专利名称：一种具有对称几何形状的改性摩擦层的摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有第一层或底层以及第二层或顶层的摩擦材料，其中第一层或底层包括浸透至少一种可固化树脂的基体材料，第二层或顶层包括至少一种改性摩擦颗粒，所述改性摩擦颗粒具有对称几何形状。本发明的摩擦材料具有高摩擦系数和很高的耐热性。这种摩擦材料还提高了强度、耐磨性和噪阻。
背景技术：
汽车工业正在开发新的先进的具有连续滑动扭矩变换器和换挡离合系统的连续扭矩传递系统。这些新的系统通常有较高的能量要求。因此，摩擦材料技术也必须发展以满足这些先进系统的高能量要求。
具体地，需要有一种新的高性能和耐用的摩擦材料。新摩擦材料必须能够承受较高的速度，其中表面速度达到大约65米/秒。而且，这种摩擦材料必须能够承受高达大约1500磅/平方英寸的衬面压力。这种摩擦材料可在有限的润滑状态下使用也是同样重要的。
这种摩擦材料必须耐用并具有高耐热性以用于新的先进系统。这种摩擦材料不但在高温下必须保持稳定，而且必须能够快速消散工作过程中产生的高热。
新系统在接合和脱离时产生的高速要求摩擦材料在接合过程中必须能够保持相对恒定的摩擦。重要的是，摩擦接合要在很大的速度和温度范围内保持相对恒定，从而使制动过程中材料的“抖动”或能量从一个齿轮转移到另一个齿轮时传递系统的“抖动”减到最小。同样重要的是，摩擦材料必须具有要求的扭矩曲线形状，使得在摩擦接合时摩擦材料没有噪音或“尖声”。
具体地，传递和扭矩即时响应系统主要是为了提高燃料效率和驾驶舒适性而采用滑动离合器。在这些系统中的滑动离合器的作用可从车辆启动装置如湿起动离合器变化到扭矩变换离合器。根据工作状态，滑动离合器主要可分为三种(1)低压力和高滑速离合器，如湿起动离合器；(2)高压力和低滑速离合器，如转换离合器；和(3)极低压力和低滑速离合器，如空档至空转离合器。
在滑动离合器的所有应用中，受关注的主要性能是防止抖动和摩擦接合面的能量控制。抖动的发生可归于许多因素，包括摩擦材料的摩擦特性、配合表面的硬度和粗糙度、油膜的保持力和油的表面流动性、润滑剂化学性质和相互作用、离合器的工作状态、动力传动系统组件和部件准直性、以及动力传动系统的污染。摩擦接合面的能量控制主要涉及控制接合面的温度，及泵容量、油流径以及控制方法对其的影响。摩擦材料的表面设计也有助于提高接合面能量控制的效率。
以前，为了温度稳定摩擦材料含有石棉纤维。但由于产生了健康和环境问题，已不再使用石棉。较新的摩擦材料试图通过用酚醛树酯或酚醛改性树酯对浸渍纸或纤维材料改性来解决摩擦材料不能用石棉带来的问题。但是，这些摩擦材料不能快速消散所产生的高热，也不具有目前正在开发的高速系统所必需的耐热性和令人满意的高摩擦系数性能。
Kearsey的美国专利No.5,585,166中介绍了一种具有多孔基层(纤维素和合成纤维、填充物和热固性树脂)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，其中摩擦层具有比基层更高的孔隙度。
Seiz的美国专利No.5,083,650涉及一种多步浸渍和固化工艺；即，用一种涂料组分浸渍纸张，将碳颗粒布置在纸张上，使纸张中的涂料组分部分固化，将第二种涂料组分涂敷到部分固化的纸张上，最后使两种涂料组分固化。
已经研制出许多由本专利受让人和BorgWarner公司共同拥有的用于摩擦材料的纸基纤维材料。所有这些参考文献都被本说明书引用参考。
具体地，Lam等人的美国专利No.5,998,307涉及一种具有可固化树脂浸渍的纤维基体材料的摩擦材料，其中多孔主层包括至少一种纤维材料，次层包括覆盖主层表面至少大约3％至大约90％的碳颗粒。
Lam等人的美国专利No.5,858,883涉及一种具有主层和次层的基体材料，其中主层具有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、人造石墨、和至少一种填充物，次层包括在主层表面上的碳颗粒。
Lam等人的美国专利No.5,856,224涉及一种摩擦材料，包括可固化树脂浸渍的基体材料。其中主层包括较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、人造石墨和填充物；次层包括碳颗粒和保持剂。
Lam等人的美国专利No.5,958,507涉及一种用来生产摩擦材料的方法，其中包括较少原纤维的聚芳基酰胺纤维的纤维材料的至少一个表面上有大约3％至大约90％的面积涂复着碳颗粒。
Lam等人的美国专利No.5,856,224涉及一种摩擦材料，包括可固化树脂浸渍的纤维基体材料。其中多孔主层包括有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、碳颗粒、碳纤维、填充材料、酚醛诺沃洛伊德纤维、以及可选择的棉花纤维构成。次层包括覆盖表面大约3％至大约90％的碳颗粒。
还有另一项共同拥有的专利申请No.09/707,274涉及一种纸类摩擦材料，具有多孔基体纤维主层和覆盖主层表面区域大约3％至大约90％的改性摩擦颗粒。
此外，在由BorgWarner公司和Lam等人共同拥有的美国专利No.5,753,356和5,707,905中介绍了许多纸基纤维基体材料，这些基体材料包括有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、人造石墨和填充物，所有这些参考文献也都被本说明书引用参考。
另一项由Lam等人共同拥有的美国专利No.6,130,176涉及非金属的纸基纤维基体材料，包括较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、碳素纤维、碳颗粒和填充物。
对于各种类型的摩擦材料，为了能够用于“湿”条件下，摩擦材料必须具有多种令人满意的特性。摩擦材料必须具有良好的防抖动性；具有高耐热性和能够迅速散热；并且具有持久、稳定和恒定的摩擦性能。如果这些特性中的任何一项不能满足，就不能实现摩擦材料的最佳性能。
为了形成高能量用途的摩擦材料，在摩擦材料中使用适当的浸渍树脂也是十分重要的。在使用过程中浸泡于制动液或传动油中的摩擦材料必须具有良好的抗剪强度。
因此，本发明的一个目的是要提供一种改进的摩擦材料，与现有技术中的摩擦材料相比，具有更加可靠和优越的性能。
本发明的另一个目的是要提供一种摩擦材料，能够提高“防抖动”性、抗“热点”性，并具有高耐热性、高摩擦稳定性，而且使用寿命长、强度高。
发明内容
本发明涉及一种具有第一层和第二层的摩擦材料，其中第一层包括基体材料和至少一种树脂材料，第二层包括所述基体材料顶面上的至少一种改性摩擦颗粒。所述改性摩擦颗粒具有至少一种基本上对称的几何形状。在某些实施例中，第二层的平均厚度为大约30微米至大约200微米，顶层的流体渗透率比第一层的低。在某些优选实施例中，改性摩擦颗粒大体上是扁平状或片状的。
图1是带有规则几何形状的改性摩擦材料顶层的摩擦材料的示意图；图2是扫描电镜图像，示出了在基体材料上的圆片状规则钙铁石改性摩擦颗粒；图3是显示对比实例A和对比实例C的μ-v斜率与滑动时间的关系曲线图；图4a是显示对比实例A的低油流数据的曲线图，图4b是显示具有很好的防抖动特性的实例1的低油流数据的曲线图；图5a和5b是实例1材料的每层80微米的切开试样的光学视图；图5a是前视图，图5b是后视图；图6a和6b是实例1材料的每层100微米的切开试样的光学视图；图6a是前视图，而图6b是后视图。
具体实施例方式
为了达到上述要求，在类似于实际工作的条件下对许多摩擦材料的摩擦和耐热性能作了评估。对市场上可买到的摩擦材料进行了研究，证明不适合用于高能量的用途。
根据本发明，摩擦材料的基体材料中均匀散布有固化树脂，在基体材料的顶面或外表面上有一层基本均匀的改性摩擦材料。
顶层或第二层中具有规则几何形状的改性摩擦颗粒沉积在基体材料的顶面上。作为顶层设置在基体材料上的改性摩擦材料可使摩擦材料具有许多优越的性能，包括良好的持油性和摩擦面上独特油流。
根据本发明的一个方面，基体材料层比改性摩擦颗粒顶层有更加多的孔。因此，顶层沿法线方向比基体层具有更低的渗透率。顶层较低的法向流体渗透率以及微小规则峰谷型硬固体表面构形使油能够保持在摩擦面上并形成摩擦面上的油流通道。因而可以实现有效的表面冷却机制和恒定的表面润滑作用。此独特特性，即独特的表面结构，使得本发明的材料在滑动离合器中十分耐用。此外，改性摩擦颗粒具有的对称圆形使得本发明的摩擦材料具有比其它颗粒形状不规则的摩擦材料小得多的磨损。
根据本发明的另一个方面，所涉及的摩擦材料包括由至少一种可固化树脂浸透的基体材料和至少一种具有规则几何形状的改性摩擦颗粒。改性摩擦颗粒的规则几何形状可以改进摩擦材料的表面持油性和油流。
根据本发明的一个方面，具有规则几何形状的改性摩擦材料包括扁平的钙铁石圆片。当具有规则几何形状如扁平圆片形的改性摩擦颗粒用作基体材料上的顶层时，可形成独特的表面层积形式可以改进摩擦面上的持油性和油流。
根据本发明的一个方面，基体材料的平均孔隙率从大约50％到大约85％。在某些实施例中，基体材料的平均孔隙/空隙/间隙直径为大约5微米。
而且，在某些实施例中，改性摩擦颗粒包括硅石、钙铁石颗粒，而在其它一些实施例中，改性摩擦颗粒包括硅藻土。在本发明的一个特别方面，改性摩擦颗粒包括具有规则形状的钙铁石。用于本发明的改性摩擦材料可以具有特定的几何形状，如对称几何形状。由于对称形状的改性摩擦颗粒堆积层具有微小规则峰谷型硬固体表面构形，所以对称几何形状的改性摩擦颗粒可使一些润滑剂保持在摩擦面上并形成摩擦面上的油流通道。在某些实施例中，钙铁石被用作改性摩擦材料，因为钙铁石通常具有对称形状。在使用时，几何形状对称的改性摩擦颗粒层上的油层或流体层可在表面上保持油流薄膜，因此使油或流体开始就难以渗入摩擦材料中。改性摩擦材料顶层使流体润滑剂保持在表面上，因而增大摩擦材料的持油能力。本发明的摩擦材料使得能够在其表面上保持一层油膜。因此具有良好的摩擦系数和滑动使用寿命。
通过测量液体流经摩擦材料的渗透速度，可以知道流体材料渗入本发明的摩擦材料顶层很慢，因为很难推动流体穿过顶层。
摩擦材料还包括在第一层或基体材料顶面上的具有规则几何形状的改性摩擦颗粒顶层或第二层。作为顶层设置在基体材料上的改性摩擦材料可使摩擦材料具有许多优越的性能，包括良好的持油性和表面油流特性。
在本发明的预期范围内，本发明的其他一些实施例中，规则几何形状的改性摩擦颗粒还可以包括其它改性摩擦颗粒如金属氧化物、氮化物、碳化物，而在另外一些实施例中，可以包括碳颗粒和硅石颗粒的混合物。
在本发明的预期范围内，某些实施例还可以包括如氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钛等类似的物质；氮化硅、氮化铁、氮化铝、氮化钛等类似的物质；以及，碳化硅、碳化铁、碳化铝、碳化钛等类似的物质。
许多基体材料可用作本发明的摩擦材料，包括非石棉的基体材料，比如织物材料、纺织和/或无纺材料。举例来说，适当的基体材料包含纤维和填充物。这些纤维可以是有机纤维、无机纤维和碳素纤维。有机纤维可以是聚芳基酰胺纤维，如有原纤维的和/或无原纤维的聚芳基酰胺纤维、丙烯酸系纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚酰胺纤维、棉花/纤维素纤维和类似的纤维。填充物比如可以是硅石、硅藻土、石墨、氧化铝、贾如树粉末和类似的物质。
在其它实施例中，基体材料可以包括纺织材料、无纺材料以及纸基材料。而且，在上面所介绍的BorgWarner的美国专利公开了可用于本发明的各种基体材料的实例，本文引用参考其全部内容。然而应当认识到，本发明的其它实施例可以包含不同的基体材料。
在某些实施例中，摩擦材料包括有许多孔隙或空隙的基体材料。基体材料中孔隙的尺寸可以在大约0.5微米至大约20微米的范围内。
在某些实施例中，基体材料的孔隙率最好为大约50％至60％，使得基体材料与“多孔”纺织材料相比可认为是“密实的”。在某些实施例中，基体材料可以是任何适当的材料如纤维基体材料。摩擦材料还包括至少部分填充基体材料中孔隙的树脂材料。树脂材料基本上均匀分布在基体材料整个厚度中。
在某些实施例中，基体材料包括纤维基体材料，其中有较少原纤维的纤维和碳素纤维用于纤维基体材料，使摩擦材料具有所需要的孔隙结构。这样的纤维几何形状不仅可以提高耐热性，而且还可以增强抗脱层性和尖声阻抗或噪阻。而且，在某些实施例中，碳素纤维和碳颗粒的存在有助于使纤维基体材料提高耐热性、保持稳定的摩擦系数和尖声阻抗。纤维基体材料中可以含有相对少量的棉花纤维以提高摩擦材料的离合器“磨合”性能。
在纤维基体材料中使用有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维和碳素纤维可以提高摩擦材料的耐高温性能。有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维通常只有很少的原纤维附着在纤维芯上。使用有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维可以使摩擦材料形成更加多孔的结构；即，与使用一般的有原纤维的聚芳基酰胺纤维相比可有更大的孔隙。多孔结构通常是由孔隙尺寸和液体渗透率来确定。在某些实施例中，纤维基体材料的平均孔隙尺寸的直径范围从大约2.0至大约25微米。在某些实施例中，平均孔隙尺寸的直径范围从大约2.5至大约8微米，且摩擦材料的孔隙率至少为大约50％，而在某些实施例中，至少为大约60％或更高，在还有一些实施例中高达大约85％。
而且，在某些实施例中，要求聚芳基酰胺纤维的长度从大约0.5至大约10毫米，且其加拿大标准游离度(CSF)大于约300。在某些实施例中，还要求使用有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维，其加拿大标准游离度为大约450至大约550，最好为大约530以上；而在其它一些实施例中，为大约580-650及以上，且最好为大约650以上。相比之下，有较多原纤维的纤维如芳族聚酰胺纸浆的游离度为大约285-290。
“加拿大标准游离度”是指用纤维的游离度来测量纤维的原纤化程度。加拿大标准游离度试验是一种经验方法，它对悬浮三克纤维的一公升水的排水速率进行随机测量。因此，与有较多原纤维的聚芳基酰胺纤维相比，有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维的游离度更高或流体从摩擦材料排出的速率更高。与传统的有较多原纤维的聚芳基酰胺纤维相比，加拿大标准游离度为大约430-650(在某些实施例中为大约580-640，或者最好为大约620-640)的聚芳基酰胺纤维构成的摩擦材料具有优越的摩擦性能和更好的材料特性。较长的纤维长度以及较高的加拿大标准游离度可使摩擦材料具有较高的强度、较大的孔隙度和良好的耐磨性。有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维(加拿大标准游离度为大约530-大约650)具有很长的使用寿命和稳定的摩擦系数。
还可将各种填充物用于本发明的纤维基体材料的主层中。具体地，可以使用硅石填充物如硅藻土。但是，其它类型的填充物也可用于本发明中，且填充物的选择取决于摩擦材料的具体要求。
在某些实施例中，将棉花纤维加入本发明的纤维基体材料中使纤维材料具有更高的摩擦系数。在某些实施例中，加入大约5％到大约20％的棉花纤维，而在其它一些实施例中，可以将大约10％的棉花纤维加入纤维基体材料中。
在上述美国专利No.6,130,176中介绍了纤维基体材料主层成分的一个实例，包括大约10％至大约50％重量的有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、大约10％至大约35％重量的活性碳颗粒、大约5％至大约20％重量的棉花纤维、大约2％至大约15％重量的碳素纤维、以及大约10％至大约35％重量的填充材料。
在其它一些实施例中，可采用的成分包括大约35％至大约45％重量的有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、大约10％至大约20％重量的活性碳颗粒、大约5％至大约15％重量的棉花纤维、大约2％至大约20％重量的碳素纤维、以及大约25％至大约35％重量的填充物。
在某些实施例中，基体材料包括大约15％至大约25％的棉花、大约50％的聚芳基酰胺纤维、大约20％的碳纤维、大约15％的碳颗粒、大约15％的钙铁石，还可以选择包括大约3％的乳胶添加剂。
在其它一些实施例中，基体材料包括大约15％至大约25％的棉花、大约40％至大约50％的聚芳基酰胺纤维、大约10％至大约20％的碳纤维、大约5％至大约15％的碳颗粒、大约5％至大约15％的钙铁石，还可以选择性地包括大约3％的乳胶添加剂。
当基体材料具有较高的平均孔隙直径和流体渗透率时，由于摩擦材料的多孔结构可使自动传动液在传动时能够更好地流动，所以摩擦材料能够运行在较低的温度下或产生较少的热量。在传动系统工作过程中，尤其是在高温下，随着时间的推移流体会分解而形成“油沉渣”。这些“油沉渣”使孔隙开口减小。因此，当摩擦材料开始就有较大的孔隙时，可以使摩擦材料在其使用寿命期间保持更多的开口孔隙。
将改性摩擦颗粒用作基体材料主层的顶面可使基体材料形成所要求的三维结构。
本发明的摩擦材料，由于改性摩擦颗粒顶层的三维结构，可使油膜保持在其表面上。这也使摩擦材料具有良好的摩擦稳定性和滑动使用寿命。在基体材料顶面上的改性摩擦颗粒使得摩擦材料具有改进的三维结构。
在某些实施例中，构成顶层的改性摩擦颗粒的平均覆盖面积在表面区域的大约80％至大约100％的范围之内。在其它一些实施例中，平均覆盖面积在大约90％至大约100％的范围内。改性摩擦颗粒基本上保留在基体材料的顶面，其优选平均厚度为大约35微米至大约200微米。在某些实施例中，顶层的优选平均厚度为大约60微米至大约100微米；而在其它一些实施例中，为大约75微米至大约85微米。
基体材料表面上改性摩擦颗粒沉积层的均匀性可通过使用直径大小为大约0.15微米至大约80微米的颗粒来实现，而在某些实施例中其直径为大约0.5微米至大约20微米。在某些实施例中，颗粒的平均粒径为大约12微米。在某些实施例中，已经发现如果改性摩擦颗粒的尺寸太大或太小，则不能得到所要求的最佳三维结构，因此散热性和防抖动特性不能达到最佳。
改性摩擦颗粒在基体材料上的覆盖量足够厚，可使改性摩擦颗粒层具有三维结构，其包括改性摩擦材料的独立颗粒以及独立颗粒之间的空洞或空隙。在某些实施例中，与底层(基体材料层)相比，顶层(改性摩擦颗粒层)的孔数量较少。
可将各种类型的改性摩擦颗粒用于摩擦材料中。在本发明的一个实施例中，可用的改性摩擦颗粒包括硅石颗粒。其它实施例中的改性摩擦颗粒可以包括树脂粉末如酚醛树脂、硅树脂、环氧树脂及其混合物。还有一些实施例可以包括部分和/或完全碳化的碳粉末和/或颗粒，及其混合物；以及上述这些改性摩擦颗粒的混合物。在某些实施例中，硅石颗粒如硅藻土、Celite、Celatom、和/或二氧化硅尤其有用。硅石颗粒是可强烈粘结到基体材料上的便宜的无机材料。硅石颗粒使摩擦材料具有高摩擦系数。硅石颗粒还使基体材料具有光滑的摩擦面，使摩擦材料具有良好的“变速感觉”和摩擦特性，从而使“抖动”减到最小。
在某些实施例中，构成本发明摩擦材料顶层的改性摩擦材料可以具有不规则的形状。由于不规则形状的改性摩擦颗粒表面上许多凹入部分的毛细管作用，使得能将所要求数量的润滑剂保持在基体材料的表面上。在某些实施例中，硅石材料如钙铁石可用作改性摩擦材料，因为钙铁石具有不规则或粗糙的表面。
可以用不同的树脂系统来浸渍摩擦材料。在某些实施例中，可以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/或这些树脂的组合。在其它一些实施例中，可以使用在相容溶剂中的硅树脂和酚醛树脂的混合物。
可将各种树脂用于本发明中。在某些实施例中，树脂可包括酚醛树脂或酚醛基树脂，最好使浸渍材料占到摩擦材料的大约45％至大约65％重量。在将树脂混合物涂到基体材料上并使基体材料浸透树脂混合物之后，将浸渍后的基体材料加热到所要求的温度并保持预定长的时间以制成摩擦材料。在某些实施例中，浸渍剂中酚醛树脂的加热固化温度为大约300华氏度。当浸渍剂中有其它树脂如硅树脂时，硅树脂的加热固化温度为大约400华氏度。然后，用适当的方法将固化的摩擦材料粘贴到所要求的基底上。
各种可用的树脂包括酚醛树脂和酚醛基树脂。应当认识到各种酚醛基树脂，包括混合有其它改性成分如环氧树脂、丁二烯、硅树脂、桐油、苯、腰果果油等类似物质的树脂混合物都可用于本发明。在酚醛改性树酯中，酚醛树脂通常占树脂混合物重量的大约50％或更多(不包括任何溶剂)。但是，已经发现在某些实施例中，当树脂混合物含有的硅树脂重量为硅树脂-酚醛树脂混合物重量(不包括溶剂和其它处理助剂)的大约5％至大约80％时，可以使摩擦材料得到改进。为了某些目的，该重量百分比可为大约1 5％至大约55％，而在某些实施例中，为大约15％至大约25％重量。
在上面所介绍的BorgWarner的美国专利中公开了可用于本发明的酚醛树脂和酚醛-硅树脂的实例，在此引用参考其内容。可用于本发明的硅树脂包括如热固性硅酮密封剂和硅酮橡胶。可将各种硅树脂用于本发明中，具体地，其中一种树脂包括二甲苯和戊间二酮(2，4-戊二酮)。这种硅树脂的沸点为大约362华氏度(183摄氏度)，在68华氏度时的蒸气压为21毫米汞柱，蒸气密度为4.8(空气＝1)，很难溶于水，比重为大约1.09，按重量计算的挥发率为小于0.1的5％(醚＝1)，使用Pensky-Martens方法得到的闪点为大约149华氏度(65摄氏度)。应当认识到其它硅树脂也可以用于本发明。其它可用的树脂混合物，比如，一种适当的酚醛树脂，包括(重量百分比)大约55％至大约60％的酚醛树脂、大约20％至大约25％的乙醇、大约10％至大约14％的苯酚、大约3％至大约4％的甲醇、大约0.3％至大约0.8％的甲醛、以及大约10％至大约20％的水。另一种适当的酚醛基树脂包括(重量百分比)大约50％至大约55％的苯酚/甲醛树脂、大约0.5％的甲醛、大约11％的苯酚、大约30％至大约35％的异丙醇、以及大约1％至大约5％的水。
还发现另一种可用的树脂是改性环氧酚醛树脂，按重量计算含有大约5％至大约25％，最好为大约10％至大约15％，的环氧化合物，其余(不包括溶剂和其它处理助剂)为酚醛树脂。在某些实施例中，与单独使用酚醛树脂相比，环氧-酚醛树脂使摩擦材料具有更高的耐热性。
在某些实施例中，树脂混合物最好包括要求数量的树脂和改性摩擦颗粒，使得基体材料的目标树脂占到全部硅树脂-酚醛树脂的，按重量计算，大约25％至大约70％，在其它一些实施例中，为大约40％至大约65％，而在还有一些实施例中，为大约60％至至少65％。在基体材料被树脂浸透之后，在300-400摄氏度的温度范围内将基体材料固化一段时间(在某些实施例中为1/2小时)以固化树脂粘结剂而制成摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于基体材料的初始厚度。
在制备树脂混合物和制备基体材料时还可以包含其它可用的成分和处理助剂，这也属于本发明范围之内。
在某些实施例中，树脂混合物可包括溶剂中互相兼容的硅树脂和酚醛树脂。将这些树脂混合在一起(在优选实施例中)以形成均匀的混合物然后用来浸渍基体材料。在某些实施例中，将基体材料用酚醛树脂浸透然后加入硅树脂的效果与用硅树脂浸透然后加入酚醛树脂的效果是不同的。硅树脂-酚醛树脂溶液的混合物与硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳状液之间也是有区别的。当硅树脂和酚醛树脂在溶液中时，完全不会凝固。与此相反，硅树脂和酚醛树脂的粉末颗粒会部分凝固。硅树脂和酚醛树脂的部分凝固会妨碍基体材料的完全浸透。
在本发明的某些实施例中，基体材料采用硅树脂和其溶剂的混合物来浸渍，该硅树脂溶于与酚醛树脂相容的溶剂。在本发明的一个实施例中，异丙醇认为是一种特别适合的溶剂。但是应当认识到其它各种适当的溶剂如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等类似物质也可以用于本发明的实施例中。与只用酚醛树脂浸渍的基体材料相比，用硅树脂和酚醛树脂的混合物来浸渍基体材料可使所得到的摩擦材料具有更大的弹性。当有压力施加到用硅树脂-酚醛树脂混合物浸渍的本发明摩擦材料上时，压力可分布更加均匀，从而降低衬里不均匀磨损的可能性。在将硅树脂和酚醛树脂与改性摩擦颗粒混合在一起之后，可用该混合物浸渍基体材料。
本发明的摩擦材料包括基体材料顶面上的一层改性摩擦颗粒，使得摩擦材料具有良好的防抖动特性、高耐热性、高摩擦系数、高使用寿命、良好的耐磨性和改进的磨合特性。
图1是摩擦材料10的示意图，其包括基体材料12和基本上覆盖基体材料12的一层规则几何形状的表面改性摩擦材料14。
用于本发明摩擦材料的改性摩擦材料层可使摩擦材料具有良好的防抖动特性。在所示实施例中，高温合成纤维和基体材料的孔隙度可提高耐热性。图2所示为本发明摩擦材料的实例1，图中示出了在基体材料顶面的改性摩擦颗粒层。圆片形钙铁石层可改进持油性和表面油流。
下面的实例提供了进一步的证据，本发明摩擦材料中的改性摩擦颗粒梯度可使传统摩擦材料得到改进。这些摩擦材料具有所要求的摩擦系数、耐热性和使用寿命。在下面的实例中介绍了本发明的各个优选实施例，但是这些实施例并不是用来限制本发明范围的。
实例实例I进行了滑动耐久性试验。图3示出了实例1、对比实例A和对比实例C的斜率与滑动时间的关系曲线，其中对比实例A含有，根据纸的基本重量进行计算，大约20％至大约40％的钙铁石，大约1％至10％的钙铁石作为顶面或次层；而对比实例C包括大约40％至大约60％钙铁石和大约40％至大约60％有机纤维的单层材料。相比之下，本发明的实例1在基体材料的表面上具有更为有效的改性摩擦颗粒沉积。实例1的摩擦材料顶面上的改性摩擦颗粒只有很少量渗入底层或主层中。对称形状的改性摩擦颗粒层积在基体材料上以形成一层良好的“峰谷”型三维结构。这种三维结构使本发明的摩擦材料具有良好的摩擦特性，包括良好的油流或润滑作用、良好的正μ-V斜率、以及良好的使用寿命。尽管未进行理论探讨，但相信，由于对称形状的改性摩擦颗粒留在摩擦面上，而支承纤维和填充物留在基体材料中，这种新材料具有更好的三维结构和更好的特性。
图3示出了对比实例C、对比实例A和实例1中斜率与滑动时间的关系曲线图。带槽材料的斜率与滑动时间的关系曲线表明实例1具有较长的使用寿命。在工业领域中-1×10-5的斜率(μ-速度)是可以接受的。任何斜率低于此水平的产品都不具有所要求的摩擦系数特性。实例1的材料使得油流能够处于所要求的条件并使摩擦材料具有良好的散热性。
实例II图4a和4b示出了低油流时对比实例A和实例1所进行的E离合器基本试验的结果。两个实例都具有改进的防抖动特性，而且都没有尖声。
图4a和4b示出了对比实例C的上升或鸡尾状的扭矩曲线和实例1的下降扭矩曲线。对比实例C的曲线在整个速度范围内具有负的μ-v斜率，而实例1的曲线在整个速度范围内具有正的μ-v斜率。正的μ-v斜率是优选的，而且为离合器的平滑操作(接合或滑动)所必需。
图4所示的情况对于变速离合器来说是十分特殊的。这种离合器与长轴相连并在很少润滑油的状态下工作。因此工作条件很恶劣(高能量、少润滑油接合)，而且对振动很敏感(由于长轴连接)。对于这种离合器来说任何上升扭矩曲线都会导致噪音(尖声)和振动，如图4a中所示。车辆或测功计(Dyno)试验能够很容易地揭示出这种情况下的扭矩振动。本发明的实例1示出了这些问题是如何克服的，如图4b所示。
实例III和实例IV图5a-5b示出了厚度为大约80微米的沉积层。图中还示出了清晰的沉积颗粒层。对于80微米的切割层，顶层的前后视图显示出黄色/棕色，这刚好是沉积层的颜色。该图(5a-5b)中第二层的前视图显示出基体材料的绿色。通过将前后视图中的顶层和第二层图像结合在一起，可以清楚地显示出沉积层的厚度为大约80微米(切割厚度)。
在图6a-6b中，顶层显示出黄色/棕色(始终是这样的，因为这是由钙铁石颗粒和树脂构成的摩擦面)，而后视图显示出绿色(这是基体材料的颜色)。在前视图和后视图上的不同颜色表明100微米(切割层)大于沉积层的厚度。
这两组图(5a-b和6a-b)表明沉积层的厚度为大约80微米。所显示出的沉积层和基体材料之间的颜色对比能证明有沉积层存在。
实例V沉积的改性摩擦颗粒形成密实表层，可降低顶层的渗透率。在某些实施例中，本发明摩擦材料的顶层沿法线方向(即，垂直于顶层构成平面的方向)的渗透率比第一层或基体材料层的法向渗透率更低。顶层较低的法向流体渗透率以及微小规则峰谷型硬固体表面构形使油能够保持在摩擦面上并形成摩擦面上的油流通道。因而可以实现有效的表面冷却机制和恒定的表面润滑作用。这种独特的表面结构具有的特点使得本发明的摩擦材料在滑动离合器应用中十分耐用。而且，改性摩擦颗粒的对称圆形使其具有比不规则形状颗粒更少的磨损。
工业实用性本发明的高能量摩擦材料可用于离合器片、传动带、制动瓦、同步器闭锁环、摩擦片或系统板。
上述对本发明优选实施例和可供选择实施例的介绍只是说明性的，而不是用来限制所附权利要求的范围和内容的。
权利要求
1.一种具有第一层和第二层的摩擦材料，所述第一层包括基体材料和至少一种树脂材料，所述第二层包括在所述基体材料顶面上的至少一种改性摩擦颗粒，所述改性摩擦颗粒具有至少一种基本上对称的几何形状，所述第二层的平均厚度为大约30微米至大约200微米，其中，顶层具有比所述第一层更低的流体渗透率。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒层的厚度为大约60微米至大约100微米。
3.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述顶层沿径向和法向具有比所述第一层更低的渗透率。
4.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒的平均直径为大约0.1微米至大约80微米。
5.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒的平均直径为大约0.5微米至大约20微米。
6.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基体材料的平均孔隙率为大约50％至大约85％。
7.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括硅石颗粒。
8.根据权利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括钙铁石颗粒。
9.根据权利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括硅藻土。
10.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括碳颗粒和硅石颗粒的混合物。
11.根据权利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述钙铁石大体上是扁平状或片状。
12.根据权利要求8所述的摩擦材料，其特征在于，所述钙铁石颗粒的尺寸在大约2微米至大约20微米的范围内。
13.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括金属氧化物。
14.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括氮化物。
15.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦颗粒包括碳化物。
16.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基体材料包括纤维基体材料。
17.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基体材料是一种无纺纤维材料。
18.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基体材料是一种纺织纤维材料。
19.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基体材料包括大约15％至大约25％的棉花、大约40％至50％的聚芳基酰胺纤维、大约10％至20％的碳纤维、大约5％至15％的碳颗粒、大约5％至15％的钙铁石。
20.根据权利要求19所述的摩擦材料，其特征在于，摩擦材料的顶层包括在纤维基体材料中的纤维和填充物上沉积的硅改性摩擦颗粒。
21.根据权利要求17所述的摩擦材料，其特征在于，所述纤维基体材料具有平均大约5至10微米的孔隙直径。
22.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，基体材料主层包括大约10％至大约50％重量的有较少原纤维的聚芳基酰胺纤维、大约10％至大约35％重量的活性碳颗粒、大约5％至大约20％重量的棉花纤维、大约2％至大约15％重量的碳素纤维、以及大约10％至大约35％重量的填充材料。
23.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述树脂包括至少一种酚醛树脂、至少一种酚醛改性树脂、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这些树脂的混合物。
24.根据权利要求1所述的摩擦材料，所述树脂包括至少一种环氧树脂和至少一种硅树脂的混合物，其特征在于，按树脂混合物的重量，树脂混合物中的硅树脂的量大约占重量5％至大约80％。
25.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，在一溶剂中存在酚醛树脂，与酚醛树脂的溶剂相容的溶剂中存在硅树脂。
26.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按混合物的重量，在硅-酚醛树脂中的硅树脂的量占重量大约20％至大约25％。
27.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按混合物的重量，在硅-酚醛树脂中的硅树脂的量占重量大约15％至大约25％。
28.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，改性酚醛树脂包括至少一种环氧酚醛树脂。
29.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按环氧酚醛树脂混合物的重量，环氧酚醛树脂中的环氧占重量大约5％至大约25％。
30.根据权利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按环氧酚醛树脂混合物的重量，环氧酚醛树脂中的环氧占重量大约10％至大约25％。
全文摘要
一种具有第一层和第二层的摩擦材料，其中第一层由基体材料构成，第二层由在基体材料顶面上的至少一种改性摩擦颗粒构成，所述改性摩擦颗粒具有基本上对称的几何形状。第二层的平均厚度为大约30微米至200微米，且其表面区域覆盖率为大约80％至100％，使得顶层具有比第一层更低的流体渗透率。
文档编号B32B3/26GK1500850SQ0315798
公开日2004年6月2日 申请日期2003年9月4日 优先权日2002年9月4日
发明者陈义芳, R·C·林, 林, ご, 董峰, B·查韦达 申请人:博格华纳公司