Frenos carbocerámicos: ¿qué los hace superiores al resto?

El comienzo de esta tecnología se encuentra en el mundo aeroespacial, donde a mediados de los 70 los avances del sector hacían necesario una tecnología de frenado más efectiva. Así es como los ingenieros del legendario Concorde diseñaron y equiparon al avión con unos frenos de carbono en el año 1976. Los beneficios enseguida se hicieron patentes: un menor peso, fricción reducida y, sobre todo, un gran rendimiento. Pasaron los años y, en 1979, se les dio uso por primera vez en un coche, concretamente el equipo Brabham de Fórmula 1 con el ingeniero Gordon Murray a la cabeza. El monoplaza que equipó por primera vez esta tecnología fue el BT49 que compitió entre las temporadas de 1979 a 1982 y con el que Nelson Piquet logró el primero de sus tres campeonatos del mundo.

Estos frenos no eran todavía como los que conocemos hoy día, sino que se trataba de frenos hechos íntegramente de carbono. Era una tecnología muy avanzada, no en vano, el transbordador espacial ha utilizado este material como sistema de protección térmica para la reentrada en la atmósfera. Estos frenos consistían en un núcleo de grafito reforzado internamente mediante hebras o fibras de carbono para aportar rigidez. Ello les otorgaba una gran resistencia a la temperatura, sin embargo, existían ciertas pegas que hacían muy difícil su traslado al mundo cotidiano. Su eficacia se volvía prácticamente nula al trabajar en condiciones de baja temperatura o en mojado y su precio era desorbitado para la época. Además, se descubrió que con el paso del tiempo la matriz de carbono se oxidaba, lo que echaba a perder sus propiedades.

Había que encontrar algún material que aglutinara las propiedades que otorgaba el carbono pero que no reaccionara con el oxígeno tal y como ocurría con éste. Es entonces cuando entró en juego la cerámica. Los materiales cerámicos son compuestos térreos que se caracterizan por poseer una alta resistencia a las temperaturas y ser químicamente inertes, es decir, no reaccionan con otros elementos, por lo que no son combustibles ni oxidables.

Los ingenieros sustituyeron entonces el núcleo de grafito por uno de carburo de silicio –material cerámico–, y crearon así los primeros frenos carbocerámicos, desarrollados por la empresa SAB WABCO y que fueron destinados al sector del ferrocarril en 1989, el cual buscaba una reducción del peso en sus sistemas de frenada. Como resultado, estos todavía resistían las altas temperaturas y además permitían un funcionamiento en un rango de temperaturas más amplio, así como una vida útil mayor. Ello los hacía óptimos para el cometido de adaptarse a su comercialización. Es de estos frenos desde donde desciende la tecnología que conocemos en los deportivos de altos vuelos de hoy en día.

Muestra de carburo de silicio, el material base de los frenos carbocerámicos

FRENOS CARBOCERÁMICOS EN EL AUTOMÓVIL

No fue sin embargo hasta mediados de 1997 cuando SGL Carbon y Brembo se dispusieron a desarrollar esta tecnología para los coches de calle. Recordar que los frenos de disco consisten en un disco solidario al eje del vehículo sobre el que se aplica una fuerza mediante una pastilla, lo que genera una fuerza de fricción sobre el mismo que contribuye a disminuir la velocidad y genera gran cantidad de calor –no se va a entrar en detalles sobre los frenos de tambor ni en sus tipos, sean ventilados o perforados–.

Hasta entonces, los discos de freno conocidos se habían fabricado de fundición o de acero, mientras que las pastillas originariamente contenían amianto, que debió sustituirse por otros componentes durante la década de los 90 después de demostrarse su toxicidad. En 1999, SGL Carbon y Porsche anuncian conjuntamente los primeros frenos carbocerámicos diseñados para un automóvil en el Salón de Fráncfort, que se montaron por primera vez en un modelo de calle con la llegada del 911 GT2 996 en el año 2001. Estos contaban con el mencionado núcleo cerámico reforzado con fibra de carbono, al que además se le añadían dos capas cerámicas tanto en la superficie del disco como en la pastilla para reducir el desgaste. Ésta es la principal diferencia con el otro tipo de frenos cerámicos existente que llegó al mercado en 2002 de la mano del Ferrari Enzo, de fabricación más tradicional y que no cuentan con esas capas cerámicas extra. Desde entonces, esta tecnología se asentó cada vez más entre los modelos de altas prestaciones.

Cabe destacar que entre los dos tipos de frenos carbocerámicos hay una clara tendencia entre marcas:

• CCB, o frenos carbocerámicos con capa extra: usados por las marcas alemanas y del Grupo VAG –AMG, Bentley, Porsche, Audi, Lamborghini, Bugatti…–.
• CCM, o frenos de material cerámico: utilizados por el resto, primordialmente por las marcas italianas –Ferrari, Maserati, Pagani, Alfa Romeo, Chevrolet, McLaren, Lexus…–.

No es tan sencillo distinguir unos frenos convencionales de otros cerámicos a simple vista. Si uno se acerca lo suficiente, se puede contemplar la presencia de las fibras de carbono alrededor del disco, pero se hace aún más difícil si esos discos ya tienen cierto rodaje. Por tanto, los fabricantes tienden a decorar las pinzas de estos coches con llamativos colores que, de paso, proporcionan una presencia aún más poderosa.

En el caso de los Fórmula 1, no equipan frenos carbocerámicos. Sus sistemas de frenado son de puro carbono, al igual que lo fue el Brabham de 1980. ¿Por qué? Porque estos coches están diseñados para buscar el máximo rendimiento, es decir, siempre a altas temperaturas. Sin embargo, la razón de mayor peso es que están limitados por el reglamento. La composición de estos discos ofrece un rango de trabajo más limitado, pero en él sus prestaciones son estratosféricas. De todos modos, la tecnología se ha expandido de manera exponencial, por lo que poco tienen que ver los frenos actuales con los de aquel Brabham pionero.

¿CÓMO ESTÁN FABRICADOS Y QUÉ DIFERENCIA HAY CON LOS DE HIERRO CONVENCIONALES?

Ya se ha mencionado que en lo que concierne al disco, está fabricado mediante un material compuesto de cerámica –carburo de silicio– reforzado con fibras de carbono al que se le añade una capa externa más de cerámica según el fabricante. Pero las pastillas de freno son un elemento igual de importante en el sistema de frenado y que se debe tener muy en cuenta a la hora de montar en unos frenos carbocerámicos.

Desde que se eliminó el amianto existen tres tipos de pastillas: metálicas o semi-metálicas, orgánicas y cerámicas. Las primeras tienen mejor funcionamiento en cualquier tipo de condiciones y son más sencillas de fabricar pero desprenden mucho más calor que cualquier otra. Las pastillas cerámicas, por su parte, minimizan ese problema y evitan que así se pierda potencia de frenado, sin embargo generan mucho desgaste en el disco por su superficie abrasiva.

La solución, y la que utilizan generalmente los fabricantes, son las pastillas de material orgánico, como el grafito o distintas resinas, diseñadas específicamente para su uso en automoción deportiva con frenos cerámicos de cara a minimizar algunas de sus pegas como la disminución del rendimiento a altas temperaturas. A cambio, ofrecen un amplio margen de trabajo y no generan tanto desgaste en los discos.

Comportamiento de distintas pastillas de freno según temperatura - Imagen de Kashima University

Pero, ¿qué ventajas tangibles ofrecen frente a unos discos de hierro convencionales? En definitiva, los frenos carbocerámicos ofrecen unas mejoras de prestaciones en condiciones en las que unos convencionales comienzan a dar fallos. Los más comunes son los siguientes:

• Alabeo: ocurre al exigir mucha potencia de frenado. El disco se sobrecalienta y se deforma, lo que produce una disminución permanente de la potencia de frenada. El conductor lo percibe al notar vibraciones a través del pedal a la hora de accionarlo. Los carbocerámicos evitan este hecho al poder funcionar a temperaturas mayores.
• Cristalización: se dice que las pastillas se cristalizan cuando el material que las constituye se descompone y crea una capa en la superficie que disminuye el rozamiento. Esto ocurre por un uso continuado y exigente de los frenos si no se los deja enfriar y produce el conocido efecto 'fading', cuando el conductor nota que la potencia de deceleración ya no es la misma.
• Rotura: la aparición de grietas y resquebrajaduras también es posible si se somete al disco a una subida de temperatura súbita o, lo que es lo mismo, por choque térmico.

Los frenos carbocerámicos, además, son más 'estéticos', pues no desprenden tantas partículas como los frenos tradicionales a la hora de llevar a cabo una conducción deportiva, lo que preserva el lustre de las llantas.

Tras esta tabla cabe aclarar que los frenos carbocerámicos no son indestructibles ni mucho menos. La vida media útil mostrada en ella es orientativa y se ha tenido en cuenta al practicar una conducción diaria y un uso moderado, sin someterse a los esfuerzos de, por ejemplo, un 'track day'. Es por ello que, si se acude con asiduidad a estas jornadas, se deba sustituir estos frenos con el paso del tiempo.

Es más, el desarrollo de las tecnologías para los frenos de acero tradicionales ha dado como fruto sistemas muy cercanos en rendimiento a la tecnología carbocerámica y a un precio bastante más contenido, pues actualmente, un sistema de frenos carbocerámicos puede suponer un sobrecoste de alrededor de 10.000 euros según fabricante.

¿QUÉ DEPARA EL FUTURO PARA ESTA TECNOLOGÍA?

Parece inevitable que el futuro de los frenos pase por la conocida tecnología 'Brake-by-wire', en la que no hay una conexión física entre el pedal de freno y disco, sino que un actuador recibe la señal de nuestro pie y aplica la fuerza necesaria a través de la pastilla, sea el freno de acero, hierro o cerámico. Esto se traducirá en un mayor confort para el conductor y una respuesta mucho más viva, lo que mejorará también la seguridad.

En lo que concierne a la tecnología cerámica, algunos fabricantes estudian la implementación del refuerzo de la matriz cerámica con fibras de carbono continuas. Hasta ahora, el refuerzo de fibras se encuentra distribuido de manera discontinua y al azar dentro de la matriz cerámica. Lo que se pretende es dar una longitud y orientación específica a estas fibras para que actúen con la mayor eficacia ante el esfuerzo de frenado. Con ello se lograría un producto más resistente y duradero, hasta tres veces más efectivo a la hora de dispersar el calor e incluso con un peso aún más contenido.

Detalle de los frenos PCCB de Porsche