Når de designer nye produkter, har ingeniører en bred vifte af materialer at vælge imellem. Det er en ekstremt udfordrende opgave at analysere alle materialeegenskaber korrekt, samtidig med at de placeres i sammenhæng med det endelige produkt eller applikation. Ved materialevalg spiller to termiske egenskaber en væsentlig rolle: den termiske ledningsevne og termisk udvidelseskoefficient.
I enhver termodynamisk anvendelse bør den termiske ledningsevne og varmeudvidelseskoefficienten af materialer nøje overvejes, især i applikationer, hvor disse egenskaber påvirker den endelige ydeevne og levetid. Valg af materialer med den passende varmeledningsevne kan forbedre effektiviteten og ydeevnen. På grund af deres unikke termiske egenskaber kan kulfibre bruges i mange nye anvendelsesområder.
Termisk ledningsevne
Termisk ledningsevne, også kendt som termisk diffusivitet, i de enkleste vendinger, er et mål for, hvor effektivt varme strømmer gennem et givet materiale. Materialer med en simpel molekylær struktur har typisk også højere varmeledningsevne. Når materialer opvarmes, får partikler energi og vibrerer. Denne vibration får molekyler til at kollidere med andre partikler og overføre energi til dem. Jo mere varme, der tilføres, jo mere vibrationer og energioverførsel forekommer.
Den matematiske repræsentation af termisk ledningsevne er som følger:
K=Termisk ledningsevne (W/(mK)) eller (Btu/(hr ft grad F))
Q =Varmeoverførsel (W) eller (Btu)
d=Afstand mellem to isotermiske planer (m) eller (ft)
Et=overfladeareal (m²) eller (ft²)
Delta T=Temperaturforskel (K) eller (grad F)
Termisk ledningsevne varierer med materialer. Da kulfibre findes i forskellige typer, hver med sine unikke egenskaber, adskiller de sig fra andre materialer som vand. Tabellen nedenfor viser de forskellige varmeledningsevner for forskellige materialer.
Producenter og forskere har udviklet kulfiberkompositter med høj eller lav varmeledningsevne til forskellige applikationer. Metoden til måling af termisk ledningsevne påvirker også det endelige måleresultat. Måles den termiske ledningsevne langs fibrene, er den normalt højere end målt på tværs af fibrene (vinkelret).
Kulfibre med høj varmeledningsevne kan bruges i forskellige applikationer. For eksempel har et japansk firma udviklet kulfibre til at undertrykke batterinedbrydning i mobile applikationer til elektroniske enheder. Den endelige ansøgning bør afgøre, om ingeniører har brug for kulfibre med lav eller høj varmeledningsevne.
Termisk udvidelseskoefficient
En anden vigtig termodynamisk egenskab, som ingeniører bør overveje, er termisk udvidelseskoefficient. Den termiske udvidelseskoefficient er et mål for, hvordan dimensionerne af et objekt ændres, når det udsættes for temperaturændringer. Der er tre typer af termisk udvidelseskoefficienter: volumetrisk, areal og lineær.
Da kulfibre typisk er solide i de fleste applikationer, bør ingeniører fokusere mest på de arealmæssige og lineære koefficienter for termisk udvidelse.
Den matematiske repræsentation af den lineære termiske udvidelseskoefficient er som følger:
alfa=Lineær termisk udvidelseskoefficient (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^-1} eller 1/ grad F)
L={Original længde (m) eller (ft)
Delta L=Længdeændring (m) eller (ft)
Delta T=Temperaturændring (K) eller (grad F)
Den matematiske repræsentation af arealkoefficienten for termisk udvidelse er som følger:
alfa=Areal termisk udvidelseskoefficient (K^-1} eller 1/K) eller (grad F^{-1} eller 1/ grad F)
A={Original area (m²) or (ft²)
delta A={Arealændring (m²) eller (ft²)
delta T=Temperaturændring (K) eller (grad F)
Ligesom termisk ledningsevne kan kulfibernes varmeudvidelseskoefficient også variere meget. Denne koefficient afhænger i høj grad af retningen af kulfibrene i matrixen. Det typiske område for termisk udvidelseskoefficient er mellem -1 K^{-1} til +8 K^{-1}. Tabellen nedenfor viser de forskellige termiske udvidelseskoefficienter for forskellige materialer.
Kulfibre har en negativ termisk udvidelseskoefficient. Når materialet opvarmes, trækker det sig sammen. Kulfiberatomer er typisk fikseret langs x- og y-akserne. De plane bindinger, der fikserer fibrene langs x- og y-akserne, er kovalente bindinger. Dette gør, at z-retningen ikke er fikseret og holdt sammen af svagere van der Waals-kræfter.
Når kulfibre opvarmes, begynder atomerne at vibrere, hovedsageligt i z-retningen. Når dette sker, trækker de vibrerende atomer på tilstødende atomer. Hele fænomenet får atomerne til at binde sig tættere sammen og trække materialet sammen i x- og y-retningen. Når varmen stiger, og atomerne begynder at vibrere, fortsætter materialet med at trække sig sammen.
I nogle applikationer kan den negative termiske ekspansionsegenskab give nogle interessante resultater. Kulfibre kan kombineres med en harpiksmatrix, der har en positiv termisk udvidelseskoefficient, hvor den resulterende matrixs termiske udvidelseskoefficient er tæt på nul. Dette kan være afgørende for nogle små enheder såsom måleudstyr.