摩擦件及其摩擦材料的制作方法

专利名称：摩擦件及其摩擦材料的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及摩擦件及其摩擦材料。
背景技术：
摩擦材料经常用在将相对的表面相接合以传递机械能和/或热能的场合。例如，摩擦材料可布置在制动器、离合器和扭矩转换场合中的对置表面之间。这类应用往往需要具有优良的摩擦稳定性和耐磨性、抗噪性、耐压性和耐热性的摩擦材料。一种摩擦材料，即半湿式摩擦材料，可能对在机械能和/或热能传递过程中需要减少润滑的应用场合特别有用。例如在运行中，半湿式摩擦材料往往至少部分浸入和浸溃有液体如制动液、自动传动液和/或油。

发明内容
摩擦材料包括树脂和浸溃有该树脂的纤维基材料。纤维基材料具有单片层并且包括以第一份量存在的若干芳纶纤维。纤维基材料还包括以小于第一份量的第二份量存在的若干聚丙烯腈基碳纤维，以小于或等于第二份量的第三份量存在的若干碳粒，以及以小于或等于第二份量的第四份量存在的若干矿物纤维。另外，纤维基材料包括以大于第一份量的第五份量存在的硅藻土。在一个变型方案中，若干芳纶纤维包括第一组分和第二组分，该第一组分包括若干原纤化芳纶纤维，该第二组分包括若干非原纤化芳纶纤维。此外，若干聚丙烯腈基碳纤维包括具有第三平均长度的第三组分，以及具有大于该第三平均长度的第四平均长度的第四组分。用于可操作地接触被润滑表面的摩擦件包括基片和摩擦材料。该摩擦材料限定出粘接至基片的第一表面和构造成用于可操作地接触被润滑表面的第二表面。结合附图，从以下对用于实施本发明的最佳实施方式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将是显而易见的。


图1是包括设置在基片上的摩擦材料的摩擦件的示意截面图；以及图2是图1的摩擦件布置在多个被润滑表面之间的立体分解示意图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记表示相同的零部件，用于可操作地接触被润滑表面12的摩擦件在图1中总体用数字10表示。摩擦件10可被用在要求优良的摩擦稳定性、耐磨性、抗噪性、耐压性和耐热性的场合，如下文所详述。因此，摩擦件10可被用于汽车应用中，包括但不限于离合器片、传动带、制动蹄片、同步器齿环、摩擦盘、系统板和限滑差速器部件。然而，摩擦件10还可被用于非汽车应用中，包括但不限于铁路制动块和离合器衬片，多盘式飞行器制动器，起重机和升降机部件以及其它运输和工业应用。现在参见图2，在运行中，摩擦件10可操作地接触例如能量传送装置如限滑差速器的被润滑表面12。总体来说，参见图2描述，限滑差速器可通过总体用数字14标示的离合器片组的操作将输出轴(未示出)的角速度差减至最小。离合器片组14可以封装在外壳(未示出)中并且用润滑剂来润滑，该润滑剂例如但不限于齿轮润滑油，如可以是购自新泽西州韦恩的美国BP Lubricants公司的DextlOlT LS产品。特别是离合器片组14可包括多个被润滑表面12如彼此分隔开的垫板以及多个摩擦件10如摩擦片，这些摩擦片交替布置在多个被润滑表面12之间并与被润滑表面对置，从而使摩擦件10可与被润滑表面12相互接触和相互作用。换言之，摩擦件10与被润滑表面12可按照交错序列布置在离合器片组14中。在离合器片组14运行过程中，摩擦件10可操作地接触被润滑表面12。例如，响应于输出轴的角速度差，摩擦件10可摩擦接合到邻近的被润滑表面12和脱离该被润滑表面，从而可以在摩擦件10和相应的对置被润滑表面12之间传递机械能和/或热能。换言之，摩擦件10可挤压和摩擦对置的被润滑表面12，从而通过摩擦来阻滞摩擦件10和被润滑表面12之间的运动。就是说，在运行条件允许情况下，摩擦件10可与被润滑表面12间歇地摩擦接合和协作，从而润滑剂可被吸入和挤出摩擦件10。在其它非限制性例子中，摩擦件10可操作地接触盘式制动系统的制动转子或传动机构的润滑齿轮。换言之，摩擦件10能以制动衬块或同步器齿环的形式构成。现在参见图1，摩擦件10包括基片16。基片16可根据摩擦件10的期望应用所需的刚性和/或强度特性来选取。例如，基片16可适于为摩擦件10提供强度和刚度，如下文所详述，该基片可由抗变形的金属基材料如钢制成。换言之，基片16可以是金属板，例如但不限于钢衬板。继续参见图1，摩擦件10还可以包括摩擦材料18，该摩擦材料包括树脂和浸溃有该树脂的纤维基材料，如下文所详述。本文所用的术语“纤维基材料”是指用在半湿式摩擦材料18中的具有单层的基层。纤维基材料可以是干燥前用来形成湿式、浆料处理的摩擦材料18的浆料组合物。另外，术语“半湿式摩擦材料”是指浸溃有树脂或粘合剂的较薄的纤维性基层，其被干燥并被接合至刚性或钢制的基片16或背板。另外，半湿式摩擦材料通常在至少部分浸入润滑剂中时工作并具有约O. 3mm至约1. 5mm的厚度。相反，干式摩擦材料通常在摩擦材料与对置的摩擦表面之间干接触的情况下工作并具有约3mm至约4. 5mm的厚度。半湿式摩擦材料还可以被称为半湿摩擦材料或湿润摩擦材料并且可被用在所需润滑剂较少或最少的场合。相较之下，湿式摩擦材料通常在基本上浸入润滑剂中时工作。半湿式摩擦材料还可以经受比湿式摩擦材料的工作温度高出100°C的工作温度，并且和湿式摩擦材料相比，通常在润滑剂流速相对较低的冷却用环境中工作。因此，与湿式摩擦材料相比，吸油能力和耐热性对半湿式摩擦材料来说是特别重要的。
摩擦材料18(图1)的纤维基材料包括若干芳纶纤维。在本文中，使用的术语“芳纶”是指芳香族聚酰胺纤维。芳纶可以通过胺基基团与羧酸卤代物基团之间的反应制得。例如，芳纶纤维可以是合成聚酰胺链，其中基于100份体积的合成聚酰胺链，85份体积的酰胺键即连接至氮原子(N)的酰基(R-C=O)被直接连接至两个芳香环。若干芳纶纤维可以进一步定义为平均长度小于或等于约5_的若干对位芳纶纤维。例如，若干芳纶纤维可以是平均纤维长度为约1. 4mm和/或双峰平均纤维长度为约O. 5mm和约1. 4mm的对位芳纶纤维。在本文中，使用的术语“约”是量的修饰词，是指被修饰的量+/-2%。芳纶纤维可以是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，聚对苯二甲酰对苯二胺由单体对苯二胺(PPD)和对苯二甲酰二氯(TDC)在共溶剂中制得，共溶剂带有离子成分如氯化钙以占据酰胺基的氢键，以及有机成分N-甲基吡咯烷酮(NMP)以溶解芳香族聚合物。若干芳纶纤维的密度可以为约1.44g/cm3。合适的芳纶纤维可以是购自荷兰阿纳姆的帝人芳纶有限公司(Teijin Aramid GmbH)的商品名称为jwarorT'的广品。在一个变型方案中，若干芳纶纤维包括第一组分和第二组分，该第一组分包括若干原纤化芳纶纤维，该第二组分包括若干非原纤化芳纶纤维。在本文中，术语“原纤化”是指具有茎和自该茎延伸出来的若干纤丝的纤维，其中茎通常为柱状，纤丝是连接至该茎的相对较细的毛发状件。换言之，茎基本上比若干纤丝中的每一根都粗。第一组分可以包括芳纶纤维，芳纶纤维以浆状物形式提供并且相比其它纤维类型例如第二组分的芳纶纤维具有更高的原纤化程度。第一组分的芳纶纤维可以是短切的。换言之，在如上所述的聚合物生产之后，生成的芳纶可以溶解在无水硫酸中并被纺成长丝。第一组分可以通过在水中剪切和斩切长丝来形成，从而使芳纶变短和原纤化。第一组分的若干原纤化的芳纶纤维的平均长度可以小于约3_。合适的第一组分可以是购自荷兰阿纳姆的帝人芳纶有限公司(Teijin Aramid GmbH)的商品名称为TwamiiR 1094的产品。相较之下，第二组分的芳纶纤维是非原纤化的。换言之，第二组分同第一组分相比具有最小的原纤化程度。第二组分的非原纤化芳纶纤维通常不具有第一组分中存在的纤丝。第二组分的芳纶纤维可以短切纤维的形式存在，并且平均长度可以是约3mm。因此，第二组分的平均长度可以大于第一组分。合适的第二组分可以是购自荷兰阿纳姆的帝人芳纶有限公司(Teijin Aramid GmbH)的商品名称为1588的产品。存在于纤维基材料中的第一组分和第二组分的比率可以是约2:1。例如，基于100份重量的纤维基材料，存在于纤维基材料中的第一组分的量约为20份重量；基于100份重量的纤维基材料，存在的第二组分的量为约10份重量。第一组分和第二组分可以以前述比率存在，从而使纤维基材料具有希望的孔隙率。例如，非原纤化的第二组分可以在纤维基材料上限定出尺寸较大的表面孔隙。这种孔隙难以堵塞或封闭，因此，该第二组分可以允许在摩擦件10的工作过程中产生的降解产物收回入摩擦材料18中。这种降解产物收入摩擦材料18可以使得摩擦材料18具有优良的抗釉化性和抗衰退性。第二组分还可以引起纤维基材料结块。因此，第一组分可以存在于纤维基材料中以抵消和补偿由第二基底材料限定的开放孔隙。换言之，相比非原纤化的第二组分，原纤化的第一组分能够更好的保持或容纳纤维基材料的其它组分，特别是以颗粒形式存在于纤维基材料中的其它组分。因此，第一组分和第二组分可以使纤维基材料具有希望的孔隙率。若干芳纶纤维以第一份量存在。不打算受到理论的限制，若干芳纶纤维可以存在于纤维基材料中以使纤维基材料的孔隙率增加，并且使摩擦件10具有优良的强度、耐磨性和耐热性。换言之，如上所述，若干芳纶纤维可以支承纤维基材料的其它相对较小的组分，特别是其它以颗粒形式存在的组分。若干芳纶纤维还提供在纤维基材料的其它纤维性组分之间的连接，如下文将详述的。基于100份重量的纤维基材料，芳纶纤维可以为约20份重量到约34份重量，例如以约25份重量到约30份重量的第一份量存在。当存在于纤维基材料中的芳纶纤维的量小于20份重量时，纤维基材料可能不具有足够的结构和强度并可能表现出低的耐压性。但在份量大于34份重量情况下，纤维基材料可能难以加工并表现出过高的孔隙率。纤维基材料还包括若干聚丙烯腈基碳纤维。本文所用的术语“聚丙烯腈基”是指由聚丙烯腈(PAN)前体制成的碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维可以如此制成，即在惰性气体中温度大于或等于约1000°C的条件下对聚丙烯腈纤维进行焙烧预氧化，从而获得基于100份重量的碳纤维具有至少90份重量的碳含量和约I份重量到约8份重量的结合氮含量的纤维。
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在一个变型方案中，若干聚丙烯腈基碳纤维包括具有第三平均长度的第三组分和具有大于第三平均长度的第四平均长度的第四组分。具体来说，第三组分可以被进一步定义为若干磨碎的聚丙烯腈基碳纤维，并且该第三平均长度可以小于约500微米。与之相比，第四组分可以进一步定义为若干短切的聚丙烯腈基碳纤维，并且该第四平均长度可以为约2500微米到约4000微米，例如约3000微米。本文所用的术语“磨碎的”是指比“短切的”碳纤维更短的纤维。例如，磨碎的聚丙烯腈基碳纤维的第三平均长度可以小于约1000微米。相较之下，短切聚丙烯腈基碳纤维的第四平均长度可以为约1000微米到约25000微米。聚丙烯腈基碳纤维束可以被磨碎成较短长度的聚丙烯腈基碳纤维，其具有约350微米的第三平均长度。另外，聚丙烯腈基碳纤维的平均纤维直径可以为约7微米到约9微米，密度为约1. 73g/cm3到约1. 79g/cm3。合适的聚丙烯腈基碳纤维包括可以购自新泽西州阿斯伯里的阿斯伯里石墨研磨公司(Asbury Graphite Mills, Inc.)的AGM94聚丙烯腈基碳纤维。具体来说，合适的磨碎的和短切的聚丙烯腈基碳纤维分别可以是识别号为AGM94MF350U和AGM94CF3的产品。若干聚丙烯腈基碳纤维以小于第一份量的第二份量存在。换言之，纤维基材料包括比聚丙烯腈基碳纤维更多的芳纶纤维。不打算受到理论的限制，若干聚丙烯腈基碳纤维可以存在于纤维基材料中，以提供这样的摩擦件10，其具有优良的摩擦稳定性即运行过程中稳定的摩擦系数和更高的强度、更高的弹性恢复率以及期望的耐热性和抗噪性。换言之，包括聚丙烯腈基碳纤维的摩擦材料18可以保持与相对的被润滑表面12(图2)期望的摩擦接合，以由此降低能量传递装置在运行过程中的抖动，以及减小“衰退”，即在高工作温度下的摩擦系数(μ)减小。另外，若干聚丙烯腈基碳纤维可以使摩擦材料18具有优良的耐热性。特别是，若干聚丙烯腈基碳纤维表现出期望的导热性，并且可以冷却沉积在摩擦材料18的孔隙中的任何润滑剂。除此之外，若干聚丙烯腈基碳纤维可以使摩擦材料18在摩擦件10与相对的被润滑表面12之间摩擦接合的过程中具有优良的弹性回复率。特别是，聚丙烯腈基碳纤维与其它纤维相比，在弹性范围内受压时具有增大的弹性模量即刚性以及回弹特性。
基于100份重量的纤维基材料，聚丙烯腈基碳纤维可以约5份重量到约15份重量如以约10份重量的第二份量存在。当聚丙烯腈基碳纤维在纤维基材料中的量小于约5份重量时，纤维基材料可能不具有足够的结构和强度，并且摩擦件10可能表现出低的摩擦稳定性、耐热性和耐压性。然而，如果在纤维基材料中的量大于约15份重量，纤维基材料可能难以加工，并且摩擦件10可能表现出耐压性和耐热性降低。对于既包括第三组分又包括第四组分的变型方案来说，存在于纤维基材料中的第三组分和第四组分的比率可以是约1:1。例如，基于100份重量的纤维基材料，第三组分在纤维基材料中的量可以是约5份重量；基于100份重量的纤维基材料，第四组分在纤维基材料中的量可以是约5份重量。第四组分可以存在于纤维基材料中以使摩擦材料18(图1) 具有增强的耐压性。换言之，第四组分可以使摩擦材料18具有优良的孔隙率，从而在能量传递装置的运行过程中，润滑剂能够渗入摩擦材料18，并且第四材料还可以有助于在摩擦材料18工作期间产生优良的压缩变形和抗永久变形性。换言之，如参考图2所述，包括第四组分的摩擦材料18是可适当压缩的，从而使润滑剂可以在由能量传递装置的相对的被润滑表面12所施加的压力下被迅速挤入或挤出摩擦材料18。然而，基于100份重量的纤维基材料，如果第四组分的量大于10份重量，纤维基材料可能会因为由相对较长的短切的聚丙烯腈基碳纤维所产生的缠结而难以加工。通常，第三组分可以存在于纤维基材料中以抵消或补偿由纤维基材料的第四组分限定出的开放孔隙。也就是说，由于第四组分的短切聚丙烯腈基碳纤维比第三组分的磨碎聚丙烯腈基碳纤维更长，所以第四组分可以象第三组分那样也不保持或包含纤维基材料的其它组分，特别是其它以颗粒形式存在的组分。因此，第三组分和第四组分可以一起以前述比率存在，以使摩擦材料18具有期望的孔隙率和耐热性。纤维基材料还包括若干碳粒。本文所用的术语“碳粒”与术语“碳纤维”有区别，指的是以非纤维形式存在的碳。例如，若干碳粒可以是一种经过物理再活化和/或化学再活化处理的碳的形式并且具有优良的孔隙率和大的表面积，即大于或等于约250m2/g的布鲁诺尔-埃米特-特勒(BET)表面积。碳粒可以包括但不限于炭黑、粉末活性炭、颗粒活性炭、挤压活性炭、浸溃碳、裂解碳，以及其组合。换言之，碳粒可以由经过裂解的碳来形成。所述若干碳粒可进一步定义为初级颗粒、聚合体或团块。初级颗粒可大体呈球形并可相互牢固地连接以形成聚合体，而该聚合体又相互连接形成团块。合适的碳粒包括可以购自新泽西州帕西帕尼的赢创德固赛公司(Evonik Degussa Corporation)的商品名称为 Colour Black FlOl 的炭黑。若干碳粒以小于或等于第一份量的第三份量存在。换言之，纤维基材料可以包括等量的碳粒和聚丙烯腈基碳纤维，或者包括比聚丙烯腈基碳纤维相对较少的碳粒。特别是，基于100份重量的纤维基材料，若干碳粒可以约3份重量到约15份重量例如约5份重量到约10份重量的第三份量存在。不打算受到理论的限制，若干碳粒可以存在于纤维性底基材料中以使摩擦件10在运行过程中具有优良的耐热性和抗噪性。特别是，若干碳粒表现出期望的导热性，并且可以冷却沉积于摩擦材料18的孔隙中的任何润滑剂。另外，若干碳粒可以增大摩擦件10的动摩擦系数而减小该摩擦件的静摩擦系数，由此有利于使摩擦件10具有优良的抗噪性。包括以前述第三份量存在的若干碳粒的摩擦件10具有最优化的μ -V曲线斜率。特别是，μ -V曲线斜率表示摩擦系数(μ )的变化量与滑动速度(V)的变化量之比。对于摩擦的应用来说，在由摩擦件10控制的一个速度范围内的斜率希望是正的，从而降低能量传递装置内的抖动，即摩擦振动。例如，摩擦件10可以在制动或换挡过程中减少抖动。因此，包括若干碳粒的摩擦件18可以与相对的被润滑表面12保持期望的摩擦接合，以由此减少能量传递装置在运行过程中的抖动，以及减小“衰退”，即在高工作温度下的摩擦系数(μ)减小。另外，若干碳粒可以使摩擦材料18具有色彩，例如绿色，因此形成用于标记和识别摩擦件10的区别特征。纤维基材料还包括若干矿物纤维。这些矿物纤维可以由玻璃质熔体如岩石、矿渣、玻璃或其它矿物熔体形成。玻璃熔体可以通过掺混选择的岩石或矿物来形成，以使玻璃熔体具有期望的组成。若干矿物纤维可以归类为工程矿物纤维并且包括表面处理剂，比如但不限于硅烷或表面活性剂。作为非限制性的示例，基于100份重量的矿物纤维，所述若干矿物纤维中的各矿物纤维包括量为约38份重量到约43份重量的SiO2，量为约18份重量到约23份重量的Al2O3,量为约23份重量到约28份重量的CaO+MgO，量为约4. 5份重量到约8份重量的FeO,量为约4. 5份重量的K2CHNa2O,以及量小于约6份重量的其它成分。 所述若干矿物纤维中的各矿物纤维的直径可以小于或等于约20微米，例如小于约10微米，并且可以具有大于第三平均长度小于第四平均长度的第五平均长度。换言之，第五平均长度可以为约500微米到约2500微米。作为非限制性的示例，第五平均长度可以为约500微米到约800微米，比如约650微米。具有前述第五平均长度的矿物纤维可以有利于形成摩擦材料10的期望的可控孔隙率。换言之，若干矿物纤维可以在纤维基材料中平衡较短的磨碎的聚丙烯腈基碳纤维和较长的芳纶纤维，以使纤维基材料具有优良的孔隙率。另外，若干矿物纤维可以比纤维基材料的若干聚丙烯腈基碳纤维和若干芳纶纤维中的每一个都相对更硬。例如，若干矿物材料可具有莫氏硬度为6的硬度。因此，若干矿物纤维可以使摩擦件10具有优良的耐磨性和耐压性。除此之外，由于矿物纤维较长、较硬并且耐热性较好，所以摩擦材料10可以具有增大的表面粗糙度并表现出优良的抗釉化性。换言之，坚固的和刚性的基片16与摩擦材料10的优良表面粗糙度的结合，可以将摩擦材料10的过度平滑减到最小，并且使摩擦件10具有优良的抗釉化性。若干矿物纤维以小于或等于第二份量的第四份量存在于纤维基材料中。换言之，纤维基材料包括比矿物纤维相对更多的聚丙烯腈基碳纤维。具体来说，基于100份重量的纤维基材料，若干矿物纤维可以以约5份重量到约10份重量，例如为约7份重量的第四份量存在。合适的矿物纤维的示例可以是可购自荷兰鲁尔蒙德的洛素纤维有限公司(LapinusFibers BV)的Rockbrake* 诎28。-roxui· 1000 产品。纤维基材料还包括以大于第一份量的第五份量存在的硅藻土。换言之，纤维基材料可以包括比纤维基材料任何其它组分例如芳纶纤维、聚丙烯腈基碳纤维、碳粒或矿物纤维更多的硅藻土。特别是，硅藻土可以是焙烧过的硅藻土，其平均颗粒尺寸为约10微米到约15微米。在本文中，使用的术语“焙烧过的硅藻土”是指这样一种硅藻土，即由淡水浮游物种形成的沉积矿石，其例如在温度大于约800°C的进行热处理，以圆化单个硅藻土颗粒的尖锐棱角。因此，焙烧过的硅藻土可以比自然、未焙烧的硅藻土具有更小的表面积和更高的硬度。如此一来，焙烧的硅藻土在纤维基材料中的存在使得摩擦材料18(图1)具有优良的耐压性。
硅藻土可以具有为约O.1微米到约1. O微米的孔隙尺寸，和基于100份体积的硅藻土大于80份体积的孔隙率。另外，硅藻土的平均颗粒尺寸可以为约10微米到约15微米。合适的娃藻土包括可以购自加利福尼亚州圣巴巴拉的世界矿物公司(WorldMineralsInc.)的 Cdne8s 281 产品。硅藻土可以以基于100份重量的纤维基材料大于或等于约35份重量的第五分量存在。换言之，第五份量可以大于第一份量、第二份量、第三份量和第四份量中的任一个。例如，硅藻土可以以基于100份重量的纤维基材料为约40份重量到约50份重量的第五分量存在。在一个非限制性的例子中，比如包括上述的第一组分、第二组分、第三组分和第四组分中的每一个的纤维基材料的变型，硅藻土可以以基于100份重量的纤维基材料为约40份重量到约47份重量的第五分量存在。硅藻土可以使摩擦件10具有优良的抗噪性，并且对若干碳粒起补充作用。另外，硅藻土可以有助于吸收树脂，如下文将详述，并且可以促进润滑剂流过摩擦材料18(图1)。换言之，基于100份重量的纤维基材料，即使以大于约35份重量的第五份量存在，硅藻土也 能够在不对纤维基材料的结构和强度造成有害影响的情况下意想不到地使纤维基材料具有优良的抗噪性。特别是，当以大于35份重量的第五份量存在于纤维基材料中时，硅藻土增大了摩擦件10的动摩擦系数并减小了其静摩擦系数。因此，包括以前述第五份量存在的硅藻土的摩擦件10具有最优化的μ -V曲线的斜率。特别是，μ -V曲线的斜率表示摩擦系数(μ)的变化量与滑动速度(V)的变化量之比。对于摩擦的应用来说，在由摩擦件10控制的一个速度范围内的斜率希望是正的，从而降低能量传递装置内的抖动，即摩擦振动。例如，摩擦件10可以在制动或换挡过程中减少抖动。就是说，包括摩擦材料18的摩擦件10具有增强的抗噪性。换言之，摩擦材料18生成了具有由正的μ-V斜率限定的形状的期望的扭矩曲线，从而使得摩擦材料18在运行过程中基本上没有噪音或者没有刺耳的声音。纤维基材料还可包括胶乳。胶乳可作为饱和剂和加工助剂存在于纤维基材料中并且通常为纤维基材料提供弹性。胶乳还可以涂覆芳纶纤维、聚丙烯腈基碳纤维和/或矿物纤维，以使纤维基材料具有适用于加工性能的足够的湿强度，即幅强度。胶乳可以呈水分散体如介质丙烯腈、通过乳液聚合制成的丙烯腈-丁二烯共聚物的形式。换言之，胶乳可以是丙烯腈基的丁腈胶乳乳液。另外，胶乳在25°C下的布氏粘度可以是约15cP。基于100份重量的纤维基材料，胶乳以约I份重量到约6份重量如3份重量的量存在。合适的胶乳可以包括可购自俄亥俄州阿克伦的翡翠高性能材料有限公司(Emerald Performance MaterialsLLC)的Hycar" 1562x117 胶乳。为了实现前述的摩擦件10的耐热性，纤维基材料可以基本上没有低耐热性的纤维和填充剂，如纤维素、麻、均丙烯酸纤维(homoacrylic fibers)、腰果壳、低温固化橡胶颗粒之类的。同样的，纤维基材料通常没有被环氧改性酚醛树脂或油改性酚醛树脂进行浸溃，从而保持树脂和摩擦材料18的优良的耐热性。另外，为了避免摩擦材料18在摩擦件10的运行过程中因为与润滑剂接触而发生溶胀，纤维基材料可以基本上没有可能与润滑剂中的任意含磷添加剂和含硫添加剂发生反应的纤维素纤维。因此，如上文所述，包括摩擦材料18的摩擦件10具有耐磨性、抗噪性、耐压性、耐热性和生产经济性。换言之，摩擦件10在能量传递装置的运行过程中表现出减少了由于磨损和剪应力造成的老化，并且在由润滑剂进行部分湿化的时合适地完成任务。如上文所述，纤维基材料用树脂浸溃。树脂浸溃纤维基材料以使摩擦材料18具有机械剪切强度、耐热性和摩擦稳定性。树脂还平衡了存在于摩擦材料18中的硅藻土，并且有利于增强摩擦材料18的摩擦稳定性。因此，树脂可以是饱和剂和/或粘合剂，并且在25°C下的树脂粘度可以为约2500cP到约7000cP。根据摩擦材料18期望的应用场合，树脂可以是选择的任意合适的树脂。例如，树脂可以是热固性树脂。另外，树脂可以通过丁腈改性或者纳米粒子分散来改性以提高树脂的耐热性。在一个非限制性的例子中，树脂可以是聚酰亚胺树脂。在本示例中，聚酰亚胺树脂可以与溶剂比如乙醇结合以易于加工。聚酰亚胺树脂可以通过聚酰亚胺树脂与苯酚树脂的结合来进行硬化以提高强度和断裂韧性。例如，树脂可以包括比率为约9:1的聚酰亚胺树脂和苯酚树脂，即基于100份重量的树脂，该比率为约90份重量的聚酰亚胺树脂比约10份重量的苯酚树脂。聚酰亚胺树脂和苯酚树脂的结合可以使摩擦材料18具有增加的硬度和摩擦系数，而这又使摩擦件10具有优良的耐磨性和抗噪性。聚酰亚胺树脂还可以与其它树脂结合。在其它变型中，树脂可以选自酚醛树脂、硅树脂、混合树脂、多树脂体系及其组合。通常，环氧改性酚醛树脂或油改性酚醛树脂是被排除的，从而保持树脂和摩擦材料18的优良的耐热性。纤维基材料可以浸溃有树脂，基于100份重量的纤维基材料，树脂吸收量为约20份重量到约100份重量，例如约40份重量到约75份重量。换言之，被纤维基材料吸收的树脂的百分比，即基于干燥的纤维基材料重量的树脂重量百分比，可以在约20%到约100%的范围内。在树脂的量低于约20份重量时，纤维基材料可能表现不出足够的强度，在树脂的量高于约100份重量时，纤维基材料可能会过饱和，从而使摩擦材料18表现出低的孔隙率和润滑剂吸收率，导致釉化以及噪音、振动和声振粗糙度(NVH)敏感性。另外，前述树脂的吸收通过涂覆纤维基材料而有利于摩擦材料18的优良的抗噪性和耐压性。合适的树脂可以包括可购自新泽西州帕林(Parlin)的工业峰会科技公司(Industrial SummitTechnology Corporation)的SlCYBONDk 700 产品。摩擦材料18可以经由任何能够将若干芳纶纤维、若干聚丙烯腈基碳纤维、若干碳粒、若干矿物纤维和硅藻土混合起来的加工系统制成。例如，摩擦材料18可以经由干法成网、气流成网、同成形或湿法成网的纤维加工工艺，以及涂覆、浸透以及浆液浸溃的树脂添加工艺制成。另外，摩擦材料18可以在本领域技术人员已知的造纸机和树脂浸透设备上生产。通过非限制性的示例，形成摩擦材料18的工艺可以包括将若干芳纶纤维、若干聚丙烯腈基碳纤维、若干碳粒、若干矿物纤维、硅藻土和可选的胶乳与水结合形成浆液。浆液可以被泵送到造纸机的成型网上。通常，成型网限定出被构造成用于排出浆液中的水分的众多开口。在加工过程中，浆液中的水分经过这些开口排出，并且将留下的湿纸运至造纸机的干燥部段，从而可以通过干燥将任何残留的水分除去，由此形成干纸，即纤维基材料。然后可以将纤维基材料用树脂通过例如浸没、表面涂覆或喷雾浸透来进行浸溃和浸透。已浸溃的纤维基材料即摩擦材料18被干燥成“B”级半固化状态，滚卷至卷轴上，并制成希望尺寸的片状。成型的摩擦材料18的基重可以为约601bs/3000ft2至约4001bs/3000ft2。换言之，摩擦材料18的基重可以为约1501bs/3000ft2至约 2501bs/3000ft2,例如约2001bs/3000ft2。摩擦材料18的厚度可以为约12密耳至约 60密耳，例如约25密耳至约35密耳，其中I密耳等于O. 0254mm。另外，摩擦材料18 的密度可以为约 4. 51bs/3000ft2/0. OOlin 至约 8. 01bs/3000ft2/0. OOlin,例如是约 5. 91bs/3000ft2/0. OOlin 至约 6. 61bs/3000ft2/0. OOlin 之间。
摩擦材料18具有单片层。本文所用的术语“片层”指的是单层摩擦材料18。换言 之，摩擦材料18不是多层的并且不包括两个或多个片层。相反，摩擦材料18可以是具有单 片层的片状形式。因此，摩擦材料18在运行过程中有利地表现出不易从基片16上剥离，并 且因此有利于摩擦件10具有优良的耐磨性。
再参见图1，对于摩擦件10来说，摩擦材料18限定出粘接至基片16的第一表面 20，和构造成用于可操作地接触被润滑表面12(图2)的第二表面22。摩擦材料18的第一 表面20可以粘接至基片16，该粘接是通过例如酚醛粘合剂层，和/或使经浸溃的摩擦材料 18受压和/或受热以用树脂将摩擦材料18粘接至基片16。另外，树脂可以在将摩擦材料 18粘接至基片16之前或之后固化。摩擦材料18的前述厚度和密度可以通过对摩擦材料 18施加大于或等于摩擦件10的工作压力例如约20MPa的压力来获得。这种工作压力可以 使纤维基材料中的若干聚丙烯腈基碳纤维受压和/或断裂，并且由此将运行过程中若干聚 丙烯腈基碳纤维的进一步断裂和摩擦材料18的压缩变形最小化。
因此，继续参见图1和图2，在运行过程中，第二表面22可操作地接触例如摩擦接 合至邻近的被润滑表面12和与被润滑表面12分离，从而压缩和摩擦相对的被润滑表面12。 换言之，在运行条件允许的情况下，摩擦件10可与被润滑表面12间歇地摩擦接合和协作， 从而润滑剂可被吸入和挤出摩擦件10。
因此，在运行过程中，摩擦件18可被前述的润滑剂渗透。然而，摩擦材料18可以 与任意合适的润滑剂相适配，包括配制有用以尽量减少润滑剂的热分解的添加剂的油和传 动液。
另外如图1所示，摩擦材料18可粘接至基片16的多个表面。换言之，以非限制性 例子来说，摩擦材料18可粘接至基片16的相对两表面或两侧面以可操作地接触两个邻近 的被润滑表面12。例如，尽管未在图2中示出，但摩擦材料18可布置并粘接到基片16的两 个表面，例如基片16的“正面”和“背面”，从而被夹在两个邻近的被润滑表面12之间并可 操作地接触这两个被润滑表面。或者，摩擦材料18可以只粘接至基片16的一个表面上。
此外，对于包括图2中的离合器片组14的应用来说，可以理解的是，若干摩擦件10 可以以任何构造布置在离合器片组14中。另外，若干摩擦件10例如摩擦片和若干被润滑 表面12例如垫板中的每一个都可以包括粘接至基片16的摩擦材料18。换言之，尽管未在 图2中示出，但所述若干被润滑表面12还可以包括摩擦材料18。
摩擦材料18可以具有任意合适的尺寸和/或形状。例如，摩擦材料18可以具有 如图2所示的环形或闭合圈形。或者，尽管未示出，摩擦材料18可以被分割成包括但不限 于弧形、条形、楔形及其组合的形状。摩擦材料18还可以限定出若干模制的和/或切制的 槽，即通道，以便在运行过程中使其中的润滑剂的流动最优化。
以下的实例意在对本发明进行说明，并且不应以任何方式看作是对本发明范围的 限制。
SM
为形成实例I和实例2中的每一个的摩擦材料，按照表I列出的份量将组分A-H 与水相结合以形成浆液。表I列出的组分A-分H的份量是指基于纤维基材料的100份重量的重量份数。将浆液泵送至造纸机的成型网，浆液中的水分经过由成型网限定的开口排出，从而形成湿纸。湿纸被运至造纸机的干燥部段并通过干燥将水分进一步去除，从而由此形成干纸，即实例I和实例2各自的纤维基材料。各纤维基材料然后用树脂J以表I列出的树脂吸收量浸透，以形成实例I和实例2中的每一个的摩擦材料。
表1.摩擦材料组合物
实例I实例2组分A2020组分B1010组分C105组分D5组分E105组分F4045组分G77组分H33·总和100100树脂J6767
组分A是可购自荷兰阿纳姆的帝人芳纶有限公司的TwaranlK 1094原纤化芳纶纤维；
组分B是可购自荷兰阿纳姆的帝人芳纶有限公司的Twarons 1588非原纤化芳纶纤维；
组分C是具有350微米的第三平均长度的AGM94磨碎的聚丙烯腈基碳纤维，并且是可购自新泽西州阿斯伯里的阿斯伯里石墨研磨公司的识别号为AGM94MF350U的产品；
组分D是具有3_的第四平均长度的AGM94短切的聚丙烯腈基碳纤维，并且是可购自新泽西州阿斯伯里的阿斯伯里石墨研磨公司的识别号为AGM94CF3的产品；
组分E是可购自新泽西州帕西帕尼的赢创德固赛公司的Colour BlackFlOl碳粒。
组分F是可购自加利福尼亚州圣巴巴拉的世界矿物公司的281焙烧后的娃藻土。
组分G是可购自荷兰鲁尔蒙德的洛素纤维有限公司的Rockbrake^ RB280- R0xuI* 1000 矿物纤维。
组分H是可购自俄亥俄州阿克伦的翡翠高性能材料有限公司的Hyear4i 1562x117 胶乳。
树脂J是可购自新泽西州帕林的工业峰会科技公司的S K Y IiON Dr 700产品。
将实例I和实例2的摩擦材料与对照例3和对照例4的摩擦材料进行摩擦性能对比，结果总结在表2和表3中。对照例3的摩擦材料是碳纤维强化的塑料摩擦材料。对照例3的摩擦材料包括纤维基材料，该纤维基材料包括嵌入至合成基质中的织造碳纤维。另外，对照例3的摩擦材料包括热固性塑料作为粘合组分并且不包括矿物纤维。
对照例4的摩擦材料是碳纤维强化的碳摩擦材料。对照例4的摩擦材料包括具有织造碳纤维和热解碳的纤维基材料，该热解碳通过烃类气体的化学气相沉积制成。对照例 4的摩擦材料也不包括矿物纤维。·
实例I和实例2以及对照例3和对照例4最后得到的摩擦材料的厚度为32密耳。 每种摩擦材料在232°C的温度下经受约20MPa的压力一分钟来粘接至相应的钢背板基片， 以形成实例I和实例2以及对照例3和对照例4的摩擦件。
法列克司耐久性测试
在法列克司多功能试样试验机上评估实例I和实例2以及对照例3和对照例4的摩擦件的耐磨性和耐压性。每个摩擦件在118°C温度下在齿轮油K中顶靠固定的对置钢表面，在负载下进行一段固定时间的转动。齿轮油K是购自密歇根州底特律的通用汽车公司的Dexmn' LS 75W-90齿轮油。在每个摩擦件穿过压力和表面速度模型前进时，可测量出磨损率、摩擦系数和接触表面上的压力(P，MPa)与表面速度(V，m/s)之间的乘积。特别是每个摩擦件逐步穿过压力和表面速度的模型，其中速度恒定为10. 9m/s，在载荷从1401bf 至7901bf的条件下，压力从O. 54MPa经14步增大至3. 06MPa，在每个加载步骤中连续滑动 10分钟。PV值，即压强-速度值在5. 9MPa m/s至33. 2MPa m/s的范围内。超过24MPa m/ s即超过90分钟后没有发生退化和/或失效的摩擦件，合格通过前述测试。换言之，超过 24MPam/s后没有表现出过度磨损和/或毁坏的摩擦件即被认为是合格的。测试结果列在表 2中。
表2.法列克司耐久性测试结果
权利要求
1.一种摩擦材料(18)，包含 树脂；以及 浸溃有该树脂并具有单片层的纤维基材料，该纤维基材料包括 以第一份量存在的若干芳纶纤维； 以小于该第一份量的第二份量存在的若干聚丙烯腈基碳纤维； 以小于或等于该第二份量的第三份量存在的若干碳粒； 以小于或等于该第二份量的第四份量存在的若干矿物纤维；以及 以大于该第一份量的第五份量存在的娃藻土。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料(18)，其特征是，该硅藻土是平均粒子尺寸为约10微米至约15微米的焙烧后的硅藻土。
3.根据权利要求1所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第五份量为大于或等于约35份重量。
4.根据权利要求2所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第五份量为约40份重量至约50份重量。
5.根据权利要求3所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第一份量为约20份重量至约34份重量。
6.根据权利要求3所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第二份量为约5份重量至约15份重量。
7.根据权利要求1所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第三份量为约3份重量至约15份重量。
8.根据权利要求1所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第四份量为约5份重量至约10份重量。
9.根据权利要求1所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该纤维基材料以约20份重量至约100份重量的树脂吸收量浸溃有该树脂。
10.一种摩擦材料(18)，包含 树脂；以及 浸溃有该树脂并具有单片层的纤维基材料，该纤维基材料包括 以第一份量存在的若干芳纶纤维，该芳纶纤维包括 包括若干原纤化芳纶纤维的第一组分；以及 包括若干非原纤化芳纶纤维的第二组分； 以小于该第一份量的第二份量存在的若干聚丙烯腈基碳纤维，该聚丙烯腈基碳纤维包括 具有第三平均长度的第三组分；以及 具有长于该第三平均长度的第四平均长度的第四组分；以及 以小于或等于该第二份量的第三份量存在的若干碳粒； 以小于或等于该第二份量的第四份量存在的若干矿物纤维；以及 以大于该第一份量的第五份量存在的娃藻土。
11.根据权利要求11所述的摩擦材料(18)，其特征是，基于100份重量的纤维基材料，该第五份量为约40份重量至约47份重量。
12.根据权利要求11所述的摩擦材料(18)，其特征是，该第三组分进一步限定为若干磨碎的聚丙烯腈基碳纤维，该第三平均长度小于约500微米。
13.根据权利要求12所述的摩擦材料(18)，其特征是，该第四组分进一步限定为若干短切的聚丙烯腈基碳纤维，该第四平均长度为约2500微米至约4000微米。
14.根据权利要求11所述的摩擦材料(18)，其特征是，该若干矿物纤维具有第五平均长度，该第五平均长度大于该第三平均长度且小于该第四平均长度。
15.一种用于可操作地接触被润滑表面(12)的摩擦件(10)，该摩擦件(10)包含 基片(16);以及 摩擦材料(18)，该摩擦材料限定出粘接至该基片(16)的第一表面(20)和构造成用于接触该被润滑表面(12)的第二表面(22)，该摩擦材料(18)包含 树脂；以及 浸溃有该树脂并具有单片层的纤维基材料，该纤维基材料包括 以第一份量存在的若干芳纶纤维； 以小于该第一份量的第二份量存在的若干聚丙烯腈基碳纤维； 以小于或等于该第二份量的第三份量存在的若干碳粒； 以小于或等于该第二份量的第四份量存在的若干矿物纤维；和 以大于该第一份量的第五份量存在的娃藻土。
全文摘要
一种摩擦材料(18)包括树脂和浸渍有该树脂的纤维基材料。该纤维基材料具有单片层，并且包括以第一份量存在的若干芳纶纤维、以小于该第一份量的第二份量存在的若干聚丙烯腈基碳纤维、以小于或等于该第二份量的第三份量存在的若干碳粒、以小于或等于该第二份量存在的若干矿物纤维、以及以大于该第一份量的第五份量存在的若干硅藻土。用于可操作地接触被润滑表面(12)的摩擦件(10)包括基片(16)和摩擦材料(18)。该摩擦材料(18)限定出粘接至基片(16)的第一表面(20)和构造成用于接触被润滑表面(12)的第二表面(22)。
文档编号F16D69/02GK103003591SQ201180007758
公开日2013年3月27日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月29日
发明者B·查夫达尔 申请人:伊顿公司