Розробляючи нові продукти, інженери мають на вибір широкий вибір матеріалів. Правильний аналіз усіх властивостей матеріалів, поміщаючи їх у контекст кінцевого продукту чи застосування, є надзвичайно складним завданням. При виборі матеріалу важливу роль відіграють дві теплові властивості: теплопровідність і коефіцієнт теплового розширення.
У будь-якому термодинамічному застосуванні необхідно ретельно враховувати теплопровідність і коефіцієнт теплового розширення матеріалів, особливо в тих випадках, коли ці властивості впливають на кінцеву продуктивність і термін служби. Вибір матеріалів з відповідною теплопровідністю може підвищити ефективність і продуктивність. Завдяки своїм унікальним тепловим властивостям вуглецеві волокна можна використовувати в багатьох нових сферах застосування.
Теплопровідність
Теплопровідність, також відома як теплопровідність, найпростішими словами, є мірою того, наскільки ефективно тепло проходить через даний матеріал. Матеріали з простою молекулярною структурою зазвичай також мають вищу теплопровідність. Коли матеріали нагріваються, частинки набувають енергії та вібрують. Ця вібрація змушує молекули стикатися з іншими частинками та передавати їм енергію. Чим більше нагрівання, тим більше відбувається вібрація та передача енергії.
Математичне представлення теплопровідності таке:
К=Теплопровідність (Вт/(мК)) або (Btu/(год фут градус F))
Q =Теплопередача (Вт) або (Btu)
d=Відстань між двома ізотермічними площинами (м) або (фути)
A=Площа поверхні (м²) або (фут²)
Дельта T=Різниця температур (K) або (градус F)
Теплопровідність залежить від матеріалу. Оскільки вуглецеві волокна бувають різних типів, кожне зі своїми унікальними властивостями, вони відрізняються від інших матеріалів, таких як вода. У таблиці нижче показано різну теплопровідність різних матеріалів.
Виробники та дослідники розробили композити з вуглецевого волокна з високою або низькою теплопровідністю для різних застосувань. Спосіб вимірювання теплопровідності також впливає на кінцевий результат вимірювання. Якщо теплопровідність вимірюється вздовж волокон, вона зазвичай вища, ніж при вимірюванні поперек волокон (перпендикулярний напрямок).
Вуглецеві волокна з високою теплопровідністю можуть бути використані в різних сферах застосування. Наприклад, японська компанія розробила вуглецеві волокна для запобігання розрядці акумулятора в мобільних додатках для електронних пристроїв. Остаточне застосування повинно визначити, чи потрібні інженерам вуглецеві волокна з низькою або високою теплопровідністю.
Коефіцієнт теплового розширення
Ще одна ключова термодинамічна властивість, яку інженери повинні враховувати, це коефіцієнт теплового розширення. Коефіцієнт теплового розширення - це міра того, як змінюються розміри об'єкта під впливом температурних змін. Коефіцієнт теплового розширення буває трьох видів: об'ємний, площинний і лінійний.
Оскільки вуглецеві волокна, як правило, тверді в більшості випадків, інженерам слід зосередитися на площинному та лінійному коефіцієнтах теплового розширення.
Математичне представлення лінійного коефіцієнта теплового розширення виглядає наступним чином:
alpha=Лінійний коефіцієнт теплового розширення (K^{-1} або 1/K) або (градус F^{-1} або 1/ градус F)
L={Початкова довжина (м) або (фути)
Дельта L=Зміна довжини (м) або (фути)
Дельта T=Зміна температури (K) або (градус F)
Математичне представлення площевого коефіцієнта теплового розширення виглядає наступним чином:
alpha=Коефіцієнт термічного розширення (K^{-1} або 1/K) або (градус F^{-1} або 1/ градус F)
A={Оригінальна площа (м²) або (фут²)
delta A={Зміна площі (м²) або (фут²)
delta T=Зміна температури (K) або (градус F)
Як і теплопровідність, коефіцієнт теплового розширення вуглецевих волокон також може сильно відрізнятися. Цей коефіцієнт багато в чому залежить від напрямку вуглецевих волокон в матриці. Типовий діапазон коефіцієнта теплового розширення становить від -1 K^{-1} до +8 K^{-1}. У таблиці нижче показано різні коефіцієнти теплового розширення для різних матеріалів.
Вуглецеві волокна мають негативний коефіцієнт теплового розширення. При нагріванні матеріал стискається. Атоми вуглецевого волокна зазвичай закріплені вздовж осей x і y. Площинні зв’язки, які фіксують волокна вздовж осей x і y, є ковалентними зв’язками. Це робить напрямок z нефіксованим і утримується слабшими силами Ван-дер-Ваальса.
Коли вуглецеві волокна нагріваються, атоми починають вібрувати, переважно в напрямку z. Коли це відбувається, вібруючі атоми притягують сусідні атоми. Усе явище змушує атоми міцніше зв’язуватися разом і стискати матеріал у напрямках x і y. У міру збільшення тепла і коливання атомів матеріал продовжує стискатися.
У деяких застосуваннях властивість негативного теплового розширення може дати деякі цікаві результати. Вуглецеві волокна можна комбінувати з полімерною матрицею, яка має позитивний коефіцієнт теплового розширення, де коефіцієнт теплового розширення отриманої матриці близький до нуля. Це може бути вирішальним для деяких невеликих пристроїв, таких як вимірювальне обладнання.