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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese Erfindung betrifft Verfahren
zur Herstellung von Reibungsmaterialien, wie zum Beispiel Reibungsbelägen für Scheibenbremsen
und dergleichen. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren
zur Bildung eines solchen Reibungsmaterials aus einem Papier aus
orientierten Fasern, das geschnitten oder gefaltet und gestapelt
wird, um den Reibungsbelag zu bilden.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
Papierreibungsmaterials ist zum Beispiel aus der EP-A-0 129 022
bekannt. Jedoch wird dieses Reibungsmaterial nicht aus gestapelten
Papierlagen gebildet.
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HINTERGUND DER
ERFINDUNG
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Auf herkömmliche Weise hergestellte
Reibungsmaterialien werden durch mechanische Vermischung partikelförmiger reibungserzeugender
und schmierender Additive, kurzer Fasern und warmhärtender
Harzmaterialien und anschließendes
Formen der Masse unter Wärme
und Druck, um einen fertig gestellten Bremsbelag oder eine Auskleidung
oder dergleichen zu formen, hergestellt. Während der Formung des vermischten
Materials wird Druck senkrecht auf die Breitseite des Belages aufgebracht. Dies
führt zu
einem hohen Grad der Faserorientierung im Allgemeinen parallel zu
dem, was die Verschleißoberfläche des
Belages werden soll. Dieses Verfahren und die sich ergebende Faserorientierung schränkt die
Reibungs- und Verschleißleistung
des fertig gestellten Belages auf Grund von Materialbeschränkungen
und der Unfähigkeit,
die Fasern in der optimalen Richtung zu orientieren, welche oft
senkrecht zur Verschleißoberfläche stehen
würde,
ein.
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Eine der hauptsächlichen Einschränkungen von
Reibungsmaterialien ist deren Wärmestabilität. An einem
herkömmlichen
Scheibenbremsbelag für Kraftfahrzeuge
kann die Verschleißoberfläche 700°C übersteigen.
Die Verschleißrate
der Oberflächenmaterialien
steigt dramatisch an, wenn die Oberflächentemperatur über die
Zersetzungstemperatur der Fasern und/ oder des Bindemittels, das
diese zusammenfügt,
steigt. Die faserigen Bestandteile dienen sowohl als Verstärkung für das Reibungsmaterial
als auch als eine Tragefläche,
um die Verschleißlebensdauer
zu erhöhen.
Somit ist es wünschenswert,
Fasern in das Reibungsmaterial mit der Zersetzungstemperatur über 700°C einzuarbeiten.
Solche Fasern umfassen metallische, Kohlenstoff-, Graphit-, glasartige
und keramische Fasern. Mit Ausnahme der metallischen Fasern sind
alle diese Klassen möglicher reibungsmaterialverstärkender
Fasern von sich aus spröde,
und sie brechen unter Verlust ihrer Verstärkungsfähigkeit, wenn sie den Mischungs- und Formungsverfahren,
die zur Bildung von Reibungsmaterialien durch herkömmliche
Verfahren verwendet werden, unterworfen werden.
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Somit erlaubt die herkömmliche
Verarbeitung von Reibungsmaterial auf Grund des Bruchs der Fasern
und deren Ausrichtung in der am wenigsten wünschenswerten Orientierung
parallel zu der Verschleißoberfläche nicht
die Ausnützung
der wärmebeständigsten
Fasern. Wenn die Fasern in einer Linie mit dem Kontakt der Verschleißoberfläche sind,
werden sie einfach aus der Matrix herausgezogen, wenn das Bindemittel
verschleißt
und die Länge
der Faser freilegt. Wenn die Faser weg ist, kommt es zu zusätzlichem
Verschleiß von
Bindemittel, und so weiter. Somit brechen in der herkömmlichen
Verarbeitung von Reibungsmaterial die hoch temperaturbeständigen spröden Fasern,
und sie werden in einer Richtung ausge richtet, die für die Integrität des Reibungsmaterials
nicht besonders geeignet ist.
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Zusätzlich zu den obigen Problemen
neigt die herkömmliche
Mischung von Reibungsmaterialzusammensetzungen häufig zur Entmischung der Materialien,
so dass das Reibungsmaterial in seiner Mischung nicht gleichmäßig ist,
wie es am meisten erwünscht
wäre.
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Dementsprechend ist es offensichtlich,
dass alternative und verbesserte Verfahren für die Herstellung von Reibungsmaterialien
nützlich
wären.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren
bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, in welchem die Verstärkungsfasern
und optional andere Bestandteile von Reibungsmaterial zu einer durchgehenden
Rolle Papier oder Filz gebildet werden. Geeignete Fasern des gewünschten
Verstärkungsmaterials
in der Form von Faser- oder Zellstoffmaterial sowie Harzpartikel
und/oder Partikel und Haarkristalle von anderen Bestandteilen von
Reibungsmaterial werden zu einer Aufschlämmung verarbeitet und durch
bekannte Papierherstellungsverfahren zu dem Papier gebildet. Die
Trommelgeschwindigkeit, die Viskosität der Aufschlämmung und
das Bewegen sowie die Faserlänge
werden alle so gewählt,
dass die Faserorientierung innerhalb von 45 Grad zu der längsgerichteten
oder Längsrichtung
des Papierstreifens maximiert wird.
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Das Papier wird dann getrocknet und
in Breiten geschnitten, die der Dicke eines gewünschten Bremsbelages entspricht.
Alternativ wird das Papier so gefaltet, dass der Abstand zwischen
den Faltungen die Dicke des Bremsbelages darstellt. In beiden Verfahren
werden die gefalteten Faltungen oder die geschnittenen Streifen
des Papiers gestapelt, wobei die Enden oder Faltungen die Verschleißoberfläche des
Bremsbelages bilden. Der Vorformling wird in geeigneter Weise durch
Nadeln oder Heften des Stapels senkrecht zu der Oberfläche der
Bögen vorübergehend
zusammen gehalten oder unmittelbar warmgepresst oder geformt.
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Somit bilden die Flächen der
Streifen des ursprünglichen
Bogens Querschnitte durch den Reibungsbelag, wobei die Enden oder
Ränder
gemeinsam die Verschleißoberfläche des
Belages bilden. Somit wird die Richtung des Schneidens oder Faltens so
gesteuert, dass eine Mehrheit der ursprünglichen Fasern senkrecht zu
den Rändern
des Papiers und somit zu der vorgesehenen Reibungsoberfläche des Bremsbelages
ausgerichtet sind.
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Warmhärtendes Harzmaterial kann selbstverständlich ebenfalls
in das Papier eingearbeitet werden, während es hergestellt wird,
oder auf das Papier aufgebracht werden, bevor die Faltungen oder
Streifen zusammengepresst werden. Zusätzliche Reibungsmaterialadditive,
wie etwa Schleifoxide, und feste Schmiermaterialien, wie etwa Graphit,
Calciumfluorid, Antimonoxid und dergleichen, können ebenfalls in Partikelform
mit dem Harz und dem Papier gemischt werden. Somit kann die endgültige Zusammensetzung
des Reibungsmaterials gleich oder unterschiedlich zu der standardmäßiger Reibungsmaterialien
sein. Jedoch besteht eine bedeutsame Verbesserung in dem Reibungsmaterial,
das wie beschrieben aus Papier hergestellt wird, darin, dass die Fasern
mit einer geeigneten Länge
senkrecht zu der Verschleißoberfläche ausgerichtet
werden, so dass sie als verstärkende
Merkmale der Reibungsmaterialzusammensetzung verbleiben und eine
Verschleißoberfläche an ihren
Enden bereitstellen können.
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Andere Ziele und Vorteile der Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung derselben klar
werden. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Rolle von faserigem Papier für Reibungsmaterial, welche
die Faltung der Rolle als einen Schritt in der Herstellung des Reibungsmaterials
anzeigt.
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2 veranschaulicht
einen Körper
aus dem gefalteten Papier von 1,
wobei sie dessen Verhältnis
zu den Dimensionen eines fertig gestellten Bremsbelages zeigt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines vervollständigten Bremsbelages gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung
besteht darin, dass der Fasergehalt des Reibungsmaterialproduktes
anfänglich
in der Form eines Papiers zusammengesetzt wird. Das Papier wird
in der Form eines langen oder durchgehenden Bogens mit einer Längsrichtung
hergestellt, und die Einarbeitung des Fasergehaltes wird so gesteuert,
dass er im größten praktisch
möglichen
Ausmaß mit
der Längsachse des
Papierbogens ausgerichtet wird. Der Bogen wird dann gefaltet und/oder
geschnitten und gestapelt, wie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
in größerem Detail
beschrieben wird, so dass die gefalteten Faltungen oder die geschnittenen Streifen
einen Reibungsmaterialkörper
bilden, in welchem die Fasern im Allgemeinen senkrecht zu der Reibungsoberfläche orientiert
sind.
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Die Papierherstellung erlaubt eine
breite Auswahl der Materialpalette für den Reibungsmaterialkörper. Wärmestabile
Fasern können
in das Papier eingearbeitet werden. Kurzfaseriger/-s Keramik, Kohlenstoff,
Glas, Graphit und Metalle werden routinemäßig ohne Beschädigung oder
Bruch der einzelnen Fasern zu Papier gebildet. Die Nutzung dieser Fasern
in einem Papier für
Reibungsmaterial erhöht die
Wärmezersetzungstemperatur
des Reibungsmaterials und verbessert die Verschleiß- und Reibungsstabilität bei hohen
Temperaturen eines Bremsbelages oder eines anderen Reibungsmaterialkörpers.
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Fasern, die in der Länge von
mehreren Mikrometern bis zu einem halben Zoll (12.700 Mikrometer)
variieren, können
in dem Papierherstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung verwendet
werden. Die höchste
Faserlänge
ist ungefähr
20 Mal die Länge,
die in zufriedenstellender Weise durch herkömmliche Verfahren zur Herstellung
von Reibungsmaterial vermischt werden kann. Das vergrößerte Faserlängenpotential
sorgt für
mehrere Vorteile. Es wird möglich,
die gewünschte
Faserverstärkungslänge für die meisten
Materialien aufrecht zu erhalten, ohne auf sehr kleine Durchmesser
und daher auf einatembare Fasern auszuweichen. Viele keramische
und kohlenstoffhaltige Fasern, die für Reibungsmaterialien wünschenswert
sind, sind in den kleinen Durchmessern, die für die herkömmliche Verarbeitung erforderlich sein
können,
nicht verfügbar.
Viele keramische Fasern (zum Beispiel K2Ti8O17) werden nicht
als durchgehende Fäden
hergestellt und könnten
nicht einfach in pultrudierte Strukturen eingearbeitet werden. Somit
lässt das
Merkmal der Papierherstellung dieser Erfindung zu, dass die Verbundfestigkeit
des Reibungsmaterialkörpers
maximiert werden kann, indem eine viel größere und breitere Vielfalt
von Fasern eingearbeitet wird. Zusätzlich zu den Fasern kann anderes
partikelförmiges
Material variierender Dichte und Größe, das in Reibungsmaterialien
nützlich
sein kann, mit geringer oder gar keiner Entmischung während des
Papierherstellungsverfahrens zu dem Papier gebildet werden. Zum
Beispiel werden grobe (größer als
500 Mikrometer) Graphitpartikel in Reibungsmaterialien für Kraftfahrzeuge
eingearbeitet, um die Verschleißrate
zu minimieren. Auf Grund ihrer Größe haben solche Graphitpartikel
eine Neigung, sich in Trockenmischverfahren, die in der Herstellung solcher
Reibungsmaterialien für
Kraftfahrzeuge verwendet werden, zu entmischen. In den gegenständlichen
Papierherstellungsverfahren können
mehrfädige
Graphitgarne verwendet werden, um den Querschnitt der Graphitpartikel
zu simulieren, was die Kosten der Formulierung verringert. Darüber hinaus können nach
wie vor auch große
Graphitpartikel praktisch ohne Entmischung in Reibungsmaterialpapiere
eingearbeitet werden. Jegliche Entmischung wird im Wesentlichen
auf die Dicke des Papiers begrenzt, und eine solche Entmischung
wird ausgeglichen, wenn der Reibungsbelag durch Stapeln vieler Papierlagen
gebildet wird.
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Schließlich verringert das Aufschlämmungsverfahren
zur Herstellung des Papiers stark die Mischzeiten, indem die Dispersion
der Fasern, der Zellstoffe und der Partikel verbessert wird. Trockenmischzeiten
werden von 10 bis 20 Minuten in herkömmlichen Reibungsmaterialmischungen
auf weniger als eine Minute in einem Papieraufschlämmungs-Zubereitungsverfahren
reduziert. Die Entmischung wird durch die Zugabe von oberflächenaktiven
Stoffen und durch Steuerung sowohl des Bewegens als auch der Viskosität der Aufschlämmung zur Papierherstellung
minimiert. Staub wird in dem Herstellungsverfahren praktisch eliminiert.
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1 veranschaulicht
schematisch die Aspekte des Faltens oder Schneidens des Papiers
der gegenständlichen
Erfindung. In 1 wurde
eine Rolle von Reibungsmaterial-Faserpapier 10 durch herkömmliche
Aktivitäten
zur Papierherstellung hergestellt. Zusätzliche Beispiele für Fasern,
die verwendet werden können,
sind unten zu finden. Die Rolle aus einem langen, durchgehenden
Streifen aus Reibungsmaterial-Faserpapier ist jedoch zusammen mit
anderen möglichen
partikelförmigen
Reibungsmaterialbestandteilen, welche Bindeharz umfassen, bei 10 gezeigt.
Die Rolle weist eine Breitendimension 12 auf, die eine
beliebige gewünschte
praktische Breite sein kann, aber auch einer hauptsächlichen
Dimension (z. B. der Breite oder der Länge) des Reibungsmaterialartikels,
der hergestellt werden soll, entsprechen kann. Das Papier weist
auch eine Dickendimension 14 auf, die in dem Bereich von
einem bis drei Millimeter geeignet sein kann. Wie in 1 zu sehen ist, ist der
hergestellte Streifen aus Papier lang, und weist eine Längsrichtung
auf, die parallel zu der längsten
Dimension des Streifens ist. Wie bei 32 in den 1 und 2 schematisch veranschaulicht ist, sind
die Fasern parallel zu der Längsachse
der Rolle oder in einem Winkel innerhalb von 45 Grad zu der Längsrichtung
ausgerichtet. Wie ebenfalls in 1 zu
sehen ist, wurde das Papier beginnend an dem Ende der Rolle 16 aus
Papier in eine Anzahl von Faltungen 18 mit Rändern 20 gefaltet.
Wie gezeigt, ist die Längendimension
jeder Faltung 18 im Wesentlichen dieselbe.
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2 zeigt
einen Abschnitt eines Reibungsmaterialkörpers 22 in dem Verfahren
der Formung durch Zusammenpressen vieler Faltungen 18 der Papierrolle 10.
Die Länge
jeder Faltung ist eine Höhen-
oder Dickendimension 24 des Körpers, der von dem zusammengepressten
Faltungen gebildet wird. Der Körper
besitzt auch eine Breitendimension 12, die anfänglich der
Breite der Papierrolle 10 entspricht. Der Körper, der
durch die Falten in dem Papier gebildet wird, kann anfänglich zusammen
geheftet oder zusammen genadelt werden, wie durch die Heftungen 26 angezeigt
wird. Dies dient dem Zweck der anfänglichen und vorübergehenden
For mung des gefalteten Papiers in die Form eines fertig gestellten
Körpers,
wie etwa des bei 28 in 3 dargestellten
Scheibenbremsbelages. Die Mehrheit der Fasern in der Papierrolle 10 wurde,
wie schematisch bei 15 angezeigt, innerhalb von 45 Grad oder näher zu der
Längsachse
der Papierrolle 10 ausgerichtet. Somit sind in dem Artikel 22,
der durch die zusammen gepressten Falten gebildet wird, die Fasern
nun mit den Rändern
der Falten 20 ausgerichtet.
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Wie in den 1 und 2 abgebildet,
wurde der Reibungskörper 22 durch
Falten des Papiers 10 und durch Sammeln und Zusammenpressen
der Faltungen 18 aufgebaut. Es ist jedoch offensichtlich, dass
das Papier auch über
seine Breite geschnitten und die entstandenen Streifen gesammelt,
ausgerichtet und zusammen gepresst werden hätte können, um den Körper 22 zu
bilden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird der gefaltete und gestapelte oder geschnittene und gestapelte
Reibungsmaterialkörper 22 direkt
ohne Heften heißgepresst
oder geformt.
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Wenn der Körper 22 gepresst worden
ist, so dass die Ränder
fest zusammen sind und der Körper erwärmt worden
ist, so dass sein Gehalt an warmhärtendem Harz den Körper vollständig miteinander
verbindet, dann bildet der Verbund aller Ränder 20 (zwar gezeigt,
aber in 3 in übertriebener
Darstellung) eine obere Oberfläche 30 an
dem Bremsbelag 28. Die Verstärkungsfasern 32 (in 3 gezeigt, aber in einem
fertigen Bremsbelag 28 nicht einfach zu sehen) sind senkrecht
zu der Oberfläche 30 ausgerichtet,
unabhängig
von der Papierstapelrichtung in dem Belag. Die Dicke 34 des
Belages 28 ist dieselbe wie die Höhe der Falten 24.
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Sobald der Reibungsbelag 28 geformt
worden ist und das warmhärtende
Harz gehärtet
ist, kann der Körper
falls erforderlich maschinell bearbeitet werden, um eine endgültige angegebene
Form oder Dimension zu erhalten. Er kann auch, falls erforderlich,
an einer Grundplatte oder einem anderen Bauteil befestigt werden.
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Somit erlauben Körper aus gefaltetem/n oder geschnittenem/n
und gestapeltem/n Papierfilz oder -fasern den Aufbau von Bremsbelägen und
dergleichen mit einem im Vergleich zu auf herkömmliche Weise geformten Belägen Vielfachen
des Prozentsatzes an Fasern 32, die senkrecht zu der Verschleißoberfläche 30 orientiert
sind. In Abhängigkeit von
der Zusammensetzung und dem Volumen der Reibungsfasern wird diese
Orientierung der Fasern die Verschleißlebensdauer des Reibungsmaterials gegenüber herkömmlichen
Formungsverfahren erhöhen.
Die verbesserte Faserausnützung
erlaubt eine gewisse Reduktion des Gehaltes an warmhärtendem Harz,
welcher sowohl für
erhöhten
Bremsschwund als auch für
verringerten Belagsverschleiß verantwortlich
ist.
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Entweder während des Papierherstellungsverfahrens
oder in der Folge, wenn das Papier gefaltet wird, können andere
Reibungsmaterialbestandteile in das Papier oder zwischen die Falten
des Papiers zu dem Zweck, eine geeignete Reibungsmaterialformulierungg
zu bilden, eingearbeitet werden.
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Es wird in Erwägung gezogen, dass Fasern oder
Zellstoff, die in dem Papierherstellungsverfahren verwendet werden,
entweder allein oder in Kombination Glasfasern, wie etwa Glasfasern
des E-, S- und R-Typs, einsetzen. Die Fasern können aus Mineralglas wie etwa
Basaltwolle oder RockwoolTM oder aus verschiedenen
Schlackenwollen hergestellt sein. Polymerische Fasern wie Aramid-
oder Polyimidfasern oder Polyacrylnitril fasern (entweder frisches PAN,
oxidiertes, karbonisiertes oder graphitisiertes PAN) können eingesetzt
werden. Pechbasierte Kohlenstoff- oder Graphitfasern können verwendet
werden. Verschiedene Typen von Metallfasern wie etwa Kupfer-, niedrig
legierte Messing- und Bronzefasern können in dem Papierherstellungsverfahren
verwendet werden. Auch keramische Fasern wie etwa die verschiedenen
Natriumtitanat-Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Aluminiumsilikat-Fasern,
Zirkonoxidfasern, und Zirkoniumsilikatfasern können verwendet werden.
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Zusätzlich zu dem faserigen Gehalt
des Papiers können
Harze entweder als Flüssigkeiten
oder als fein zerteilte Feststoffe in die Aufschlämmung zur Papierherstellung
eingearbeitet oder später
zugegeben werden. Jedes beliebige der typischen Phenolharze, die
in Reibungsmaterialien verwendet werden, kann in dem gegenständlichen
Verfahren verwendet werden. Pech- und modifizierte Pechharze können eingesetzt
werden. Zum Beispiel können
Polyimidharze eingesetzt werden. Cyanatester-/Phenoltriazinharze
sind ebenfalls geeignet. Feine Pulver/Haarkristalle können mit
Harz vorgemischt werden, um ihre Rückhaltung in dem Papier zu
erhöhen.
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Es ist selbstverständlich bekannt,
verschiedene Schleifpartikel, wie etwa die verschiedenen Oxide und
Silikate, einzuarbeiten. Wieder können Zirkonoxid, Zirkonpartikel,
Aluminiumoxid-Partikel, Eisenoxid-Partikel und Wolframoxid-Partikel
als der Schleifpartikelgehalt des Papiers verwendet werden. Füllmaterialien,
wie etwa Bariumsulfat und Calciumkarbonat, können eingeschlossen werden.
Feste Schmierstoffpartikel, wie etwa Molybdendisulfid, Calciumfluorid,
Molybdenoxid, Wolframsulfid und verschiedene Molybdate und Wolframate,
die eine breite Palette von Kationen enthalten, können eingesetzt werden.
Reibungsstabilisatoren, wie etwa Antimonsulfid und Zinksulfid können eingearbeitet
werden.
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Somit ist es offensichtlich, dass
das gegenständliche
Verfahren einen höheren
Fasergehalt erlaubt, während
es die Möglichkeit
offen lässt,
viele der in herkömmlicher
Weise verwendeten Reibungsmaterialpartikel, wie etwa jene, die oben
identifiziert wurden, einzubeziehen. In Übereinstimmung mit den Verfahren
der Erfindung können
Bremsbelagmaterialien aus Papieren zusammengesetzt werden, die Reibungsmaterialien
enthalten, welche zusammen Aramidzellstoff, oxidiertes Polyacrylnitril,
karbonisiertes Polyacrylnitril, Glaswolle und Kaliumtitanatfaser, sowie
Bronze-Holzfasern
einarbeiten, wobei der Fasergehalt zum Beispiel zwischen 40% und
75% der gesamten Zusammensetzung beträgt. Zusätzlich zu dem Fasergehalt können verschiedene
Oxide, wie etwa jene, die oben erwähnt wurden, zusammen mit Graphit-
und amorphen Kohlenstoff-Schmierpartikeln eingearbeitet
werden. Schließlich
kann ein Anteil von warmhärtendem
Bindeharz, wie etwa ein Phenolharzgemisch, in der Größenordnung
von 20 bis 25 Vol.-% der Formulierung eingesetzt werden.
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Während
der Gegenstand der vorliegenden Erfindung als einige wenige Ausführungsformen
derselben beschrieben wurde, ist klar, dass andere Formen einfach
durch den Fachmann angepasst werden können. Dementsprechend wird
der Schutzbereich der Erfindung als nur durch die folgenden Patenansprüche eingeschränkt betrachtet.