När man designar nya produkter har ingenjörer en mängd olika material att välja mellan. Att korrekt analysera alla materialegenskaper samtidigt som de placeras i den slutliga produkten eller applikationen är en extremt utmanande uppgift. Vid materialval spelar två termiska egenskaper en betydande roll: värmeledningsförmågan och värmeutvidgningskoefficienten.
I alla termodynamiska tillämpningar bör den termiska konduktiviteten och värmeutvidgningskoefficienten för material noggrant övervägas, särskilt i tillämpningar där dessa egenskaper påverkar den slutliga prestandan och livslängden. Att välja material med lämplig värmeledningsförmåga kan förbättra effektiviteten och prestanda. På grund av deras unika termiska egenskaper kan kolfibrer användas i många nya applikationsområden.
Värmeledningsförmåga
Värmeledningsförmåga, även känd som termisk diffusivitet, i enklaste termer, är ett mått på hur effektivt värme strömmar genom ett givet material. Material med en enkel molekylstruktur har vanligtvis också högre värmeledningsförmåga. När material värms upp får partiklar energi och vibrerar. Denna vibration gör att molekyler kolliderar med andra partiklar och överför energi till dem. Ju mer värme som appliceras, desto mer vibrationer och energiöverföring sker.
Den matematiska representationen av värmeledningsförmåga är som följer:
K=Värmeledningsförmåga (W/(mK)) eller (Btu/(hr ft grad F))
Q =Värmeöverföring (W) eller (Btu)
d=Avstånd mellan två isotermiska plan (m) eller (ft)
A=Yta (m²) eller (ft²)
Delta T=Temperaturskillnad (K) eller (grad F)
Värmeledningsförmågan varierar med material. Eftersom kolfibrer finns i olika typer, var och en med sina unika egenskaper, skiljer de sig från andra material som vatten. Tabellen nedan visar olika värmeledningsförmåga hos olika material.
Tillverkare och forskare har utvecklat kolfiberkompositer med hög eller låg värmeledningsförmåga för olika applikationer. Metoden för att mäta värmeledningsförmågan påverkar också det slutliga mätresultatet. Om värmeledningsförmågan mäts längs fibrerna är den vanligtvis högre än när den mäts över fibrerna (vinkelrät riktning).
Kolfibrer med hög värmeledningsförmåga kan användas i olika applikationer. Till exempel har ett japanskt företag utvecklat kolfibrer för att undertrycka batterinedbrytning i mobila applikationer för elektroniska enheter. Den slutliga ansökan bör avgöra om ingenjörer behöver kolfibrer med låg eller hög värmeledningsförmåga.
Koefficient för termisk expansion
En annan viktig termodynamisk egenskap som ingenjörer bör överväga är termisk expansionskoefficient. Termisk expansionskoefficient är ett mått på hur dimensionerna på ett föremål förändras när det utsätts för temperaturförändringar. Det finns tre typer av termisk expansionskoefficient: volymetrisk, areal och linjär.
Eftersom kolfibrer vanligtvis är solida i de flesta applikationer, bör ingenjörer fokusera mest på de arealmässiga och linjära koefficienterna för termisk expansion.
Den matematiska representationen av den linjära värmeutvidgningskoefficienten är som följer:
alfa=Linjär termisk expansionskoefficient (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^-1} eller 1/ grad F)
L={Originallängd (m) eller (ft)
Delta L=Längdförändring (m) eller (ft)
Delta T=Temperaturförändring (K) eller (grad F)
Den matematiska representationen av ytkoefficienten för termisk expansion är som följer:
alfa=Termisk expansionskoefficient (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^-1} eller 1/ grad F)
A={Original area (m²) or (ft²)
delta A={Area change (m²) or (ft²)
delta T=Temperaturändring (K) eller (grad F)
Liksom värmeledningsförmågan kan även kolfibrernas värmeutvidgningskoefficient variera kraftigt. Denna koefficient beror till stor del på riktningen för kolfibrerna i matrisen. Det typiska området för termisk expansionskoefficient är mellan -1 K^{-1} till +8 K^{-1}. Tabellen nedan visar de olika värmeutvidgningskoefficienterna för olika material.
Kolfibrer har en negativ termisk expansionskoefficient. När materialet värms upp drar det ihop sig. Kolfiberatomer är vanligtvis fixerade längs x- och y-axlarna. De plana bindningarna som fixerar fibrerna längs x- och y-axlarna är kovalenta bindningar. Detta gör att z-riktningen inte fixeras och hålls samman av svagare van der Waals-krafter.
När kolfibrer värms upp börjar atomerna vibrera, främst i z-riktningen. När detta inträffar drar de vibrerande atomerna på intilliggande atomer. Hela fenomenet gör att atomerna binder tätare samman och drar ihop materialet i x- och y-riktningarna. När värmen ökar och atomerna börjar vibrera, fortsätter materialet att dra ihop sig.
I vissa applikationer kan den negativa termiska expansionsegenskapen ge intressanta resultat. Kolfibrer kan kombineras med en hartsmatris som har en positiv termisk expansionskoefficient, där den resulterande matrisens termiska expansionskoefficient är nära noll. Detta kan vara avgörande för vissa små enheter som mätutrustning.