Όταν σχεδιάζουν νέα προϊόντα, οι μηχανικοί έχουν μια μεγάλη ποικιλία υλικών για να διαλέξουν. Η σωστή ανάλυση όλων των ιδιοτήτων του υλικού κατά την τοποθέτησή τους στο πλαίσιο του τελικού προϊόντος ή της εφαρμογής είναι μια εξαιρετικά απαιτητική εργασία. Στην επιλογή υλικού, δύο θερμικές ιδιότητες παίζουν σημαντικό ρόλο: η θερμική αγωγιμότητα και ο συντελεστής θερμικής διαστολής.
Σε οποιαδήποτε θερμοδυναμική εφαρμογή, η θερμική αγωγιμότητα και ο συντελεστής θερμικής διαστολής των υλικών θα πρέπει να λαμβάνονται προσεκτικά υπόψη, ειδικά σε εφαρμογές όπου αυτές οι ιδιότητες επηρεάζουν την τελική απόδοση και τη διάρκεια ζωής. Η επιλογή υλικών με την κατάλληλη θερμική αγωγιμότητα μπορεί να βελτιώσει την απόδοση και την απόδοση. Λόγω των μοναδικών θερμικών τους ιδιοτήτων, οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς νέους τομείς εφαρμογής.
Θερμική αγωγιμότητα
Η θερμική αγωγιμότητα, γνωστή και ως θερμική διάχυση, με τους απλούστερους όρους, είναι ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά ρέει η θερμότητα μέσω ενός δεδομένου υλικού. Τα υλικά με απλή μοριακή δομή συνήθως έχουν επίσης υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Όταν τα υλικά θερμαίνονται, τα σωματίδια αποκτούν ενέργεια και δονούνται. Αυτή η δόνηση προκαλεί σύγκρουση μορίων με άλλα σωματίδια και μεταφορά ενέργειας σε αυτά. Όσο περισσότερη θερμότητα εφαρμόζεται, τόσο περισσότερες δονήσεις και μεταφορά ενέργειας γίνονται.
Η μαθηματική αναπαράσταση της θερμικής αγωγιμότητας έχει ως εξής:
K=Θερμική αγωγιμότητα (W/(mK)) ή (Btu/(hr ft βαθμός F))
Ε =Μεταφορά θερμότητας (W) ή (Btu)
d=Απόσταση μεταξύ δύο ισοθερμικών επιπέδων (m) ή (ft)
Μια=επιφάνεια (m²) ή (ft²)
Δέλτα T=Διαφορά θερμοκρασίας (K) ή (βαθμός F)
Η θερμική αγωγιμότητα ποικίλλει ανάλογα με τα υλικά. Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα διατίθενται σε διαφορετικούς τύπους, καθένας με τις μοναδικές του ιδιότητες, διαφέρουν από άλλα υλικά όπως το νερό. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τη διαφορετική θερμική αγωγιμότητα διαφόρων υλικών.
Κατασκευαστές και ερευνητές έχουν αναπτύξει σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα με υψηλή ή χαμηλή θερμική αγωγιμότητα για διαφορετικές εφαρμογές. Η μέθοδος μέτρησης της θερμικής αγωγιμότητας επηρεάζει επίσης το τελικό αποτέλεσμα της μέτρησης. Εάν η θερμική αγωγιμότητα μετριέται κατά μήκος των ινών, είναι συνήθως υψηλότερη από ό,τι όταν μετράται κατά μήκος των ινών (κάθετη κατεύθυνση).
Οι ίνες άνθρακα με υψηλή θερμική αγωγιμότητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Για παράδειγμα, μια ιαπωνική εταιρεία έχει αναπτύξει ίνες άνθρακα για την καταστολή της υποβάθμισης της μπαταρίας σε κινητές εφαρμογές για ηλεκτρονικές συσκευές. Η τελική εφαρμογή θα πρέπει να καθορίσει εάν οι μηχανικοί χρειάζονται ίνες άνθρακα με χαμηλή ή υψηλή θερμική αγωγιμότητα.
Συντελεστής Θερμικής Διαστολής
Μια άλλη βασική θερμοδυναμική ιδιότητα που πρέπει να λάβουν υπόψη οι μηχανικοί είναι ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι ένα μέτρο του τρόπου με τον οποίο αλλάζουν οι διαστάσεις ενός αντικειμένου όταν εκτίθεται σε αλλαγές θερμοκρασίας. Υπάρχουν τρεις τύποι συντελεστών θερμικής διαστολής: ογκομετρικοί, εμβαδικοί και γραμμικοί.
Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα είναι συνήθως συμπαγείς στις περισσότερες εφαρμογές, οι μηχανικοί θα πρέπει να επικεντρωθούν περισσότερο στους εμβαδικούς και γραμμικούς συντελεστές θερμικής διαστολής.
Η μαθηματική αναπαράσταση του γραμμικού συντελεστή θερμικής διαστολής έχει ως εξής:
άλφα=Γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής (K^{-1} ή 1/K) ή (βαθμός F^{-1} ή 1/ βαθμός F)
L={Αρχικό μήκος (m) ή (ft)
Delta L=Αλλαγή μήκους (m) ή (ft)
Delta T=Αλλαγή θερμοκρασίας (K) ή (βαθμός F)
Η μαθηματική αναπαράσταση του εμβαδικού συντελεστή θερμικής διαστολής έχει ως εξής:
άλφα=Επιφανειακός συντελεστής θερμικής διαστολής (K^{-1} ή 1/K) ή (βαθμός F^{-1} ή 1/ βαθμός F)
Μια={Αρχική περιοχή (m²) ή (ft²)
δέλτα A={Αλλαγή περιοχής (m²) ή (ft²)
δέλτα T=Μεταβολή θερμοκρασίας (K) ή (βαθμός F)
Όπως η θερμική αγωγιμότητα, ο συντελεστής θερμικής διαστολής των ινών άνθρακα μπορεί επίσης να ποικίλλει πολύ. Αυτός ο συντελεστής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατεύθυνση των ινών άνθρακα στη μήτρα. Το τυπικό εύρος του συντελεστή θερμικής διαστολής είναι μεταξύ -1 K^{{-1} έως +8 K^{-1}. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τους διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής για διάφορα υλικά.
Οι ίνες άνθρακα έχουν αρνητικό συντελεστή θερμικής διαστολής. Όταν το υλικό θερμαίνεται, συστέλλεται. Τα άτομα ινών άνθρακα είναι τυπικά στερεωμένα κατά μήκος των αξόνων x και y. Οι επίπεδοι δεσμοί που στερεώνουν τις ίνες κατά μήκος των αξόνων x και y είναι ομοιοπολικοί δεσμοί. Αυτό κάνει την κατεύθυνση z να μην είναι σταθερή και να συγκρατείται από ασθενέστερες δυνάμεις van der Waals.
Όταν οι ίνες άνθρακα θερμαίνονται, τα άτομα αρχίζουν να δονούνται, κυρίως προς την κατεύθυνση z. Καθώς συμβαίνει αυτό, τα δονούμενα άτομα τραβούν γειτονικά άτομα. Το όλο φαινόμενο προκαλεί τα άτομα να συνδέονται πιο σφιχτά μεταξύ τους και να συστέλλονται το υλικό στις κατευθύνσεις x και y. Καθώς η θερμότητα αυξάνεται και τα άτομα αρχίζουν να δονούνται, το υλικό συνεχίζει να συστέλλεται.
Σε ορισμένες εφαρμογές, η αρνητική ιδιότητα θερμικής διαστολής μπορεί να παράγει μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Οι ίνες άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν με μια μήτρα ρητίνης που έχει θετικό συντελεστή θερμικής διαστολής, όπου ο συντελεστής θερμικής διαστολής της προκύπτουσας μήτρας είναι κοντά στο μηδέν. Αυτό μπορεί να είναι κρίσιμο για ορισμένες μικρές συσκευές, όπως ο εξοπλισμός μέτρησης.