KR101073630B1

KR101073630B1 - 높은 마찰 계수를 가진 직조 마찰재

Info

Publication number: KR101073630B1
Application number: KR1020040078868A
Authority: KR
Inventors: 로버트씨. 램; 펭 동; 이-팡 첸
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2011-10-14
Also published as: JP2005133074A; EP1521001A2; EP1521001A3; KR20050033468A; EP1521001B1

Abstract

본 발명은 탄소 직조재 층과 그 제 1 층의 적어도 한 면에 적어도 부분적으로 코팅된 마찰 조정 입자들로 구성되는 진동 방지용 마찰재에 관한 것이다.

Description

높은 마찰 계수를 가진 직조 마찰재{HIGH COEFFICIENT WOVEN FRICTION MATERIAL}

도 1a와 1b는 100℃(도 1a)와 50℃(도 1b)에서 다양한 레벨과 속도에서의 비교예 A의 토크 곡선(μPVT)이다.

도 2a와 2b는 100℃(도 2a)와 50℃(도 2b)에서 다양한 레벨과 속도에서의 비교예 B의 토크 곡선(μPVT)이다.

도 3a와 3b는 100℃(도 3a)와 50℃(도 3b)에서 다양한 레벨과 속도에서의 실시예 1의 토크 곡선(μPVT)이다.

도 4a와 4b는 100℃(도 3a)와 50℃(도 3b)에서 다양한 레벨과 속도에서의 실시예 2의 토크 곡선(μPVT)이다.

도 5a-5d는 비교예 A에 표면하중(kPA)이 부과됐을 때, 초기 마찰 계수(μi)(도 5a), 동적 마찰 계수(μd)(도 5b), 최종 마찰 계수(μ0)(도 5c)와 최종/동적 마찰 계수의 비율(μ0)/(μd)(도 5d)을 비교한 그래프들이다.

도 6a-6d는 비교예 B에 표면하중(kPA)이 부과됐을 때, 초기 마찰 계수(μi)(도 6a), 동적 마찰 계수(μd)(도 6b), 최종 마찰 계수(μ0)(도 6c)와 최종/동적 마찰 계수의 비율(μ0)/(μd)(도 6d)을 비교한 그래프들이다.

도 7a-7d는 실시예 1에 표면하중(kPA)이 부과됐을 때, 초기 마찰 계수(μi)(도 7a), 동적 마찰 계수(μd)(도 7b), 최종 마찰 계수(μ0)(도 7c)와 최종/동적 마찰 계수의 비율(μ0)/(μd)(도 7d)을 비교한 그래프들이다.

도 8a-8d는 실시예 2에 표면하중(kPA)이 부과됐을 때, 초기 마찰 계수(μi)(도 8a), 동적 마찰 계수(μd)(도 8b), 최종 마찰 계수(μ0)(도 8c)와 최종/동적 마찰 계수의 비율(μ0)/(μd) (도 8d)을 비교한 그래프들이다.

도 9a는 자동 트랜스미션 액 "B"를 사용하여 고속 단계 레벨 "핫 스팟(hot spot)" 테스트를 하기 위한 테스트 조건을 나타내는 그래프이다.

도 9b는 비교예 A, 비교예B, 실시예 1, 실시예 2의 고속 단계 레벨 "핫 스팟" 테스트 결과 그래프이다.

도 10은 실시예1, 실시예2, 비교예B, 비교예C의 압축 계수를 보여주는 그래프이다.

도 11a는 실시예 1을 1, 5, 10, 15, 20, 25 및 30회 순환시켰을 때 마찰 계수 (μ)를 슬립 속도(rpm)에 비교한 μ-V내구력 관계(정속 방식)를 보여주는 그래프이다.

도 11b는 실시예 1의 기울기 대 순환을 보여주는 그래프이다.

도 12a는 실시예 2를 1, 5, 10, 15, 20, 25 및 30회 순환시켰을 때 마찰 계수 (μ)를 슬립 속도(rpm)에 비교한 μ-V내구력 관계(정속 방식)를 보여주는 그래프이다.

도 12b는 실시예 2의 기울기 대 순환을 보여주는 그래프이다.

도 13은 섬유 함유량이 높은 섬유질 기초 재료와 이를 포함하는 마찰재를 제조하는 방법의 개략도이다.

도 14a는 마찰 조정 물질이 도포된 직조재과 직조재의 평활도을 보여주는 전자 현미경 사진이다.

도 14b는 종래 직조재의 전자 현미경 사진이다.

도 15a는 9 lb 마찰 조정 물질이 도포된 직조재의 전자 현미경 사진이다.

도 15b는 15 lb 마찰 조정 물질이 도포된 직조재의 전자 현미경 사진이다.

도 16은 마찰 조정 물질이 도포된 직조재와 일 실시예의 코팅 두께를 보여주는 전자현미경 사진이다.

도 17은 두 개의 비교예과 비교했을 때 본 발명의 물질의 내구성을 보여주는 μ-V관계를 도시한 그래프이다.

본 발명은 직조재(woven material)의 제 1 층과 이 직조재를 적어도 부분적으로 덮는 마찰 조정 입자의 제 2 층을 포함하는 비석면, 비금속의 직조재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적절한 수지재로 함침된 상기한 직조재를 포함하는 복합 직조 마찰재에 관한 것이다.

본 발명의 마찰재는 향상된 항진동 특성, 높은 마찰계수 및 향상된 강도, 다 공성, 내마모성 및 잡음 저항성을 갖는다.

자동차 산업에서는 새롭고 진보된 트랜스미션 시스템과 제동 시스템들이 개발되고 있다. 이러한 새로운 시스템들은 종종 고 에너지 요건을 요구한다. 따라서, 마찰재 기술도 이러한 진보된 시스템의 증가하는 에너지 요건들을 만족시키기 위해 역시 개선되어야만 한다.

특히 고성능의 내구성 있는 새로운 마찰재가 요구된다. 새로운 마찰재는 표면 속도가 65m/s에 달하는 고속을 견딜 수 있어야 한다. 또한 마찰재는 1500psi에 달하는 높은 접촉 라이닝 압력을 견딜 수 있어야 한다. 마찰재가 제한된 윤활 조건 하에서 유용성을 가지는 것 또한 중요하다.

마찰재가 진보된 트랜스미션 및 제동 시스템에서 유용하려면 내구성이 있어야 하고 고내열성이 있어야 한다. 마찰재는 고온에서 안정적으로 존재하여야 할 뿐만 아니라 작동 상태에서 생성되는 고열을 신속하게 분산시킬 수 있어야 한다.

새로운 트랜스미션 및 제동 시스템들의 결합과 해제시 생성되는 고속은 마찰재가 결합중 비교적 일정한 마찰력을 유지해야 한다는 것을 의미한다. 제동 중 또는 기어변속 중에 소재의 "진동"을 최소화하기 위하여 마찰 결합이 넓은 범위의 속도와 온도에 걸쳐서 비교적 일정해야 한다는 것은 중요하다. 또한, 마찰재의 마찰 결합 중 소음이나 잡음을 내지 않도록 바람직한 토크 곡선 모양을 갖는 것도 중요하다.

특히, 트랜스미션 및 토크-온-디맨드(torque-on-demand) 시스템들에는 주로 연료효율과 주행 안정성을 위해 슬립핑 클러치(slipping clutch)가 구비된다. 이 러한 시스템에서 슬립 클러치의 역할은 습식 시동 클러치와 같은 차량 발진장치에서부터 토크 변환 클러치에 이르기까지 다양하다. 작동 조건에 따라 슬립 클러치는 세가지 주요 군으로 분류될 수 있다: (1)습식 시동 클러치와 같은 저압 및 고슬립속도 클러치; (2)컨버터 클러치와 같은 고압 및 저슬립속도 클러치; 및 (3)중립에서 아이들 클러치(idle clutch)와 같은 극저압 및 저슬립속도 클러치.

슬립 클러치의 모든 적용 상황에 있어서 주요 역할은 진동 방지 및 마찰 접촉면에서의 에너지 관리에 있다. 진동의 발생은 마찰재의 마찰특성과 결합면의 경도와 거칠기, 오일막 보유력, 윤활제 및 상호작용, 클러치 작동 조건, 동력 전달계통 조립체 및 부품 정렬 및 동력전달계통의 오염 등을 포함하는 많은 요소들에 기인한다. 마찰 접촉면의 에너지 관리는 주로 계면 온도 제어와 관련되며, 펌프 용량, 오일 흐름 통로 및 제어방법의 영향을 받는다. 마찰재의 표면 디자인 또한 계면 에너지 관리의 효율성에 영향을 미친다.

종래에는 내열성을 위하여 마찰재에 석면 섬유가 포함되었다. 그러나, 인체 건강과 환경상 문제로 인하여 석면은 사용이 중지되었다. 보다 최근의 마찰재들은 석면을 사용하지 못하게 되는 단점을 함침 페이퍼(impregnating paper) 또는 페놀 수지나 페놀계 수지(phenolic-modified resins)를 가진 섬유 소재로 대체함으로써 극복하고자 하였다. 그러나 이러한 마찰재들은 발생되는 고열을 신속하게 분산시키지 못하며, 현재 개발된 고속 시스템에 사용하기 위해 필요한 내열성과 만족스런 마찰계수 성능을 갖지 못한다.

본 발명은 미국 특허 제 4,700,823호(Winckler)를 개량하였다. 제 4,700,823호 발명은 탄소섬유로 이루어진 편직물 기층토대의 그물 조직으로 구성된 마찰재와 화학적 증기 침전법으로 섬유 위에 침전된 탄소 코팅 기술에 대해 기술하고 있다.

본 발명은 또한 미국 특허 제 5,662,993호(Winckler) 발명을 개량한 것이다. 제 5,662,993호 발명은 직물로 짜여진 섬유의 꼬인 가닥들로 구성된 마찰재에 대하여 설명하고 있다. 꼬인 가닥들은 각각의 섬유들을 따라서 섬유 사이의 틈과 같은 결합부를 끼고 있다.

또한 본 발명은 미국 특허 제 5,952,249호(Gibson 외)의 발명을 개량한 것이다. 제 5,952,249호 발명은 비결정질 탄소가 직물을 구성하고 있는 실의 개개 섬유 사이 간격을 메우고 있는, 비결정질 탄소가 코팅된 탄소 직물에 관해 기술하고 있다.

다른 다양한 종류의 마찰재들은 종이 물질로 만들어지고 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,585,166호(Kersey) 발명은 다공성의 기층과 다공성 마찰 층을 가진 2층의 마찰재에 대해 기술하고 있다.

본 발명은 미국 특허 제 5,083,650호(Seitz) 발명의 참조를 개량한 것이다.미국 특허 제 5,083,650호 발명의 참조는 코팅부가 함침된 종이를 만들기 위한 다단계 함침 및 경화 공정을 포함하고 있다: 즉, 코팅 혼합물이 함침된 종이 위에 탄소 입자들이 도포된다. 그리고 종이 속의 코팅 혼합물이 부분적으로 경화된다. 두 번째 코팅 혼합물이 부분적으로 경화된 종이 위에 부가된다. 그리고 최종적으로 양 쪽 코팅 혼합물이 경화된다.

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다른 마찰재들에서는 탄소섬유와 결합된 금속섬유가 내구성을 위한 마찰재에 포함되어 있다. 예를 들어 미국 특허 제 4,451,590호(Fujimaki 외)는 금속섬유, 충전재, 탄소 입자, 탄소섬유 및 페놀 수지 등을 포함한 마찰재를 기술하고 있다. 그러나 금속 기반의 마찰재들은 사용 중 높은 유체 투수 성능을 갖게 하는 충분한 다공성과 압축성을 가지고 있지 않다. 또한 금속 기반의 마찰재들은 충분히 탄력적이지도 않고 오히려 압력에 강해서 1500psi(대략 105kg/㎠)에 달하는 접촉면 압력을 견딘다. 금속 기반의 마찰재는 또한 새로운 트랜스미션 및 브레이크 시스템의 작동 및 비작동 시 생성되는 65m/s에 달하는 높은 표면 속도를 견딜 수 없다.

현재 사용되고 있는 다양한 다른 마찰재들은 많은 형태의 종이 기반의 마찰재를 사용하고 있다. 이러한 종이 기반의 마찰재들은 일반적으로 최소한 한 종류 이상의 적절한 충전 재료와 함께 임의적인 비직조 섬유물질로 만들어진 섬유질 기반물질을 포함하고 있다. 예를 들어 본 발명의 공동 양수인인 보그워너사(BorgWarner)에 의해 다양한 종류의 유용한 마찰재들이 개발되고 있다.

본 발명은 또한 일찍이 본 건의 양수인인 보그워너사에 의해 공유되었던 마찰재들을 위한 특허들을 개량하였다. 특히 미국 특허 제 5,998,307호는 최소한 한 가지 이상의 섬유질 물질로 구성된 다공성의 제 1 층과 탄소 입자들이 제 1 층 표면의 약 3-90%를 덮고 있는 제 2 층으로 이루어진, 경화 수지가 함침된 기초를 가진 마찰재에 관한 것이다. 미국 특허 제 5,858,883호는 세섬유가 적은 아라미드 섬유, 인조 그래파이트 및 충전재로 이루어진 제 1 층과 탄소 입자들이 제 1 층 위에 도포되어 있는 제 2 층을 가진 기반 물질과 관련이 있다. 미국 특허 제 5,856,244호는 세섬유가 적은 아라미드 섬유, 인조 그래파이트 및 충전재로 구성된 제 1 층과 탄소 입자들과 유지 보조제로 이뤄진 제 2 층이 있는 경화 수지가 함침된 기초로 구성되는 마찰재와 관련이 있다. 미국 특허 제 5,958,507호는 세섬유가 적은 아라미드 섬유로 구성된 섬유질 물질의 최소한 한 면 이상이 탄소 입자들 및 유지 보조제로 코팅되고 페놀 또는 변형 페놀 수지가 함침되고 경화되는 마찰재의 생산 방법과 연관되어 있다. 미국 특허 제 6,001,750 호는 경화 수지가 함침된 섬유질의 기초물질로 구성된 마찰재와 관련이 있다. 섬유질의 기초 재료는 세섬유가 적은 아라미드 섬유, 탄소 입자들, 탄소 섬유, 충전 물질, 페놀 노보로이드 섬유 그리고 선택적으로는 면 섬유로 이루어진 다공성의 제 1 층과 탄소 입자들이 그 표면의 약 3 내지 90%를 덮고 있는 제 2 층을 가지고 있다.

이에 덧붙여, 다양한 기초 재료들은 보그워너사(BorgWarner)의 공유 특허인 미국 특허 제 5,753,356호와 제 5,707,905호에서 기술되고 있다. 제 5,753,356호와 제 5,707,905호는 세섬유가 적은 아라미드 섬유, 인조 그래파이트와 충전재로 구성된 기초에 대해 설명하고 있다. 또 다른 공유 특허인 미국 특허 제 6,130,176호는 섬유소가 적은 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 입자와 충전재로 구성된 비금속 섬유질 기초 재료과 관련이 있다.

그러나 또 다른 공유 특허 출원인 일련 번호 09/707274호(현재 등록 결정됨)는 다공성의 제 1 층과 규토 입자들로 제 1 층의 표면을 약 3 내지 90% 덮고 있는 제 2 층을 가진 마찰재와 관련되어 있다. 바람직하게는 마찰 조정 입자들이 적어도 한 가지 이상의 규토 입자들, 수지 분말들, 탄소 분말 또는 입자들 및/또는 부분적 으로 탄화된 분말 또는 입자들과 그것들의 혼합물로 구성된다.

마찰재들이 습식 조건에서 유용하기 위해서는 마찰재에 광범위한 용인성이 있어야 한다. 마찰재는 항진동성이 좋아야 한다. 탄성이 있어야 하며 압축, 마모 및 스트레스에도 강해야 한다. 고 내열성을 가져야 하며 열을 재빨리 분산할 수 있어야 한다. 그리고 내구성과 안정성 및 지속적인 마찰 성능을 유지하여야 한다. 이러한 특성들 가운데 하나라도 충족하지 못한다면 마찰재는 최적의 성능을 발휘하지 못할 것이다.

고 에너지 적용 마찰재를 형성하기 위해서는 적당한 수지가 마찰재에 함유되는 것 또한 중요하다. 마찰재는 함침 과정에서 습식 수지에 젖어 있을 때와 브레이크액과 트랜스미션 오일에 젖어 있을 때 모두 우수한 전단 강도를 지녀야 한다.

일정한 적용 조건 하에서 마찰재가 사용 중 높은 유체 투과 능력과 같은 고 다공성을 보유하는 것 또한 중요하다. 따라서 마찰재가 다공성일 뿐 아니라 반드시 압축성이 있어야 한다는 점도 중요하다. 마찰재 속으로 스며든 유체는 브레이크 또는 트랜스미션이 작동중일 동안 가해지는 압력 하에서 재빨리 마찰재 밖으로 배출될 수 있어야 하지만 그렇다고 마찰재가 붕괴되어서는 안 된다. 마찰재가 브레이크나 트랜스미션의 작동 중에 생성된 열을 재빨리 분산시키는 것을 돕기 위해 높은 열 전도성을 가지는 것도 중요하다.

지금까지 공지된 한도 내에서 섬유 함유량이 높고 충전재 함유량이 낮은 제 1 층으로 이루어진 섬유질 기초 재료를 포함한 트랜스미션 시스템용 마찰재는 공개된 바가 없다.

한 걸음 더 나아가 지금까지 공지된 한도 내에서 높은 섬유 함유량과 낮은 충전재 함유량을 가진 제 1 층과 그 위에 마찰 조정 입자들을 도포한 제 2 층으로 구성된 마찰재는 공개된 바 없다.

따라서 그러한 선행 기술과 비교할 때 신뢰성 있고 개선된 성능을 지닌 마찰재를 공급하는 것이 본 발명의 목적이 될 것이다.

또한 개선된 항 진동성, 핫 스팟(hot spot) 저항성, 높은 내열성, 높은 마찰 안정성 및 내구성, 다공성, 강도 그리고 탄성을 가진 마찰재를 공급하는 것이 본 발명의 목적이라 할 것이다.

더 나은 마찰재를 얻고자 하는 광범한 연구조사의 결과로써 개선된 특성들을 지닌 마찰재가 발명되었다. 본 발명의 습식 마찰재는 주행 중 브레이크 액이나 자동 트랜스미션 액에 젖거나 그러한 액이 스며들어 있을 때와 같은 습식 조건에 유용하다. 습식 마찰재를 사용하는 동안에 액은 결국 배출되거나 마찰재 속으로 스며들 것이다. 습식 마찰재는 그 구성에서나 물리적 특성에서 건식 마찰재와 매우 다르다.

상기한 요건들을 달성하기 위하여 작동 상황과 유사한 조건에서 많은 소재들의 마찰력과 내열성이 평가되었다. 상업적으로 사용 가능한 슬립클러치와 트랜스미션 소재들은 고 에너지 상황에는 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다.
본 발명은 예컨대 세섬유를 가진 아라미드 섬유와 같은 유기 섬유(그리고 선택적으로는 탄소, 면/셀룰로오스, 유리, 폴리아미드 세라믹, 기타 유사 섬유 등)들을 포함하는 직조 탄소 섬유 소재와, 이 기초층에 침착된 마찰 조정 입자들을 포함하는 제 2 층으로 구성된 비석면, 비금속 마찰재에 관한 것이다.
본 발명의 마찰재는 향상된 항진동 특성과 향상된 "핫 스팟(hot spot)" 저항성, "부드러운 시프팅"을 위한 바람직한 마찰 성능, 높은 내열성, 내구성, 탄성, 향상된 강도와 다공성을 가진다.
직조재 위의 제 2 층으로 다양한 마찰 조정 입자들이 사용될 수 있다. 특히, 규조토, 셀라이트(celite), 셀라톰(celatom) 및/또는 이산화규소(silicon dioxide) 등의 규소물질들이 특히 유용하다. 상기 표면마찰 조정 입자들은 도포되는 직조재에 대하여 약 0.2 - 30중량%로 사용될 수 있고, 바람직하게는 약 2-10중량%, 그리고 가장 바람직하게로는 약 3-5중량%로 사용된다.
제 2 층에 사용될 수 있는 특히 적합한 마찰 조정 재료의 또 다른 예로는 다공성 탄소 재질이 있다. 일부 실시예에서, 탄소물질들은 특히 유용하다. 그리고 한 실시예에서는 제 2 층은 규소물질 및 탄소물질이 혼합되어 제 1 층의 표면위에 적당한 비율로 부착(deposit)된다. 일부 실시예에서, 제 2 층은 마찰 조정 입자 총중량의 약 20 내지 35 중량%의 규소입자와 약 65 내지 80 중량%의 탄소입자를 포함한다.
직조재는 여러가지 다른 종류의 수지 시스템을 사용하여 함침시킬 수 있다. 일 예에 따르면, 코팅되는 직조재를 페놀수지 또는 변형 페놀류 수지로 함침시키는 것도 유용하다. 어떤 실시예에서는 실리콘 수지가 적절한 용매에서 페놀 수지와 혼합되고 그 혼합물이 본 발명의 코팅된 직조재의 함침에 사용될 때, 특히 유용한 고성능의 내구성 있는 마찰재가 형성된다.
본 발명의 마찰재는 개선된 압축률과 개선된 "핫 스팟(hot spot)" 저항성을 가진다. 또한 마찰재는 마찰재의 작용 중 더 균일한 열 분산을 가능케 하는 개선된 탄성과 다공성을 가진다. 트랜스미션 또는 브레이크 속의 유체는 마찰재의 다공성 구조를 통해서 재빠르게 움직일 수 있다. 더욱이, 증가된 탄성은 고르지 않은 라이닝 감과 같은 마찰재에 더욱 균일한 압력과 고른 압력 배분을 가능하게 하고 분리 판의 "핫 스팟"을 제거한다.

마찰재의 구멍이 많으면 많을수록 열 분산의 효율이 높아진다. 마찰재가 다공성이면 사용 중 마찰재의 안팎에서 기름은 더욱 빨리 흐르게 된다.

한 측면에서 보자면 본 발명은 i) 세섬유를 갖는 아라미드 섬유, 탄소, 면/셀룰로오스, 유리, 폴리아미드, 세라믹 섬유와 같은 유기, 비유기 및/또는 금속 섬유를 포함하는 높은 섬유 함유량과 ii) 규조토 입자들과 같은 낮은 충전재 함유량을 가진 제 1 층과, 제 1 층 위에 도포된 마찰 조정 입자들을 포함하는 제 2 층으로 구성되는 비석면, 섬유질 기초 재료에 관한 것이다. 한 특별한 실시예에서는 제 1 층은 약 85%(중량비)의 섬유들과 약 15%의 충전재로 이루어진다. 또한 어떤 실시예들에서는 마찰재에 바람직한 공극 구조를 제공하기 위해서 섬유 함유량이 높은 섬유질의 기초 재료 속에 세섬유가 적은 아라미드 섬유들을 가지는 것이 유용하다. 그러면 공극 구조는 증가된 내열성을 마찰재에 제공하게 된다. 섬유의 기하학적 모양은 증가된 내열성 뿐만 아니라 갈라짐과 소음 현상까지도 방지한다. 제 1 층 속의 탄소 섬유들의 존재는 내열성 증가, 일정한 마찰 계수의 유지 및 소음 저항성 향상을 돕는다.

특별한 실시예들에서는 섬유질의 기초 재료는 약 10-20%, 어떤 실시예들에서는 약 15%(중량비)의 아라미드 섬유를 가진다. 반면 면 또는 셀룰로오스 형태의 섬유는 비교적 높은 수준인 약 80-90%(중량비) 정도가 결합되어 있다.

또 다른 특별한 실시예들에서는 섬유질의 기초 재료는 약 50-60%, 어떤 실시예에서는 약 55%(중량비)의 아라미드 섬유를 가진다. 반면 탄소섬유는 약 40-50%가량이 결합되어 있다.

마찰재가 바람직한 내열성을 갖게 되는 것과 같이 섬유질의 기초 재료에 우수한 열 전도성을 제공하기 위해 탄소섬유들이 사용된다. 특별한 실시예들에서는 섬유질의 기초 재료는 약 5-20%, 그리고 어떤 실시예들에서는 약 10-15%(중량비)의 탄소 섬유들을 갖는다.

또 다른 특별 실시예들에서는 세섬유가 적은 아라미드 섬유와 탄소섬유들을 섬유질의 기초물질에 사용하는 것은 고온을 견디는 마찰재의 능력을 개선시킨다. 세섬유가 적은 아라미드 섬유는 일반적으로 줄기 섬유에 가는 섬유가 거의 붙어있지 않다. 세섬유가 적은 아라미드 섬유를 사용하는 것은 마찰재가 더욱 많은 기공 구조를 갖도록 한다. 다시 말해 전형적인 세섬유가 있는 아라미드 섬유가 사용되었을 때보다 더 많고 더 큰 구멍을 갖게 된다는 말이다. 다공성 구조는 일반적으로 기공의 크기와 액체 투수성으로 규정된다. 바람직한 실시예에서는 섬유질의 기초 재료는 평균 크기가 지름 약 2.0-25마이크론 정도인 기공들을 가진다. 어떤 실시예에서는 평균 구멍 크기가 직경 약 2.5-8마이크론 범위에 걸쳐있고 마찰재는 즉시 이용 가능한 기공을 약 50%, 어떤 실시예들에서는 적어도 60% 이상을 보유한다.

마찰재가 높은 평균 유체 구멍 직경과 투수성을 가질 때, 마찰재 속의 다공성 구조를 통해서 자동 트랜스미션 액의 흐름이 더욱 원활해져서 마찰재는 더욱 쉽 게 냉각되고 트랜스미션에는 더욱 적은 열이 발생할 것이다. 트랜스미션 시스템의 작동 중에 마찰재 표면의 기름 침전물들은 자동 트랜스미션 액이 흐름을 멈출 때마다, 특히 고온일 때 거듭해서 발생할 것이다. 섬유 위의 기름 침전물들은 기공 구멍들의 수를 줄어들게 할 것이다. 그러므로 마찰재가 처음부터 더 큰 기공 구멍으로 출발했다면 마찰재의 유효 사용 기간동안 더 많은 기공들이 남아 있을 것이다. 이에 덧붙여 적어도 부분적으로 실리콘 수지가 함침된 실시예에서는 실리콘 수지는 그 탄성 덕분에 마찰재 내의 섬유들이 훨씬 더 많은 개방성 구조를 갖도록 한다.

또한 어떤 실시예에서는 아라미드 섬유의 길이가 약 0.5에서 10mm, 그리고 300이상의 CFS(Canada Standard Freeness)를 가지는 것이 바람직하다. 그러므로 어떤 실시예들에서는 아라미드 섬유들이 CSF 지표 상 약 350 내지 650의 유수도를 가질 수 있다. 어떤 실시예에서는 또한 CFS가 약 450에서 550, 가급적이면 530 이상을 갖는 세섬유가 적은 아라미드 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 어떤 실시예에서는 CSF가 약 580에서 650 이상, 가급적이면 650 이상이 바람직하다. 대조적으로 아라미드 펄프처럼 세섬유가 보다 많은 섬유는 약 285-290의 유수도를 가진다.

캐나다 유수도 표준(Canadian Standard Freeness, T227 om-85)는 섬유가 세섬유를 가진 정도를 섬유의 유수도를 측정하여 나타낸 것이다. CSF 실험은 물 1리터에 섬유 3그램이 녹은 현탁액이 말라버리는 속도의 임의적인 계량 기준을 제공하는 실험 절차이다. 그러므로 세섬유가 적은 아라미드 섬유는 다른 아라미드 섬유들이나 펄프보다 더 높은 유수도 또는 마찰재로부터의 유체 고갈 속도를 갖는다. CSF 값이 약 430-650(그리고 어떤 실시예에서는 가급적이면 약 580-640 또는 620-640) 에 해당하는 아라미드 섬유로 구성된 마찰재들은 전통적으로 더 많은 세섬유를 지닌 아라미드 섬유를 함유한 마찰재보다 훨씬 우수한 마찰 성능을 제공하며 더 나은 물질 특성을 가진다. 섬유의 길이가 길면 길수록, 그리고 CSF가 높으면 높을수록 마찰재는 고강도, 높은 공극률, 그리고 우수한 내구성을 지닌다. 더 적은 세섬유를 지닌 아라미드 섬유(CSF 약 530-650)는 특별히 우수한 장기간 내구성과 안정적인 마찰 계수를 가진다.

본 발명의 고려 범위 내인 또 다른 실시예들에서는 다른 종류의 그래파이트 물질보다 더 많은 3차원 구조를 섬유질의 기초 재료에 공급하기 위해서 섬유질 기초 재료에 합성 그래파이트가 사용되었다. 합성 그래파이트는 석유 코크스나 코올 타르 피치 결합물과 같은 원료 물질의 흑연화를 통해서 만들어진다. 원료 물질들은 탄화 탄소체를 다결정질 흑연체로 변환시키는 특수 흑연화로에서 약 2800-3000℃로 가열된다. 합성 그래파이트(높은 열전도성을 가짐)는 마찰재에 다른 종류의 그래파이트보다 더 빨리 열을 분산시킬 수 있는 능력을 제공한다. 어떤 실시예에서는 합성 그래파이트의 기하학적 모양과 크기가 약 20-50 마이크론의 범위에 있을 것이 권장된다. 이러한 실시예들에서는 그래파이트 입자 크기가 지나치게 크거나 작으면 최적의 3차원 구조가 생길 수 없고 그 결과 내열성 또한 최적이 아니라는 사실이 발견되었다. 특별한 실시예에서는 중량비 약 20-40%의 그래파이트가 섬유질 기초 공식에 포함되어 있다.

적어도 한 종류 이상의 충전 물질 소량도 또한 본 발명의 섬유질 기초 재료의 제 1 층에 유용하다. 예를 들어, 규조토와 같은 규토 충전재가 그러하다. 그러 나 본 발명에 다른 종류의 충전재도 적당하며 충전재의 선택은 마찰재의 특별한 요구 조건에 달려 있다는 사실 또한 고려되어야 할 것이다. 특히 비교적 소량인 중량비 3-15%의 충전 물질만으로도 제 1 층에 매우 유용할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

탄소 섬유들이 제 1 층에 존재하는 어떤 실시예들에서는 면 섬유 함유량이 없는 것이 바람직하다. 탄소 섬유 함유량이 없는 다른 실시예들에서는 비교적 많은 양인 중량비 약 40-50%의 면 섬유가 제 1 층의 섬유질 기초 재료 속에 존재할 때 경제적인 비용으로 마찰재의 클러치 제동 특성을 향상시킬 수 있다. 그러한 실시예들에서는 섬유질 기초 재료에 더 높은 마찰 계수를 주기 위해서 본 발명의 섬유질 기초 재료에 면 섬유가 첨가된다. 어떤 실시예들에서는 약 40-50%, 어떤 실시예들에서는 약 45%의 면이 섬유질 기초 재료에 첨가될 수 있다.

최소한 한 종류의 라텍스 물질이 섬유질 기초 재료에 포함될 수 있다. 특별한 실시예에서는 섬유질 기초 재료들이 중량비 약 0-3%, 어떤 실시예에서는 약 2%의 라텍스 물질을 가진다.

섬유질 기초 재료의 제 1 층을 구성하는 한가지 공식의 보기를 들면, 섬유질 기초 재료의 제 1 층은 중량비로 약 50-60%의 세섬유가 적은 아라미드 섬유, 약 5-20%의 탄소 섬유, 약 10-20%의 면 섬유, 약 3-15%의 탄소 입자들, 약 3-15%의 충전 물질, 그리고 약 0-3%의 라텍스 물질들로 구성된다.

섬유 함유량이 높은 섬유질 기초 재료의 또 다른 공식은 중량비로 약 50-60%의 아라미드 섬유, 약 4-10%의 면 섬유, 약 5-15%의 탄소 섬유, 약 20-30%의 그래파이트 입자, 그리고 약 5-15%의 충전재로 이루어진다.

섬유 함유량이 높은 섬유질 기초 재료의 또 다른 공신은 중량비로 약 50-60%의 아라미드 섬유, 약 15%의 탄소 섬유, 약 20-30%의 그래파이트, 그리고 약 5-5%의 규토 충전 물질로 이루어진다.

마찰 조정 입자들의 제 2 층은 섬유질 기초 재료를 형성하기 위해서 섬유 함유량이 높은 제 1 층위에 도포된다. 섬유질 기초 재료의 제 1 층위의 제 2 층으로서 마찰 조정 입자들의 혼합물을 사용하는 것은 높은 내열성과 내구성을 지닌 섬유질의 기초 재료를 제공한다. 섬유질 기초 재료의 제 2 층으로서 규토 입자들과 탄소 입자들의 조합이 상기한 비율로 존재할 때 특히 유용하다는 놀라운 사실이 밝혀졌다.

어떤 실시예들에서는 유용한 마찰재들에 규토 입자들과 부분적으로 또는 완전히 탄화된 탄소 입자들의 바람직한 혼합물이 포함된다. 예를 들어 마찰 조정 입자들은 i) 규토 입자들과 ii) 완전 탄화된 탄소 입자 또는 부분 탄화된 입자들, 그리고 그것들의 혼합물로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서는 유용한 마찰 조정 물질들에 페놀 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지와 그것들의 혼합물과 갈은 수지 분말들이 포함된다.

어떤 실시예들에서는 제 2 층 혼합물이 약 4 대 1 비율의 규토 입자들과 탄소 입자들로 구성된다. 다른 실시예들에서는 규토 입자들과 탄소 입자들의 비율이 약 2 대 1이다. 예를 들면 규조토, 셀라이트^®(Celite), 셀라톰^®(Celatom), 그리고/또는 실리콘 이산화물과 같은 규토 입자들은 특히 유용하다. 규토 입자들은 섬유질 물질에 강력히 결합하는 값싼 유기 물질이다. 규토 입자들은 마찰재에 높은 마찰 계수를 제공한다. 규토 입자들은 또한 마찰재에 매끄러운 표면과 우수한 변속감, 그리고 어떠한 진동도 최소화되는 것과 같은 우수한 마찰 특성을 제공한다. 탄소 입자들은 비교적 비싼 반면, 특히 이로운 열점 저항성과 높은 마찰 안정성 그리고 내구성을 마찰재에 제공한다.

섬유질 기초 재료의 표면 위의 마찰 조정 입자들의 제 2 층의 균질성은 약 0.5-80 마이크론, 바람직하게는 약 0.5-20 마이크론의 크기를 지닌 입자들을 사용함으로써 얻을 수 있다. 이러한 실시예들에서는 마찰 조정 입자들의 크기가 너무 크거나 작으면 최적의 3차원 구조를 얻기 어렵고 그 결과 열 분산 또한 최적일 수 없다는 사실이 발견되었다.

바람직한 실시예들에서는 제 1 층위의 마찰 조정 입자들의 양은 마찰 종이 질의 중량비로 약 0.2-40%, 어떤 실시예들에서는 약 2-25%, 그리고 어떤 실시예들에서는 약 2-15%의 범위에 걸쳐있다. 바람직한 실시예들에서는 제 1 층 표면 위의 마찰 조정 입자들의 도포 범위가 표면의 약 3-100% 범위에 걸쳐있다.

마찰재의 바람직한 제조 방법은 섬유질 기초 재료의 제 1 층을 형성하는 요소들을 혼합하는 것으로 구성된다. 적어도 섬유질 기초 재료의 제 1 층의 한 면 이상이 마찰 조정 입자들의 제 2 층으로 코팅된다. 마찰 조정 입자들이 코팅된 섬유질의 기초 재료는 그런 다음 적어도 하나 이상의 페놀 또는 페놀 기반 수지가 함침된다. 함침되고 코팅된 섬유질의 기초 재료는 마찰재를 형성하기 위해 정해진 온도에서 정해진 시간동안 경화된다.

마찰재를 함침하기 위해서 본 발명의 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 섬유질 기초 재료에는 페놀 또는 페놀 기반 수지가 함침되고, 그럼으로써 마찰재의 중량비 약 45-65%로 구성된 수지 물질을 함침하게 된다. 섬유질의 기초 재료에 수지가 함침된 후 함침된 섬유질의 기초 재료는 요망되는 온도까지 마찰재를 형성하기 위하여 정해진 시간동안 가열된다. 약 300℉의 온도에서 페놀 수지는 경화된다. 실리콘 수지와 같은 다른 수지들이 존재할 때 실리콘 수지는 약 400℉의 온도에서 경화된다. 그런 다음, 함침되고 경화된 마찰재는 적절한 방법으로 바람직한 기초 재료에 고착된다.

섬유질의 기초 재료에 함침되기에 유용한 다양한 수지들에는 페놀 수지와 페놀 기반 수지들이 포함된다. 에폭시, 부타디엔, 실리콘, 동유, 벤젠, 캐슈넛 오일 등의 기타 조절 재료들을 수지 혼합물에 포함하는 다양한 페놀 기반 수지들이 본 발명에 유용한 것으로 고려되고 있음이 이해되어야 할 것이다. 페놀 변형 수지들에 있어서는 일반적으로 수지 혼합물의 중량비 약 50% 이상의 페놀수지(용매 물질 제외)가 존재한다. 그러나 어떤 실시예들에서는 함침 수지 혼합물이 실리콘-페놀 혼합물(용매 및 여타 처리용 산 제외)의 중량비의 약 5-80%, 어떤 목적을 위해서는 약 15-55%, 그리고 어떤 실시예들에서는 약 15-25%의 실리콘 수지를 포함할 때 마찰재가 개선된 수 있다는 사실이 발견되었다.

본 발명에 유용한 페놀 수지와 페놀 실리콘 수지들의 예는 본 문서에 참조로서 인용된 상기 BorgWarner사의 미국 특허들에서 참고로 공개되었다. 예를 들면 본 발명에 유용한 실리콘 수지에는 열 경화 실리콘 방수제와 실리콘 고무가 포함된다. 다양한 실리콘 수지가 본 발명에 유용하다. 그 중 하나는 크실렌과 아세틸 아세톤 (2,4-펜탄디온 2,4-pentanedione)으로 구성된다. 실리콘 수지는 약 362℉의 끓는 점과 68℉mm, HG:21의 증기압, 4.8의 증기 밀도 (공기=1), 물에 대한 무시할만한 용해도, 1.09의 비중, 중량비 5%의 백분율 휘발성, 0.1보다 작은 증발 속도(에테르=1), Pensky-Marten 방법을 사용할 때 약 149℉(65℃)의 인화점을 가진다. 다른 실리콘 수지들도 본 발명에 활용될 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다. 예를 들면 다른 유용한 수지 혼합물들에는 적절한 페놀 수지가 포함된다. 수지 혼합물은 페놀수지 약 55-60%, 에틸 알코올 약 20-25%, 페놀 약 10-14%, 메틸 알코올 약 3-4%, 포름 알데히드 약 0.3-0.8%, 그리고 물 약 10-20%(중량비)로 구성된다. 다른 적절한 페놀 기반 수지는 페놀/포름알데히드 수지 약 50-55%, 포름알데히드 약 0.5%, 페놀 약 11%, 이소프로판올 약 30-35%, 그리고 물 약 1-5%(중량비)로 구성된다.

또 다른 유용한 수지는 중량비 약 5-25%, 바람직하게는 약 10-15%의 에폭시 화합물과 페놀 수지 (용매와 처리 보조제 제외) 잔여물을 포함하고 있는 에폭시 변형 페놀 수지라는 사실 또한 밝혀졌다. 어떤 실시예에서 에폭시 페놀 수지 화합물은 페놀 수지만 쓰일 때 보다 높은 내열성을 마찰재에게 제공한다.

어떤 실시예들에서는 섬유질 기초 물지 속에 함유된 특정 수지가 전체 실리콘-페놀 수지의 중량비 약 40-65%, 그리고 어떤 실시예들에서는 60-최소한 65% 범위에 걸쳐있다. 수지가 섬유질 기초 재료에 함침된 이후 섬유질 기초 재료는 수지 결합물을 경화시켜 마찰재를 형성하기 위해 300-400℃의 범위에서 일정한 시간 (어떤 구현형태에서는 약 반 시간)동안 경화된다. 마찰재의 최종 두께는 섬유질 기초 재료의 초기 두께에 달려 있다. 그리고 어떤 실시예들에서는 바람직하게는 0.014″-0.040″사이에 분포한다.

다른 재료들과 처리 보조제들도 수지 혼합물들을 준비하고 섬유질 기초 재료들에 함침하기에 유용한 것으로 밝혀졌다는 것 또한 고려되어야 할 것이다.

실리콘 수지와 페놀 수지는 각각의 물질과 혼합 가능한 용매 속에 존재한다. 이러한 수지들은 (상기한 실시예들에서) 동질의 혼합물을 생성하고 그런 다음 섬유질 기초 재료에 함침되기 위해서 바람직한 실시예에서 서로 섞인다. 만일 섬유질 기초 재료에 페놀 수지가 함침되고 그 다음 실리콘 수지가 부가되거나 그 역의 경우 동일한 효과가 나지는 않는다. 또한 실리콘 페놀 수지 용액과 실리콘 수지 분말 그리고/또는 페놀 수지 분말의 유상액 사이에도 차이가 존재한다. 실리콘 수지들과 페놀 수지들이 용해될 때, 그것들은 전혀 경화되지 않는다. 대조적으로 실리콘 수지의 분말 입자와 페놀 수지들의 분말 입자들은 부분적으로 경화된다. 실리콘 수지와 페놀 수지의 부분적 경화는 섬유질 기초 재료의 함침 성능을 억제한다.

본 발명의 어떤 실시예들에서는 섬유질 기초 재료에 페놀 수지와 그 용매와 혼합 가능한 용매 속에 용해된 실리콘 수지 혼합물이 함침된다. 한 실시예에서는 이소프로판올이 특히 알맞은 용매로 알려졌다. 그러나 에탄올, 메탄 에탄 케톤, 부탄올, 이소프로판올, 톨루엔 등과 같은 다양한 다른 적당한 용매들도 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 페놀 수지와 혼합되어 섬유질 기초 재료에 함침되었을 때 실리콘 수지의 존재는 마찰재들에 페놀 수지만 함침되었을 때보다 마찰재를 더 탄성적으로 만드는 결과를 초래한다. 본 발명의 마찰재에 함침된 실리콘-페놀 수지에 압력이 가해지면 압력이 더 골고루 분산되어 그 결과 라이닝의 불균등한 마모의 가능성을 줄여준다. 실리콘 수지와 페놀 수지가 혼합된 다음, 그 혼합물은 섬유질 기초 재료에 함침되는 데 사용된다.

본 발명의 마찰재(10)을 만들기 위한 한 바람직한 실시예가 도 13에 도시되고 있다. 섬유질 기초 재료(12)는 상위 층(16) 또는 하위면(18)을 지닌 기반 층(14)으로 이루어져 있다. 기반 층(14)이 젖어 있을 때 마찰 조정 입자(20)은 기반 층(14)의 상위면(16) 위로 도포된다.
어떤 방법들에서는 층(14)의 상위면(16) 위로 마찰 조정 입자들을 도포하기 전에 젖은 층(14)의 하위면(18)에 진공 압력법(vacuum pressure, 도시되지 않음)을 사용하는 것 또한 유용하다. 마찰 조정 입자들을 도포하는 여타의 방법들 또한 본 발명의 고려 범위 내에 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

섬유질 기초 재료의 제 1 층위의 마찰 조정 입자들의 제 2 층은 마찰재에 우수한 항 진동성, 높은 내구성, 우수한 내 마모성, 그리고 개선된 제동 특성을 제공한다는 사실이 발견되었다.

실시예

슬립클러치 인터페이스 기술 요구사항: 본 발명의 마찰재들은 특수한 요구사항에 부합하는 슬립핑 클러치 적용 제품들을 위하여 설계되었다. 이러한 요구 사항들에는 높은 기계적 강도, 내열성, 내구성, 안정성 및 항진동성이 포함된다. 본 발명의 마찰재는 높은 다공성, 높은 기계적 강도를 위한 독특한 물질 구조, 높은 열 전도성, 그리고 항 진동 마찰 조절 특성들을 가진다. 이러한 물질 특성들은 부드러운 슬립 토크 출력과 장기적인 마찰 안정성을 위한 필수 조건들이다.

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바람직한 슬립 토크 반응성과 장기 내구성을 위한 슬립 클러치 물질 요구사항에는 우수한 곡선 형태와 장기간 마찰 안정성이 포함된다. 우수한 곡선 형태는 높은 물질 다공성과 높은 마찰 조절 만족성에 달려있다. 장기 마찰 안정성은 높은 다공성(비광택성)과 고온 재료에 달려있다.

섬유질 기초 재료 구조는 높은 열 분산성과 마찰 안정성을 위한 다공성의 고온 합성 섬유 네트워크를 포함한다. 마찰 조정 입자들은 항 진동 특성들을 제공하기 위해 섬유질 기초 재료 위에 도포된다.

아래의 실시예들은 섬유질 기초 재료를 덮고 있는 마찰 조정 입자와 그 결과로 생성된 본 발명의 마찰재가 전통적인 마찰재들에 대한 진보임을 더욱 확실히 증명해준다. 본 발명의 다양한 바람직한 실시예들은 아래의 실시예들에서 설명되고 있다. 그러나 그것들이 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

실시예 Ⅰ

토크 곡선 현상은 본 발명의 마찰재가 속도와 고 에너지 및 고온 상황에 매우 유용하다는 것을 보여준다. 안정적인 토크 곡선은 또한 마찰재가 소음이 없다는 것을 보여준다.

표 1은 비교예 A와 B, 실시예 1과 2의 구성 공식을 보여준다. 표 1은 또한 상기 견본들의 기초 중량, 캘리퍼스(caliper), 다공성, 건식 및 습식 인장 특성 및 소성을 보여준다. 새로운 물질들은 최적량의 탄소 섬유를 지닌 제 1 층과 탄소와 셀라이트, 선택적으로 라텍스와 같은 유지 보조제의 혼합물로 이루어진 제 2 층으로 구성된다. 제 2 층에서는 바람직한 실시예로서 탄소 입자 대 규토 입자들의 비율이 1 대 4에서 1 대 2의 범위에 분포한다.

구성% 제 1 층	실시예 1	실시예 2	비교예 A	비교예 B
아라미드 섬유	55	55	20-25 22.5	40-60 50
탄소 섬유 2mm	10	10		10-20 15
면			25-35 31
그래파이트	25	25	15-25 21	10-20 15
규토	10	10	20-30 25.5	15-25 20
라텍스	2	2
WSR	X2	X2
제 2 층
탄소	2	3	2
셀라이트	4	6	8
라텍스 %	2	2
기초 중량	162.5	166.5
캘리퍼스	30	30.25
다공성	16.8	23.62
건식 인장 강도	6629	9114
습식 인장 강도	4772	5353
재	13.59	15.1

실시예 Ⅱ

μPVT 토크 곡선은 본 발명의 물질들에 대한 더 많은 진보를 제공한다.

도 2a와 2b는 100℃(도 2a)와 50℃(도 2b)에서 다양한 레벨과 속도에서의 비 교예 B의 토크 곡선(μPVT)이다.

실시예 Ⅲ

실시예 Ⅲ은 초기 마찰 계수 μi, 동적 마찰 계수 μd와 최종 마찰 계수 μo, 그리고 제시된 속도들에서 μo/μd의 비율을 보여주는 S12 μ-PVT 실험을 보여준다.

도 8a-8d는 실시예 2에 표면하중(kPA)이 부과됐을 때, 초기 마찰 계수(μi)( 도 8a), 동적 마찰 계수(μd)(도 8b), 최종 마찰 계수(μ0)(도 8c)와 최종/동적 마찰 계수의 비율(μ0)/(μd) (도 8d)을 비교한 그래프들이다.

실시예 Ⅳ

실시예 Ⅳ는 고속 단계 레벨 테스트를 보여준다. 도 9a는 자동 트랜스미션 액 "B"를 사용하여 고속 단계 레벨 "핫 스팟(hot spot)" 테스트를 하기 위한 테스트 조건을 나타내는 그래프이다.

실시예 Ⅴ

실시예 Ⅴ는 비교예 B, 비교예 C와 실시예 1, 2의 물리적 특성을 보여준다.

도 10은 이러한 재료다의 0-2MPA과 2-9MPA에서의 압축 계수를 도시한 것이다. 주목할 점은 계수가 낮을 수록 재료의 탄성은 높다는 점이다. 본 발명의 재료는 매우 바람직한 탄성을 가진다.

실시예 Ⅵ

실시예 Ⅵ은 자동 트랜스미션 유체 "B"를 사용한 μ-v 내구성 실험을 보여준다.

도 11a는 실시예 1을 1, 5, 10, 15, 20, 25 및 30회 순환시켰을 때 마찰 계 수 (μ)를 슬립 속도(rpm)에 비교한 μ-V내구력 관계(정속 방식)를 보여주는 그래프이다.

도 11b는 실시예 1의 기울기 대 순환을 보여주는 그래프이다.

도 12b는 실시예 2의 기울기 대 순환을 보여주는 그래프이다.

실시예 Ⅶ

또 다른 측면에서 보자면, 본 발명은 직조 탄소재의 제 1 층과 그 위에 침착되는 마찰 조정 입자들로 이루어진 제 2 층으로 구성된 비 석면, 섬유질 기초 재료에 관한 것이다.

한 특별한 실시예에서는 제 1 층은 마찰재에 증가된 내열성을 제공하는 직조 탄소 섬유들로 구성된다. 탄소 섬유들은 증가된 내열성을 공급할 뿐만 아니라 균열과 소음에 대한 저항성까지 제공한다.

어떤 실시예들에서는 제 1 층이 텍스트론 탄소 섬유의 약 두 배에 해당하는 평균 투수성을 가진다. 다시 말해 본 발명의 제 1 층은 4.82513E-12kr(㎡)의 평균 투수성을 가지는 텍스트론 탄소 물질들과 비교해 볼 때 약 두 배에 해당하는 9.353-12의 평균 투수성을 가진다.

마찰 조정 입자들의 제 2 층은 마찰재들을 형성하기 위해 제 1 층위에 도포 된다. 직조재의 제 1 층위에 마찰 조정 입자들을 사용하는 것은 직조재에 개선된 3차원 구조를 제공한다.

직조재의 표면 위의 마찰 조정 입자들의 제 2 층의 균질성은 약 0.5-80 마이크론, 바람직하게는 약 0.5-20 마이크론의 크기를 지닌 입자들을 사용함으로써 얻을 수 있다. 이러한 실시예들에서는 마찰 조정 입자들의 크기가 너무 크거나 작으면 최적의 3차원 구조를 얻기 어렵고 그 결과 열 분산 또한 최적일 수 없다는 사실이 발견되었다.

바람직한 실시예들에서는 제 1 층위의 마찰 조정 입자들의 양은 마찰 종이 지질의 중량비로 약 0.2-40%, 어떤 실시예들에서는 약 2-25%, 그리고 어떤 실시예들에서는 약 2-15%의 범위에 걸쳐있다. 바람직한 실시예들에서는 제 1 층 표면 위의 마찰 조정 입자들의 도포 범위가 표면의 약 3-100% 범위에 걸쳐있다.

어떤 실시예들에서는 직조재의 제 1 층위의 제 2 층으로서 마찰 조정 입자들의 혼합물을 사용하는 것은 높은 내열성과 내구성을 지닌 마찰재를 제공한다.

직조재 위에 제 2 층으로서 상기한 비율로 규토 입자들과 탄소 입자들의 혼합물이 존재할 때 특히 유용하다는 놀라운 사실이 밝혀졌다.

어떤 실시예들에서는 마찰 조정 입자들이 직조재의 중량과 대비할 때 약 5-15% 정도로 존재한다.

어떤 실시예들에서는 마찰 조정 입자들이 마찰 조정 입자들의 총중량과 대비해서 약 20-35%의 규토 입자들과 약 65-80%의 탄소 입자들로 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 우선 제 1 층의 직조재을 구성하는 마찰재를 생산 하는 공정과 관련되어 있다. 직조재은 1인치 당 약 40-50, 바람직하게는 44-46 가닥의 방사로 이루어진 날실을 가지고 있다. 그리고 1인치당 약 35-45, 바람직하게는 38-40 가닥의 방사로 이루어진 충전재를 가지고 있다. 어떤 실시예들에서는 직조재이 날실과 충전재들이 서로에 대해 상대적으로 매끄럽거나 평평한 것과 같이 짜여지거나 형성되어 있다. 즉 꼬인 실의 두께와 직조 패턴 그 자체를 모두 고려할 때 직조재은 비교적 매끄러운 마찰재이다. 어떤 실시예에서는 직조재이 약 0.0001-0.001Ra의 표면 평활도를 가진다. 날실과 충전재는 다수의 오목부 또는 미세주머니들을 형성하여 마찰 조정 입자들이 직조재 표면에 보유되도록 돕는다.

제 1 층의 적어도 한 면 이상이 마찰 조정 입자들의 제 2 층으로 덮여 있다. 그런 다음 마찰 조정 입자들이 코팅된 직조재에는 적어도 한 가지 이상의 적절한 수지가 함침된다. 함침되고 코팅된 직조재은 마찰재를 형성하기 위해서 정해진 온도에서 정해진 시간동안 경화된다.

아래의 표 2는 선택된 수지가 직조재을 완전히 또는 부분적으로 덮고 있는 실시예들을 보여주고 있다.

적용범위	전체	부분
수지 함유량(PU%)	106-120	85-94
도포량(lb/3000ft2)	92	80
도포량(g/m2)	149	130

마찰 조정 물질의 도포층 속에 파묻혀 있는 섬유사들 덕분에 입자는 우수한 접착력을 가진다. 탄소 직조재이 완전히 도포된 실시예에서는 마찰재의 표면은 마찰 슬립 속도 계수 성능에 영향을 미칠 만큼 매우 매끄러운 형태가 된다. 도 16은 직조 마찰재 표면이 완전히 도포된 전자 현미경 사진이다. 실리콘 수지와 페놀 수지의 부분적인 경화는 코팅된 직조재의 우수한 함침 성능을 저해한다.

그러므로 어떤 측면들에서는 본 발명은 또한 직조재을 형성하고, 그 표면의 적어도 한 면 이상을 직조재 중량의 약 0.2-40%의 마찰 조정 입자들로 표면적의 약 3-100%를 코팅하고, 코팅된 직조재에 수지를 함침하고, 그런 다음 함침된 직조재을 정해진 온도에서 정해진 시간만큼 경화시키는 마찰재의 생산 방법과 관련되어 있다.

실시예 Ⅶ-A

아래의 실시예들은 마찰 조정 입자들이 코팅된 직조재과 그 결과물인 본 발명의 마찰재가 전통적인 마찰재에 비해 우수하다는 사실을 증명해주고 종이 타입의 섬유질 기초 재료들과 비교하여 만족스런 특성을 지녔음을 보여준다.

도 14a는 제 1 직조 층의 구조와 수지 물질로 직조 제 1 층이 포화된 상태 및 그 표면 위에 탄소가 침착된 것을 보여주는 전자 현미경 사진이다. 반면에 도 14b는 상업적으로 이용 가능한 섬유 물질이다.

실시예 Ⅶ-B

도면 15a는 마찰 조정 물질로서 9 lb/3000㎡의 셀라이트가 함유된 탄소 섬유질 직조재인 실시예 Ⅶ-1의 전자현미경 사진을 보여주고 있다. 도면 15b는 마찰 조정 물질로서 15 lb/3000㎡의 셀라이트가 함유된 탄소 섬유질 직조재인 실시예 Ⅶ-1 의 전자 현미경 사진을 보여주고 있다. 이 전자 현미경 사진들은, 다른 마찰 조정 물질들은 직조재의 표면에 머무는 동안, 마찰 조정 물질의 일부가 어떻게 직조재의 날줄과 씨줄 사이로 침투해 들어가는가 하는 것과 그럼으로써 마찰재에 바람직한 항 진동성을 주는가 하는 것을 보여준다. 또한 이 전자 현미경 사진들은 마찰재의 높은 다공성을 보여준다.

실시예 Ⅶ-C

도 16은 탄소 직조재로 구성되고 마찰 조정 물질로 직조재의 표면이 완전히 덮인 실시예 Ⅶ-2를 보여준다. 마찰 조정 물질들은 섬유사 속에 파묻혀 있다. 그리하여 마찰 조정 입자들이 직조재에 대해 우수한 접착력을 가지게 되는 것이다.

실시예 Ⅶ-D

도 17은 다양한 물질들의 내구성을 비교한 그래프이다. 실시예 Ⅶ-1은 셀라이트 물질로 코팅된 탄소 직조재이다. 비교예 Ⅶ-Z와 Ⅶ-X는 마찰 조정 물질이 전혀 코팅되지 않은 탄소 섬유들의 샘플들이다. 그래프는 마찰 계수 슬립핑 시간의 비교 결과를 보여주고 있다.

토크 곡선 모양은 본 발명의 마찰재가 특히 고속, 고 에너지 및 고온 상황에 유용하다는 것을 말해주고 있다. 안정적인 토크 곡선은 또한 마찰재에 소음이 없음을 보여주고 있다.

본 발명은 클러치 판, 트랜스미션 밴드, 브레이크 슈즈, 동기 장치 고리, 마찰 디스크 또는 시스템 판에 사용되는 고 에너지 마찰재로서 유용하다.

본 발명의 바람직하거나 대안적인 실시예에 대한 상기 설명들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 아래 청구항들의 내용과 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

Claims

하나 이상의 경화 수지로 함침된 기초 재료를 포함하고,

상기 기초 재료는 i) 일정한 항진동성과 마찰 계수 특성들을 제공할 수 있도록 0.0001Ra 내지 0.001Ra 범위의 표면 평활도를 가지는 다공성 탄소 직조재와 ⅱ)상기 탄소 직조재의 외부면을 적어도 부분적으로 덮고 있는 마찰 조정 입자들로 구성된 제 2 층을 포함하며,

상기 탄소 직조재는 표면에 마찰 조정 입자들을 보유하기 위한 다수의 오목부를 형성하는 1인치 당 40 내지 50 가닥의 날실과 1인치 당 35 내지 45 가닥의 충전재를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소 직조재는 95% 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 규토 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 셀라이트(Celite) 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 탄소 입자들과 규토 입자들의 혼합물로 구성되고, 탄소 직조재 중량의 0.2-40 중량% 존재하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 탄소 직조재의 표면 영역의 3-90%를 덮고 있는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 탄소 직조재의 표면 전체를 덮고 있는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 규조토 입자들과 완전 탄화된 탄소 입자들 또는 부분적으로 탄화된 입자들의 혼합물 및 그것들의 혼합물들로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 탄소 직조재의 중량 대비 5-15 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 6 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 총중량의 20-35 중량%의 규토 입자들과 65-80 중량%의 탄소 입자들로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 0.5 내지 20 마이크론 범위의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 규조토를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

페놀 수지 또는 변형 페놀 수지로 함침되는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 14 항에 있어서,

45 내지 60 중량%의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 1 항에 있어서,

페놀 수지와 실리콘 수지의 혼합물로 함침되고, 상기 혼합물의 실리콘 수지량은 혼합물 중량 대비 5 내지 80 중량% 범위이며, 선택적으로 페놀 수지는 용매 물질 속에 존재하고 실리콘 수지는 페놀 수지의 용매 물질과 혼합될 수 있는 용매 물질 속에 존재하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
제 14 항에 있어서,

상기 변형 페놀 수지는 에폭시 페놀 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
다수의 오목부를 형성하는 1인치 당 40 내지 50 가닥의 날실과 1인치 당 35 내지 45 가닥의 충전재를 포함하며, 0.0001Ra 내지 0.001Ra 범위의 표면 평활도를 가지는 외부면을 가지는 탄소 직조재을 형성하는 단계,

기초 재료를 형성하기 위해 상기 탄소 직조재 중량 대비 0.2 내지 40 중량%의 마찰 조정 입자들로 상기 탄소 직조재의 외부면의 3 내지 100%를 코팅하는 단계, 및

상기 기초 재료를 페놀 수지 또는 페놀 기반 수지 혼합물로 함침한 후, 기초 재료를 소정의 온도에서 소정의 시간동안 경화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재 생산 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 마찰 조정 입자들은 탄소 입자들과 규토 입자들의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.