CN102264859B - 包括在其上结合有摩擦改性颗粒的多个粘合剂颗粒的摩擦材料 - Google Patents

Abstract

一个示例性实施方案包括一种摩擦材料，该摩擦材料包括一种含有多根纤维的基底。该基底包括一个接合表面、以及在该接合表面处的多个粘合剂颗粒和摩擦改性颗粒。

Description

包括在其上结合有摩擦改性颗粒的多个粘合剂颗粒的摩擦材料

技术领域

本披露总体上涉及的领域包括用于多种应用的摩擦材料，这些应用包括但不限于滑动离合器、起动式离合器、扭力传递离合器、转矩变换器以及类似物。

背景技术

本领域的普通技术人员正不断地寻求对于在许多应用中所用的摩擦材料的替代方案以及改进，这些应用包括但不限于安全摩擦离合器、扭力传递离合器、以及转矩变换器。

本发明的示例性实施方案的概述

一种产品包含了一种摩擦材料，该摩擦材料包括一种含有多根纤维的基底材料，该基底材料具有一个接合表面、以及多个离散地布置在该接合表面处的粘合剂颗粒、和结合到至少一个粘合剂颗粒上的多个更小的摩擦改性颗粒。

本发明的其他示例性实施方案将从以下提供的详细说明中变得清楚。应该理解，虽然这些详细的说明和具体的实例披露了本发明的多个示例性实施方案，但它们是旨在用于说明的目的而并非旨在限定本发明的范围。

附图简要说明

从详细的说明以及附图中将更全面地理解本发明的示例性实施方案，在附图中：

图1展示了根据本发明的一个示例性实施方案的一种摩擦材料，该摩擦材料包括具有多根纤维的一种基底，该摩擦材料具有一个接合表面以及在该接合表面处的多个未固化的粘合剂颗粒以及多个更小的摩擦改性颗粒。

图2展示了根据本发明的一个示例性实施方案的一种摩擦材料，该摩擦材料包括多根纤维，该摩擦材料具有一个接合表面以及多个不规则形状的离散地布置的粘合剂颗粒，其中多个更小的摩擦改性颗粒结合在该不规则形状的粘合剂颗粒上。

图3是根据本发明的一个示例性实施方案的一种摩擦材料、与没有粘合剂颗粒的一种摩擦材料的对比性耐磨试验结果的条形图，本发明的摩擦材料包括多个不规则形状的离散地布置的粘合剂颗粒，有多个更小的摩擦改性颗粒结合在该不规则形状的粘合剂颗粒上。

示例性实施方案的详细说明

以下对这种或这些实施方案的说明在本质上仅是示例性的(展示性的)而决非旨在限制本发明、其应用或用途。

参见图1，本发明的一个实施方案包括一种摩擦材料10，该摩擦材料可以包括多根纤维12和14，这些纤维可以具有如以下描述的不同类型。在该摩擦材料中还可以包括多个颗粒16和18。颗粒16中有一些可以是较大的，以提供一种所希望的摩擦特征和孔隙大小。可以提供多种更小的颗粒18和20来改进摩擦特征、耐热性以及强度。该摩擦材料10包括一个接合表面22用于接合另一种摩擦材料或基体。在该接合表面22之处或附近，在间隔开的离散位置提供了多个粘合剂颗粒24。可以将多个更小的摩擦改性颗粒26结合到这些粘合剂颗粒24上。在图1所示的实施方案中，粘合剂颗粒24可以是一种可能没被固化的聚合物或树脂。在实施方案中，这些粘合剂颗粒24可以包括一种可流动的未固化的树脂或聚合物。这些粘合剂颗粒24可以包括例如硅氧烷、酚类、聚酰胺或聚酰亚胺树脂。更小的摩擦改性颗粒26可以是无机的或有机的颗粒。例如，更小的摩擦改性颗粒26可以包括碳、金属、金属氧化物、硅石或腰果树油改性的颗粒。

在一个实施方案中，图1中所示的摩擦材料包括一种规则形状的粘合剂颗粒24。例如，可流动的未固化的粘合剂颗粒24可以具有一种总体上球形的形状。摩擦材料10的进一步处理可以使粘合剂颗粒24流动成为图2中所示的一种不规则形状，其中另外的更小的摩擦改性颗粒26粘附到了粘合剂颗粒24上。例如，可以对摩擦材料10进行热处理以致使这些球形形状的粘合剂颗粒24流动，从而获取另外的摩擦改性颗粒26并且将其粘合。这种处理可以进一步进行使得这些粘合剂颗粒可以变成不规则形状的、固化的粘合剂颗粒24’(例如，变成固体的热固性颗粒)从而提供高的温度性能特征，其中这些更小的摩擦改性颗粒保持是粘合在这些粘合剂颗粒上。例如，包括不规则形状的固化的粘合剂颗粒24’(有多个摩擦改性颗粒26结合到其上)的一种摩擦材料可以在350℃或更高的高界面温度下提供高的性能特征。

制备了根据一个示例性实施方案的一种摩擦材料，该摩擦材料在接合表面处包括多个离散的、间隔开的粘合剂颗粒，这些粘合剂颗粒具有多个结合至其上的更小的摩擦改性颗粒。类似地构造了一种摩擦材料，但该摩擦材料不带有在其上结合了更小的摩擦改性颗粒的粘合剂颗粒。在这两种材料上进行了对比的耐磨性试验。在每个盘上将包括片1、2、3、4的离合器组件与该摩擦材料一起使用。使这些离合器组件运行13,500个周期的高能量滑动操作，并且在试验之后测量了摩擦片1、2、3和4上的每种摩擦材料的厚度变化。对于不带有在其上结合了更小的摩擦改性颗粒的粘合剂颗粒的这种摩擦材料，厚度变化由具有断面线的条形示出。对于带有在其上结合了更小的摩擦改性颗粒的粘合剂颗粒的这种摩擦材料，厚度变化由无断面线的条形30、32、34和36示出。根据一个示例性实施方案，包括这些含多个更小的摩擦改性颗粒的、离散布置的粘合剂颗粒的这种摩擦材料具有改进的耐磨性。

包括了含有多个结合至其上的更小的摩擦改性颗粒的、或者可流动的未固化的粘合剂颗粒或者固化的粘合剂颗粒的多种摩擦材料可以通过本领域的普通技术人员可考虑到的多种手段中的任一种来制造。例如，可以将可流动的未固化粘合剂颗粒与更小的摩擦改性颗粒在一个流浆箱中进行混合并且喷洒到一种含多根纤维的基底摩擦材料的上表面上(当此种材料沿着一个在该流浆箱下面经过的运输带前行时)。从运输带产生的摩擦材料可以进一步用一种液体树脂来浸渍，如以下将描述的。此后，这种可流动的未固化粘合剂颗粒可以引起软化并且流动成为一种不规则的形状并且更多的这些更小的摩擦改性颗粒可能结合到这种被软化的粘合剂材料上。可以通过许多方法中的热量施加来引起该可流动的未固化粘合剂颗粒流动或软化，这些方法包括但不限于烘箱烘烤、暴露于辐射中、微波能量、离子轰击、压缩加热、激光加热以及类似过程。作为替代方案，在其上结合有多个更小的摩擦改性颗粒的固化的树脂颗粒可以在一个加料箱中制备并提供并且将其喷洒到沿运输带流动的湿的摩擦材料上。可以进行或可以不进行随后的摩擦材料的热处理。

可以使用多种选择和粒度、粒度比或所用饱和树脂的量来实现一种开放的孔隙结构的摩擦材料，在其中包括多个摩擦改性颗粒的粘合剂颗粒是在摩擦材料的表面处在离散的、间隔开的位置提供的。这样一种开放的孔隙结构提供了油穿过该摩擦材料的改进的流动。例如，使根据本发明的一个说明性实施方案所生产的一种摩擦材料经受一个油滴落试验，其中将一个四微米的油滴置于该摩擦材料的表面上并且允许其流进该摩擦材料中。与花费大约十秒钟的一种常规的摩擦材料相比，油滴流经根据本发明的材料的时间花费了大约四秒钟。因此，包括了在其上结合有摩擦改性颗粒的、离散的、间隔开的粘合剂颗粒的一种摩擦材料产生了改进的油流动以及这种摩擦材料。在本发明的示例性实施方案中，被包括多个结合至其上的更小的摩擦改性颗粒的这些粘合剂颗粒所覆盖的表面积的量的范围可以是该接合表面面积的从与约百分之3至约百分之30。在一个实施方案中，该规则形状的颗粒是具有的平均粒径范围从1.8-40微米、从15-30微米或18-22微米的球形形状。这些更小的摩擦改性颗粒可以具有范围从1-25微米、或2-10微米的平均直径。这些更小的摩擦改性颗粒与粘合剂颗粒的重量比可以是范围从50/50至90/10。在一个实施方案中，对于每3,000平方英尺的接合表面面积使用约九磅的摩擦改性颗粒以及约九磅的粘合剂颗粒。

发现包括了多个在其上结合有多个摩擦改性颗粒的、离散布置的固化的粘合剂颗粒的一种摩擦材料具有更好的抗震颤性、降低的归于磨损的厚度损失、改进的在高能发动下的耐久性，并且能够在该材料的整个寿命中保持高的性能，尽管被暴露于350℃或更高的界面温度下。

以下说明包括了可以在摩擦材料中使用的不同组分的示例性实施方案。

该摩擦材料的示例性实施方案可以具有改进的抗震颤特征。而且，该摩擦材料还可以具有改进的弹性以及孔隙率，该孔隙率允许了在摩擦材料的使用过程中更均匀的热耗散。变速器或制动器中的流体可以迅速地移动通过该摩擦材料的多孔隙结构。此外，增加的弹性提供了在这种材料上更一致的压力或均匀的压力分布使得不均匀的衬里磨损或分离片“热点”被消除了。

该摩擦材料的结构越是多孔的，热耗散就越有效。当这种摩擦材料是多孔的时候，在使用过程中在摩擦材料的接合过程中更迅速地发生了油流入或流出这种摩擦材料。

可以使用不同的方法用于浸渍该摩擦材料。将该纤维基底材料用酚醛树脂或酚基树脂进行浸渍，这样该浸渍用树脂材料对于每100重量份摩擦材料占大约20至大约65重量份。在使用该树脂浸渍该纤维基底材料之后，将浸渍过的纤维基底材料加热到一个所希望的温度持续一个预定的时间长度以形成这种摩擦材料。在约350°F的温度下的加热固化了该酚醛树脂。当存在其他树脂如硅氧烷树脂时，在大约400°F的温度下的加热固化了该硅氧烷树脂。此后，被浸渍并且固化的摩擦材料以合适的方式附着到了所希望的基体上。

在浸渍该纤维基底材料中有用的不同树脂包括酚醛树脂和酚基树脂。应当理解的是，在树脂共混物中包括其他的改性成分如环氧物、丁二烯、硅氧烷、桐油、苯、腰果油等的不同的酚基树脂被认为是对本发明有用的。在酚类改性的树脂中，酚醛树脂通常以按该树脂共混物的重量计大约50％或更高的比例存在(排除存在的任何溶剂)。然而已经发现，在某些实施方案中，当浸渍剂树脂共混物包含的硅氧烷树脂基于该有机硅-酚类混合物(排除溶剂和其他处理酸)的重量是按重量计大约5％至约80％、并且为了某些目的是约15％至约55％、并且在某些实施方案中是按重量计约15％至约25％时，摩擦材料可以得到改进。

硅氧烷树脂可以包括例如热固化硅氧烷密封剂类以及硅橡胶类。许多硅氧烷树脂对于本发明是有用的。一种树脂特别地包括二甲苯以及乙酰丙酮(2，4-戊二酮)。这种硅氧烷树脂具有约362°F(183℃)的沸点，在68°F下21mmHg的蒸气压、4.8的蒸气密度(空气＝1)、可忽略的在水中的溶解度、约1.09的比重、按重量计5％的百分比挥发物、小于0.1的蒸发速度(醚＝1)、使用Pensky-Martens方法时约149°F(65℃)的闪点。应理解的是对于本发明可以使用其他硅氧烷树脂。其他有用的树脂共混物包括例如一种适当的酚醛树脂，该酚醛树脂包括(按重量计的％)：约55％至约60％的酚醛树脂；约20％至约25％的乙醇；约10％至约14％的苯酚；约3％至约4％的甲醇；约0.3％至约0.8％的甲醛；以及约10％至约20％的水。另一种合适的酚基树脂包括(按重量计的％)：约50％至约55％的苯酚/甲醛树脂；约0.5％的甲醛；约11％的苯酚；约30％至约35％的异丙醇；以及约1％至约5％的水。

已经发现另一种有用的树脂是环氧改性的酚醛树脂，其包含按重量大约5％至大约25％、优选按重量大约10％至大约15％的环氧化合物，剩余物是(排除溶剂和其他处理助剂)酚醛树脂。在某些实施方案中该环氧-酚醛树脂复合物为摩擦材料提供了比单独的酚醛树脂更高的耐热性。

在某些实施方案中，纤维基底材料对树脂的目标获取量可以是范围从按重量计约20％至约65％、并且在某些实施方案中是约60％到至少65％的总硅氧烷-酚醛树脂。在用该树脂浸渍该纤维基底材料后，将该纤维基底材料于范围在300℃-400℃之间的温度下固化一段时间(在某些实施方案中是大约1/2小时)来固化该树脂粘合剂并且形成该摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于纤维基底材料的初始厚度并且在某些实施方案中优选地是范围从约0.014英寸至约0.040英寸。

进一步考虑到可以在这些摩擦材料中包括其他的、已知在制备树脂共混物和制备浸渍纤维基材料二者中均有用的成分和加工助剂。

硅氧烷树脂和酚醛树脂二者均存在于彼此相容的溶剂中。将这些树脂混合在一起(在优选的实施方案中)以形成一种均匀的共混物并然后用来浸渍一种纤维基底材料。如果使用一种酚醛树脂来浸渍一种纤维基底材料然后在此后加入一种硅氧烷树脂的话则不存在相同的效果，反之亦然。在一种硅氧烷-酚醛树脂溶液、与硅氧烷树脂粉末乳液和/或酚醛树脂粉末之间也存在差别。当硅氧烷树脂和酚醛树脂是在溶液中时，它们一点也不固化。相比之下，硅氧烷树脂和酚醛树脂的粉末颗粒是部分地固化的。硅氧烷树脂和酚醛树脂的部分固化抑制了纤维基底材料的一种良好浸渍。

在某些实施方案中，这种纤维基底材料使用硅氧烷树脂在一种溶剂中的共混物来浸渍，该溶剂是与酚醛树脂及其溶剂相容的。在一个实施方案中，发现异丙醇是一种尤其合适的溶剂。然而，应理解的是可以使用不同的其他合适的溶剂，例如乙醇、甲基乙基酮、丁醇、异丙醇、甲苯以及类似物。当与一种酚醛树脂共混并且用来浸渍一种纤维基底材料时，一种硅氧烷树脂的存在导致了所产生的摩擦材料与仅用一种酚醛树脂浸渍的纤维基底材料相比是更加弹性的。当对于本发明的硅氧烷-酚醛树脂共混的浸渍的摩擦材料施加压力时，存在更均匀的压力分布，这进而降低了不均匀的衬里磨损的可能性。当将硅氧烷树脂和酚醛树脂混合在一起之后，使用该混合物来浸渍一种纤维基底材料。

在某些实施方案中，在该纤维基底材料中使用更少原纤化的纤维和碳纤维以对该摩擦材料提供一种所希望的孔隙结构，这进而为该摩擦材料提供了增加的耐热性。纤维的几何形状不仅提供了增加的耐热性、而且还提供了抗层离性以及抗鸣响音或噪音作用。碳纤维和碳颗粒的存在帮助增加了耐热性，从而维持了稳定的摩擦系数并且增加了抗鸣响性。在纤维基底材料中一个相对低的棉纤维量值改进了摩擦材料的离合器“磨合(breake-in)”特性。

在纤维基底材料内使用较少原纤化的芳族聚酰胺纤维和碳纤维改善了摩擦材料耐受高温的能力。更少原纤化的芳族聚酰胺纤维总体上具有极少的附接到一个中心纤维上的原纤维。更少原纤化的芳族聚酰胺纤维的使用提供了具有更多孔的结构的摩擦材料；也就是说，与使用一种典型的原纤化的芳族聚酰胺纤维相比存在更多并且更大的孔隙。这种多孔结构通常由孔隙尺寸和液体渗透性来定义。在一个优选实施方案中，该纤维基底材料限定的孔隙的直径平均尺寸是范围从大约2.0至25微米。在某些实施方案中，平均孔隙尺寸范围为直径大约2.5至8微米，摩擦材料具有很容易供使用的至少大约50％的空气孔隙，在某些实施方案中是至少大约60％或更高。

当该摩擦材料具有一个更高的平均流动孔径和通透性时，由于贯穿该摩擦材料的多孔结构更好的自动变速器的流体流动，该摩擦材料更可能更凉地运行或在变速器中产生更少的热量。在一个传动系统的运行中，该摩擦材料表面上的油沉积物由于自动变速器流体的故障而易于随着时间而发展。在这些纤维上的油沉积物减小了孔隙开口。因此，当摩擦材料初始时以更大的孔隙开始时，在摩擦材料的有用寿命中仍然还有更多开放的孔隙。此外，在至少部分地使用一种硅氧烷树脂浸渍的实施方案中，这种硅氧烷树脂由于其弹性特征而允许摩擦材料中的纤维具有甚至更开放的结构。

所希望的是这些芳族聚酰胺纤维具有的长度范围是从约0.5至约10mm并且具有大于约300的加拿大标准游离度。在某些实施方案中，所希望的是使用更少原纤化的芳族聚酰胺纤维，它们具有的CFS是约450至约550、优选地约530以及更大、并且在其他实施方案中是约580-650及以上并且优选地是约650以及以上。相比之下，更多原纤化的纤维如芳族聚酰胺浆料具有的游离度是约285-290。

“加拿大标准游离度”(T227om-85)意思是可以将纤维的原纤化程度描述为纤维的游离度的量度。CSF试验是一种经验程序，它给出了可以将三克纤维在一升水中的悬浮体排出时的速率的任意测量值。因此，更少原纤化的芳族聚酰胺纤维具有比其他芳族聚酰胺纤维或浆料更高的游离度或更高的从摩擦材料中排出流体的速率。包括具有的CSF范围从约430-650(并且在某些实施方案中优选地是约580-640、或优选地约620-640)的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料与包括常规地更多原纤化的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料相比提供了优越的摩擦性能并且具有更好的材料特性。更长的纤维长度与高的加拿大游离度一起提供了具有高强度、高孔隙率以及良好的耐磨损性的摩擦材料。更少原纤化的芳族聚酰胺纤维(CSF是约530-约650)具有尤其好的长期耐久性以及稳定的摩擦系数。

在基底材料中个可以包括不同的填充剂。具体地，硅石填充剂如硅藻土是有用的。然而，在此设想其他类型的填充剂也适于使用，且填充剂的选择取决于该摩擦材料的特定要求。

在某些实施方案中，可以将棉纤维加入纤维基底材料中以便给出该纤维材料更高的摩擦系数。在某些实施方案中，还可以向该纤维基底材料中添加约5％至约20％、并且在某些实施方案中约10％的棉纤维。

该基底材料的配方的一个例子可以包括按重量计约10％至约50％的一种更少原纤化的芳族聚酰胺纤维、按重量计约10％至约35％的活性碳颗粒、按重量计约0至约20％的棉纤维、按重量计约2％至约15％的碳纤维、以及按重量计约10％至约35％的一种填充剂材料。在一些实施方案中，已经发现一种特定配方是有用的，该配方包括：按重量计约35％至约45％的更少原纤化的芳族聚酰胺纤维；按重量计约10％至约20％的活性碳颗粒；约5％至约15％的绵纤维；按重量计约2％至约10％的碳纤维；以及按重量计约25％至约35％的填充剂。在纤维基底材料的基础层上使用另外的游离的摩擦改性颗粒为该纤维基底材料提供了一种三维结构。

在纤维的基底材料表面上的另外的游离的摩擦改性颗粒的均一性是通过使用一定范围和尺寸的颗粒实现的，该尺寸优选是从约0.5至约80微米、并且更优选地约0.5至约20微米。在这些特定的实施方案中已经发现如果摩擦改性颗粒尺寸太大或太小，就不会实现所希望的最佳三维结构，并且因此热耗散就不是最佳的。

在多个示例性实施方案中，在该基础层上的另外的游离的摩擦改性颗粒的量值范围是该摩擦纸的按重量计从约0.2％至约20％、并且在某些实施方案中是按重量计从约2％至约15％，并且在某些其他实施方案中是按重量计约2％至约5％。在又其他的实施方案中，摩擦改性颗粒在表面上的覆盖面积是在该表面面积的约3％至约90％的范围内。

这些摩擦改性颗粒可以被布置在基底材料上。不同的摩擦改性颗粒在该纤维基底材料上是有用的。有用的摩擦改性颗粒包括硅石颗粒；树脂粉末，如酚醛树脂、硅氧烷树脂、环氧树脂以及它们的混合物；腰果树油改性的颗粒；部分和/或完全碳化的碳粉末和/或颗粒以及它们的混合物；以及此类摩擦改性颗粒的混合物。具体地，硅石颗粒如硅藻土、Celite.RTM、Celatom.RTM、和/或二氧化硅尤其有用的。这些硅石颗粒是便宜的有机材料，它们与纤维材料有力地结合。这些硅石颗粒为该摩擦材料提供了高的摩擦系数。这些硅石颗粒还为该摩擦材料提供哦了一个光滑的摩擦表面并且提供一种良好的“偏移感觉”并且为该摩擦材料提供了摩擦特征使得“震颤”被最小化。

本发明的实施方案的以上说明在本质上仅仅是示例性的，并且因此其多种变体不得被认为是脱离了本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种摩擦材料：包括含有多根纤维的基底材料，该基底材料具有接合表面、在该基底材料的接合表面处的多个粘合剂颗粒以及多个摩擦改性颗粒，这些摩擦改性颗粒具有小于这些粘合剂颗粒的粒度，并且摩擦改性颗粒与粘合剂颗粒的重量比的范围是从50/50至90/10，其中这些摩擦改性颗粒具有的尺寸范围是从1-25微米。

2.如权利要求1所述的摩擦材料，其中，这些粘合剂颗粒包括可流动的未固化的颗粒。

3.如权利要求1所述的摩擦材料，其中，这些粘合剂颗粒具有一种总体上球形的形状。

4.如权利要求1所述的摩擦材料，其中，多个摩擦改性颗粒被结合到每个粘合剂颗粒上。

5.如权利要求1-4中任一项所述的摩擦材料，其中，这些粘合剂颗粒是不规则形状的。

6.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这些粘合剂颗粒是固化的并且其中这些摩擦改性颗粒被结合到这些粘合剂颗粒上。

7.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这些粘合剂颗粒包括硅氧烷、酚类、聚酰胺或聚酰亚胺聚合物中的至少一种。

8.如权利要求1所述的摩擦材料，其中，这些粘合剂颗粒包括聚合物。

9.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这些摩擦改性颗粒包括碳颗粒、氧化物颗粒或硅石或腰果树油改性的颗粒中的至少一种。

10.如权利要求5所述的摩擦材料，其中这些粘合剂颗粒具有的尺寸范围是从1.8-40微米。

11.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这些粘合剂颗粒包括一种酚醛树脂并且其中这些摩擦改性颗粒包括硅石。

12.如权利要求1所述的摩擦材料，其中，这些粘合剂颗粒是固化的。

13.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这些摩擦改性颗粒被结合到这些粘合剂颗粒上并且其中具有结合到其上的摩擦改性颗粒的这些粘合剂颗粒覆盖了该基底材料的接合表面的百分之2至30。

14.如权利要求1所述的摩擦材料，其中这多个粘合剂颗粒以及结合至其上的多个摩擦改性颗粒是离散地位于该接合表面处，从而在该接合表面处提供了孔隙率。