La Fibre de Carbone est-elle Viable pour les Disques de Frein ? Les Tests de Samuel.

Les disques de frein en fibre de carbone font sourciller. La réputation de ce matériau pour sa mauvaise dissipation de la chaleur est bien établie dans le monde des freins sur jante. Il est donc légitime de se demander s'il a sa place près d'une surface de freinage. Samuel a soumis le TC-160 à des tests de certification par un organisme tiers pour répondre à cette question avec des données.

L'argument du frein sur jante en carbone, et pourquoi il ne s'applique pas aux disques de frein

Image 1 : Source : dandyhorse.cc, image d'une piste de frein sur jante en carbone défaillante.

La critique est la suivante : la fibre de carbone est un mauvais conducteur thermique, et donc, lors d'un freinage prolongé, les jantes en carbone ne parviennent pas à dissiper la chaleur, ce qui augmente la température de la jante et peut potentiellement entraîner une défaillance de la jante, voire des éclatements de pneus.

Les composites en fibre de carbone sont constitués de 2 matériaux : le filament de fibre de carbone et la résine époxy qui lie le tout.

La résistance à la chaleur des filaments de fibre de carbone eux-mêmes n'est généralement pas le problème, mais plutôt la résine époxy, et plus précisément sa température de transition vitreuse (Tg).

Lorsque la résine atteint sa Tg, elle ramollit et la structure perd son intégrité.

De nombreux fabricants de jantes utilisent des résines à haute Tg, évaluées à 200-230 °C sur le papier, mais omettent l'étape cruciale de la post-cuisson pendant la production. Sans une post-cuisson adéquate (généralement 90 à 120 minutes à température élevée), la résine n'atteint jamais sa Tg nominale, et des défaillances peuvent survenir à des températures aussi basses que 100 °C.

La post-cuisson entre en conflit avec le débit de production. Elle prend du temps, limite la production quotidienne et ajoute des coûts.

De nombreuses marques de jantes chinoises continentales annoncent des productions élevées et des prix bas. Dans de nombreux cas, la raison est simplement que l'étape de post-cuisson est entièrement ignorée. Sans elle, il est impossible de produire une jante avec une résistance élevée aux températures. C'est une autre raison pour laquelle l'industrie est passée des freins sur jante aux freins à disque, car la quête de jeux de roues optimisés aérodynamiquement implique de compromettre la sécurité du freinage.

Image 2 : Rotor Samuel Aero avec ailettes en carbone.

Cependant, avec les freins à disque, la charge thermique sur une structure en carbone change entièrement. La surface de freinage est un matériau séparé, généralement de l'acier inoxydable ou un sandwich acier+aluminium+acier, comme le fait Shimano. Le carbone des roues n'est plus dans la boucle thermique.

La question est donc : comment les rotors à ailettes en fibre de carbone se comportent-ils sous charge thermique ?

Mais d'abord, explorons en quoi le rotor à ailettes en fibre de carbone TC-160 diffère.

En quoi le TC-160 est-il différent ?

Le TC-160 utilise une résine de qualité aérospatiale, avec post-cuisson, permettant aux ailettes en carbone de maintenir leur intégrité structurelle jusqu'à 350°C.

En comparaison, les alliages d'aluminium n'ont une plage de fonctionnement sûre que d'environ 110-120°C.

Combiné à des couches de fibres de carbone de module moyen à élevé, le rotor est structurellement plus rigide qu'un équivalent en aluminium, ce qui réduit le risque de déformation du rotor sous la chaleur, entraînant un frottement des freins.

Le processus de post-cuisson dure 8 à 9 heures par lot. Les pièces refroidissent naturellement à l'intérieur du four pour éviter les contraintes internes dues aux changements rapides de température, ce qui limite la production à un cycle de four par jour et seulement deux à trois cycles par semaine.

Vous comprenez pourquoi de nombreuses entreprises sont tentées d'ignorer le processus de post-cuisson pour répondre à la demande. Samuel, cependant, ne prend pas de raccourcis et choisit de faire les choses correctement, au détriment de sa capacité de production.

Un autre point que beaucoup de gens ignorent est que la fibre de carbone a une fréquence de vibration naturelle plus élevée que le métal. Cela signifie que le TC-160 est intrinsèquement moins sujet aux couinements de frein causés par le frottement lors du freinage, que les rotors classiques avec des ailettes en aluminium.

Comment le TC-160 se compare-t-il à Shimano ?

Samuel a effectué des tests avec des caméras thermiques. Les couleurs affichées représentent des températures relatives, non des températures absolues.

Pour les températures absolues, les paramètres doivent être ajustés pour correspondre à l'émissivité de chaque matériau afin d'obtenir la température réelle à chaque endroit. Par conséquent, les blocs de couleur actuels sont uniquement destinés à des fins d'identification visuelle.

Les rotors en deux parties avec des ailettes en aluminium (Shimano Dura-Ace comme référence) conduisent bien la chaleur, l'éloignant efficacement de la piste de freinage en acier inoxydable.

Image 3 : Imagerie thermique des rotors Dura-Ace

L'image 3 montre en effet une forte conductivité thermique. La chaleur est évacuée de la piste de freinage vers les ailettes en aluminium, comme le montrent les zones rouges.

Image 4 : Imagerie thermique des rotors TC-160.

Les ailettes en carbone du TC-160 ont effectivement une conductivité thermique inférieure à celle du rotor Dura-Ace, cependant :

1. Les rivets en acier inoxydable à la jonction entre les ailettes en carbone et la piste de freinage agissent comme une barrière thermique, limitant le transfert de chaleur vers la structure en carbone.
2. Le composite de carbone lui-même a une faible conductivité thermique et une haute résistance à la chaleur.

En bref, les ailettes en aluminium ont une bonne conductivité thermique mais sont moins rigides que la fibre de carbone.

Le TC-160 ne dissipe pas la chaleur aussi efficacement, mais la conception structurelle est basée sur une haute résistance à la chaleur plutôt que sur la conduction de chaleur, ce qui réduit le risque de déformation du rotor en maintenant une excellente rigidité à travers les ailettes.

Comment les ailettes en carbone se comportent-elles sous charge thermique ?

Image 5 : Données de température recueillies après une pente raide de 15 % et un freinage intensif.

Image 6 : Données de température recueillies 10 secondes après une pente de 15 %.

L'image 5 indique des températures élevées au niveau de la piste de freinage en acier inoxydable, tandis que les zones environnantes restent froides, comme le montre la zone bleu/vert clair après un freinage intensif dans une pente de 15 %.

L'image 6 montre que la température de la piste de freinage en acier inoxydable diminue progressivement. Pendant ce temps, la chaleur au niveau des nervures en acier inoxydable se transfère lentement aux points de rivet et se diffuse vers le haut des ailettes en fibre de carbone.

Cela indique que la chaleur élevée de la plaque de friction en acier inoxydable se propage progressivement par les nervures jusqu'au point de rivet. Par conséquent, une zone chaude verdâtre peut être observée autour du point de rivet.

Bien que la résine soit un milieu de stockage de la chaleur, la conductivité thermique axiale (valeur k) de la fibre de carbone est toujours étonnamment élevée, de sorte que des taches de couleur sont toujours observées là où la chaleur est évacuée par la fibre de carbone.

Validation par un tiers : Rapport d'essai CHC

Samuel a soumis le TC-160 à des tests indépendants via le CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), un organisme de test taïwanais accrédité par la TAF (Taiwan Accreditation Foundation). L'accréditation TAF signifie que les résultats bénéficient d'une reconnaissance internationale.

Le rapport du CHC a confirmé que le TC-160 répond aux critères de performance thermique pour les disques de frein.

Lors des tests réels sur la machine d'essai, la surface de freinage en acier inoxydable a dépassé 600 °C, tandis que la section des ailettes en carbone n'a mesuré qu'un peu plus de 100 °C dans les mêmes conditions, bien en dessous de sa limite de 350 °C.

En réalité, les vélos de route ne peuvent pas générer des températures de friction des freins à disque dépassant 600 °C, ce qui valide la robustesse de ces rotors.

La variante Aero

La version TC-160/140 Aero utilise un profil d'ailette modifié pour minimiser les perturbations du flux d'air tangentiel axial. Le compromis est une légère augmentation de la sensibilité au vent latéral par rapport au TC-160 standard. Elle convient aux vélos de route aérodynamiques dédiés et aux configurations de triathlon où ce compromis est pertinent.

Résumé

Les disques de frein en carbone ne sont pas des freins sur jante en carbone. Les disques de frein en carbone ne sont pas sensibles aux défaillances des freins sur jante en carbone en raison de la différence d'ingénierie.

La post-cuisson correcte des composites en fibre de carbone est essentielle et ajoute à la robustesse de ces rotors, de sorte que dans des conditions réelles, la défaillance du rotor TC-160 due à un époxy ramolli est tout simplement impossible, ce qui lui permet de réussir la certification CHC, accréditée par la Taiwan Accreditation Foundation.