Podczas projektowania nowych produktów inżynierowie mają do wyboru szeroką gamę materiałów. Prawidłowa analiza wszystkich właściwości materiału, umieszczając je w kontekście produktu końcowego lub zastosowania, jest niezwykle trudnym zadaniem. W wyborze materiału dwie właściwości termiczne odgrywają znaczącą rolę: przewodnictwo cieplne i współczynnik rozszerzalności cieplnej.
W każdym zastosowaniu termodynamicznym należy dokładnie rozważyć przewodność cieplną i współczynnik rozszerzalności cieplnej materiałów, zwłaszcza w zastosowaniach, w których te właściwości wpływają na ostateczną wydajność i żywotność. Wybór materiałów o odpowiedniej przewodności cieplnej może poprawić wydajność i wydajność. Ze względu na swoje unikalne właściwości termiczne włókna węglowe można stosować w wielu nowych obszarach zastosowań.
Przewodność cieplna
Przewodność cieplna, znana również jako dyfuzyjność cieplna, w najprostszym ujęciu jest miarą tego, jak skutecznie ciepło przepływa przez dany materiał. Materiały o prostej strukturze molekularnej mają zazwyczaj również wyższą przewodność cieplną. Gdy materiały są podgrzewane, cząsteczki zyskują energię i wibrują. Wibracja ta powoduje, że cząsteczki zderzają się z innymi cząsteczkami i przekazują im energię. Im więcej ciepła zostanie zastosowane, tym więcej wibracji i transferu energii nastąpi.
Matematyczna reprezentacja przewodnictwa cieplnego wygląda następująco:
K=Przewodność cieplna (W/(mK)) lub (Btu/(hr ft stopień F))
Q =Przenoszenie ciepła (W) lub (Btu)
d=Odległość między dwiema płaszczyznami izotermicznymi (m) lub (ft)
Powierzchnia=(m²) lub (ft²)
Delta T=Różnica temperatur (K) lub (stopnie F)
Przewodność cieplna różni się w zależności od materiałów. Ponieważ włókna węglowe występują w różnych typach, z których każdy ma swoje unikalne właściwości, różnią się one od innych materiałów, takich jak woda. Poniższa tabela przedstawia różne przewodnictwa cieplne różnych materiałów.
Producenci i badacze opracowali kompozyty z włókna węglowego o wysokiej lub niskiej przewodności cieplnej do różnych zastosowań. Metoda pomiaru przewodności cieplnej wpływa również na końcowy wynik pomiaru. Jeśli przewodność cieplna jest mierzona wzdłuż włókien, jest ona zwykle wyższa niż w przypadku pomiaru w poprzek włókien (w kierunku prostopadłym).
Włókna węglowe o wysokiej przewodności cieplnej mogą być stosowane w różnych zastosowaniach. Na przykład japońska firma opracowała włókna węglowe, aby tłumić degradację baterii w zastosowaniach mobilnych urządzeń elektronicznych. Ostateczne zastosowanie powinno określić, czy inżynierowie potrzebują włókien węglowych o niskiej czy wysokiej przewodności cieplnej.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej
Inną kluczową właściwością termodynamiczną, którą powinni wziąć pod uwagę inżynierowie, jest współczynnik rozszerzalności cieplnej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest miarą tego, jak zmieniają się wymiary obiektu, gdy jest on wystawiony na zmiany temperatury. Istnieją trzy rodzaje współczynników rozszerzalności cieplnej: objętościowy, powierzchniowy i liniowy.
Ponieważ włókna węglowe w większości zastosowań są zwykle lite, inżynierowie powinni skupić się przede wszystkim na współczynnikach rozszerzalności cieplnej powierzchniowej i liniowej.
Matematyczna reprezentacja liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej jest następująca:
alfa=Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej (K^{-1} lub 1/K) lub ( stopień F^{-1} lub 1/ stopień F)
L={Oryginalna długość (m) lub (ft)
Delta L=Zmiana długości (m) lub (ft)
Delta T=Zmiana temperatury (K) lub (stopnie F)
Matematyczne przedstawienie współczynnika rozszerzalności cieplnej powierzchni jest następujące:
alfa=Współczynnik rozszerzalności cieplnej powierzchni (K^{-1} lub 1/K) lub ( stopień F^{-1} lub 1/ stopień F)
= {Oryginalna powierzchnia (m²) lub (ft²)
delta A={Zmiana powierzchni (m²) lub (ft²)
delta T=Zmiana temperatury (K) lub (stopnie F)
Podobnie jak przewodnictwo cieplne, współczynnik rozszerzalności cieplnej włókien węglowych może się również znacznie różnić. Współczynnik ten w dużej mierze zależy od kierunku włókien węglowych w matrycy. Typowy zakres współczynnika rozszerzalności cieplnej wynosi od -1 K^{-1} do +8 K^{-1}. Poniższa tabela przedstawia różne współczynniki rozszerzalności cieplnej dla różnych materiałów.
Włókna węglowe mają ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej. Gdy materiał jest podgrzewany, kurczy się. Atomy włókien węglowych są zazwyczaj zamocowane wzdłuż osi x i y. Planarne wiązania mocujące włókna wzdłuż osi x i y są wiązaniami kowalencyjnymi. Sprawia to, że kierunek z nie jest zamocowany i utrzymywany razem przez słabsze siły van der Waalsa.
Gdy włókna węglowe są podgrzewane, atomy zaczynają wibrować, głównie w kierunku z. Gdy to następuje, wibrujące atomy ciągną sąsiednie atomy. Całe zjawisko powoduje, że atomy wiążą się ze sobą mocniej i kurczą materiał w kierunkach x i y. Gdy wzrasta temperatura i atomy zaczynają wibrować, materiał nadal się kurczy.
W niektórych zastosowaniach ujemna rozszerzalność cieplna może dawać interesujące rezultaty. Włókna węglowe można łączyć z matrycą żywiczną o dodatnim współczynniku rozszerzalności cieplnej, gdzie współczynnik rozszerzalności cieplnej powstałej matrycy jest bliski zeru. Może to mieć kluczowe znaczenie dla niektórych małych urządzeń, takich jak sprzęt pomiarowy.