专利名称：高性能耐用沉积摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能耐用沉积摩擦材料。特别地，其是适用于汽车传动系统和刹车系统的摩擦材料。
背景技术：
新型、先进的传动系统和刹车系统伴随汽车制造业得到发展。这些新型的系统通常包含高能量的需要。因此，摩擦材料工艺也必须得到发展以符合这些先进系统不断增长的能量需要。
特别地，需要一种新型高性能耐用摩擦材料。这种新型摩擦材料必须能够经受住高速，其表面速度高达大约65米/秒。同样，此摩擦材料必须能够经受住高达约1500psi的高衬面压力。而且，重要的是此摩擦材料在有限的润滑条件下也要有效。
此摩擦材料必须是耐用的和具有高的耐热性以满足在先进传动和刹车系统中是可用的。此摩擦材料不仅在高温下能保持稳定，同时必须能使得在操作条件中产生的高热快速散失。
在新型传动和刹车系统的结合和脱离过程中产生的高速度意味着摩擦材料必须能够在整个结合中保持相对稳定的摩擦。重要的是在一个比较广泛的速度和温度范围内，摩擦结合应该相对稳定，以此使得在刹车过程中或传动系统功率换档时材料的震动最小化。同样摩擦材料具有一个期望的扭矩曲线也是很重要的，这样在摩擦结合时材料可以是无噪声或“尖叫”的。
特别地，传动和扭矩分布系统合并滑动离合器主要为了燃料效率和驾驶舒适。在这些系统中滑动离合器的功能多种多样，从车辆启动装置，如湿启动离合器，到扭矩转换离合器。按照操作条件，滑动离合器可以区分为三种主要的类别(1)低压和高滑动速度离合器，如湿启动离合器；(2)高压和低滑动速度离合器，如转换离合器；和(3)极低压和低滑动速度离合器，如空转离合器的空挡。
对于滑动离合器的应用需要考虑的主要性能是防止震动和摩擦表面的能量控制。震动的出现可以归结为很多因素，包括摩擦材料的摩擦特性、配合表面的硬度和粗糙度、油膜的保持力、润滑化学和相互作用、离合器操作条件、动力传动系统装置和硬件设置，以及动力传动系统污染物。摩擦表面能量控制主要牵涉到控制表面温度，且受泵容量、油流动通道和控制策略的影响。摩擦材料表面设计同样关系到表面能量控制的效率。
首先，为了温度的稳定将石棉纤维包含在摩擦材料中。由于健康和环境的问题，石棉不再被使用。通过使用酚醛树脂或酚醛改性的树脂来改性浸渍纸或者纤维材料，更多最近使用的材料已经试图克服摩擦材料中石棉的缺少。但是，这些摩擦材料不能快速把产生的高热散掉，并且不具备在目前发展的高速系统中使用所必需的耐热性和令人满意的高摩擦系数的性能。
本发明对于Seitz美国专利No.5,083,650参考文献是一种改进，后者包含了多步浸渍和固化工艺，即，用涂层组分浸渍纸；在纸上放置碳颗粒；将纸上的涂层组分部分固化；第二涂层组分涂于部分固化的纸上；最后，所有涂层组分被固化。
在其它摩擦材料中，与碳材料结合的金属纤维被包括在用于抗磨损的摩擦材料中。例如，Fujimaki等的美国专利No.4,451,590描述了一种具有金属纤维、填充物、碳颗粒、碳纤维和酚醛树脂的摩擦材料。但是，金属基的摩擦材料不具备足够的孔隙度和压缩率以满足在使用时具备高的流体渗透能力。同样，金属基的摩擦材料没有足够的弹性或韧性，来抵抗压缩应变使其能经受高速约1500psi(大约105kg/cm2)的高衬面压力。金属基的摩擦材料也不能经受在新型传动和刹车系统的结合及离合过程中产生的高达大约65米/秒的表面速度。
本发明对于早先的本文受让人BorgWarner Inc.所共同拥有的关于摩擦材料的专利也是一种改进。特别地，美国专利No.5,998,307涉及到的摩擦材料具有渗透了固化树脂的基质，其中多孔主层含有至少一层纤维材料和碳颗粒二级层覆盖了主层至少约3～90％的表面。美国专利No.5,858,883涉及的基质材料其主层具有较少原纤化的芳族聚酰胺纤维、人造石墨和填充物，主层表面上是碳颗粒的二级层。美国专利No.5,856,244涉及到的摩擦材料所含有的基质渗透有固化树脂，其中主层含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维、人造石墨和填充物，二级碳颗粒层和保留辅助物。美国专利No.5,958,507涉及摩擦材料的制备方法，其中含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维的纤维材料的至少一个表面被涂有碳颗粒和助留剂，用酚醛树脂或改性酚醛树脂渗透并固化。美国专利No.6,001,750涉及的摩擦材料含有渗透了固化树脂的纤维基质材料，纤维基质材料具有多孔主层，该主层含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维、碳颗粒、碳纤维、填充材料、酚醛诺沃洛伊德(novoloid)纤维和任选的棉花层，并且二级碳颗粒层至少覆盖了表面的3～90重量％。
另外，在BorgWarner Inc.共同拥有的美国专利No.5,753,356和5,707,905中描述了不同的基质材料，其中描述了基质材料含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维、人造石墨和填充物。另一个共同拥有的专利No.6,130,176，涉及到含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填充物的非金属纤维基质材料。
但另一个共同拥有的专利申请，系列号09/707,274，现已被接受，其涉及到的摩擦材料具有多孔主层和覆盖了主层表面约3～90％的硅石颗粒二级层。优选的方面，摩擦调节颗粒含有至少一种硅石颗粒、树脂粉末、碳粉末或颗粒和/或部分碳化的粉末或颗粒及其它们的混合物。
为使摩擦材料在“湿”应用中可用，摩擦材料必须在可接受的特性上具有广泛的多样性。摩擦材料必须是弹性的或韧性的，抵抗压缩应变、磨损和压力；具有高耐热性和能够很快的散热；并且具有长期、稳定和可靠的摩擦特性。如果这些特性有一个不满足，摩擦材料的性能就达不到最优。
合适的浸渍树脂被使用到纤维基质材料中以形成高能应用型摩擦材料同样也是重要的。摩擦材料必须在浸渍过程中用湿树脂浸透时和在使用期间用刹车流体或传动油浸透时都应具有好的剪应力。
同样重要的是，在某些应用中，摩擦材料具有高孔隙度使得在使用时能有高的流体渗透容量。因此，重要的是摩擦材料不仅是多孔隙的，还必须是可压缩的。渗透进摩擦材料的流体必须在刹车或传动操作时在所施加压力下能够快速的从摩擦材料中挤压或释放出来，因此摩擦材料必须不能塌陷。同样重要的是摩擦材料要具有高热导率以帮助快速散掉在刹车或传动操作时产生的热量。
迄今为止所知，还没有公开可用在传动系统中的摩擦材料，其包括含有高纤维含量/低填充物含量的主层的纤维基质材料。进一步，迄今为止所知，还没有关于这类摩擦材料的公开，此摩擦材料含有高纤维/低填充物含量的主层，并且在其上至少部分覆盖有摩擦调节颗粒的二级层。进一步，直到本发明之前，还没有公开这样一种高纤维含量纤维基质材料，此材料至少部分覆盖有含有硅石材料和碳颗粒的二级层。
因此，本发明的目标是提供一种改进的摩擦材料，与现有技术的摩擦材料相比其具有可靠和改进的特性。
本发明进一步的目标是提供的摩擦材料具有改进的“压缩模量”、“热点”耐性、高耐热性、高摩擦稳定性和耐用性、孔隙率、强度和弹性。
由于对更好的摩擦材料的需要，作为广泛研究的结果，具有改进特性的摩擦材料已经被本发明研制。本发明中的湿摩擦材料在“湿”应用中是有效的，“湿”应用指摩擦材料是“湿”的或使用中用诸如刹车流体或自动机械传动流体浸渍。在“湿”摩擦材料的使用中，流体最终被挤压出来或浸渍摩擦材料。湿摩擦材料在组成和物理特性上与“干”摩擦材料差别很大。
发明内容
为了达到上面讨论的要求，评估了许多材料在操作过程中会遇到的相似条件下的摩擦和耐热特性。市售的刹车内衬和传动材料被调查证明不适合在高能量的应用上。
本发明涉及一种非石棉的纤维基质材料，其主层含有i)高纤维成份包括，例如，有机、无机和/或金属纤维，如原纤化芳族聚酰胺纤维、碳、棉花/纤维素、玻璃、聚酰胺、陶瓷等纤维，和ii)低摩擦填充材料成份，如硅藻土颗粒；和沉积在主层上含有摩擦调节颗粒的二级层。
在一个具体实施方案中，主层含有约85重量％的纤维和约15重量％的填充材料。这样的高纤维含量主层提供的摩擦材料是弹性的和“柔软的”，因此，产生的摩擦材料具有非常理想的压缩模量。弹性为摩擦材料带来了改进的“热点”耐性。
本发明的摩擦材料具有改进的“热点”耐性、“平滑移动”所需的理想的摩擦特性、高耐热持久性、弹性、改进的强度和孔隙率。
各种各样的摩擦调节颗粒作为纤维基质材料上的二级层是可用的。特别地，硅石颗粒例如硅藻土、Celite硅藻土、Celatom硅藻土和/或二氧化硅是特别有用的。表面摩擦调节颗粒在纤维基质材料中约为0.2～30重量％，优选为约2～10重量％，更优选为约3～5重量％。
另一种特别合适的用于二级层的摩擦调节材料是多孔的碳材料。在某些实施方案中，碳颗粒是特别有用的。同样，在具体实施方案中，二级层含有以优选的比例沉积在主层表面的硅石颗粒和碳颗粒的混合物。在某些实施方案中，基于摩擦调节颗粒的总质量，二级层含有约20重量％～35重量％的硅石颗粒和约65重量％～80重量％的碳颗粒。
因此，在某些方面，本发明涉及到的摩擦材料含有浸渍了至少一种固化树脂的纤维基质材料，其中纤维基质材料含有高纤维含量多孔主层以及在主层的至少一个表面上具备含有摩擦调节颗粒的二级层。在某些实施方案中，基于纤维基质材料的总质量，二级层含有约为5重量％～15重量％的摩擦调节颗粒。
本发明的另一个方面涉及到生产摩擦材料的工艺，包含形成高纤维含量的纤维基质材料；使用含有碳颗粒和硅石颗粒的混合物的摩擦调节颗粒覆盖纤维基质材料至少一个表面的大约3％～30％；摩擦调节颗粒的大约为0.2～20重量％，基于纤维基质材料的质量；用酚醛树脂、酚醛基的树脂或酚醛-硅树脂混合物浸渍覆盖后的纤维基质材料；然后，在预先确定的温度下和预先确定的时间内固化浸渍后的纤维基质材料。
纤维基质材料可以使用不同的树脂系统进行浸渍。在某些实施方案中，使用酚醛树脂或改性的醛醛基树脂浸渍纤维基质材料是有效的。在某些实施方案中，当硅树脂与酚醛树脂在相容的溶剂中被混合后，硅树脂-酚醛树脂混合物被用于浸渍本发明中的纤维基质材料，从而形成了特别有用的高性能耐用摩擦材料。
图1a和1b在100℃(图1a)和50℃(图1b)不同的水平和速度下比较例A的扭矩曲线(μPVT)。
图2a和2b在100℃(图2a)和50℃(图2b)不同的水平和速度下比较例B的扭矩曲线(μPVT)。
图3a和3b在100℃(图3a)和50℃(图3b)不同的水平和速度下实施例1的扭矩曲线(μPVT)。
图4a和4b在100℃(图4a)和50℃(图4b)不同的水平和速度下实施例2的扭矩曲线(μPVT)。
图5a-5d是在比较例A中，比较初始的(μi)(图5a)、动态的(μd)(图5b)和终点(μo)(图5c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图5d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图6a-6d是在比较例B中，比较初始的(μi)(图6a)、动态的(μd)(图6b)和终点(μo)(图6c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图6d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图7a-7d是在实施例1中，比较初始的(μi)(图7a)、动态的(μd)(图7b)和终点(μo)(图7c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图7d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图8a-8d是在实施例2中，比较初始的(μi)(图8a)、动态的(μd)(图8b)和终点(μo)(图8c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图8d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图9a是表示使用自动机械传动流体“B”实施高速步调水平“热点”测试测试条件的曲线图。
图9b是比较例A、比较例B、实施例1和实施例2高速步调水平“热点”测试结果相比较的曲线图。
图10是表示实施例1、实施例2、比较例B和比较例C的压缩模量的曲线图。
图11a是实施1中通过比较摩擦系数(μ)和滑动速度(rpm)显示在周期1、5、10、15、20、25和30的μ-V持久关系(恒定速度法)的曲线图。
图11b是表示实施例1中斜率对周期的曲线图。
图12a是实施例2中通过比较摩擦系数(μ)和滑动速度(rpm)显示在周期1、5、10、15、20、25和30的μ-V持久关系(恒速方法)的曲线图。
图12b是表示实施例2中斜率对周期的曲线图。
图13是制备高纤维含量纤维基质材料和与此有关的摩擦材料的工艺的示意图。
具体实施例方式
本发明的摩擦材料改进了压缩模量和“热点”耐性。同样，摩擦材料也提高了弹性和孔隙率，使得在摩擦材料的使用过程中能够更加均一的散热。在传动或刹车中的流体能快速通过摩擦材料的孔结构。进一步，增加的弹性在摩擦材料上提供了更加均一的压力或均匀的压力分布，因此消除了不均匀的内衬磨损和分离器金属板的“热点”。
摩擦材料的孔结构越多，就能更有效的散热。当摩擦材料为多孔时，使用期间当摩擦材料结合时，油能更快速地在摩擦材料中流进流出。
本发明涉及一种非石棉、纤维基质材料，其主层含有i)高纤维成份包括，例如，有机、无机和/或金属纤维，如原纤化芳族聚酰胺纤维、碳、棉花/纤维素、玻璃、聚酰胺、陶瓷等纤维，和ii)低摩擦填充材料成份，如硅藻土颗粒；和沉积在主层上含有摩擦调节颗粒的二级层。在具体实施方案中，主层含有约85重量％的纤维和约15重量％的填充材料。而且，在某些实施方案中，在高纤维含量的纤维基质材料中具有较少原纤化芳族聚酰胺纤维是有效的，能为摩擦材料提供理想的孔结构，反过来，增加了摩擦材料的耐热性。纤维的几何结构不仅增加了耐热性，还能提供分层抗性和噪音抗性。在某些实施方案中，主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增加噪音抗性。
在具体实施方案中，当与相对高水平的、约80～90重量％的棉花或其他纤维素类型的纤维结合时，纤维基质材料含有为大约10～20重量％，和在某些实施方案中大约15重量％的芳族聚酰胺纤维。
在另一个具体实施方案中，当与大约40～50重量％的碳纤维结合时，纤维基质材料含有大约50～60重量％，和在某些实施方案中大约55重量％的芳族聚酰胺纤维。
当碳纤维被应用到纤维基质材料中以提供好的热导时，摩擦材料具有理想的耐热性。在具体实施方案中，纤维基质材料含有大约5～20重量％，和在某些实施方案中大约10～15重量％的碳纤维。
在另一些具体实施方案中，在纤维基质材料中较少原纤化芳族聚酰胺纤维和碳纤维的使用能提高摩擦材料经受高温的能力。较少原纤化芳族聚酰胺纤维通常具有少量的纤丝附在中心纤维上。较少原纤化芳族聚酰胺纤维的使用为摩擦材料提供了更多的孔结构，即，较之使用常规原纤维组织芳族聚酰胺纤维，这样能具有更多和更大的孔。多孔结构通常通过孔径和液体渗透性来确定。在一个优选的实施方案中，限定纤维基质材料孔的直径平均大小为大约2.0～25微米。在某些实施方案中，平均的孔直径大小为大约2.5～8微米，且摩擦材料具有至少50重量％的有效空气空隙，在某些实施方案中，至少大约60％或更高。
当摩擦材料具有更高的平均流动孔直径和渗透性时，由于自动机械传动流体能更好地通过摩擦材料的孔结构，因此摩擦材料更有可能冷却或产生更少的热量。在传动系统操作期间，由于自动机械传动流体的分解，摩擦材料表面的油沉积物随着时间不断生长，特别是在高温的情况下。沉积在纤维上的油会降低孔的开放度。因此，当摩擦材料最初是以大孔开始的时，在摩擦材料的有效期内会保持更多的开放孔。另外，在实施方案中，其至少部分被硅树脂浸渍，由于其弹性特性，硅树脂能使得摩擦材料中的纤维具有更开放的结构。
同样，在某些实施方案中，期望芳族聚酰胺纤维的长度为大约0.5～10mm，加拿大标准游离度(CSF)约高于300。因此，在某些实施方案中，按照加拿大标准游离度系数，芳族聚酰胺纤维可以具有大约350～650的游离度。在其它一些实施方案中，期望使用较少原纤化的芳族聚酰胺纤维，其加拿大标准游离度大约为450～550，优选为大约530或更大；并且，在其它一些实施方案中，大约为580～650及更高，优选为大约650及更高。相反地，较多原纤化的纤维，例如芳族聚酰胺浆，具有大约285～290的游离度。
“加拿大标准游离度”(T227om-85)表示纤维的原纤化程度可以被描述为对纤维游离度的测定。CSF测试是一种经验方法，它提供了一个随机的速率测量，这个速率为3克纤维在1升水中的悬浮液可能的排出速率。因此，较少原纤化的芳族聚酰胺纤维较其它芳族聚酰胺纤维或浆具有更高的游离度或更高的流体从摩擦材料中的排出速率。含有CSF变化范围大约为430～650(在某些实施方案中，优选为大约580～640，或优选为大约620～640)的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料能提供更好的摩擦特性，并且比常规地含有较多原纤化芳族聚酰胺纤维的摩擦材料具有更好的材料特性。更长的纤维长度，并同时具有高的加拿大游离度，能为摩擦材料提供更高的强度、更高的孔隙率和更好的抗磨损能力。较少原纤化芳族聚酰胺纤维(CSF大约为530～650)具有特别好的长期耐用性和稳定的摩擦系数。
在本发明预期的范围内仍然还有其它一些实施方案，包括在纤维基质材料中有人造石墨，较其它类型的石墨材料为纤维基质材料提供了更多的三维结构。人造石墨是通过天然原材料，例如石油焦炭和煤焦油沥青粘结剂，石墨化制得。原材料被混合，在特殊的石墨化炉里加热到大约2,800～3,000℃，将烘烤后的碳主体转化为多晶的石墨制品。人造石墨(具有高的热导率)较其它类型的石墨为摩擦材料提供了更快散热的能力。在具体的实施方案中，人造石墨优选的大小和几何结构在大约20～50微米范围。在这些实施方案中，已经发现如果石墨粒径太大或太小，将得不到最优的三维结构，从而耐热性也达不到最佳。在具体实施方案中，石墨在纤维基质组分中为约20～40重量％。
少量的至少一种类型的填充材料对于本发明中纤维基质材料的主层也是有用的。例如，硅石填充物，如硅藻土就是有用的。但是，预计其它类型的填充物对于本发明也是适合使用的，填充物的选择取决于摩擦材料的特殊要求。特别地，相对少量，优选为大约3～15重量％的填充材料现在被发现能提供特别有效的主层。
在那些主层中有碳纤维的某些实施方案中，优选地不要有棉花纤维成分。在其它一些没有碳纤维成分的实施方案中，纤维基质材料中相对高的棉花纤维量，例如大约40～50重量％，从经济成本上改进了摩擦材料的离合器“磨合”特性。在这样的实施方案中，棉花纤维被加入到本发明的纤维基质材料中，为纤维材料提供了更高的摩擦系数。在某些实施方案中，大约为40～50重量％，和，在某些实施方案中，大约45重量％的棉花被加入到纤维基质材料中。
至少一种乳胶类材料可被包括在纤维基质材料中。在具体实施方案中，纤维基质材料含有大约0～3重量％的乳胶类材料，在某些实施方案中，大约为2重量％。
对于纤维基质材料主层成分的一个例子含有大约40～60重量％的较少原纤化芳族聚酰胺纤维；大约为5～20重量％的碳纤维；大约10～20重量％的棉花纤维；大约3～15重量％的碳颗粒；大约3～15重量％的填充材料；和大约0～3重量％的乳胶类材料。
另一个高纤维含量的纤维基质材料的主层其组分为大约50～60重量％的芳族聚酰胺纤维；约40～10重量％的棉花纤维；大约5～15重量％的碳纤维；大约20～30重量％的石墨颗粒；和大约5～15重量％的填充材料。
还有另一个高纤维含量的纤维基质材料的主层其组分为大约50～60重量％的芳族聚酰胺纤维；大约15重量％的碳纤维；大约20～30重量％的石墨；和大约5～15重量％的硅石填充材料。
具有摩擦调节颗粒的二级层沉淀在高纤维含量的主层上以形成纤维基质材料。摩擦调节颗粒混合物作为纤维基质材料主层上的二级层的使用提供了高耐热性和高耐用性的纤维基质材料。
意外的发现硅石颗粒和碳颗粒以优选的比例混合作为纤维基质材料的二级层时是特别有效的。
有效的摩擦调节颗粒包括硅石颗粒和部分和/或完全碳化的碳颗粒所希望的混合物。例如，摩擦调节颗粒可含有以下组成的混合物，i)硅藻土和ii)完全碳化的碳颗粒或部分碳化颗粒，和它们的混合物。
在某些实施方案中，二级层混合物含有硅石颗粒和碳颗粒，其比例约为4份硅石颗粒比约1份碳颗粒。在其它实施方案中，比例约为2份硅石颗粒比约1份碳颗粒。例如，硅石颗粒如硅藻土，Celite，Celatom，和/或二氧化硅是特别有效的。硅石颗粒是便宜的有机材料，能与纤维材料强烈键合。硅石颗粒为摩擦材料提供了高摩擦系数。同时，硅石颗粒可以为摩擦材料提供光滑的摩擦表面和良好的“移动感”，并且最小化了摩擦材料其它的摩擦特性，如任何“振动”。碳颗粒相对较贵，能为摩擦材料提供特别有效的热点耐性、高摩擦稳定性和耐用性。
可以通过使用范围和大小优选约为0.5～80微米，以及优选为约5～20微米的颗粒，在纤维基质材料表面上得到均匀的摩擦调节颗粒二级层。在这些实施方案中，已发现，如果摩擦调节颗粒尺寸太大或太小，将得不到最优的三维结构，从而也得不到最佳的散热。
在优选的实施方案中，主层上摩擦调节颗粒的量为摩擦纸的约0.2～20重量％，在某些实施方案中，为约2～15重量％，在某些优选的实施方案中，为约2～5重量％。在优选的实施方案中，主层表面上摩擦调节颗粒覆盖面积约为表面积的3～90％。
制备摩擦材料优选的工艺包括混合形成纤维基质材料主层的成分。至少纤维基质材料主层的一个表面要被摩擦调节颗粒的二级层所覆盖。其上覆盖了摩擦调节颗粒的纤维基质材料接着被至少一种酚醛或酚醛基的树脂浸渍。被浸渍、覆盖后的纤维基质材料在预先确定的温度和时间内固化以形成摩擦材料。
本发明的摩擦材料可使用不同的方法浸渍。纤维基质材料使用酚醛或酚醛基的树脂浸渍。优选地，按照重量，浸渍用树脂材料包含每100份摩擦材料中大约45～65份。当纤维基质材料被树脂浸渍后，被加热到理想的温度，保持预先确定的时间长度以形成摩擦材料。加热固化酚醛树脂的温度约为300°F。当存在其它树脂时，例如硅树脂，加热固化硅树脂的温度大约为400°F。因此，浸渍和固化后的摩擦材料通过适合的方法被粘在理想的基质上。
有效浸渍纤维基质材料的各种树脂包括酚醛树脂和酚醛基的树脂。可以理解各种酚醛基的树脂包括在树脂上混合其它改性成分，如环氧化物，丁二烯，硅树脂、桐油、苯、腰果油等，在本发明中可以预见这些树脂是有效的。在酚醛改性树脂中，酚醛树脂通常在树脂混合物中(除掉任何的溶剂后)，大约为50重量％或更大。然而，已发现在某些实施方案中，当浸渍树脂混合物含有约5～80重量％，和为了某些目的，大约15～55重量％，和在某些实施方案中，大约为15～25重量％的硅树脂时，这基于硅树脂-酚醛混合物的质量(除去溶剂和其它处理用酸)，摩擦材料可以得到改进。
本发明中有效的酚醛以及酚醛-硅树脂例子公开在上述所参考的BorgWaner的美国专利中，在这里全部引入为参考。本发明中有效的硅树脂包括，例如，热固化硅树脂密封剂和硅树脂橡胶。各种硅树脂在本发明中是有用的。特别地为一种含有二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)的树脂。硅树脂沸点约362°F(183℃)，蒸汽压68°Fmm，Hg21，蒸汽密度(空气＝1)4.8，水中的溶解度可忽略，比重为约1.09，挥发百分率，按重量为5％，蒸发速率(乙醚＝1)，低于0.1，用Pensky-Martens方法得闪点约149°F(65℃)。可以理解其它的硅树脂也能用于本发明。其它有用的树脂混合物包括，例如，适宜的酚醛树脂，其含有(质量百分含量)大约55～60重量％的酚醛树脂；大约20～25重量％的乙醇；大约10～14重量％的苯酚；约3～4重量％的甲醇；约0.3～0.8重量％的甲醛；和大约10～20重量％的水。另一个适宜的酚醛基的树脂含有(质量百分含量)大约50～55重量％的苯酚/甲醛树脂；约0.5重量％的甲醛；大约11重量％的苯酚；约30～35重量％的异丙醇；和大约1～5重量％的水。
已发现另一个有效的树脂是环氧化物改性的酚醛树脂，其含有大约5～25重量％，优选为10～15重量％的环氧化物化合物且剩余为酚醛树脂(除去溶剂和其它处理用酸)。在某些实施方案中，环氧化物-酚醛树脂较之单独的酚醛树脂为摩擦材料提供了更高的耐热性。
在某些实施方案中，优选被纤维基质材料作为目标结合的树脂约为总硅树脂-酚醛树脂的35～65重量％，和在某些实施方案中，约60～至少65重量％。当纤维基质材料被树脂浸渍后，纤维基质材料在温度300～400℃之间固化一段时间(在某些实施方案中固化约1/2小时)以固化树脂粘合剂并形成摩擦材料。摩擦材料最后的厚度依赖于纤维基质材料的初始厚度，在某些方案中，优选为大约0.014”～0.040”。
进一步可以预见，已知在进行树脂键合和浸渍纤维基质材料时有效的其它组分和处理用酸均可包含在摩擦材料中。
溶剂中的硅树脂和酚醛树脂是彼此相容的。这些树脂被混合(在优选的方案中)以形成均匀的混合物，接着被用于浸渍纤维基质材料。如果纤维基质材料用酚醛树脂浸渍再用硅树脂浸渍，或相反的顺序，其效果是不一样的。硅树脂-酚醛树脂溶液的混合物和硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳化物也是不一样的。当硅树脂和酚醛树脂在溶液中时，它们根本不会被固化。相反地，硅树脂和酚醛树脂粉末颗粒是部分固化的。硅树脂和酚醛树脂的部分固化会阻止良好的浸渍纤维基质材料。
本发明中某些实施方案中，纤维基质材料用溶于溶剂中的硅树脂混合物浸渍，此溶剂与酚醛树脂和其溶剂是相容的。在一个实施方案中，异丙醇被发现是特别适合的溶剂。但是可以理解，各种其它适宜的溶剂，如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等都可用于本发明中。当硅树脂与酚醛树脂混合并被用于浸渍纤维基质材料时，能使所得的摩擦材料较之仅用酚醛树脂浸渍的纤维基质材料具有更好的弹性。当向本发明的硅树脂-酚醛树脂混合浸渍的摩擦材料施加压力时，会有更均匀的压力分布，这样会减少不均匀内衬磨损的可能性。当硅树脂和酚树脂被混合后，此混合物被用于浸渍纤维基质材料。
本发明中制备摩擦材料10的一个优选的实施方案表示在图13中。纤维基质材料12含有一个具有上表面或顶面16和下表面或底面18的较低层14。当较低层14为湿的时，摩擦调节颗粒20被沉积到湿的较低层14的顶面16上。
在某些方法中，在沉积摩擦调节颗粒20于层14的顶面16上之前，在湿层14的下表面18上使用真空压力(没有表示)是有效的。
已经发现，纤维基质材料主层上的摩擦调节颗粒二级层能为摩擦材料提供好的抗振动特性，高耐用性、好的抗磨损能力和改进了的磨合特性。
实施例滑动离合器表面技术要求本发明中的摩擦材料为滑动离合器的应用而设计以满足特殊的需要。这些要求包括高机械强度、耐热性、耐用性、稳定性和抗振动性。本发明中的摩擦材料具有高孔隙度、高机械强度的均匀材料结构、高热导率和抗振动摩擦调节剂特性。这些材料特性对于平滑的滑动扭矩输出和长期摩擦稳定性都是必要的。
理想的滑动扭矩反应和长期的耐用性对于滑动离合器材料的要求包括好的曲线形状和长期的摩擦稳定性。好的曲线形状取决于材料的高孔隙率和高摩擦调节剂含量。长期的摩擦稳定性取决于高孔隙率(抗光滑)和高温组分。
纤维基质材料结构含有多孔的和高温合成纤维网状物以提供高效的散热和摩擦稳定性。摩擦调节颗粒沉积到纤维基质材料上以提供“抗振动”的特性。
下面的实施例进一步证明覆盖有摩擦调节颗粒的纤维基质材料和本发明中得到的摩擦材料对于传统的摩擦材料是一种改进。但是，下述实施例中描述的本发明的各种优选的实施方案并不试图对本发明的范围进行限制。
实施例I扭矩曲线形状说明本发明中的摩擦材料在速度、高能量和高温应用方面是特别有用的。稳定的扭矩曲线同样也显示摩擦材料是无噪音的。
表1显示了比较例A和B以及实施例1和实施例2中的组成。表1同样也显示了所示实施例中的重量、厚度、孔隙率、干或湿拉力以及灰分特性。该新材料含有一个具有最佳量的碳纤维的主层和一个具有碳和硅藻土的二级层，以及任选的助留剂如乳胶。优选的实施方案，在二级层中，碳纤维和硅石的比例为约1∶4～1∶2。
表1
实施例IIμPVT扭矩曲线为本发明中的材料提供了进一步的信息。
图1a和1b在100℃(图1a)和50℃(图1b)不同的水平和速度下比较例A的扭矩曲线(μPVT)。
图2a和2b在100℃(图2a)和50℃(图2b)不同的水平和速度下比较例B的扭矩曲线(μPVT)。
图3a和3b在100℃(图3a)和50℃(图3b)不同的水平和速度下实施例1的扭矩曲线(μPVT)。
图4a和4b在100℃(图4a)和50℃(图4b)不同的水平和速度下实施例2的扭矩曲线(μPVT)。
实施例III实施例III表示了S12μ-PVT测试，该测试表示了所示速度的初始摩擦系数(μi)、动态系数(μd)和终点摩擦系数(μo)以及(μo)/(μd)比例。
图5a-5d是比较例A中，比较初始的(μi)(图5a)、动态的(μd)(图5b)和终点(μo)(图5c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图5d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA关系的曲线图。
图6a-6d是比较例B中，比较初始的(μi)(图6a)、动态的(μd)(表6b)和终点(μo)(图6c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图6d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图7a-7d是实施例1中，比较初始的(μi)(图a)、动态的(μd)(图7b)和终点(μo)(图7c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图7d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
图8a-8d是实施例2中，比较初始的(μi)(图8a)、动态的(μd)(图8b)和终点(μo)(图8c)摩擦系数以及终点/动态(μo)/(μd)(图8d)摩擦系数比例与施加衬面压力kPA的关系的曲线图。
实施例IV实施例IV表示了高速步调水平测试。图9a是表示使用自动机械传动流体“B”实施高速步调水平“热点”测试的测试条件的曲线图。
图9b是比较例A、比较例B、实施例1和实施例2高速步调水平“热点”测试结果的曲线图。
实施例V实施例V表示了比较例B和比较例C以及实施例1和实施2的物理特性。
图10是表示这些材料在0～2MPA和2～9MPA的压缩模量。需要指出的是，此模量越低，则该材料的弹性越高。本发明中的材料具有非常理想的弹性。
实施例VI实施例VI显示了使用自动机械传动流体“B”的μ-V耐用性测试。
图11a是通过比较摩擦系数和滑动速度(rpm)显示在周期1、5、10、15、20、25和30实施例1中的μ-V持久关系(恒定速度法)的曲线图。
图11b是表示实施例1中斜率对周期的曲线图。
图12a是通过比较摩擦系数和滑动速度(rpm)显示在周期1、5、10、15、20、25和30实施例2中的μ-V持久关系(恒速方法)的曲线图。
图12b是表示实施例2中斜率对周期的曲线图。
工业应用本发明作为高能量的摩擦材料应用于离合器盘、传动带、刹车片、同步器环、摩擦盘或系统盘都是有用的。
对本发明优选和供选择的实施方案的上述描述意在进行说明，并非要对下述权利要求的范围和内容进行限制。
权利要求
1.一种摩擦材料，其含有浸渍了至少一种固化树脂的纤维基质材料，该纤维基质材料含有高纤维含量的多孔主层以及在该主层的至少一个表面上的包含摩擦调节颗粒的二级层。
2.权利要求1中的摩擦材料，其中基于纤维基质材料的重量，所述二级层含有约5～15重量％的摩擦调节颗粒。
3.权利要求1中的摩擦材料，其中所述二级层含有碳颗粒和硅石颗粒的混合物。
4.权利要求3中的摩擦材料，其中基于纤维基质材料的重量，所述摩擦调节颗粒为大约0.2～20重量％，摩擦调节颗粒覆盖了主层表面的约3～30％。
5.权利要求3中的摩擦材料，其中基于摩擦调节颗粒的总重量，所述二级层含有约20～35重量％的硅石颗粒和约65～80重量％的碳颗粒。
6.权利要求1中的摩擦材料，其中所述摩擦调节颗粒的平均大小为大约0.5～20微米。
7.权利要求3中的摩擦材料，其中所述摩擦调节颗粒包含以下组分的混合物i)硅藻土颗粒和ii)完全碳化的碳颗粒或部分碳化的颗粒，和它们的混合物。
8.权利要求1中的摩擦材料，其中所述纤维基质材料规定了孔径范围为平均尺寸大约2.0～25微米。
9.权利要求1中的摩擦材料，其中所述主层具有至少约50％的有效空气空隙。
10.权利要求1中的摩擦材料，其中所述纤维基质材料含有至少一种芳族聚酰胺纤维、棉花纤维、石墨颗粒，和至少一种填充材料。
11.权利要求10中的摩擦材料，其中按照加拿大标准游离度指数，所述芳族聚酰胺纤维具有大约350～650的游离度。
12.权利要求10中的摩擦材料，其中所述芳族聚酰胺纤维具有大约0.5～10mm的平均纤维长度。
13.权利要求10中的摩擦材料，其中所述填充物含有硅藻土。
14.权利要求10中的摩擦材料，其中所述纤维基质材料含有约50～6重量％的芳族聚酰胺纤维、约40～10重量％的棉花纤维、大约5～15重量％的碳纤维、大约20～30重量％的石墨颗粒和大约5～15重量％的填充材料。
15.权利要求1中的摩擦材料，其浸渍于约35～40重量％的树脂中，所述树脂为酚醛树脂、改性酚醛树脂、或酚醛树脂和硅树脂的混合物中的至少一种，基于混合物的质量，该混合物中硅树脂的量大约为5～80重量％，其中酚醛树脂存在于溶剂材料中，且硅树脂也存在于溶剂材料中，此溶剂与酚醛树脂的溶剂材料是相容的。
16.权利要求1中的摩擦材料，其中所述纤维基质材料含有较少原纤化芳族聚酰胺纤维，按照加拿大标准游离度(CSF)指数，该纤维具有至少大约300的游离度，以及碳纤维、石墨颗粒、和至少一种填充物材料。
17.权利要求16中的摩擦材料，按照加拿大标准游离度指数，其中所述较少原纤化芳族聚酰胺纤维具有至少大约430～650的游离度。
18.权利要求17中的摩擦材料，其中所述芳族聚酰胺纤维具有约0.5～10mm的平均纤维长度。
19.权利要求16中的摩擦材料，其中所述纤维基质层含有大约50～60重量％的较少原纤化芳族聚酰胺纤维、大约5～20重量％的碳纤维、大约20～30重量％的石墨颗粒和大约3～15重量％的填充材料。
20.一种制备摩擦材料的方法，其包括形成高纤维含量的纤维基质材料，用含有碳颗粒和硅石颗粒的摩擦调节材料覆盖纤维基质材料的至少一个表面的3％～30％，基于纤维基质材料的质量，摩擦调节颗粒大约为0.2～20重量％，和用酚醛树脂、酚醛基的树脂或酚醛-硅树脂混合物浸渍覆盖后的纤维基质材料，然后在预定的温度下将浸渍后的纤维基质材料按预定的时间进行固化。
全文摘要
本发明涉及一种摩擦材料，该摩擦材料具有高纤维含量纤维基质材料作为主层，以及至少在该主层的一个表面上具有摩擦调节颗粒的二级层，以用作抗振动摩擦材料。
文档编号C09K3/14GK1603379SQ20041005785
公开日2005年4月6日 申请日期2004年8月19日 优先权日2003年10月3日
发明者R·C·林, 丸尾贤司 申请人:博格华纳公司