Fibra de Carbono é Viável para Discos de Freio? Testes de Samuel.

Os rotores de disco de fibra de carbono chamam a atenção. A reputação desse material por dissipar mal o calor é merecida no universo dos freios de aro, portanto é justo perguntar se ele deve ficar próximo de uma superfície de frenagem. Samuel submeteu o TC-160 a testes de certificação independentes para responder a essa questão com dados.

O argumento dos freios de aro de carbono e por que ele não se aplica aos rotores de disco

Imagem 1: Fonte: dandyhorse.cc, imagem de uma pista de frenagem de aro de carbono que falhou.

A crítica é a seguinte: a fibra de carbono é um mau condutor térmico e, portanto, durante frenagens prolongadas, os aros de carbono não conseguem dissipar o calor, aumentando a temperatura do aro e podendo causar sua falha ou até estouros dos pneus.

Os compósitos de fibra de carbono são compostos por 2 materiais: filamentos de fibra de carbono e a resina epóxi que mantém tudo unido. 

A resistência ao calor dos próprios filamentos de fibra de carbono geralmente não é o problema, mas sim a resina epóxi, especificamente sua temperatura de transição vítrea (Tg).

Quando a resina atinge a Tg, ela amolece e a estrutura perde sua integridade.

Muitos fabricantes de aros usam resinas de alta Tg, classificadas no papel para 200-230°C, mas pulam a etapa crítica de pós-cura durante a produção. Sem a pós-cura adequada (normalmente 90-120 minutos em temperatura elevada), a resina nunca atinge sua Tg nominal, e falhas podem ocorrer a temperaturas tão baixas quanto 100°C.

A pós-cura entra em conflito com a produtividade. Ela consome tempo, limita a produção diária e aumenta os custos.

Muitas marcas de aros da China continental anunciam alta produção e preços baixos. Em muitos casos, o motivo é simplesmente o corte total da etapa de pós-cura. Sem ela, não é possível produzir um aro com resistência a altas temperaturas. Esse é outro motivo pelo qual o setor migrou dos freios de aro para os freios a disco, já que a busca por conjuntos de rodas aerodinamicamente otimizados significa comprometer a segurança da frenagem.

Imagem 2: Rotor Samuel Aero com aletas de carbono.

Entretanto, nos freios a disco, a carga térmica sobre uma estrutura de carbono é completamente diferente. A superfície de frenagem é feita de um material separado, normalmente aço inoxidável ou aço+alumínio+aço, como no caso da Shimano. O carbono das rodas não faz mais parte do circuito térmico.

Então, a pergunta é: como os rotores com aletas de fibra de carbono se comportam sob carga térmica?

Mas, primeiro, vamos explorar como o rotor com aletas de fibra de carbono TC-160 se diferencia.

O que diferencia o TC-160?

O TC-160 utiliza resina de especificação aeroespacial, com pós-cura completa, permitindo que as aletas de carbono mantenham sua integridade estrutural até 350°C.

Em comparação, as ligas de alumínio têm uma faixa segura de operação de aproximadamente 110-120°C.

Combinado com camadas de fibra de carbono de módulo médio a alto, o rotor é estruturalmente mais rígido que um equivalente de alumínio, reduzindo o risco de empenamento do rotor sob calor, o que causaria atrito com as pastilhas.

O processo de pós-cura dura 8-9 horas por lote. As peças esfriam naturalmente dentro do forno para evitar tensões internas causadas por mudanças bruscas de temperatura, o que limita a produção a um ciclo de forno por dia e apenas dois a três ciclos por semana.

É fácil entender por que muitas empresas são tentadas a pular o processo de pós-cura para acompanhar a demanda. A Samuel, porém, não pega atalhos e escolhe fazer as coisas da maneira correta, sacrificando sua capacidade de produção. 

Outro ponto que muitas pessoas desconhecem é que a fibra de carbono tem uma frequência de vibração natural mais alta que o metal. Isso significa que o TC-160 é inerentemente menos propenso a chiar devido ao atrito durante a frenagem do que rotores convencionais com aletas de alumínio.

Como o TC-160 se compara à Shimano? 

A Samuel realizou testes com câmeras de imagem térmica. As cores exibidas representam temperaturas relativas, não temperaturas absolutas.

Para obter temperaturas absolutas, os parâmetros devem ser ajustados de acordo com a emissividade de cada material, a fim de obter a temperatura real em cada ponto. Portanto, os blocos de cores atuais servem apenas para fins de identificação visual.

Rotores de duas peças com aletas de alumínio (Shimano Dura-Ace como referência) conduzem bem o calor, afastando-o com eficiência da pista de frenagem de aço inoxidável.

Imagem 3: Imagem térmica dos rotores Dura-Ace

A Imagem 3 realmente mostra uma forte condutividade térmica. O calor é conduzido da pista de frenagem para as aletas de alumínio, como indicado pelos destaques em vermelho.

Imagem 4: Imagem térmica dos rotores TC-160.

As aletas de carbono do TC-160 realmente têm menor condutividade térmica que o rotor Dura-Ace. No entanto:

1. Rebites de aço inoxidável na junção entre as aletas de carbono e a pista de frenagem atuam como uma barreira térmica, limitando a transferência de calor para a estrutura de carbono.
2. O próprio compósito de carbono tem baixa condutividade térmica e alta resistência ao calor.

Em resumo, as aletas de alumínio têm boa condutividade térmica, mas são menos rígidas que a fibra de carbono.

O TC-160 não dissipa o calor com a mesma eficiência, mas seu projeto estrutural é baseado em alta resistência ao calor, e não na condução térmica, reduzindo o risco de empenamento do rotor ao manter excelente rigidez por meio das aletas.

Como as aletas de carbono se comportam sob carga térmica?

Imagem 5: Dados de temperatura coletados após uma descida íngreme de 15% e frenagem intensa.

Imagem 6: Dados de temperatura coletados 10 segundos após uma descida de 15%.

A Imagem 5 indica altas temperaturas na pista de frenagem de aço inoxidável, enquanto as áreas ao redor permanecem frias, como mostra a zona azul-clara/verde-clara após uma frenagem intensa em uma descida de 15%.

A Imagem 6 mostra que a temperatura da pista de frenagem de aço inoxidável diminui gradualmente. Enquanto isso, o calor nas nervuras de aço inoxidável é transferido lentamente para os pontos de rebitagem e se difunde até a parte superior das aletas de fibra de carbono.

Isso indica que o calor elevado da placa de fricção de aço inoxidável se espalha gradualmente pelas nervuras até o ponto de rebitagem. Por isso, uma área aquecida esverdeada pode ser vista ao redor do ponto de rebitagem.

Embora a resina seja um meio de armazenamento de calor, o valor de condutividade térmica axial (k) da fibra de carbono ainda é surpreendentemente alto, portanto áreas coloridas continuam sendo observadas nos pontos em que o calor é afastado pela fibra de carbono.

Validação independente: relatório de testes da CHC

A Samuel submeteu o TC-160 a testes independentes por meio da CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), uma entidade de testes de Taiwan com acreditação da TAF (Taiwan Accreditation Foundation). A acreditação da TAF significa que os resultados têm reconhecimento internacional.

O relatório da CHC confirmou que o TC-160 atende aos parâmetros de desempenho térmico para rotores de freio a disco.

Em testes reais na máquina de ensaio, a superfície de frenagem de aço inoxidável ultrapassou 600°C, enquanto a seção das aletas de carbono registrou pouco mais de 100°C nas mesmas condições, bem abaixo de seu limite de 350°C.

Na prática, bicicletas de estrada não conseguem gerar temperaturas de fricção nos freios a disco superiores a 600°C, validando a robustez desses rotores.

A versão Aero

A versão TC-160/140 Aero utiliza um perfil de aleta modificado para minimizar a perturbação do fluxo de ar tangencial axial. A desvantagem é uma sensibilidade ligeiramente maior ao vento lateral em comparação com o TC-160 padrão. Ela é adequada para bicicletas de estrada aerodinâmicas dedicadas e configurações de triatlo nas quais essa troca faz sentido.

Resumo

Rotores de disco de carbono não são freios de aro de carbono. Rotores de disco de carbono não estão sujeitos às falhas dos freios de aro de carbono devido à diferença de engenharia.

A pós-cura adequada dos compósitos de fibra de carbono é essencial e contribui para a robustez desses rotores, de modo que, em condições reais, a falha do rotor TC-160 devido ao amolecimento do epóxi simplesmente não é possível, permitindo sua aprovação na certificação da CHC, acreditada pela Taiwan Accreditation Foundation.