專利名稱：一種具有對稱幾何形狀的改性摩擦層的摩擦材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有第一層或底層以及第二層或頂層的摩擦材料，其中第一層或底層包括浸透至少一種可固化樹脂的基體材料，第二層或頂層包括至少一種改性摩擦顆粒，所述改性摩擦顆粒具有對稱幾何形狀。本發(fā)明的摩擦材料具有高摩擦系數(shù)和很高的耐熱性。這種摩擦材料還提高了強度、耐磨性和噪阻。
背景技術：
汽車工業(yè)正在開發(fā)新的先進的具有連續(xù)滑動扭矩變換器和換擋離合系統(tǒng)的連續(xù)扭矩傳遞系統(tǒng)。這些新的系統(tǒng)通常有較高的能量要求。因此，摩擦材料技術也必須發(fā)展以滿足這些先進系統(tǒng)的高能量要求。
具體地，需要有一種新的高性能和耐用的摩擦材料。新摩擦材料必須能夠承受較高的速度，其中表面速度達到大約65米/秒。而且，這種摩擦材料必須能夠承受高達大約1500磅/平方英寸的襯面壓力。這種摩擦材料可在有限的潤滑狀態(tài)下使用也是同樣重要的。
這種摩擦材料必須耐用并具有高耐熱性以用于新的先進系統(tǒng)。這種摩擦材料不但在高溫下必須保持穩(wěn)定，而且必須能夠快速消散工作過程中產(chǎn)生的高熱。
新系統(tǒng)在接合和脫離時產(chǎn)生的高速要求摩擦材料在接合過程中必須能夠保持相對恒定的摩擦。重要的是，摩擦接合要在很大的速度和溫度范圍內(nèi)保持相對恒定，從而使制動過程中材料的“抖動”或能量從一個齒輪轉(zhuǎn)移到另一個齒輪時傳遞系統(tǒng)的“抖動”減到最小。同樣重要的是，摩擦材料必須具有要求的扭矩曲線形狀，使得在摩擦接合時摩擦材料沒有噪音或“尖聲”。
具體地，傳遞和扭矩即時響應系統(tǒng)主要是為了提高燃料效率和駕駛舒適性而采用滑動離合器。在這些系統(tǒng)中的滑動離合器的作用可從車輛啟動裝置如濕起動離合器變化到扭矩變換離合器。根據(jù)工作狀態(tài)，滑動離合器主要可分為三種(1)低壓力和高滑速離合器，如濕起動離合器；(2)高壓力和低滑速離合器，如轉(zhuǎn)換離合器；和(3)極低壓力和低滑速離合器，如空檔至空轉(zhuǎn)離合器。
在滑動離合器的所有應用中，受關注的主要性能是防止抖動和摩擦接合面的能量控制。抖動的發(fā)生可歸于許多因素，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動性、潤滑劑化學性質(zhì)和相互作用、離合器的工作狀態(tài)、動力傳動系統(tǒng)組件和部件準直性、以及動力傳動系統(tǒng)的污染。摩擦接合面的能量控制主要涉及控制接合面的溫度，及泵容量、油流徑以及控制方法對其的影響。摩擦材料的表面設計也有助于提高接合面能量控制的效率。
以前，為了溫度穩(wěn)定摩擦材料含有石棉纖維。但由于產(chǎn)生了健康和環(huán)境問題，已不再使用石棉。較新的摩擦材料試圖通過用酚醛樹酯或酚醛改性樹酯對浸漬紙或纖維材料改性來解決摩擦材料不能用石棉帶來的問題。但是，這些摩擦材料不能快速消散所產(chǎn)生的高熱，也不具有目前正在開發(fā)的高速系統(tǒng)所必需的耐熱性和令人滿意的高摩擦系數(shù)性能。
Kearsey的美國專利No.5,585,166中介紹了一種具有多孔基層(纖維素和合成纖維、填充物和熱固性樹脂)和多孔摩擦層(在熱固性樹脂中的無紡合成纖維)的多層摩擦襯里，其中摩擦層具有比基層更高的孔隙度。
Seiz的美國專利No.5,083,650涉及一種多步浸漬和固化工藝；即，用一種涂料組分浸漬紙張，將碳顆粒布置在紙張上，使紙張中的涂料組分部分固化，將第二種涂料組分涂敷到部分固化的紙張上，最后使兩種涂料組分固化。
已經(jīng)研制出許多由本專利受讓人和BorgWarner公司共同擁有的用于摩擦材料的紙基纖維材料。所有這些參考文獻都被本說明書引用參考。
具體地，Lam等人的美國專利No.5,998,307涉及一種具有可固化樹脂浸漬的纖維基體材料的摩擦材料，其中多孔主層包括至少一種纖維材料，次層包括覆蓋主層表面至少大約3％至大約90％的碳顆粒。
Lam等人的美國專利No.5,858,883涉及一種具有主層和次層的基體材料，其中主層具有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、人造石墨、和至少一種填充物，次層包括在主層表面上的碳顆粒。
Lam等人的美國專利No.5,856,224涉及一種摩擦材料，包括可固化樹脂浸漬的基體材料。其中主層包括較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、人造石墨和填充物；次層包括碳顆粒和保持劑。
Lam等人的美國專利No.5,958,507涉及一種用來生產(chǎn)摩擦材料的方法，其中包括較少原纖維的聚芳基酰胺纖維的纖維材料的至少一個表面上有大約3％至大約90％的面積涂復著碳顆粒。
Lam等人的美國專利No.5,856,224涉及一種摩擦材料，包括可固化樹脂浸漬的纖維基體材料。其中多孔主層包括有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、碳顆粒、碳纖維、填充材料、酚醛諾沃洛伊德纖維、以及可選擇的棉花纖維構成。次層包括覆蓋表面大約3％至大約90％的碳顆粒。
還有另一項共同擁有的專利申請No.09/707,274涉及一種紙類摩擦材料，具有多孔基體纖維主層和覆蓋主層表面區(qū)域大約3％至大約90％的改性摩擦顆粒。
此外，在由BorgWarner公司和Lam等人共同擁有的美國專利No.5,753,356和5,707,905中介紹了許多紙基纖維基體材料，這些基體材料包括有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、人造石墨和填充物，所有這些參考文獻也都被本說明書引用參考。
另一項由Lam等人共同擁有的美國專利No.6,130,176涉及非金屬的紙基纖維基體材料，包括較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、碳素纖維、碳顆粒和填充物。
對于各種類型的摩擦材料，為了能夠用于“濕”條件下，摩擦材料必須具有多種令人滿意的特性。摩擦材料必須具有良好的防抖動性；具有高耐熱性和能夠迅速散熱；并且具有持久、穩(wěn)定和恒定的摩擦性能。如果這些特性中的任何一項不能滿足，就不能實現(xiàn)摩擦材料的最佳性能。
為了形成高能量用途的摩擦材料，在摩擦材料中使用適當?shù)慕n樹脂也是十分重要的。在使用過程中浸泡于制動液或傳動油中的摩擦材料必須具有良好的抗剪強度。
因此，本發(fā)明的一個目的是要提供一種改進的摩擦材料，與現(xiàn)有技術中的摩擦材料相比，具有更加可靠和優(yōu)越的性能。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種摩擦材料，能夠提高“防抖動”性、抗“熱點”性，并具有高耐熱性、高摩擦穩(wěn)定性，而且使用壽命長、強度高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有第一層和第二層的摩擦材料，其中第一層包括基體材料和至少一種樹脂材料，第二層包括所述基體材料頂面上的至少一種改性摩擦顆粒。所述改性摩擦顆粒具有至少一種基本上對稱的幾何形狀。在某些實施例中，第二層的平均厚度為大約30微米至大約200微米，頂層的流體滲透率比第一層的低。在某些優(yōu)選實施例中，改性摩擦顆粒大體上是扁平狀或片狀的。


圖1是帶有規(guī)則幾何形狀的改性摩擦材料頂層的摩擦材料的示意圖；圖2是掃描電鏡圖像，示出了在基體材料上的圓片狀規(guī)則鈣鐵石改性摩擦顆粒；圖3是顯示對比實例A和對比實例C的μ-v斜率與滑動時間的關系曲線圖；圖4a是顯示對比實例A的低油流數(shù)據(jù)的曲線圖，圖4b是顯示具有很好的防抖動特性的實例1的低油流數(shù)據(jù)的曲線圖；圖5a和5b是實例1材料的每層80微米的切開試樣的光學視圖；圖5a是前視圖，圖5b是后視圖；圖6a和6b是實例1材料的每層100微米的切開試樣的光學視圖；圖6a是前視圖，而圖6b是后視圖。
具體實施例方式
為了達到上述要求，在類似于實際工作的條件下對許多摩擦材料的摩擦和耐熱性能作了評估。對市場上可買到的摩擦材料進行了研究，證明不適合用于高能量的用途。
根據(jù)本發(fā)明，摩擦材料的基體材料中均勻散布有固化樹脂，在基體材料的頂面或外表面上有一層基本均勻的改性摩擦材料。
頂層或第二層中具有規(guī)則幾何形狀的改性摩擦顆粒沉積在基體材料的頂面上。作為頂層設置在基體材料上的改性摩擦材料可使摩擦材料具有許多優(yōu)越的性能，包括良好的持油性和摩擦面上獨特油流。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基體材料層比改性摩擦顆粒頂層有更加多的孔。因此，頂層沿法線方向比基體層具有更低的滲透率。頂層較低的法向流體滲透率以及微小規(guī)則峰谷型硬固體表面構形使油能夠保持在摩擦面上并形成摩擦面上的油流通道。因而可以實現(xiàn)有效的表面冷卻機制和恒定的表面潤滑作用。此獨特特性，即獨特的表面結構，使得本發(fā)明的材料在滑動離合器中十分耐用。此外，改性摩擦顆粒具有的對稱圓形使得本發(fā)明的摩擦材料具有比其它顆粒形狀不規(guī)則的摩擦材料小得多的磨損。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所涉及的摩擦材料包括由至少一種可固化樹脂浸透的基體材料和至少一種具有規(guī)則幾何形狀的改性摩擦顆粒。改性摩擦顆粒的規(guī)則幾何形狀可以改進摩擦材料的表面持油性和油流。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，具有規(guī)則幾何形狀的改性摩擦材料包括扁平的鈣鐵石圓片。當具有規(guī)則幾何形狀如扁平圓片形的改性摩擦顆粒用作基體材料上的頂層時，可形成獨特的表面層積形式可以改進摩擦面上的持油性和油流。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基體材料的平均孔隙率從大約50％到大約85％。在某些實施例中，基體材料的平均孔隙/空隙/間隙直徑為大約5微米。
而且，在某些實施例中，改性摩擦顆粒包括硅石、鈣鐵石顆粒，而在其它一些實施例中，改性摩擦顆粒包括硅藻土。在本發(fā)明的一個特別方面，改性摩擦顆粒包括具有規(guī)則形狀的鈣鐵石。用于本發(fā)明的改性摩擦材料可以具有特定的幾何形狀，如對稱幾何形狀。由于對稱形狀的改性摩擦顆粒堆積層具有微小規(guī)則峰谷型硬固體表面構形，所以對稱幾何形狀的改性摩擦顆?？墒挂恍櫥瑒┍３衷谀Σ撩嫔喜⑿纬赡Σ撩嫔系挠土魍ǖ?。在某些實施例中，鈣鐵石被用作改性摩擦材料，因為鈣鐵石通常具有對稱形狀。在使用時，幾何形狀對稱的改性摩擦顆粒層上的油層或流體層可在表面上保持油流薄膜，因此使油或流體開始就難以滲入摩擦材料中。改性摩擦材料頂層使流體潤滑劑保持在表面上，因而增大摩擦材料的持油能力。本發(fā)明的摩擦材料使得能夠在其表面上保持一層油膜。因此具有良好的摩擦系數(shù)和滑動使用壽命。
通過測量液體流經(jīng)摩擦材料的滲透速度，可以知道流體材料滲入本發(fā)明的摩擦材料頂層很慢，因為很難推動流體穿過頂層。
摩擦材料還包括在第一層或基體材料頂面上的具有規(guī)則幾何形狀的改性摩擦顆粒頂層或第二層。作為頂層設置在基體材料上的改性摩擦材料可使摩擦材料具有許多優(yōu)越的性能，包括良好的持油性和表面油流特性。
在本發(fā)明的預期范圍內(nèi)，本發(fā)明的其他一些實施例中，規(guī)則幾何形狀的改性摩擦顆粒還可以包括其它改性摩擦顆粒如金屬氧化物、氮化物、碳化物，而在另外一些實施例中，可以包括碳顆粒和硅石顆粒的混合物。
在本發(fā)明的預期范圍內(nèi)，某些實施例還可以包括如氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈦等類似的物質(zhì)；氮化硅、氮化鐵、氮化鋁、氮化鈦等類似的物質(zhì)；以及，碳化硅、碳化鐵、碳化鋁、碳化鈦等類似的物質(zhì)。
許多基體材料可用作本發(fā)明的摩擦材料，包括非石棉的基體材料，比如織物材料、紡織和/或無紡材料。舉例來說，適當?shù)幕w材料包含纖維和填充物。這些纖維可以是有機纖維、無機纖維和碳素纖維。有機纖維可以是聚芳基酰胺纖維，如有原纖維的和/或無原纖維的聚芳基酰胺纖維、丙烯酸系纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、聚酰胺纖維、棉花/纖維素纖維和類似的纖維。填充物比如可以是硅石、硅藻土、石墨、氧化鋁、賈如樹粉末和類似的物質(zhì)。
在其它實施例中，基體材料可以包括紡織材料、無紡材料以及紙基材料。而且，在上面所介紹的BorgWarner的美國專利公開了可用于本發(fā)明的各種基體材料的實例，本文引用參考其全部內(nèi)容。然而應當認識到，本發(fā)明的其它實施例可以包含不同的基體材料。
在某些實施例中，摩擦材料包括有許多孔隙或空隙的基體材料。基體材料中孔隙的尺寸可以在大約0.5微米至大約20微米的范圍內(nèi)。
在某些實施例中，基體材料的孔隙率最好為大約50％至60％，使得基體材料與“多孔”紡織材料相比可認為是“密實的”。在某些實施例中，基體材料可以是任何適當?shù)牟牧先缋w維基體材料。摩擦材料還包括至少部分填充基體材料中孔隙的樹脂材料。樹脂材料基本上均勻分布在基體材料整個厚度中。
在某些實施例中，基體材料包括纖維基體材料，其中有較少原纖維的纖維和碳素纖維用于纖維基體材料，使摩擦材料具有所需要的孔隙結構。這樣的纖維幾何形狀不僅可以提高耐熱性，而且還可以增強抗脫層性和尖聲阻抗或噪阻。而且，在某些實施例中，碳素纖維和碳顆粒的存在有助于使纖維基體材料提高耐熱性、保持穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和尖聲阻抗。纖維基體材料中可以含有相對少量的棉花纖維以提高摩擦材料的離合器“磨合”性能。
在纖維基體材料中使用有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維和碳素纖維可以提高摩擦材料的耐高溫性能。有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維通常只有很少的原纖維附著在纖維芯上。使用有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維可以使摩擦材料形成更加多孔的結構；即，與使用一般的有原纖維的聚芳基酰胺纖維相比可有更大的孔隙。多孔結構通常是由孔隙尺寸和液體滲透率來確定。在某些實施例中，纖維基體材料的平均孔隙尺寸的直徑范圍從大約2.0至大約25微米。在某些實施例中，平均孔隙尺寸的直徑范圍從大約2.5至大約8微米，且摩擦材料的孔隙率至少為大約50％，而在某些實施例中，至少為大約60％或更高，在還有一些實施例中高達大約85％。
而且，在某些實施例中，要求聚芳基酰胺纖維的長度從大約0.5至大約10毫米，且其加拿大標準游離度(CSF)大于約300。在某些實施例中，還要求使用有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維，其加拿大標準游離度為大約450至大約550，最好為大約530以上；而在其它一些實施例中，為大約580-650及以上，且最好為大約650以上。相比之下，有較多原纖維的纖維如芳族聚酰胺紙漿的游離度為大約285-290。
“加拿大標準游離度”是指用纖維的游離度來測量纖維的原纖化程度。加拿大標準游離度試驗是一種經(jīng)驗方法，它對懸浮三克纖維的一公升水的排水速率進行隨機測量。因此，與有較多原纖維的聚芳基酰胺纖維相比，有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維的游離度更高或流體從摩擦材料排出的速率更高。與傳統(tǒng)的有較多原纖維的聚芳基酰胺纖維相比，加拿大標準游離度為大約430-650(在某些實施例中為大約580-640，或者最好為大約620-640)的聚芳基酰胺纖維構成的摩擦材料具有優(yōu)越的摩擦性能和更好的材料特性。較長的纖維長度以及較高的加拿大標準游離度可使摩擦材料具有較高的強度、較大的孔隙度和良好的耐磨性。有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維(加拿大標準游離度為大約530-大約650)具有很長的使用壽命和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。
還可將各種填充物用于本發(fā)明的纖維基體材料的主層中。具體地，可以使用硅石填充物如硅藻土。但是，其它類型的填充物也可用于本發(fā)明中，且填充物的選擇取決于摩擦材料的具體要求。
在某些實施例中，將棉花纖維加入本發(fā)明的纖維基體材料中使纖維材料具有更高的摩擦系數(shù)。在某些實施例中，加入大約5％到大約20％的棉花纖維，而在其它一些實施例中，可以將大約10％的棉花纖維加入纖維基體材料中。
在上述美國專利No.6,130,176中介紹了纖維基體材料主層成分的一個實例，包括大約10％至大約50％重量的有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、大約10％至大約35％重量的活性碳顆粒、大約5％至大約20％重量的棉花纖維、大約2％至大約15％重量的碳素纖維、以及大約10％至大約35％重量的填充材料。
在其它一些實施例中，可采用的成分包括大約35％至大約45％重量的有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、大約10％至大約20％重量的活性碳顆粒、大約5％至大約15％重量的棉花纖維、大約2％至大約20％重量的碳素纖維、以及大約25％至大約35％重量的填充物。
在某些實施例中，基體材料包括大約15％至大約25％的棉花、大約50％的聚芳基酰胺纖維、大約20％的碳纖維、大約15％的碳顆粒、大約15％的鈣鐵石，還可以選擇包括大約3％的乳膠添加劑。
在其它一些實施例中，基體材料包括大約15％至大約25％的棉花、大約40％至大約50％的聚芳基酰胺纖維、大約10％至大約20％的碳纖維、大約5％至大約15％的碳顆粒、大約5％至大約15％的鈣鐵石，還可以選擇性地包括大約3％的乳膠添加劑。
當基體材料具有較高的平均孔隙直徑和流體滲透率時，由于摩擦材料的多孔結構可使自動傳動液在傳動時能夠更好地流動，所以摩擦材料能夠運行在較低的溫度下或產(chǎn)生較少的熱量。在傳動系統(tǒng)工作過程中，尤其是在高溫下，隨著時間的推移流體會分解而形成“油沉渣”。這些“油沉渣”使孔隙開口減小。因此，當摩擦材料開始就有較大的孔隙時，可以使摩擦材料在其使用壽命期間保持更多的開口孔隙。
將改性摩擦顆粒用作基體材料主層的頂面可使基體材料形成所要求的三維結構。
本發(fā)明的摩擦材料，由于改性摩擦顆粒頂層的三維結構，可使油膜保持在其表面上。這也使摩擦材料具有良好的摩擦穩(wěn)定性和滑動使用壽命。在基體材料頂面上的改性摩擦顆粒使得摩擦材料具有改進的三維結構。
在某些實施例中，構成頂層的改性摩擦顆粒的平均覆蓋面積在表面區(qū)域的大約80％至大約100％的范圍之內(nèi)。在其它一些實施例中，平均覆蓋面積在大約90％至大約100％的范圍內(nèi)。改性摩擦顆?；旧媳Ａ粼诨w材料的頂面，其優(yōu)選平均厚度為大約35微米至大約200微米。在某些實施例中，頂層的優(yōu)選平均厚度為大約60微米至大約100微米；而在其它一些實施例中，為大約75微米至大約85微米。
基體材料表面上改性摩擦顆粒沉積層的均勻性可通過使用直徑大小為大約0.15微米至大約80微米的顆粒來實現(xiàn)，而在某些實施例中其直徑為大約0.5微米至大約20微米。在某些實施例中，顆粒的平均粒徑為大約12微米。在某些實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果改性摩擦顆粒的尺寸太大或太小，則不能得到所要求的最佳三維結構，因此散熱性和防抖動特性不能達到最佳。
改性摩擦顆粒在基體材料上的覆蓋量足夠厚，可使改性摩擦顆粒層具有三維結構，其包括改性摩擦材料的獨立顆粒以及獨立顆粒之間的空洞或空隙。在某些實施例中，與底層(基體材料層)相比，頂層(改性摩擦顆粒層)的孔數(shù)量較少。
可將各種類型的改性摩擦顆粒用于摩擦材料中。在本發(fā)明的一個實施例中，可用的改性摩擦顆粒包括硅石顆粒。其它實施例中的改性摩擦顆?？梢园渲勰┤绶尤渲⒐铇渲?、環(huán)氧樹脂及其混合物。還有一些實施例可以包括部分和/或完全碳化的碳粉末和/或顆粒，及其混合物；以及上述這些改性摩擦顆粒的混合物。在某些實施例中，硅石顆粒如硅藻土、Celite、Celatom、和/或二氧化硅尤其有用。硅石顆粒是可強烈粘結到基體材料上的便宜的無機材料。硅石顆粒使摩擦材料具有高摩擦系數(shù)。硅石顆粒還使基體材料具有光滑的摩擦面，使摩擦材料具有良好的“變速感覺”和摩擦特性，從而使“抖動”減到最小。
在某些實施例中，構成本發(fā)明摩擦材料頂層的改性摩擦材料可以具有不規(guī)則的形狀。由于不規(guī)則形狀的改性摩擦顆粒表面上許多凹入部分的毛細管作用，使得能將所要求數(shù)量的潤滑劑保持在基體材料的表面上。在某些實施例中，硅石材料如鈣鐵石可用作改性摩擦材料，因為鈣鐵石具有不規(guī)則或粗糙的表面。
可以用不同的樹脂系統(tǒng)來浸漬摩擦材料。在某些實施例中，可以使用至少一種酚醛樹脂、至少一種改性酚醛基樹脂、至少一種硅樹脂、至少一種改性硅樹脂、至少一種環(huán)氧樹脂、至少一種改性環(huán)氧樹脂、和/或這些樹脂的組合。在其它一些實施例中，可以使用在相容溶劑中的硅樹脂和酚醛樹脂的混合物。
可將各種樹脂用于本發(fā)明中。在某些實施例中，樹脂可包括酚醛樹脂或酚醛基樹脂，最好使浸漬材料占到摩擦材料的大約45％至大約65％重量。在將樹脂混合物涂到基體材料上并使基體材料浸透樹脂混合物之后，將浸漬后的基體材料加熱到所要求的溫度并保持預定長的時間以制成摩擦材料。在某些實施例中，浸漬劑中酚醛樹脂的加熱固化溫度為大約300華氏度。當浸漬劑中有其它樹脂如硅樹脂時，硅樹脂的加熱固化溫度為大約400華氏度。然后，用適當?shù)姆椒▽⒐袒哪Σ敛牧险迟N到所要求的基底上。
各種可用的樹脂包括酚醛樹脂和酚醛基樹脂。應當認識到各種酚醛基樹脂，包括混合有其它改性成分如環(huán)氧樹脂、丁二烯、硅樹脂、桐油、苯、腰果果油等類似物質(zhì)的樹脂混合物都可用于本發(fā)明。在酚醛改性樹酯中，酚醛樹脂通常占樹脂混合物重量的大約50％或更多(不包括任何溶劑)。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些實施例中，當樹脂混合物含有的硅樹脂重量為硅樹脂-酚醛樹脂混合物重量(不包括溶劑和其它處理助劑)的大約5％至大約80％時，可以使摩擦材料得到改進。為了某些目的，該重量百分比可為大約1 5％至大約55％，而在某些實施例中，為大約15％至大約25％重量。
在上面所介紹的BorgWarner的美國專利中公開了可用于本發(fā)明的酚醛樹脂和酚醛-硅樹脂的實例，在此引用參考其內(nèi)容?？捎糜诒景l(fā)明的硅樹脂包括如熱固性硅酮密封劑和硅酮橡膠?？蓪⒏鞣N硅樹脂用于本發(fā)明中，具體地，其中一種樹脂包括二甲苯和戊間二酮(2，4-戊二酮)。這種硅樹脂的沸點為大約362華氏度(183攝氏度)，在68華氏度時的蒸氣壓為21毫米汞柱，蒸氣密度為4.8(空氣＝1)，很難溶于水，比重為大約1.09，按重量計算的揮發(fā)率為小于0.1的5％(醚＝1)，使用Pensky-Martens方法得到的閃點為大約149華氏度(65攝氏度)。應當認識到其它硅樹脂也可以用于本發(fā)明。其它可用的樹脂混合物，比如，一種適當?shù)姆尤渲?，包?重量百分比)大約55％至大約60％的酚醛樹脂、大約20％至大約25％的乙醇、大約10％至大約14％的苯酚、大約3％至大約4％的甲醇、大約0.3％至大約0.8％的甲醛、以及大約10％至大約20％的水。另一種適當?shù)姆尤┗鶚渲?重量百分比)大約50％至大約55％的苯酚/甲醛樹脂、大約0.5％的甲醛、大約11％的苯酚、大約30％至大約35％的異丙醇、以及大約1％至大約5％的水。
還發(fā)現(xiàn)另一種可用的樹脂是改性環(huán)氧酚醛樹脂，按重量計算含有大約5％至大約25％，最好為大約10％至大約15％，的環(huán)氧化合物，其余(不包括溶劑和其它處理助劑)為酚醛樹脂。在某些實施例中，與單獨使用酚醛樹脂相比，環(huán)氧-酚醛樹脂使摩擦材料具有更高的耐熱性。
在某些實施例中，樹脂混合物最好包括要求數(shù)量的樹脂和改性摩擦顆粒，使得基體材料的目標樹脂占到全部硅樹脂-酚醛樹脂的，按重量計算，大約25％至大約70％，在其它一些實施例中，為大約40％至大約65％，而在還有一些實施例中，為大約60％至至少65％。在基體材料被樹脂浸透之后，在300-400攝氏度的溫度范圍內(nèi)將基體材料固化一段時間(在某些實施例中為1/2小時)以固化樹脂粘結劑而制成摩擦材料。摩擦材料的最終厚度取決于基體材料的初始厚度。
在制備樹脂混合物和制備基體材料時還可以包含其它可用的成分和處理助劑，這也屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)。
在某些實施例中，樹脂混合物可包括溶劑中互相兼容的硅樹脂和酚醛樹脂。將這些樹脂混合在一起(在優(yōu)選實施例中)以形成均勻的混合物然后用來浸漬基體材料。在某些實施例中，將基體材料用酚醛樹脂浸透然后加入硅樹脂的效果與用硅樹脂浸透然后加入酚醛樹脂的效果是不同的。硅樹脂-酚醛樹脂溶液的混合物與硅樹脂粉末和/或酚醛樹脂粉末的乳狀液之間也是有區(qū)別的。當硅樹脂和酚醛樹脂在溶液中時，完全不會凝固。與此相反，硅樹脂和酚醛樹脂的粉末顆粒會部分凝固。硅樹脂和酚醛樹脂的部分凝固會妨礙基體材料的完全浸透。
在本發(fā)明的某些實施例中，基體材料采用硅樹脂和其溶劑的混合物來浸漬，該硅樹脂溶于與酚醛樹脂相容的溶劑。在本發(fā)明的一個實施例中，異丙醇認為是一種特別適合的溶劑。但是應當認識到其它各種適當?shù)娜軇┤缫掖肌⒓滓彝?、丁醇、異丙醇、甲苯等類似物質(zhì)也可以用于本發(fā)明的實施例中。與只用酚醛樹脂浸漬的基體材料相比，用硅樹脂和酚醛樹脂的混合物來浸漬基體材料可使所得到的摩擦材料具有更大的彈性。當有壓力施加到用硅樹脂-酚醛樹脂混合物浸漬的本發(fā)明摩擦材料上時，壓力可分布更加均勻，從而降低襯里不均勻磨損的可能性。在將硅樹脂和酚醛樹脂與改性摩擦顆?；旌显谝黄鹬?，可用該混合物浸漬基體材料。
本發(fā)明的摩擦材料包括基體材料頂面上的一層改性摩擦顆粒，使得摩擦材料具有良好的防抖動特性、高耐熱性、高摩擦系數(shù)、高使用壽命、良好的耐磨性和改進的磨合特性。
圖1是摩擦材料10的示意圖，其包括基體材料12和基本上覆蓋基體材料12的一層規(guī)則幾何形狀的表面改性摩擦材料14。
用于本發(fā)明摩擦材料的改性摩擦材料層可使摩擦材料具有良好的防抖動特性。在所示實施例中，高溫合成纖維和基體材料的孔隙度可提高耐熱性。圖2所示為本發(fā)明摩擦材料的實例1，圖中示出了在基體材料頂面的改性摩擦顆粒層。圓片形鈣鐵石層可改進持油性和表面油流。
下面的實例提供了進一步的證據(jù)，本發(fā)明摩擦材料中的改性摩擦顆粒梯度可使傳統(tǒng)摩擦材料得到改進。這些摩擦材料具有所要求的摩擦系數(shù)、耐熱性和使用壽命。在下面的實例中介紹了本發(fā)明的各個優(yōu)選實施例，但是這些實施例并不是用來限制本發(fā)明范圍的。
實例實例I進行了滑動耐久性試驗。圖3示出了實例1、對比實例A和對比實例C的斜率與滑動時間的關系曲線，其中對比實例A含有，根據(jù)紙的基本重量進行計算，大約20％至大約40％的鈣鐵石，大約1％至10％的鈣鐵石作為頂面或次層；而對比實例C包括大約40％至大約60％鈣鐵石和大約40％至大約60％有機纖維的單層材料。相比之下，本發(fā)明的實例1在基體材料的表面上具有更為有效的改性摩擦顆粒沉積。實例1的摩擦材料頂面上的改性摩擦顆粒只有很少量滲入底層或主層中。對稱形狀的改性摩擦顆粒層積在基體材料上以形成一層良好的“峰谷”型三維結構。這種三維結構使本發(fā)明的摩擦材料具有良好的摩擦特性，包括良好的油流或潤滑作用、良好的正μ-V斜率、以及良好的使用壽命。盡管未進行理論探討，但相信，由于對稱形狀的改性摩擦顆粒留在摩擦面上，而支承纖維和填充物留在基體材料中，這種新材料具有更好的三維結構和更好的特性。
圖3示出了對比實例C、對比實例A和實例1中斜率與滑動時間的關系曲線圖。帶槽材料的斜率與滑動時間的關系曲線表明實例1具有較長的使用壽命。在工業(yè)領域中-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產(chǎn)品都不具有所要求的摩擦系數(shù)特性。實例1的材料使得油流能夠處于所要求的條件并使摩擦材料具有良好的散熱性。
實例II圖4a和4b示出了低油流時對比實例A和實例1所進行的E離合器基本試驗的結果。兩個實例都具有改進的防抖動特性，而且都沒有尖聲。
圖4a和4b示出了對比實例C的上升或雞尾狀的扭矩曲線和實例1的下降扭矩曲線。對比實例C的曲線在整個速度范圍內(nèi)具有負的μ-v斜率，而實例1的曲線在整個速度范圍內(nèi)具有正的μ-v斜率。正的μ-v斜率是優(yōu)選的，而且為離合器的平滑操作(接合或滑動)所必需。
圖4所示的情況對于變速離合器來說是十分特殊的。這種離合器與長軸相連并在很少潤滑油的狀態(tài)下工作。因此工作條件很惡劣(高能量、少潤滑油接合)，而且對振動很敏感(由于長軸連接)。對于這種離合器來說任何上升扭矩曲線都會導致噪音(尖聲)和振動，如圖4a中所示。車輛或測功計(Dyno)試驗能夠很容易地揭示出這種情況下的扭矩振動。本發(fā)明的實例1示出了這些問題是如何克服的，如圖4b所示。
實例III和實例IV圖5a-5b示出了厚度為大約80微米的沉積層。圖中還示出了清晰的沉積顆粒層。對于80微米的切割層，頂層的前后視圖顯示出黃色/棕色，這剛好是沉積層的顏色。該圖(5a-5b)中第二層的前視圖顯示出基體材料的綠色。通過將前后視圖中的頂層和第二層圖像結合在一起，可以清楚地顯示出沉積層的厚度為大約80微米(切割厚度)。
在圖6a-6b中，頂層顯示出黃色/棕色(始終是這樣的，因為這是由鈣鐵石顆粒和樹脂構成的摩擦面)，而后視圖顯示出綠色(這是基體材料的顏色)。在前視圖和后視圖上的不同顏色表明100微米(切割層)大于沉積層的厚度。
這兩組圖(5a-b和6a-b)表明沉積層的厚度為大約80微米。所顯示出的沉積層和基體材料之間的顏色對比能證明有沉積層存在。
實例V沉積的改性摩擦顆粒形成密實表層，可降低頂層的滲透率。在某些實施例中，本發(fā)明摩擦材料的頂層沿法線方向(即，垂直于頂層構成平面的方向)的滲透率比第一層或基體材料層的法向滲透率更低。頂層較低的法向流體滲透率以及微小規(guī)則峰谷型硬固體表面構形使油能夠保持在摩擦面上并形成摩擦面上的油流通道。因而可以實現(xiàn)有效的表面冷卻機制和恒定的表面潤滑作用。這種獨特的表面結構具有的特點使得本發(fā)明的摩擦材料在滑動離合器應用中十分耐用。而且，改性摩擦顆粒的對稱圓形使其具有比不規(guī)則形狀顆粒更少的磨損。
工業(yè)實用性本發(fā)明的高能量摩擦材料可用于離合器片、傳動帶、制動瓦、同步器閉鎖環(huán)、摩擦片或系統(tǒng)板。
上述對本發(fā)明優(yōu)選實施例和可供選擇實施例的介紹只是說明性的，而不是用來限制所附權利要求的范圍和內(nèi)容的。
權利要求
1.一種具有第一層和第二層的摩擦材料，所述第一層包括基體材料和至少一種樹脂材料，所述第二層包括在所述基體材料頂面上的至少一種改性摩擦顆粒，所述改性摩擦顆粒具有至少一種基本上對稱的幾何形狀，所述第二層的平均厚度為大約30微米至大約200微米，其中，頂層具有比所述第一層更低的流體滲透率。
2.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒層的厚度為大約60微米至大約100微米。
3.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述頂層沿徑向和法向具有比所述第一層更低的滲透率。
4.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒的平均直徑為大約0.1微米至大約80微米。
5.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒的平均直徑為大約0.5微米至大約20微米。
6.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基體材料的平均孔隙率為大約50％至大約85％。
7.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括硅石顆粒。
8.根據(jù)權利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括鈣鐵石顆粒。
9.根據(jù)權利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括硅藻土。
10.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括碳顆粒和硅石顆粒的混合物。
11.根據(jù)權利要求7所述的摩擦材料，其特征在于，所述鈣鐵石大體上是扁平狀或片狀。
12.根據(jù)權利要求8所述的摩擦材料，其特征在于，所述鈣鐵石顆粒的尺寸在大約2微米至大約20微米的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括金屬氧化物。
14.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括氮化物。
15.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述改性摩擦顆粒包括碳化物。
16.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基體材料包括纖維基體材料。
17.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基體材料是一種無紡纖維材料。
18.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基體材料是一種紡織纖維材料。
19.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基體材料包括大約15％至大約25％的棉花、大約40％至50％的聚芳基酰胺纖維、大約10％至20％的碳纖維、大約5％至15％的碳顆粒、大約5％至15％的鈣鐵石。
20.根據(jù)權利要求19所述的摩擦材料，其特征在于，摩擦材料的頂層包括在纖維基體材料中的纖維和填充物上沉積的硅改性摩擦顆粒。
21.根據(jù)權利要求17所述的摩擦材料，其特征在于，所述纖維基體材料具有平均大約5至10微米的孔隙直徑。
22.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，基體材料主層包括大約10％至大約50％重量的有較少原纖維的聚芳基酰胺纖維、大約10％至大約35％重量的活性碳顆粒、大約5％至大約20％重量的棉花纖維、大約2％至大約15％重量的碳素纖維、以及大約10％至大約35％重量的填充材料。
23.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述樹脂包括至少一種酚醛樹脂、至少一種酚醛改性樹脂、至少一種硅樹脂，至少一種改性硅樹脂、至少一種環(huán)氧樹脂、至少一種改性環(huán)氧樹脂和這些樹脂的混合物。
24.根據(jù)權利要求1所述的摩擦材料，所述樹脂包括至少一種環(huán)氧樹脂和至少一種硅樹脂的混合物，其特征在于，按樹脂混合物的重量，樹脂混合物中的硅樹脂的量大約占重量5％至大約80％。
25.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，在一溶劑中存在酚醛樹脂，與酚醛樹脂的溶劑相容的溶劑中存在硅樹脂。
26.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按混合物的重量，在硅-酚醛樹脂中的硅樹脂的量占重量大約20％至大約25％。
27.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按混合物的重量，在硅-酚醛樹脂中的硅樹脂的量占重量大約15％至大約25％。
28.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，改性酚醛樹脂包括至少一種環(huán)氧酚醛樹脂。
29.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按環(huán)氧酚醛樹脂混合物的重量，環(huán)氧酚醛樹脂中的環(huán)氧占重量大約5％至大約25％。
30.根據(jù)權利要求23所述的摩擦材料，其特征在于，按環(huán)氧酚醛樹脂混合物的重量，環(huán)氧酚醛樹脂中的環(huán)氧占重量大約10％至大約25％。
全文摘要
一種具有第一層和第二層的摩擦材料，其中第一層由基體材料構成，第二層由在基體材料頂面上的至少一種改性摩擦顆粒構成，所述改性摩擦顆粒具有基本上對稱的幾何形狀。第二層的平均厚度為大約30微米至200微米，且其表面區(qū)域覆蓋率為大約80％至100％，使得頂層具有比第一層更低的流體滲透率。
文檔編號B32B3/26GK1500850SQ0315798
公開日2004年6月2日 申請日期2003年9月4日 優(yōu)先權日2002年9月4日
發(fā)明者陳義芳, R·C·林, 林, ご, 董峰, B·查韋達 申請人:博格華納公司