Atunci când proiectează produse noi, inginerii au la dispoziție o mare varietate de materiale din care să aleagă. Analizarea corectă a tuturor proprietăților materialelor în timp ce le plasați în contextul produsului sau al aplicației finale este o sarcină extrem de dificilă. În selecția materialului, două proprietăți termice joacă un rol semnificativ: conductivitatea termică și coeficientul de dilatare termică.
În orice aplicație termodinamică, conductivitatea termică și coeficientul de dilatare termică a materialelor trebuie luate în considerare cu atenție, în special în aplicațiile în care aceste proprietăți afectează performanța finală și durata de viață. Alegerea materialelor cu conductivitate termică adecvată poate îmbunătăți eficiența și performanța. Datorită proprietăților lor termice unice, fibrele de carbon pot fi utilizate în multe domenii noi de aplicare.
Conductivitate termică
Conductivitatea termică, cunoscută și sub numele de difuzivitate termică, în cei mai simpli termeni, este o măsură a cât de eficient curge căldura printr-un anumit material. Materialele cu o structură moleculară simplă au, de obicei, și o conductivitate termică mai mare. Când materialele sunt încălzite, particulele câștigă energie și vibrează. Această vibrație face ca moleculele să se ciocnească cu alte particule și să le transfere energie. Cu cât se aplică mai multă căldură, cu atât se produc mai multe vibrații și transfer de energie.
Reprezentarea matematică a conductibilității termice este următoarea:
K=Conductivitate termică (W/(mK)) sau (Btu/(hr ft grad F))
Q =Transfer de căldură (W) sau (Btu)
d=Distanța dintre două plane izoterme (m) sau (ft)
A=Suprafață (m²) sau (ft²)
Delta T=Diferență de temperatură (K) sau (grad F)
Conductivitatea termică variază în funcție de materiale. Deoarece fibrele de carbon vin în diferite tipuri, fiecare cu proprietățile sale unice, ele diferă de alte materiale precum apa. Tabelul de mai jos prezintă diferitele conductivitati termice ale diferitelor materiale.
Producătorii și cercetătorii au dezvoltat compozite din fibră de carbon cu conductivitate termică ridicată sau scăzută pentru diferite aplicații. Metoda de măsurare a conductibilității termice afectează și rezultatul final al măsurării. Dacă conductivitatea termică este măsurată de-a lungul fibrelor, este de obicei mai mare decât atunci când este măsurată peste fibre (direcție perpendiculară).
Fibrele de carbon cu conductivitate termică ridicată pot fi utilizate în diverse aplicații. De exemplu, o companie japoneză a dezvoltat fibre de carbon pentru a suprima degradarea bateriei în aplicațiile mobile pentru dispozitive electronice. Aplicația finală ar trebui să determine dacă inginerii au nevoie de fibre de carbon cu conductivitate termică scăzută sau ridicată.
Coeficientul de dilatare termică
O altă proprietate termodinamică cheie pe care inginerii ar trebui să o ia în considerare este coeficientul de dilatare termică. Coeficientul de dilatare termică este o măsură a modului în care dimensiunile unui obiect se modifică atunci când este expus la schimbări de temperatură. Există trei tipuri de coeficienți de dilatare termică: volumetrici, arii și liniari.
Deoarece fibrele de carbon sunt de obicei solide în majoritatea aplicațiilor, inginerii ar trebui să se concentreze cel mai mult pe coeficienții ariali și liniari ai expansiunii termice.
Reprezentarea matematică a coeficientului liniar de dilatare termică este următoarea:
alfa=Coeficient liniar de dilatare termică (K^{-1} sau 1/K) sau (grad F^{-1} sau 1/grad F)
L={Lungime originală (m) sau (ft)
Delta L=Modificarea lungimii (m) sau (ft)
Delta T=Modificarea temperaturii (K) sau (grad F)
Reprezentarea matematică a coeficientului areal de dilatare termică este următoarea:
alfa=Coeficientul suprafeței de dilatare termică (K^{{-1} sau 1/K) sau (grad F^{-1} sau 1/grad F)
A={Zona originală (m²) sau (ft²)
delta A={Schimbarea suprafeței (m²) sau (ft²)
delta T=Schimbarea temperaturii (K) sau (grad F)
La fel ca conductivitatea termică, coeficientul de dilatare termică al fibrelor de carbon poate varia foarte mult. Acest coeficient depinde în mare măsură de direcția fibrelor de carbon din matrice. Intervalul tipic al coeficientului de dilatare termică este între -1 K^{-1} și +8 K^{-1}. Tabelul de mai jos prezintă diferiții coeficienți de dilatare termică pentru diferite materiale.
Fibrele de carbon au un coeficient negativ de dilatare termică. Când materialul este încălzit, se contractă. Atomii din fibră de carbon sunt fixați de obicei de-a lungul axelor x și y. Legăturile plane care fixează fibrele de-a lungul axelor x și y sunt legături covalente. Acest lucru face ca direcția z să nu fie fixată și ținută împreună de forțele van der Waals mai slabe.
Când fibrele de carbon sunt încălzite, atomii încep să vibreze, în principal în direcția z. Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, atomii care vibrează trag de atomii adiacenți. Întregul fenomen face ca atomii să se lege mai strâns împreună și să contracteze materialul în direcțiile x și y. Pe măsură ce căldura crește și atomii încep să vibreze, materialul continuă să se contracte.
În unele aplicații, proprietatea negativă de dilatare termică poate produce unele rezultate interesante. Fibrele de carbon pot fi combinate cu o matrice de rășină care are un coeficient pozitiv de dilatare termică, unde coeficientul de dilatare termică al matricei rezultate este aproape de zero. Acest lucru poate fi crucial pentru unele dispozitive mici, cum ar fi echipamentele de măsurare.