Pri navrhovaní nových produktov majú inžinieri na výber zo širokej škály materiálov. Správne analyzovať všetky vlastnosti materiálu pri ich zaradení do kontextu konečného produktu alebo aplikácie je mimoriadne náročná úloha. Pri výbere materiálu zohrávajú významnú úlohu dve tepelné vlastnosti: tepelná vodivosť a koeficient tepelnej rozťažnosti.
Pri akejkoľvek termodynamickej aplikácii je potrebné dôkladne zvážiť tepelnú vodivosť a koeficient tepelnej rozťažnosti materiálov, najmä v aplikáciách, kde tieto vlastnosti ovplyvňujú konečný výkon a životnosť. Výber materiálov s vhodnou tepelnou vodivosťou môže zlepšiť účinnosť a výkon. Vďaka svojim jedinečným tepelným vlastnostiam môžu byť uhlíkové vlákna použité v mnohých nových oblastiach použitia.
Tepelná vodivosť
Tepelná vodivosť, zjednodušene známa aj ako tepelná difúznosť, je mierou toho, ako efektívne teplo prúdi daným materiálom. Materiály s jednoduchou molekulárnou štruktúrou majú zvyčajne aj vyššiu tepelnú vodivosť. Keď sa materiály zahrievajú, častice získavajú energiu a vibrujú. Táto vibrácia spôsobuje, že molekuly sa zrážajú s inými časticami a odovzdávajú im energiu. Čím viac tepla sa aplikuje, tým viac vibrácií a prenosu energie sa vyskytuje.
Matematické znázornenie tepelnej vodivosti je nasledovné:
K=Tepelná vodivosť (W/(mK)) alebo (Btu/(h ft stupeň F))
Q =Prenos tepla (W) alebo (Btu)
d=Vzdialenosť medzi dvoma izotermickými rovinami (m) alebo (ft)
A=plocha (m²) alebo (ft²)
Delta T=Teplotný rozdiel (K) alebo (stupeň F)
Tepelná vodivosť sa líši v závislosti od materiálov. Keďže uhlíkové vlákna prichádzajú v rôznych typoch, z ktorých každé má svoje jedinečné vlastnosti, líšia sa od iných materiálov, ako je voda. Nižšie uvedená tabuľka ukazuje rozdielne tepelné vodivosti rôznych materiálov.
Výrobcovia a výskumníci vyvinuli kompozity z uhlíkových vlákien s vysokou alebo nízkou tepelnou vodivosťou pre rôzne aplikácie. Spôsob merania tepelnej vodivosti ovplyvňuje aj konečný výsledok merania. Ak sa tepelná vodivosť meria pozdĺž vlákien, je zvyčajne vyššia ako pri meraní cez vlákna (v kolmom smere).
Uhlíkové vlákna s vysokou tepelnou vodivosťou môžu byť použité v rôznych aplikáciách. Napríklad japonská spoločnosť vyvinula uhlíkové vlákna na potlačenie degradácie batérie v mobilných aplikáciách pre elektronické zariadenia. Konečná aplikácia by mala určiť, či inžinieri potrebujú uhlíkové vlákna s nízkou alebo vysokou tepelnou vodivosťou.
Koeficient tepelnej rozťažnosti
Ďalšou kľúčovou termodynamickou vlastnosťou, ktorú by mali inžinieri zvážiť, je koeficient tepelnej rozťažnosti. Koeficient tepelnej rozťažnosti je mierou toho, ako sa menia rozmery objektu, keď je vystavený zmenám teploty. Existujú tri typy koeficientov tepelnej rozťažnosti: objemový, plošný a lineárny.
Keďže uhlíkové vlákna sú vo väčšine aplikácií zvyčajne pevné, inžinieri by sa mali najviac zamerať na plošné a lineárne koeficienty tepelnej rozťažnosti.
Matematické znázornenie lineárneho koeficientu tepelnej rozťažnosti je nasledovné:
alfa=Lineárny koeficient tepelnej rozťažnosti (K^{-1} alebo 1/K) alebo ( stupeň F^{-1} alebo 1/ stupeň F)
L={Pôvodná dĺžka (m) alebo (ft)
Delta L=Zmena dĺžky (m) alebo (ft)
Delta T=Zmena teploty (K) alebo (stupeň F)
Matematické znázornenie plošného koeficientu tepelnej rozťažnosti je nasledovné:
alfa=Plošný koeficient tepelnej rozťažnosti (K^{-1} alebo 1/K) alebo ( stupeň F^{-1} alebo 1/ stupeň F)
A={Pôvodná plocha (m²) alebo (ft²)
delta A={Zmena plochy (m²) alebo (ft²)
delta T=Zmena teploty (K) alebo (stupeň F)
Rovnako ako tepelná vodivosť, aj koeficient tepelnej rozťažnosti uhlíkových vlákien sa môže značne líšiť. Tento koeficient do značnej miery závisí od smeru uhlíkových vlákien v matrici. Typický rozsah koeficientu tepelnej rozťažnosti je medzi -1 K^{-1} až +8 K^{-1}. V tabuľke nižšie sú uvedené rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti pre rôzne materiály.
Uhlíkové vlákna majú negatívny koeficient tepelnej rozťažnosti. Pri zahrievaní sa materiál sťahuje. Atómy uhlíkových vlákien sú zvyčajne fixované pozdĺž osí x a y. Rovinné väzby, ktoré fixujú vlákna pozdĺž osí x a y, sú kovalentné väzby. Vďaka tomu nie je smer z fixovaný a držaný pohromade slabšími van der Waalsovými silami.
Keď sa uhlíkové vlákna zahrievajú, atómy začnú vibrovať, hlavne v smere z. Keď k tomu dôjde, vibrujúce atómy ťahajú susedné atómy. Celý jav spôsobuje, že sa atómy tesnejšie viažu k sebe a sťahujú materiál v smere x a y. Keď sa teplo zvyšuje a atómy začnú vibrovať, materiál sa naďalej zmršťuje.
V niektorých aplikáciách môže negatívna tepelná rozťažnosť priniesť zaujímavé výsledky. Uhlíkové vlákna je možné kombinovať so živicovou matricou, ktorá má kladný koeficient tepelnej rozťažnosti, pričom koeficient tepelnej rozťažnosti výslednej matrice je blízky nule. To môže byť rozhodujúce pre niektoré malé zariadenia, ako sú meracie zariadenia.