CN1607341A - 混合沉积摩擦材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用作抗震颤摩擦材料的摩擦材料，其具有作为基层的纤维状基材和在基层的至少一个表面上包含碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物的第二层。

Description

混合沉积摩擦材料
技术领域
本发明涉及一种摩擦材料，其具有作为基层的纤维状基材和在基层的至少一个表面上包含碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物的第二层。
本发明还涉及制备上述摩擦材料的方法。
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，需要新的高性能、耐久的摩擦材料。该新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)。根据操作条件，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 chutch)；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 chutch)。
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。
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。
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)衬面压力的压缩形变。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，其中的基层包含纤维化较少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料；碳颗粒和助留剂的第二层。美国专利No.5,958,507涉及生产摩擦材料的方法，其中至少一个包含有纤维化较少的芳族聚酰胺纤维的纤维材料表面的至少3-90％涂覆了碳颗粒和助留剂，用酚醛树脂或改性的酚醛树脂浸渍并固化。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，其中的纤维状基材具有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，和任选的棉纤维的多孔基层，碳颗粒的第二层覆盖了约3-约90％的表面。
此外，共有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)描述了各种基材。另一个共有专利，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。
另一个共有专利申请，Serial No.09/707,274，现已被许可，涉及具有多孔基层和覆盖该基层表面约3-约90％的硅石颗粒的第二层的摩擦材料。在优选的方面中，摩擦改性颗粒包含至少一种硅石颗粒、树脂粉末、碳粉或颗粒和/或部分炭化的粉末或颗粒及其混合物。
为了使摩擦材料可用于“湿法”用途，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形变、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。
同样重要的是要有适用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摩擦材料被公开，该材料包括包含基层的纤维状基材，所述基层至少具有部分沉积在其上的摩擦改性颗粒第二层，所述摩擦改性颗粒包含硅石材料和碳颗粒的混合物。
因此，本发明的一个目的是提供与现有技术那些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、“抗压模量(compression modulus)”、抗“局部过热(hot spot)”性能、高耐热性能、高摩擦稳定性和耐久性、孔隙率、强度以及弹性的摩擦材料。
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，其中在使用中该摩擦材料被流体“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。
本发明涉及非石棉纤维状基材，其包含基层和包含沉积在基层上的摩擦改性颗粒的第二层。
当基层包含的纤维状基材包含单独的芳族聚酰胺纤维和/或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时，本发明是特别有用的。在某些实施例中，纤维化较少的芳族聚酰胺纤维生成了多孔的纤维状基材。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。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。相对少量棉纤维的存在为摩擦材料提供了所需的“磨合”特性，这样在摩擦材料的最初使用中几乎没有或没有震颤发生。
本发明在制动器和离合器中特别有用。本发明提供了具有最佳量的沉积在纤维状基材的至少一个表面上的碳质材料和摩擦改性材料混合物的纤维状基材。在某些优选实施方案中，这种材料混合物在纤维状基材的制备过程中沉积在纤维状基材上。
在一个方面，本发明涉及具有基层的摩擦材料，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。
碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物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。混合物中的碳质材料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，这样在摩擦材料的最初使用中几乎没有或没有震颤发生。
所述碳质材料和摩擦改性颗粒的第二，或顶层沉积在基层上以形成纤维状基材。各种可用于第二层中的碳质材料包括碳颗粒、石墨、碳纤维等。各种可用于纤维状基材的第二层中的摩擦改性颗粒包括硅藻土(celite)、硅藻土(diatonic earth)、弹性体、填料、硅、硅藻土(celatom)等。特别地，硅石颗粒如硅藻土(diatonicearth)、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。
本发明的摩擦材料具有改进的抗“局部过热(hots pot)”性能、“平滑换挡”所需的摩擦特性、高耐热性能、耐久性、弹性、改进的强度以及孔隙率。
各种摩擦改性颗粒可用做纤维状基材的第二层。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30重量％，优选约2-10重量％，最优选约3-5重量％的量存在。
另一种在所述的第二层中特别适用的摩擦改性材料是多孔碳材料。在某些实施方案中，碳颗粒是特别有用的。还有，在一个特定的实施方案中，所述第二层包含以优选比率沉积在基层表面上的硅颗粒和碳颗粒的混合物。在某些实施方案中，该第二层包含约20％-约35重量％的硅石颗粒和约65％-约80％的碳颗粒，基于摩擦改性颗粒的总重量计。
这样，在某些方面中，本发明涉及一种摩擦材料，其包含用至少一种可固化树脂浸渍过的纤维状基材，其中的纤维状基材包含高纤维含量的多孔基层且第二层在基层的至少一个表面上包含摩擦改性颗粒。在某些实施方案中，该第二层包含约5％-约15重量％的摩擦改性颗粒，基于纤维状基材的重量计。
本发明的另一个方面涉及制备摩擦材料的方法，包括以下步骤：形成高纤维含量的纤维状基材，用包含碳颗粒和硅石颗粒的混合物的摩擦改性颗粒涂覆纤维状基材的至少一个表面的约3％-约30％，该摩擦改性颗粒以约0.2-约20重量％的量存在，基于纤维状基材重量计；用酚醛树脂或酚醛基或酚醛-有机硅树脂混合物浸渍经涂覆的纤维状基材；然后在预定温度固化经浸渍的纤维状基材预定的时间。
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性能、耐久的摩擦材料。
附图说明
图1a和1b是对比例A在110℃(图1a)和50℃(图1b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(μPVT)。
图2a和2b是对比例B在110℃(图2a)和50℃(图2b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(PVT)。
图3a和3b是实施例1在110℃(图3a)和50℃(图1b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(PVT)。
图4a和4b是实施例2在110℃(图4a)和50℃(图4b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(PVT)。
图5a-5d是对对比例A的起始(μi)(图5a)，动态(μd)(图5b)和最终(μ0)(图5c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图5d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图6a-6d是对对比例B的起始(μi)(图6a)，动态(μd)(图6b)和最终(μ0)(图6c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图6d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图7a-7d是对对比例A的起始(μi)(图7a)，动态(μd)(图7b)和最终(μ0)(图7c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图7d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图8a-8d是对对比例A的起始(μi)(图8a)，动态(μd)(图8b)和最终(μ0)(图8c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图8d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图9a是表示采用自动传动液“B”进行高速步进“局部过热”试验条件的曲线图。
图9b是表示对比例A、对比例B、实施例1和实施例2的高速步进“局部过热”试验结果的曲线图。
图10a是表示实施例1、实施例2和对比例B中间摩擦系数(midcoefficient of friction)的曲线图。
图10b是表示实施例1、实施例2和对比例B活塞位移(mm)的曲线图。
图10c是表示实施例1、实施例2和对比例B起始摩擦系数的曲线图。
图10d是表示实施例1、实施例2和对比例B最终摩擦系数的曲线图。
图11是表示实施例1、实施例2、对比例A和对比例B高速耐久性试验的曲线图。
图12是表示实施例1、实施例2、对比例D、对比例E、对比例F和对比例G在6000rpm下摩擦片磨损(英寸)的曲线图。
图13是表示实施例1、实施例2、对比例B和对比例C抗压模量的曲线图。
图14a是通过对比1、5、10、15、20、25和30循环中摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)来表示实施例1的μ-V耐久性关系(恒定速度法)的曲线图。
图14b是表示实施例1的斜率/循环的曲线图。
图15a是通过对比1、5、10、15、20、25和30循环中摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)来表示实施例2的μ-V耐久性关系(恒定速度法)的曲线图。
图15b是表示实施例2的斜率/循环的曲线图。
图16是制备高纤维含量纤维状基材及由其形成的摩擦材料的方法的示意图。
具体实施方式
本发明的摩擦材料具有改进的摩擦系数性能和高热稳定性。本发明的摩擦材料还具有理想的抗压模量与理想的耐久性。同时，该摩擦材料还具有改进的弹性和改进的孔隙率，这使得使用摩擦材料中热量的散逸更为均匀。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移动。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”现象。
摩擦材料孔隙率越高，热散逸效率就越高。当摩擦材料是多孔的，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。
本发明涉及非石棉纤维状基材，其包含基层和包含沉积在基层上的摩擦改性颗粒的第二层。
在一个特定的实施方案中，基层包含纤维和填料。还有，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。在某些实施方案中，碳纤维在基层中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。
在特定的实施方案中，当与较高浓度的，约80-约90重量％的棉或其它类型的纤维素纤维组合时，纤维状基材具有约10-约20％，在某些实施方案中为约15重量％的芳族聚酰胺纤维。
在其它的特定实施方案中，当与约40-约50重量％的碳纤维组合时，纤维状基材具有约50-约60％，在某些实施方案中为约55重量％的芳族聚酰胺纤维。
当在纤维状基材中采用碳纤维提供良好的导热作用时，摩擦材料具有理想的耐热性能。在特定的实施方案中，纤维状基材具有约5-约20％，在某些实施方案中为约10-约15重量％的碳纤维。
在其它的特定实施方案中，在纤维状基材中采用纤维化较少的芳族聚酰胺纤维和碳纤维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流体渗透性来定义。在优选实施方案中，纤维状基材确定的孔隙直径的平均尺寸为约2.0-约25μm。在某些实施方案中，平均孔径尺寸为约2.5-约8μm，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(air void)。
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流体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，当摩擦材料最初具有较大孔隙时，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。
同时，在某些实施方案中，芳族聚酰胺纤维的长度为约0.5-约10mm且Canadian Standard Freeness(CSF)大于约300是理想的。这样，在某些实施方案中，芳族聚酰胺纤维具有Canadian StandardFreeness指数为约350-约650的打浆度。在某些其它的实施方案中，需要采用CSF为约450-约550，优选约530并更高的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；和在其它的某些实施方案中，CSF为约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，其打浆度为约285-290。
“Canadian Standard Freeness”(T227om-85)意味着纤维的纤维化程度可以作为纤维打浆度的量度来描述。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打浆度一同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。
在本发明范围内的其它的实施方案在纤维状基材中包括合成石墨以为该纤维状基材提供比其它类型的石墨材料更三维的结构。通过对原材料如石油焦炭和煤焦油沥青粘合剂的石墨化来制备合成石墨。在特殊的石墨化炉中，将原料混合并加热到约2800-约3000℃的温度以将焙烤的碳体(carbon body)转化为多晶石墨颗粒。合成石墨(其具有高导热率)，与其它类型的石墨材料相比，为摩擦材料提供了更快速散逸热量的能力。在某些实施方案中，合成石墨的尺寸优选在约20-约50微米的范围内。在这些实施方案中，发现如果石墨颗粒的尺寸太大或太小，则不能获得最佳的三维结构，结果是热量散逸不是最佳。在特定的实施方案中，约20-约40重量％的石墨包含于纤维状基材的配方中。
少量的至少一种填料也可以用于本发明纤维状基材的基层中。例如，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，并且填料的选择取决于对摩擦材料的具体要求。特别地，现在发现较少量，优选约3-约15重量％的填料提供了特别有用的基层。
在某些实施方案中，其中基层中存在碳纤维，优选不含棉纤维。在其它不含碳纤维的实施方案中，纤维状基材的基层中较高量的棉纤维，如约40-50重量％，以经济的成本改进了摩擦材料离合器的“磨合”特性。在这些实施方案中，向本发明的纤维状基材中加入棉纤维赋予纤维状材料更高的摩擦系数。在某些实施方案中，还可以向纤维状基材中加入约40-约50％，和在某些实施方案中约45％的棉。
至少一种乳胶类材料可以包含在纤维状基材中。在特定的实施方案中，纤维状基材可以具有约0-约3％，在某些实施方案中，约2重量％的乳胶类材料。
纤维状基材的基层配方的一个实例包含约40-约60重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约5-约20重量％的碳纤维；约10-约20重量％的棉纤维，约3-约15重量％的炭颗粒；约3-约15重量％的填料和约0-约3重量％的乳胶类材料。
高纤维含量纤维状基材的基层配方的另一个实例包含约50-约60重量％的芳族聚酰胺纤维；约40-约10重量％的棉纤维；约5-15重量％的碳纤维；约20-约30重量％的石墨颗粒和约5-约15重量％的填料。
高纤维含量纤维状基材的基层配方的又一个实例包含约50-约60重量％的芳族聚酰胺纤维；约5-15重量％的碳纤维；约20-约30重量％的石墨和约5-约15重量％的硅石填料。
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％，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。
将包含碳质材料和摩擦改性颗粒的第二层沉积在基层上以形成纤维状基材。将摩擦改性颗粒的混合物用作纤维状基材基层上的第二层提供了高耐热性和高耐久性的纤维状基材。
在纤维状基材的基层上采用碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物也为纤维状基材提供了三维结构。
令人吃惊地发现，硅石颗粒和碳颗粒的组合，作为纤维状基材的第二层，当以优选比率存在时是特别有用的。
在某些实施方案中，有用的摩擦改性颗粒包括所需的硅石颗粒和部分和/或完全炭化的碳颗粒的混合物。例如，该第二层包含以下物质的混合物：i)硅藻土颗粒和ii)完全炭化的碳颗粒或部分炭化的碳颗粒，及其混合物。
在某些实施方案中，该第二层混合物包含以约4份硅石颗粒比约1份碳颗粒的比率存在的硅石颗粒和碳颗粒。在其它实施方案中，该比率为约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，这样使任何的“震颤”最小化。所述碳颗粒尽管较为昂贵，但为摩擦材料提供了特别有益的抗局部过热性能和高摩擦稳定性和耐久性。
纤维状基材基层表面上碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物的第二层的均匀性是通过采用尺寸优选为约0.5-约80μm和优选约0.5-约20μm的颗粒来实现的。在这些特定实施方案中，发现如果摩擦改性颗粒尺寸太大或太小，则不能获得最佳的三维结构，结果是热量散逸不是最佳。
在优选实施方案中，碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物的在基层上的量为摩擦纸的约0.2-约20重量％，在某些实施方案中，为约2-约15重量％，和在某些优选实施方案中为约2-约5重量％。在优选实施方案中，在基层表面上混合物覆盖的面积为表面积的约3-约90％。
生产摩擦材料的优选方法包括混合各成分以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碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物的第二层涂覆。然后，经混合物涂覆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，固化该经浸渍、涂覆的纤维状基材预定的时间以形成摩擦材料。
可以采用各种方法浸渍本发明的摩擦材料。用酚醛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。纤维状基材用树脂浸渍后，加热经浸渍的纤维状基材至所需温度达预定时间以形成摩擦材料。该加热在约300°F的温度固化酚醛树脂。当存在其它树脂时，如有机硅树脂，该加热在约400°F的温度固化有机硅树脂。然后，经浸渍并固化的摩擦材料通过适当方式粘附在所需基底上。
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、硅酮、桐油、苯、槚如果油(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树脂和酚醛-有机硅树脂的实例公开于以上参考的BorgWarner美国专利中，将其全文引入作为参考。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mmHg：21，蒸气密度(空气＝1)为4.8，几乎不溶于水，比重为约1.09，百分挥发度为5重量％，蒸发率(乙醚＝1)低于0.1，闪点约为149°F(65℃)。应当理解，其它的有机硅树脂可用于本发明。其它有用的树脂混合物包括，例如适用的酚醛树脂，其包含(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(不包括溶剂和其它操作助剂)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，纤维状基材吸收的树脂的目标量优选为约35-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不同。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，用能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。当与酚醛树脂混合并用来浸渍纤维状材料时，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(lining wear)的可能性。有机硅树脂与酚醛树脂混合在一起后，将混合物用来浸渍纤维状基材。
图16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包含底层14，其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，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(未表示)也是有用的。
已经发现，在纤维状基材的基层上碳质材料和摩擦改性颗粒混合物的第二层为摩擦材料提供了良好的抗震颤特性、高耐久性、良好的耐磨性和改进的磨合特性。
实施例
滑动式离合器界面技术要求：本发明的摩擦材料被设计为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、耐久性、稳定性和抗震颤性能。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、高温度传导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。
以下实施例进一步证明本发明的摩擦改性颗粒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I
转矩曲线说明本发明摩擦材料主要用于高速、高能量和高温用途中。稳定的转矩曲线还表示了该摩擦材料是无噪音的。
表1表示了对比例A和B，和实施例1和2的配方。表1还表示了所示实施例的基重、填隙料(caliper)、孔隙率、干和湿拉伸和灰分性能。新材料包含具有最佳量碳纤维的基层和包含碳和硅藻土以及任选的助留剂如乳胶的混合物的第二层。在所述第二层中，在优选实施方案中，碳颗粒与硅石的比例为约1∶4-约1∶2。
                         表1
配料％基层 实施例1 实施例2 对比例A 对比例B
芳族聚酰胺纤维   55   55   20-25   40-60
碳9μm   15   15   10-20
棉   25-35
石墨   25   25   15-25   10-20
硅石   5   5   20-30   15-25
乳胶   2   2
WSR   X2   X2
第二层
碳纤维   15％   15％
沉积量(lb)碳   2   3   2
沉积量(lb)硅藻土   4   6   8
乳胶％   2   2
基重   165.5   168
填隙料   29.5   30
孔隙率   21.9   21.7
干拉伸   7750   7014
湿拉伸   4957   4439
灰分   14.85   16.56
实施例II
μPVT转矩曲线提供了关于本发明材料的进一步的信息。
图1a和1b是对比例A在110℃(图1a)和50℃(图1b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(μPVT)。
图2a和2b是对比例B在110℃(图2a)和50℃(图2b)，在各各种浓度和速度下的转矩曲线(μPVT)。
图3a和3b是实施例1在110℃(图3a)和50℃(图1b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(μPVT)。
图4a和4b是实施例2在110℃(图4a)和50℃(图4b)，在各种浓度和速度下的转矩曲线(μPVT)。
实施例III
实施例III表示了表示起始摩擦系数μi，动态系数(μd)和最终摩擦系数(μo)以及所示速度的μo/μd的比率的S12μ-PVT试验。
图5a-5d是对对比例A的的起始(μi)(图5a)，动态(μd)(图5b)和最终(μ0)(图5c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图5d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图6a-6d是对对比例B的起始(μi)(图6a)，动态(μd)(图6b)和最终(μ0)(图6c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图6d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图7a-7d是对对比例A的起始(μi)(图7a)，动态(μd)(图7b)和最终(μ0)(图7c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图7d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
图8a-8d是对对比例A的起始(μi)(图8a)，动态(μd)(图8b)和最终(μ0)(图8c)摩擦系数和最终/动态(μ0)/(μd)(图8d)摩擦系数比相对于施加的衬面压力KPA的关系进行对比的曲线图。
实施例IV
实施例IV表示了高速步进试验。图9a是表示采用自动传动液“B”进行高速步进“局部过热”试验测试条件的曲线图。
图9b是对比例A、对比例B、实施例1和实施例2的高速步进“局部过热”试验结果的曲线图。
实施例V
实施例V表示了采用传动液“B”的高速步进试验的结果，其中本发明的实施例表示出较少的厚度损失和较好的摩擦系数。图10a是表示实施例1、实施例2和对比例B中间摩擦系数的曲线图。
图10b是表示实施例1、实施例2和对比例B活塞位移(mm)的曲线图。此外，本发明的实施例比对比材料持续的循环更多。
图10c是表示实施例1、实施例2和对比例B起始摩擦系数的曲线图。
图10d是表示实施例1、实施例2和对比例B最终摩擦系数的曲线图。
实施例VI
实施例VI表示了S18高速耐久性试验的结果。图11是表示实施例1、实施例2、对比例A和对比例B高速耐久性试验的曲线图，其中本发明的实施例2进行了1200个循环以上。
实施例VII
实施例VII表示了在6000rpm下摩擦片磨损的结果(英寸)。图12是表示实施例1、实施例2、对比例D、对比例E、对比例F和对比例G在6000rpm下摩擦片磨损(英寸)的曲线图，其中这些对比材料具有不同的基层和第二层。
实施例VIII
实施例VIII表示了对比例B和对比例C以及实施例1和2的物理性能。
图13是表示了这些材料0-2 MPA和2-9 MPA的抗压模量。应当注意的是，模量越低，材料的弹性越高。本发明的材料具有非常理想的弹性。
实施例VIV
实施例VIV表示采用自动传动液“B”进行的μ-V耐久性试验。
图14a是通过对比1、5、10、15、20、25和30循环中摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)来表示实施例1的μ-V耐久性关系(恒定速度法)的曲线图。
图14b是表示实施例1的斜率/循环的曲线图。
图15a是通过对比1、5、10、15、20、25和30循环中摩擦系数(μ)与滑动速度(rpm)来表示实施例2的μ-V耐久性关系(恒定速度法)的曲线图。
图15b是表示实施例2的斜率/循环的曲线图。
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、摩擦盘或系统板中的高能摩擦材料。
以上对本发明的优选和替换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。

Claims (23)

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，该纤维状基材包含一个多孔基层和一个第二层，该第二层在基层的至少一个表面上包含碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物。
2.权利要求1的摩擦材料，其中该第二层包含约5％-约35重量％的碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物，基于纤维状基材的重量计。
3.权利要求1的摩擦材料，其中该第二层包含碳颗粒和硅石颗粒的混合物。
4.权利要求3的摩擦材料，其中该碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物以约0.2-约20重量％的量存在，基于纤维状基材的重量计，该碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物覆盖了基层表面积的约3％-约30％。
5.权利要求3的摩擦材料，其中该第二层包含约20％-约35重量％的硅石颗粒和约65％-约80％的碳颗粒，基于摩擦改性颗粒的总重计。
6.权利要求1的摩擦材料，其中该摩擦改性颗粒具有约0.5-约20μm的平均尺寸，而且其中该碳质材料包含至少一种平均长度为约0.5-约6mm的碳纤维或平均直径尺寸为约1-约80μm的碳颗粒。
7.权利要求3的摩擦材料，其中该摩擦改性颗粒包含以下物质的混合物：i)硅藻土颗粒和ii)完全炭化的碳颗粒或部分炭化的碳颗粒、及其混合物。
8.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25μm的孔隙直径。
9.权利要求1的摩擦材料，其中该基层具有易于得到的至少约50％的空气空隙。
10.权利要求1的摩擦材料，其中该纤维状基材包含至少一种芳族聚酰胺纤维、棉纤维、石墨颗粒和至少一种填料。
11.权利要求10的摩擦材料，其中该芳族聚酰胺纤维具有约350-约650 Canadian Standard Freeness指数的打浆度。
12.权利要求10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。
13.权利要求10的摩擦材料，其中该填料包含硅藻土。
14.权利要求10的摩擦材料，其中该纤维状基层包含约50-约6重量％的芳族聚酰胺纤维；约40-约10重量％的棉纤维；约5-15重量％的碳纤维；约20-约30重量％的石墨颗粒和约5-约15重量％的填料。
15.权利要求1的摩擦材料，其用约35-约40重量％的至少一种下列树脂浸渍过：酚醛树脂、改性的酚醛树脂或酚醛树脂和有机硅树脂的混合物，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，其中酚醛树脂存在于一种溶剂物质中，并且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。
16.权利要求1的摩擦材料，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，碳纤维、石墨颗粒和至少一种填料。
17.权利要求16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。
18.权利要求17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。
19.权利要求16的摩擦材料，其中该纤维状基层包含约50-约60重量％的纤维化较少的芳族聚酰胺纤维；约5-约20重量％的碳纤维；约20-约30重量％的石墨颗粒和约3-约15重量％的填料。
20.一种制备摩擦材料的方法，其包括：
形成一种纤维状基材，
用碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物涂覆该纤维状基材的至少一个表面的约3％-约90％，该摩擦改性颗粒以约0.2-约20重量％的量存在，基于纤维状基材重量计；和
用酚醛树脂、酚醛基树脂或酚醛-有机硅树脂混合物浸渍经涂覆的纤维状基材；然后在预定温度固化该经浸渍的纤维状基材达预定的时间。
21.一种制备摩擦材料的方法，其包括：
用碳质材料和摩擦改性颗粒的混合物涂覆多孔纤维状基材的至少一个表面的约3％-约90％，其中该碳质材料包含平均长度为约0.5-约6mm和平均直径尺寸为约1-约15μm的碳纤维，该碳纤维以约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，和
然后在预定温度固化该经浸渍的纤维状基材达预定的时间。
22.权利要求21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。
23.权利要求22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。
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