CN1499100A - 使用沥青碳纤维的湿摩擦材料 - Google Patents

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Abstract

一种摩擦材料,包括纤维性基底材料,其含至少一种类型的石油沥青基碳纤维。

Description

使用沥青碳纤维的湿摩擦材料
技术领域
本发明涉及一种摩擦材料,该材料含一种石油沥青基碳纤维。本发明的摩擦材料具有比标准碳纤维增加约20%的摩擦系数。该摩擦材料具有极高的耐热性,改进的耐用性和耐高温性。
背景技术
汽车工业正在开发具有连续滑动转矩变换器和换档离合器系统的新且先进的连续性转矩转化系统。这些新系统经常涉及高的能量需求。因此,还必须开发摩擦材料技术,以满足这些先进系统日益增加的能量需求。
特别是,需要一种新的高性能、持久的摩擦材料。这种新摩擦材料必须能经得起各种高速,其中表面速度高达约65米/秒。而且,这种摩擦材料必须能经得起高达约1500psi的面、里高压(facing lining pressure)。同样重要的是,这种摩擦材料在有限的润滑条件下发挥作用。
为了用于这些先进系统中,这种摩擦材料必须耐用且耐热性高。这种摩擦材料不仅必须在高温下保持稳定,而且还必须能快速逸散各运行条件中产生的高热量。
这些新系统在啮合和解除啮合期间所产生的高速意味着,摩擦材料必须在整个啮合期间能够保持较恒定的摩擦。重要的是,摩擦啮合在很宽的速度和温度范围上相对恒定,以便使这些材料在刹车期间“震颤”最小,或者在一个齿轮向另一个齿轮的功率变换期间变速器系统的“震颤”最小。同样重要的是,摩擦材料具有所需的转矩曲线形状,使得摩擦啮合期间,该摩擦材料无噪声或“尖叫”声。
涉及摩擦材料所有应用的主要性能是,防止震颤和摩擦界面的能量处理。可将产生震颤归结于许多因素,这些因素包括,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、润滑剂化学和相互作用、离合器操作条件、动力传动系统装配和金属构件对准以及动力传动系统的污染。摩擦界面能量处理主要考虑控制界面温度并受到泵流量、油流动途径和控制策略的影响。另外摩擦材料表面设计也贡献于界面能量处理的效率。
和变档离合器应用相关的主要性能是,摩擦材料的摩擦特性系数(例如,摩擦材料具有需要的转矩和握持能力)以及使得摩擦材料使用时不受破坏的摩擦材料稳定性。
以前,摩擦材料中包含起温度稳定作用的石棉纤维。由于健康和环境问题,已不再使用石棉。最近已通过酚醛树脂或改性酚醛树脂浸渍纸张或纤维材料而进行的改良,试图让摩擦材料克服其中缺少石棉所产生的问题。但是这些摩擦材料不能快速逸散所产生的高热,而且不具备必要的耐热性和令人满意的高摩擦性能系数,而这些性能是用于当前正在开发的高速系统所需要的。
Kearsey的美国专利5585166描述了一种多层摩擦衬里,该衬里具有多孔基材层(纤维素和合成纤维,填料和热固性树脂)和多孔摩擦层(热固性树脂中的非织造合成纤维),其中该摩擦层具有比该基材层更高的空隙率。
Seiz的美国专利5083650涉及多步骤浸渍和固化工艺;即,用涂料组合物浸渍纸张,将碳颗粒置于该纸张上,该纸张中的涂料组合物被部分固化,将第二涂层组合物施加到该部分固化的纸张上,最后,将两种涂料组合物一起固化。
已经开发了各种做摩擦材料用的纸基纤维材料,它们为本发明受让人BorgWarner有限公司共同拥有。这些和本发明中公开的全部参考文献经引用完全并入本发明。
具体地,Lam等人的美国专利5998307涉及一种摩擦材料,其具有用可固化树脂浸渍的初始纤维性基底材料,其中该多孔初始层包含至少一种纤维材料,且次级层含碳颗粒,其覆盖至少约3-约90%的初始层表面。
Lam等人的美国专利5858883涉及具有一种初始层和一次级层的基底材料,该初始层含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料,该次级层在该初始层的表面上并含碳颗粒。
Lam等人的美国专利5856224涉及摩擦材料,该材料含浸渍可固化树脂的一种基底。初始层含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料,该次级层含碳颗粒和助留剂。
Lam等人的美国专利5958507涉及制造摩擦材料的方法,其中该纤维材料的至少一个表面的约3-约90%用碳颗粒覆盖,该纤维材料含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维。
Lam等人的美国专利6001750涉及一种摩擦材料,该摩擦材料含浸渍了可固化树脂的纤维性基底材料。多孔初始层含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维、碳颗粒、填充材料、酚醛类的诺沃洛伊德纤维,以及非必要的棉纤维。次级层含碳颗粒,其覆盖该表面的约3-约90%表面。
再另一个共同拥有的专利申请,其系列号是09/707274,其涉及纸张类的摩擦材料,该材料具有多孔初始纤维性基底层,该初始层的约3-约90%的表面区域用改性摩擦颗粒覆盖。
另外,BorgWarner有限公司、Lam等共同拥有的美国专利5753356和5707905描述了各种纸张类的纤维基底材料,这些专利描述的基底材料包含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维、合成石墨和填料,其参考文献也经引用并入本发明。
另一项共同拥有的专利,Lam的美国专利6130176,涉及非金属纸张类纤维性基底材料,其含原纤化更少的芳族聚酰胺纤维、碳纤维、碳颗粒和填料。
尽管在例如转让给Conaco公司的美国专利5766523、5540903、5259947、5437780、5648041、5501788、5540832和6123829的不同专利中已经公开了自稳定化沥青和由其制造的碳纤维,这些专利的全部内容经引用明确地并入本发明,但是这些文献中没有任何一个教导或者披露在湿摩擦材料应用中使用碳纤维沥青基的碳纤维。
对所有类型的摩擦材料而言,为了在“湿”应用中使用,该摩擦材料必须具有各种各样的可接受的特性。摩擦材料必须具有良好的抗震颤特性;具有高耐热性,而且能够快速逸散热量;并具有持久、稳定且始终如一的摩擦性能。如果这些特性中的任何一项未得到满足,就不能获得摩擦材料的最佳性能。
同样重要的是,在摩擦材料中使用合适的浸渍树脂,以便形成高能应用摩擦材料。当摩擦材料在使用中灌注制动液或润滑油时,摩擦材料在使用期间必须具有良好的剪切强度。
因此,本发明的一个目的是提供一种改进的摩擦材料,其和现有技术的材料相比,具有可靠并改良的性能。
本发明的另一个目的是,提供具有改良“抗震颤”、耐“局部过热”、高耐热性、高摩擦稳定性和耐久性和强度的摩擦材料。
附图简述
图1a是沥青基碳纤维横截面的SEM图像。
图1b是PAN基碳纤维横截面的SEM图像。
图2是实施例1-1、1-2和对比例A的中点摩擦系数的试验数据的图表。
图3是显示实施例1-1、1-2和对比例A中,端点(E)摩擦系数对中点(M)摩擦系数的比值的图表。
图4是显示实施例1-1、1-2和对比例A中循环次数对断裂摩擦系数的图表。
图5是显示实施例2和对比例B经过4循环的中点摩擦系数。
图6是显示对比例B和实施例2中E/M比值的图表。
图7是显示实施例2和对比例B的中点摩擦系数的图表。
图8是显示实施例2和对比例B的活塞位移的图表。
图9是显示实施例4-1、4-2、4-3和4-4与对比例D-1、D-2、D-3和D-4的中点摩擦系数进行比较的图表。
图10是显示实施例4-1、4-2、4-3和4-4与对比例D-1、D-2、D-3和D-4的断裂摩擦系数的图表。
图11是SEM照片,其显示石油沥青基碳纤维长度为20微米。
图12是SEM照片图像,其显示200微米长度石油沥青基碳纤维。
图13是石油沥青基碳纤维的横截面f。
图14是显示实施例5-1、5-2和对比例E-1的μPVT试验的图表。
图15a是显示实施例5-1和对比例E-1和E-2在级别8的T-N试验数据的图表。
图15b是图15a所示图表起始部分的放大图。
图16是T-N试验,显示实施例5-1和对比例E-1和E-2中的活塞位移。
图17a是显示实施例6-1、6-2和对比例E-1的中点摩擦系数的图表。
图17b是显示实施例6-1、6-2和对比例E-1的E/M比的图表。
图17c是显示实施例6-3、6-4、6-5a和6-5b以及对比例F-1的中点摩擦系数的图表。
图17d是显示实施例6-3、6-4、6-5a和6-5b以及对比例F-1的E/M比的图表。
图18a是显示T-N试验数据的图表,用于实施例6-1、6-2和对比例E-1中点摩擦系数之间的低油流。
图18b是显示实施例6-1、6-2和对比例E-1中活塞位移的图表。
图19显示实施例6-1和6-2及对比例E-1在各种循环时的T-N试验数据。
图20a和20b是显示实施例7-1、7-2、7-3和7-4及对比例3的T-N试验数据的图表。
图21是对实施例8-1、8-2、8-3、8-4和对比例H-1进行的μVBPT试验。
图22a是显示实施例8-1、8-2、8-3、8-4和对比例H-1的中点摩擦系数的T-N数据的图表。
图22b是显示实施例8-1、8-2、8-3、8-4和对比例H-1的活塞位移的图表。
图22c是实施例8-1、8-2、8-3、8-4和对比例H-1的μVPT试验。
发明内容
本发明涉及一种摩擦材料,其含一种纤维性基底材料,该基底材料具有至少一种类型的石油沥青基碳纤维。该摩擦材料用于与相对的摩擦表面的啮合。该纤维性基底材料具有至少一种类型的石油沥青基碳纤维,该碳纤维出现在该摩擦材料的至少一外表面上。这样,在摩擦材料与相对摩擦表面啮合期间,石油沥青基碳纤维与相对的摩擦表面接触。
一个优选的方面中,石油沥青基碳纤维含溶剂化的沥青,该沥青的流体温度比非溶剂化状态的相同沥青的熔点低至少40℃。石油沥青基纤维能够被加热到碳化温度而不熔化。
在某些优选方面中,石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂(solvant)。这样的话,在从纤维除去溶剂时,石油沥青基碳纤维是不可熔的。通过参考以下描述和权利要求,本发明的进一步优点和目的是显而易见的。
具体实施方式
本发明涉及其中含石油沥青基碳纤维的摩擦材料。在一个优选方面中,石油沥青基碳纤维存在于该摩擦材料的至少一个外侧表面上。在摩擦材料啮合过程中,石油沥青基碳纤维与相对的摩擦表面接触。
本发明的摩擦材料具有需要的端点(E)摩擦系数对中点(M)摩擦系数比,其在约1或更少的范围内。有利的E/M比表明,本发明摩擦材料减少了震颤。
此外,含石油沥青基碳纤维的摩擦材料具有高于常规摩擦材料的中点摩擦系数。该中点摩擦系数与摩擦材料的扭矩和握持能力相关,使得摩擦材料比以前的摩擦材料表现得更好。
尽管存在本领域的教导,但是令人惊奇地发现,石油沥青基碳纤维不引起碳材料摩擦系数的降低,降低是人们预计的,因为碳纤维是低摩擦材料。但是相反,随着摩擦材料中石油沥青基碳纤维存在量的增加,摩擦系数增加。而且,令人惊奇的是,具有石油沥青基碳纤维的摩擦材料比可比材料具有改进的耐用性。
在某些实施方案中,石油沥青基碳纤维能用于单层摩擦材料中。
在其它实施方案中,可将石油沥青基碳纤维用作纤维性基底材料上的次级层,在该纤维性基底材料中包括另外的石油沥青基碳纤维。
在又一实施方案中,石油沥青基碳纤维用作纤维性基底材料外表面上的次级、或顶层,在基底材料中不具有石油沥青基碳纤维。石油沥青基碳纤维作为次级层、或顶层的摩擦材料,其耐用性提高。石油沥青基碳纤维起到热屏蔽作用,而且为摩擦材料提供额外的期望的稳定性。另外,沉积的石油沥青基碳纤维增加了断裂摩擦系数,从而,增加了摩擦材料的握持能力。
在某些实施方案中,石油沥青基碳纤维可以用作廉价多孔材料上的顶层或次级层,其含例如棉和纤维素填充材料。
应当理解,这些棉纤维材料能够按典型的配制存在,例如在约15-约20重量%的范围内。其它合适的材料也能在该纤维性基底材料中存在,这在本发明要求的保护范围内。这类非限定实施例包括所有可预见的非织造材料,包括湿法成网、干法成网、针刺法、编织和缝合结合非织造材料。而且其它能使用的可预见湿摩擦材料形式也在本发明要求范围内。能够单独使用或与其它纤维和填料混合的石油沥青基碳纤维也在本发明要求的范围内。
石油沥青基碳纤维具有独一无二的结构。图1A显示用于本发明的沥青基碳纤维的横截面,而图1B显示常规用于摩擦材料的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的横截面。
在某些实施方案中,碳纤维由溶剂化各向同性沥青制造,该各向同性沥青的流体温度比处在非溶剂化状态中的相同沥青的熔点至少低约40℃,且常常200℃或更多。由此溶剂化各向同性沥青制造的纤维具有希望的改进的稳定化特性,使得能将纤维加热到碳化温度而不致熔化。而且,出现在碳纤维中的任何中间相未受到伴随碳纤维形成的剪切力的高度拉伸。另外,优选石油沥青基碳纤维具有约5-约40(重量)%的溶剂,其中该沥青基纤维在从纤维中除去溶剂时是不可熔的。
在某些实施方案中,用于本发明的石油沥青基碳纤维是一种纤维(如美国专利6123829中所述,经引用全部并入本发明),其中氧扩散到其中心的速率大约等于或大于纤维外表面的氧化速率。纤维中心变成氧化稳定化,其速率范围从略微低于到大于氧在纤维表面消耗碳的速率。石油沥青基碳纤维优选具有超过300℃的软化点,并优选大于350℃,从而纤维能接受温度大于纤维纺丝温度的稳定化加工。直到做出本发明为止,才在摩擦材料中使用了这种石油基碳纤维。
应当理解,“沥青”一般是指天然柏油石油沥青生产中的副产品,以及轻油裂解工业生产中作为副产品获得的重油,以及从煤炭中得到的高碳含量的沥青。石油沥青一般是指从石油馏分或残渣经催化裂化和/或热裂化获得的剩余含碳材料。溶剂化沥青一般在该沥青中含约5-约40重量%的溶剂,而且具有低于沥青组分未混合溶剂时熔点的流体温度。典型的流体温度低于约40℃。工业生产中一般把溶剂化沥青的流体温度确定为,当由熔点温度以上以1℃每分钟冷却该溶剂化沥青时,粘度6000泊时的温度。溶剂(solvant)含量是指真空分离溶剂时的失重所确定的值。
在某些方面,溶剂化沥青要求在纤维生产中更短的稳定化步骤或者无稳定化步骤,因此,节省了大量用于稳定化的费用。通常,过去生产中需要氧化,以便生产其它类型用于在纤维被加热到碳化温度时防止纤维熔化的碳纤维。本申请中将石油沥青基碳纤维定义为由溶剂化沥青经碳化和/或石墨化获得的纤维。应当理解,各向同性沥青(其包含未排列在光学有序液晶形式中的分子)和中间相,或者各向异性沥青(其含具有芳香结构的分子,该分子经相互作用联系在一起形成光学有序的液晶,该液晶依据温度或者为液体或者为固体)在制造用于本发明的石油沥青基碳纤维时都是有用的。
实施例
以下实施例举例说明本发明的各种实施方案。然而应当理解,其它未在以下实施例中示出的实施方案也应当属于本发明的范围。
实施例I
在某些实施方案中,摩擦材料可包含纤维性基底材料,该材料按重量百分数计包含:约20-约60%的原纤化芳族聚酰胺纤维,约10-约30%二氧化硅填料,约10-约20%石墨,和约5-约20%石油沥青基碳纤维。在本发明的一个实施方案中,实施例1-1和1-2含原纤化芳族聚酰胺纤维约50%,二氧化硅填料约20%,石墨约15%,石油沥青基碳纤维约15%,及任选的添加率约2%的胶乳,用其制造纤维性基底材料,该材料具有约155lb/3000ft2的基重,并且具有约29毫英寸的厚度。
图2表示换档变速器应用的试验,该应用表示了,对于标记为A到P的不同循环,石油沥青基碳纤维两个实施例(表示为Ex.1-1和Ex.1-2)和一个比较用标准碳纤维(表示为Compar.1)的中点摩擦系数。按照本发明,希望摩擦材料的端点(E)摩擦系数对中点(M)摩擦系数的比约为1或更小。此E/M比列于图3,其中该含石油沥青基碳纤维的摩擦材料的E/M比一般小于含该纤维材料的对比摩擦材料的E/M比。
断裂摩擦系数试验列于图4,其描述摩擦材料的握持能力。正如可看到的,含石油沥青基碳纤维的实施例1摩擦材料的握持能力远远高于常规纤维。含石油沥青基碳纤维的摩擦材料具有比对比例A含标准碳纤维的常规摩擦材料高约20%的中点摩擦系数。进一步地,实施例1材料具有需要的低端点对中点摩擦系数比,而且具有高于常规材料约11-19%的断裂摩擦系数。
实施例II
在本发明的另一个实施方案中,摩擦材料含重量百分数约50-约60%的芳族聚酰胺纤维,约3-约10%的二氧化硅填料,约20-约30%的石墨和约10-约20%的石油沥青基碳纤维。在本发明的另一个实施方案中,Ex.2是有以下配方的摩擦材料(以重量计):
芳族聚酰胺纤维,约55%,
二氧化硅填料,  约5%,
石墨,          约25%,和
石油沥青基碳纤维,约15%,以及任选的
胶乳添加物约      2%附加量。
实施例2(Ex.2)的纤维性基底材料具有约166lb/3000ft2的基础重量和约29毫英寸的厚度。
图5表示对比例B的初始层的中点摩擦系数试验,对比样品含与实施例2相同的配制物,不同的仅是用常规碳纤维代替石油沥青基碳纤维。
实施例2和对比例B的初始层的端点/中点比列于图6。该材料处于需要的性能范围。
图7是试验数据图表,该数据表示了实施例2和对比例B的初始层的碳纤维的中点摩擦系数。
图8是活塞位移对循环数试验的图表。实施例2的石油基碳纤维材料与对比例B的表现相同。
实施例III
在本发明的再一个实施方案中,含纤维性基底材料的摩擦材料按重量百分数计,包含约50-约70%二氧化硅摩擦改良材料,和约30-约50%的纤维,这里的纤维含芳族聚酰胺纤维和石油沥青基碳纤维的混合物。在某些实施方案中,石油沥青基碳纤维存在的量占摩擦材料中存在纤维的约5-约50%,而且在某些实施方案中,石油沥青基纤维占纤维的约45-约55%。
在其它实施方案中,石油沥青基碳纤维的量可能不同,这取决于最终的用途。这样,不同摩擦材料具有摩擦材料中存在纤维量的约45-约55%的石油沥青基纤维,而其它具有约30-约40%的石油沥青基纤维;再另一些具有约10-约20%的石油沥青基碳纤维;而且还有其它的具有约3-约7%的石油沥青基碳纤维。在以下实施例中,摩擦材料含硅藻土(celite)和纤维性基底材料,该基底材料的芳族聚酰胺纤维对石油沥青基碳纤维的比例不同。对比例含有带常规碳纤维的纤维性基底材料。
当配制物含石油沥青基碳纤维的量提高时,则预计摩擦系数将因碳纤维是低摩擦系数材料而下降。但令人惊讶的是,摩擦系数随着发明中存在的石油沥青基碳纤维的量的增加而增加。对下列试样进行试验。
表1
                   对比例E-5             对比例F-1
材料              范围%               范围%
棉纤维             10-15                 15-20
芳族聚酰胺纤维     35-45                 35-45
碳纤维             3-10                  3-10
碳颗粒             10-30                 10-20
硅藻土填料      25-35             15-20
胶乳添加物
图9显示在DEX III中,含不同百分比碳纤维的样品的石油沥青基碳纤维的μPVT试验。图9清楚地显示,具有石油沥青基碳纤维的所有样品的中点摩擦系数均更大,而且最令人惊奇的是,石油沥青基碳纤维的浓度最高时,该系数最大。
实施例4-1、4-2、4-3和4-4以及对比例D-1、D-2、D-3和D-4的断裂摩擦系数试验表示于图10。因此,能够清楚看出,标准碳纤维的量增加,摩擦系数减小,而令人惊奇的是,带石油沥青基碳纤维的摩擦材料,其摩擦系数保持稳定或增加。
实施例IV
在本发明的再另一个实施方案中,在纤维性基底材料中不具有石油沥青基碳纤维的纤维性基底材料上沉积石油沥青基碳纤维。
初始层可包含不同类型的纤维性基底材料。一种有用的纤维性基底材料含按重量百分数计约10-约15%的棉纤维,约35-约45%的芳族聚酰胺纤维,约3-约10%的非石油沥青基碳纤维,约10-约20%碳颗粒和约25-约35%的硅藻土摩擦改良材料。
适用于本发明的另一种初始层含,按重量百分数计,约5-约20%棉纤维,约10-约50%的芳族聚酰胺纤维,约10-约35%碳颗粒和约2-约15%的非石油沥青基碳纤维。
在某些实施方案中,石油沥青基碳纤维可具有约10-约30微米的平均长度。在其它实施方案中,石油沥青基碳纤维可具有约150-约250微米的平均长度。
将会理解到,石油沥青基碳纤维的用量可在约1-约15磅/3000平方英尺的范围。特别有用的实施方案包括约3-约5,且最优选约4磅/3000平方英尺的次级层。再另一有用的实施方案包括,约8-约15磅/3000平方英尺。在某些实施方案中,这种石油沥青基碳纤维次级层能够与平均直径约6微米的硅藻土摩擦改良材料结合。本申请的一个实施例中,将约9磅/3000平方英尺的石油沥青基碳纤维(在一些实施例中长度约20微米,而在另一些实施例中平均长度约200微米)沉积到纤维性基底材料样品上,这些样品如表2所示。
表2
实施例       实施例4-1    对比例D-1    实施例4-2     对比例D-2
碳纤维%     49.8         45           34.2          30
BW#/3000     160          160          160           160
厚度In       0.0279       0.0291       0.027         0.0281
密度G/cc     0.367        0.352        0.380         0.365
实施例       实施例4-3    对比例D-3    实施例4-4     对比例D-4
碳纤维%     17.7         15           6             5
BW#/3000     160          160          160           160
厚度In       0.0282       0.029        0.0287        0.0289
密度G/cc     0.364        0.353        0.357         0.355
图11、12和13显示用于此实施例的材料的显微照片。图11显示实施例5-1,该实施例具有石油沥青基碳纤维的顶层或次级层,这些碳纤维的平均长度约为20微米。图1 2显示实施例5-2,该实施例具有石油沥青基碳纤维的顶层或次级层,这些碳纤维的平均长度约为200微米。图13是这些纤维的横截面视图。在每个实施例中,在纤维性基底材料上沉积约9磅的碳纤维。
图14显示对比例E材料的μPVT试验。
图15a和15b表示T-N试验,该试验显示对比例E-1和对比例E-2与本发明实施例5-1的摩擦材料步位级别(step level)试验的比较。正如可从图15a和15b中看到的,该石油沥青基碳纤维材料改良了摩擦材料的耐用性。此外,应当理解,在某些实施方案中,在保持所需的耐用和摩擦特性的同时,能够大大降低9磅的沉积物。注意到,对比例E-2(BWA 6100)与表面上沉积9磅硅藻土的对比例E-1相似。因此,在实施例5-1和对比例E-2之间观察时,能容易地进行9磅次级材料的直接对比。
进一步地,图16中比较对比例E-2、对比例E-1和实施例5-1的活塞位移试验显示,步位耐用性试验(step durability test)的T-N处于级别8。总活塞位移更小,从而具有石油沥青基碳纤维作为第二或顶层的摩擦材料更具稳定性。该石油沥青基碳纤维起到了热屏蔽作用,而且因此提供稳定性。
实施例V
在本发明的再另一实施方案中,更少量的石油沥青基碳纤维(pp-碳)材料沉积在对比例E-1和对比例F-1上,这些对比例的构成如下:
表3
图17a-d中的实例包含:
             基底层               次级层
实施例6-1    对比例E-5            4磅2μm pp-碳纤维
实施例6-2    对比例E-5            4磅20μm pp-碳纤维和9磅更小尺
                                  寸的硅藻土填料
实施例6-3    对比例F-1            4磅20μm pp-碳纤维
实施例6-4    对比例F-1            9磅20μm pp-碳纤维
实施例6-5a   对比例F-1            9磅20μm pp-碳纤维和
                                  12磅带胶乳添加物的6μ平均直径
                                  的硅藻土填料
实施例6-5b   对比例F-1            9磅20μm pp-碳纤维和
                                  12磅6μ平均直径的硅藻土填料
对比例E-5    棉10-15%            0
             芳族聚酰胺35-45%
             碳纤维3-10%
             碳颗粒10-30%
             硅藻土25-35%
对比例F-1    棉15-20%             0
             芳族聚酰胺35-40%
             碳纤维3-10%
             碳颗粒10-20%
             硅藻土15-20%
在不同的实施例中,石油沥青基碳纤维单独沉积,而在另一些实施例中与9磅或12磅超级絮状物型Celica填料混合,该填料具有约6微米的平均微米颗粒尺寸,这比硅藻土摩擦材料的颗粒尺寸小。
图17a-d比较这些实例,其表明,尽管添加石油沥青基碳纤维材料在摩擦系数方面的效果是最小的,但是,沉积石油沥青基碳纤维增加了断裂摩擦系数。
图18a和18b比较了商业化产品,对比例E-1和实施例6-1及实施例6-2。当使用更少量例如4磅石油沥青基碳纤维沉积物作为沉积物或次级层时,摩擦系数比对比例E-1基底材料略高,同时实施例6-1的耐用性改进明显。
图19a、b和c显示400次循环时的T-N试验的数据。石油沥青基碳纤维,当用作次级层时,或者单独或者与二氧化硅填料结合,提供功能材料,该材料具有改进的耐用性。
实施例VI
在本发明再另一个实施方案中,石油沥青基碳纤维(pp-碳纤维)还改进另外的商业化产品,对比例G的性能,其为极富孔隙的纤维性基底材料,该材料含约80%的纤维和约20%的填料,该填料具有非常开放的结构。
表4
             基底层     次级层
实施例7-1    对比例G    4磅pp-碳纤维
实施例7-2    对比例G    9磅pp-碳纤维
实施例7-3    对比例G    9磅pp-碳纤维和12磅6μ平均直
                        径的硅藻土填料
实施例7-4    对比例G    9磅pp-碳纤维和12磅带胶乳添加
                        物的6μ平均直径的硅藻土填料
对比例G      20%填料
             80%填料
图20a和20b显示对比例G和实施例7-1至7-4的T-N数据。
含4磅石油沥青基碳纤维沉积物的实施例7-1,其比仅使用基底材料的对比例G具有略高的期望摩擦系数。另外,本发明实施例的耐用性显著提高。
实施例VII
在本发明再另一个实施方案中,使用混合沉积物或次级层制成各种配制物。不同的商品H,含同样多孔的纤维基底层材料,而且含约80%的纤维和约20%的填料并具有开放的结构。
完成以下实例:
表5
              基底层    次级层
对比例H-1    对比例H    18磅6μ平均直径的硅藻土填料
实施例8-1    对比例H    18磅6μ平均直径的硅藻土填料;
                        2磅,20μm的pp-碳纤维
实施例8-2    对比例H    9磅6μ平均直径的硅藻土填料;
                        2磅20μm的pp-碳纤维
实施例8-3    对比例H    9磅6μ平均直径的硅藻土填料;
                        2磅20μm的pp-碳纤维
实施例8-4    对比例H    2磅6μ平均直径的硅藻土填料;
                        2磅20μm的pp-碳纤维
对比例H-2    对比例H    18磅对称形状的摩擦颗粒
图21显示,带石油沥青基碳纤维的摩擦材料对μPVT试验没有决定性的影响,且保持相同的摩擦水平;即,图21显示,正的下降斜坡,其未带不希望的鸡尾形状。
图22a、22b和22c显示,0.4升/分钟的低速油流量的T-N试验。所有样品显示相似的摩擦材料系数。应当注意到,实施例8-4表现出最佳的耐用性,同时实施例8-2也显示出出色的耐用性。这些实施例表明,少量石油沥青基碳纤维材料作为次级层出现,足以改进此摩擦材料的耐用性。
本发明的摩擦材料能够用各种类型的树脂配制物浸渍。过去已经发现以下配制物会很有用。然而,应当理解,在本发明所考虑的范围内,能够将其它的树脂配制物用于本发明。
在摩擦材料中使用各种类型的摩擦改良颗粒。在一个实施方案中,有用的摩擦改良颗粒包括二氧化硅颗粒。其它的实施方案能够具有摩擦改良颗粒例如树脂粉末例如酚醛树脂、硅树脂环氧树脂及其混合物。再其它的实施方案可包括部分和/或完全碳化的碳粉末和/或颗粒以及它们的混合物;和这些摩擦改良颗粒的混合物。在某些实施方案中,特别有用的是二氧化硅颗粒例如,硅藻土、Celite、Celatom和/或二氧化硅。二氧化硅颗粒是廉价的无机材料,其对基底材料粘合十分牢固。二氧化硅颗粒为摩擦材料提供高摩擦系数。二氧化硅颗粒还为基底材料提供光滑摩擦表面,并为摩擦材料提供一种良好的“换档手感”和摩擦特性,从而让“震颤”最小。
某些实施方案中,能用不同树脂系统浸渍摩擦材料。在某些实施方案中,特别有用的是,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/或上述材料的组合。在某些另外的实施方案中,使用在相容的溶剂中与酚醛树脂共混或混合的硅树脂。
本发明中使用各种树脂。在某些实施方案中,树脂可含酚醛或酚醛基树脂,优选使得浸渍剂(saturant)材料以100重量份的摩擦材料计约含45-约65份重量的树脂。在把树脂混合物施加到纤维性基底材料上以后,并且纤维性基底材料已经用树脂混合物浸渍,将浸渍过的纤维性基底材料加热到需要的温度保温预定时间长度,以便形成摩擦材料。在某些实施方案中,在约300°F的温度加热固化浸渍剂中的酚醛树脂。当浸渍剂中存在其它树脂时,例如硅树脂,该硅树脂的热固化温度约400°F。此后,通过适当的方式,将固化的摩擦材料粘附到需要的基底材料上。
有用的树脂包括,酚醛树脂和酚醛基树脂。应当理解,包含在树脂中的各种酚醛基树脂混合了其它改性成分,例如环氧、丁二烯、硅氧烷、桐油、苯、腰果油等,这些酚醛基树脂应当认为是对本发明有用的。在酚醛改性树脂中,酚醛树脂一般以树脂共混物的约50重量%或更多(排除任何存在的溶剂)量存在。然而,已经发现,基于硅树脂-酚醛树脂混合物(排除溶剂和其它工艺酸)的重量,在某些实施方案中,当该混合物包括含约5-约80重量%硅树脂的树脂共混物,且为了某些目的,约15-约55%,且某些实施方案中约15-约25%硅树脂,则摩擦材料能获得改进。
本发明中有用的酚醛树脂和酚-硅树脂的实例在以上引用的BorgWarner的美国专利中完全公开,其经引用全部并入本发明。本发明中有用的硅树脂包括:例如热固化硅树脂密封剂和硅橡胶。本发明有用的硅树脂多种多样。具体地,一种树脂包括二甲苯和乙酰丙酮(2,4-戊二酮)。硅树脂的沸点约为362°F(183℃),68°F时毫米汞柱表示的蒸汽压为:21,蒸汽密度(空气=1)为4.8,在水中的溶解性可忽略不计,比重约为1.09,挥发百分数,5%重量,蒸发速度(醚=1)小于0.1,采用Pensky-Martens方法的闪点约为149°F(65℃)。应当理解,本发明可以采用其它硅树脂。其它有用的树脂共混物包括,例如,合适的酚醛树脂含(重量%):约55-约60%的酚醛树脂;约20-约25%乙醇;约10-约14%的苯酚;约3-约4%的甲醇;约0.3-约0.8%甲醛;和约10-约20%的水。另一种合适的酚醛基树脂含(重量%):约50-约55%苯酚/甲醛树脂;约0.5%甲醛;约11%苯酚;约30-约35%异丙醇;和约1-约5%水。
还发现另一种有用的树脂是环氧改性的酚醛树脂,该树脂含约5-约25重量%,且优选约10-约15重量%的环氧化合物和剩余物(排除溶剂和其它工艺酸)酚醛树脂。在某些实施方案中,该环氧-酚醛树脂化合物比酚醛树脂单独为摩擦材料提供更高的热阻。
在某些实施方案中,优选树脂混合物含需要量的树脂和摩擦改良颗粒,使得由纤维性基底材料完成的树脂的对象拾取(target pick up)范围在全部硅树脂-酚醛树脂的约25到约70%,在其它实施方案中,从约40到约65%,且在某些实施方案中,约60-至少65重量%。在纤维性基底材料用树脂浸渍后,在300-400℃范围的温度固化纤维性基底材料一定时期(在某些实施方案中约1/2小时),以便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性基底材料的最初厚度。
在进一步考虑中,可包括树脂共混物制备中及纤维性基底材料制备中都会有用的已知的其它成分和加工助剂,而且在本发明的考虑范围内。
在某些实施方案中,树脂混合物可以含硅树脂和酚醛树脂两者,这些树脂存在于彼此相容的各溶剂中。将这些树脂混合在一起(在优选实施方案中)形成均质共混物,然后用于浸渍纤维性基底材料。在某些实施方案中,如果纤维性基底材料用酚醛树脂浸渍然后在其后添加硅树脂或者反过来,存在不同的效果。在硅树脂-酚醛树脂溶液混合物和硅树脂粉末和/或酚醛树脂粉末的乳液之间也存在不同。当硅树脂和酚醛树脂在溶液中时,它们完全不能固化。相反,硅树脂和酚醛树脂的粉末颗粒被部分固化。部分固化的硅树脂和酚醛树脂阻止了基底材料的良好浸渍。
在本发明的某些实施方案中,用溶剂中的硅树脂共混物浸渍纤维性基底材料,该溶剂与酚醛树脂及其溶剂相容。在一个实施方案中,已经发现异丙醇是特别合适的溶剂。然而将会理解,各种其它合适的溶剂,例如乙醇、甲乙酮、丁醇、异丙醇、甲苯等能在本发明的实施中采用。硅树脂的存在,当其与酚醛树脂共混并用于浸渍纤维性基底材料时,导致所产生的摩擦材料比仅用酚醛树脂浸渍的纤维性基底材料更具弹性。当向本发明的硅树脂-酚醛树脂共混物浸渍的摩擦材料施加压力时,压力分布更加均匀,这反过来减少不平坦衬里磨损的可能性。在硅树脂和酚醛树脂与摩擦改良颗粒一起混合之后,将混合物用于浸渍纤维性基底材料。
本发明的摩擦材料包括在纤维性基底材料顶表面上的摩擦改良颗粒层,提供一种抗震颤特性良好、高阻力、高摩擦系数、高耐用性、耐磨性优良而且磨合特性改进的摩擦材料。

Claims (73)

1.一种用于与相对的摩擦表面啮合的摩擦材料,其包含一种纤维性基底材料,该纤维性基底材料含至少一种石油沥青基碳纤维,该碳纤维存在于该摩擦材料的至少一个外表面上,由此,在该摩擦材料与该相对的摩擦表面啮合期间,该石油沥青基碳纤维与相对的摩擦表面相接触。
2.权利要求1的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维含溶剂化的沥青,该沥青具有比非溶剂化状态下的该沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
3.权利要求2的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
4.权利要求2的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧扩散速率。
5.权利要求4的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
6.权利要求1的摩擦材料,其中该摩擦材料的端点摩擦系数(E)对中点摩擦系数(M)的比约为1或更小。
7.权利要求1的摩擦材料,其中该摩擦材料含纤维性基底材料,该纤维性基底材料按重量百分数计含有:
约20-约60%的原纤化芳族聚酰胺纤维;
约10-约30%的二氧化硅填料;
约10-约20%的石墨;和
约5-约20%的石油沥青基碳纤维。
8.权利要求7的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维含有一种溶剂化沥青,该沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
9.权利要求8的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
10.权利要求8的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
11.权利要求10的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
12.一种摩擦材料,该摩擦材料含纤维性基底材料,该纤维性基底材料按重量百分数计含有:
约20-约40%的原纤化芳族聚酰胺纤维;
约10-约30%的二氧化硅填料;
约10-约20%的石墨;
约5-约20%的石油沥青基碳纤维。
13.权利要求12的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
14.权利要求13的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
15.权利要求13的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
16.权利要求15的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
17.一种摩擦材料,该摩擦材料含纤维性基底材料,该纤维性基底材料按重量百分数计含有:
约50-约60%的芳族聚酰胺纤维;
约3-约10%的二氧化硅填料;
约20-约30%的石墨;和
约10-约20%的石油沥青基碳纤维。
18.权利要求17的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
19.权利要求18的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
20.权利要求18的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
21.权利要求20的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
22.一种摩擦材料,该摩擦材料含纤维性基底材料和次级层,该纤维性基底材料按重量百分数计含有:
约50-约60%的芳族聚酰胺纤维;
约3-约10%的二氧化硅填料;
约20-约30%的石墨;
约10-约20%的石油沥青基碳纤维;
次级层基于磅/3000平方英尺的基础重量含有碳颗粒及二氧化硅填料。
23.权利要求22的摩擦材料,其中以磅/3000平方英尺的基础重量计,该碳颗粒存在量为约1-3磅,并且该二氧化硅摩擦材料存在量为约2-4磅。
24.权利要求22的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
25.权利要求24的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
26.权利要求24的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
27.权利要求25的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
28.一种摩擦材料,该摩擦材料含纤维性基底材料,该纤维性基底材料含有:
约50-约70%的二氧化硅摩擦改良材料和
约30-约50%的纤维,其中这些纤维包括芳族聚酰胺纤维和石油沥青基碳纤维。
29.权利要求28的摩擦材料,其中基于该摩擦材料中这些纤维的存在量,该石油沥青基碳纤维的存在量为约5-约50%。
30.权利要求29的摩擦材料,其中基于该摩擦材料中这些纤维的存在量,该石油沥青基碳纤维的存在量为约45-约55%。
31.权利要求29的摩擦材料,其中基于该摩擦材料中这些纤维的存在量,该石油沥青基碳纤维的存在量为约30-约40%。
32.权利要求29的摩擦材料,其中基于该摩擦材料中这些纤维的存在量,该石油沥青基碳纤维的存在量为约10-约20%。
33.权利要求29的摩擦材料,其中基于该摩擦材料中这些纤维的存在量,该石油沥青基碳纤维的存在量为约3-约7%。
34.权利要求28的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
35.权利要求29的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
36.权利要求29的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率至少约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
37.权利要求29的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
38.一种摩擦材料,该摩擦材料含有初始层和次级层,该初始层含一种纤维性基底材料,该次级层含有石油沥青基碳纤维。
39.权利要求38的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的平均长度为约10-约150微米。
40.权利要求38的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的平均长度为约150-约250微米。
41.权利要求39的摩擦材料,其中在该初始层上沉积约9磅/3000平方英尺的石油沥青基碳纤维。
42.权利要求40的摩擦材料,其中在该初始层上沉积约9磅/3000平方英尺的石油沥青基碳纤维。
43.权利要求38的摩擦材料,其中该初始层按重量百分数计含有:
约10-约15%的棉纤维;
约35-约45%的芳族聚酰胺纤维;
约3-约10%的非石油沥青基碳纤维;
约10-约20%碳颗粒,和
约25-约35%的硅藻土摩擦改良材料。
44.权利要求38的摩擦材料,其中该初始层按重量百分数计含有:
约5-约20%棉纤维;
约10-约50%的芳族聚酰胺纤维;
约10-约35%碳颗粒;和
约2-约15%的非石油沥青基碳纤维。
45.权利要求38的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化次态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
46.权利要求39的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
47.权利要求39的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
48.权利要求41的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
49.一种摩擦材料,其包括含纤维性基底材料的初始层,作为次级层沉积在该初始层上的约3-约10磅/3000平方英尺的石油沥青基碳纤维。
50.权利要求49的摩擦材料,进一步包括约8-约15磅/3000平方英尺的平均直径约6微米的硅藻土摩擦改良材料。
51.权利要求50的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约10-约30微米的平均长度。
52.权利要求49的摩擦材料,其中该初始层按重量百分数计含有:
约10-约15%的棉纤维;
约35-约35%的芳族聚酰胺纤维;
约3-约10%的非石油沥青基碳纤维;
约10-约20%碳颗粒;
约25-约35%的硅藻土摩擦改良颗粒。
53.权利要求49的摩擦材料,其中该初始基底层按重量百分数计含有:
约15-约25%的棉纤维;
约35-约45%的芳族聚酰胺纤维;
约3-约10%的非石油沥青基碳纤维;
约10-约20%碳颗粒;和
约25-约35%的硅藻土摩擦改良颗粒。
54.权利要求49的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维含有溶剂化沥青,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
55.权利要求50的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
56.权利要求50的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
57.权利要求52的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
58.一种摩擦材料,其含多孔纤维性基底材料初始层和构成如下的次级层:
约1-约5磅/3000磅/平方英尺的石油沥青基碳纤维;和
约1-约20%磅/3000磅/平方英尺的摩擦改良材料。
59.权利要求58的摩擦材料,其中该摩擦改良颗粒含有二氧化硅颗粒。
60.权利要求59的摩擦材料,其中该二氧化硅摩擦改良材料含下列物质中的至少一种:硅藻土摩擦材料,平均直径约6微米的二氧化硅摩擦材料,平均直径尺寸为约0.1-约0.5微米的二氧化硅摩擦材料,及其混合物。
61.权利要求59的摩擦材料,其中该二氧化硅摩擦改良材料含规则或对称圆盘形的颗粒。
62.权利要求58的摩擦材料,其中该次级层具有约60-约100μm的厚度。
63.权利要求58的摩擦材料,其中该摩擦改良颗粒的平均直径大小为约0.1-约80微米。
64.权利要求58的摩擦材料,其中该摩擦改良颗粒的平均直径大小为约0.5-约20微米。
65.权利要求58的摩擦材料,其中该纤维性基底材料的平均空隙体积为约50%-约85%。
66.权利要求59的摩擦材料,其中该摩擦改良颗粒含硅藻土颗粒。
67.权利要求59的摩擦材料,其中该摩擦改良颗粒含硅藻土。
68.权利要求66的摩擦材料,其中该硅藻土具有不规则的形状。
69.权利要求68的摩擦材料,其中该硅藻土颗粒地大小为约2-约20μm。
70.权利要求58的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维由溶剂化沥青制造,该溶剂化沥青具有比非溶剂化状态下的相同沥青的熔点低至少约40℃的流体温度,其中该石油沥青基纤维能够加热到碳化温度而不熔化。
71.权利要求59的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维具有约5-约40重量%的溶剂,其中在从纤维中除去溶剂时该沥青纤维不可熔。
72.权利要求59的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的向纤维中心的氧扩散速率约等于或大于在纤维外表面的氧速率。
73.权利要求72的摩擦材料,其中该石油沥青基碳纤维的软化点为至少约300℃。
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