Ist Kohlefaser für Bremsscheiben geeignet? Samuel testet.

Carbonfaser-Bremsscheiben sorgen für Aufsehen. Der Ruf des Materials für schlechte Wärmeableitung ist in der Welt der Felgenbremsen durchaus begründet, daher ist die Frage berechtigt, ob Carbon in die Nähe einer Bremsfläche gehört. Samuel hat den TC-160 einer unabhängigen Zertifizierungsprüfung unterzogen, um diese Frage mit Daten zu beantworten.

Das Argument der Carbon-Felgenbremse – und warum es bei Bremsscheiben nicht zutrifft

Abbildung 1: Quelle: dandyhorse.cc, Bild einer versagten Carbon-Felgenbremsflanke.

Die Kritik lautet: Carbonfaser ist ein schlechter Wärmeleiter. Bei dauerhaftem Bremsen können Carbonfelgen die Wärme daher nur schlecht ableiten, wodurch die Felgentemperatur steigt und es potenziell zu Felgenversagen oder sogar Reifenplatzern kommen kann.

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe bestehen aus 2 Materialien: Carbonfaserfilamenten und dem Epoxidharz, das alles zusammenhält.

Die Hitzebeständigkeit der Carbonfaserfilamente selbst ist normalerweise nicht das Problem, sondern das Epoxidharz, insbesondere seine Glasübergangstemperatur (Tg).

Erreicht das Harz seine Tg, wird es weich und die Struktur verliert ihre Integrität.

Viele Felgenhersteller verwenden auf dem Papier hoch-Tg-Harze mit einer Temperaturbeständigkeit von 200–230 °C, lassen bei der Fertigung jedoch den entscheidenden Nachhärteschritt aus. Ohne ordnungsgemäße Nachhärtung – typischerweise 90–120 Minuten bei erhöhter Temperatur – erreicht das Harz seine angegebene Tg nie, und Ausfälle können bereits bei Temperaturen um 100 °C auftreten.

Die Nachhärtung steht im Konflikt mit hohem Produktionsdurchsatz. Sie ist zeitaufwendig, begrenzt die tägliche Ausbringung und erhöht die Kosten.

Viele Felgenmarken vom chinesischen Festland werben mit hoher Produktionsleistung und niedrigen Preisen. In vielen Fällen liegt der Grund schlicht darin, dass der Nachhärteschritt vollständig ausgelassen wird. Ohne ihn lässt sich keine Felge mit hoher Temperaturbeständigkeit herstellen. Dies ist ein weiterer Grund für den Wechsel der Branche von Felgen- zu Scheibenbremsen: Das Streben nach aerodynamisch optimierten Laufradsätzen kann bei Felgenbremsen Kompromisse bei der Bremssicherheit erzwingen.

Abbildung 2: Aero-Samuel-Bremsscheibe mit Carbon-Lamellen.

Bei Scheibenbremsen ist es jedoch anders: Die Wärmebelastung einer Carbonstruktur verändert sich vollständig. Die Bremsfläche besteht aus einem separaten Material, typischerweise Edelstahl oder Stahl + Aluminium + Stahl, wie es beispielsweise Shimano verwendet. Das Carbon im Laufrad befindet sich damit nicht mehr im thermischen Kreislauf.

Die Frage lautet also: Wie verhalten sich Bremsscheiben mit Carbonfaser-Lamellen unter thermischer Belastung?

Zunächst sehen wir uns an, wodurch sich die TC-160 mit Carbonfaser-Lamellen unterscheidet.

Was unterscheidet die TC-160?

Die TC-160 verwendet Harz in Luft- und Raumfahrtqualität und wird vollständig nachgehärtet. Dadurch können die Carbon-Lamellen ihre strukturelle Integrität bis zu 350 °C beibehalten.

Zum Vergleich: Aluminiumlegierungen haben nur einen sicheren Betriebsbereich von etwa 110–120 °C.

In Verbindung mit Carbonfaser-Layups mit mittlerem bis hohem Modul ist die Bremsscheibe strukturell steifer als ein entsprechendes Aluminiumteil. Dadurch sinkt das Risiko, dass sich die Bremsscheibe unter Hitze verzieht und anschließend an den Belägen schleift.

Der Nachhärteprozess dauert pro Charge 8–9 Stunden. Die Teile kühlen im Ofen auf natürliche Weise ab, um innere Spannungen durch schnelle Temperaturänderungen zu vermeiden. Dadurch ist die Produktion auf einen Ofenzyklus pro Tag und nur zwei bis drei Zyklen pro Woche begrenzt.

Es ist leicht nachvollziehbar, warum manche Unternehmen versucht sein könnten, den Nachhärteschritt auszulassen, um mit der Nachfrage Schritt zu halten. Samuel nimmt diese Abkürzung jedoch nicht und führt den Prozess korrekt durch – auf Kosten der Produktionskapazität.

Ein weiterer, weniger bekannter Punkt: Carbonfaser besitzt im Vergleich zu Metall eine höhere natürliche Schwingungsfrequenz. Dadurch ist die TC-160 grundsätzlich weniger anfällig für Bremsenquietschen, das durch Reibung beim Bremsen entsteht, als herkömmliche Bremsscheiben mit Aluminium-Lamellen.

Wie schneidet die TC-160 im Vergleich zu Shimano ab?

Samuel führte Tests mit Wärmebildkameras durch. Die dargestellten Farben zeigen relative, nicht absolute Temperaturen.

Für absolute Temperaturen müssen die Parameter an den Emissionsgrad des jeweiligen Materials angepasst werden, um die tatsächliche Temperatur an jeder Stelle zu ermitteln. Die aktuellen Farbflächen dienen daher ausschließlich der visuellen Orientierung.

Zweiteilige Bremsscheiben mit Aluminium-Lamellen – mit Shimano Dura-Ace als Referenz – leiten Wärme gut und führen sie effizient von der Edelstahl-Bremsfläche weg.

Abbildung 3: Wärmebildaufnahme der Dura-Ace-Bremsscheiben

Abbildung 3 zeigt tatsächlich eine starke Wärmeleitung. Die Wärme wird von der Bremsfläche zu den Aluminium-Lamellen geleitet, sichtbar an den roten Bereichen.

Abbildung 4: Wärmebildaufnahme der TC-160-Bremsscheiben.

Die Carbon-Lamellen der TC-160 weisen tatsächlich eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Dura-Ace-Bremsscheibe auf. Allerdings:

1. Edelstahlnieten an der Verbindung zwischen Carbon-Lamellen und Bremsfläche wirken als thermische Barriere und begrenzen den Wärmeeintrag in die Carbonstruktur.
2. Der Carbon-Verbundwerkstoff selbst besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Hitzebeständigkeit.

Kurz gesagt: Aluminium-Lamellen leiten Wärme gut, sind aber weniger steif als Carbonfaser.

Die TC-160 führt Wärme nicht so effizient ab, doch ihr strukturelles Konzept setzt auf hohe Hitzebeständigkeit statt maximale Wärmeleitung. Die hohe Steifigkeit der Lamellen reduziert dadurch das Risiko von Bremsscheibenverzug.

Wie verhalten sich die Carbon-Lamellen unter thermischer Belastung?

Abbildung 5: Temperaturdaten nach einem steilen Gefälle von 15 % und starkem Bremsen.

Abbildung 6: Temperaturdaten 10 Sekunden nach dem 15-%-Gefälle.

Abbildung 5 zeigt hohe Temperaturen an der Edelstahl-Bremsfläche, während die umliegenden Bereiche nach starkem Bremsen auf einem 15-%-Gefälle weiterhin kühl bleiben, erkennbar an der kühlen blau-/hellgrünen Zone.

Abbildung 6 zeigt, dass die Temperatur der Edelstahl-Bremsfläche allmählich sinkt. Gleichzeitig wird die Wärme an den Edelstahlrippen langsam zu den Nietpunkten übertragen und breitet sich bis zur Oberseite der Carbonfaser-Lamellen aus.

Dies zeigt, dass sich die hohe Wärme der Edelstahl-Reibplatte allmählich über die Rippen zum Nietpunkt ausbreitet. Deshalb ist rund um den Nietpunkt ein grünlich-warmer Bereich sichtbar.

Obwohl das Harz als Wärmespeichermedium wirkt, ist die axiale Wärmeleitfähigkeit (k-Wert) der Carbonfaser überraschend hoch. Daher sind weiterhin Farbbereiche zu sehen, an denen Wärme von der Carbonfaser weitergeleitet wird.

Unabhängige Validierung: CHC-Prüfbericht

Samuel reichte die TC-160 beim CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center) zur unabhängigen Prüfung ein. Die taiwanesische Prüfstelle ist durch die TAF (Taiwan Accreditation Foundation) akkreditiert. Eine TAF-Akkreditierung bedeutet, dass die Ergebnisse international anerkannt werden.

Der CHC-Bericht bestätigte, dass die TC-160 die thermischen Leistungsanforderungen für Bremsscheiben erfüllt.

Bei Tests auf der Prüfmaschine überschritt die Edelstahl-Bremsfläche 600 °C, während der Bereich der Carbon-Lamellen unter denselben Bedingungen nur knapp über 100 °C erreichte – deutlich unter seiner Grenze von 350 °C.

Unter realen Bedingungen können Rennräder keine Reibungstemperaturen an der Bremsscheibe von über 600 °C erzeugen. Dies bestätigt die Robustheit dieser Bremsscheiben.

Die Aero-Variante

Die Aero-Version TC-160/140 verwendet ein modifiziertes Lamellenprofil, um Störungen der axial-tangentialen Luftströmung zu minimieren. Der Kompromiss ist eine leicht erhöhte Seitenwindempfindlichkeit gegenüber der Standard-TC-160. Sie eignet sich für konsequent aerodynamische Rennräder und Triathlon-Setups, bei denen dieser Kompromiss sinnvoll ist.

Zusammenfassung

Carbon-Bremsscheiben sind keine Carbon-Felgenbremsen. Aufgrund der unterschiedlichen Konstruktion sind Carbon-Bremsscheiben nicht für dieselben Versagensmechanismen wie Carbon-Felgenbremsen anfällig.

Die ordnungsgemäße Nachhärtung von Carbonfaser-Verbundwerkstoffen ist entscheidend und erhöht die Robustheit dieser Bremsscheiben. Unter realen Bedingungen ist ein Versagen der TC-160 durch erweichtes Epoxidharz daher nicht möglich. Dies ermöglichte das Bestehen der CHC-Zertifizierung, die durch die Taiwan Accreditation Foundation akkreditiert ist.