溼法成形摩擦材料的製作方法

2023-12-09 05:39:56 2

專利名稱：溼法成形摩擦材料的製作方法
溼法成形摩擦材料發明背景本發明涉及一種摩擦材料、用於製造此種材料的方法及工藝。此種材料由用於形成骨架基質(skeletal matrix)的長纖維構成，該骨架基 質通過尤其在相鄰纖維的空隙中分散有微粒材料而得到強化，從而顯 著增強此種材料在飽和之後的切變強度，本發明同時涉及一種用於制 造此種材料的系統及方法。現有技術簡述在能量傳輸裝置中使用工程化複合材料及塗層形式的摩擦材料。 這些摩擦材料是使用許多種不同工藝製成，並由許多種不同成分組 成，這些成分能夠形成具有優異特性、尤其在耐磨性、穩定摩擦度、前已發現具有這些優異特性的幾種材料是專用機織碳織物及微粒沉 積複合材料。在Winckler的美國專利第5,662,993號、Gaffney的美國專利第 6,638,883號及Dowell的美國專利第6,277,769號中公開了專用機織織 物，這些美國專利均公開現有技術系統、方法及材料。某些此等系統、 方法及材料需要使用高成本的製造技術，例如在專門的氣氛中進行碳 化後工藝，致使製造生產率偏低，從而使其成本過高。業已發現，這 些材料在許多高能應用中通常能提供所需的摩擦特性及所需的流體 滲透性。然而，同時還發現，此等材料的設計具有較低的壓縮載荷極 限值，這歸因於飽和碳纖維的脆性及材料結構的空隙空間。在高的壓 縮載荷作用下，很容易超過飽和機織纖維的斷裂韌度極限值，從而導 致纖維在高的載荷作用下斷裂。微粒沉積摩擦材料，例如在Nels的美國專利第4,639，392號、Lam 的美國專利第6,630,416號中所^Hf的微粒沉積摩擦材料，需要使用 專門的工藝進行製造，且其成本可多倍於利用造紙工藝經濟性優點的 傳統材料的製造成本。業已發現，這些材料能在許多高能應用中提供 所需的摩擦特性及高的單位載荷容量。然而，同時還發現，這些材料 的設計缺乏在許多高能應用中所要求的必要的流體滲透性。現有技術的摩擦紙是使用造紙設備進行製造，此能以高的生產率 水平製成成本極低的材料。然而，這些低成本材料缺乏在上述專用機 織織物等級及微粒沉積材料中所具有的有利特性，尤其是在強度、高 流體滲透度及有利摩擦性能方面的特性。圖5A顯示現有技術材料的 電子圖像。使用溼法成形(wet-laid)造紙工藝所製成的、具有相當於或 超過碳織物及微粒沉積材料的高孔隙率、耐用性及耐磨性的產品將非 常有利於高能摩擦應用。在例如授予Bortz的美國專利第5,646,076號、授予Menard等人 的美國專利第5,807,518號及授予Menard等人的美國專利第6，835,448 號公開了無紡織物，這些專利揭露使用長纖維及以往的某些非造紙工 藝技術的摩擦材料及方法，其示例圖應用於一種材料的丙烯腈及粘結 劑混合物的應用。業已發現，材料結構內的纖維的脆性使這些材料具 有低的壓縮極限值。同時還發現，由於在材料結構中不存在高含碳量 的纖維，因而這些材料的摩擦性能不佳。由於含碳量高於約65%的碳 纖維具有固有的脆性，因而使用此等方法及工藝無法在材料內有效地 形成具有高含碳量的纖維。需要對現有技術所公布的內容加以改良。發明概述在一個方面中，本發明包括一種摩擦材料，該摩擦材料包括摩 擦基質，其包括多條溼法形成的纖維，這些纖維共同限定包含預定孔 隙率的骨架基質，其中該預定孔隙率大約是在0.5英寸水柱的壓降作用下每平方英尺的材料每分鐘滲透5立方英尺至每分鐘滲透80立方英尺左右的空氣。在另一方面中，本發明包含一種用於製造供用於摩擦材料中的骨架基質的工藝方法，其包括下列步驟形成多條纖維與水的混合物； 向該混合物中添加微粒材料；以及使該混合物溼法成形至支撐物上， 以使該混合物共同限定包含預定孔隙率的骨架基質。根據附圖及隨附權利要求書，本發明的這些及其它目的及優點將 變得顯而易見。附圖簡述

圖1為示例圖，顯示根據本發明 一 個實施例應用於例如轉矩變換器離合器活塞等部件的摩擦材料；圖2圖解說明同步器齒環上的材料；圖3圖解說明該材料在離合器片或盤上的另 一應用；圖4為用於製作該材料的系統及方法的示例圖；圖5A為現有技術紙張材料的電子圖像；圖5 B為根據所述示例圖的材料10的圖像；圖6為圖解說明孔隙率與招4妻抗剪切強度的關係的柱狀圖；圖7為另一柱狀圖，其圖解說明應用於轉矩變換器離合器的材料的活塞流量與現有技術紙質材^f的對比；以及圖8圖解說明在轉矩變換器離合器(例如圖1所示的轉矩變換器離合器)上，高滲透性材料對摩擦材料界面溫度的影響與低滲透性材料的對比。優選實施例詳述現在參見圖l-4及5B-8，其顯示一種系統、方法及材料IO。在所 述實施例中，摩擦材料10是高孔隙率的高強度材料，其粘結或粘固 至轉矩傳輸襯底上，例如前面所述的襯底或板12、環14及環16上。組裝好的部件隨後用於將能量從旋轉或滑動部件傳輸至另一部件，該 另一部件通常處於靜止或運動狀態。這些系統可包括但不限於傳輸離 合器片-例如圖1中的轉矩變換器離合器片12、轉矩變換器離合器、傳輸帶、同步器-例如圖2中的同步器齒環14、限滑差速器、溼式制動器、乾式制動器、或傳動系或動力傳輸系統中的任何適用部分。下文將參照圖4來說明用於製造摩擦材料10的工藝及方法。系統、方 法及材料]0能在最終用途部件或應用中實現高的流體流量水平，例 如在鎖定式轉矩變換器離合器12(圖1)、離合器片16(圖3)、同步器齒 環(圖2)或其它動力傳輸環境或總成中。因此，圖1圖解說明應用於轉 矩變換器離合器12的摩擦材料10。圖2圖解說明應用於同步器齒環 14的材料10,而圖3圖解說明將材料IO應用於圖中所示第一側16a 及第二側16b上的離合器盤或片16。在通常所知類型的動力傳輸環境 中可使用一種或多種片部件12、 14及16。儘管圖中並未顯示，然而 也可對材料10進行分割，以形成放置於所述部件上的環，如在授予 Nels的美國專利第5,615,758號及第5,842,551號中所揭露，這些美國 專利通過引用結合到本文中並作為本文的一部分。向含水的混合箱20中添加多條纖維18。水對纖維之比(重量比) 通常是90-98%的水對2-10%的纖維。在所述實施例中，已發現，長 度短於2毫米的纖維幾何結構是不佳的，因為其可因使纖維能密切接 觸而對材料孔隙率產生不利影響，從而導致孔隙率降低。同時還發現， 大量且具體使用的長度大於2毫米的纖維18可由具有各種長度及直 徑的高溫、高韌度或具體性能的材料構成。在一實施例中，所使用的 這些高性能纖維]8被局限於直徑小於50 jxm的纖維，且更通常是直 徑小於15 fim的纖維。但是，最好使大多數纖維18的縱橫比保持為 大約15 pm至50 的直徑與2.25 mm至12 mm的長度之比。還發 現，最好將複合材料的配方構造成將未飽和、幹態紙纖維材料10的 總成分的5-95%的重量預留給長纖維。較佳地，這些長纖維應為"高 溫"纖維，在通過熱解重量分析(thermogravimetric analysis; "TGA")進行測量時呈熱穩定性，在約451華氏度(232攝氏度)的溫度下在空氣氣 氛中的重量損失小於5%。在所述的實例中，纖維18是溼法成形的纖 維，且長度通常至少為0.08 mm,且在一實施例中介於2.5-3.5 mm之 間。纖維18可為非纖維素纖維。在箱20中通過機械攪拌對水與纖維18進行混合，直至在室溫下 形成均勻的懸浮液為止。就此而言，由於使纖維18分散或提純所需 的時間，通常首先將纖維18加入箱20中。使所得的漿液略微變濃， 從而在如下文所述隨後添加微粒材料22時減小微粒材料22沉降的傾 向。接著，將微粒材料22加入箱20的纖維漿液中，並通過機械混合 進行攪拌。該攪拌方法可潛在地用於使原料分散並通過形成原纖維或 通過類似途徑而按尺寸提純原材料。在該實例中，微粒材料22包括 含碳材料；氮化物材料；金屬氧化物材料；含矽材料；粉末或顆粒狀 彈性材料；碳化物材料；聚合物材料；礦物質，冶金焦，石油焦，活 性碳或石墨碳。所述多種微粒材料22可包含精確斬切的或粉碎的纖 維，包含小於約400微米的長度。此外，所迷多種微粒材料還可包括 小至約150 nm的小尺寸及約300微米的大尺寸。對纖維14與微粒22的混合物進行攪拌及提純(改變尺寸)，直至 箱20包含保持於懸浮液中的纖維18與微粒材料22的均質混合物為 止。將均質混合物從箱20中通過導管25抽吸並運送至後續各級並加 以處理，此類似於傳統的造紙工藝，但不存在會使材料18、 22發生 沉降或分離的有害效應。通過使纖維材料18纏結及進行提純而減輕 或防止了沉降或分離現象。在所述的一實施例中，均質混合物通常由 0.5-7重量。/。的漿液固體內含物組成。通常使用泵(未顯示)將均質混合物通過導管25抽吸至兩個或更多 個存儲箱24中。當繼續進行抽吸時，通過導管25從存儲箱24中抽 吸混合物。其它化學品26及28則使用靜態混合器30及32添加及混合至漿液中。在一實施例中，化學品26及28可包含帶離子電荷的聚 合物，例如陽離子及/或離子及/或非離子保持助劑-例如Ashland Chemical公司的Drew國Flocc 2249或Nalco Chemicals公司的Nalco 7530、加強樹脂-例如Amres HS30或Cascomel溼式增強劑、及/或 Ph緩沖劑，此為所屬領域的技術人員所熟知。在所述的實例中，通常 按總動態漿液重量計以介於1.5 PPM(百萬分之一份)與150 PPM之間 的濃度來添加帶離子電荷的聚合物，例如Drew-Flock 2249。所述濃度 可針對固有的原材料電荷、材料幾何結構及水質而加以調節。授予 Vincent的美國專利第5,700,353號及授予Sinclair的美國專利第 4,925,530號即示例圖可引入的某些化學品及添加劑，這些化學品及添 加劑為所屬領域的技術人員所熟知。這些美國專利第5,700,353號及 第4,925，530號通過引用結合到本文中並構成本文的一部分。當均質混合物沿導管25向下遊行進時，可從箱34中向均質混合 物中添加稀釋水。此會將均質混合物中按重量計的固體百分比降至 0.015%至4.0%，從而減小工藝波動、提高成紙率並將最終的造紙化學 品載送至成紙區域。漿液的這些f希釋濃度是為形成含有高濃度(5-95%) 長纖維18的恆定形成物所需的。由於在所述實施例中使用長纖維18, 因而需要使用大量的水在系統中載送單獨的纖維，以使其可隨機且均 勻地沉積於載體網(carrier web)40上，同時使水能通過載體網40排放 掉，而不會形成裂紋或不期望的厚度及成分變化。均質混合物或漿液在其進入造紙站或機器46中時通過泵42被抽 吸至網前箱(headbox)44中。網前箱44是開口的或封閉的容器，用於 控制將漿液混合物分散於載體網或帶40上。應理解，在所述實例中， 由於除去了均質混合物中的大多數短纖維，因而可導致難以載送材料 10向下經過造紙站或機器，這是因為短纖維之間的密切接觸被減弱。 這使材料10在整個造紙工藝中的溼態強度較低。為克服此種障礙， 可使用來自供給源45的支撐載體或片43來載送連續形成的材料10 的網片經過造紙站。就此而言，載片43可以是襯底、麻布、機織布、無紡織物、網織品、紗網或其它傳統的傳送件，例如實心或網帶構造形式的傳送帶。載片43可在後續飽和步驟甚至粘結步驟期間或之後 被移除或者保留於原位上。應注意，載片43與網片或傳送帶40是分 離的，但由帶40支撐。網前箱44包括造紙領域的技術人員所熟知的可調狹槽或切口(未 顯示)，用以使稀釋水溢出潛堰或壩。網前箱44的漿液進入點通常是 微粒22及纖維18的大多數絮結所發生之處，因而高的漿液稀釋度(例 如93-99.5%的水及2-10%的纖維18及/或微粒22)對於摩擦材料10的 形成至關重要。水性漿液或均質漿液從網前箱44流至連續移動的網片40及支撐 件43上。在所述實施例中，將傳送帶或網片40製作成細網目的紗網 形式。使用輥輪48、 一或多個真空箱50甚至夾送輥輪52在該網片 40上通過表面張力脫水而除去相當大的一部分水。在使網片43上的此種半脫水材料10經過乾燥段來除去大部分殘 留水之前，可進一步擠壓或壓軋材料10。因此，應理解，水性均質混 合物在其持續變幹時從漿液轉變成潮溼的網片，直至形成連續的紙狀 產品或材料10或網片54為止。在所述實施例中，使網片54經過多 個受熱輥輪-例如輥輪56、多孔的真空輥輪、隧道烘爐、乾燥板或其 它用於通過加熱或真空進行除水的傳統方法。然後，將網片54巻繞 至芯軸58上，以提供千燥摩擦材料10的供給源60，並可對其進行後 續處理。例如，儘管圖中並未顯示，然而也可在該工藝階段中將網片 54切割成片，以供進一步加工。在所述工藝中的此刻，所示實施例的系統及方法提供材料10的 連續網片ii，其中材料10具有由高性能纖維18所組成的均質骨架基 質，該骨架基質在空隙位置處由相鄰纖維18之間的微粒材料22以下 文所述及所示的方式進行加強。圖5A是現有技術紙質材料的電子圖 像，圖5B則是根據所述實例的材料10的圖像。此會增強材料10在 飽和之後的切變強度，同時對流過材料10的流體流的影響幾乎可忽略不計。纖維18與微粒材料22的此種布置會形成柔順、高強度、耐 磨、具有高孔隙率且不存在震顫的材料10。為進一步強化摩擦材料10，使材料10的網片11浸沒於並經過桶 或盤42並浸漬粘結劑73。在所述實例中，粘結劑73可以是熱固性樹 脂、改性的熱固性樹脂、熱塑性樹脂、粉末樹脂、或樹脂混合物。微 粒材料22可直接地或通過粘結劑73(即在粘結劑中提供)引入於漿液 中。微粒材料可包括含碳材料；氮化物材料；金屬氧化物材料；含 矽材料；粉末或顆粒狀彈性材料；碳化物材料；聚合物材料；礦物質， 冶金焦，石油焦，活性碳或石墨碳。所述材料可包含精確斬切的或粉 碎的纖維，含有小於約400微米的段。然後，使供給源60經過一對 夾緊輥輪64，以去除網片11上的過量粘結劑11並實現對最終粘結劑 含量(按重量計)的控制。在使用通常所知類型的烘爐66對飽和網片11 進行所屬領域的技術人員所熟知的"B階段處理"時，飽和網片1]會明 顯地但不完全地固化。應理解，可使用受熱輥輪(未顯示)或其它適當 設備執行乾燥作業。在飽和及"B階段"固化之後，既可去除也可不去 除可選載片(未顯示)。在方塊72中，可進一步加工所收集的供給巻70,例如將網片11 切割成形-環形或段狀、壓印、機加工或其它操作，例如將材料10 粘固至某一部件上。材料10可進一步經過加工並應用於摩擦環境及 部件上，例如上文中參照圖1-3所述的摩擦環境及部件上。如在圖5B中所最清楚地顯示，應注意，通過該工藝所製成的摩 擦材料10能提供含有極長的剛性纖維幾何結構的材料10，該材料與 現有技術的材料相比，表現出4艮大的材料孔隙率。圖5B示例圖電子 圖像，其中示例圖長纖維18及位於相鄰纖維18之間空隙中的微粒材 料22的結塊。由於該材料具有開口的多孔結構，因而微粒材料22能 夠在成形過程中自由地穿過纖維基質。此進一步使微粒材料22能夠 位於纖維18的帶電荷空隙中，從而能提高材料強度，而材料孔隙率 的降低卻微乎其微。就此而言，這些空隙所包含的電荷密度相對大於沿任一給定纖維18的其它區域，此往往會通過通常所知的絮結概念 而將微粒材料吸引至空隙中。該材料提供具有預定孔隙率的骨架基質。在一實施例中，預定孔隙率大約是在0.5英寸水柱的壓降作用下每平方英尺的材料每分鐘滲 透5立方英尺至每分鐘滲透80立方英尺的空氣。在另一應用中，該 材料包含大於或等於282.5 mm的外徑及小於或等於254 mm的內徑， 且當在至少400 kPa的壓力下在動粘度約為9.32 cSt的流體中進行測 試時，所述溼法成形摩擦材料被粘結至厚度至少為0.6 mm的載體上， 在不添加凹槽或紋理的情況下，穿過溼法成形摩擦材料的流率介於約 0.4 1/mm與4.0 1/mm之間。重新參見圖4，注意，材料10的網片11及所形成的摩擦材料10 包括均可用作功能性摩擦面的頂面]Oa及底面10b。成品摩擦材料的 卡鉗測量值或厚度可介於0.030毫米至4.2毫米之間，但最佳是介於 0.5毫米至1.5毫米之間。成品摩擦材料的重量可介於45磅/3000平方 英尺至600磅/3000平方英尺之間。壓實約25 %的成品摩擦材料10的 切變強度可介於1.3 MPa至13.7 MPa之間，但最佳介於2.0 MPa至8.2 MPa之間。成品材料的典型孔隙率可在0.5英寸的壓降下介於每平方 英尺5 cfm至80 cfm之間，但最佳是在0.5英寸的壓降下介於每平方 英尺IO cfm至60 cfm之間。在一實例中，當如圖1中所示應用該材 料時，在不進行二次開槽或表面紋理化處理的情況下，當將材料粘結 至外徑(OD)為300 mm、內徑(ID)為41.8 mm的轉矩變換器活塞上、且 摩擦材料的外徑為至少282.5 mm、內徑至多為254 mm、且相對於飽 和後的材料厚度^f皮壓實至35%時，在動粘度為9.32 cSt、溫度為90°C 的流體中以大約400 kPa的液壓施加壓力、在零差速下將活塞應用於 前蓋來模擬轉矩變換器完全鎖定狀態，所測得的成品摩擦材料10的 流體滲透性可介於0.1 L/MIN與4 L/MIN之間。在另一示例圖性實施例中，在室溫下在34處向混合物中添加重 量百分比為98%的水。通過添加氫氧化鈉或硫酸而將水的Ph值調節至Ph6.0至8.0的水平。接著，向混合箱中添加按SDC材料複合物的 重量計為10.8%的0.125英寸長的經斬切PAN碳纖維材料複合物及按 SDC材料複合物的重量計為2%的丙烯酸漿，並對混合箱進行攪拌， 直至看不到成塊或成束的丙烯酸漿纖維為止。接著，向混合箱20中添加按SDC材料複合物的重量計為8.4%的 粉碎的350微米PAN碳纖維及4安重量計為16.4%的8 pmx26 /am的針 狀焦碳、連同按SDC材料複合物的重量計為12。/。的7pm石油焦D然 後對該混合物進行攪拌，直至看不到焦碳或粉碎的纖維的結塊為止。 測量混合物的Ph值，且如果需要，則通過在圖4中的20處進一步添 加氫氧化鈉或硫酸鋁而將其調節至6.0至8.0的Ph值範圍內。接著， 將丙烯腈預稀釋至低於21 %的總固體懸浮物並向混合物中添加按 SDC材料複合物的重量計為6%的丙烯腈。SDC材料為產品60。然後將稀釋後的材料通過上文參照圖4所述的存儲箱按順序進行 傳送。當通過導管25朝網前箱44傳送材料時，在靜態混合單元30、 32(圖4)之前向管道中注入濃度為2%的稀釋的硫酸鋁，直至Ph達到 5.0至6.0為止。以足夠大的容積率抽吸所述材料，以在以約20英尺/ 分鐘的速度移動的成形傳送帶或網片40上形成充分結構化的紙狀材 料。此後，在注入點26處從0.2。/。的溶液添加總背景濃度為78 ppm的 保持聚合物Drew-Flocc 2449。混合物經過另 一晶體混合單元32並從供給源34接收稀釋水，以 使整個漿液混合物中的總固體物達到約1%。將該稀釋後的漿液混合 物抽吸至Fourdmier 44-52造紙才幾的網前箱44中。然後，將水性漿液 或混合物傳送至前面所述的可選載片43。將水性漿液與織物成形速度 相一致，在該實例中，織物成形速度約為每分鐘20英尺。漿液已借 助表面張力或夾緊輥輪52、真空箱50進行脫水，現在使用輥輪52對 漿液進行脫水。將溼網片11栽送至經蒸氣加熱的乾燥罐，其中罐56 清除掉溼紙中98.5%至99.5%的水，並通過乾燥罐進行充分巻繞，以 控制網片11的乾燥及收縮率，從而使網片11不會在乾燥過程中斷裂。乾燥後的網片或片11被繞至供給芯軸或巻軸58上，以提供供給源60。 然後，將供給源60解繞並浸漬以熱固性酚醛樹脂粘結劑。將網 片11浸沒於盛有酚醛樹脂的桶或盤62中，其中酚醛樹脂經異丙醇稀 釋，以控制樹脂的粘度、固體物含量及滲透度，從而在摩擦材料飽和 並完全固化時得到約為30%的最終樹脂含量。現在達到飽和的網片 11離開樹脂盤42並在夾緊輥輪64之間受到壓擠或夾緊。將飽和的溼 網片或紙經過受迫空氣千燥烘爐66載於一系列輥輪(未顯示)上，由烘 爐66將網片11乾燥至揮發物為2.5%的揮發度，從而使97.5%的材料 10固化。材料IO在未移開載片43的情況下離開烘爐66。然後，將 材料10製成片狀，以粘結至在摩擦環境中所用的一或多個部件上， 例如在圖1-3中所示的部件或組件上。圖6將該實例中材料10的孔隙率-搭接切變強度關係與傳統紙質 構造的摩擦材料10的孔隙率4吝接切變強度關係相比較。還應注意， 摩擦材料10的搭接切變強度類似於現有技術的紙質材料，但優點是 與現有技術機織材料相關的孔隙率得到提高。此種提高的孔隙率能提 高在各界面摩擦組件之間耗散液力油膜的能力，從而得到更有利的摩 擦特性及無震顫性能。此種增大的流量有利於減小或實際消除在摩擦 材料中開槽的需要，從而與開槽應用相比使每一摩擦面得到更大的能 量容量。此種增大的流體流量會有效地耗散在摩擦材料10與任何配 合組件的界面處所產生的熱量。較佳地，本發明的系統及方法利用傳統造紙工藝中所釆用的技術 來製造大致長纖維骨架基質，該骨架基質通過遍布的微粒材料22得 到加強並隨後飽和地浸漬樹脂。在所述實例中，材料10的基重介於 45 lbs/3000平方英尺與600 lbs/3000平方英尺之間，但較佳是介於80 lbs/3000平方英尺與475 lbs/3000平方英尺之間。摩擦材料]0的卡鉗 測量值介於0.3毫米與3.2毫米之間，但最佳是介於0.5毫米與1.5毫 米之間。纖維長度介於約0.08毫米至12毫米，但最佳是介於0.5毫 米與3.5毫米之間。在另一實施例中，纖維長度可介於2毫米與12毫米之間，但最佳是介於2毫米與6毫米之間。長纖維含量可介於飽和幹態材料10 的重量的5 %至95 %之間，但最佳是介於材料10的重量的20 %至60%之間。而且，長纖維18既可為纖維素纖維，也可為非纖維素纖維(例如 碳纖維)，甚至可包含纖維素纖維與非纖維素纖維的摻合物。此外，可 將短纖維與長纖維相混合，但較佳地使短纖維的長度介於0.08毫米與 2毫米之間或最佳介於0.2毫米與1毫米之間。此外，混合物中的短 纖維含量應介於千態飽和材料10的重量的5%至95%之間，但最佳介 於幹態飽和材料10的重量的約5%至10%之間。如長纖維一樣，短纖 維可為纖維素纖維或非纖維素纖維、抑或纖維素纖維與非纖維素纖維的摻合物。對於微粒材料22而言，微粒材料22可包含小到約150 nm的小 尺寸至大到約300 pm的大尺寸，最佳是介於約1微米的小尺寸與150 微米的大尺寸之間。微粒材料22可包括含碳材料，例如冶金焦、石 油焦、碳化PAN或瀝青、石墨、活性碳、工業鑽石，或例如以下等 其它材料金屬氧化物，例如氧化鐵、氧化鋁、鉻鐵氧化物；含矽材 料，例如矽酸硼、石英、硅藻土；顆粒狀彈性材料，例如腈微粒、丁 腈微粒及丙烯酸微粒；含漆酚的聚合物微粒。此外，微粒材料20的 形狀可對稱、或不對稱，並可包含碳化物，例如碳化矽；聚合物微 粒，例如漆酚微粒、變性聚丙稀睛纖維、酚醛、環氧樹脂；或者礦物 質，例如碳酸釣、^法酸輛、遂石、及玄武巖。在所述實施例中，微粒材料含量介於飽和幹態材料重量的約1% 至約85%之間，最佳是介於飽和幹態材料重量的約5%至50%之間。 微粒材料也可包含經精確斬切的纖維，這些纖維可小到能被視為微粒。關於粘結劑或樹脂，材料10可包含粘結劑，粘結劑的含量介於 飽和幹態材料10的重量的約1 %至60%之間，但最佳是介於飽和幹態材料的重量的約25%至50%之間。在所述實例中，粘結劑可為 熱固性樹脂，例如Ashland Aerofene 295-E-50;經改性的熱固性樹脂， 例如Schenectady Chemical SP 6493C;熱固性樹脂，例如Dow P84; 酚醛環氧樹脂，例如Schenectady SP6300A;矽酮樹脂，例如Dow Corning 1107;基於漆酚的樹脂，例如Cardolite 334;環氧樹脂，例如 Shell-Epon 1001B;聚醯胺，例如Skybond 701;三聚氰胺甲醛樹脂， 例如Borden Cascomel MF-2LM; 丁腈樹脂，例如Noveon 1562117; 丙烯酸粘結劑，例如HB Fuller PN3178F。在所述實例中，粘結劑可以 是由樹脂製成的纖維形式，逸些纖維是novaloid酚醛纖維(例如 American Kynol ]0BT)、三聚氰胺纖維(例如BASF Basofil狹槽纖維)、 或者粉末酚醛塑料(例如Plenco 12114)、或者聚醯亞胺纖維(例如 Lenzmg纖維)。在所述實例中，粘結劑可由兩種或更多種上述樹脂及/ 或多種上述纖維構成。如在上述實例中所揭露，當以25%的壓縮率在足以使材料大致固具有介於680 kPa至13.7 MPa之間的切變強度，但最佳是具有介於約1.3 MPa至8.2 MPa之間的切變強度。粘結壓縮率百分比是通過下列/>式加以確定(初始厚度-最終厚度) (初始厚度)在所述實施例中，材料10可含有介於材料內開口空間總體積的 約1%至75%之間的空閒空間，但最佳是介於約30%至60%之間的 空閒空間。在圖1所示的實例中，例々口，材料10具有282.5毫米的外徑及 254毫米的內徑，並粘結至外徑為300毫米且內徑為41.8毫米的活塞 上達0.6毫米的厚度。當相對於々包和後的材料厚度被壓實至25 %時， 在動粘度為9.32 cSt、溫度為90。C的流體中以大約400 kPa的液壓施 加壓力、在零差速下將活塞應用於前蓋來模擬轉矩變換器完全鎖定狀 態，此時所測得的穿過材料]0的總流體流量介於0.1 L/MIN與4L/MIN之間。
所述系統及方法提供一種可用於摩擦面環境的摩擦材料10，例如 用於同步器齒環14(圖12)、離合器盤16(圖3)或轉矩變換器活塞IO(圖 1)。然而，發明者還設想，材料IO也可應用於其它環境。
圖7顯示用於比較圖]所示轉矩變換器離合器12的活塞流量的 示例圖性實施例的數據。將活塞流量與現有技術的紙質摩擦材料(即 Select Powertrain Technologies CF-4500,由本申請案的受讓人製造及 提供)相比較。應注意，顯著提高的活塞流率有利於耗散液力薄膜並使 內表面溫度降低，此又會延長在其中使用材料10的流體的使用壽命。
圖8示例圖高滲透性材料的流體流量-溫度特性與現有技術紙質 摩擦材料(即AFM Grade 421 l)的比較。應注意，流過高滲透性材料設 計的高流體流率的影響與流過低孔隙率材料的低流體流率的影響的
儘管本文所述材料、部件及方法、以及用於實施此種方法的裝置 形式構成本發明的較佳實施例，然而應理解，本發明並非僅限於此種 確切的方法及確切的裝置形式，而是可在不背離本發明範圍的情況下 對二者作出各種改動，本發明的範圍限定於隨附權利要求書中。
權利要求
1.一種摩擦材料，其包括摩擦基質，其包括多條溼法成形的纖維，所述多條溼法成形的纖維共同限定包含預定孔隙率的骨架基質，其中所述預定孔隙率相當於在0.5英寸水柱的壓降下每平方英尺的材料滲透約每分鐘5立方英尺至每分鐘80立方英尺的空氣。
2. 如權利要求1所述的摩擦材料, 形的纖維包含大部分非纖維素纖維。
3. 如權利要求1所述的摩擦材料, 形的纖維包含至少為0.08 mm的長度。
4. 如權利要求1所述的摩擦材料, 和地浸漬熱固性或熱塑性粘結劑。
5. 如權利要求4所述的摩擦材料, 多種微粒。
6. 如權利要求5所述的摩擦材料,
7. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒材 料包括冶金焦。
8. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒材 料包括石油焦。
9. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒材 料包括活性碳。
10. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括石墨碳。
11. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述粘結劑內至每分鐘80立方英尺的空氣。 的所述多種微粒材料包含小到約150納米的小尺寸及大到約300微米 的大尺寸。
12. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料是經精確斬切或粉碎的纖維，包含小於400微米的長度。
13. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述摩擦材料 包括至少1.3MPa的最小切變強度。
14. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述摩擦材料 適於粘固至在車輛中所用的部件上，其中所述部件是轉矩變換器、離 合器片、同步器齒環、或其它轉矩傳輸裝置。
15. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，當所述溼法成 形的摩擦材料包含大於或等於282.5 mm的外徑及小於或等於254 mm 的內徑、且所述溼法成形的摩擦材料當在至少400 kPa的壓力下在動 粘度約為9.32 cSt的流體中進行測試時被粘結至厚度至少為0.6 mm的 載體上時，在不增加凹槽或紋理的情況下，穿過所述溼法成形摩擦材 料的流率介於約0.4 1/mm與4.0Zmin之間。
16. 如權利要求1所述的摩擦材料，其特徵在於，所述骨架基質 在空隙處包括多個微粒材料結塊。
17. 如權利要求1所述的摩擦材料，其特徵在於，所述骨架基質 包括位於空隙處的多種微粒材並十結塊及粘結劑。
18. 如權利要求16所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括下列中的至少一種舍碳材料；氮化物材料；金屬氧化物材 料；含矽材料；粉末或顆粒狀彈性材料；碳化物材料；聚合物材料； 或者礦物質。
19. 如權利要求17所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括冶金焦。
20. 如權利要求17所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括石油焦。
21. 如權利要求17所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒材料包括活性碳。
22. 如權利要求17所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括石墨碳。
23. 如權利要求1所述的摩擦材料，其特徵在於，所述骨架基質 包含位於空隙處的多種微粒材料結塊及粘結劑，其中在所述粘結劑中 提供多種微粒材料。
24. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包含小到約150納米的小尺寸及大到約300微米的大尺寸。
25. 如權利要求5所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括下列中的至少一種含碳材料；氮化物材料；金屬氧化物材 料；含矽材料；粉末或顆粒狀彈性材料；碳化物材料；聚合物材料； 或者礦物質。
26. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括冶金焦。
27. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括石油焦。
28. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括活性碳。
29. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料包括石墨碳。
30. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，所述多種微粒 材料是經精確斬切或粉碎的纖維，包含小於400微米的長度。
31. 如權利要求23所述的摩擦材料，其特徵在於，當所述溼法成 形的摩擦材料包含大於或等於282.5 mm的外徑及小於或等於254 mm 的內徑、且所述溼法成形的摩4察材料當在至少400 kPa的壓力下在動 粘度約為9.32 cSt的流體中進行測試時被粘結至厚度至少為0.6 mm的 載體上時，在不增加凹槽或紋理的情況下，穿過所述溼法成形摩擦材 料的流率介於約0.4 1/mm與4.0 1/min之間。
32. —種用於形成在摩擦材料中所用的骨架基質的工藝方法，其 包括下列步驟形成多條纖維與水的混合物；將所述混合物溼法成形至支撐件上，以使所述混合物共同限定包 含預定孔隙率的骨架基質，其中所述預定孔隙率相當於在0.5英寸水 柱的壓降下每平方英尺的材料滲透約每分鐘5立方英尺至每分鐘80 立方英尺的空氣。
33. 如權利要求32所述的工藝方法，其特徵在於，所述方法進一 步包括下列步驟向所述纖維混合物中添加微粒材料。
34. 如權利要求32所述的工藝方法，其特徵在於，所述方法進一 步包括下列步驟使所述摩擦材料飽和地浸漬粘結劑。
35. 如權利要求34所述的工藝方法，其特徵在於，所述粘結劑包 含分散於其中的多種微粒材料，所述方法進一步包括下列步驟將所述粘結劑與多種微粒的混合物塗敷到所述骨架基質上。
36. 如權利要求34所述的工藝方法，其特徵在於，所述方法進一 步包括下列步驟乾燥所述飽和的摩擦材料。
37. 如權利要求32所述的工藝方法，其特徵在於，所述方法進一 步包括下列步驟將所述摩擦材料加工成段。
38. 如權利要求37所述的工藝方法，其特徵在於，所述方法進一 步包括下列步驟將所述段粘固至部件上。
39. 如權利要求38所述的工藝方法，其特徵在於，所述部件是同 步器齒環、離合器盤、或轉矩變換器或其它轉矩傳輸裝置。
全文摘要
本發明涉及一種摩擦材料，且更具體而言，涉及一種能夠使用傳統造紙工藝製成的溼摩擦材料。使用長纖維形成溼法成形的均質骨架基質，通過使微粒材料分散於整個摩擦基質及整個基質粘結劑中、尤其分散於相鄰纖維間的空隙處而使骨架基質得到加強，以顯著增大材料的切變強度、同時對流過材料的流體流量的影響接近可忽略不計。
文檔編號D21H11/00GK101218393SQ200680025060
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月3日 優先權日2005年7月11日
發明者E·A·舒勒, J·M·李, M·J·特裡佩爾 申請人:蘇舍尤羅弗拉姆美國有限公司