Када дизајнирају нове производе, инжењери имају широк избор материјала за избор. Исправна анализа свих својстава материјала и њихово постављање у контекст финалног производа или апликације је изузетно изазован задатак. У избору материјала, две термичке особине играју значајну улогу: топлотна проводљивост и коефицијент топлотног ширења.
У било којој термодинамичкој примени, топлотну проводљивост и коефицијент топлотног ширења материјала треба пажљиво размотрити, посебно у апликацијама где ове особине утичу на коначне перформансе и век трајања. Одабир материјала са одговарајућом топлотном проводљивошћу може побољшати ефикасност и перформансе. Због својих јединствених термичких својстава, угљенична влакна се могу користити у многим новим областима примене.
Тхермал Цондуцтивити
Топлотна проводљивост, такође позната као топлотна дифузивност, најједноставније речено, је мера колико ефикасно топлота тече кроз дати материјал. Материјали са једноставном молекуларном структуром обично такође имају већу топлотну проводљивост. Када се материјали загреју, честице добијају енергију и вибрирају. Ова вибрација узрокује да се молекули сударају са другим честицама и преносе им енергију. Што се више топлоте примењује, долази до више вибрација и преноса енергије.
Математички приказ топлотне проводљивости је следећи:
К=Топлотна проводљивост (В/(мК)) или (Бту/(хр фт степен Ф))
К =Пренос топлоте (В) или (Бту)
д=Растојање између две изотермне равни (м) или (фт)
А=Површина (м²) или (фт²)
Делта Т=Температурна разлика (К) или (степен Ф)
Топлотна проводљивост варира у зависности од материјала. Пошто угљенична влакна долазе у различитим врстама, од којих свака има своја јединствена својства, разликују се од других материјала попут воде. Табела испод показује различите топлотне проводљивости различитих материјала.
Произвођачи и истраживачи су развили композите од угљеничних влакана са високом или ниском топлотном проводљивошћу за различите примене. Начин мерења топлотне проводљивости такође утиче на коначни резултат мерења. Ако се топлотна проводљивост мери дуж влакана, обично је већа него када се мери преко влакана (управни смер).
Карбонска влакна високе топлотне проводљивости могу се користити у различитим апликацијама. На пример, једна јапанска компанија развила је карбонска влакна за сузбијање деградације батерије у мобилним апликацијама за електронске уређаје. Коначна апликација би требало да одреди да ли су инжењерима потребна карбонска влакна са ниском или високом топлотном проводљивошћу.
Коефицијент термичке експанзије
Још једно кључно термодинамичко својство које инжењери треба да размотре је коефицијент топлотног ширења. Коефицијент топлотног ширења је мера како се мењају димензије објекта када је изложен температурним променама. Постоје три врсте коефицијената топлотног ширења: запремински, површински и линеарни.
Пошто су угљенична влакна типично чврста у већини примена, инжењери би требало да се усредсреде највише на површинске и линеарне коефицијенте топлотног ширења.
Математички приказ линеарног коефицијента топлотног ширења је следећи:
алфа=Линеарни коефицијент топлотног ширења (К^{-1} или 1/К) или (степен Ф^{-1} или 1/степен Ф)
Л={Оригинална дужина (м) или (фт)
Делта Л=Промена дужине (м) или (фт)
Делта Т=Промена температуре (К) или (степен Ф)
Математички приказ површинског коефицијента топлотног ширења је следећи:
алфа=Површински коефицијент топлотног ширења (К^{-1} или 1/К) или (степен Ф^{-1} или 1/степен Ф)
А={Оригинална површина (м²) или (фт²)
делта А={Промена површине (м²) или (фт²)
делта Т=Промена температуре (К) или (степен Ф)
Као и топлотна проводљивост, коефицијент топлотног ширења угљеничних влакана такође може веома да варира. Овај коефицијент у великој мери зависи од правца угљеничних влакана у матрици. Типичан опсег коефицијента топлотног ширења је између -1 К^{-1} до +8 К^{-1}. Табела испод показује различите коефицијенте топлотног ширења за различите материјале.
Угљенична влакна имају негативан коефицијент топлотног ширења. Када се материјал загреје, он се скупља. Атоми угљеничних влакана су обично фиксирани дуж к и и осе. Планарне везе које фиксирају влакна дуж к и и осе су ковалентне везе. Ово чини да правац з није фиксиран и држан заједно слабијим ван дер Валсовим силама.
Када се угљенична влакна загреју, атоми почињу да вибрирају, углавном у правцу з. Како се то дешава, вибрирајући атоми повлаче суседне атоме. Читав феномен узрокује да се атоми чвршће вежу и скупљају материјал у правцима к и и. Како се топлота повећава и атоми почињу да вибрирају, материјал наставља да се скупља.
У неким применама, негативно својство термичког ширења може дати неке занимљиве резултате. Угљенична влакна се могу комбиновати са матрицом смоле која има позитиван коефицијент топлотног ширења, при чему је коефицијент термичког ширења резултујуће матрице близу нуле. Ово може бити кључно за неке мале уређаје као што је мерна опрема.