具有对称的摩擦改性颗粒的高摩擦系数摩擦材料 【技术领域】
本发明涉及一种非石棉、非金属材料，该材料包括基材的第一层和至少部分涂覆该基材的摩擦改性颗粒的第二层。所述摩擦改性颗粒具有对称的几何形状。本发明还涉及包含用适当的树脂材料浸渍过的上述经涂覆材料的复合摩擦材料。
本发明的摩擦材料具有改进的抗震颤性能、高摩擦系数和改进的强度、孔隙率、耐磨性和耐噪声性能。
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。该新的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，这也是重要地。
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(converter clutch)，如变换器离合器；和(3)极低压和低滑动速度离合器如中速至怠速离合器(neatral 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、润滑剂化学性能和相互作用、离合器操作条件、动力系统传动组件和金属部件的同轴性(hardware alignment)和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、油流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树脂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缺少石棉带来的问题。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Winckler的美国专利No.4,700,823的改进，其描述了包含由碳纤维形成的布基底筛网和通过化学气相沉积法沉积在纤维上的碳涂层的摩擦材料。
本发明还是对Winckler的美国专利No.5,662,993的改进，该专利描述了包含形成了线束的纤维的摩擦材料，所述线束被编织或编织在一起成为织物。所述线束具有沿着每根纤维芯吸的粘合剂，从而在纤维间留下间隙。
本发明还是对Gibson等人的美国专利No.5,952,249的改进，该专利描述了一种无定形碳涂覆的碳织物，其中无定形碳填充了组成织物的纱的各根纤维间的间隙。
各种其它类型的摩擦材料由纸质材料制成。例如，Kersey的美国专利No.5,586,166描述了具有多孔基底和多孔摩擦层的双层摩擦材料。
Seitz的美国专利No.5,083,650涉及制备用涂料组合物浸渍的纸张的多步骤浸渍和固化工艺。
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组合的金属纤维。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。
当今使用的各种其它摩擦材料包括多种“纸基”摩擦材料。这些“纸基”摩擦材料通常包括一般由不规则的、非编织纤维材料与至少一种适当的填料制成的纤维状基材。例如，研制了各种由本发明的受让人，BorgWarner Inc.共有的有用的摩擦材料。
特别地，Lam等人的美国专利No.5,998,307涉及一种摩擦材料，其具有多孔基层和碳颗粒覆盖了至少约3％-约90％基层表面的第二层。
Lam等人的美国专利No.5,858,883涉及一种基材，其具有较少纤维化的芳族聚酰胺纤维、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涉及包含用可固化树脂浸渍过的基材的摩擦材料。其基层包含较少纤维化的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料；第二层包含碳颗粒和助留剂。
Lam等人的美国专利No.5,985,507涉及生产摩擦材料的方法，其中至少一个包含有较少纤维化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经涂覆的纤维材料并固化。
Lam等人的美国专利No.6,001,750涉及一种摩擦材料，其包含用可固化树脂浸渍过的纤维状基材。多孔的基层包含较少纤维化的芳族聚酰胺纤维，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。
此外，各种纸类型纤维状基材描述于共有的BorgWarner Inc.Lam等人的美国专利Nos.5,753,356和5,707,905中，其描述了包含较少纤维化的芳族聚酰胺纤维、对称的石墨和填料的基材。
另一个共有专利，Lam的美国专利No.6,130,176，涉及包含较少纤维化的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填料的非金属纸类型纤维基材。
另一个共有专利申请，Serial No.09/707,274，现已被许可，涉及具有多孔纤维状基层和在该基层上的硅石摩擦改性颗粒的第二层的摩擦材料。
另一个共有专利申请，Serial No.10/234,976，申请于2002年9月4日，涉及包含具有基材的基层和至少一种树脂材料的摩擦材料。第二层包含至少一种摩擦改性颗粒，该颗粒具有基本对称的几何形状，第二层沉积在基材的上表面上。该第二层具有约30-约200微米的平均厚度，这样，顶层的流体渗透性比第一层低。
为了使所有类型的摩擦材料可用于“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抗震颤特性；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、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用于摩擦材料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。固而，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，其包括包含这种基层的基材，该基层具有沉积在其上的几何对称的摩擦改性颗粒的第二层。
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抗“震颤”、“局部过热(hot spot)”性能、高耐热性能、高摩擦稳定性和高耐久性、高孔隙率、高强度和高弹性的摩擦材料。
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液体“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类似的条件下就摩擦和耐热性能对很多材料进行了评估。对商购的滑动式离合器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。
在一个方面，本发明涉及具有用至少一种可固化树脂浸渍过的基材的摩擦材料。该基材具有包含纤维状基材的多孔基层和包含至少部分覆盖该材料外表面的形状几何对称的摩擦改性颗粒的第二层。该基层在基材层表面上具有形状几何对称的摩擦改性颗粒。所述摩擦改性颗粒可以包括形状对称的硅石颗粒，如成型的硅藻土颗粒。在其它实施方案中，摩擦改性颗粒可以包括碳颗粒和形状对称的硅石颗粒的混合物，和/或该摩擦改性颗粒可以以约0.2-约80重量％的量存在，基于基层材料的重量计。
在某些实施方案中，基层材料的表面光滑度为0.02mmRa-约0.2mm，该光滑表面为摩擦材料提供了一致的抗震颤性能和摩擦系数。
在一个实施方案中，本发明涉及非石棉、非金属摩擦材料，其具有包含纤维材料的基层，包括例如有机纤维，如纤维化的芳族聚酰胺纤维(和任选的碳、棉/纤维素、玻璃、聚酰胺、陶瓷等)和ii)包含沉积在基层上的摩擦改性颗粒的第二层。该表面或第二层可以由一种摩擦改性颗粒组成，或者，可以由几种摩擦改性颗粒的组合组成。
各种摩擦改性颗粒可用做第二层。摩擦改性颗粒具有至少一种基本对称的几何形状。在某些实施方案中，该第二层具有约0-约200微米的平均厚度。在某些优选实施方案中，摩擦改性颗粒具有通常扁平的或圆盘的形状。在某些实施方案中，该表面摩擦改性颗粒以占经涂覆材料的约0.2-约50重量％，优选约1-40重量％，并最优选约2-30重量％的量存在。
本发明的摩擦材料具有改进的抗震颤特性、改进的抗“局部过热”性能、理想的“平滑换挡”的摩擦特性、高耐热性能、耐久性、弹性、改进的强度和孔隙率。
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经涂覆材料的复合摩擦材料。
可以采用各种树脂体系浸渍所述经涂覆的材料。在某些实施方案中，可以应用酚醛树脂或改性的酚醛树脂浸渍经涂覆的材料。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经涂覆的材料时，形成了特别有用的高性能、耐久摩擦材料。
【附图说明】
图1a是具有形状对称的摩擦改性材料的层的多孔编织材料的示意图，所述摩擦改性材料至少部分覆盖了该多孔编织材料表面。
图1b是具有形状对称的摩擦改性材料层的多孔编织材料的示意图，所述摩擦改性材料完全覆盖了多孔编织材料表面。
图2a是表示未涂覆的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2b是表示部分涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2c是表示部分涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2d是表示涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图3a是表示实施例1，涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒并用约36％树脂吸收量饱和的多孔编织材料的照片。
图3b是表示实施例2，涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则摩擦改性颗粒的混合物并用约36％树脂吸收量(pick up)饱和的多孔编织材料的照片。
图4是表示具有33％的树脂吸收量的对比例A、具有50％的树脂吸收量的对比例B、用形状对称的摩擦改性颗粒完全覆盖的实施例1和对比例C即编织织物的孔径尺寸和孔隙率数据的曲线图。
图5a是表示在10℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图5b是表示在20℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图6a是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在10℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图6b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在30℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图7a是表示树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次在110℃下运行的μ-滑动速度的曲线图。
图7b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物完全涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在110℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图8a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A垫块在10℃下首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在10℃下首次运行。
图8b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在10℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图，采用了HTP：热板处理法-一种其中摩擦材料表面与经预热的金属板(约850°F)接触预定的时间的方法。
图9a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A在30℃下首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例1在30℃下首次运行。
图9b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在30℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图10a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-在110℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在110℃下首次运行。
图10b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在110℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图11a和11b是形状对称的摩擦改性颗粒完全覆盖的实施例1的表面粗糙度示图。
图12a和12b是形状对称的摩擦改性颗粒部分覆盖的实施例1的表面粗糙度示图。
【具体实施方式】
为实现以上论及的需求，在与操作中遇到的情况类似的条件下就摩擦和耐热性能对很多材料进行了评估。对商购的制动衬面(brakebining)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。
本发明涉及非石棉摩擦材料，其包含基材的基层和包含沉积在基层上的具有对称的几何形状的摩擦改性颗粒的第二层。
各种基材可用于本发明的摩擦材料中，包括，例如非石棉基材，其包含例如，织物材料、编织和/或非编织材料。适用的基材包括，例如，纤维和填料。所述纤维可以是有机纤维、无机纤维和碳纤维。有机纤维可以是芳族聚酰胺纤维，如纤维化的和/或非纤维化的芳族聚酰胺纤维，丙烯酸纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚酰胺纤维、棉/纤维素纤维等。碳纤维可以包含例如约95％炭化的碳纤维，填料可以是例如硅石、硅藻土、石墨、氧化铝、槚如坚果(cashew nut)粉等。
在其它的实施方案中，基材可以包含编织材料、非编织材料和纸质材料。而且，各种可用于本发明中的基材的实例公开于以上参考的BorgWarner美国专利中，在此将其全文引入作为参考。然而，应当理解，本发明其它的实施方案还可以包括不同的基材。
在某些实施方案中，摩擦材料包含具有许多孔穴或空隙的基材。基材中孔穴的尺寸为约0.5μm-约20μm。
在某些实施方案中，基材优选具有约50-约60％的孔穴体积，这样与“多孔”编织材料相比，可认为该基材是“密集”的。在某些实施方案中，基材可以是任何适用的材料，如纤维状基材。所述摩擦材料还包含树脂材料，其至少部分填充了基材中的孔穴。树脂材料基本上均匀地分布于基材的整个厚度中。
在某些实施方案中，基材包含纤维状基材，其中较少纤维化的纤维和碳纤维用于该纤维状基材中为摩擦材料提供所需的孔隙结构。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。还有，在某些实施方案中，纤维状基材中碳纤维和碳颗粒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。纤维状基材中可以包含相对少量的棉纤维以改善摩擦材料离合器的“磨合(break-in)”性能。
纤维状基材中较少纤维化的芳族聚酰胺纤维和碳纤维的使用改进了摩擦材料承受高温的能力。较少纤维化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)。较少纤维化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大的孔隙。孔隙结构通常由孔径尺寸和流体渗透性来定义。在某些实施方案中，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，孔隙直径尺寸平均为约2.5-约8微米，且该摩擦材料易于获得至少约50％的孔隙率，在某些实施方案中，至少为约60％或更高，在某些实施方案中，高达并包括约85％。
还有，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。在某些实施方案中，还需要采用CSF为约450-约550，优选约530或更高的较少纤维化的芳族聚酰胺纤维；和在其它的实施方案中，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用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，较少纤维化的芳族聚酰胺纤维比纤维化更多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，与含有常规上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。较少纤维化的芳族聚酰胺纤维(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％，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％的较少纤维化的芳族聚酰胺纤维；约10-约35重量％的活性炭；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％的较少纤维化的芳族聚酰胺纤维；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。
在某些实施方案中，基材包含约15-约25％的棉；约50％的芳族聚酰胺纤维；约20％的碳纤维；约15％的炭颗粒；约15％的硅藻土和任选的约3％的乳胶添加物。
在其它实施方案中，基材包含约15-约25％的棉；约40-约50％的芳族聚酰胺纤维；约10-约20％的碳纤维；约5-约15％的炭颗粒；约5-约15％的硅藻土和任选的约3％的乳胶添加物。
当基材具有更高的平均孔隙直径和流体渗透性时，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更好地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，流体随时间特别是在高温下会分解，并形成“油沉积物”。这些“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。
采用摩擦改性颗粒作为基材基层的顶层为基材提供了所需的三维结构。
在一个特定的实施方案中，基层包含编织碳纤维，该纤维为摩擦材料提供了提高的耐热性能。碳纤维不仅提供了提高的耐热性能，还提供了抗层离性能和耐尖叫音或噪音的性能。
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更好地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，由于自动传动流体的分解，特别是在高温下，摩擦材料表面的油沉积物随时用而增长。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持更多开放孔隙。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。
将形状几何对称的摩擦改性颗粒的第二层沉积在基层上以形成摩擦材料。形状几何对称的摩擦改性颗粒在基层上的应用为摩擦材料提供了改进的三维结构。
在某些实施方案中，发现如果摩擦改性颗粒的尺寸太大或太小，则不能获得最佳的三维结构，结果是热量散选不是最佳。
在优选实施方案中，在基层上摩擦改性颗粒的量为摩擦材料的约0.2-约40重量％，在某些实施方案中，为约2-约25重量％，和在某些优选实施方案中，为约2-约15重量％。在这些特定的实施方案中，发现如果形状几何对称的摩擦改性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。
在优选实施方案中，摩擦改性颗粒在基层上覆盖的面积为表面积的约3-约100％。
各种摩擦改性颗粒可用做第二层。有用的摩擦改性颗粒包括形状几何对称的硅石颗粒。
在本发明的一个方面中，具有规则的几何形状的摩擦改性材料包括圆形、平盘状硅藻土。当用做基材的顶层时，这种圆形、平盘状的摩擦改性颗粒提供了独特的表面堆积图案，这改进了摩擦表面上的油保持作用和油流动性。
还有，在某些实施方案中，摩擦改性颗粒的平均尺寸为约0.1-约80微米，且在某些实施方案中，平均尺寸为约0.5-约20微米，且在某些其它的实施方案中，为约0.1-约0.15微米。摩擦改性材料层在表面上具有流体润滑剂并提高了摩擦材料的油保持能力。这样，本发明的摩擦材料使油膜保持在其表面上。这提供了良好的摩擦系数和良好的滑动耐久性。
在基材的第一，或顶部表面上，摩擦材料还包含具有规则几何形状的摩擦改性颗粒的顶层，或第二层。摩擦改性材料在基材上作为顶层的存在为摩擦材料提供了许多有利性能，包括良好的油保持作用和表面油流动性能。
在其它的实施方案中，规则几何形状的摩擦改性颗粒可以进一步包括其它的摩擦改性颗粒，如金属氧化物、氮化物、碳化物，在其它实施方案中，包括碳颗粒和硅石颗粒的混合物，这都在本发明预期的范围内。
在某些实施方案中，有用的摩擦改性颗粒包括形状几何对称的摩擦改性颗粒和至少一种形状不规则的摩擦改性颗粒如硅石颗粒的混合物；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)”和摩擦特性，从而使任何的“震颤”最小化。
在某些实施方案中，摩擦改性颗粒的混合物作为基层上的第二层提供了高耐热性和高耐久的摩擦材料。
令人吃惊地发现，形状几何对称的硅石颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的组合，当以优选比率作为第二层存在时是特别有用的。
在本发明的一个方面中，特别有用的摩擦改性颗粒包括所需的硅石颗粒和形状几何对称的摩擦改性颗粒的混合物。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份形状几何对称的摩擦改性颗粒的比率存在的硅石颗粒和形状几何对称的摩擦改性颗粒。在其它实施方案中，该比率为约2份硅石颗粒比约1份形状几何对称的摩擦改性颗粒，尽管该形状几何对称的摩擦材料较为昂贵，但其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。权利要求1的摩擦材料，其中该摩擦改性颗粒包含约6-约60重量％的摩擦改性颗粒，基于摩擦材料的重量计。
在某些实施方案中，摩擦改性颗粒包含约45-约55重量％的硅石颗粒和约45-约55重量％的形状几何对称的摩擦改性颗粒，基于摩擦改性颗粒的总重量计。
在这些特定的实施方案中，发现如果摩擦改性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。
本发明的另一个方面涉及制备摩擦材料的方法，该方法首先包括基层材料的形成。基本对称的几何形状的材料优选具有约40-50纱/英寸并优选约44-46纱/英寸的经纱，约35-45纱/英寸和优选约38-40纱/英寸的纬纱。在某些实施方案中，这样编织或形成编织材料从而使经纱和纬纱相互之间相对平滑或平坦。这就是说，考虑到线束的厚度和编织式样本身，编织材料提供了较为光滑的摩擦材料。在某些实施方案中，编织材料具有约0.02mm-约0.2mmRa的表面光滑度。经纱和纬纱确定了多个凹痕或微囊(micropocket)，这使摩擦改性颗粒保留在编织材料的表面上。
在一个实施方案中，至少基层的一个表面上至少部分涂覆了形状几何对称的摩擦改性颗粒的第二层。在用形状几何对称的摩擦改性颗粒涂覆了以后，将该材料用至少一种适用的树脂浸渍。经浸渍、涂覆的材料在预定温度下固化预定的时间以形成摩擦材料。
在另一个实施方案中，摩擦材料按如下制备：使材料预饱和，然后干燥并固化树脂；然后用酚醛树脂和颗粒的混合物涂覆该织物。
在另一个实施方案中，基层的至少一个表面用形状几何对称的摩擦改性颗粒的第二层基本完全地涂覆。在用形状几何对称的摩擦改性颗粒涂覆了以后，将该基层材料用至少一种适用的树脂浸渍。经浸渍、涂覆的基层材料在预定温度下固化预定的时间以形成摩擦材料。
在另一个实施方案中，基层的至少一个表面用形状几何对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的第二层至少部分地涂覆。在用摩擦改性颗粒混合物涂覆了以后，将该基层材料用至少一种适用的树脂浸渍。经浸渍、涂覆的材料在预定温度下固化预定的时间以形成摩擦材料。
在另一个实施方案中，基层的至少一个表面用形状几何对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的第二层基本完全地涂覆。在用摩擦改性颗粒混合物涂覆了以后，将该基层材料用至少一种适用的树脂浸渍。经浸渍、涂覆的材料在预定温度下固化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经涂覆的材料，优选使浸渍树脂材料包含约40-约120重量份/100重量份摩擦材料。经涂覆的材料用树脂浸渍后，加热经浸渍且经涂覆的材料至所需温度预定长度的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。当存在基它树脂时，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，通过适当方式将经浸渍并固化的摩擦材料粘合在所需基底上。
由于在摩擦改性材料沉积层中内含的纤维纱，颗粒的附着力良好。在材料被完全覆盖的实施方案中，摩擦材料的表面变得极为光滑，这影响摩擦-滑动性能系数。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、槚如坚果油等的酚醛基树脂预期可用于本发明。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)，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，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，采用Pensky-Martens法测定的闪点约为149°F(65℃)。应当理解，其它的有机硅树脂也可以用于本发明。其它有用的树脂混合物包括例如适用的酚醛树脂，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，经涂覆的材料对树脂的目标吸收量优选为约40-约120％，以及在某些实施方案中，为约60-至少80重量％的总有机硅-酚醛树脂。经涂覆的材料被树脂浸渍后，在300-400℃的温度下固化该经涂覆的材料一段时间(在某些实施方案中为约1/2小时)以固化该树脂粘合剂并形成摩擦材料。摩擦材料的最终厚度取决于经涂覆的材料的起始厚度，并在一些实施方案中优选为0.014″-约0.040″。
进一步预期已知可用于制备树脂混合物和制备浸渍经涂覆的材料的其它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，然后用来浸渍经涂覆的材料。如果用酚醛树脂浸渍经涂覆的材料，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经涂覆的材料的良好浸渍。
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经涂覆的材料。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经涂覆的材料时，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经涂覆的材料更具弹性。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，而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，将该混合物用来浸渍经涂覆的材料。
在某些方面中，本发明还涉及制备摩擦材料的方法，其包括：形成基层材料，用摩擦改性颗粒涂覆基层材料至少一个表面的约3％-约100％，摩擦改性颗粒以约0.2-约80重量％的量存在，基于基层材料重量计，用树脂浸渍经涂覆的材料，然后在预定温度固化经浸渍的材料达预定的时间。
已经发现，在基层上摩擦改性颗粒的第二层为摩擦材料提供了良好的抗震颤性能、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摩擦改性颗粒涂覆的材料和得到的摩擦材料是对常规摩擦材料的改进，并且与某些纸质类型的纤维基材摩擦材料相比具有满意的性能。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、高导热率和抗震颤摩擦改性剂特性。这些材料特性是平滑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。
以下实施例进一步证明本发明的用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
图1a是具有形状对称的摩擦改性材料的层的多孔编织材料的示意图，所述摩擦改性材料至少部分覆盖了该多孔编织材料表面。
图1b是具有形状对称的摩擦改性材料的层的多孔编织材料的示意图，所述摩擦改性材料完全覆盖了该多孔编织材料表面。
实施例II
图2a是表示未涂覆的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2b是表示部分涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2c是表示部分涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
图2d是表示涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒的多孔编织材料的电子扫描显微镜照片。
这些电子扫描显微镜照片表示一些摩擦改性材料是怎样渗透到编织材料的经纱和纬纱中去的，而其它的摩擦改性材料保留在编织材料的表面上，这赋予摩擦材料非常理想的抗震颤性能。同时，这些电子扫描显微镜照片还表示了摩擦材料的高孔隙率。
实施例III
图3a是表示涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒并用约36％树脂吸收量饱和的多孔编织材料的照片。
图3b是表示涂覆了形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则摩擦改性颗粒的混合物并用约36％树脂吸收量饱和的多孔编织材料的照片。摩擦改性材料包含于纤维纱内，这使摩擦改性颗粒与编织材料黏附良好。经涂覆的编织材料结构含有多孔的和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编织材料上以提供“抗震颤”性能。
实施例IV
图4是表示具有33％的树脂吸收量的对比例A、具有50％的树脂吸收量的对比例B、用形状对称的摩擦改性颗粒完全覆盖的实施例1和对比例C即编织织物的孔径尺寸和孔隙率数据的曲线。
实施例V
测量了摩擦系数和滑动速度。图5a是表示在10℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行的μ-滑动速度的曲线。图5b是表示在20℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图6a是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在10℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图6b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在30℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图7a是表示在110℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图7b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物完全涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例3在110℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图8a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-在10℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在10℃下首次运行。
图8b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在10℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图9a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-在30℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例1在30℃下首次运行。
图9b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在30℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
图10a是表示μ-滑动速度的曲线图：实线-在110℃下，树脂饱和度为36％吸收量的对比材料A首次运行；虚线-在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物的部分涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在110℃下首次运行。
图10b是表示在编织材料上具有形状对称的摩擦改性颗粒和形状不规则的摩擦改性颗粒的混合物部分涂层，以及树脂饱和度为36％吸收量的实施例2在110℃下首次运行的μ-滑动速度的曲线图。
实施例VI
图11a和11b是被形状对称的摩擦改性颗粒完全覆盖的实施例1的表面粗糙度示图。
图12a和12b是被形状对称的摩擦改性颗粒部分覆盖的实施例1的表面粗糙度示图。
工业应用性
本发明可用作用于离合器片、传动带、刹车片、同步器锁止环、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。