一种富含纤维的弹性、多孔摩擦材料的制作方法

专利名称：一种富含纤维的弹性、多孔摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种富含纤维的弹性、多孔摩擦材料。本发明的摩擦材料具有高摩擦系数、高耐用性和优良的抗热或抗“热点”性。此摩擦材料还具有更好的强度、更好的耐磨性和更好的抗噪性。
背景技术：
汽车制造业已经发展出具有连续滑动扭矩转换器和变速离合器系统的新颖先进的连续扭矩传动系统。这些新系统往往能耗很高，因此，为了适应这些先进系统对能量日益增长的需求，必须发展摩擦材料技术。
尤其需要一种新的高性能、耐用摩擦材料。这种新的摩擦材料必须能够经受住高达65米/秒的表面速度和高达1500psi的内外压力。另外，此摩擦材料应能在润滑不足的条件下使用，这一点十分重要。
为了能用于新系统，此摩擦材料应具有优良的耐用性和耐热性。此摩擦材料不仅应当在高温下稳定，还应能决速散去操作时产生的高热。
新系统在高速啮合和分离时要求摩擦材料必须能够在整个啮合过程中维持相对连续的摩擦。在速度和温度变化较大时应保证摩擦啮合的相对连续，以尽量降低刹车或传动系统在给油换档过程中产生的“颤抖”，这一点十分重要。另外，此材料还应具有理想的扭矩曲线形状以消除摩擦啮合过程中的噪音或“刺耳声”。
传动和扭矩随选系统与滑动离合器的结合主要是为了提高燃料效率和改进驾驶舒适性。在这些系统中，滑动离合器的作用发生了变化，从汽车启动装置，如湿启动离合器，变成了扭矩转换离合器。根据操作条件，滑动离合器可被分为三个主要类别(1)低压高滑速离合器，如湿启动离合器(wet start clutch)；(2)高压低滑速离合器，如转换离合器(Converter Clutch)；(3)超低压低滑速离合器，如空档空转离合器(neutral to idle clutch)。
滑动离合器的各种应用主要是防止颤抖和调控摩擦面的能量。颤抖发生的原因可以归根于很多因素，包括摩擦材料的摩擦特性，摩擦面的硬度和粗糙度，油膜保持度，润滑剂的化学性质和相互作用，离合器操作条件，动力传动系统的装配以及硬件的组合，动力传动系统的污染。摩擦接触面的能量调控主要指控制接触面温度，这主要靠泵的容量，油的流路和控制策略来发挥作用。摩擦材料的表面设计会有助于摩擦面能量调控效率的提高。
以前，石棉纤维被加到摩擦材料中来提高热稳定性。因为健康和环境问题，石棉已经不再使用。最近，更多的摩擦材料在纸或纤维材料中注入酚醛树脂或改性酚醛树脂，尝试以这一改进来解决摩擦材料中没有石棉的问题。然而，这些材料不能快速散热，不具备当今发展的高速系统所需要的耐热性和令人满意的摩擦性能系数。
Kearsey的美国专利No.5,585,166描述了一种多层摩擦材料，它的内层含有一个多孔衬底层(纤维素和合成纤维，填充物和热固树脂)和一个多孔摩擦层(热固树脂中的非纺织合成纤维)此摩擦层比衬底层具有更高的多孔性。
Seiz的美国专利No.5,083,650的参考文献涉及到一种多步浸渍和固化的方法。例如，一张纸被一种涂料浸渍后，碳微粒分布到纸上，纸上的涂料被部分固化了，第二层涂料再应用到部分固化的纸上，最终，两层涂料都被固化了。
在其他的摩擦材料中，加入了金属纤维和碳的复合材料以增加材料的耐磨性。例如Fujimaki等人的美国专利No.4,451,590描述了一种含有金属纤维，填充物，碳颗粒，碳纤维，酚醛树脂的摩擦材料。金属作基体的摩擦材料不具备足够的多孔性和可塑性，难以达到使用所要求的高流体渗透容量。同时，金属作基体摩擦材料不具备足够的弹性或弹力，无法耐受高达1500psi的内外压力(约105kg/cm2)。金属作基体摩擦材料还不能耐受新的传动和刹车系统在啮合和分离时所产生的高达65米/秒的表面速度。
不同种类的纸基纤维材料，与受让人Borgwarner Inc共同拥有，已被研发出来用在摩擦材料中。这些资料在此处提及以作参考。
尤其是，Lam等人的美国专利No.5,998,307涉及到了一种以纤维材料为主要基质，结合可固化树脂的摩擦材料，其中多孔的主层包含至少一种纤维材料，并且含有包含碳颗粒的亚层，其至少覆盖主层表面的约3％到约90％。
Lam等人的美国专利No.5,858,883涉及到一种基体材料，其中包括含有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，合成石墨和填料的主层，和覆盖于主层表面的含有碳颗粒的亚层。
Lam等人的美国专利No.5,856,244涉及到一种摩擦材料，其中基体以可固化树脂浸渍处理。其主层包含较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，合成石墨和填料，其亚层包含碳颗粒和一种粘合助剂。
Lam等人的美国专利No.5,958,507涉及到一种摩擦材料的制备方法，在该方法中，含有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维的纤维材料的至少一个表面的约3％到约90％被涂上一层碳颗粒。
Lam等人的美国专利No.6,001,750涉及到一种摩擦材料，其中的纤维基体材料以可固化树脂浸渍处理。多孔主层含有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维、碳颗粒、碳纤维、填充材料、酚醛清漆纤维，并且可以选择性的加入棉纤维。其亚层含有覆盖其表面约3％到约90％的碳颗粒。
另外一个共同拥有的专利申请，SerialNo.09/707,274，涉及到一种纸型摩擦材料，其多孔纤维主层表面被摩擦改进颗粒覆盖了约3％到约90％。
另外，由Borgwarner Inc等人共同拥有的专利Lam等人美国专利权NO.5,753,356和5,707,905描述了多种纸型纤维基体材料。这些材料含有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，合成石墨和填料，这些资料也在此提及以作参考。
另外一个共同拥有的专利，Lam等人的美国专利No.6,130,176涉及到一种非金属的纸型纤维基体，含有较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，碳纤维，碳颗粒和填料。
为了使所有类型的摩擦材料都能在“湿”的情况下使用，摩擦材料必须拥有多种可接受的特性。摩擦材料必须有良好的抗振性；耐热性和迅速散热的能力；和长期的、稳定的、连续的摩擦性能。如果这些特性的任何一点达不到，就无法获得摩擦材料的最佳性能。
为了制备高能应用摩擦材料，选用合适的树脂来进行浸渍处理也是非常重要的。当使用中浸泡于刹车液或传动油中时，摩擦材料必须具有良好的剪切强度。
在特定的应用中，摩擦材料有更多的孔隙也是十分重要的，这将使其在应用中具有高流体渗透容量。因而，摩擦材料不仅应是多孔的，更应是可压缩的。刹车和传动操作中的压力应使渗入到摩擦材料中的液体迅速的挤压、排放出来，同时刹车材料还不能折叠。摩擦材料还应有良好的导热性能以助于其快速散去刹车或传动时产生的热量。
迄今为止，还没有任何公开物涉及应用于传动系统的由纤维含量高/填料量少的纤维基体材料制成的摩擦材料。
因此，本发明的目的之一是提供一种与现有技术相比更为可靠、性能更好的摩擦材料。
本发明更进一步的目的是提供一种“抗颤”性强、抗“热点”性和耐热性好以及具有良好的摩擦稳定性、耐用性和强度的摩擦材料。


图1是摩擦材料的示意图，该摩擦材料具有高纤维含量的纤维基体材料。

发明内容
本发明涉及到一种含有大量纤维的纤维基体摩擦材料。
在一些优选的实施方式中，纤维基体材料包含占其总重约75％到约85％的纤维，在某些实施方式中约为80％，纤维基体材料的剩余部分还包含其它成分，如填料、摩擦材料和其类似物，它们约占纤维基体材料总重的15％到25％，在某些实施方式中占到约20％。
具体实施例方式
为了达到上述要求，在类似操作中碰到的条件下测试多种摩擦材料的摩擦和耐热性，一般市售摩擦材料经研究证明不适于在高能应用情况下使用。
依照本发明，摩擦材料中的可固化树脂均匀地分布在高纤维含量的纤维基体材料中。这种高纤维含量的摩擦材料比现有摩擦材料有更多孔隙，也更富有弹性。多种纤维基体材料用在本发明的摩擦材料中，例如包括非石棉纤维基体材料，如织物材料，纺织和/或非纺织材料；适当的纤维基体材料，如纤维和填料。纤维可以是有机纤维、无机纤维和碳纤维。有机纤维可以是芳族聚酰胺纤维，如有原纤维化和非原纤维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，棉花/纤维素纤维等等。填料有硅石，硅藻土，石墨，矾土和腰果灰(cashew dust)等等。
另一方面，纤维基体材料可以包括纤维织物材料，纤维非织物材料和纸材料。更进一步，可在本发明中使用的多种类型的纤维基体材料的例子还可参见BorgWarner的美国专利，这里提到这些专利作为参考。显而易见，本发明的其它实施方式还可包括不同的纤维基体材料。
在某些实施方式中，摩擦材料中包括含有大量空隙和缝隙的纤维基体材料。纤维基体中的空隙和缝隙的尺寸大小在约0.5μm到约20μm之间。
在某些实施方式中，纤维基体材料的体积空隙率在约50％到约60％之间，因而，与“多孔的(porous)”纺织材料相比，纤维基体材料看来更为“稠密(dense)”。
在某些实施方式中，摩擦材料还包括一种至少部分填充于纤维基体材料空隙的树脂材料。树脂材料充分均匀地分布在纤维基体材料的整个厚度。
在某些实施方式中，纤维基体摩擦材料包含一种纤维基体材料，其中使用了较少原纤维化的纤维和碳纤维以使摩擦材料有令人满意的孔机构。纤维的几何形状不仅能增强耐热性，而且能进一步防止材料起皮分层，消除尖声和噪声。另外，在一些实施方式中，碳纤维和碳粒子的存在有助于增加纤维基摩擦材料的耐热性、维持稳定的磨蹭系数、提升抗噪性能。纤维基体材料加入相对少量的棉纤维能改善离合器“突然失灵(break-in)”的特性。
纤维基体材料中使用较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维和碳纤维可提高摩擦材料经受高温的能力。较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维一般是很少的原纤维附着于核心纤维上。较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维使摩擦材料具有更多的孔结构；例如，较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维比典型的原纤维化芳族聚酰胺纤维有更多的孔隙。孔结构通常用孔的尺寸和液体渗透性来限定。在某些实施方式中，纤维基体摩擦材料要求孔隙直径的平均尺寸范围在约2.0至约25μm之间。在某些实施方式中，大约从2μm到约10μm，在某些实施方式中，大约从2.5到8μm，在某些实施方式中，大约从5到8μm。这样摩擦材料很容易有至少50％的有效气孔，在某些实施方式中达到60％或更高。
同时，在某些实施方式中，芳族聚酰胺纤维的长度范围最好在约0.5到约10mm之间，和超过约300的CSF(Canadian Standard Freeness)。在某些实施方式中，最好使用较少纤维化的芳族聚酰胺纤维，它的CSF值在约450到约550，优选约530或更高，在某些实施方式中，大约580-650和更高，优选约650和更高。相反，较多原纤维化的纤维，例如芳族聚酰胺纤维浆(aramid pulp)，自由度约为285-290。
“Canadian Standard Freeness”(T227 om-85)意味着纤维原纤维化的程度可以通过纤维自由度的测量值来描述。。CSF测试的实验步骤是将三克纤维悬浮于一升水中，随机测量排水率。因而，较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维有比较多原纤维化的芳族聚酰胺纤维或芳族聚酰胺纤维浆有更高的自由度或者说对摩擦材料中的液体有更高的排出率。含芳族聚酰胺纤维摩擦材料的CSF值范围大约是430-650(在某些实施方式中，优选约580-640或者优选约620-640)，比含有常规的较多原纤维化的芳族聚酰胺纤维摩擦材料具有更优良的摩擦性能和更好的材料特性。更长的纤维长度和高CSF值使得摩擦材料强度更高、孔隙更多、耐磨损性更好。较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维(CSF大约在530-650)尤其具有良好的长期的耐用性和稳定的摩擦系数。
本发明的纤维基体材料还用到多种填料。特别地，硅石填料，如硅藻土，是可用的。然而，可以预计其它填料也适用于本发明，填料的选择依赖于摩擦材料的特殊要求。
在某些实施方式中，棉纤维被加入纤维基体材料中，以提高纤维材料的摩擦系数。在某些实施方式中，加入大约5-20％，也可能加入10％。
例如，纤维基体材料的一个配方，按重量比，含大约75％到85％较少纤维化的芳族聚酰胺纤维，含大约15％到25％的填料。
在其它一些实施方式中，还发现另外一种特定的配方也可以使用，按重量比，含大约35％到45％较少纤维化的芳族聚酰胺纤维，含大约5％到15％的棉纤维，含大约2-20％的碳纤维，含大约25-35％的填料。
在其它一些实施方式中，基体材料包括约15％到25％的棉，约40％到50％的芳族聚酰胺纤维，约10％到约20％的碳纤维，约5％到约15％填料(如寅式盐)，可任意加入约1％到约3％的胶乳。
当纤维基体材料有一个较高的平均孔隙直径和流体渗透性的时候，摩擦材料易于冷却或较少传动时产生的热量，因为自动传动液体能更好地在摩擦材料的多孔结构之间流动。在传动系统工作时，随着时间的推移，液体流动性会逐渐下降，形成“油沉淀”，尤其在高温条件下。这些“油沉淀”减小了孔的开口。因此，摩擦材料刚开始使用时的孔径越大，在使用年限内能留下来的开口的孔就越多。
在某些实施方式中，纤维基体材料可用不同的树脂系统浸渍处理。在某些实施方式中，可使用含至少一种酚醛树脂，至少一种改性酚醛树脂，至少一种硅树脂，至少一种改性硅树脂，至少一种环氧树脂，至少一种改性环氧树脂，和/或上述树脂的组合。在其它某些实施方式中，使用的是调合或混合在一起的硅树脂和酚醛树脂。
本发明可使用多种树脂。在某些实施方式中，树脂包括酚醛树脂或改性酚醛树脂，优选使得饱和剂材料按重量计算占摩擦材料总重的约45％到约65％。在树脂混合物应用于纤维基体材料，纤维基体材料经树脂混合物浸渍处理后，浸渍后的纤维基体材料被加热至预期温度并保持预定的时间以生成摩擦材料。在某些实施方式中，加热到约华氏300度时，饱和剂中的酚醛树脂固化。当饱和剂中是其它树脂时，如硅树脂，加热到约华氏400度时，硅树脂发生固化。此后，通过适当的方式，将固化后的摩擦材料粘到准备好的衬片上。
各种可用的树脂包括酚醛树脂和改性酚醛树脂。显而易见，在树脂中混合了其它改性剂，如环氧化合物，丁二烯，硅酮，桐树油，苯，腰果油和类似物的各种改性酚醛树脂，都可以预见到把它们用于本发明。在改性酚醛树脂中，酚醛树脂一般占混合树脂总重约50％或更多(不含其中任何溶剂)。而在某些实施方式中发现，当混合物中含有树脂混合物时，摩擦材料能够被改进，所述树脂混合物按重量计包含占硅-酚醛树脂混合物(不含溶剂和其它助剂)总重约5％到80％的硅树脂，为了特定目的，占到约15％到约55％，在某些实施方式中占到约15％到25％。
本发明可以使用的酚醛树脂和酚醛改性树脂的例子在上述BorgWarner的美国专利中已经全部公开，这些专利在此提及以作参考。本发明中使用的硅树脂包括，如热固化硅酮密封剂和硅酮橡胶。本发明可使用多种硅树脂。特别地，有一种包括二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)的树脂。硅树脂的沸点约362°F(183°C)，蒸汽压力为68°F mm，Hg21，蒸汽密度(空气＝1)4.8，不溶于水，比重大约是1.09，挥发率，按重量计为5％，蒸发率(醚＝1)，小于0.1，用Pensky-Martens方法测试的闪点大约在149°F(65℃)。显而易见，其它硅树脂也可用于本发明。其它可用的混合树脂包括，如，一种适用的酚醛树脂，按重量百分比包括约55％到约60％的酚醛树脂；约20％到约25％的乙醇；约10％到约14％的苯酚；约3％到约4％的甲醇；约0.3％到约0.8％的甲醛；以及约10％到约20％的水。另外一种适用的酚醛改性树脂，按重量百分比包括约50％到约55％的酚醛树脂；大约05％的甲醛；大约11％的苯酚；大约30-35％的异丙醇；还有约1％到约5％的水。
另外还发现了一种可用的树脂是改性环氧酚醛树脂，其中按重量计含有约5％到约25％的的环氧化合物，优选约10％到约15％，余量为酚醛树脂(不含溶剂和其它助剂)。在一些实施方式中，这种环氧酚醛树脂化合物制成的摩擦材料比单一的酚醛树脂制成的摩擦材料显示出更好的耐热性。
在一些实施方式中，优选的树脂混合物包括预定量的树脂和摩擦改性颗粒，使纤维基体材料中的所选树脂含量按重量计占硅酚醛树脂总重量约25％到约70％，在某些实施方式中，占到约40％到约65％之间，在某些实施方式中，占到约60％到至少65％。当纤维基体材料中的树脂含量达到饱和后，使之在300-400℃温度范围内固化一段时间(在某些实施方式中约半小时)，固化树脂粘合剂形成摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于纤维基体材料的最初厚度。
还可以预见到其它可用于制备树脂混合物和纤维基体材料的已知成分和助剂也包括在内，并且可预见都在本发明的范围之内。在某些实施方式中，树脂混合物包括硅树脂和酚醛树脂，都在溶剂中彼此互溶。在某些实施方式中，这些树脂被混合到一起形成均匀的混合物，然后用于使纤维基体摩擦材料达到饱和。在某些实施方式中，如果一种纤维基体材料经酚醛树脂浸渍处理后，再往里添加硅树脂并不能取得同样的效果，反之亦然。硅-酚醛树脂溶剂和硅树脂粉和/或酚醛树脂粉的乳状液之间也存在差异。当硅树脂和酚醛树脂在溶液中，它们根本不发生固化。相反，硅树脂和酚醛树脂的粉末微粒已经有部分固化。已部分固化的硅树脂和酚醛树脂使基体材料难以达到一个较好的饱和度。
在本发明的某些实施方式中，纤维基体材料以溶于溶剂的硅树脂和与之相溶的酚醛树脂及其溶剂组成的混合物进行浸渍处理。在某些实施方式中，已发现异丙醇是一种非常合适的溶剂。而显然其它各种溶剂，例如乙醇，甲乙酮，丁醇，异丙醇，甲苯和类似物也可用于本发明。硅树脂的存在及其与酚醛树脂混合用于饱和纤维基体材料时，最终制成的摩擦材料比仅用酚醛树脂浸渍处理的纤维基体材料更有弹性。当压力作用于本发明中经混合硅-酚醛树脂浸渍处理的摩擦材料时，压力分布更为均衡，减小了不均衡内部磨损的可能性。在硅树脂与酚醛树脂和摩擦改性微粒混合到一起之后，这些混合物被用于浸渍处理纤维基体材料。
图1是摩擦材料10的示意图表从中可看出摩擦材料10包含纤维性基体材料12和填料或充分分散在纤维基体材料12里的表面摩擦改进材料14。
工业实用性本发明可作为高能摩擦材料用在离合器盘，传动带，制动蹄，同步环，摩擦盘或系统盘上。
上述有关本发明优选和可选的实施方式的描述是对下述权利要求的说明，而并非是对其范围和内容的限定。
权利要求
1.一种摩擦材料，其中包括一种纤维含量占纤维基体材料重量约70％到约85％的纤维基体材料，该纤维基体材料用合适的树脂浸渍处理。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体层包括约80％的纤维。
3.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料的平均体积空隙率在约50％到约85％之间。
4.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料是非纺织纤维材料。
5.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料是纺织纤维材料。
6.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料中按重量比包括约15％到25％的棉纤维，约40％到约50％的芳族聚酰胺纤维，10％到约20％的碳纤维和约5％到约25％的填料。
7.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料的平均空隙直径约5μm到约8μm。
8.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中纤维基体材料中按重量比包括约10％到约60％的较少原纤维化的芳族聚酰胺纤维，约5％到约30％的棉纤维，约2％到约25％的碳纤维和约10％到约35％的填充材料。
9.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中的树脂包括至少一种酚醛树脂、至少一种改性酚醛树脂、至少一种硅树脂、至少一种改性硅树脂、至少一种环氧树脂、至少一种改性环氧树脂或上述树脂的组合。
全文摘要
本申请涉及一种摩擦材料，其纤维基体材料中含有大量的纤维，因而，比现有摩擦材料有更多孔隙，也更富有弹性。
文档编号F16D69/00GK1644645SQ200410089969
公开日2005年7月27日 申请日期2004年8月26日 优先权日2003年10月3日
发明者R·C·林 申请人:博格华纳公司