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、驚きをもって受け止められています。放熱性の悪さという素材の評判は、リムブレーキの世界ではよく知られているため、それが制動面近くにあるべきかどうかは、もっともな疑問です。Samuelは、TC-160を第三者認証試験にかけ、その疑問にデータで答えました。

カーボンリムブレーキの議論と、それがディスクローターに適用されない理由

画像1：出典: dandyhorse.cc、故障したカーボンリムブレーキトラックの画像。

批判は次のようなものです。カーボンファイバーは熱伝導性が悪いため、継続的なブレーキング下では、カーボンリムは熱を放散できず、リム温度が上昇し、リムの故障や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料は、2つの材料で構成されています。カーボンファイバーフィラメントと、それらを結合させるエポキシ樹脂です。

カーボンファイバーフィラメント自体の耐熱性が問題となることは通常ありませんが、問題となるのはエポキシ樹脂、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、200〜230℃の耐熱性を持つ高Tg樹脂を使用していますが、生産中の重要な後硬化段階を省略しています。適切な後硬化処理（通常、高温で90〜120分間）がなければ、樹脂は定格のTgに達せず、100℃という低い温度でも故障が発生する可能性があります。

後硬化は生産スループットと競合します。時間がかかり、日々の生産量を制限し、コストを増加させます。

多くの中国本土のリムブランドは、高い生産量と低価格を宣伝しています。多くの場合、その理由は単に後硬化段階が完全に省略されているためです。それがなければ、高温耐性のあるリムを製造することはできません。これは、空力的に最適化されたホイールセットを追求することがブレーキングの安全性に妥協を意味するため、業界がリムブレーキからディスクブレーキに移行したもう一つの理由です。

画像2：カーボンフィン付きエアロサムエルローター

しかし、ディスクブレーキでは、炭素構造にかかる熱負荷が全く異なります。制動面は別の素材であり、通常はステンレス鋼か、シマノのようにスチール+アルミニウム+スチールです。ホイールのカーボンはもはや熱ループに含まれていません。

では、ここで疑問が生じます。カーボンファイバー製のフィン付きローターは、熱負荷の下でどのように機能するのでしょうか？

しかし、まず、TC-160カーボンファイバー製フィン付きローターがどのように異なるのかを探ってみましょう。

TC-160はどのように違うのか？

TC-160は、航空宇宙グレードの樹脂を使用し、後硬化処理を行うことで、カーボンフィンが最大350℃まで構造的完全性を維持できるようにしています。

これに対し、アルミニウム合金の安全作動範囲は約110〜120℃です。

中〜高弾性率のカーボンファイバー積層と組み合わせることで、ローターはアルミニウム製と同等品よりも構造的に剛性が高く、熱によるローターの歪み（ブレーキの引きずりを引き起こす）のリスクを低減します。

後硬化プロセスは、バッチごとに8〜9時間かかります。急速な温度変化による内部応力を避けるため、部品は炉内で自然冷却され、これにより1日に1回の炉サイクル、週に2〜3回のサイクルに生産量が制限されます。

多くの企業が需要に対応するために後硬化プロセスを省略したくなる理由がわかるでしょう。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物事を行うことを選択しています。

多くの人が知らないもう一つの点は、カーボンファイバーは金属に比べて固有振動数が高いということです。つまり、TC-160は、通常のアルミフィン付きローターに比べて、ブレーキング時の摩擦によって引き起こされるブレーキ鳴きが本質的に少ないのです。

TC-160とシマノの比較

Samuelは熱画像カメラでテストを行いました。表示される色は相対温度であり、絶対温度ではありません。

絶対温度については、各位置の真の温度を得るために、各材料の放射率に対応するようにパラメータを調整する必要があります。したがって、現在のカラーブロックは視覚的な識別目的のみです。

アルミフィン設計の2ピースローター（参考：シマノ デュラエース）は熱伝導性が高く、ステンレス製のブレーキトラックから熱を効率的に排出します。

画像3：デュラエースローターの熱画像

画像3は確かに強い熱伝導性を示しています。赤色のハイライトで示されているように、熱はブレーキトラックからアルミニウムフィンへと伝わっています。

画像4：TC-160ローターの熱画像。

TC-160のカーボンフィンはデュラエースローターと比較して熱伝導性が低いことは確かですが、以下の点が挙げられます。

1. カーボンフィンとブレーキング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、熱がカーボン構造に伝わるのを制限します。
2. カーボン複合材自体は熱伝導性が低く、耐熱性が高いです。

要するに、アルミニウムフィンは熱伝導性は良いですが、カーボンファイバーに比べて剛性が劣ります。

TC-160は熱を効率的に放散しませんが、構造設計は熱伝導よりも高い耐熱性を中心に構築されており、フィンを通して優れた剛性を維持することで、ローターの反りのリスクを低減しています。

カーボンフィンは熱負荷の下でどのように機能するか？

画像5：15%の急勾配での強いブレーキング後の温度データ。

画像6：15%の坂道走行から10秒後に収集された温度データ。

画像5は、ステンレス製ブレーキトラックが高温であることを示しており、一方、15%の傾斜を激しくブレーキングした後でも、周囲は冷たい青/薄緑色のゾーンで示されるように、まだ低温を保っています。

画像6は、ステンレス製ブレーキトラックの温度が徐々に低下することを示しています。一方、ステンレス製リブの熱は、ゆっくりとリベットポイントに伝達され、カーボンファイバーフィンの上部へと拡散していきます。

これは、ステンレス製摩擦板の高温がリブを通ってリベットポイントに徐々に広がることを示しています。したがって、リベットポイント周辺には緑がかった暖かいパッチが見られます。

樹脂は蓄熱媒体ですが、カーボンファイバーの軸方向熱伝導率（k値）は驚くほど高いため、熱がカーボンファイバーによって引き離される部分でも色のパッチが観察されます。

第三者検証：CHCテストレポート

Samuelは、TAF（台湾認定財団）の認定を受けた台湾の試験機関であるCHC（自転車・健康技術産業研究開発センター）を通じて、TC-160の独立試験を依頼しました。TAFの認定は、結果が国際的に認められることを意味します。

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。

実世界の試験機でのテストでは、ステンレス製のブレーキング面は600℃を超えましたが、同じ条件下でのカーボンフィン部分は、その限界である350℃をはるかに下回るわずか100℃強でした。

実際には、ロードバイクでディスクブレーキの摩擦温度が600℃を超えることはなく、これらのローターの堅牢性が証明されています。

エアロバリアント

TC-160/140エアロバージョンは、軸方向の接線気流の乱れを最小限に抑えるためにフィンプロファイルを修正しています。その代償として、標準のTC-160と比較して横風感度がわずかに増加します。このトレードオフが理にかなっている専用のエアロロードバイクやトライアスロンのセットアップに適しています。

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とは異なります。カーボンディスクローターは、エンジニアリングの違いにより、カーボンリムブレーキの故障の影響を受けません。

カーボンファイバー複合材の適切な後硬化は不可欠であり、これらのローターの堅牢性を高めます。そのため、実世界の条件下では、TC-160ローターが軟化したエポキシが原因で故障することはありません。これにより、台湾認定財団の認定を受けたCHC認証に合格することができました。