Når de designer nye produkter, har ingeniører et bredt utvalg av materialer å velge mellom. Det er en ekstremt utfordrende oppgave å korrekt analysere alle materialegenskaper samtidig som de plasseres i sammenheng med sluttproduktet eller applikasjonen. Ved materialvalg spiller to termiske egenskaper en betydelig rolle: den termiske ledningsevnen og koeffisienten for termisk utvidelse.
I enhver termodynamisk applikasjon bør den termiske ledningsevnen og varmeutvidelseskoeffisienten av materialer vurderes nøye, spesielt i applikasjoner hvor disse egenskapene påvirker den endelige ytelsen og levetiden. Å velge materialer med passende varmeledningsevne kan forbedre effektiviteten og ytelsen. På grunn av deres unike termiske egenskaper kan karbonfibre brukes i mange nye bruksområder.
Termisk ledningsevne
Termisk ledningsevne, også kjent som termisk diffusivitet, på enkleste måte, er et mål på hvor effektivt varme strømmer gjennom et gitt materiale. Materialer med en enkel molekylær struktur har typisk også høyere varmeledningsevne. Når materialer varmes opp, får partikler energi og vibrerer. Denne vibrasjonen får molekyler til å kollidere med andre partikler og overføre energi til dem. Jo mer varme som tilføres, jo mer vibrasjon og energioverføring skjer.
Den matematiske representasjonen av termisk ledningsevne er som følger:
K=Termisk ledningsevne (W/(mK)) eller (Btu/(hr ft grad F))
Q =Varmeoverføring (W) eller (Btu)
d=Avstand mellom to isotermiske plan (m) eller (ft)
A=Overflate (m²) eller (ft²)
Delta T=Temperaturforskjell (K) eller (grad F)
Termisk ledningsevne varierer med materialer. Siden karbonfibre kommer i forskjellige typer, hver med sine unike egenskaper, skiller de seg fra andre materialer som vann. Tabellen nedenfor viser de forskjellige varmeledningsevnene til forskjellige materialer.
Produsenter og forskere har utviklet karbonfiberkompositter med høy eller lav varmeledningsevne for ulike bruksområder. Metoden for å måle termisk ledningsevne påvirker også det endelige måleresultatet. Hvis den termiske ledningsevnen måles langs fibrene, er den vanligvis høyere enn når den måles på tvers av fibrene (vinkelrett retning).
Karbonfibre med høy varmeledningsevne kan brukes i ulike applikasjoner. For eksempel har et japansk selskap utviklet karbonfibre for å undertrykke batterinedbrytning i mobile applikasjoner for elektroniske enheter. Den endelige søknaden bør avgjøre om ingeniører trenger karbonfibre med lav eller høy varmeledningsevne.
Koeffisient for termisk ekspansjon
En annen viktig termodynamisk egenskap som ingeniører bør vurdere er koeffisienten for termisk utvidelse. Termisk ekspansjonskoeffisient er et mål på hvordan dimensjonene til et objekt endres når det utsettes for temperaturendringer. Det er tre typer termisk ekspansjonskoeffisienter: volumetrisk, areal og lineær.
Siden karbonfibre vanligvis er solide i de fleste bruksområder, bør ingeniører fokusere mest på areal- og lineære koeffisienter for termisk ekspansjon.
Den matematiske representasjonen av den lineære koeffisienten for termisk utvidelse er som følger:
alfa=Lineær termisk ekspansjonskoeffisient (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^{-1} eller 1/ grad F)
L={Original lengde (m) eller (ft)
Delta L=Lengdeendring (m) eller (ft)
Delta T=Temperaturendring (K) eller (grad F)
Den matematiske representasjonen av arealkoeffisienten for termisk utvidelse er som følger:
alfa=Arealkoeffisient for termisk ekspansjon (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^-1} eller 1/ grad F)
A={Original area (m²) or (ft²)
delta A={Arealendring (m²) eller (ft²)
delta T=Temperaturendring (K) eller (grad F)
I likhet med termisk ledningsevne kan også varmeutvidelseskoeffisienten til karbonfibre variere sterkt. Denne koeffisienten avhenger i stor grad av retningen til karbonfibrene i matrisen. Det typiske området for termisk ekspansjonskoeffisient er mellom -1 K^{-1} til +8 K^{-1}. Tabellen nedenfor viser de forskjellige termiske utvidelseskoeffisientene for forskjellige materialer.
Karbonfibre har en negativ termisk utvidelseskoeffisient. Når materialet varmes opp, trekker det seg sammen. Karbonfiberatomer er vanligvis festet langs x- og y-aksene. De plane bindingene som fester fibrene langs x- og y-aksene er kovalente bindinger. Dette gjør at z-retningen ikke er fiksert og holdt sammen av svakere van der Waals-krefter.
Når karbonfibre varmes opp, begynner atomene å vibrere, hovedsakelig i z-retningen. Når dette skjer, trekker de vibrerende atomene på tilstøtende atomer. Hele fenomenet fører til at atomene binder seg tettere sammen og trekker sammen materialet i x- og y-retningene. Når varmen øker og atomene begynner å vibrere, fortsetter materialet å trekke seg sammen.
I noen applikasjoner kan den negative termiske ekspansjonsegenskapen gi noen interessante resultater. Karbonfibre kan kombineres med en harpiksmatrise som har en positiv termisk ekspansjonskoeffisient, hvor den resulterende matrisens termiske utvidelseskoeffisient er nær null. Dette kan være avgjørende for enkelte små enheter som måleutstyr.