Quan dissenyen nous productes, els enginyers tenen una gran varietat de materials per triar. Analitzar correctament totes les propietats del material mentre les col·loca en el context del producte o aplicació final és una tasca extremadament difícil. En la selecció de materials, dues propietats tèrmiques tenen un paper important: la conductivitat tèrmica i el coeficient d'expansió tèrmica.
En qualsevol aplicació termodinàmica, la conductivitat tèrmica i el coeficient d'expansió tèrmica dels materials s'han de considerar acuradament, especialment en aplicacions on aquestes propietats afecten el rendiment final i la vida útil. L'elecció de materials amb la conductivitat tèrmica adequada pot millorar l'eficiència i el rendiment. A causa de les seves propietats tèrmiques úniques, les fibres de carboni es poden utilitzar en moltes àrees d'aplicació noves.
Conductivitat tèrmica
La conductivitat tèrmica, també coneguda com a difusivitat tèrmica, en els termes més simples, és una mesura de l'eficàcia que flueix la calor a través d'un material determinat. Els materials amb una estructura molecular simple també solen tenir una conductivitat tèrmica més alta. Quan els materials s'escalfen, les partícules guanyen energia i vibren. Aquesta vibració fa que les molècules xoquin amb altres partícules i els transfereixin energia. Com més calor s'aplica, més vibració i transferència d'energia es produeixen.
La representació matemàtica de la conductivitat tèrmica és la següent:
K=Conductivitat tèrmica (W/(mK)) o (Btu/(hr ft grau F))
Q =Transferència de calor (W) o (Btu)
d=Distància entre dos plans isotèrmics (m) o (ft)
A=Superfície (m²) o (ft²)
Delta T=Diferència de temperatura (K) o (grau F)
La conductivitat tèrmica varia amb els materials. Com que les fibres de carboni vénen de diferents tipus, cadascuna amb les seves propietats úniques, es diferencien d'altres materials com l'aigua. La taula següent mostra les diferents conductivitats tèrmiques de diferents materials.
Els fabricants i investigadors han desenvolupat compostos de fibra de carboni amb conductivitat tèrmica alta o baixa per a diferents aplicacions. El mètode de mesura de la conductivitat tèrmica també afecta el resultat final de la mesura. Si la conductivitat tèrmica es mesura al llarg de les fibres, normalment és més alta que quan es mesura a través de les fibres (direcció perpendicular).
Les fibres de carboni amb alta conductivitat tèrmica es poden utilitzar en diverses aplicacions. Per exemple, una empresa japonesa ha desenvolupat fibres de carboni per suprimir la degradació de la bateria en aplicacions mòbils per a dispositius electrònics. L'aplicació final hauria de determinar si els enginyers necessiten fibres de carboni amb conductivitat tèrmica baixa o alta.
Coeficient d'expansió tèrmica
Una altra propietat termodinàmica clau que els enginyers haurien de tenir en compte és el coeficient d'expansió tèrmica. El coeficient d'expansió tèrmica és una mesura de com canvien les dimensions d'un objecte quan s'exposa a canvis de temperatura. Hi ha tres tipus de coeficients d'expansió tèrmica: volumètric, àrea i lineal.
Atès que les fibres de carboni solen ser sòlides en la majoria d'aplicacions, els enginyers haurien de centrar-se més en els coeficients d'expansió tèrmica a l'àrea i lineal.
La representació matemàtica del coeficient lineal d'expansió tèrmica és la següent:
alfa=Coeficient lineal d'expansió tèrmica (K^{{-1} o 1/K) o (grau F^{{-1} o 1/grau F)
L={Longitud original (m) o (fts)
Delta L=Canvi de longitud (m) o (fts)
Delta T=Canvi de temperatura (K) o (grau F)
La representació matemàtica del coeficient d'àrea d'expansió tèrmica és la següent:
alfa=Coeficient d'àrea d'expansió tèrmica (K^{{-1} o 1/K) o (grau F^{{-1} o 1/grau F)
A={Àrea original (m²) o (ft²)
delta A={Canvi d'àrea (m²) o (ft²)
delta T=Canvi de temperatura (K) o (grau F)
Igual que la conductivitat tèrmica, el coeficient d'expansió tèrmica de les fibres de carboni també pot variar molt. Aquest coeficient depèn en gran mesura de la direcció de les fibres de carboni a la matriu. L'interval típic del coeficient d'expansió tèrmica està entre -1 K^{-1} i +8 K^{-1}. La taula següent mostra els diferents coeficients d'expansió tèrmica per a diferents materials.
Les fibres de carboni tenen un coeficient d'expansió tèrmica negatiu. Quan el material s'escalfa, es contrau. Els àtoms de fibra de carboni solen estar fixats al llarg dels eixos x i y. Els enllaços planars que fixen les fibres al llarg dels eixos x i y són enllaços covalents. Això fa que la direcció z no estigui fixada i mantinguda per forces de van der Waals més febles.
Quan les fibres de carboni s'escalfen, els àtoms comencen a vibrar, principalment en la direcció z. Quan això passa, els àtoms en vibració estiren els àtoms adjacents. Tot el fenomen fa que els àtoms s'uneixin més estretament i contrauen el material en les direccions x i y. A mesura que augmenta la calor i els àtoms comencen a vibrar, el material continua contraint-se.
En algunes aplicacions, la propietat d'expansió tèrmica negativa pot produir resultats interessants. Les fibres de carboni es poden combinar amb una matriu de resina que té un coeficient d'expansió tèrmica positiu, on el coeficient d'expansió tèrmica de la matriu resultant és proper a zero. Això pot ser crucial per a alguns dispositius petits, com ara equips de mesura.