屬性。該葉片亦可能需要表現出非常高之耐疲勞性。

通常，covetic材料不僅表現出上述性質，而且密度比在製造covetic粉末中使用之金屬或合金之密度低。與在不存在碳載量之情況下由金屬或合金製成之相同組件相比，更低之密度經常與所形成組件的更低之重量相對應。如此，卡車部件(諸如所示出之駕駛室組件)、汽車部件(諸如門擋泥板、頂板等)、摩托車部件、腳踏車部件以及空中交通工具之各種組件(諸如結構構件)及/或水運工具及/或空基交通工具或平臺可利用與用於製造covetic材料之基礎金屬或合金相比重量與強度比率更低的covetic材料。

作為另一實例，covetic材料經常表現出卓越之導熱性，使得由covetic材料形成之結構構件可用于高溫應用(諸如用於電子器件之散熱器、工業熱交換器等)。

作為又一個實例，covetic材料經常表現出卓越之耐腐蝕性。更具體地，使用前述技術製成之covetic層壓件表現出極高之耐腐蝕性，即使在最頂層(諸如組件與環境界面處)亦如此。該性質在由covetic材料製成之組件經受惡劣環境時係特別有意義的。

作為另一個實例，covetic材料可針對表面光滑度進行調諧。更具體地，使用前述技術製成之covetic層壓件表現出極高之表面光滑度。該表面光滑度性質在covetic材料用作熱遮蔽件時係特別有意義的，諸如在表面處之摩擦(諸如當流體以高速度流過表面時產生之摩擦)在表面處產生有害熱量之應用中可能需要的。藉由使用本文揭示之技術，covetic材料之具體組成及/或藉由使用本文揭示之用於covetic材料沉積之具體技術可產生水力光滑之表面，該水力光滑之表面可繼而用於空中交通工具及/或基於空間之交通工具。

在某些實施方案中，一組性質可主導其他性質。例如，基於空間之交通工具(諸如衛星)之表面可能需要對一定範圍之電磁輻射實質上不反射(諸如對可見光實質上不反射)，而同時，基於空間之交通工具的表面可能需要係隔熱的(諸如不導熱的)。上文之調諧技術適用於此類情況，其中特定之所要性質(諸如非反射性)主導電漿噴塗炬之調諧，以便產生實質上不反射之表面，即使以其他性質為代價。

關於圖29示出並描述之性質僅為實例。額外之性質及/或性質組合在各種應用中可能係必要的或所要的，且基於輸入之調諧及電漿噴塗炬之控制在所得材料中表現出此等額外之性質。僅作為前述額外性質之實例，此類性質及/或性質組合可包括以下各項或與以下各項相關：強度-重量度量、及/或比密度、及/或機械韌性、及/或抗剪強度、及/或撓曲強度等。

對於最終材料或組件之耐腐蝕性、及/或強度、及/或硬度、及/或其他特性，一些應用(例如，對於高應力/高溫操作，或對於在化學條件惡劣之環境中的操作)具有特定規範。在一些情況中，該等特定規範可藉由使用一種合金來滿足，該合金繼而用於形成與特定應用對應之組件。VIM爐通常用於形成合金。有時，將粉末形式之含碳材料添加到合金混合物以便減少重量，同時維持合金之強度及/或其他特性。

遺憾的係，VIM爐產生強磁場。該強磁場對粉末之成分的影響通常強於重力對粉末之成分的影響。因此，該磁場具有有害效應，亦即，使粉末自VIM爐噴出，即便係在粉末有機會進入VIM爐之坩堝中、有機會熔化及隨後分散在混合物熔體中之前。一種用於解決粉末自VIM爐之該有害噴出的技術係將粉末造粒為緻密形式，使得在該形式被引入VIM爐中時，它不會因為VIM爐之磁力而被噴出。而是，丸粒狀形式進入VIM爐之坩堝中，使得它在VIM爐內部熔化，且使得它不會混合至熔融混合物中。

因此形成含碳合金，較佳為具有在上文關於covetic材料描述之至少一些(更佳地所有)物理特性之含碳合金。此類物理特性應被理解為包括但不限於高碳載量(例如，根據各個實施例，材料中大於1.5%、大於5%、大於15%、大於40%、大於60%及高達90%為碳)；碳實質上均勻地分散於材料之表面層及/或本體中；碳存在於與碳成合金之金屬的晶格之間隙位點處；在材料之晶界處缺少碳聚集體及/或團聚物；

圖30A1及圖30A2描繪了與熔化丸粒形式之金屬裝飾碳相比，與熔化粉末狀之金屬裝飾碳相關聯的問題及解決方案。該等圖係並排呈現以具體地說明與在VIM處理器中使用粉末相關聯的問題(30A100)及解決方案(30A200)。

如本領域中已知，真空感應熔化依賴於高功率電流產生源3006來在真空環境3002內熔化金屬。感應加熱過程在導體(例如金屬)內產生渦流。渦流繼而產生熱。由受熱線圈產生之磁場產生向上的力。粉末3004之每個單獨顆粒不夠重而無法克服電磁場產生的向上的力，從而導致金屬裝飾碳粉末之有害噴出3003。圖30A2描繪了對該有害噴出的本文揭示之解決方案，亦即，藉由將粉末之許多單獨顆粒壓縮為丸粒3008。因此，作用於丸粒之重力克服磁場對粉末成分之力。如此解決了VIM處理器之磁場對粉末之作用強於重力對粉末之作用的前述問題。因此，丸粒進入坩堝並與混合物之成分一起被加熱。

一旦混合物達到其熔點，磁場便開始攪拌金屬合金。合金熔體-包括分散於合金熔化基體中之含碳成分-現在可倒入給定應用之組件特定的模具中。

圖31描繪了使用丸粒3108來在將丸粒3108引入VIM處理器3110期間最小化或消除材料噴出的方法。該圖被呈現來說明用於在粉末狀材料3004在VIM處理器中使用之前對粉末狀材料造粒的例示性材料處理製程。在額外方法中，可用VIM處理器3110替代或與真空電弧熔體處理設備、電子束熔爐、離子電鍍爐、電漿火焰源、冶煉爐、傳統金屬-金屬熔化爐或一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將理解的其任何等效物及/或組件結合使用。

為了獲得粉末狀材料，使供應氣體(例如，烴，諸如甲烷)流入電漿反應器中以得到含有離解碳原子及離解氫原子之電漿。在電漿羽流中之某特定位置處，諸如在氫與碳原子完全離解之處，將金屬熔體(例如鎳熔體)注入電漿中。所注入之金屬熔體與離解碳原子組合以形成金屬裝飾碳分子，該等金屬裝飾碳分子中之一些與其他金屬裝飾碳分子合併。當冷卻到所注入金屬之熔點以下的溫度時，沉澱物作為粉末狀材料3104自電漿反應器離開。

在自電漿反應器收集金屬裝飾碳粉末之後(步驟3114)，可能在位於電漿反應器之出口處的氣-固分離器或其他收集容器中，將金屬裝飾碳分子與離解氫分子(例如，H2)分離。例如且如所示出，如一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將瞭解的，可使用諸如重力分離器、旋風分離器、洗滌器、靜電分離器、過濾器等設備來實施氣-固分離器容器3102。

在所示示例中，可將金屬裝飾碳(固體)及氫分子(氣體)放置於旋風氣-固分離器容器3102中。該特定組態使用慣性之概念來將固體(例如，金屬裝飾碳)與氣體(例如氫氣)分離。歸因於金屬裝飾碳與氫氣之間的分子量差異，較輕材料(在該情況中為氫氣)將受到在旋風氣-固分離器容器內產生之旋渦影響更多。因此，氫氣將被迫(藉由旋風作用)向上行進，因此將氣體與較重之粉末狀材料3104 (例如，金屬裝飾碳分子)分離。氣-固分離器容器之形狀有助於金屬裝飾碳顆粒向下流向容器底部。該向下流與氫氣之向上流方向相反。因此，可收集金屬裝飾碳顆粒以進行進一步處理。

一旦金屬裝飾碳粉末已與氫氣隔離且被捕獲，則對金屬裝飾碳進行壓縮以形成剛性主體丸粒3108 (步驟3116)。該造粒可例如經由使用造粒機3106來完成，諸如自動致動或手動操作之12噸壓機。雖然該實例示出了使用12噸壓機作為造粒機3106，但在不脫離本發明之範疇的情況下，可使用熟習本揭示案之技術人員將理解為適合於產生具有足夠質量以避免自VIM處理器噴出之丸粒的任何造粒技術及/或設備。

金屬裝飾碳之造粒利用了金屬造粒碳與VIM之磁通量在重力下如何相互作用的力學。更具體地，重力對丸粒之影響強於磁通量。因此，當將丸粒(而非粉末)引入VIM處理器3110中時，關於材料因磁力而噴出之前述問題得以消除。

一旦丸粒被引入VIM處理器之坩堝中，丸粒將開始熔化並與坩堝之其他內含物混合(步驟3118)。在該步驟期間，當丸粒熔化時，其均勻地分散於金屬混合物內。為了促進均勻分散，VIM坩堝可單獨裝入丸粒，其中根據各種實施例，丸粒放在金屬粉末上，或者金屬粉末放在丸粒下面及上面。

隨後可將所得熔體3112倒入模具中(步驟3120)及/或與射出成型設備結合使用以形成組件(例如，渦輪葉片、車用組件、醫療設備等)。在一些情況中，使VIM處理器之所得輸出(例如，熔體3112)冷卻並隨後使用任何合適設備粉末化，以便與其他機械部件形成方法(例如3D打印)一起使用，且繼而在任何應用中使用(步驟3122)。

圖32描繪了放入模具3202中的熔體3112。熔體3112可放入任何形狀或形式之模具3202中。一旦熔體冷卻，便可將組件自模具移除且在其既定應用中使用。

僅作為實例，可使用用於渦輪葉片之模具。隨後可將由金屬混合物及含碳成分組成之熔體放入渦輪葉片模具中並冷卻。一旦變冷且自模具移除，渦輪葉片便可在其既定應用中使用。作為另一個實例，熔體可冷卻、然後粉末化，然後封裝以用於3D列印機或其他增材製造技術/設備。

圖33描繪了根據各種方法之丸粒處理的簡化示意圖。如上文參看圖31詳細地描述，獲得粉末狀材料3104，例如，作為來自微波電漿反應器之輸出，將其與不想要之氣體分離，且使用造粒機3106壓製成丸粒。較佳地，造粒機3106包括一模具，該模具之實體組態/佈置適合於產生具有所要幾何形狀之丸粒。如圖33所示，模具3106a經組態以產生直徑約1釐米之大體圓柱形丸粒(或「球餅」)。當然，熟習此項技術者將瞭解，可基於將用於產生所要材料之VIM處理器(或等效設備)的性質(例如，磁場強度、容積等)來選擇及/或調整丸粒之幾何特性。值得註意的係，根據圖33中呈現之實驗產生的丸粒無需化學黏結劑便能產生。

如圖33中亦示出，且用實驗證明，本發明成功地產生了基本上僅由天然石墨烯(3108a)組成之丸粒，以及由金屬裝飾碳(例如裝飾石墨烯)(3108b)形成之丸粒。任一類型之丸粒皆可使用實質上相同之技術產生，唯一差別在於用於產生丸粒之粉末的組成。

在圖34示意性地呈現之另一個實驗中，丸粒(諸如丸粒3108)經由人工攪拌而分散於異丙醇溶液中。在可手動進行、使用超音波棒(或用於超音波攪拌之其他機制)等進行的攪拌之後，如一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將瞭解的，所得懸浮液表現出滲透性。磁試驗2驗證了鎳裝飾碳之分散。 發明構思

已在上文參看諸圖描述了發明構思之各種實施例、態樣、特徵、優點、實施方式、組態、佈置等。應理解，除非本文中另外明確說明，否則在不脫離本揭示案之範疇的情況下，此類實施例、態樣、特徵等可以一般熟習此項技術者在閱讀了本揭示案之後將理解的任何合適方式進行組合或修改。十分清楚，以下發明構思存在於本文呈現之發明構思的較佳特性、組態等中，且可以任何合適方式、組合或排列來使用，同時仍在本發明之所揭示範疇內。

根據一個態樣，一種物質組合物包含一或多個顆粒，且該等顆粒中之至少一些獨立地包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於該金屬晶格中的一或多個相干的平面石墨烯層。該一或多個相干的平面石墨烯層之至少一些碳原子可設置於該金屬晶格之間隙位點中。例如，該一或多個相干的平面石墨烯層可部分地或完全地有間隙地交錯於該金屬晶格之基面之間。較佳地，該金屬晶格包含約15 wt%至約90 wt%碳，且該等顆粒中約15%至約60 wt%碳存在於其間隙位點處。另外，在一些方法中，金屬晶格之特徵在於選自面心立方(FCC)、體心立方(BCC)及六方密積(HCC)中之晶體結構。在一些方法中，該一或多個相干的平面石墨烯層由單層石墨烯組成。替代地，該一或多個相干的平面石墨烯層包括至少五個石墨烯層，且不多於十五個石墨烯層。根據所選實施方式，該一或多個相干的平面石墨烯層各自獨立地實質上沒有缺陷。該金屬晶格可包含選自由以下各者組成之群中的一或多種金屬：鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其組合。例如，該金屬晶格可為英高鎳合金或包括英高鎳合金，且英高鎳合金可為由選自由以下各者組成之群中的一或多種金屬形成的超合金：鎳、鉻、鋁、銅、鐵、鈦、鉭、鉬、鈷、錳及鈮。此外，英高鎳合金可選自由以下各者組成之群中：Inconel 600、Inconel 617、Inconel 625、Inconel 690、Inconel 718及Inconel X-750。該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子較佳地共價鍵合至金屬晶格之金屬原子。更佳地，石墨烯之碳原子與金屬原子之間的共價鍵包括非極性共價鍵。同樣地，該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子可共價鍵合至該一或多個石墨烯層之其他碳原子，且該石墨烯之碳原子之間的一些或所有共價鍵可包括非極性共價鍵。繼續參考該物質組合物內之鍵合，該一或多個顆粒可完全地或實質上不包括極性共價鍵。此外，該一或多個顆粒中之每一者的金屬晶格實質上或完全地不包括離子鍵。「實質上」不包括應被理解為係指組合物中存在之任何極性鍵、離子鍵或其他提到之類型的鍵對該物質組合物之結構、物理及功能特性不具有影響或具有可忽略不計之影響的組合物。顆粒之特徵可在於在其晶界處缺少碳聚集體及/或團聚物、直徑在約20 nm至約3.5 μm之範圍內、被壓製成丸粒、或此等特徵之任何組合。根據某些態樣，該物質組合物之最大可辨別特徵大小係在約0.1 nm至約1 µm之範圍內。該等顆粒可被壓製成丸粒。

在前述說明書中，已經參考本揭示案之具體實施方式描述了本揭示案。然而，顯而易見的係，在不脫離本揭示案的更廣泛之精神及範疇的情況下，可對其進行各種修改及改變。例如，以上描述之製程流程係參考製程動作之特定排序描述的。然而，所描述之製程動作中之許多製程動作的排序可在不影響本揭示案之範疇或操作的情況下進行改變。本說明書及附圖被認為係說明性意義的，而非限制性意義。

105:影像 106:均質性影像 114:高解析度透射電子顯微術影像 116:高解析度能量色散光譜x射線影像 500:雙電漿炬設備 600:脈衝微波電漿噴塗炬設備 605:烴製程氣體 900:掃描電子顯微鏡影像 1100:電漿火焰設備 1202:製程氣體端口 1203 ₁:額外端口 1203 ₂:額外端口 1204:入口 1300:脈衝微波電漿噴塗波導設備 1600:電漿噴塗設備 1700:表面波電漿系統 1803:生長板 1810:軸向場組態 1812:輸入氣體 1814:電漿火焰 1816:基板 1818:金屬及/或碳顆粒 1820:徑向場組態 1821:加速區域 1822:微波能量 1823:碰撞區域 1824:淬火層 1862:輸入端口 2052:碳 2054:銅 2062:頂表面區域 2064:covetic材料區域 2066:本體金屬區域 2074:更高金屬含量區域 2104:第一區域 2106:第二區域 2108:金屬熔體 2110:微波反應器之出口 2112:噴霧材料 2114:所得沉積材料 2116:目標基板 2209:熔化設備 2310:撓性基板 26E00:covetic材料 27A00:產生粉末狀covetic材料之例示性設備 27B00:流化床設備 2702:冷卻區域 2704:收集容器 2710:粉末狀covetic材料 2750:流化床 2752:電源 2756 ₁:第一粉末 2756 ₂:第二粉末 2760:熱源 2762:錐形主體 3002:真空環境 3004:粉末狀材料 3006:高功率電流產生源 3008:丸粒 3102:氣-固分離器容器 3104:粉末狀材料 3106:造粒機 3106a:模具 3108a:天然石墨烯 3108b:金屬裝飾碳 3110:VIM處理器 3112:所得熔體 3202:模具

本文揭示之主題的實施方式以舉例方式展示，且不欲受到附圖中之圖的限制。在整個附圖及說明書中，相似元件符號表示相似元件。應注意，以下圖之相對尺寸可能不按比例繪製。 圖1A為根據一些實施方式的示出了兩種不同之covetic材料形成技術及分別由應用該等covetic材料形成技術中之每種技術產生之例示性材料的比較圖。 圖1B呈現了根據一些實施方式的根據本文描述之創新技術生產的材料(例如，covetic材料)之高解析度透射電子顯微術影像及高解析度能量色散光譜x射線影像。 圖2描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之製造製程。 圖3描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的電漿能量狀態圖，該電漿能量狀態圖示出了如何使用脈衝微波能量源來將石墨烯生長至小熔融顆粒上。 圖4描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之電子溫度控制技術。 圖5展示了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之雙電漿炬設備。 圖6展示了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的經調整以用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之脈衝微波電漿噴塗炬設備。 圖7為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了與covetic (或相關材料)、電漿炬噴塗及/或穩健之合成複合碳塗層相關聯的共同主題領域之交集的圖。 圖8A-B為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了用於將碳顆粒噴塗至小熔融顆粒上之電漿噴塗製程的示意圖。 圖9為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的示出了將碳顆粒噴塗至小熔融顆粒上之效果的掃描電子顯微鏡影像。 圖10示出了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了石墨烯生長溫度曲線圖之圖及二元相圖。 圖11為習知電漿火焰設備之橫截面視圖。 圖12描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的在將石墨烯生長至小熔融顆粒上時使用之脈衝微波製程流程。 圖13為用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之習知脈衝微波電漿噴塗波導設備的透視圖。 圖14為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將石墨烯生長至小熔融顆粒上之微焊接技術的示意性描繪。 圖15為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的呈同軸組態之電漿噴塗設備的示意性描繪。 圖16為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的示出了藉由經歷一系列非平衡能量條件進行加工之材料之演變的電漿噴塗設備的示意性描繪。 圖17描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將石墨烯生長至熔融顆粒上之表面波電漿系統。 圖18A1-2、圖18B、圖18C及圖18D描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的電漿噴塗反應器之各種組態。 圖19為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了脈衝接通及脈衝斷開期間能量對時間之圖。 圖20A1為根據所揭示之實施方式中之一些實施方式的描繪了在使用電漿噴塗炬將碳與銅組合時發生之有機金屬鍵合的影像。 圖20A2為根據所揭示之實施方式中之一些實施方式的描繪施加至基板材料中之分級物質組合物且示出多個(諸如三個)材料性質區域的影像。 圖20B為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了當將碳添加到本體鋁時發生之若干分層組態的材料演變圖。 圖21A描繪了根據一個實施方式的用於將材料之熔融混合物噴塗至基板中之設備。 圖21B描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於將材料(例如，covetic材料)噴塗至基板中之方法。 圖21C為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了用於噴塗膜之電漿噴塗製程的示意圖。 圖22A描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於用熔融材料(例如，金屬)包裹碳顆粒之設備。 圖22B描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於用熔融材料(例如，金屬)包裹碳顆粒之方法。 圖23A、圖23B、圖23C及圖23D描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的例示性沉積技術。 圖24A及圖24B描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的材料之簡化示意圖，該等材料係經由用於將該等材料放置至基板上之習知沉積技術形成該等。 圖25A及圖25B描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的使用在基板表面處產生非極性共價鍵合之創新沉積技術形成的材料之簡化示意圖。 圖26A、圖26B、圖26C、圖26D及圖26E描繪了展示如何在鋁之面心立方(FCC)結構之正方形形狀中的位點與碳之某些晶體結構中出現之六邊形形狀中的位點之間形成非極性共價鍵的示意圖。 圖27A描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於產生呈粉末形式之材料(例如，covetic材料)的例示性設備。 圖27B1及圖27B2描繪了根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的用於在流體中冷卻及處理粉末狀材料(例如，粉末狀covetic)的例示性流化床設備。 圖27C為根據所揭示之實施方式中之一或多個實施方式的描繪了用於產生粉末狀材料(例如，粉末狀covetic材料)之電漿噴塗製程的示意圖。 圖28描繪了根據一些實施方式的用於使用射出成型技術由粉末狀材料(例如，粉末狀covetic材料)製造組件之方法。 圖29描繪了根據各種實施例的本文描述之材料(包括covetic材料)之各種性質。 圖30A1及圖30A2描繪了根據一些實施例的與熔化呈丸粒形式之相同或類似材料相比，與熔化粉末(例如，金屬裝飾碳)相關聯之問題及解決方案。 圖31描繪了根據一些實施例的使用丸粒以在將丸粒引入VIM爐中期間將材料噴出減至最少或去除的方法。 圖32描繪了根據一些實施例的被放到模具中之熔體。 圖33描繪了根據一個態樣的球餅(puck)處理技術及設備之簡化示意圖。 圖34示出了根據一種方法的球餅分散測試過程之簡化示意圖。

Claims (15)

1. 一種物質組合物，該物質組合物包含一或多個顆粒，其中該一或多個顆粒中之至少一些獨立地包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於該金屬晶格中的一或多個相干的平面石墨烯層。
2. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個相干的平面石墨烯層之至少一些碳原子設置於該金屬晶格內之間隙位點中。
3. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個相干的平面石墨烯層有間隙地交錯於該金屬晶格之基面之間。
4. 如請求項1之物質組合物，其中該金屬晶格包含選自由以下各者組成之群中的一或多種金屬：鋁、銅、鐵、鎳、鈦、鉭、鎢、鉻、鉬、鈷、錳、鈮及其組合。
5. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子共價鍵合至該金屬晶格之金屬原子；且其中該石墨烯之碳原子與該等金屬原子之間的共價鍵包括非極性共價鍵。
6. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個石墨烯層之至少一些碳原子共價鍵合至該一或多個石墨烯層之其他碳原子；且其中該石墨烯之該等碳原子之間的共價鍵包括非極性共價鍵。
7. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個顆粒實質上不包括極性共價鍵。
8. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個顆粒之該等金屬晶格實質上不包括離子鍵。
9. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個顆粒獨立地包含約15wt%碳至約90 wt%碳。
10. 如請求項1之物質組合物，其中該一或多個顆粒之該等金屬晶格包含在其間隙位點處的約15 wt%至約60 wt%碳。
11. 如請求項1之物質組合物，其中該碳實質上均勻地分散於該金屬晶格中。
12. 如請求項1之物質組合物，其中該金屬晶格之晶界實質上無碳聚集體及/或團聚物。
13. 如請求項1之物質組合物，其中每一顆粒之特徵在於在其晶界處缺少碳聚集體及/或團聚物。
14. 一種物質組合物，該物質組合物包含：一英高鎳合金，該英高鎳合金具有設置於該英高鎳合金之一金屬晶格中的碳。
15. 一種物質組合物，該物質組合物包含一金屬晶格，該金屬晶格具有設置於該金屬晶格中的至少約15 wt%碳。