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 en matière de faible dissipation thermique est bien établie dans le domaine des freins sur jante. Il est donc légitime de se demander s’il a sa place à proximité d’une surface de freinage. Samuel a soumis le TC-160 à des essais de certification réalisés par un organisme indépendant afin d’obtenir une réponse fondée sur des données.

L’argument des freins 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 freinage de jante en carbone défaillante.

La critique est la suivante : la fibre de carbone est un mauvais conducteur thermique et, par conséquent, lors d’un freinage prolongé, les jantes en carbone ne parviennent pas à dissiper la chaleur. Cela augmente la température de la jante et peut entraîner sa défaillance, voire l’éclatement des pneus.

Les composites en fibre de carbone sont constitués de 2 matériaux : filaments de fibre de carbone et résine époxy pour maintenir l’ensemble.

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

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

De nombreux fabricants de jantes utilisent des résines à Tg élevée, annoncées sur le papier comme résistantes jusqu’à 200-230°C, mais omettent l’étape essentielle de post-cuisson lors de la production. Sans post-cuisson appropriée (généralement 90-120 minutes à température élevée), la résine n’atteint jamais sa Tg nominale et des défaillances peuvent survenir dès 100°C.

La post-cuisson est difficilement compatible avec la cadence de production. Elle prend du temps, limite la production quotidienne et augmente les coûts.

De nombreuses marques chinoises continentales de jantes annoncent une production élevée et des prix bas. Dans bien des cas, cela s’explique simplement par l’omission totale de l’étape de post-cuisson. Sans celle-ci, il est impossible de produire une jante résistante aux hautes températures. C’est une autre raison pour laquelle l’industrie est passée des freins sur jante aux freins à disque : la recherche de roues aérodynamiquement optimisées implique de compromettre la sécurité au freinage.

Image 2 : Samuel Rotor aérodynamique avec ailettes en carbone.

Cependant, avec les freins à disque, la charge thermique appliquée à une structure en carbone est complètement différente. La surface de freinage est constituée d’un matériau distinct, généralement de l’acier inoxydable ou une combinaison acier+aluminium+acier, comme chez Shimano. Le carbone des roues ne fait plus partie du circuit thermique.

La question devient donc la suivante : comment les disques à ailettes en fibre de carbone se comportent-ils sous charge thermique ?

Mais commençons par voir en quoi le disque à ailettes en fibre de carbone TC-160 se distingue.

En quoi le TC-160 est-il différent ?

Le TC-160 utilise une résine de qualité aérospatiale, avec une post-cuisson complète, ce qui permet aux ailettes en carbone de conserver leur intégrité structurelle jusqu’à 350°C.

À titre de comparaison, les alliages d’aluminium ne présentent généralement qu’une plage de fonctionnement sûre d’environ 110-120°C.

Associé à des stratifiés en fibre de carbone de module moyen à élevé, le disque est plus rigide structurellement qu’un équivalent en aluminium, ce qui réduit le risque de voilement du disque sous l’effet de la chaleur et donc de frottement des plaquettes.

Le processus de post-cuisson dure 8-9 heures par lot. Les pièces refroidissent naturellement à l’intérieur du four afin d’éviter les contraintes internes dues à une variation rapide de température, ce qui limite la production à un cycle de four par jour et seulement deux à trois cycles par semaine.

On comprend pourquoi de nombreuses entreprises sont tentées d’omettre le processus de post-cuisson pour répondre à la demande. Samuel ne prend toutefois aucun raccourci et choisit de procéder correctement, au détriment de sa capacité de production.

Autre point que beaucoup de personnes ignorent : la fibre de carbone possède une fréquence de vibration naturelle plus élevée que le métal. Cela signifie que le TC-160 est naturellement moins sujet au crissement des freins provoqué par les frottements lors du freinage que les disques classiques à ailettes en aluminium.

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

Samuel a réalisé des essais avec des caméras thermiques. Les couleurs affichées correspondent à des températures relatives et non à des températures absolues.

Pour obtenir les températures absolues, les paramètres doivent être ajustés en fonction de l’émissivité de chaque matériau afin de déterminer la température réelle à chaque emplacement. Les plages de couleurs actuelles servent donc uniquement à l’identification visuelle.

Les disques en deux parties dotés d’ailettes en aluminium (Shimano Dura-Ace comme référence) conduisent bien la chaleur et l’évacuent efficacement de la piste de freinage en acier inoxydable.

Image 3 : Imagerie thermique des disques Dura-Ace

L’image 3 montre effectivement une forte conductivité thermique. La chaleur est évacuée de la piste de freinage vers les ailettes en aluminium, comme l’indiquent les zones rouges.

Image 4 : Imagerie thermique des disques TC-160.

Les ailettes en carbone du TC-160 présentent effectivement une conductivité thermique inférieure à celle du disque Dura-Ace. Toutefois :

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

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

Le TC-160 dissipe la chaleur moins efficacement, mais sa conception structurelle privilégie une résistance élevée à la chaleur plutôt que la conduction thermique, réduisant ainsi le risque de voilement du disque grâce au maintien d’une excellente rigidité des ailettes.

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

Image 5 : Données de température relevées après une pente à 15 % et un freinage appuyé.

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

L’image 5 indique des températures élevées au niveau de la piste de freinage en acier inoxydable, tandis que les zones environnantes restent fraîches, comme le montrent les zones bleu clair et vert clair après un freinage appuyé dans une descente à 15 %.

L’image 6 montre que la température de la piste de freinage en acier inoxydable diminue progressivement. Parallèlement, la chaleur présente dans les nervures en acier inoxydable se transfère lentement vers les points de rivetage et se diffuse jusqu’à la partie supérieure des ailettes en fibre de carbone.

Cela indique que la forte chaleur de la plaque de friction en acier inoxydable se propage progressivement à travers les nervures jusqu’au point de rivetage. Une zone chaude verdâtre apparaît donc autour du point de rivetage.

Bien que la résine soit un milieu de stockage de la chaleur, la valeur de conductivité thermique axiale (k) de la fibre de carbone reste étonnamment élevée. Des zones colorées sont donc encore visibles là où la chaleur est évacuée par la fibre de carbone.

Validation par un organisme indépendant : rapport d’essai CHC

Samuel a soumis le TC-160 à des essais indépendants auprès du CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), un organisme d’essai taïwanais bénéficiant de l’accréditation TAF (Taiwan Accreditation Foundation). L’accréditation TAF signifie que les résultats bénéficient d’une reconnaissance internationale.

Le rapport CHC a confirmé que le TC-160 respecte les critères de performance thermique applicables aux disques de frein.

Lors des essais en conditions réelles sur la machine de test, la surface de freinage en acier inoxydable a dépassé 600°C, tandis que la section à ailettes en carbone a atteint un peu plus de 100°C dans les mêmes conditions, bien en dessous de sa limite de 350°C.

En pratique, les vélos de route ne peuvent pas générer des températures de friction au niveau des disques dépassant 600°C, ce qui confirme la robustesse de ces disques.

La version aérodynamique

La version TC-160/140 Aero utilise un profil d’ailettes modifié afin de réduire les perturbations du flux d’air tangentiel axial. Le compromis est une sensibilité légèrement accrue au vent latéral par rapport au TC-160 standard. Elle convient aux vélos de route aérodynamiques dédiés et aux configurations de triathlon pour lesquelles ce compromis est pertinent.

Résumé

Les disques de frein en carbone ne sont pas des freins sur jante en carbone. Ils ne sont pas sujets aux défaillances des freins sur jante en carbone, en raison de leur conception technique différente.

La post-cuisson appropriée des composites en fibre de carbone est essentielle et renforce la robustesse de ces disques. Dans des conditions réelles, une défaillance du disque TC-160 due au ramollissement de l’époxy est donc tout simplement impossible, ce qui lui a permis de réussir la certification CHC, accréditée par la Taiwan Accreditation Foundation.