Когато проектират нови продукти, инженерите разполагат с голямо разнообразие от материали, от които да избират. Правилният анализ на всички свойства на материала, като същевременно се поставят в контекста на крайния продукт или приложение, е изключително трудна задача. При избора на материал две топлинни свойства играят важна роля: топлопроводимостта и коефициентът на топлинно разширение.
При всяко термодинамично приложение топлопроводимостта и коефициентът на топлинно разширение на материалите трябва да бъдат внимателно обмислени, особено в приложения, където тези свойства влияят на крайната производителност и експлоатационния живот. Изборът на материали с подходяща топлопроводимост може да подобри ефективността и производителността. Благодарение на техните уникални топлинни свойства, въглеродните влакна могат да се използват в много нови области на приложение.
Топлопроводимост
Топлинната проводимост, известна още като коефициент на топлинна дифузия, най-просто казано, е мярка за това колко ефективно топлината преминава през даден материал. Материалите с проста молекулярна структура обикновено имат и по-висока топлопроводимост. Когато материалите се нагряват, частиците получават енергия и вибрират. Тази вибрация кара молекулите да се сблъскват с други частици и да им предават енергия. Колкото повече топлина се прилага, толкова повече вибрации и трансфер на енергия се получават.
Математическото представяне на топлопроводимостта е както следва:
K=Топлопроводимост (W/(mK)) или (Btu/(hr ft градус F))
Q =Топлопредаване (W) или (Btu)
d=Разстояние между две изотермични равнини (m) или (ft)
A=Повърхностна площ (m²) или (ft²)
Делта T=Температурна разлика (K) или (градус F)
Топлинната проводимост варира в зависимост от материала. Тъй като въглеродните влакна се предлагат в различни видове, всяко със своите уникални свойства, те се различават от други материали като водата. Таблицата по-долу показва различната топлопроводимост на различните материали.
Производители и изследователи са разработили композити от въглеродни влакна с висока или ниска топлопроводимост за различни приложения. Методът за измерване на топлопроводимостта също влияе върху крайния резултат от измерването. Ако топлопроводимостта се измерва по дължината на влакната, тя обикновено е по-висока, отколкото когато се измерва напречно на влакната (перпендикулярна посока).
Въглеродни влакна с висока топлопроводимост могат да се използват в различни приложения. Например, японска компания е разработила въглеродни влакна за потискане на разграждането на батерията в мобилни приложения за електронни устройства. Крайното приложение трябва да определи дали инженерите се нуждаят от въглеродни влакна с ниска или висока топлопроводимост.
Коефициент на топлинно разширение
Друго ключово термодинамично свойство, което инженерите трябва да вземат предвид, е коефициентът на топлинно разширение. Коефициентът на топлинно разширение е мярка за това как се променят размерите на даден обект, когато е изложен на температурни промени. Има три вида коефициенти на топлинно разширение: обемни, ареални и линейни.
Тъй като въглеродните влакна обикновено са твърди в повечето приложения, инженерите трябва да се съсредоточат най-вече върху площните и линейните коефициенти на топлинно разширение.
Математическото представяне на линейния коефициент на топлинно разширение е както следва:
алфа=Линеен коефициент на топлинно разширение (K^{-1} или 1/K) или (градус F^{-1} или 1/ градус F)
L={Оригинална дължина (m) или (ft)
Delta L=Промяна на дължината (m) или (ft)
Delta T=Температурна промяна (K) или (градус F)
Математическото представяне на площния коефициент на топлинно разширение е както следва:
алфа=Коефициент на площно разширение (K^{-1} или 1/K) или (градус F^{-1} или 1/ градус F)
A={Оригинална площ (m²) или (ft²)
делта A={Промяна на площта (m²) или (ft²)
делта T=Температурна промяна (K) или (градус F)
Подобно на топлопроводимостта, коефициентът на топлинно разширение на въглеродните влакна също може да варира значително. Този коефициент до голяма степен зависи от посоката на въглеродните влакна в матрицата. Типичният диапазон на коефициента на топлинно разширение е между -1 K^{-1} до +8 K^{-1}. Таблицата по-долу показва различните коефициенти на топлинно разширение за различни материали.
Въглеродните влакна имат отрицателен коефициент на топлинно разширение. Когато материалът се нагрява, той се свива. Атомите на въглеродните влакна обикновено са фиксирани по осите x и y. Планарните връзки, които фиксират влакната по осите x и y, са ковалентни връзки. Това прави посоката z не фиксирана и се държи заедно от по-слаби сили на Ван дер Ваалс.
Когато въглеродните влакна се нагряват, атомите започват да вибрират, главно в посока z. Когато това се случи, вибриращите атоми привличат съседни атоми. Целият феномен кара атомите да се свързват по-здраво и да свиват материала в посоките x и y. Тъй като топлината се увеличава и атомите започват да вибрират, материалът продължава да се свива.
В някои приложения отрицателното свойство на топлинно разширение може да доведе до някои интересни резултати. Въглеродните влакна могат да се комбинират с матрица от смола, която има положителен коефициент на топлинно разширение, където коефициентът на топлинно разширение на получената матрица е близо до нула. Това може да бъде от решаващо значение за някои малки устройства, като например измервателно оборудване.