カーボンファイバーはディスクブレーキローターに使えるか？サムエルがテスト。

カーボンファイバー製ディスクローターは、しばしば疑問視されます。リムブレーキの世界で、熱放散性が低いというカーボンの評判には十分な根拠があるため、ブレーキ面の近くにカーボンを使用して問題ないのかと考えるのは当然です。Samuelは、その答えをデータで示すため、TC-160を第三者認証試験にかけました。

カーボンリムブレーキの問題と、それがディスクローターには当てはまらない理由

画像1：出典：dandyhorse.cc、破損したカーボン製リムブレーキトラックの画像。

批判の内容は次のとおりです。カーボンファイバーは熱伝導性が低いため、長時間のブレーキングではカーボンリムが熱を放散できず、リム温度が上昇し、リムの破損や、場合によってはタイヤのバーストにつながる可能性があります。

カーボンファイバー複合材は、2つの材料で構成されています。1つはカーボンファイバーのフィラメント、もう1つはそれらを一体化するエポキシ樹脂です。

通常、問題になるのはカーボンファイバーのフィラメント自体の耐熱性ではなく、エポキシ樹脂、特にそのガラス転移温度（Tg）です。

樹脂がTgに達すると軟化し、構造の完全性が失われます。

多くのリムメーカーは、仕様上は200-230°Cに対応する高Tg樹脂を使用していますが、製造時に重要なポストキュア工程を省略しています。適切なポストキュアを行わない場合（通常は高温で90-120分）、樹脂は規定のTgに達せず、100°Cという低い温度でも破損が発生する可能性があります。

ポストキュアは生産効率と相反します。時間がかかり、1日の生産量を制限し、コストも増加させます。

中国本土の多くのリムブランドは、高い生産量と低価格をうたっています。その理由は、単純にポストキュア工程を完全に省略している場合が少なくありません。ポストキュアを行わなければ、高温耐性の高いリムを製造することはできません。エアロダイナミクスを最適化したホイールセットを追求する中で、ブレーキの安全性を犠牲にすることになったことも、業界がリムブレーキからディスクブレーキへ移行した理由の一つです。

画像2：カーボンフィンを備えたAero Samuel Rotor。

しかし、ディスクブレーキでは、カーボン構造体にかかる熱負荷がまったく異なります。ブレーキ面は別素材で構成され、通常はステンレススチール、またはShimanoが採用するようなスチール+アルミニウム+スチール構造です。ホイールのカーボンは、もはや熱伝導経路に含まれません。

では、カーボンファイバー製フィン付きローターは、熱負荷の下でどのような性能を発揮するのでしょうか。

その前に、TC-160カーボンファイバー製フィン付きローターの特徴を見てみましょう。

TC-160の違いとは？

TC-160は、ポストキュアを施した航空宇宙グレードの樹脂を使用しており、カーボンフィンは350°Cまで構造の完全性を維持できます。

一方、アルミニウム合金の安全な使用温度範囲は、およそ110-120°Cにすぎません。

中弾性率から高弾性率のカーボンファイバー積層構成と組み合わせることで、このローターはアルミニウム製と同等のローターより構造的に高剛性となり、熱によるローターの反りと、それに伴うブレーキの擦れのリスクを低減します。

ポストキュア工程は、1バッチあたり8-9時間行われます生産量は1日あたり1回のオーブンサイクル、週あたりわずか2～3サイクルに制限されます。

需要に対応するため、多くの企業がポストキュア工程を省略したくなる理由がおわかりいただけるでしょう。しかしSamuelは近道を選ばず、生産能力を犠牲にしてでも、正しい方法で製造することを選んでいます。

あまり知られていないもう一つの点は、カーボンファイバーは金属よりも固有振動数が高いということです。つまり、TC-160は本質的にブレーキ鳴きが発生しにくい構造です。これは、ブレーキング時の摩擦によって発生するブレーキ鳴きが、アルミニウムフィンを備えた通常のローターよりも少ないことを意味します。

TC-160とShimanoの比較

Samuelはサーモグラフィーカメラを使用して試験を行いました。表示されている色は絶対温度ではなく、相対温度を示しています。

絶対温度を測定するには、各素材の放射率に合わせてパラメーターを調整し、それぞれの場所の実際の温度を取得する必要があります。そのため、現在表示されている色分布は視覚的な識別のみを目的としています。

アルミニウムフィンを備えた2ピースローター（基準としてShimano Dura-Ace）は熱伝導性に優れ、ステンレススチール製のブレーキトラックから効率的に熱を逃がします。

画像3：Dura-Aceローターのサーモグラフィー画像

画像3は、確かに高い熱伝導性を示しています。赤く表示された部分からわかるように、ブレーキトラックからアルミニウムフィンへ熱が移動しています。

画像4：TC-160ローターのサーモグラフィー画像。

TC-160のカーボンフィンは、確かにDura-Aceローターより熱伝導性が低くなっています。しかし、次の点が重要です。

1. カーボンフィンとブレーキトラックの接合部にあるステンレススチール製リベットが熱障壁として機能し、カーボン構造体への熱伝達を制限します。
2. カーボン複合材自体が低い熱伝導性と高い耐熱性を備えています。

要するに、アルミニウムフィンは熱伝導性に優れる一方、カーボンファイバーより剛性が低くなります。

TC-160は熱を効率的に放散する設計ではありませんが、フィン全体で優れた剛性を維持することにより、熱伝導ではなく高い耐熱性を重視した構造となっており、ローターの反りのリスクを低減します。

カーボンフィンは熱負荷の下でどのように機能するのか？

画像5：15%の急勾配を走行し、強いブレーキングを行った後に収集した温度データ。

画像6：15%の勾配を走行して10秒後に収集した温度データ。

画像5は、ステンレススチール製ブレーキトラックが高温になっている一方、周囲の領域は依然として低温に保たれていることを示しています。15%の下り勾配で強いブレーキングを行った後も、冷たい青色／薄緑色の領域として確認できます。

画像6は、ステンレススチール製ブレーキトラックの温度が徐々に低下していることを示しています。一方、ステンレススチール製リブの熱は、ゆっくりとリベットの接合部へ移動し、カーボンファイバーフィンの上部へ拡散しています。

これは、ステンレススチール製摩擦プレートの高熱がリブを通ってリベット接合部へ徐々に広がっていることを示しています。そのため、リベット接合部の周囲に緑がかった暖色の領域が見られます。

樹脂は熱を蓄える媒体ですが、カーボンファイバーの軸方向熱伝導率（k）値は依然として驚くほど高いため、カーボンファイバーによって熱が逃がされる部分には色の変化が確認されます。

第三者による検証：CHC試験報告書

Samuelは、TAF（Taiwan Accreditation Foundation）の認定を受けた台湾の試験機関、CHC（Cycling and Health Tech Industry R&D Center）を通じて、TC-160を独立試験に提出しました。TAF認定を受けた試験結果は、国際的に認められます。

CHCの報告書は、TC-160がディスクブレーキローターの熱性能基準を満たしていることを確認しました。

試験機で実施した実走相当試験では、ステンレススチール製ブレーキ面が600°Cを超えた一方、同じ条件下でカーボンフィン部分はわずか100°C強にとどまり、350°Cの限界値を大きく下回りました。

実際には、ロードバイクがディスクブレーキの摩擦によって600°Cを超える温度を発生させることはできないため、これらのローターの堅牢性が裏付けられています。

Aeroバリアント

TC-160/140 Aeroバージョンは、軸方向の接線流による空気の乱れを最小限に抑えるため、フィン形状を変更しています。その代償として、標準のTC-160と比べて横風の影響をやや受けやすくなっています。このトレードオフが適している専用エアロロードバイクやトライアスロン仕様に適しています。

まとめ

カーボンディスクローターは、カーボンリムブレーキではありません。設計上の違いにより、カーボンディスクローターはカーボンリムブレーキで発生するような破損の影響を受けません。

カーボンファイバー複合材を適切にポストキュアすることは不可欠であり、これによってローターの堅牢性が高まります。そのため、実走条件では軟化したエポキシ樹脂が原因でTC-160 ローターが破損することは事実上不可能であり、Taiwan Accreditation Foundationの認定を受けたCHC認証試験にも合格しています。