DE102009022112A1

DE102009022112A1 - Bremsbelag, Verfahren zur Herstellung eines solchen Bremsbelags sowie Bremseinheit umfassend einen solchen Bremsbelag

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Publication number: DE102009022112A1
Application number: DE200910022112
Authority: DE
Inventors: Jens Rosenlöcher; Martin Steinau; Günter Dipl.-Ing. Deinzer; Nahum Dr. Travitzky; Peter Greil
Original assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Bremsbelag bestehend aus einer zumindest teilweisen keramischen Matrix aus mindestens einem pyrolisierten präkeramischen Polymer mit darin eingebetteten Füllstoffen, wobei der Bremsbelag (1) wenigstens zwei ausgezeichnete Schichten (I, III) aufweist, von denen die erste Schicht (I) eine mit einer Bremsscheibe tribologisch zusammenwirkende Reibschicht und die zweite Schicht (III) eine Schwingungen dämpfende Dämpfungsschicht ist, die jeweils funktionsspezifische Füllstoffe (3, 4, 5, 7) enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bremsbelag bestehend aus einer zumindest teilweise keramischen Matrix aus mindestens einem pyrolisierten präkeramischen Polymer mit darin eingebetteten Füllstoffen.
Als Bremsbeläge für Bremseinheiten mit keramischer Bremsscheibe auf Basis siliziuminfiltrierter Kohlenstofffaservorkörper, wie sie zunehmend eingesetzt werden, werden derzeit organisch gebundene Beläge verwendet, die mit metallischen und keramischen Partikeln beziehungsweise Fasern verstärkt sind. Zur Optimierung des Reibwertes kommen Festschmierstoffe wie ZnS, MoS₂ und Kupfer zum Einsatz. Aufgrund der organischen Matrix, in der Regel eine Phenolharz-Matrix, stoßen diese Beläge mit erhöhtem Fahrzeuggewicht und bei höheren Geschwindigkeiten aufgrund der starken Temperaturentwicklung beim Bremsen an ihre Belastungsgrenzen. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise beim Übergang von Haft- in die Gleitreibung bei Nässe, kann es des weiteren zu nicht wünschenswerten Geräuschentwicklungen kommen.
Durch den Einsatz anorganischer Belagmaterialien können die Eigenschaften bezüglich Bremsleistung und Verschleiß optimiert werden. Bei solchen sintermetallischen oder keramischen Belägen kommt es jedoch zu einer starken Geräuschentwicklung und einem Verlust des Bremskomforts aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls und der hohen Härte der eingesetzten Materialien, wobei auch eine starke Temperaturentwicklung beim Bremsvorgang gegeben sein kann.
Ein gegenüber diesen bekannten Bremsbelägen verbesserter Bremsbelag ist in EP 0 987 464 B1 beschrieben. Dieser dort beschriebene gattungsgemäße Bremsbelag besteht aus einer zumindest teilweisen keramischen Matrix oder Binderphase aus mindestens einem pyrolysierten präkeramischen Polymer, beispielsweise auf Siliziumbasis wie Polysilan oder Polysiloxan oder dergleichen. In dieser Matrix sind Füllstoffe eingebettet, beispielsweise Metalle aus der Gruppe bestehend aus Kupfer und Kupferlegierungen oder Eisen und Eisenlegierungen in Form von Spänen, Metallwolle oder Metallpulver. Ferner sind auch Kohlenstoff, Koks oder Graphit sowie feste Schmiermittel wie SbS₃, MoS₂ und dergleichen wie auch weitere Füllstoffe, z. B. aus Keramik wie Al₂O₃ und dergleichen, die als Putzmittel dienen, in der keramischen Matrix enthalten. Die Füllstoffe sind in der Belagmatrix oder Binderphase homogen verteilt. Im Rahmen der Herstellung der Bremsbeläge werden zunächst die Füllstoffe gemischt und homogenisiert, wonach das präkeramische Polymer zugemischt wird. Die Mischung wird anschließend warmgepresst gesintert und pyrolisiert.
Wenngleich mit dem in EP 0 987 464 B1 beschriebenen Bremsbelag eine weitere Verbesserung gegenüber bisher bekannten Bremsbelägen insbesondere hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erreicht werden kann, sind die Belageigenschaften nicht zuletzt hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften und Geräuschentwicklung sowie der thermischen Beständigkeit verbesserungswürdig.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Bremsbelag anzugeben, der insbesondere verbesserte tribologische Eigenschaften sowie eine verminderte Geräuschentwicklung zeigt.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Bremsbelag der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er wenigstens zwei ausgezeichnete Schichten aufweist, von denen die erste Schicht eine mit einer Bremsscheibe tribologisch zusammenwirkende Reibschicht und die zweite Schicht eine Schwingungen dämpfende Dämpfungsschicht ist, die jeweils einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe enthalten.
Der erfindungsgemäße Bremsbelag geht ebenfalls von einer keramischen Matrix oder Binderphase aus einem pyrolysierten präkeramischen Polymer aus. Die Herstellung oder Ausbildung dieser keramischen Matrix basiert auf der thermischen Zersetzung der metallorganischen Ausgangspolymere (Pyrolyse) bei erhöhter Temperatur. Dabei bilden sich unter Abspaltung der organischen Bestandsteile (gasförmige Pyrolyseprodukte) und einer Umordnung des sich bildenden anorganischen Netzwerks die keramischen Phasen (feste Pyrolyseprodukte). Es kommt schließlich zu einer Überführung glasartiger Strukturen in kristalline Strukturen. Diese keramische Binderphase ist sehr temperaturfest, was der Temperaturbeständigkeit des erzeugten Bremsbelags zugute kommt.
Anders als bei bisher bekannten Bremsbelägen aus pyrolysierten präkeramischen Polymeren zeichnet sich der erfindungsgemäße Bremsbelag durch wenigstens zwei ausgezeichnete Schichten aus, die unterschiedlicher Funktionalität sind. Die erste Schicht ist die Reibschicht, die im Einsatz mit der Bremsscheibe tribologisch zusammenwirkt. Die zweite Schicht ist eine schwingungsdämpfende Schicht, die aufgrund ihrer Eigenschaften etwaige belagseitig während des Bremsvorgangs induzierte Schwingungen oder Vibrationen dämpft und so die Geräuschentwicklung vermindert. Jede Schicht enthält die jeweils funktionsspezifischen Füllstoffe, das heißt, dass jede Schicht durch Zuschlag ihrer spezifischen Füllstoffe hinsichtlich ihrer Eigenschaften optimiert ist. Anders als im Stand der Technik, wo alle zugeschlagenen Füllstoffe homogen über den gesamten Bremsbelag verteilt sind, kommt hier eine dezidierte Schichtausbildung und Füllstoffverteilung zum Einsatz, so dass sich ein funktionell gradierter Aufbau ergibt. Die Schichten sind also hinsichtlich ihrer Eigenschaften optimiert und enthalten auch Füllstoffmengen, die hinsichtlich der jeweiligen Schichteigenschaft optimiert sind. Denn die zugeschlagene Füllstoffmenge kann schichtspezifisch deutlich höher eingestellt und damit optimiert werden, nachdem primär nur die funktionsspezifischen Füllstoffe in der jeweiligen Schicht sind, jedoch keine weiteren Füllstoffe oder sofern z. B. aus Festigkeitsgründen nötig nur in deutlich geringerem Anteil, verglichen mit einem Bremsbelag, bei dem sämtliche Füllstoffe homogen verteilt sind. Insgesamt lässt der erfindungsgemäß vorgese hene „sandwichartige” Aufbau die Ausbildung ausgezeichneter Schichten mit jeweils optimierten tribologischen oder schwingungsdämpfenden Eigenschaften zu, so dass sich eine deutliche Verbesserung gegenüber bisher bekannten Bremsbeläge ergibt.
In Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen der Reibschicht und der Dämpfungsschicht oder an die Dämpfungsschicht anschließend eine dritte Schicht in Form einer einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe enthaltenden thermischen Isolationsschicht ausgebildet ist. Wenngleich grundsätzlich die Möglichkeit besteht, thermisch isolierende Füllstoffe wie beispielsweise ZrO₂ und dergleichen, also Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit insbesondere der Reibschicht zuzuschlagen, um hierüber den Wärmetransport zur Dämpfungsschicht und zu einer etwaigen den Bremsbelag fixierenden Trägerschicht zu reduzieren, sieht diese Erfindungsausgestaltung die Integration dieser dritten funktionsspezifischen Isolationsschicht in den gradierten Belagaufbau vor, was aufgrund des erfindungsgemäßen sandwichartigen Aufbaus ohne weiteres möglich ist. Über die Isolationsschicht kann eine spezifische thermische Isolationsbarriere zwischen Reibschicht und Dämpfungsschicht gesetzt werden, die die thermische Belastung der Dämpfungsschicht deutlich reduziert. Kommt also eine solche Isolationsschicht zum Einsatz, so würde jede Schicht, also die Reibschicht, die Isolationsschicht und die Dämpfungsschicht, primär nur ihre jeweiligen funktionsspezifischen Füllstoffe enthalten, abgesehen von etwaigen Verstärkungsmaterialien, die aus Festigkeitsgründen gegebenenfalls vorzusehen sind. Ein solcher dreischichtiger Aufbau Isst eine weitere Optimierung im Hinblick auf die tatsächlichen Gegebenheiten beim Bremsen zu. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die Isolationsschicht an die Dämpfungsschicht, die dann zwischen der Reibschicht und der Isolationsschicht liegt, anzuschließen.
Wenngleich grundsätzlich die Möglichkeit besteht, den Bremsbelag über eine separate Trägerplatte oder dergleichen mit dem Bremskolben zu koppeln, sieht eine weitere vorteilhafte Erfindungsausgestaltung vor, dass eine an die Dämpfungsschicht oder die Isolationsschicht (sofern eine solche als äußere Schicht vorhanden ist) außenliegend anschließende vierte Schicht in Form einer der Halterung dienenden und einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe enthaltenden Trägerschicht ausgebildet ist. Das heißt, dass beim erfindungsgemäßen Bremsbelag weiterhin auch die Trägerschicht, die der Kopplung des Bremsbelags mit dem Bremskolben dient, belagseitig integriert respektive ausgebildet ist. Auch diese Trägerschicht besteht aus einer keramischen Bindermatrix aus pyrolysiertem präkeramischen Polymer und enthält funktionsspezifische Füllstoffe, bei denen es sich primär um die mechanischen Eigenschaften optimierende Füllstoffe, die also der Verstärkung und Stabilität dienen, handelt.
Wie bereits beschrieben, sind unterschiedliche präkeramische Polymere bekannt und einsetzbar. Der Aufbau des Bremsbelags kann nun derart sein, dass in jeder Schicht die gleiche keramische Matrix ausgebildet ist, dass also alle Schichten über das gleiche präkeramische Polymer gebildet wurden. Denkbar ist jedoch auch, dass die einzelnen Schichten unterschiedliche keramische Matrizen aufweisen, was ohne weiteres möglich ist, nachdem, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, die einzelnen Schichten aus jeweils einer Vielzahl gestapelter Folien aus präkeramischem Polymer mit den funktionsspezifischen Füllstoffen hergestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, für die unterschiedlichen Schichten jeweils Folien aus unterschiedlichen präkeramischen Polymeren zu verwenden und so einen matrixmäßig ebenfalls gradierten Aufbau zu realisieren.
Ein präkeramisches Polymer ist bevorzugt aus der Gruppe der Polysilane, Polysiloxane, Polysilazane, Polycarbosilane, Polycarbosilazane, Polyborosilane und Polyborosilazane gewählt. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, selbstverständlich können auch noch andere präkeramische Polymere verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch die beschriebenen Si-haltigen präkeramischen Polymere, mit deren Pyrolyse die intermetallischen Si-Verbindungen gebildet werden.
Der bereits zuvor beschriebene Herstellungsvorgang des erfindungsgemäßen Bremsbelags aus einer Vielzahl geschichteter Polymerfolien, in denen der Füllstoff bereits vorhanden ist, lässt weiterhin mit besonderem Vorteil auch beliebige Aufbauten innerhalb der jeweiligen Schicht zu. Entweder kann in einer Schicht der oder können die Füllstoffe jeweils homogen verteilt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, Schichtabschnitte unterschiedlicher Füllstoffverteilung auszubilden und/oder unterschiedliche Füllstoffarten lokal in ausgezeichneten Schichtabschnitten vorzusehen. Die Schichtabschnitte können sowohl in Dickenrichtung, also in die Tiefe der jeweiligen Schicht ausgebildet sein, als auch in Längs- oder Querrichtung, also in der Fläche. Diese weitere Variationsmöglichkeit innerhalb einer Schicht selbst, insbesondere in der Dickenrichtung, ist insbesondere für die Dämpfungsschicht und die Isolationsschicht interessant, da auf diese Weise lokal eine weitere Eigenschaftsoptimierung möglich ist. In der Reibschicht ist eine Variation der Füllstoffverteilung und der Zusammensetzung über die Schicht z. B. in Querrichtung (bei in der Regel länglicher Belagform) denkbar, um die Eigenschaften der Reibschicht im Hinblick auf unterschiedliche Belastungen resultierend aus den unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der Bremsscheibe infolge der Radiusvariation zur Verschleißverringerung zu optimieren. Auch ein Schichtabschnittsaufbau in Längsrichtung ist denkbar, um die Schichteigenschaften z. B. den gegebenenfalls höheren Belastungen am vorderen Belagende, an dem die Bremsscheibe einläuft, zu optimieren. In entsprechender Weise können auch die Isolations- und die Dämpfungsschicht ausgebildet sein. Eine Variation der Füllstoffverteilung in der Dickenrichtung wird bei der Reibschicht nicht zweckmäßig sein, da dort eine homogene Füllstoffverteilung aufgrund des Abriebs zweckmäßig ist.
Als Füllstoffe in der Reibschicht werden erfindungsgemäß Reibpartikel und Festschmiermittel, gegebenenfalls auch Verstärkungsmittel in Form von Fasern oder Partikeln vorgesehen. Dabei sind die Reibpartikel gewählt aus: reinen Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON.
Die Festschmiermittel sind gewählt aus:
CaF₂, BN, ZnS, ZnO, SnO₂, MoS₂, Graphit oder Schichtsilikaten.
Die gegebenenfalls vorgesehenen Verstärkungsmittel sind gewählt aus:
reinen Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON, Keramik-, Kohlenstoff-, Metall- oder Metalllegierungsfasern (kurz oder lang, 1-, 2- oder 3-dimensionale Faseranordnung (Fasern, Gewebe, Gewirke)) oder -partikeln oder Faservliese.
Der oder die Füllstoffe der Dämpfungsschicht sind gewählt aus:
Silikaten, Stählen oder Metalllegierungen aus Al, Mg oder Ti, insgesamt also Materialien mit niedrigem E-Modul.
In der Isolationsschicht können Füllstoffe eingesetzt werden, die gewählt sind aus:
Keramiken wie Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, mithin also Materialien mit möglichst niedriger Wärmeleitfähigkeit.
Sofern der Bremsbelag eine integrierte Trägerschicht aufweist, so enthält diese als Füllstoffe Verstärkungsmittel in Form von Fasern oder Partikeln, die gewählt sind aus:
reinen Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON, Keramik-, Kohlenstoff-, Metall- oder Metalllegierungsfasern (kurz oder lang, 1-, 2- oder 3-dimensionale Faseranordnung (Fasern, Gewebe, Gewirke)) oder -partikeln oder Faservliese.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die jeweils angegebenen schichtspezifischen Füllstoffe nicht abschließend aufgezählt sind. Denkbar sind grundsätzlich auch andere Füllstoffe, die die jeweiligen schichtspezifischen Funktionen erfüllen können.
Die Reibschicht selbst kann eine Dicke von 5–12 mm, insbesondere von 6–10 mm aufweisen, die Dämpfungsschicht eine Dicke von 1–8 mm, insbesondere von 2–6 mm und gegebenenfalls die Isolationsschicht eine Dicke von 1–8 mm, insbesondere 2–6 mm aufweisen. Insgesamt sollte die Belagstärke zwischen 15 mm und 20 mm liegen, vorzugsweise jedoch maximal 17 mm betragen.
Die Stärke und Geometrie der Trägerschicht ist in Abhängigkeit des Bremssystems, in welchem der erfindungsgemäße Bremsbelag eingesetzt wird, auszulegen.
Neben dem Bremsbelag selber betrifft die Erfindung eine Bremseinheit umfassend eine Bremsscheibe aus einem thermisch hoch belastbaren Material, also eine Keramikbremsscheibe, und einen mit ihr tribologisch zusammenwirkenden Bremsbelag der beschriebenen erfindungsgemäßen Art.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bremsbelags, das sich dadurch auszeichnet, dass mehrere Folien auf Basis mindestens eines präkeramischen Polymers enthaltend einen oder mehrere Füllstoffe, welche Folien sich zur Bildung der ausgezeichneten Schichten in der Art und/oder dem Gehalt der Füllstoffe unterscheiden, gestapelt und bei einer ersten Temperatur durch Pressen laminiert werden, wonach das Laminat bei einer zweiten höheren Temperatur zur Bildung der keramischen Matrix pyrolytisch umgesetzt wird.
Im Rahmen der Herstellung wird also zunächst ein Folienstapel gebildet, wobei jede Schicht durch schichtspezifische Folien aufgebaut wird. Zur Bildung der Reibschicht kommen also erste Folien zum Einsatz, die aus einem präkeramischen Polymer wie beispielsweise einem Polysiloxan bestehen und einen optimiert bemessenen Gehalt an Reibpartikeln und Festschmiermitteln wie auch gegebenenfalls Verstärkungsmitteln aufweisen. Die die Isolationsschicht bildenden Folien bestehen beispielsweise aus dem gleichen präkeramischen Polymer, enthalten jedoch als Füllstoffe thermisch isolierende Füllstoffe, gegebenenfalls auch Verstärkungsmittel, sofern erforderlich. Schließlich wird die Dämpfungsschicht aus dritten Folien beispielsweise wiederum aus dem gleichen präkeramischen Polymer, enthaltend jedoch spezifische dämpfend wirkende Füllstoffe mit niedrigem E-Modul, gegebenenfalls auch Verstärkungsmittel zur mechanischen Stabilisierung, gebildet. Dieser erzeugte Schichtstapel wird sodann bei einer ersten Temperatur durch uniaxiales Pressen laminiert, wobei diese erste Temperatur beispielsweise 400°C oder etwas weniger beträgt. Hierdurch wird ein Polymermatrixkomposit als Laminatstruktur ausgebildet. Dieses Polymermatrixkomposit beziehungsweise Laminat wird anschließend bei einer höheren zweiten Temperatur ≤ 2000°C, beispielsweise ca. 1600°C oder weniger, pyrolytisch umgesetzt und anschließend die keramische Matrix, also die keramische Binderphase, ausgebildet. Die jeweils gewählte Laminier- oder Pyrolysetemperatur hängt von den verwendeten präkeramischen Polymeren und der angestrebten keramischen Matrix, die sich ausbilden soll, ab. Alle thermischen Prozesse können wahlweise im Vakuum, an Luft oder unter Gasatmosphäre (z. B. Stickstoff, Argon oder andere) in einem Druckbereich von 0–300 bar durchgeführt werden.
Die Folien selbst besitzen eine Dicke von 50–2000 μm, insbesondere von 500–1000 μm, sind also sehr dünn, können jedoch ohne weiteres gehandhabt werden, um den Schichtstapel zu bilden. Die Folien selbst werden bevorzugt in einem Doctorblade-Verfahren hergestellt, wozu die folien- oder schichtspezifischen Füllstoffe dem fluiden präkeramischen Polymer zugemischt werden und diese sodann mit einem Doctorblade in bekannter Weise dünn verstrichen wird, worüber es dann nach Aushärtung zur Folienbildung kommt. Alternativ können die Folien auch durch Sedimentiertechnik oder durch Rollen oder Walzen hergestellt werden. Werden z. B. Fasergewebe, Fasergewirke oder Faservliese als Verstärkungsmaterialien verwendet, können die Folien aus einer hieraus bestehenden Vorform, die mit einer polymer- und füllstoffhaltigen viskosen Mischung imprägniert wird, hergestellt werden. Die Imprägnierung kann unter Druck oder drucklos erfolgen, z. B. durch Walzen, Rollen, uni- oder multiaxiales Pressen, Spritzen, Extrudieren oder unter Vakuum.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung:
1 eine Prinzipdarstellung einer Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Bremsbelag einer ersten Ausführungsform,
2 eine Prinzipdarstellung einer Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Bremsbelag einer zweiten Ausführungsform, und
3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in einer weder dem Maßstab noch der realen Größe der gezeigten Füllstoffe entsprechenden Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Bremsbelag 1 in Form eines durch Pyrolyse erhaltenen Keramikmatrixkörpers. Der Bremsbelag 1 weist im gezeigten Beispiel 3 ausgezeichnete Schichten I, II und III auf, die auch als Funktionsschichten bezeichnet werden können, da ihnen jeweils unterschiedliche Funktionen zueigen sind. Jede Schicht I–III besteht aus einer durch Pyrolyse eines präkeramischen Polymers erhaltenen keramischen Matrix 2, die hier nur durch die gestrichelte Grundflächendarstellung angedeutet ist. Die Schichten I–III weisen jeweils eine keramische Matrix auf, die aus dem gleichen präkeramischen Polymer hergestellt wurde, wobei dies jedoch nicht zwingend ist.
Ersichtlich sind in der Prinzipdarstellung gemäß 1 in jeder Schicht I–III Füllstoffe enthalten, die funktionsspezifisch sind, in ihren Eigenschaften also ganz speziell im Hinblick auf die jeweilige Funktion der jeweiligen Schicht I–III ausgewählt sind.
Bei der Schicht I handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Reibschicht, also um die Schicht, die tribologisch mit einer hier nicht näher gezeigten keramischen Bremsscheibe zusammenwirkt. Die Schicht I kann auch als Tribologieschicht bezeichnet werden. Die Schicht II ist eine thermische Isolationsschicht, die dazu dient, den Wärmefluss von der sich beim Bremsen stark erhitzenden Reibschicht I zur dahinter befindlichen Schicht respektive Um gebung und Anbindung an das Bremssystem zu verhindern. Die folgende Schicht III ist eine mechanische Dämpfungsschicht, die dazu dient, beim Bremsen in den Bremsbelag 1 von Seiten der Reibschicht I her induzierte Schwingungen zu dämpfen und diese wenn überhaupt nur gedämpft an das Bremssystem weiterzugeben. Allen Schichten I–III kommt also eine spezifische Funktion zu, die erfindungsgemäß insbesondere durch Zuschlag jeweils funktionsspezifischer Füllstoffe erreicht beziehungsweise optimiert wird.
Die Schicht I zeigt drei unterschiedliche Füllstoffe. Zum einen sind Reibpartikel 3 enthalten, bei denen es sich beispielsweise um reine Elementpartikel aus Si, Fe, Ti handelt, denkbar sind auch Partikel aus metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi oder CrSi₂ oder Partikel aus Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie MgO, TiO₂ oder SiC. Die Reibpartikel 3 sind bevorzugt homogen über den Querschnitt der Schicht I verteilt.
Ferner sind Partikel aus Festschmierstoffmittel 4 vorgesehen. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um CaF₂ oder MoS₂, wie auch Graphitpartikel oder Schichtsilikatpartikel verwendet werden können. Auch diese Festschmiermittel 4 sind über den Querschnitt der Schicht I homogen verteilt.
Schließlich sind Verstärkungsmittel 5 in Form von Fasern oder Platelets, also plättchenförmigen Teilen enthalten. Diese Verstärkungsmittel können beispielsweise aus Kohlenstoff, Metall oder Metalllegierungen sein, wie auch Fasern oder Partikeln aus Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramik stabilisierend wirken können. Auch diese sind bevorzugt homogen über die Schichtdicke verteilt.
Die Schicht II weist wie bereits beschrieben die gleiche keramische Matrix auf, so dass eine matrixmäßige echte Grenze oder Trennung nicht gegeben ist. Gleichwohl lässt sich die Schicht II von der Schicht I eindeutig durch die anderen in der Schicht II enthaltenen Füllstoffe abgrenzen. Diese Schicht II als Isolationsschicht enthält separate funktionsspezifische Füllstoffe 6, bei denen es sich beispielsweise um Partikel aus Keramiken wie Al₂O₃, TiOi₂ oder ZrO₂ handelt, mithin also um Materialien geringer Leitfähigkeit.
Die Schicht III, ebenfalls mit der gleichen Keramikmatrix 2, lässt sich wiederum eindeutig von der Schicht II aufgrund der dort enthaltenen Füllstoffe abgrenzen. In der Schicht III, bei der es sich um die Dämpfungsschicht handelt, sind Füllstoffe 7 aus Silikaten, Stählen oder Metalllegierungen bevorzugt aus Al, Mg oder Ti enthalten, also Materialien mit sehr niedrigem E-Modul, die energievernichtend respektive schwingungsvernichtend sind. Auch in den Schichten II und III sind im gezeigten Beispiel die jeweiligen Füllstoffe 6, 7 homogen über den Schichtquerschnitt verteilt.
Insgesamt ergibt sich hier also ein dreischichtiger Aufbau, wobei jeder Schicht I, II und III eine spezifische Funktion zukommt, nämlich zum einen die tribologisch wirkende Schicht I, zum anderen die thermisch isolierende Schicht II und zum dritten die dämpfend wirkende Schicht III. Allesamt beinhalten schichtspezifische Füllstoffe, sind also hinsichtlich der jeweiligen Funktion wie auch des Füllstoffgehalts und der verwendeten Füllstoffart optimiert ausgelegt. Wenngleich hier die keramischen Matritzen 2 aller Schichten gleich sind, ist es möglich, diese auch unterschiedlich auszuführen.
Gestrichelt dargestellt ist in 1 ferner eine optionale vierte Schicht IV, bei der es sich um eine Trägerschicht handelt, über die der Bremsbelag 1 mit den Bremskolben des Bremssystems gekoppelt wird. Diese Schicht IV ist bei dem in 1 gezeigten Bremsbelag 1 Teil des Bremsbelags 1, ist also im Rahmen des nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahrens zusammen mit den anderen drei Schichten I–III ausgebildet. Auch hier kommt eine keramische Matrix 2' zum Einsatz, die hier jedoch, wie durch die andere Strichelung angedeutet ist, exemplarisch aus einem anderen präkeramischen Polymer hergestellt wurde. Während beispielsweise die Matritzen 2 der Schichten I–III aus einem Polysiloxan bestehen, besteht die keramische Matrix 2' beispielsweise aus einem Polycarbonsilan. Festzuhalten ist jedoch, dass auch hier selbstverständlich die keramische Matrix 2 gleichermaßen realisiert sein kann. Die Schicht IV verfügt über Füllstoffe 8 in Form von Verstärkungsmitteln in Faserform, gleichermaßen können auch Partikel als Füllstoffe eingebracht sein. Auch hier kann es sich um Metall- oder Metalligie rungsfasern handeln oder um Fasern aus Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie auch aus anderen metallischen Verbindungen oder Legierungen. Auch hier ist die Art des oder der verwendeten Füllstoffe sowie deren Gehalt hinsichtlich der Funktion der Trägerschicht IV optimiert, nämlich der mechanischen Kopplung an das Bremssystem und den dabei wirkenden mechanischen Einflüssen auf den Bremsbelag 1.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bremsbelags 1, wobei soweit möglich gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet werden. Dieser Belag 1 besteht nur aus zwei ausgezeichneten Schichten I und III, nämlich der Reibschicht und der Dämpfungsschicht. Beide bestehen wiederum aus der gleichen keramischen Matrix 2. Während die Schicht III gleich aufgebaut ist wie die Schicht III in 1, also als Füllstoffe 7 die dämpfend wirkende Materialien mit niedrigem E-Modul enthält, enthält die Schicht I neben den Reibpartikeln 3, den Schmiermittelpartikeln 4 sowie den Verstärkungsfasern 5 auch Füllstoffe 6, die der thermischen Isolation dienen. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Al₂O₃-Partikel oder dergleichen. Während die Füllstoffe 3, 4 und 5 über den Querschnitt näherungsweise homogen verteilt sind, befinden sich die Füllstoffe 6 primär nahe dem Übergang zur Schicht III, das heißt, sie sind verstärkt im „inneren” Schichtabschnitt der Schicht I eingelagert. Denn ihre Funktion liegt in der thermischen Isolation zur Schicht III, so dass ein höherer Füllstoffgehalt in diesem Grenzbereich zur Optimierung der thermischen Isolation zweckmäßig ist. Eine solche über den Schichtquerschnitt inhomogene Füllstoffverteilung ist aufgrund des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, worauf nachfolgend eingegangen wird, ohne weiteres möglich.
Dieses erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist in Form einer Prinzipdarstellung in 3 gezeigt. Ausgangspunkt für die Herstellung des Bremsbelags 1 respektive der ausgezeichneten Schichten I, II und III (gleiches gilt natürlich für die Ausbildung einer Trägerschicht IV) sind Folien aus präkeramischen Polymer, in das bereits der oder die jeweiligen funktionsspezifischen und schichtspezifischen Füllstoffe eingebracht sind. In 3 sind drei unterschiedliche schichtspezifische Folienarten 9, 10 und 11 gezeigt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Folien 9 durchgezogen, die Folien 10 gestrichelt und die Folien 11 strichpunktiert dargestellt sind. Die Folien weisen eine Dicke von 50–2000 μm, insbesondere aus dem Bereich zwischen 500–1000 μm auf und werden in einem Doctorblade-Verfahren hergestellt. Sie sind also ohne weiteres handhabbar und werden im nächsten Schritt übereinander gestapelt. Zuunterst finden sich die Folien 9, die wie angedeutet die Schicht I bilden sollen. Darüber befinden sich die Folien 10, die die thermisch isolierende Schicht 11 bilden sollen, worüber wiederum die Folien 11 gestapelt sind, die die dämpfende Schicht III bilden sollen.
Nach dem Aufeinanderstapeln bildet sich also ein loser Folienverbund, der in einem ersten Schritt bei einer Temperatur von ca. 400°C unter uniaxialem Pressen zu einem Laminatkörper 12 verpresst wird. Es handelt sich bei diesem Laminatkörper 12 um ein Polymermatrixkomposit bestehend aus den drei unterschiedlichen Folienarten 9, 10 und 11, die als fester, handhabbarer Laminatverbund nun weiterverarbeitet werden können. Eine pyrolitische Umsetzung findet bei der Temperatur von ca. 400°C noch nicht statt.
Diese erfolgt erst im nächsten Schritt bei einer Temperatur ≤ 2000°C, vorzugsweise von ca. 1600°C. Bei dieser Pyrolyse kommt es zu einer thermischen Zersetzung des metallorganischen präkeramischen Polymers der Folien. Hierbei kommt es zur Abspaltung gasförmiger Pyrolyseprodukte und zur Bildung fester Pyrolyseprodukte in Form der keramischen Matrix, wobei sich je nach verwendetem präkeramischen Polymer eine amorphe oder einer kristalline Struktur ausbildet. Es findet also quasi ein Sinterprozess statt, nach vorheriger pyrolytischer Umwandlung des präkeramischen Polymers. Am dadurch erhaltenen Bremsbelag 1 sind sodann die ausgezeichneten Schichten I, II und III ausgebildet, wobei die bereits von Haus aus in den jeweiligen Folien 9, 10 und 11 enthaltene Füllstoffe in der jeweiligen Schicht I, II und II vorliegen. Sofern erforderlich, kann sich hieran eine Nachbearbeitung (z. B. Planschleifen etc.) anschließen.
Aus dem beschriebenen verfahrensgemäßen Vorgehen ist sofort ersichtlich, dass, nachdem das Ausgangsprodukt für die Herstellung des Bremsbelags sehr dünne Folien sind, die übereinandergestapelt werden, zwangsläufig beliebige Stapelfolgen gebildet werden können, worüber sich sowohl die Schichtdicke als auch, nachdem jede Folie auch hinsichtlich ihres Füllstoffinhalts respektive Füllstoffgehalts variieren kann, auch die jeweiligen Füllstoffverteilungen in den einzelnen Schichten beeinflusst werden können. Auf diese Weise kann die Funktion des erhaltenen Bremsbelags schichtoptimiert werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Bremsbelag ist es möglich, nur eine geringe Streuung des Reibwertes über den Querschnitt der Reibschicht unter Druck- und Temperaturbelastung zu erreichen. Auch kann eine sehr geringe Streuung des Geräusch-Frequenzniveaus von weniger als +/– 3% erreichen. Auch kann eine Reduktion der Temperatur auf der freiliegenden Seite der Dämpfungsschicht, also im Übergang zur Trägerschicht oder einer separaten Trägerplatte, auf weniger als 200°C bei einer Hochbelastung von mehr als 600°C an der tribologisch an der Bremsscheibe angreifenden Fläche der Reibschicht I erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0987464 B1 [0004, 0005]

Claims

Bremsbelag bestehend aus einer zumindest teilweisen keramischen Matrix aus mindestens einem pyrolisierten präkeramischen Polymer mit darin eingebetteten Füllstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsbelag (1) wenigstens zwei ausgezeichnete Schichten (I, III) aufweist, von denen die erste Schicht (I) eine mit einer Bremsscheibe tribologisch zusammenwirkende Reibschicht und die zweite Schicht (III) eine Schwingungen dämpfende Dämpfungsschicht ist, die jeweils einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe (3, 4, 5, 7) enthalten.
Bremsbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Reibschicht (I) und der Dämpfungsschicht (III) oder an die Dämpfungsschicht (III) anschließend eine dritte Schicht (II) in Form einer einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe (6) enthaltenden thermischen Isolationsschicht ausgebildet ist.
Bremsbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die Dämpfungsschicht (III) oder die Isolationsschicht (II) außenliegend anschließende vierte Schicht (IV) in Form einer der Halterung dienenden und einen oder mehrere funktionsspezifische Füllstoffe (8) enthaltenden Trägerschicht ausgebildet ist.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix (2) in jeder Schicht die gleiche ist, oder dass die Schichten unterschiedliche keramische Matrizen (2, 2') aufweisen.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein präkeramisches Polymer aus der Gruppe der Polysilane, Polysiloxane, Polysilazane, Polycarbosilane, Polycarbosilazane, Polyborosilane und Polyborosilazane gewählt ist.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Schicht (I, II, III, IV) der oder die Füllstoffe (3, 4, 5, 6, 7) homogen verteilt sind, oder dass Schichtabschnitte mit unterschiedlicher Füllstoffverteilung und/oder unterschiedlichen Füllstoffarten ausgebildet sind.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoffe in der Reibschicht (I) Reibpartikel (3) und Festschmiermittel (4), gegebenenfalls auch Verstärkungsmittel (5) in Form von Fasern oder Partikeln enthalten sind.
Bremsbelag nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibpartikel (3) gewählt sind aus: Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON, dass die Festschmiermittel (4) gewählt sind aus: CaF₂, BN, ZnS, ZnO, SnO₂, MoS₂, Graphit oder Schichtsilikaten, und dass gegebenenfalls die Verstärkungsmittel (5) gewählt sind aus: Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON, Keramik-, Kohlenstoff-, Metall- oder Metalllegierungsfasern (kurz oder lang, 1-, 2- oder 3-dimensionale Faseranordnung (Fasern, Gewebe, Gewirke)) oder -partikeln oder Faservliese.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Füllstoffe (7) der Dämpfungsschicht (III) gewählt sind aus: Silikaten, Stählen oder Metalllegierungen aus Al, Mg oder Ti.
Bremsbelag nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Füllstoffe (6) der Isolationsschicht (II) gewählt sind aus: Keramiken wie Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂.
Bremsbelag nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (IV) als Füllstoffe (8) Verstärkungsmittel in Form von Fasern oder Partikeln aufweist, die gewählt sind aus: Elementen wie Si, B, Fe, Ti, metallischen Verbindungen und Legierungen wie FeSi, CrSi₂, MoSi₂, und Oxid-, Karbid- oder Nitridkeramiken wie Al₂O₃, MgO, TiO₂, TiC, B₄C, SiC, TiN, Si₃N₄, AlN, SiAlON, Keramik-, Kohlenstoff-, Metall- oder Metalllegierungsfasern (kurz oder lang, 1-, 2- oder 3-dimensionale Faseranordnung (Fasern, Gewebe, Gewirke)) oder -partikeln oder Faservliese.
Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (I) eine Dicke von 5–12 mm, insbesondere 6–10 mm, die Dämpfungsschicht (III) eine Dicke von 1–8 mm, insbesondere 2–6 mm und gegebenenfalls die Isolationsschicht (II) eine Dicke von 1–8 mm, insbesondere 2–6 mm aufweist.
Bremseinheit umfassend eine Bremsscheibe aus einem thermisch hoch belastbaren Material und einen mit ihr tribologisch zusammenwirkenden Bremsbelag nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Folien (9, 10, 11) auf Basis mindestens eines präkeramischen Polymers enthaltend einen oder mehrere Füllstoffe, welche Folien (9, 10, 11) sich zur Bildung der ausgezeichneten Schichten (I, II, III) in der Art und/oder dem Gehalt der Füllstoffe unterscheiden, gestapelt und bei einer ersten Temperatur durch Pressen laminiert werden, wonach das Laminat (12) bei einer zweiten höheren Temperatur zur Bildung der keramischen Matrix pyrolytisch umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Folien (9, 10, 11) mit einer Dicke von 50–2000 μm, insbesondere von 500–1000 μm verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur 400°C oder weniger und die zweite Temperatur ≤ 2000°C, insbesondere zwischen 900–1600°C beträgt.