Quando progettano nuovi prodotti, gli ingegneri hanno un'ampia varietà di materiali tra cui scegliere. Analizzare correttamente tutte le proprietà dei materiali inserendole nel contesto del prodotto o dell'applicazione finale è un compito estremamente impegnativo. Nella selezione dei materiali, due proprietà termiche svolgono un ruolo significativo: la conduttività termica e il coefficiente di dilatazione termica.
In qualsiasi applicazione termodinamica, la conduttività termica e il coefficiente di dilatazione termica dei materiali devono essere attentamente considerati, specialmente nelle applicazioni in cui queste proprietà influenzano le prestazioni finali e la durata utile. La scelta di materiali con la conduttività termica appropriata può migliorare l'efficienza e le prestazioni. Grazie alle loro proprietà termiche uniche, le fibre di carbonio possono essere utilizzate in molte nuove aree di applicazione.
Conduttività termica
La conduttività termica, nota anche come diffusività termica, in termini più semplici, è una misura di quanto efficacemente il calore fluisce attraverso un dato materiale. I materiali con una struttura molecolare semplice hanno in genere anche una conduttività termica più elevata. Quando i materiali vengono riscaldati, le particelle acquisiscono energia e vibrano. Questa vibrazione fa sì che le molecole collidano con altre particelle e trasferiscano loro energia. Più calore viene applicato, più si verificano vibrazioni e trasferimenti di energia.
La rappresentazione matematica della conduttività termica è la seguente:
K=Conduttività termica (W/(mK)) o (Btu/(hr ft gradi F))
Q =Trasferimento di calore (W) o (Btu)
d=Distanza tra due piani isotermici (m) o (ft)
Una=Superficie (m²) o (ft²)
Delta T=Differenza di temperatura (K) o (grado F)
La conduttività termica varia a seconda dei materiali. Poiché le fibre di carbonio sono disponibili in diversi tipi, ognuno con le sue proprietà uniche, differiscono da altri materiali come l'acqua. La tabella seguente mostra le diverse conduttività termiche di vari materiali.
Produttori e ricercatori hanno sviluppato compositi in fibra di carbonio con elevata o bassa conduttività termica per diverse applicazioni. Il metodo di misurazione della conduttività termica influisce anche sul risultato finale della misurazione. Se la conduttività termica viene misurata lungo le fibre, è solitamente più alta rispetto a quando viene misurata attraverso le fibre (direzione perpendicolare).
Le fibre di carbonio con elevata conduttività termica possono essere utilizzate in varie applicazioni. Ad esempio, un'azienda giapponese ha sviluppato fibre di carbonio per sopprimere la degradazione delle batterie nelle applicazioni mobili per dispositivi elettronici. L'applicazione finale dovrebbe determinare se gli ingegneri hanno bisogno di fibre di carbonio con bassa o alta conduttività termica.
Coefficiente di dilatazione termica
Un'altra proprietà termodinamica fondamentale che gli ingegneri dovrebbero considerare è il coefficiente di espansione termica. Il coefficiente di espansione termica è una misura di come cambiano le dimensioni di un oggetto quando esposto a variazioni di temperatura. Esistono tre tipi di coefficienti di espansione termica: volumetrico, areale e lineare.
Poiché le fibre di carbonio sono solitamente solide nella maggior parte delle applicazioni, gli ingegneri dovrebbero concentrarsi principalmente sui coefficienti di dilatazione termica lineare e areale.
La rappresentazione matematica del coefficiente lineare di dilatazione termica è la seguente:
alfa=Coefficiente lineare di dilatazione termica (K^{-1} o 1/K) o (grado F^{-1} o 1/grado F)
L={Lunghezza originale (m) o (ft)
Delta L=Variazione di lunghezza (m) o (ft)
Delta T=Variazione della temperatura (K) o (grado F)
La rappresentazione matematica del coefficiente areale di dilatazione termica è la seguente:
alfa=Coefficiente areale di dilatazione termica (K^{-1} o 1/K) o (grado F^{-1} o 1/grado F)
A={Area originale (m²) o (ft²)
delta A={Variazione di area (m²) o (ft²)
delta T=Variazione della temperatura (K) o (grado F)
Come la conduttività termica, anche il coefficiente di dilatazione termica delle fibre di carbonio può variare notevolmente. Questo coefficiente dipende in gran parte dalla direzione delle fibre di carbonio nella matrice. L'intervallo tipico del coefficiente di dilatazione termica è compreso tra -1 K^{-1} e +8 K^{-1}. La tabella seguente mostra i diversi coefficienti di dilatazione termica per vari materiali.
Le fibre di carbonio hanno un coefficiente di dilatazione termica negativo. Quando il materiale viene riscaldato, si contrae. Gli atomi delle fibre di carbonio sono in genere fissati lungo gli assi x e y. I legami planari che fissano le fibre lungo gli assi x e y sono legami covalenti. Ciò rende la direzione z non fissa e tenuta insieme da forze di van der Waals più deboli.
Quando le fibre di carbonio vengono riscaldate, gli atomi iniziano a vibrare, principalmente nella direzione z. Quando ciò accade, gli atomi vibranti tirano gli atomi adiacenti. L'intero fenomeno fa sì che gli atomi si leghino più strettamente insieme e contraggano il materiale nelle direzioni x e y. Man mano che il calore aumenta e gli atomi iniziano a vibrare, il materiale continua a contrarsi.
In alcune applicazioni, la proprietà di espansione termica negativa può produrre risultati interessanti. Le fibre di carbonio possono essere combinate con una matrice di resina che ha un coefficiente di espansione termica positivo, dove il coefficiente di espansione termica della matrice risultante è prossimo allo zero. Ciò può essere cruciale per alcuni piccoli dispositivi come le apparecchiature di misurazione.