具有摩擦改性层的多孔摩擦材料的制作方法

专利名称：具有摩擦改性层的多孔摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有包括多孔基底材料的第一层或底层和包括至少一种摩擦改性颗粒的第二层或顶层的多孔摩擦材料。本发明的摩擦材料具有高摩擦系数特性、非常强的抗抖动特性和极其高的耐热性。该摩擦材料还具有提高的强度、耐磨性和抗噪性。
背景技术：
汽车工业正发展新的先进连续扭矩传递系统，其具有连续滑动扭矩转换器和换档离合器系统。这些新系统往往涉及到高能量需求。因此，还必须发展摩擦材料技术以满足这些先进系统日益增加的能量需求。
尤其需要新的高性能耐用摩擦材料。新摩擦材料必须能承受高速度，其中表面速度达到约65m/s。另外，该摩擦材料必须能承受高达约1500psi的高对向衬面压力(facing lining pressure)。该摩擦材料在有限的润滑条件下有用也是重要的。
为了在先进系统中有用，摩擦材料必须耐用并具有高耐热性。摩擦材料不仅必须在高温下保持稳定，而且还必须能快速散逸在运行条件下产生的高热量。
在新系统的啮合和脱离过程中产生的高速度意味着摩擦材料必须能在整个啮合过程中保持相对固定的摩擦。重要的是摩擦啮合应在宽范围的速度和温度内相对固定，以便最小化刹车过程中材料的“抖动”或从一个排挡动力换档到另一个过程中传递系统的“抖动”。摩擦材料具有理想的扭矩曲线形状也是重要的，从而在摩擦啮合过程中，摩擦材料无噪声或“嘎嘎声”。
特别地，传递和扭矩需求系统结合滑动离合器主要为了燃料效率和驾驶舒适性。滑动离合器在这些系统内的角色从车辆起动装置如湿式起动离合器变化到扭矩转换器离合器。根据运行条件，滑动离合器可被分成三个基本类别(1)低压高滑动速度离合器，如湿式起动离合器；(2)高压低滑动速度离合器，如转换器离合器；和(3)超低压低滑动速度离合器，如空挡慢速离合器。
所有滑动离合器应用所关心的主要性能是防止抖动和摩擦界面的能量管理。抖动的发生可归因于许多因素，包括摩擦材料的摩擦特性、配合表面的硬度和粗糙度、油膜保持力、润滑剂化学和相互作用、离合器运行条件、传动系统装置和硬件排列，和传动系统污染。摩擦界面能量管理主要与控制界面温度有关，并受泵容量、油流路和控制策略影响。摩擦材料表面设计还有助于界面能量管理的效率。
以前，为了温度稳定性，在摩擦材料中包括石棉纤维。由于健康和环境问题，不再使用石棉。最近的摩擦材料已尝试通过用酚醛或酚醛改性树脂改性浸渍纸或纤维材料来克服石棉的缺乏。但是，这些摩擦材料不能迅速地散逸产生的高热量，并且没有目前发展的高速系统中应用正需要的必要耐热性和令人满意的高摩擦系数性能。
Kearsey的美国专利5585166描述了具有多孔衬底层(纤维素和合成纤维、填料和热固性树脂)和多孔摩擦层(在热固性树脂中的无纺合成纤维)的多层摩擦衬里，其中摩擦层比衬底层具有较高的孔隙率。
Seiz的美国专利5083650文献涉及多步骤浸渍和固化工艺；即用涂料组合物浸渍纸，碳颗粒被放在纸上，纸中的涂料组合物被部分固化，将第二涂料组合物施加到部分固化的纸上，最后，固化两种涂料组合物。
在其它摩擦材料中，为了耐磨性而在摩擦材料中包括与碳材料结合的金属纤维。例如，Fujimaki等人的美国专利4451590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。但是，金属基摩擦材料没有充分的孔隙率和可压缩性以能在使用时有高流体渗透能力。另外，金属基摩擦材料没有足够回弹力或弹性，而且抵抗能承受高达约1500psi(大约105kg/cm2)的高对向衬里压力的压缩形变。金属基摩擦材料还不能承受新传递和刹车系统啮合和分离过程中产生的高达约65m/s的高表面速度。
已开发了与本文受让人BorgWarner Inc.共有的各种纸基纤维材料用于摩擦材料。这些文献被全文引入作为参考。
特别地，Lam等人的美国专利5998307涉及一种摩擦材料，具有用可固化树脂浸渍的原纤维基材料，其中多孔首层包括至少一种纤维材料，第二层包括覆盖首层至少约3-约90％表面的碳颗粒。
Lam等人的美国专利5858883涉及一种基底材料，具有原纤化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料的首层，和在首层表面上包括碳颗粒的第二层。
Lam等人的美国专利5856224涉及一种摩擦材料，包括用可固化树脂浸渍的基底。首层包括原纤化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料；第二层包括碳颗粒和助留剂。
Lam等人的美国专利5958507涉及一种制造摩擦材料的方法，其中纤维材料的至少一个表面涂有碳颗粒，纤维材料包括原纤化较少的芳族聚酰胺纤维。
Lam的美国专利6001750涉及一种摩擦材料，包括用可固化树脂浸渍的纤维基材料。多孔首层包括原纤化较少的芳族聚酰胺纤维、碳颗粒、碳纤维、填料材料、酚醛诺沃洛伊德类纤维和任选的棉纤维。第二层包括碳颗粒，其覆盖表面的约3-约90％。
还一共有的目前已准许的专利申请序列号09/707274涉及纸类摩擦材料，具有多孔第一纤维底层，摩擦改性颗粒覆盖第一层约3-约90％的表面积。
另外，各种纸基纤维基底材料描述在共有人BorgWarner Inc.和Lam等人的美国专利5753356和5707905中，它们描述了包括原纤化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料的基底材料，该文献也被全文引入作为参考。
另一共有专利，Lam的美国专利6130176涉及非金属纸基纤维基底材料，包括原纤化较少的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填料。
对于各类摩擦材料，为了在“湿式”应用中有用，摩擦材料必须具有各式各样的可接受特性。摩擦材料必须具有良好的抗抖动特性；具有高耐热性和能快速散逸热；并具有长期持久的稳定和一致摩擦性能。如果这些特性中的任何一个不能满足，则不能达到摩擦材料的最佳性能。
另外重要的是应在摩擦材料中使用合适的浸渍树脂，以便形成高能量应用摩擦材料。当摩擦材料在使用过程中充满刹车液或传动油时，摩擦材料在使用过程中必须具有良好的剪切强度。
因此，本发明的一个目的是提供与现有技术那些相比具有可靠和改进性能的改进摩擦材料。
本发明的又一目的是提供一种摩擦材料，具有改进的“抗抖动”、耐“热点”、高耐热性、高摩擦稳定性和耐用性，和强度。


图1为显示多孔摩擦材料的示意图，该多孔摩擦材料具有多孔纤维基底材料和至少一种形成顶层的摩擦改性颗粒。
图2为实施例1沉积表面在放大500倍后的SEM图。
图3为显示对比例Z、对比例E、对比例G和实施例1的斜率对滑动时间的曲线。
图4a和4b为显示对比例1(图4a)、实施例1(图4b)在527Kpa、1054Kpa和1580Kpa下的摩擦系数对速度(rpm)的图。
图5a和5b显示对比例Z和实施例1配方之间的耐用性试验比较。

发明内容
本发明涉及一种摩擦材料，其具有包括多孔基底材料的第一层和在基底材料上表面上包括至少一种摩擦改性颗粒的第二层。
第二层沉积在第一层上，从而第二层具有比第一层低的渗透率。摩擦改性颗粒沉积在单独的纤维上，或如果是无纺材料的话，沉积在摩擦材料表面上随机隔开的部分。
在一个方面，摩擦材料包括具有多孔基底材料和至少一种树脂材料的第一层，和具有至少一种摩擦改性颗粒的第二层，该摩擦改性颗粒至少部分覆盖多孔基底材料的顶面。第二层具有约30-约400μm的平均厚度，从而第二层具有比第一层低的渗透率。
在一些实施方案中，在构成多孔基底材料的单独纤维和/或填料上的摩擦改性颗粒层具有约50-约100μm的厚度，在一些实施方案中，在构成第一层或基底层的单独纤维和/或填料颗粒上为约75-约85μm。在一些实施方案中，第二层在径向和法向上具有比多孔基底材料低的渗透率。
另外，在一些实施方案中，摩擦改性颗粒具有约0.1-约80微米的平均尺寸，在一些实施方案中，具有约0.5-约20微米的平均尺寸，在一些其它实施方案中，具有约0.1-约0.15微米的平均尺寸。
基底材料可具有约60％-约85％的平均空隙体积。在一些实施方案中，多孔基底层包括约70-85wt％的纤维和约10-30wt％的填料。在一些实施方案中，多孔基底材料可包括约80％的纤维和约20％的填料。
在另一方面，本发明涉及制造摩擦材料的方法，其中用浸渍剂(saturant)浸渍(saturate)多孔基底材料，该浸渍剂可包括至少一种树脂材料和至少一种摩擦改性颗粒，从而使得大量摩擦改性颗粒在构成基底材料的单独纤维和/或填料上形成层。在一些实施方案中，摩擦改性颗粒层具有约30-400μm的平均厚度，从而第二层具有比第一层低的渗透率。然后，在一定温度下固化浸渍的基底材料达预定的一段时间。
在另一方面，该方法包括按如下制造摩擦材料制备包括至少一种可固化树脂材料和至少一种摩擦改性颗粒的混合物的浸渍剂材料，制备到处分散有大量间隙的多孔基底材料，和用浸渍剂材料浸渍多孔基底材料。摩擦改性颗粒沉积在基底材料的顶面上，从而摩擦改性颗粒实际上沉积在构成基底材料的单独纤维和/或单独填料上。但是，同时，浸渍剂中的树脂材料基本均匀地分散在整个基底材料内。因此，在一些实施方案中，摩擦改性颗粒在基底材料的至少一面上形成多孔顶层。
具体实施例方式
为了达到上述要求，评价了多种摩擦材料在类似于运行中遇到的那些条件下的摩擦和耐热特性。研究了市售摩擦材料，并证实不适用于高能量应用。
根据本发明，摩擦材料具有均匀分散在整个多孔基底材料内的可固化树脂，和多孔基底材料顶面或外表面上的摩擦改性材料的基本不均匀层。
在一个方面，基底材料层包括高度多孔材料如织物材料。在其它方面，基底材料包括高度多孔无纺布材料。在一些实施方案中，多孔基底材料具有在约75-约85wt％范围内的高纤维含量，在一些实施方案中，为约80％，以基底材料的重量计。基底材料还具有在约15-约25wt％范围内的填料含量，在一些实施方案中，为约20％，以基底材料的重量计。
本发明的摩擦材料中可使用各种基底材料，包括例如非石棉纤维基底材料，其包括例如纺织材料、织物材料和/或无纺材料。合适的纤维基底材料包括例如纤维和填料。纤维可为有机纤维、无机纤维和碳纤维。有机纤维可为芳族聚酰胺纤维，如原纤化的和/或未原纤化的芳族聚酰胺纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚酰胺纤维、棉/纤维素纤维等。填料可为例如二氧化硅、硅藻土、石墨、氧化铝、槚如坚果粉等。
在其它实施方案中，基底材料可包括纤维织物材料、纤维无纺材料和纸材料。另外，本发明中使用的各种纤维基底材料的例子公开在上面引用的BorgWarner的美国专利中，本文引入其全文作为参考。但是，应认识到，本发明的其它实施方案也可包括不同的纤维基底材料。
在一些其它实施方案中，织物材料可为例如有机纤维如芳族聚酰胺纤维、碳纤维、棉/纤维素纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维、陶瓷纤维等。
在一些实施方案中，在织物材料中使用芳族聚酰胺纤维以为摩擦材料提供理想的孔结构，其又为摩擦材料提供提高的耐热性。纤维几何形状不仅提供提高的耐热性，而且提供抗分层性和抗啸声或噪声性能。
基底材料中使用原纤化较少的芳族聚酰胺纤维提高了摩擦材料承受高温的能力。原纤化较少的芳族聚酰胺纤维通常具有较少与芯纤维连接的原纤维。原纤化较少的芳族聚酰胺纤维的使用提供了具有更多孔结构的摩擦材料，即比如果使用典型的原纤化的芳族聚酰胺纤维有较多和较大的孔。多孔结构一般用孔尺寸和液体渗透率表示。在一优选实施方案中，基底材料限定孔直径平均尺寸为约2.0-约25微米。在一些实施方案中，平均孔直径尺寸为约2.5-约8微米，并且摩擦材料具有至少约50％的易得空隙率，在一些实施方案中，为至少约60％或更高。
另外，在一些实施方案中，希望芳族聚酰胺纤维具有约0.5-约10mm的长度和大于约300的加拿大标准游离度(CSF)。在一些实施方案中，还希望使用CSF为约450-约550、优选约530和更大的原纤化较少的芳族聚酰胺纤维，在其它一些实施方案中，CSF为约580-650和以上，并优选约650和以上。相反，原纤化较多的纤维如芳族聚酸胺纸浆具有约285-290的游离度。
“加拿大标准游离度”(T227om-85)指纤维的原纤化程度可被描述为纤维游离度的量度。CSF测试为经验过程，其给出3克纤维在1升水中的悬浮液被排出速度的任意测量。因此，原纤化较少的芳族聚酰胺纤维比原纤化较多的芳族聚酰胺纤维或纸浆具有较高的自由度或较高的流体从摩擦材料中排出的速度。包含CSF范围为约430-650(在一些实施方案中，优选约580-640，或优选约620-640)的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料能提供比常规包含原纤化较多的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料更优异的摩擦性能和更好的材料性能。较长的纤维长度和高加拿大自由度一起为摩擦材料提供了高强度、高孔隙率和良好的耐磨性。原纤化较少的芳族聚酰胺纤维(CSF约530-约650)具有尤其好的长期耐用性和稳定的摩擦系数。
在特定的实施方案中，基底材料具有约10-约20wt％的芳族聚酰胺纤维，在一些实施方案中为约15wt％，当与相对高含量的棉或其它纤维素型纤维联合时。
在其它特定实施方案中，织物材料具有约50-约60wt％的芳族聚酰胺纤维，在一些实施方案中为约55wt％，当与碳纤维联合时。
在一些实施方案中，第一层中碳纤维的存在有助于提高耐热性，保持稳定的摩擦系数和提高抗啸声性。当在基底材料中使用碳纤维提供良好导热时，摩擦材料就具有理想的耐热性。在特定的实施方案中，基底材料具有约5-约20wt％的碳纤维，在一些实施方案中，约10-约15wt％。
在第一层中存在碳纤维的一些实施方案中，优选没有棉纤维含量。在没有碳纤维含量的其它实施方案中，基底材料第一层中的相对大量棉纤维如约40-50wt％节省成本地提高了摩擦材料离合器“磨合(break-in)”特性。在这种实施方案中，向本发明的基底材料中加入棉纤维给予摩擦材料较高的摩擦系数。在一些实施方案中，还可向基底材料中加入约40-约50％的棉，在一些实施方案中，为约45％。
基底材料第一层配方的一个例子为包含约10-约50wt％的原纤化较少的芳族聚酰胺纤维；约10-约35wt％的活性炭颗粒；约5-约20wt％的棉纤维，约2-约15wt％的碳纤维；和约10-约35wt％的填料材料。在一些实施方案中，发现一种特定的配方是有用的，该配方包含约35-约45wt％的原纤化较少的芳族聚酰胺纤维；约10-约20wt％的活性炭颗粒；约5-约15％的棉纤维，约2-约10wt％的碳纤维；和约25-约35wt％的填料。
在本发明的纤维基底材料第一层中也可使用各种填料。尤其是二氧化硅填料如硅藻土是有用的。但是，认为其它类型的填料也适用于本发明，填料的选择取决于摩擦材料的具体要求。
在一些实施方案中，棉纤维被加入到本发明的纤维基底材料中，给予纤维材料更高的摩擦系数。在一些实施方案中，约10-约20％，和在一些实施方案中，约10％的棉也可被加入到纤维基底材料中。
纤维基底材料第一层配方的一个例子包含约15-约25％的棉，约40-约50％的芳族聚酰胺纤维，约10-约20％的碳纤维，约5-约15％的碳颗粒，约5-约15％的Celite，和任选添加的约0-约3％的乳胶。
在一些实施方案中，摩擦材料包含其中具有大量空隙或间隙的基底材料。纤维基底材料中空隙尺寸可为约0.5μm-约20μm。
在一些实施方案中，基底材料优选具有约60-约85％的空隙体积，使得纤维基底材料与“致密”基底材料相比被视为“多孔的”。
在本发明的一个方面，涉及具有新型微结构表面的摩擦材料。有微结构表面的摩擦材料具有较高的摩擦系数，甚至更强的抗抖动特性和极其高的耐热性。
在一个方面，摩擦材料具有多孔或膨松松散基底材料。基底材料具有低密度，并具有使树脂材料渗透入基底材料的纤维结构。摩擦材料具有极其好的耐热性和摩擦系数特性，这使摩擦材料在热和机械应力条件下响应良好。
在另一方面，“大孔”纤维材料具有部分未被摩擦改性材料覆盖的表面。大孔使摩擦改性材料沉入到基底材料的空隙或间隙内。在本发明的大孔摩擦材料中，大孔使流体中的污染物容易地通过。由于润滑油随时间的流逝变质，因此产生残渣。本发明的摩擦材料保持摩擦材料的摩擦行为稳定。
摩擦材料因此在纤维基底材料的第一面或顶面上包括摩擦改性颗粒的顶层或第二层。摩擦改性材料作为纤维基底材料上不连续或随机覆盖的顶层的存在为摩擦材料提供了许多有利性能，包括良好的持油(oil retention)性能。
当纤维基底材料具有较高的平均孔直径和流体渗透率时，摩擦材料由于传动液更好地自动流过摩擦材料的多孔结构而更可能变冷或产生较少的热。在传递系统运行过程中，流体往往随着时间的流逝而分解并形成“油沉渣(oil deposit)”，尤其在高温下。这些“油沉渣”降低了气孔大小。因此，当摩擦材料最初以较大的孔开始时，在摩擦材料的有效使用期限内仍保留有较多的开孔。
纤维基底材料顶面上的摩擦改性颗粒为得到的摩擦材料提供改进的三维结构。
在顶部摩擦改性颗粒层上的油或流体层保持油膜在表面上，从而使得油或流体更难以最初渗透到摩擦材料内。顶部摩擦改性材料层保持液体润滑剂在表面上，并提高了摩擦材料的持油能力。本发明的摩擦材料因此能使油膜保持在其表面上。这还提供了良好的摩擦系数特性和良好的滑动持久(slip durability)特性。
在一些实施方案中，形成顶层的摩擦改性颗粒的平均覆盖面积在表面面积的约0-约50％范围内。在一些其它实施方案中，平均覆盖面积为约40-约100％。
摩擦改性颗粒可具有约0.1-约80微米的直径尺寸，在一些实施方案中，直径为约0.5-约20微米，在其它一些实施方案中，直径为约0.1-约0.5微米。在一些实施方案中，该颗粒具有约12μm的平均颗粒直径。在一些实施方案中，发现如果摩擦改性颗粒尺寸太大或太小，就不能获得所需的最佳三维结构，并且因此热散逸和抗抖动(antishudder)特性不是最优。
摩擦改性颗粒在纤维基底材料上的覆盖量充分随机，从而基底材料的单独纤维和/或填料上的摩擦改性颗粒层具有三维结构。这种三维结构由在基底材料的单独纤维和/或填料上和在单独纤维之间的空隙或间隙中的摩擦改性材料单独颗粒构成。在一些实施方案中，第二层(包括摩擦改性颗粒)比底层(纤维基底材料)孔少。
各种摩擦改性颗粒可用作摩擦材料中的第二层或顶层。在一种实施方案中，有用的摩擦改性颗粒包括二氧化硅颗粒。其它实施方案可具有摩擦改性颗粒如树脂粉末如酚醛树脂、有机硅树脂、环氧树脂和它们的混合物。还有其它实施方案可包括部分和/或完全碳化的碳粉末和/或颗粒和它们的混合物；和这类摩擦改性颗粒的混合物。在一些实施方案中，二氧化硅颗粒如硅藻土、Celite、Celatom和/或二氧化硅尤其有用。二氧化硅颗粒是能有力粘合到基底材料的廉价无机材料。二氧化硅颗粒为摩擦材料提供高摩擦系数。二氧化硅颗粒还为基底材料提供光滑的摩擦表面，并为摩擦材料提供良好的“换档感觉(shift feel)”和摩擦特性，从而使任何“抖动”最小。
在还一实施方案中，摩擦改性颗粒还可包括其它摩擦改性颗粒如金属氧化物、氮化物、碳化物和它们的混合物。在本发明考虑范围内的这些实施方案可包括例如硅氧化物、铁氧化物、铝氧化物、钛氧化物等；硅氮化物、铁氮化物、铝氮化物、钛氮化物等；和硅碳化物、铁碳化物、铝碳化物、钛碳化物等。
在一些实施方案中，构成第二层的摩擦改性材料可具有不规则形状。不规则形状的摩擦改性颗粒由于不规则形状摩擦改性颗粒表面上大量内陷的毛细作用而用于在纤维基底材料表面处和“主体”中保持所需量的润滑剂。在一些实施方案中，二氧化硅材料如Celite用作摩擦改性材料，因为Celite具有不规则或粗糙表面。
树脂材料至少部分填充纤维基底材料中的空隙。树脂材料基本均匀地分散在基底材料的整个厚度内。
在一些实施方案中，可使用不同的树脂体系浸渍摩擦材料。在一些实施方案中，使用至少一种酚醛树脂、至少一种改性酚醛基树脂、至少一种有机硅树脂、至少一种改性有机硅树脂、至少一种环氧树脂、至少一种改性环氧树脂和/或上述的组合是有用的。在一些其它实施方案中，在相容溶剂中与酚醛树脂共混或混合的有机硅树脂是有用的。
本发明中可使用各种树脂。在一些实施方案中，该树脂可包括酚醛或酚醛基树脂，优选每100重量份摩擦材料中，浸渍剂材料占约45-约65重量份。在将树脂混合物施加到基底材料上并用树脂混合物浸渍基底材料后，加热浸渍的基底材料至所需的温度，保持预定长时间形成摩擦材料。在一些实施方案中，加热在约300°F的温度下固化浸渍剂中存在的酚醛树脂。当浸渍剂中存在其它树脂时，如有机硅树脂，加热在约400°F的温度下固化有机硅树脂。然后，通过合适的方式将固化的摩擦材料粘着到所需的基底上。
各种有用的树脂包括酚醛树脂和酚醛基树脂。要认识到在树脂共混物中包括其它改性成分如环氧树脂、丁二烯、硅酮、桐油、苯、槚如坚果油等的各种酚醛基树脂都被考虑用于本发明。在酚醛改性树脂中，酚醛树脂通常占树脂共混物的约50wt％或更多(不包括存在的任何溶剂)。但是，已发现在一些实施方案中，当混合物包括以硅酮-酚醛树脂共混物(不包括溶剂和其它处理酸)重量计含约5-约80wt％有机硅树脂的树脂共混物时，摩擦材料可得到改善，为了特定目的，可含约15-约55wt％，在一些实施方案中，含约15-约25wt％。
本发明中使用的有用酚醛树脂和酚醛-有机硅树脂的例子全部公开在上面引用的BorgWarner的美国专利中，本文全文引入其作为参考。本发明中有用的有机硅树脂包括例如热固硅酮密封剂和硅酮橡胶。各种有机硅树脂适用于本发明。特别地，一种树脂包括二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)。有机硅树脂沸点为约362°F(183℃)，蒸汽压在68°F下为21mmHg，蒸汽密度(空气＝1)为4.8，在水中几乎不溶解，比重为约1.09，挥发率为5wt％，蒸发速度(乙醚＝1)小于0.1，闪点约149°F(65℃)，使用Pensky-Martens方法。应认识到其它有机硅树脂也可用于本发明。其它有用的树脂混合物包括例如合适的酚醛树脂，其包括(wt％)约55-约60％的酚醛树脂；约20-约25％的乙醇；约10-约14％的苯酚；约3-约4％的甲醇；约0.3-约0.8％的甲醛；和约10-约20％的水。另一合适的酚醛基树脂包括(wt％)约50-约55％的苯酚/甲醛树脂；约0.5％的甲醛；约11％的苯酚；约30-约35％的异丙醇；和约1-约5％的水。
还发现另一有用的树脂为环氧改性的酚醛树脂，其包含约5-约25wt％、优选约10-约15wt％的环氧化合物，余量(不包括溶剂和其它处理酸)为酚醛树脂。在一些实施方案中，环氧-酚醛树脂化合物比单独酚醛树脂为摩擦材料提供更高的耐热性。
在一些实施方案中，优选树脂混合物包括所需量的树脂和摩擦改性颗粒，从而纤维基底材料获得的目标树脂范围为约25-约70％，在其它实施方案中，为约40-约65％，在一些实施方案中，为约60-至少65％，以全部硅酮-酚醛树脂重量计。在用树脂浸渍基底材料后，在300-400℃之间的温度下固化基底材料一段时间(在一些实施方案中约1/2小时)，以固化树脂粘合剂并形成摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于基底材料的初始厚度。
还认为可包括已知在制备树脂共混物和制备基底材料中有用的其它成分和处理助剂，并在本发明的考虑范围内。
在一些实施方案中，树脂混合物可包括在彼此相容的溶剂中存在的有机硅树脂和酚醛树脂两者。这些树脂被混合到一起(在优选的实施方案中)形成均匀共混物，然后用于浸渍纤维基底材料。在一些实施方案中，如果用酚醛树脂浸渍基底材料，然后在其后加入有机硅树脂或反之亦然，则没有相同的效果。在硅酮-酚醛树脂溶液的混合物和有机硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳液之间也有差别。当有机硅树脂和酚醛树脂在溶液中时，它们根本不能固化。相反，有机硅树脂和酚醛树脂的粉末颗粒被部分固化。有机硅树脂和酚醛树脂的部分固化抑制了基底材料的良好浸渍。
在本发明的一些实施方案中，用有机硅树脂在其与酚醛树脂及其溶剂相容的溶剂中的共混物浸渍基底材料。在一种实施方案中，发现异丙醇是尤其合适的溶剂。但是，应认识到，在本发明的实施中可使用各种其它合适的溶剂，如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等。当与酚醛树脂混合并用于浸渍基底材料时，有机硅树脂的存在使得到的摩擦材料比只用酚醛树脂浸渍的基底材料更有弹性。当对本发明的共混硅酮-酚醛树脂浸渍的摩擦材料施加压力时，压力有更均匀的分布，这又降低了不均匀衬里磨损的可能性。在将有机硅树脂和酚醛树脂与摩擦改性颗粒混合到一起后，使用混合物浸渍基底材料。
本发明的摩擦材料包括形成基底材料随机覆盖表面的摩擦改性颗粒层，这为摩擦材料提供了良好的抗抖动特性、高抗力、高摩擦系数、高耐用性、良好的耐磨性和改善的磨合特性。
图1显示了摩擦材料10的示意图，摩擦材料10具有纤维基底材料12和基本覆盖基底材料12的非连续或随机覆盖表面的摩擦改性材料层14。
图2为实施例1的SEM图，其中摩擦材料具有许多大孔，从而至少部分润滑剂不能停留在摩擦材料的表面上。实施例1配方中的摩擦颗粒更深地渗透入到纤维基底材料内，从而表面孔保持相当敞开。
本发明多孔摩擦材料中使用的摩擦改性材料不连续层为摩擦材料提供良好的抗抖动特性。在所示实施方案中，高温合成纤维和基底材料的孔隙率提供提高的耐热性。
另外，多孔摩擦材料具有使流体污染物容易通过的相对大的孔。这类降解产物的这种吸收为摩擦材料提供了更稳定的摩擦行为。
下面的实施例进一步证明本发明能提供相对于常规摩擦材料的改进。摩擦材料具有理想的摩擦系数，耐热性和耐用特性。下面的实施例中描述本发明的各种优选实施方案，但是，实施例不用于限制本发明的范围。
实施例实施例I实施例1、对比例E、对比例G、对比例Z和对比例C在有槽材料中斜率对滑动时间的比较示于图3。对比例E为商业摩擦材料。对比例G为商业摩擦材料配方。对比例Z为具有摩擦改性颗粒致密层作为顶层的摩擦材料配方。mu-v(摩擦系数对滑动速度(rpm))斜率的失效标准设为-1.0*E-5，其在工业上是可接受的。斜率低于这个水平的产品更易于抖动。实施例1材料允许油流在所需的条件内，并允许良好的散热。实施例1材料在落到“失效标准”下前持续超过40小时，而其它材料在6和20小时之间就失效。
实施例II摩擦改性颗粒的沉积形成不能显著降低顶层渗透率的多孔表面层。顶部摩擦改性颗粒层的渗透率使流体或润滑剂能流入基底材料内，并且不能保持停留在摩擦材料表面处。
实施例1摩擦材料具有约0.36Darcy或更低的法向渗透率(k法向)和约0.71Darcy或更大的横向渗透率(k横向)。与之相比，对比例Z材料具有约0.22Darcy的法向渗透率(k法向)和约0.35Darcy的横向渗透率(k横向)。
实施例III商业摩擦材料对比例I(BWA5301)和实施例1的不同压力下的摩擦系数(COF)和速度之间的比较分别示于图4a和4b。元孔材料实施例1具有有利的COF对速度关系。
实施例IV
对比例Z和实施例1配方的耐用性试验结果分别示于图5a和5b，比较了8、18、28、36和48小时的摩擦系数(μ)对滑动速度(rpm)。在当滑动速度增加，摩擦系数降低前，对比例Z材料持续超过18小时，而实施例1材料持续超过48小时。当滑动速度增加时，实施例1材料的摩擦系数轻微降低至约0.137而仍好于对比例Z材料的摩擦系数。
工业适用性本发明适用于离合器板、传递带、刹车片、同步环、摩擦片或系统板使用的高能摩擦材料。
上述本发明优选和可选实施方案的描述用于说明，不是用于限制下面权利要求的范围和内容。
权利要求
1.一种摩擦材料，其包括第一层和第二层，第一层包含多孔基底材料和至少一种树脂材料，第二层包含至少一种至少部分覆盖多孔基底材料顶面的摩擦改性颗粒，第二层具有约30-400μm的平均厚度，其中第二层具有低于第一层的流体渗透率。
2.如权利要求1的摩擦材料，其中摩擦改性颗粒第二层在构成多孔基底材料的单独纤维和/或填料材料上形成。
3.如权利要求2的摩擦材料，其中在构成基底材料的单独纤维和/或填料材料上的摩擦改性颗粒第二层在单独纤维和/或单独填料材料上具有约50-约100μm的厚度。
4.如权利要求1的摩擦材料，其中第二层在径向和法向上具有比多孔基底材料低的渗透率。
5.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒尺寸为约0.5-约20微米。
6.如权利要求1的摩擦材料，其中，该多孔基底材料具有约65％-约85％的平均空隙体积。
7.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括二氧化硅颗粒。
8.如权利要求7的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括Celite颗粒。
9.如权利要求7的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括硅藻土。
10.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括碳颗粒和二氧化硅颗粒的混合物。
11.如权利要求7的摩擦材料，其中，该Celite具有不规则形状。
12.如权利要求8的摩擦材料，其中，该Celite颗粒具有约2-约20μm的尺寸。
13.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括金属氧化物。
14.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括氮化物。
15.如权利要求1的摩擦材料，其中，该摩擦改性颗粒包括碳化物。
16.如权利要求1的摩擦材料，其中，该多孔基底材料包括纤维基底材料。
17.如权利要求1的摩擦材料，其中，该多孔基底材料为无纺纤维材料或织物纤维材料。
18.如权利要求17的摩擦材料，其中，该多孔纤维基底材料包含约15-约25％的棉，约40-约50％的芳族聚酰胺纤维，约10-约20％的碳纤维，约5-约15％的碳颗粒，约10-约15％的Celite，和任选添加的约1-约3％的乳胶。
19.如权利要求18的摩擦材料，其中，该摩擦材料的第二层包括沉积在纤维基底材料中纤维材料纤维上和填料材料上的二氧化硅摩擦改性颗粒。
20.如权利要求17的摩擦材料，其中，该多孔纤维基底材料其有约5μm的平均孔直径。
21.如权利要求1的摩擦材料，其中，该树脂包括至少一种酚醛树脂或至少一种改性酚醛树脂。
22.如权利要求1的摩擦材料，其中，该树脂包括至少一种酚醛树脂和至少一种有机硅树脂的混合物，其中以树脂混合物重量计，树脂混合物中有机硅树脂的量为大约5-大约80wt％。
23.一种制造摩擦材料的方法，包括用浸渍剂浸渍多孔基底材料，该浸渍剂包括至少一种树脂材料和至少一种摩擦改性颗粒，使得大量摩擦改性颗粒在构成基底材料的单独纤维和填料上形成层，该摩擦改性颗粒层具有约30-400μm的平均厚度，其中第二层具有比第一层低的流体渗透率，和在一定温度下固化浸渍的基底材料预定的一段时间。
24.一种制造摩擦材料的方法，包括制备包括至少一种可固化树脂材料和至少一种摩擦改性颗粒的混合物的浸渍剂材料，制备到处分散有大量间隙的多孔基底材料，和用浸渍剂材料浸渍多孔基底材料，借此大量摩擦改性颗粒至少部分沉积在构成基底材料的单独纤维上，并且树脂材料基本均匀地分散在整个基底材料内。
25.如权利要求24的方法，其中摩擦改性颗粒在基底材料的至少一面上形成多孔层。
全文摘要
本发明公开了一种摩擦材料，其包括多孔基底材料、至少一种树脂材料和至少一种摩擦改性颗粒。该树脂材料基本均匀地分散在整个基底材料内，并且预定量的摩擦改性材料层在基底材料上形成多孔顶面。
文档编号C08J5/14GK1721176SQ200510083518
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月8日 优先权日2004年7月9日
发明者F·董, R·C·林, Y·-F·陈, B·查夫达 申请人:博格华纳公司