CN1699779A - 高系数编织摩擦材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摩擦材料，其包括碳编织材料层和在主层的至少一个表面上摩擦改性颗粒的至少部分涂层，以用作抗颤动摩擦材料。

Description

高系数编织摩擦材料
技术领域
本发明涉及一种非石棉、非金属的编织材料，其包括编织材料的第一层和至少部分地涂敷该编织材料的摩擦改性颗粒的第二层。本发明进一步涉及一种复合编织摩擦材料，其包括浸渍了合适树脂材料的上述经涂敷的编织材料。
本发明的摩擦材料具有改进的抗震颤(anti-shudder)特性、高摩擦系数、以及改进的强度、孔隙度、耐磨性和抗噪性能。
背景技术
汽车工业开发了新和先进的传动系统和制动系统。这些新系统常常包括高能需求。因此，也必须发展摩擦材料技术以符合这些先进系统所增加的能量需求。
尤其，需要新的高性能、耐久的摩擦材料。该新型摩擦材料必须能够经受住高速，其中表面速度高达约65m/秒。同时，该摩擦材料必须经受住高达约1500psi的高的面向的衬片压力。同样重要的是该摩擦材料在有限的润滑条件下是有用的。
该摩擦材料必须是耐久的和具有高耐热性，以便可用于先进的传动和制动系统中。该摩擦材料不仅在高温下必须保持稳定，它必须也能够快速地散逸在运转条件下所产生的高热量。
在新的传动和制动系统的啮合和分离过程中产生的高速度意味着摩擦材料必须在啮合中保持相对恒定的摩擦。重要的是该摩擦啮合在宽的速度和温度范围内是相对恒定的，以便最大程度地减少在功率换档过程中在制动或传动系统中的材料的“抖动”。同样重要的是该摩擦材料具有所需的扭矩曲线形状，这样在摩擦啮合过程中该摩擦材料无噪音或无“尖叫”。
尤其，传动和扭矩响应(torque-on-demand)系统采用滑动离合器，主要为了燃料效率和驾驶舒适性。在这些系统内的滑动离合器的作用各不相同，从车辆启动设备，如湿起动离合器，到扭矩变换离合器。根据运转条件，该滑动离合器能够分成三个主要类型：(1)低压和高滑动速度离合器，如湿起动离合器；(2)高压和低滑动速度离合器，如变换离合器；和(3)极低压和低滑动速度离合器，如空档到怠速离合器。
对于滑动离合器的所有应用需考虑的主要性能是震颤的防止和摩擦界面的能量管理。震颤的发生归因于许多因素，其中包括摩擦材料的摩擦特性、匹配表面的硬度和粗糙度、油膜保留、润滑剂化学和相互作用、离合器运转条件、驱动系统组合件和硬件校准以及驱动系统污染。摩擦界面能管理主要地涉及控制界面温度并受到泵容量、油流路径和控制策略的影响。该摩擦材料表面设计也有助于提高界面能管理的效率。
以前，石棉纤维被包括在摩擦材料中以获得温度稳定性。由于健康和环境问题，石棉不再使用。更最近的摩擦材料已经企图通过用酚醛树脂或酚醛改性树脂改进浸渍纸或纤维材料来克服在摩擦材料中石棉不存在的问题。然而这些摩擦材料无法快速地耗散所产生的高热量，并且不具有现在为用于目前开发的高速系统中所需要的必要耐热性，以及摩擦性能的令人满意的高系数。
本发明是在Winckler美国专利No.4,700,823上的改进，它描述了包括由碳纤维形成的布基材的网片和由化学所相沉积法沉积在纤维上的碳涂层的摩擦材料。
本发明也是在Winckler美国专利No.5,662,993上的改进，它描述了包括形成为线条的纤维的摩擦材料，该线条被织(woven)或编(braided)在一起形成织物。这些线条具有沿着每一纤维以毛细管作用涂敷的粘结剂，使得在纤维之间留有缝隙。
本发明也是在Gibson等人美国专利No.5,952,249上的改进，它描述了无定形碳涂敷的碳织物，其中无定形碳填充在构成织物的纱的单根纤维之间的缝隙。
各种其它类型摩擦材料是由纸张材料制成。例如，Kersey(一种粗绒布)，美国专利No.5,585,166描述了具有多孔基材和多孔摩擦层的双层摩擦材料。
本发明是在Seitz美国专利No.5,083,650上的改进，它包括多步骤浸渍和固化过程；即，用涂料组合物浸渍纸，碳颗颗粒布置在纸上，纸中的涂料组合物部分地固化，将第二种涂料组合物施涂于部分固化的纸上，并最终，两种涂料组合物都固化。
在其它摩擦材料中，金属纤维与碳材料一起包括在摩擦材料中以获得耐磨性。例如，Fujimaki等人美国专利No.4,451,590描述了具有金属纤维、填料、碳颗粒、碳纤维和酚醛树脂的摩擦材料。然而，该金属基摩擦材料不具有足够的孔隙度和压缩性，以便在使用过程中有高流体渗透能力。同样，金属基摩擦材料没有足够的回弹性或弹性，也没有足够的耐压缩变定性，无法承受高达约1500psi(大约105kg/cm2)的高面向衬片压力。该金属基摩擦材料也不能够承受在新型传动和制动系统的啮合和分离过程中所产生的高达约65m/秒的高的表面速度。
目前使用的各种其它摩擦材料包括许多类型的“纸基”摩擦材料。这些“纸基”摩擦材料一般包括纤维基础材料，它典型地由无规的、非纺织的纤维状材料与至少一种合适的填料制成。例如，各种有用的摩擦材料已经开发出来，由这里的受让人Borg Warner Inc共同拥有。
本发明也是在由这里的受让人Borg Warner Inc.的早期共同拥有的有关摩擦材料的专利上的改进。尤其，美国专利No.5,998,307涉及具有浸渍了可固化树脂的基材(base)的摩擦材料，其中多孔性主层包括至少一种纤维材料和覆盖该主层的表面的至少约3-约90％的碳颗粒的副层。美国专利No.5,858,883涉及基础材料，它具有较低原纤化的芳族聚酰胺纤维，人造石墨和填料的主层，和在主层的表面上的碳颗粒的副层。美国专利No.5,856,244涉及包括浸渍了可固化树脂的基材的一种摩擦材料，其中主层包括较低原纤化的芳族聚酰胺纤维，合成石墨和填料；和副层包括碳颗粒和助留剂。美国专利No.5,958,507涉及生产摩擦材料的方法，其中包括较低原纤化的芳族聚酰胺纤维的该纤维材料的至少一个表面涂敷碳颗粒和助留剂，用酚醛树脂或改性酚醛树脂浸渍，然后固化。美国专利No.6,001,750涉及包括浸渍了可固化树脂的纤维基础材料的一种摩擦材料，其中纤维基础材料具有较低原纤化芳族聚酰胺纤维、碳颗粒、碳纤维、填充剂材料、酚醛型novoloid纤维和任选的棉纤维的多孔性主层，和覆盖该主层表面的约3-约90％的碳颗粒的副层。
另外，各种基础材料已描述在共同拥有的Borg Warner Inc.的美国专利No 5,753,356和5,707,905中，它们描述了包括较低原纤化的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料的基础材料。另一共同拥有的专利，US专利No.6,130,176，涉及非金属的纤维基础材料，它包括较低原纤化的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填料。
另一共同拥有的专利申请，序列号No.09/707,274，现在已获批准，涉及摩擦材料，它具有多孔性主层和覆盖该主层的表面的约3-约90％的硅石颗粒的副层。在优选的方面，该摩擦改性颗粒包括硅石颗粒、树脂粉末、碳粉或颗粒和/或部分地碳化的粉末或颗粒和它们的混合物中的至少一种。
为了使摩擦材料可用于“湿”应用中，该摩擦材料必须具有各种可接受的特性。该摩擦材料必须具有良好的抗颤动特性；必须是回弹性或弹性的，能耐压缩、磨损和应力；具有高耐热性和能够快速地耗散热量和具有持久、稳定和一致的摩擦性能。如果这些特性中任何一种没有满足，则无法获得该摩擦材料的最佳性能。
同样重要的是，合适的浸渍树脂与纤维基础材料一起使用，以形成高能应用摩擦材料。当在浸渍过程中用湿树脂饱和以及在使用过程中被制动液或传动油所饱和时，该摩擦材料准必须具有良好剪切强度。
在某些应用中同样重要是，摩擦材料具有高的孔隙度，使得在使用过程中有高的流体渗透能力。如此，重要的是该摩擦材料不仅是多孔的，它必须也是可压缩的。渗透进入摩擦材料中的流体必须能够在制动或传动的操作中所施加的压力下快速从该摩擦材料中压挤或释放出来，而且该摩擦材料必须不被压扁。同样重要的是，摩擦材料具有高的热导率以便还能协助快速地耗散在制动或传动的操作中所产生的热量。
迄今已知的是，还没有用于传动系统中的摩擦材料被公开，该材料包括了含有高纤维含量/低填料含量主层的纤维基础材料。
此外，迄今已知的是，还没有一种摩擦材料被公开，该材料包括高纤维含量/低填料含量的主层，在主层上沉积了摩擦改性颗粒的副层。
因此，本发明的目的是提供与现有技术相比，具有可靠的和改进的性能的改进型摩擦材料。
本发明的再一个目的是提供摩擦材料，它具有改进的“抗颤动”、耐“热点”性能、高耐热性、高的摩擦稳定性以及耐久性、孔隙度、强度和弹性。
作为为了获得更好的摩擦材料所进行的广泛研究的结果，本发明已经开发了具有改进特性的摩擦材料。目前的湿摩擦材料可用于“湿”应用中，其中摩擦材料在使用过程中被液体如制动液或自动传动液“润湿”或浸渍。在“湿”摩擦材料的使用过程中，该流体最终从摩擦材料中压挤出来或浸渍该摩擦材料。湿摩擦材料在它们的组成和物理特性上与“干”摩擦材料大为不同。
发明内容
为了实现以上讨论的要求，许多材料的摩擦特性和耐热性能是在与操作过程中遇到的那些相类似的条件下被评价的。对市售的制动衬片和传动材料都进行了考察并证明它们不适用于高能应用中。
本发明涉及非石棉、非金属的摩擦材料，它包括i)编织碳纤维材料(主层)，包括，例如，有机纤维如原纤化的芳族聚酰胺纤维(和任选的碳、棉花/纤维素、玻璃、聚酰胺、陶瓷和类似纤维)，和ii)沉积在主层上的包括摩擦改性颗粒的副层。
本发明的摩擦材料具有改进的抗颤动特性、改进的耐“热点”性能、为“滑移”所需要的摩擦特性、高耐热耐久性、弹性、改进的强度和孔隙度。
各种摩擦改性颗粒可用作编织材料上的副层。尤其，硅石颗粒如硅藻土、赛力特硅藻土(celite)、硅藻土(celatom)、和/或二氧化硅是特别有用的。该表面摩擦改性颗粒是以占涂敷编织材料的约0.2-约30重量％，和优选约2-10重量％，和最优选约3-5重量％的量存在。
可用于副层中的另一类型的特别合适的摩擦改性材料是多孔碳材料。在某些实施方案中，碳颗粒是特别有用的。同样，在一个具体的实施方案中，该副层包括以优选的比例沉积在主层的表面上的硅颗粒和碳颗粒的混合物。在某些实施方案中，该副层包括约20％到约35％(按重量计)的硅石颗粒，和约65％到约80％的碳颗粒，以摩擦改性颗粒的总重量为基础计。
编织材料能够使用不同的树脂体系来浸渍。在某些实施方案中，有用的是用酚醛树脂或改性酚醛型树脂浸渍该涂敷过的编织材料。在某些实施方案中，当硅酮树脂与酚醛树脂在相容性溶剂中共混或混合以及硅酮-酚醛树脂共混物用于浸渍本发明的涂敷过的编织材料时，形成了尤其有用的高性能、耐久的摩擦材料。
附图说明
图1a和1b是对比实施例A在各种水平和速度下，在100℃(图1a)和在50℃(图1b)下的扭矩曲线(μPVT)。
图2a和2b是对比实施例B在各种水平和速度下，在100℃(图2a)和在50℃(图2b)下的扭矩曲线(μPVT)。
图3a和3b是实施例1在各种水平和速度下，在100℃(图3a)和在50℃(图3b)下的扭矩曲线(μPVT)。
图4a和4b是实施例2在各种水平和速度下，在100℃(图4a)和在50℃(图4b)下的扭矩曲线(μPVT)。
图5a-5d是对比例A的将初始(μi)(图5a)、动态(μd)(图5b)、和最终(μ0)(图5c)摩擦系数以及最终/动态(μ0)/(μd)(图5d)摩擦系数比率与施加面向压力(kPA)进行比较的曲线图。
图6a-6d是对比例B的将初始(μi)(图6a)、动态(μd)(图6b)、和最终(μ0)(图6c)摩擦系数以及最终/动态(μ0)/(μd)(图6d)摩擦系数比率与施加面向压力(kPA)进行比较的曲线图。
图7a-7d是实施例1的将初始(μi)(图7a)、动态(μd)(图7b)、和最终(μ0)(图7c)摩擦系数以及最终/动态(μ0)/(μd)(图7d)摩擦系数比率与施加面向压力(kPA)进行比较的曲线图。
图8a-8d是实施例2的将初始(μi)(图8a)、动态(μd)(图8b)、和最终(μ0)(图8c)摩擦系数以及最终/动态(μ0)/(μd)(图8d)摩擦系数比率与施加面向压力(kPA)进行比较的曲线图。
图9a是显示了使用自动传动液“B”进行高速步进水平“热点”试验的试验条件的曲线图。
图9b是显示了对比例A、对比例B、实施例1和实施例2的高速步进水平“热点”试验结果的曲线图。
图10是显示了实施例1、实施例2、对比例B和对比例C的压缩模量的曲线图。
图11a是曲线图，显示了通过将摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)对比，在1、5、10、15、20、25和30个循环，实施例1的μ-V耐久性关系(恒定速度方法)。
图11b是显示了实施例1的斜率对循环的曲线图。
图12a是曲线图，显示了通过将摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)对比，在1、5、10、15、20、25和30个循环，实施例2的μ-V耐久性关系(恒定速度方法)。
图12b是显示了实施例2的斜率对循环的曲线图。
图13是制造高纤维含量纤维基础材料和制造由它形成的摩擦材料的方法的示意图。
图14a是扫描电子显微镜照片，显示了之上沉积了摩擦改性材料的编织材料并显示了它们的平滑度。
图14b是显示现有技术编织材料的扫描电子显微镜照片。
图15a是扫描电子显微镜照片，显示了在其上沉积了9lb摩擦改性材料的编织材料。
图15b是扫描电子显微镜照片，显示了在其上沉积了15lb摩擦改性材料的编织材料。
图16是扫描电子显微镜照片，显示了在其上沉积了摩擦改性材料的编织材料和显示了一个实例的涂层厚度.
图17是显示μ-V关系的曲线图，显示了本发明的材料的耐久性，与两种对比样品比较。
具体实施方式
本发明的摩擦材料具有改进的压缩模量和改进的耐“热点”性能。同样，该摩擦材料具有改进的弹性和改进的孔隙度，使得在其使用过程中有更均匀的热散逸。在传动或制动系统中的流体能够快速地穿过该摩擦材料的多孔性结构。此外，增加的弹性在摩擦材料上提供了更均匀的压力或甚至压力分布，因而避免了不均匀的衬片磨损和隔板“热点”。
摩擦材料的结构有更多的孔隙，热散逸有更高的效率。当摩擦材料是多孔的时，在摩擦材料的啮合过程中油可以更快速地进出该摩擦材料。
在一个方面，本发明涉及非石棉、纤维基础材料，它包括：主层，该主层具有i)高的纤维含量，包括，例如，有机、无机和/或金属的纤维如原纤化的芳族聚酰胺纤维、碳、棉花/纤维素、玻璃、聚酰胺、陶瓷、和类似纤维，和ii)低的摩擦填充材料成分，如硅藻土颗粒；和副层，该副层包括沉积在主层上的摩擦改性颗粒。在一个具体的实施方案中，该主层包括约85重量％的纤维和约15重量％的填料。同样，在某些实施方案中，有用的是在高纤维含量纤维基础材料中具有较低原纤化的芳族聚酰胺纤维以便为摩擦材料提供所需的孔隙结构，进而为该摩擦材料提供增加的耐热性。该纤维几何结构不仅提供增加的耐热性，而且提供抗层离性能以及抗尖叫或噪声性能。在某些实施方案中，碳纤维在主层中的存在有助于提高耐热性，维持稳定的摩擦系数和提高抗尖叫性能。
在具体的实施方案中，当与约80-约90重量％较高水平的棉花或其它纤维素型纤维相结合时，按重量计，该纤维基础材料具有约10-约20％，和在某些实施方案中具有约15％的芳族聚酰胺纤维。
在其它具体的实施方案中，当与约40-约50重量％的碳纤维相结合时，按重量计，该纤维基础材料具有约50-约60％，和在某些实施方案中具有约55％的芳族聚酰胺纤维。
当碳纤维用于该纤维基础材料中时，其提供了良好的热传导性，使得该摩擦材料具有所希望的耐热性。在具体的实施方案中，按重量计，该纤维基础材料具有约5-约20％，和在某些实施方案中具有约10-约15％的碳纤维。
在其它具体实施方案，较低原纤化的芳族聚酰胺纤维和碳纤维在纤维基础材料中的使用会改进摩擦材料承受高温的能力。较低原纤化的芳族聚酰胺纤维一般具有较少的附着于芯纤维的原纤维。较低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；即比使用典型的原纤化的芳族聚酰胺纤维时有更多和更大的孔隙。该多孔的结构一般由孔隙大小和液体渗透率来定义。在优选的实施方案中，该纤维基础材料限定孔隙在约2.0微米到约25微米直径的平均尺寸范围。在某些实施方案中，该平均孔隙尺寸是约2.5到约8微米直径和该摩擦材料具有至少约50％的容易利用的气孔和在某些实施方案具有至少约60％或更高的气孔。
当该摩擦材料具有更高的平均流动孔隙直径和渗透性时，该摩擦材料很可能在较低温度下运行或在传动中产生较少热量，这归因于流过摩擦材料的多孔结构时更佳的自动传动液流动。在传动系统的操作过程中，在摩擦材料的表面上的油沉积物倾向于随时间而增多，这归因于自动传动液的分解，尤其在高温下。纤维上的油沉积物减少了孔隙开孔。因此，当摩擦材料最初以较大的孔隙开始时，其使用期间中有更多开放孔保留。另外，在至少部分地浸渍硅酮树脂的实施方案中，该硅酮树脂，由于它的弹性特性，使得在摩擦材料中的纤维具有甚至更开放孔隙的结构。
同样，在某些实施方案中，希望该芳族聚酰胺纤维具有约0.5到约10mm的长度和大于约300的加拿大标准游离度(CSF)。因此，在某些实施方案中，该芳族聚酰胺纤维能够在加拿大标准游离度指数上具有约350到约650的游离度。在某些其它实施方案中，希望使用较低原纤化的芳族聚酰胺纤维，它具有约450到约550，优选约530和更大的CSF；和，在其它某些实施方案中，具有约580-650及以上，和优选约650和更高的CSF。相反，更原纤化的纤维，如芳族聚酰胺浆，具有约285-290的游离度。
该“加拿大标准游离度”(T227om-85)是指纤维的原纤化程度能够表述为纤维的游离度的量度。CSF试验是经验方法，它获得了三克纤维在一升水中的悬浮液被排出的速率的任意量度。因此，与其它芳族聚酰胺纤维或浆相比，较低原纤化的芳族聚酰胺纤维具有更高的游离度或更高的流体从摩擦材料中排出的速率。包括具有约430-650(和在某些实施方案中优选约580-640，或优选约620-640)的CSF的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料提供了优异的摩擦性能和具有比通常含有更多原纤化的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料更好的材料性质。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、高孔隙度和良好耐磨性的摩擦材料。较低原纤化的芳族聚酰胺纤维(CSF约530-约650)有尤其良好的长期耐久性和稳定的摩擦系数。
在本发明的所考虑范围内的仍然有一个其它实施方案，其包括在纤维基础材料中的合成石墨，以便与其它类型的石墨材料相比为纤维基础材料提供更加三维的结构。该合成石墨是通过原材料如石油焦和硬煤沥青粘结剂的石墨化制得。该原材料在特殊的石墨化炉中被混合并加热至约2,800℃到约3,000℃的温度，将烘烤的碳体转变成多晶石墨制品。合成石墨(它具有高热导率)提供了能够比其它类型的石墨更快速地耗散热量的摩擦材料。在某些实施方案中，优选的是，合成石墨的尺寸和几何结构是在约20微米到约50微米粒度范围内。在这些某些实施方案中，已经发现如果该石墨粒度太大或太小，则不是最佳的三维结构并因此耐热性也不是最佳的。在一个具体的实施方案中，按重量计，约20到约40％的石墨包括在纤维基础配方中。
少量的至少一种类型填料也可用于本发明的纤维基础材料的主层中。例如，硅石填料，如硅藻土，是有用的。然而，可以考虑的是，其它类型的填料适合用于本发明中，并且填料的选择取决于摩擦材料的具体要求。尤其，相对少量的，按重量计优选约3到约15％的填料现在被发现可提供尤其有用的主层。
在其中碳纤维存在于主层中的某些实施方案中，优选的是没有棉纤维成分。在不含碳纤维的其它实施方案中，在纤维基础材料的主层中有较高含量的棉纤维，如约40-50％(按重量计)，能够以经济的成本改进摩擦材料离合器“轧碎(bFeak-in)”特性。在此类实施方案中，棉纤维被添加到本发明的纤维基础材料中以使纤维材料具有更高的摩擦系数。在某些实施方案中，约40-约50％，和在某些实施方案中约45％的棉纤维也能够添加到纤维基础材料中。
至少一种类型的乳胶型材料能够包括在该纤维基础材料中。在具体的实施方案中，该纤维基础材料具有约0-约3％，和在某些实施方案中，具有约2重量％的乳胶型材料。
纤维基础材料的主层的配制料的一个例子包括约40-约60％(按重量计)的较低原纤化的芳族聚酰胺纤维；约5-约20％(按重量计)的碳纤维；约10-约20重量％的棉纤维；约3-约15重量％碳颗粒，约3-约15％(按重量计)的填料；和约0-约3％(按重量计)的乳胶型材料。
高纤维含量纤维基础材料的主层的配制料的另一个例子包括约50-约60％(按重量计)的芳族聚酰胺纤维；约40-约10％(按重量计)的棉纤维；约5-约15重量％的碳纤维；约20-约30％(重量)的石墨颗粒；和约5-约15％(按重量计)的填料。
高纤维含量纤维基础材料的主层的配制料的再另一个例子包括约50-约60％(按重量计)的芳族聚酰胺纤维；约15％(按重量计)的碳纤维；约20)-约30重量％的石墨；和约5-约15％(按重量计)的硅石填料。
摩擦改性颗粒的副层沉积在高的纤维含量的主层上而形成纤维基础材料。摩擦改性颗粒的混合物作为在纤维基础材料的主层上的副层的使用提供了高耐热性和高度耐久的纤维基础材料。
令人意外地发现，硅石颗粒和碳颗粒的结合物，当以优选的比率作为纤维基础材料的副层存在时，是特别有用的。
在某些实施方案中，有用的摩擦改性颗粒包括硅石颗粒和部分地和/或完全地碳化的碳颗粒的所需混合物。例如，该摩擦改性颗粒能够包括以下i)和ii)的混合物：i)硅藻土颗粒，和ii)完全地碳化的碳颗粒或部分地碳化的碳颗粒，和它们的混合物。在其它某些实施方案中，有用的摩擦改性颗粒包括树脂粉，如酚醛树脂、硅酮树脂、环氧树脂和它们的混合物。
在某些实施方案中，副层混合物包括硅石颗粒和碳颗粒，按照约4份硅石颗粒与约1份碳颗粒的比率。在其它实施方案中，比率是大约2份硅石颗粒与约1份碳颗粒。例如，硅石颗粒如、赛力特硅藻土(Celite)、硅藻土(Celatom)和/或二氧化硅是尤其有用的。硅石颗粒是廉价的有机材料，它们与纤维材料强烈地结合。该硅石颗粒为摩擦材料提供高摩擦系数。硅石颗粒也提供具有光滑摩擦表面的摩擦材料并为摩擦材料提供良好的“滑移感”和摩擦特性，使得任何“颤动”最大程度地减少。该碳颗粒，尽管是相对昂贵的，却为摩擦材料提供尤其有益的耐热点性能和高的摩擦稳定性和耐久性。
在纤维基础材料的表面上摩擦改性颗粒的副层的均匀性通过使用一定的粒度范围来实现，该范围优选是约0.5微米到约80微米，和优选是约.5到约20微米。在这些某些实施方案中，已经发现如果该摩擦改性颗粒粒度太大或太小，则最佳的三维结构无法实现，并因此热散逸也不是最佳的。
在优选实施方案，在主层上摩擦改性颗粒的量是该摩擦纸(frictionpaper)的约0.2％到约40％(按重量计)，和在某些实施方案中是约2％到约25％(按重量计)，在某些优选实施方案中是约2％-约15％(按重量计)。在优选实施方案中，在主层表面上摩擦改性颗粒的覆盖面积是表面积的约3％到约100％。
生产摩擦材料的优选方法包括混合用于形成纤维基础材料的主层的各种成分。纤维基础材料的主层的至少一个表面涂敷摩擦改性颗粒的副层。然后用至少一种酚醛树脂或酚醛基树脂浸渍涂有摩擦改性颗粒的纤维基础材料。该浸渍、涂敷过的纤维基础材料在预定温度下固化一段预定的时间以形成该摩擦材料。
可使用各种方法浸渍本发明的摩擦材料。该纤维基础材料用酚醛树脂或酚醛型树脂浸渍，优选的是每100重量份的摩擦材料中该浸渍树脂材料占约45到约65份(按重量计)。在纤维基础材料已经用树脂浸渍之后，浸渍的纤维基础材料被加热至所需的温度达到预定的时间长度以形成该摩擦材料。在约300°F的温度下加热固化酚醛树脂。当其它树脂存在时，如硅酮树脂，在约400°F温度下加温固化该硅酮树脂。其后，浸渍和固化的摩擦材料由合适的方法粘附于所需的基材上。
用于浸渍纤维基础材料的各种树脂包括酚醛树脂和酚醛基树脂。可以理解的是，各种酚醛基树脂，它包括在树脂共混物中的其它改性成分如环氧树脂、丁二烯、硅酮、桐油、苯、腰果油和类似物，经考虑可被本发明所使用。在酚醛-改性树酯中，该酚醛树脂一般以树脂共混物的约50重量％或更大的量(不包括所存在的任何溶剂)存在。然而已经发现，摩擦材料，在某些实施方案中，能够在该浸渍剂树脂共混物含有约5-约80重量％，和对于某些目的，含有约15-约55重量％，和在某些实施方案中含有约15-约25重量％的硅酮树脂时得到改进，这是基于该硅酮-酚醛混合物的重量(不包括溶剂和其它处理酸)。
可用于本发明中的有用的酚醛树脂和酚醛-硅酮树脂的例子公开于以上所参考的BorgWarner美国专利中，它被完全引入这里供参考。可用于本发明中的硅酮树脂包括，例如，热固化型硅酮密封剂和硅酮橡胶。各种硅酮树脂对于本发明是有用的。尤其，一种树脂包括二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)。该硅酮树脂所具有的沸点为约362°F(183℃)，在68°F下蒸气压：21mmHg，蒸气密度(空气＝1)为4.8，在水中的溶解度可以忽略，比重为约1.09，百分挥发分(按重量计)为5％，蒸发速度(醚＝1)低于0.1，闪点为约149°F(65℃)，使用Pensky-Martens方法；需要理解的是其它硅酮树脂也可用于本发明。其它有用的树脂共混物包括，例如，合适的酚醛树脂，后者包括(重量％)：约55-约60％酚醛树脂；约20-约25％乙醇；约10-约14％苯酚；约3-约4％甲醇；约0.3-约0.8％甲醛；和约10-约20％水。另一合适的酚醛基树脂包括(重量％)：约50-约55％苯酚/甲醛树脂；约0.5％甲醛；约11％苯酚；约30-约35％异丙醇；和约1-约5％水。
还发现另一有用的树脂是环氧改性酚醛树脂，它含有约5-约25重量％，和优选约10-约15重量％的环氧化合物，其余(不包括溶剂和其它加工助剂)是酚醛树脂。与单独的酚醛树脂相比，该环氧-酚醛树脂化合物在某些实施方案中为摩擦材料提供更高的耐热性。
在某些实施方案中，优选的是，纤维基础材料对树脂的目标吸收率是约40-约65％，和在某些实施方案中，是约60-至少65％，其基于总硅酮-酚醛树脂的重量。在纤维基础材料用树脂浸渍之后，该纤维基础材料在300-400℃之间的温度下固化一段时间(在某些实施方案中约1/2小时)，以固化树脂粘结剂和形成该摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于纤维基础材料的初始厚度，和在某些实施方案中优选是约0.014”至约0.040”。
进一步考虑到的是，已知可用于制备树脂共混物和用于制备浸渍纤维基础材料的其它成分和加工助剂能够包括在该摩擦材料中。
该硅酮树脂和该酚醛树脂两者存在于彼此相容的溶剂中。这些树脂混合在一起(在优选实施方案中)形成均匀的共混物，然后用于浸渍纤维基础材料。如果纤维基础材料用酚醛树脂浸渍和然后添加硅酮树脂则没有相同的效果，或反之亦然。在硅酮-酚醛树脂溶液的混合物与硅酮树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳液之间也有差异。当硅酮树脂和酚醛树脂处于溶液中时，它们根本不固化。相反，硅酮树脂和酚醛树脂的粉末颗粒部分地固化。硅酮树脂和酚醛树脂的部分固化会抑制纤维基础材料的良好浸渍。
在本发明的某些实施方案中，该纤维基础材料用硅酮树脂在与酚醛树脂和它的溶剂相容的溶剂中的掺混物来浸渍。在一个实施方案中，异丙醇已经被认为是尤其合适的溶剂。然而，可以理解的是各种其它的合适溶剂，如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯和类似物，能够用于本发明的实施中。当与酚醛树脂共混和用于浸渍纤维基础材料时，硅酮树脂的存在会使所形成的摩擦材料比仅仅用酚醛树脂浸渍的纤维基础材料有更高的弹性。当压力被施加于本发明的硅酮-酚醛树脂共混浸渍的摩擦材料时，将有更均匀的压力分布，进而减少了不均匀的衬片磨损的可能性。在硅酮树脂和酚醛树脂混合在一起之后，该混合物用于浸渍纤维基础材料。
制造本发明的摩擦材料10的一个优选实施方案示于图13中。纤维基础材料12包括具有上或顶表面16和下或底表面18的较低层14。趁较低层14是湿的状态，摩擦改性颗粒20沉积在湿较低层14的顶面16之上。
在某些方法中在摩擦改性颗粒20沉积在层14的顶面16上之前也可对湿层14的下表面18使用真空压力(未显示)。应该理解的是，沉积该摩擦改性颗粒的其它方法也是在本发明的所考虑的范围之内。
已经发现，在纤维基础材料的主层上的摩擦改性颗粒的副层为摩擦材料提供了良好的抗颤动特性、高的耐久性、良好耐磨性和改进的轧碎特性。
实施例
滑动离合器界面技术要求：本发明的摩擦材料设计可用于满足特殊要求的滑动离合器应用。这些要求包括高的机械强度、耐热性、耐久性、稳定性和抗颤动性能。本发明的摩擦材料有高的孔隙度，这一独特的材料结构使得其具有高的机械强度、高温导电性和抗颤动摩擦改性剂特性。这些材料特性是光滑滑动扭矩输出和长期摩擦稳定性的必要条件。
对于具有令人期望的滑动扭矩响应和长期耐久性的滑动离合器材料，要求包括良好的曲线形状和长期摩擦稳定性。良好曲线形状取决于高的材料孔隙度和高的摩擦改性剂含量。该长期摩擦稳定性取决于高的孔隙度(抗上光(anti-glazing))和高温成分。
纤维基础材料结构含有多孔性和高温的合成纤维网络以提供高的热耗散和摩擦稳定性。摩擦改性颗粒沉积在纤维基础材料上提供“抗颤动”性能。
下列实施例提供附加的证明：摩擦改性颗粒涂敷过的纤维基础材料和所形成的本发明的摩擦材料与普通的摩擦材料相比有改进。本发明的各种优选实施方案在下面的实施例中描述，然而，不希望这些实施例限制本发明的范围。
实施例I
该扭矩曲线形状表明本发明的摩擦材料尤其可用于速度、高能量和高温应用中。稳定的扭矩曲线也表明该摩擦材料是无噪声的。
表I显示了对比例A和B，以及实施例1和2的配方。表I还显示了所示实施例的基重、厚度、孔隙度、干燥和湿润拉伸性质和灰分性质。该新型材料包括具有最佳量的碳纤维的主层及包括碳和赛力特硅藻土和任选的助留剂如乳胶的混合物的副层。在优选实施方案中，在副层中，碳颗粒与硅石的比率是约1∶4到约1∶2。
表I
  配料％主层  实施例1  实施例2  对比例A  对比例B
  芳族聚酰胺纤维  55  55  20-2522.5  4-0-6050
  碳纤维2mm  10  10  10-2015
  棉  25-35
  31
 石墨   25   25   15-2521   10-2015
 硅石   10   10   20-3025.5   15-2520
 乳胶   2   2
 WSR   X2   X2
 副层
 碳   2   3   2
 Celite   4   6   8
 乳胶％   2   2
 基重   162.5   166.5
 厚度(Caliper)   30   30.25
 孔隙度   16.8   23.62
 干燥拉伸性能   6629   9114
 湿润拉伸性能   4772   5353
 灰分   13.59   15.1
实施例II
μPVT扭矩曲线提供了有关本发明的材料的详细资料。
图1a和1b是对比例A在100℃(图1a)和50℃(图1b)下在各种水平和速度下的扭矩曲线(μPVT)。
图2a和2b是对比例B在100℃(图2a)和50℃(图2b)下在各种水平和速度下的扭矩曲线(μPVT)。
图3a和3b是实施例1在100℃(图3a)和50℃(图3b)下在各种水平和速度下的扭矩曲线(μPVT)。
图4a和4b是实施例2在100℃(图4a)和50℃(图4b)下在各种水平和速度下的扭矩曲线(μPVT)。
实施例III
实施例III描述了S12μ-PVT试验，显示了初始摩擦系数μi，动态系数(μd)和最终的摩擦系数(μ0)以及对于所示速度的比率μ0/μd。
图5a-5d是曲线图，用于比较对于对比例A施加面向压力kPA时初始摩擦系数(μi)(图5a)，动态摩擦系数(μd)(图5b)、和最终摩擦系数(μ0)(图5c)以及最终/动态(μ0)/(μd)(图5d)摩擦系数的比率。
图6a-6d是曲线图，用于比较对于对比例B施加面向压力kPA时初始摩擦系数(μi)(图6a)、动态摩擦系数(μd)(图6b)、和最终摩擦系数(μ0)(图6c)以及最终/动态(μ0)/(μd)(图6d)摩擦系数的比率。
图7a-7d是曲线图，用于比较对于实施例1施加面向压力kPA时初始摩擦系数(μi)(图7a)、动态摩擦系数(μd)(图7b)、和最终摩擦系数(μ0)(图7c)以及最终/动态(μ0)/(μd)(图7d)摩擦系数的比率。
图8a-8d是曲线图，用于比较对于实施例2施加面向压力kPA时初始摩擦系数(μi)(图8a)、动态摩擦系数(μd)(图8b)、和最终摩擦系数(μ0)(图8c)以及最终/动态(μ0)/(μd)(图8d)摩擦系数的比率。
实施例IV
实施例IV显示高速度步进水平试验。图9a是显示了使用自动传动液“B”进行高速步进水平“热点”试验的试验条件的曲线图。
图9b是显示了对比例A、对比例B、实施例1和实施例2的高速步进水平“热点”试验结果的曲线图。
实施例V
表V显示了对比实施例B和对比实施例C以及实施例1和2的物理性能。
图10显示了这些材料的0-2MPA和2-9MPA的压缩模量。应该指出，模量越低，材料的弹性越高。本发明的材料具有非常理想的弹性。
实施例VI
实施例VI显示了使用自动传动液“B”的μ-V耐久性试验。
图11a是曲线图，通过将摩擦系数(μ)与滑速(rpm)比较，显示了实施例1在1、5、10、15、20、25和30的循环的μ-V耐久性关系(恒定速度方法)。
图11b是显示了实施例1的斜率对循环的曲线图。
图12a是曲线图，通过将摩擦系数(μ)与滑速(rpm)比较，显示了实施例2在1、5、10、15、20、25和30的循环的μ-V耐久性关系(恒定速度方法)。
图12b是显示了实施例2的斜率对循环的曲线图。
实施例VII
在另一方面，本发明涉及非石棉、纤维基础材料，它包括编织碳材料的主层及包括沉积在编织的碳主层上的摩擦改性颗粒的副层。
在一个具体的实施方案中，主层包括编织的碳纤维，它为摩擦材料提供增加的耐热性。碳纤维不仅提供增加的耐热性，而且提供抗层离性能以及抗尖叫或噪声性能。
在某些实施方案中，主层所具有的平均渗透度是Textron碳纤维的约两倍；即本发明的主层具有约9.353E-12kr(m2)的平均渗透度，相比之下Textron碳材料具有约4.82513-12的平均渗透度。
摩擦改性颗粒的副层沉积在主层上而形成所述摩擦材料。摩擦改性颗粒在编织材料的主层上的使用为该编织材料提供改进的三维结构。
在编织材料的表面上摩擦改性颗粒的副层的均匀性通过使用一定的粒度范围来实现，该范围优选是约0.5微米到约80微米，和优选是约0.5到约20微米。在这些某些实施方案中，已经发现如果该摩擦改性颗粒的粒度太大或太小，则最佳的三维结构无法实现，并因此热散逸不是最佳的。
在某些这种实施方案中，已经发现如果该摩擦改性颗粒粒度太大或太小，则最佳的三维结构无法实现，和因此热散逸不是最佳的。
在优选实施方案中，在主层表面上摩擦改性颗粒的覆盖面积是表面积的约3％到约100％。
在某些实施方案中，摩擦改性颗粒的混合物作为在编织材料主层上的副层，其使用提供了高耐热性和高度耐久的摩擦材料。
令人吃惊地发现，硅石颗粒和碳颗粒的结合物，当以优选的比率作为副层在编织材料上存在时，是特别有用的。
在某些实施方案中，基于编织材料的重量，摩擦改性颗粒包括约5％-约15％(按重量计)的摩擦改性颗粒。
在某些实施方案中，摩擦改性颗粒包括约20％到约35％(按重量计)，的硅石颗粒，和约65％到约80％的碳颗粒，以摩擦改性颗粒的总重量为基础计。
本发明的另一方面涉及生产摩擦材料的方法，它首先包括形成主要的编织层材料。该编织材料优选具有约40-50，和优选约44-46根纱/英寸的经纱，和约35-45，和优选约38-40根纱/英寸的纬纱。在某些实施方案中，编织材料经过编织或形成之后要求经纱和纬纱彼此是相对平滑或在同一平面上的。也就是说，考虑到线条和编织图案本身的厚度，编织材料提供了相对平滑的摩擦材料。在某些实施方案中，编织材料具有约.0001到约.001Ra的表面平滑度。该经纱和纬纱构成了多个的凹陷或微口袋，这允许摩擦改性颗粒保留在编织材料的表面上。
主要编织层的至少一个表面涂敷摩擦改性颗粒的副层。然后用至少一种类型的合适树脂浸渍涂有摩擦改性颗粒的编织材料。该浸渍、涂敷过的编织物在预定温度下固化一段预定的时间以形成该摩擦材料。
下面表II显示了对于编织材料的完全或全部覆盖或部分覆盖率的树脂吸取量(resin pick up)的实例。
表II
  覆盖率  完全   部分
  树脂吸取量PU％)  106-120   85-94
  沉积量(lb/3000ft2)  92   80
  沉积量G/m2)  149   130
由于在摩擦改性材料的沉积层中有包埋的纤维纱，因此其具有良好的颗粒粘合性。在碳编织材料完全覆盖的实施方案中，摩擦材料的表面变得非常平滑，这影响了该摩擦系数-滑速性能.图16显示了编织材料的扫描电子显微镜照片，其中编织材料的表面的由硅酮树脂和酚醛树脂形成的完全或全部覆盖层发生部分地固化。硅酮树脂和酚醛树脂的部分固化会抑制涂敷过的编织材料的良好浸渍。
在本发明的某些方面中，本发明还涉及生产摩擦材料的方法，该方法包括：形成编织材料，用摩擦改性颗粒涂敷编织材料的至少一个表面的约3％-约100％，该摩擦改性颗粒是以基于编织材料的重量的约0.2-约40％(按重量计)的量存在，和用树脂浸渍该涂敷过的编织材料，之后在预定温度下固化该浸渍的编织材料达到一段预定的时间。
实施例VII-A
下列实施例提供附加的证明：摩擦改性颗粒涂敷过的编织材料和所形成的本发明的摩擦材料与普通的摩擦材料相比有改进，并对于某些纸张类型纤维状基础摩擦材料具有令人满意的特性。
图14a是SEM，显示了主要的编织层的结构以及编织主层被树脂材料的饱和和碳在表面上的沉积。相比较的，图14b是市售的织物材料。
实施例VII-B
图15a显示实施例VII-1的扫描电子显微照片(SEM)，用约9lb/3000m2赛力特硅藻土饱和的碳织物编织材料作为摩擦改性材料。图15b显示实施例VII-1的扫描电子显微照片(SEM)，用约15lb/3000m2赛力特硅藻土饱和的碳织物编织材料作为摩擦改性材料。这些SEM显示了一些摩擦改性材料如何穿透进入编织材料的经纬线，而其它的摩擦改性材料保留在编织材料的表面上，因此得到了具有非常理想的抗颤动特性的摩擦材料。这些SEM还显示了摩擦材料的高的孔隙度。
实施例VII-C
图16是显示实施例VII-2的SEM，该实施例VII-2包括碳编织材料并且编织材料的表面被该摩擦改性材料完全或全部覆盖。该摩擦改性材料嵌入该纤维纱中，因此使得摩擦改性颗粒与编织材料有良好的粘合性。
实施例VII-D
图17是比较各种材料的耐久性的曲线图；实施例VII-1是涂有赛力特硅藻土材料的碳编织材料。对比例VII-Z和对比例VII-X是没有摩擦改性材料的任何涂层的碳织物的样品。该曲线显示了摩擦系数与滑动时间的对比。
该扭矩曲线形状表明本发明的摩擦材料尤其可用于速度、高能量和高温应用中。稳定的扭矩曲线也表明该摩擦材料是无噪声的。
工业实用性
本发明可用作高能量摩擦材料，用在离合器摩擦片、通频带、制动片、同步器闭锁环、摩擦盘或系统板上。
以上对本发明优选和供选择的实施方案的描述被认为是说明性的，并且不是对所附权利要求范围和内容的限制。

Claims (19)

1.摩擦材料，其包括浸渍了至少一种可固化树脂的基础材料，该基础材料包括i)多孔碳编织材料，和ii)副层，该副层包括至少部分地覆盖碳编织材料的外表面的摩擦改性颗粒；编织材料主层具有经纱和纬纱，两者构成了许多的凹陷而使摩擦改性颗粒保留在编织材料主层的表面上。
2.权利要求1的摩擦材料，其中编织材料包括约95％的碳。
3.权利要求2的摩擦材料，其中编织材料具有.0001Ra～约.001Ra之间的表面平滑度，该光滑表面为摩擦材料提供一致的抗颤动和摩擦系数特性。
4.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒包括硅石颗粒。
5.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒包括赛力特硅藻土颗粒。
6.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒包括碳颗粒和硅石颗粒的混合物，摩擦改性颗粒以基于编织材料的重量的约0.2-40重量％存在。
7.权利要求1的摩擦材料，其中该摩擦改性颗粒覆盖碳编织材料的表面积的约3％-约96％。
8.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒基本上覆盖碳编织材料的表面积。
9.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒包括由硅藻土颗粒与完全地碳化的碳颗粒或部分地碳化的碳颗粒及其混合物组成的混合物。
10.权利要求1的摩擦材料，其中基于编织材料的重量，摩擦改性颗粒包括约5-15重量％的摩擦改性颗粒。
11.权利要求6的摩擦材料，其中基于摩擦改性颗粒的总重量，摩擦改性颗粒包括约20-35重量％的硅石颗粒，和约65％-约80％碳颗粒。
12.权利要求1的摩擦材料，其中该摩擦改性颗粒粒度范围是约0.5-约20微米。
13.权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒包括硅藻土。
14.权利要求1的摩擦材料，其浸渍了酚醛树脂或改性酚醛树脂。
15.权利要求14的摩擦材料，其中该摩擦材料包括约45-60重量％的树脂。
16.权利要求1的摩擦材料，其浸渍了酚醛树脂和硅酮树脂的混合物，其中在该混合物中硅酮树脂的量是基于该混合物的重量的约5-80重量％，和任选地，其中酚醛树脂存在于溶剂材料中，并且硅酮树脂存在于与酚醛树脂的溶剂材料相容的溶剂材料中。
17.权利要求14的摩擦材料，其中改性酚醛树脂包括环氧酚醛树脂。
18.生产摩擦材料的方法，包括：
形成编织材料，
用摩擦改性颗粒涂敷该编织材料的至少一个表面的约3％-约100％，摩擦改性颗粒以基于编织材料的重量的约0.2-40重量％存在，和
用酚醛树脂或酚醛基树脂混合物浸渍该涂敷过的编织材料，之后在预定温度下将已浸渍的纤维状编织材料固化一段预定的时间。
19.权利要求18的方法，其中摩擦改性颗粒包括碳颗粒和硅石颗粒的混合物。
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