При проектировании новых продуктов инженеры имеют широкий выбор материалов. Корректный анализ всех свойств материалов и их размещение в контексте конечного продукта или применения — чрезвычайно сложная задача. При выборе материала важную роль играют два тепловых свойства: теплопроводность и коэффициент теплового расширения.
В любом термодинамическом приложении теплопроводность и коэффициент теплового расширения материалов должны быть тщательно учтены, особенно в приложениях, где эти свойства влияют на конечную производительность и срок службы. Выбор материалов с соответствующей теплопроводностью может улучшить эффективность и производительность. Благодаря своим уникальным термическим свойствам углеродные волокна могут использоваться во многих новых областях применения.
Теплопроводность
Теплопроводность, также известная как температуропроводность, в простейшем смысле является мерой того, насколько эффективно тепло проходит через данный материал. Материалы с простой молекулярной структурой обычно также имеют более высокую теплопроводность. Когда материалы нагреваются, частицы получают энергию и вибрируют. Эта вибрация заставляет молекулы сталкиваться с другими частицами и передавать им энергию. Чем больше приложено тепла, тем больше происходит вибраций и передачи энергии.
Математическое представление теплопроводности выглядит следующим образом:
K=Теплопроводность (Вт/(мК)) или (БТЕ/(ч фут градус F))
Q =Теплопередача (Вт) или (БТЕ)
d=Расстояние между двумя изотермическими плоскостями (м) или (фут)
A=Площадь поверхности (м²) или (фут²)
Дельта T=Разница температур (К) или (градус F)
Теплопроводность различается в зависимости от материала. Поскольку углеродные волокна бывают разных типов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами, они отличаются от других материалов, таких как вода. В таблице ниже показаны различные теплопроводности различных материалов.
Производители и исследователи разработали композиты из углеродного волокна с высокой или низкой теплопроводностью для различных применений. Метод измерения теплопроводности также влияет на конечный результат измерения. Если теплопроводность измеряется вдоль волокон, она обычно выше, чем при измерении поперек волокон (перпендикулярное направление).
Углеродные волокна с высокой теплопроводностью могут использоваться в различных приложениях. Например, японская компания разработала углеродные волокна для подавления деградации аккумуляторов в мобильных приложениях для электронных устройств. Окончательное применение должно определить, нужны ли инженерам углеродные волокна с низкой или высокой теплопроводностью.
Коэффициент теплового расширения
Еще одно ключевое термодинамическое свойство, которое должны учитывать инженеры, — это коэффициент теплового расширения. Коэффициент теплового расширения — это мера того, как изменяются размеры объекта при воздействии изменений температуры. Существует три типа коэффициентов теплового расширения: объемный, поверхностный и линейный.
Поскольку в большинстве случаев углеродные волокна обычно являются твердыми, инженерам следует уделять основное внимание коэффициентам поверхностного и линейного теплового расширения.
Математическое представление линейного коэффициента теплового расширения выглядит следующим образом:
альфа=Линейный коэффициент теплового расширения (K^{-1} или 1/K) или (градус F^{-1} или 1/градус F)
L={Исходная длина (м) или (футы)
Дельта L=Изменение длины (м) или (фут)
Дельта T=Изменение температуры (К) или (градус F)
Математическое представление поверхностного коэффициента теплового расширения выглядит следующим образом:
альфа=Коэффициент теплового расширения поверхности (K^{-1} или 1/K) или (градус F^{-1} или 1/градус F)
A={Исходная площадь (м²) или (фт²)
дельта А={Изменение площади (м²) или (фт²)
дельта T=Изменение температуры (К) или (градус F)
Как и теплопроводность, коэффициент теплового расширения углеродных волокон также может сильно различаться. Этот коэффициент во многом зависит от направления углеродных волокон в матрице. Типичный диапазон коэффициента теплового расширения составляет от -1 K^{-1} до +8 K^{-1}. В таблице ниже показаны различные коэффициенты теплового расширения для различных материалов.
Углеродные волокна имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. При нагревании материал сжимается. Атомы углеродного волокна обычно фиксируются вдоль осей x и y. Плоские связи, которые фиксируют волокна вдоль осей x и y, являются ковалентными связями. Это делает направление z нефиксированным и удерживается вместе более слабыми силами Ван-дер-Ваальса.
При нагревании углеродных волокон атомы начинают вибрировать, в основном в направлении z. При этом вибрирующие атомы тянут за собой соседние атомы. Все это явление заставляет атомы крепче связываться друг с другом и сжимать материал в направлениях x и y. По мере того, как нагревание увеличивается, и атомы начинают вибрировать, материал продолжает сжиматься.
В некоторых приложениях свойство отрицательного теплового расширения может давать интересные результаты. Углеродные волокна можно комбинировать с матрицей из смолы, которая имеет положительный коэффициент теплового расширения, где коэффициент теплового расширения полученной матрицы близок к нулю. Это может быть критически важным для некоторых небольших устройств, таких как измерительное оборудование.