含部分碳化的碳纤维的摩擦材料的制作方法

专利名称：含部分碳化的碳纤维的摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及非石棉、非金属的纤维状基材，其包含作为双层摩擦材料表面层或者单层摩擦材料组分的部分碳化的碳纤维。本发明还涉及包含用酚醛树脂或酚醛基树脂混合物浸渍过的上述纤维基材料的复合摩擦材料。
本发明的摩擦材料具有改进的摩擦系数和改进的强度、孔隙率、耐磨性和耐噪声性能(noise resistance)。
背景技术：
汽车业研发了新的且先进的传动系统和制动系统。这些新的系统常常涉及高能量要求。因此，还必须研发摩擦材料技术以满足这些先进系统日益增长的能量要求。
特别地，需要新的高能量型摩擦材料。该新的高能量型摩擦材料必须能够承受其表面速度高达约65米/秒的高速度。而且，该摩擦材料必须能够承受高达约1500psi的高衬面压力(facing liningpressure)。所述摩擦材料要能够在有限的润滑条件下使用，这也是重要的。
所述摩擦材料必须是耐久的且具有高耐热性能以用于先进的传动和制动系统中。该摩擦材料不仅要在高温下稳定，其还必须能够迅速地散逸操作过程中生成的高热量。
新型传动和制动系统在啮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啮合过程中保持较恒定的摩擦力。摩擦啮合要在宽的速度和温度范围内相对稳定以最小化制动或传动系统在将动力从一个齿轮向另一个转移时材料的震颤，这一点是重要的。该摩擦材料具有理想的转矩曲线形状，这样在该摩擦材料的摩擦啮合中无噪音或“刺耳声”，这也是重要的。
特别地，传动和需要转矩的系统引入了滑动式离合器，这主要是为了燃料效率和驾驶舒适性。这些系统中滑动式离合器的作用各不相同，从汽车发动装置如湿起动离合器，到液力变矩器离合器(torque converter clutch)。根据工作条件，滑动式离合器可分为三大类(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，如变换器离合器(converter clutch)；和(3)极低压和低滑动速度离合器如中速至怠速离合器(neutral toidle clutch)。
滑动式离合器所有用途涉及的主要性能是防止震颤并进行摩擦界面的能量控制。震颤的发生可归因于多种因素，包括摩擦材料的摩擦特性、啮合表面的硬度和粗糙度、油膜保持力、润滑剂化学性质和相互作用、离合器工作条件、动力传动系统组件和金属部件的同轴性(hardware alignment)以及动力传动系统的污染情况。摩擦界面的能量控制主要涉及界面温度的控制并受到泵送能力、油路和控制方式的影响。摩擦材料的表面设计也对界面能量控制的效率起作用。
以前，为获得温度稳定性将石棉纤维加入摩擦材料中。由于健康和环境的问题，不再使用石棉。更近期的摩擦材料试图通过用酚醛或酚醛改性的树脂来改性浸渍纸或纤维材料以解决摩擦材料中没有石棉带来的问题。然而，这些摩擦材料不能迅速散逸产生的高热量且不具有必要的耐热性能和当今为用于正在研制的高速系统中所需的令人满意的高摩擦性能系数。
本发明是对Smith等人的美国专利No.5,965,659的改进，其涉及源自氧化的聚丙烯腈基纤维的碳纤维的应用。
本发明还是对Seitz的美国专利No.5,083,065的改进，其涉及多步骤浸渍和固化工艺；即用涂料组合物浸渍纸张，将碳颗粒放在纸上，部分固化纸张中的涂料组合物，向部分固化的纸张上施用第二种涂料组合物，以及最后固化这两种涂料组合物。
在其它摩擦材料中，为获得耐磨性在摩擦材料中加入了与碳质材料相结合的金属纤维。例如，Fujimaki等人的美国专利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率和压缩率以具备在使用中的高流体渗透能力。还有，该金属基摩擦材料不具备足够的回弹力或弹性，不能耐受能够承受高达约1500psi(约150kg/cm2)的高衬面压力的压缩变形。该金属基摩擦材料还不能承受随新型传动和制动系统啮合和脱离过程中产生的高达约65米/秒的高表面速度。
本发明还是本发明的受让人，BorgWarner Inc.的更早的摩擦材料共有专利的改进。特别地，美国专利No.5,998,307涉及一种摩擦材料，其具有浸渍了可固化树脂的基材，其中的多孔性基层包含至少一种纤维材料且第二层包含覆盖了至少约3％-约90％基层表面的碳颗粒。美国专利No.5,858,883涉及一种基材，其具有纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料的基层和在基层表面上包含碳颗粒的第二层。美国专利No.5,856,224涉及包含浸渍了可固化树脂的基材的摩擦材料。其基层包含纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料；第二层包含碳颗粒和助留剂。美国专利No.5,958,507涉及生产摩擦材料的方法，其中用碳颗粒和助留剂涂覆含有纤维化较少的芳族聚酰胺纤维的纤维材料至少一个表面的至少3-90％，用酚醛树脂或改性的酚醛树脂对其进行浸渍并固化。美国专利No.6,001,750涉及一种摩擦材料，其包含浸渍了可固化树脂的纤维状基材。多孔的基层包含纤维化较少的芳族聚酰胺纤维，碳颗粒、碳纤维、填料、酚醛novoloid纤维和任选的棉纤维。第二层包含覆盖了约3-约90％表面的碳颗粒。公开于2003年10月7日的美国专利No.6,630,416涉及一种摩擦材料，其由硅石摩擦改性剂沉积在多孔的基层上以形成高、湿能量碳质摩擦材料而形成。
应当理解，本发明参考的BorgWarner专利和申请中的各种基层可用于本发明，并将它们全部引入作为参考。
此外，描述于共有的BorgWarner Inc.美国专利Nos.5,753,356和5,707,905(其描述了包含纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料的基材)中的各种基材也可以设想用于本发明中，将它们在此全文引入作为参考。还有公开于2000年10月10日的另一共有美国专利No.6,130,176涉及包含纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填料的非金属纤维基材，该基材被认为也可用作本发明中的基材，在此将其全文引入作为参考。
为了使摩擦材料可用于“湿法”应用，摩擦材料必须具有多种可接受的性能。该摩擦材料必须具有回弹力或弹性及耐压缩变形、耐磨和耐应力性能；高耐热性能并能够快速散逸热量；并且具有持久、稳定和一致的摩擦性能。如果任何这些特性不得到满足就不能获得摩擦材料的最佳性能。
同样重要的是要有合适的浸渍树脂与纤维状基材一起使用以形成高能量用途的摩擦材料。该摩擦材料必须在浸渍过程中被湿树脂饱和以及在使用中被制动液或传动润滑油(transmission oil)饱和时均具有良好的抗剪切强度。
同样重要的是，在特定用途中，该摩擦材料要具有高孔隙率，这样在使用中会有高流体渗透能力。因而，该摩擦材料不仅要是多孔的，其必须还要是可压缩的，这一点是重要的。渗入摩擦材料的流体必须能够在制动或传动操作中施加的压力下迅速地从摩擦材料中挤压或释放出来，而该摩擦材料必须不能塌陷。同样重要的是该摩擦材料要具有高导热率以有助于快速散逸制动或传动操作中产生的热量。
据悉，尚没有用于传动系统中的抗震颤摩擦材料被公开，该材料包括包含部分碳化的碳纤维的纤维状基材，所述碳纤维可作为第二层，或者，在其它实施方案中，作为单层摩擦材料的组分。
因此，本发明的一个目的是提供与现有技术的摩擦材料相比具有可靠的和改进的性能的改进摩擦材料。
本发明的另一个目的是提供具有改进的摩擦系数和高导热率的摩擦材料。
作为鉴于对更佳的摩擦材料的需要而进行的广泛研究的结果，本发明研制了具有改进性能的摩擦材料。本发明的湿摩擦材料可用于“湿”用途中，其中该摩擦材料在使用中被流体“润湿”或浸渍，该流体为如制动液或汽车传动液。在“湿”摩擦材料的使用中，所述流体最终被从该摩擦材料中挤压出来或浸渍该摩擦材料。湿摩擦材料在其组成和物理特性上都与“干”摩擦材料有很大不同。

发明内容
为实现以上论及的需求，在与操作中遇到的情况近似的条件下就摩擦和耐热性能对很多材料进行了评估。对商购的制动衬带(brakelining)和传动材料都进行了研究并证实它们不适用于高能量用途。
本发明特别可用于制动器和离合器用途。本发明提供了一种具有有最佳量的部分碳化碳纤维的纤维状基材。
在一个方面，本发明涉及具有基层和包含部分碳化的碳纤维的第二层的摩擦材料，该基层包含的纤维状基材包含单独的芳族聚酰胺纤维和/或至少一种纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、棉纤维、碳纤维、碳颗粒和至少一种填料，以及任选的其它成份的组合。在某些实施方案中，碳纤维的碳化程度为约65％-约90％。在某些实施方案中，部分碳化的纤维以约10-30重量％，优选约15-约25％的量存在。该部分碳化的碳纤维优选具有约0.5-约6mm的平均纤维长度和约1-约15μm的纤维直径。
部分碳化的碳纤维为摩擦材料提供了良好的导热性，这样使摩擦材料具有所需的耐热性能。部分碳化的碳颗粒也为摩擦材料提供了良好的耐磨特性，如在换档中良好或平滑的“感觉”以及制动器和离合器基本无噪音或“刺耳声”的操作。在某些实施方案中，相对少量棉纤维的存在为摩擦材料提供了所需的“磨合(break-in)”特性，从而在摩擦材料的最初使用中几乎没有或没有震颤发生。
在形成了两层的实施方案中，所述部分碳化的碳纤维的第二层，或顶层，沉积在基层上以形成纤维状基材。该第二层还可以含有各种摩擦改性颗粒，这些摩擦改性颗粒也可以用于纤维状基材上的第二层中。特别地，硅石颗粒如硅藻土(diatomaceous earth)、硅藻土(celite)、硅藻土(celatom)和/或二氧化硅是特别有用的。表面摩擦改性颗粒以占纤维状基材的约0.2-约20重量％，优选约2-10重量％，最优选约3-5重量％的量存在。
可以采用不同树脂体系浸渍所述纤维状基材。在某些实施方案中，可以用酚醛树脂或改性的酚醛基树脂浸渍纤维状基材。在某些实施方案中，当将有机硅树脂与酚醛树脂在相容性溶剂中共混或混合并将该有机硅-酚醛树脂共混物用于浸渍本发明的纤维状基材时，形成了特别有用的高能量摩擦材料。


图1是表示材料在循环50和循环2000表现出良好曲线形状的滑动式离合器材料性能曲线图。
图2是表示本发明一种摩擦材料的制备方法的示意图。
图2a是表示本发明的摩擦材料BW和编织碳织物材料(wovencarbon fabric material)压缩性能的曲线图。
图3是表示常规材料M1的高速滑动耐久性小型试验(P25)的曲线图。
图4是表示本发明摩擦材料BW的高速滑动耐久性小型试验(P25)的曲线图。
图5是表示编织碳织物材料高速滑动耐久性小型试验(P25)的曲线图。
图6a和6b表示了以下材料在P25试验后的表面性能图6a-本发明摩擦材料BW；和图6b-常规滑动式摩擦材料M1。
图7-9是表示以下材料的低速滑动筛选小型试验(P31)曲线图图7-常规摩擦材料M1；图8-本发明摩擦材料BW；和图9-编织碳织物材料。
图10和11是表示本发明摩擦材料BW在45,000循环(图10)和77,000循环(图11)的测功试验(dynamometer test)(发动机转矩、离合器压力、输出转矩和滑动速度)曲线图。
图12a和图13a是表示滑动速度(rpm)和μ-V斜率和滑动转矩汽车试验结果的曲线图图12a-常规摩擦材料M1；和图13a-本发明摩擦材料BW。
图12b和图13b是表示施加压力、发动机速度、离合器速度、滑动转矩(和图12b-震颤)对μ-V斜率和滑动转矩汽车试验结果的曲线图图12b-常规摩擦材料M1；和图13b-本发明摩擦材料BW。
具体实施例方式
本发明的摩擦材料具有改进的摩擦性能系数。同时，该摩擦材料具有改进的弹性与孔隙率，这使得使用该摩擦材料时热量的分散更为均匀。传动或制动中的流体能够经由该摩擦材料的孔隙结构迅速地流动。进而，提高的弹性在摩擦材料上提供了更为均匀的压力或均匀的压力分布，这样就消除了不均匀的衬面磨损或隔板“局部过热(hot spot)”现象。
摩擦材料孔隙率越高，热散逸效率就越高。如果摩擦材料是多孔的，在使用中摩擦材料啮合过程中油流进和流出摩擦材料就更为迅速。
可以采用各种方法浸渍本发明的摩擦材料。用酚醛树脂或酚醛基树脂浸渍纤维状基材，优选使浸渍树脂材料包含约45-约65重量份/100重量份摩擦材料。用树脂浸渍纤维状基材后，加热经浸渍的纤维状材料至所需温度达预定长时间以形成摩擦材料。该加热在约300°F的温度会使酚醛树脂固化。当存在其它树脂时，如有机硅树脂，该加热在约400°F的温度会使有机硅树脂固化。然后，通过适当方式将经浸渍并固化的摩擦材料粘附在所需基底上。
用于浸渍纤维状基材的各种树脂包括酚醛树脂和酚醛基树脂。应当理解，各种在树脂混合物中包含其它改性成分如环氧、丁二烯、硅氧烷、桐油、苯、檟如果油(cashew nut oil)等的酚醛基树脂被设计为可用于本发明。在酚醛改性树脂中，酚醛树脂通常以占树脂混合物的约50重量％或更多的量(不包括任何存在的溶剂)存在。然而，已经发现在某些实施方案中，当浸渍树脂混合物含有约5-约80重量％，以及为了特定目的，约15-约55％，以及在某些实施方案中为约15-约25重量％的有机硅树脂，基于有机硅-酚醛树脂混合物重量计(不包括溶剂和其它操作助剂)的时候，可以改进摩擦材料。
在本发明中有用的酚醛和酚醛-有机硅树脂的实例公开于以上参考的BorgWarner美国专利中，将它们在此全文引入作为参考。用于本发明中的有机硅树脂包括例如热固化硅酮密封剂和硅橡胶。各种有机硅树脂可用于本发明。特别是包含二甲苯和乙酰丙酮(2，4-戊二酮)的一种树脂。有机硅树脂的沸点为约362°F(183℃)，在68°F的蒸气压mmHg21，蒸气密度(空气＝1)为4.8，几乎不溶于水，比重为约1.09，挥发百分比为5重量％，蒸发率(乙醚＝1)低于0.1，采用Pensky-Martens法测定的闪点约为149°F(65℃)。应当理解，其它有机硅树脂也可用于本发明。其它的有用的有机硅树脂包含(重量％)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。另一种适用的酚醛基树脂包含(重量％)约50-约55％苯酚/甲醛树脂；约0.5％甲醛；约11％的苯酚；约30-约35％的异丙醇；和约1-约5％的水。
还发现另一种有用的树脂是环氧改性的酚醛树脂，其含有约5-约25重量％，优选约10-约15重量％的环氧化合物，其余(不包括溶剂和操作助剂)为酚醛树脂。该环氧-酚醛树脂复合物在某些实施方案中为摩擦材料提供了比单独酚醛树脂更高的耐热性能。
在某些实施方案中，纤维状基材吸收的目标树脂的量优选为约40-约65％，以及在某些实施方案中，为约60-至少65重量％的总有机硅-酚醛树脂。纤维状基材被树脂浸渍后，在300-400℃的温度下固化该纤维状基材一段时间(在某些实施方案中为约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纤维状基材的起始厚度，并在一些实施方案中优选为约0.014″-约0.040″。
进一步设想其它已知可用于制备树脂混合物和制备浸渍纤维基材料的成分和操作助剂可以包含在摩擦材料中。
有机硅树脂和酚醛树脂均存在于彼此相容的溶剂中。将这些树脂混合在一起(在优选实施方案中)以形成均质混合物，然后用来浸渍纤维状基材。如果用酚醛树脂浸渍纤维状基材，然后加入有机硅树脂则效果不同，或反之亦然。有机硅-酚醛树脂溶液的混合物与有机硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳液也存在区别。当有机硅树脂和酚醛树脂在溶液中时，它们根本不会固化。相反，有机硅树脂和酚醛树脂的粉末颗粒是部分固化的。有机硅树脂和酚醛树脂的部分固化抑制了纤维状基材的良好浸渍。
在本发明的某些实施方案中，用与酚醛树脂及其溶剂相容的溶剂中的有机硅树脂混合物浸渍纤维状基材。在一个实施方案中，发现异丙醇是特别适用的溶剂。然而，应当理解，各种其它适用的溶剂如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等可用于实施本发明。当有机硅树脂与酚醛树脂混合并用来浸渍纤维状材料时，该有机硅树脂的存在会导致得到的摩擦材料比只用酚醛树脂浸渍的纤维状基材更具弹性。当向有机硅-酚醛树脂混合物浸渍的本发明摩擦材料施加压力时，会产生更均匀的压力分布，这又降低了不均匀衬面磨损的可能性。有机硅树脂与酚醛树脂混合在一起后，用该混合物浸渍纤维状基材。
在某些实施方案中，在纤维状基材中采用纤维化较少的纤维和部分碳化的碳纤维为摩擦材料提供了所需的孔隙结构，而这又给摩擦材料提供了提高的耐热性。纤维的几何形状不仅提供了提高的耐热性，还提供了抗层离性能和耐尖叫音或噪音的性能。部分碳化的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耐尖叫音性能。同时，在某些实施方案中，纤维状基材中相对少量的棉纤维改善了摩擦材料离合器的“磨合”性能。
纤维状基材中纤维化较少的芳族聚酰胺纤维的使用改进了摩擦材料承受高温的能力。纤维化较少的芳族聚酰胺纤维通常几乎没有附着在芯纤维上的原纤(fibril)。纤维化较少的芳族聚酰胺纤维的使用提供了具有更多孔隙结构的摩擦材料；即比采用典型的纤维化芳族聚酰胺纤维具有更多且更大的孔隙。孔隙结构通常由孔隙尺寸和液体渗透性来定义。在一个优选实施方案中，纤维状基材确定的空隙直径的平均尺寸为约2.0-约25微米。在某些实施方案中，孔隙直径平均尺寸为约2.5-约8微米且该摩擦材料易于获得至少约50％，在某些实施方案中，至少为约60％或更高的空气空隙(airvoid)。
当摩擦材料具有更高的平均流动孔隙直径和渗透性时，该摩擦材料更易于在更低温下运行或在传动中由于自动传动液流遍摩擦材料的孔隙结构而生成较少的热量下运行。在传动系统的运行中，由于自动传动液的分解，特别是在高温下，摩擦材料表面的油沉积物随时间而增长。纤维上的油沉积物降低孔隙的开放度。因此，当摩擦材料开始时具有较大孔隙时，在该摩擦材料的使用寿命内会保留更多开放孔隙。此外，在用有机硅树脂至少部分浸渍的实施方案中，由于其弹性特征，有机硅树脂使摩擦材料中的纤维具有更开放的结构。
芳族聚酰胺纤维的长度为约0.5-约10mm且Canadian StandardFreeness(CSF)大于约300是理想的。在某些实施方案中，需要采用CSF为约450-约550，优选约530或更高的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；和在其它的实施方案中，约580-650和更高并优选约650和更高。相反，纤维化更多的纤维如芳族聚酰胺浆，其打浆度(feeness)为约285-290。
“Canadian Standard Freeness”(T227om-85)意味着纤维的纤维化程度可以用纤维打浆度的测量来描述。CSF测试是一种经验方法，其提供了三克纤维在1升水中形成的悬浊液排干速率的随机测量。因此，纤维化较少的芳族聚酰胺纤维比其它的芳族聚酰胺纤维或浆液具有更高的打浆度或更高的从摩擦材料中排干流体的速率。包含CSF为约430-650(且在某些实施方案中优选为约580-640或优选为约620-640)的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料，与通常含有纤维化更多的芳族聚酰胺纤维的摩擦材料相比提供了更卓越的耐磨性能并具有更佳的材料性能。较长的纤维长度以及高Canadian打浆度为摩擦材料提供了高强度、高孔隙率和良好的耐磨性能。纤维化较少的芳族聚酰胺纤维(CSF为约530-约650)具有特别良好的长耐久性和稳定的摩擦系数。
各种填料也可以用于本发明纤维状基材的基层中。特别地，硅石填料，如硅藻土是有用的。然而，其它类型的填料也预期适用于本发明，且填料的选择取决于对摩擦材料的具体要求。
在某些实施方案中，向本发明的纤维状基材中加入棉纤维以为纤维材料提供更高的摩擦系数。在某些实施方案中，也可以向纤维状基材中加入约5-约20％，以及在某些实施方案中，约10％的棉。
如以上引入参考的美国专利No.6,130,176所描述，纤维状基材的基层配方的一个实施例包含约10-约50重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约10-约35重量％的活性炭颗粒；约5-约20重量％的棉纤维，约2-约15重量％的碳纤维；和约10-约35重量％的填料。在某些实施方案中，发现一个有用的特定配方包含约35-约45重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约10-约20重量％的活性炭颗粒；约5-约15％的棉纤维；约2-约10重量％的碳纤维；和约25-约35重量％的填料。
采用部分碳化的碳纤维作为纤维状基材的基层为该纤维状基材提供了三维结构。
纤维状基材基层表面上部分碳化的碳纤维的第二层的均匀性是通过采用优选纤维长度为约0.5-约6mm和直径为约1-约15μm的范围和尺寸的颗粒来实现的。在这些特定实施方案中，发现部分碳化的碳纤维如果太大或太小，则不能获得最佳的三维结构，从而热量散逸不是最佳。
在优选实施方案中，部分碳化的碳纤维在基层表面上覆盖的面积为表面积的约3-约90％。
将部分碳化的碳纤维的第二层沉积在基层上以形成纤维状基材。在某些实施方案中，该第二层可以进一步包括摩擦改性颗粒。各种摩擦改性颗粒可以用作纤维状基材上的第二层。有用的摩擦改性颗粒包括硅石颗粒；树脂粉末如酚醛树脂、有机硅树脂、环氧树脂及其混合物；部分和/或完全碳化的碳粉和/或颗粒及其混合物；以及这些摩擦改性颗粒的混合物。特别地，硅石颗粒如硅藻土，Celite、Celatom和/或二氧化硅是特别有用的。硅石颗粒是与纤维材料牢固结合的廉价的有机材料。硅石颗粒为摩擦材料提供了高摩擦系数。硅石颗料还为摩擦材料提供了光滑的耐磨表面并为摩擦材料提供了良好的“换挡感(shift feel)”和耐磨特性，从而使任何“震颤”最小化。
生产摩擦材料的优选方法包含使纤维形成纤维状基材的基层。纤维状基材基层的至少一个表面用摩擦改性颗粒涂覆。然后，涂覆了摩擦改性颗粒的纤维状基材用至少一种酚醛或酚醛基树脂浸渍。在预定温度下，固化经浸渍、涂覆的纤维状基材达预定的时间以形成摩擦材料。
图2中表示了制备本发明摩擦材料10的一个优选实施方案。纤维状基材12包括底层14，底层14具有上部或顶部表面16和下部或底部表面18。当底层14是湿润的时，将摩擦改性颗粒20沉积到湿底层14的顶部表面16上。
在某些方法中，在将摩擦改性颗粒20沉积到层14的顶部表面16上之前，在湿层14的下部表面18上应用真空压力(未显示)也是有用的。
已经发现，在纤维状基材的基层上部分碳化的碳纤维形成的第二层为摩擦材料提供了良好的摩擦系数、高耐久性、良好的耐磨性和改进的磨合特性。
以下实施例进一步证明本发明的用部分碳化的碳纤维涂覆的纤维状基材和得到的摩擦材料是对常规摩擦材料的改进。本发明的各种优选实施方案描述于以下实施例中，然而，它们并非意在限制本发明的范围。
实施例滑动式离合器界面技术要求本发明的摩擦材料设计用于满足特殊要求的滑动式离合器用途。这些要求包括高机械强度、耐热性、耐轧光性能(glazing resistance)和抗震颤性能。本发明的摩擦材料具有高孔隙率，用于高机械强度的独特材料结构、高导热率和抗震颤摩擦改性剂特性。这些材料特性是平稳的滑动转矩输出和长期摩擦稳定性的必要条件。
理想的滑动转矩反应和长期耐久性对滑动式离合器材料的要求包括良好的曲线形状和长期的摩擦稳定性。良好的曲线形状取决于高材料孔隙率和高摩擦改性剂含量。长期的摩擦稳定性取决于高孔隙率(抗轧光)和高温成分。
纤维状基材结构含有多孔且高温的合成纤维网以提供高热散逸作用和摩擦稳定性。将摩擦改性颗粒沉积在纤维状基材上以提供“抗震颤”性能。用于滑动式离合器的本发明的摩擦材料示于图2中。BW是本发明的摩擦材料，其具有纤维状基材的基层包含约38-40重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约13-15重量％的碳颗粒；约10-12重量％的棉纤维，约4-6重量％的碳纤维；和约28-30重量％的硅藻土填料；BW还具有第二或顶层，其包含约3％-约5重量％的硅藻土摩擦改性颗粒。M1是常规的低速滑动材料，包含约25重量％的芳族聚酰胺纤维；约25重量％的棉纤维；和约15重量％的填料。
摩擦特性测试通过以下试验评估滑动式离合器摩擦材料性能和耐久性高速滑动耐久性小型试验(P25)极高能量，延长的滑动耐久性。
低速滑动筛选小型试验(P31)低速，连续滑动，在各种操作条件下的μ-V摩擦特性。
传动测功耐久性试验。
汽车性能试验。
滑动式离合器材料的测试方法不同于移动式离合器(shiftingclutch)材料的测试方法。滑动式离合器材料(如起动离合器)的主要特征是离合器完全啮合前需要长滑动时间，这需要高摩擦能量/单位按触面积，而且离合器带有高惯性。表1示出了高速滑动耐久性小型试验25和低速滑动筛选小型试验P31的测试条件。
表1 P25和P31方法的测试条件P25 P31滑动啮合 连续滑动高速滑动耐久性低速滑动筛选油温 (℃) 100 100油流量(升/分)3 1循环 2000 30惯性 (kg-m2)1.060 N/A矩滑动速率 (rpm) 3300 1-500衬面压力 (kPa) 400 1500能量密度 (J/mm2)5.826 N/A计算值停止时间(sec) 9.75 N/A功率 (W)6491 5.7-2866功率密度 (W/mm2)0.597 0.001-0.57小型试验材料包括BW、M1和碳织物。BW材料是本发明的摩擦材料并包含多孔的、合成纤维网以提供高热散逸作用。此外，将摩擦改性剂沉积在BW材料表面上以提供抗震颤性能。M1是常规低速滑动式离合器摩擦材料并具有适中的高能容量、密集的结构和较低的孔隙率，高温纤维和较低温有机纤维的组合和良好的“起始”抗震颤性能。碳织物是纺织材料并具有三种材料中最高的孔隙率。然而，该碳织物材料因为其纺织图案的特点而具有最高的表面粗糙度。此外，该碳织物材料最易于由于材料的高压缩变形而产生机械变形，如图2a所示。
BW和M1材料的材料性能对比在下表II中示出。材料M1的平均孔隙直径为4μm。除其它特征外，摩擦材料BW含有更大的孔隙结构，其中平均孔隙直径为约7μm。较大孔因其增大的直径而不易于因轧光形成而造成堵塞。
BWM1孔隙率(％) 67.3 61.0孔径尺寸中间值(μm)7.0 4.0图3-5表示了高速滑动的P25小型试验结果。材料M1起初表现出良好的转矩迹线(或摩擦系数μ曲线)，然后在500个循环后开始形成鸡尾状转矩曲线，这在2000个循环后明确地显现出来，如图3所示。鸡尾状转矩迹线是不理想的，因为其产生了与震颤有关的负μ-V曲线。图4反映了就本发明摩擦材料所做相同测试的结果。输出转矩迹线略呈下降或为平台状。μ的水平在整个2000循环内是稳定的。摩擦材料BW的这些特性、稳定的μ和下降/平坦的转矩曲线雄辩地证明了其良好的性能。碳织物材料的测试结果示于图5中。图5清晰地显示出每个转矩迹线(或μ曲线)的低μ值和巨大的鸡尾形状。在这三个测试中这是最不理想的情况。采用不同类型的汽车传动液在这三种不同的材料上观测到相似的观测结果和特性趋势。
在P25测试后，采用SEM检测BW材料和M1材料的摩擦板。发现材料M1遭受了表面轧光，而摩擦材料BW具有整洁的表面并保持着多孔结构，如图6所示。作为低孔隙率材料，M1在耐久性测试后被轧光。BW摩擦材料的高孔隙率有助于防止轧光。碳织物材料具有良好的能量容量；然而，高压缩率(机械变形)、表面粗糙度以及碳化学特征使碳织物材料在高能量滑动耐久性测试中非常不稳定，如图5所示。
在低滑动速度下材料BW、M1和碳织物的μ-V关系示于图7-9中。BW和M1材料具有正的μ-V斜率，而碳织物材料示显示出负的μ-V斜率。对良好的抗震颤性能而言，正的μ-V斜率是必要的。碳织物材料的负μ-V斜率意味着该碳织物材料在汽车中极有可能产生震颤。BW和M1材料中的抗震颤成分有助于产生正的μ-V斜率。碳本身不能提供这种正μ-V斜率。
采用完全传动来进行测功试验以评估传动耐久性。用两台发动机和/或惯性轮来装配试验装置模拟汽车惯性。油温为85-100℃。最大滑动速度为约2500rpm。离合器压力为约500Kpa。滑动时间为约5秒。完全测试由18种不同类型的起动组成，每个类型具有不同的条件(滑动速度，滑动时间、压力等)。
图10和11表示了模拟汽车运行的测功试验的结果。摩擦材料BW具有稳定的μ值并且在中期试验(44000循环)和试验结束(起动的77000循环)时无震颤。输出滑动转矩与输入转矩成线性比例。未观测到不可控制的转矩振动。这些结果证明了用于高速滑动离合器用途的摩擦材料BW的良好质量。
图12和图13表示了汽车试验结果。摩擦材料BW显示出平坦的μ-V曲线(稳定的μ)和平滑的输出转矩(无振动)。然而，材料M1显示了负μ-V斜率和具有明显振动(或震颤)的输出转矩。这些数据证实摩擦材料BW与材料M1相比在高速滑动用途中的优越性。
工业应用性本发明可用作用于离合器片、传动带、刹车片、同步器闭锁环、摩擦片或系统盘中的高能摩擦材料。
以上对本发明的优选和可选实施方案的描述旨在进行说明而不是用来限制以下权利要求的范围和内容。
权利要求
1.一种摩擦材料，其包含一种用至少一种可固化树脂浸渍过的纤维状基材，该纤维状基材包含部分碳化的碳纤维。
2.权利要求1的摩擦材料，其中该纤维状基材包含约5％-约35重量％的部分碳化的碳纤维，基于纤维状基材的重量计。
3.权利要求1的摩擦材料，其中该纤维状基材包含约10％-约30重量％的部分碳化的碳纤维，基于纤维状基材的重量计。
4.权利要求1的摩擦材料，其中该部分碳化的碳纤维的平均长度为约0.5-约6mm和平均直径为约1-约15μm。
5.权利要求4的摩擦材料，其中该纤维状基材还包括芳族聚酰胺纤维。
6.一种摩擦材料，其包含一种用至少一种可固化树脂浸渍过的纤维状基材，该纤维状基材包括一个多孔的基层和一个第二层，该第二层在基层的至少一个表面上包含部分碳化的碳纤维，该部分碳化的碳纤维覆盖了基层表面积的3％-约90％，其中所述纤维状基材包含多种打浆度至少为约300 Canadian Standard Freeness(CSF)指数的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维，和任选的一或多种以下材料棉纤维、碳纤维、碳颗粒和至少一种填料。
7.权利要求6的摩擦材料，其中该纤维化较少的芳族聚酰胺纤维具有约430-约650 Canadian Standard Freeness指数的打浆度。
8.权利要求6的摩擦材料，其中该芳族聚酰胺纤维具有约0.5-约10mm的平均纤维长度。
9.权利要求6的摩擦材料，其中该填料包括硅藻土。
10.权利要求1的摩擦材料，其中该纤维状基材确定了平均尺寸为约2.0-约25微米的孔隙直径。
11.权利要求1的摩擦材料，其中该基层具有易于得到的至少为约50％的空气空隙。
12.权利要求6的摩擦材料，其中该纤维状基层包含约10-约50重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约10-约35重量％的碳颗粒；约5-约20重量％的棉纤维；约2-约15重量％的碳纤维；和约10-约35重量％的填料。
13.权利要求12的摩擦材料，其包含重量百分数为约38-40％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约13-约15％的碳颗粒；约10-约12％的棉纤维；约4-6％的碳纤维；和约28-约30％的填料。
14.权利要求1的摩擦材料，其用酚醛树脂或改性酚醛树脂浸渍过。
15.权利要求14的摩擦材料，其中该摩擦材料包含约25-约60重量％的树脂。
16.权利要求1的摩擦材料，其用酚醛树脂和有机硅树脂的混合物浸渍过，其中混合物中的有机硅树脂的量为约5-约80重量％，基于混合物的重量计。
17.权利要求16的摩擦材料，其中该酚醛树脂存在于一种溶剂物质中，且该有机硅树脂存在于一种与酚醛树脂的溶剂物质相容的溶剂物质中。
18.权利要求16的摩擦材料，其中存在于有机硅-酚醛树脂混合物中的有机硅树脂的量为约20-约25重量％，基于混合物重量计。
19.权利要求16的摩擦材料，其中存在于有机硅-酚醛树脂混合物中的有机硅树脂的量为约15-约25重量％，基于混合物重量计。
20.权利要求14的摩擦材料，其中该改性酚醛树脂包括一种环氧酚醛树脂。
21.权利要求20的摩擦材料，其中在环氧酚醛树脂中存在的环氧树脂的量为约5-约25重量％，基于环氧酚醛树脂的重量计。
22.权利要求20的摩擦材料，其中在环氧酚醛树脂中存在的环氧树脂的量为约10-约15重量％，基于环氧酚醛树脂的重量计。
23.一种制备摩擦材料的方法，其包括以下步骤形成一种包含芳族聚酰胺纤维的纤维状基材，用部分碳化的碳纤维涂覆多孔纤维状基材至少一个表面的约3％-约90％，该部分碳化的碳纤维以约10-约30重量％的量存在，基于纤维状基材的重量计，用酚醛树脂或酚醛基树脂混合物浸渍该经涂覆的纤维状基材，以及然后，在预定温度下固化该经浸渍的纤维状基材达预定的时间。
24.权利要求23的方法，其中该芳族聚酰胺纤维与碳颗粒、棉纤维、碳纤维和至少一种填料混合以形成纤维状基材。
25.权利要求23的方法，其中该部分碳化的碳纤维的平均长度为约0.5-约6mm，平均直径尺寸为约1-约15μm。
26.一种制备摩擦材料的方法，其包括以下步骤用平均长度为约0.5-约6mm，平均直径尺寸为约1-约15μm的部分碳化的碳纤维涂覆多孔纤维状基材至少一个表面的约3％-约90％，该部分碳化的碳纤维以约10-约30重量％的量存在，基于纤维状基材的重量计，用酚醛树脂或酚醛基树脂混合物浸渍该经涂覆的纤维状基材，以及然后，在预定温度下固化该经浸渍的纤维状基材达预定的时间。
27.权利要求26的方法，其中该纤维状基材包含多种打浆度至少为约300 Canadian Standard Freeness(CSF)指数的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维，和任选的一或多种以下材料棉纤维、碳纤维、碳颗粒和至少一种填料。
28.权利要求27的方法，其中该纤维状基材包含多种打浆度至少为约430-约650 Canadian Standard Freeness(CSF)指数的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维。
全文摘要
本发明涉及一种用作摩擦材料的包含部分碳化的碳纤维的纤维状基材。该纤维状基材用酚醛或酚醛基树脂材料浸渍以形成一种摩擦材料。
文档编号C04B35/83GK1605766SQ20041007513
公开日2005年4月13日 申请日期2004年8月31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