Yeni ürünler tasarlarken, mühendislerin aralarından seçim yapabilecekleri çok çeşitli malzemeler vardır. Tüm malzeme özelliklerini doğru bir şekilde analiz etmek ve bunları nihai ürün veya uygulama bağlamına yerleştirmek son derece zorlu bir iştir. Malzeme seçiminde, iki termal özellik önemli bir rol oynar: termal iletkenlik ve termal genleşme katsayısı.
Herhangi bir termodinamik uygulamada, malzemelerin termal iletkenliği ve termal genleşme katsayısı, özellikle bu özelliklerin nihai performansı ve hizmet ömrünü etkilediği uygulamalarda dikkatlice düşünülmelidir. Uygun termal iletkenliğe sahip malzemeleri seçmek, verimliliği ve performansı artırabilir. Benzersiz termal özellikleri nedeniyle, karbon lifler birçok yeni uygulama alanında kullanılabilir.
Isıl İletkenlik
Termal iletkenlik, termal difüzivite olarak da bilinir, en basit haliyle, ısının belirli bir malzemeden ne kadar etkili bir şekilde aktığının bir ölçüsüdür. Basit bir moleküler yapıya sahip malzemeler genellikle daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Malzemeler ısıtıldığında, parçacıklar enerji kazanır ve titreşir. Bu titreşim, moleküllerin diğer parçacıklarla çarpışmasına ve onlara enerji aktarmalarına neden olur. Ne kadar fazla ısı uygulanırsa, o kadar fazla titreşim ve enerji transferi meydana gelir.
Isıl iletkenliğin matematiksel gösterimi şu şekildedir:
K=Isı iletkenliği (W/(mK)) veya (Btu/(hr ft derece F))
Q =Isı transferi (W) veya (Btu)
d=İki izotermal düzlem arasındaki mesafe (m) veya (ft)
= Yüzey alanı (m²) veya (ft²)
Delta T=Sıcaklık farkı (K) veya ( derece F)
Isı iletkenliği malzemelere göre değişir. Karbon lifler farklı tiplerde olduğundan ve her biri kendine özgü özelliklere sahip olduğundan, su gibi diğer malzemelerden farklıdırlar. Aşağıdaki tablo çeşitli malzemelerin farklı ısı iletkenliklerini göstermektedir.
Üreticiler ve araştırmacılar, farklı uygulamalar için yüksek veya düşük termal iletkenliğe sahip karbon fiber kompozitler geliştirdiler. Termal iletkenliği ölçme yöntemi de nihai ölçüm sonucunu etkiler. Termal iletkenlik lifler boyunca ölçülürse, genellikle lifler boyunca (dik yönde) ölçüldüğünden daha yüksektir.
Yüksek termal iletkenliğe sahip karbon fiberler çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Örneğin, bir Japon şirketi elektronik cihazlar için mobil uygulamalarda pil bozulmasını bastırmak için karbon fiberler geliştirmiştir. Son uygulama, mühendislerin düşük veya yüksek termal iletkenliğe sahip karbon fiberlere ihtiyaç duyup duymadığını belirlemelidir.
Isıl Genleşme Katsayısı
Mühendislerin dikkate alması gereken bir diğer önemli termodinamik özellik ise termal genleşme katsayısıdır. Termal genleşme katsayısı, bir nesnenin boyutlarının sıcaklık değişimlerine maruz kaldığında nasıl değiştiğinin bir ölçüsüdür. Üç tür termal genleşme katsayısı vardır: hacimsel, alansal ve doğrusal.
Karbon lifler çoğu uygulamada genellikle katı olduğundan, mühendisler termal genleşmenin alansal ve doğrusal katsayılarına daha fazla odaklanmalıdır.
Doğrusal termal genleşme katsayısının matematiksel gösterimi aşağıdaki gibidir:
alfa=Doğrusal termal genleşme katsayısı (K^{-1} veya 1/K) veya ( derece F^{-1} veya 1/ derece F)
L={Orijinal uzunluk (m) veya (ft)
Delta L=Uzunluk değişimi (m) veya (ft)
Delta T=Sıcaklık değişimi (K) veya ( derece F)
Alansal termal genleşme katsayısının matematiksel gösterimi aşağıdaki gibidir:
alfa=Alansal termal genleşme katsayısı (K^{-1} veya 1/K) veya ( derece F^{-1} veya 1/ derece F)
= {Orijinal alan (m²) veya (ft²)
delta A={Alan değişimi (m²) veya (ft²)
delta T=Sıcaklık değişimi (K) veya ( derece F)
Isıl iletkenlik gibi, karbon liflerinin ısıl genleşme katsayısı da büyük ölçüde değişebilir. Bu katsayı büyük ölçüde matristeki karbon liflerinin yönüne bağlıdır. Isıl genleşme katsayısının tipik aralığı -1 K^{-1} ile +8 K^{-1} arasındadır. Aşağıdaki tablo çeşitli malzemeler için farklı ısıl genleşme katsayılarını göstermektedir.
Karbon lifleri negatif bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Malzeme ısıtıldığında büzülür. Karbon lif atomları genellikle x ve y eksenleri boyunca sabitlenir. Lifleri x ve y eksenleri boyunca sabitleyen düzlemsel bağlar kovalent bağlardır. Bu, z yönünün sabit olmamasını ve daha zayıf van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulmasını sağlar.
Karbon lifleri ısıtıldığında atomlar titreşmeye başlar, özellikle z yönünde. Bu gerçekleştiğinde titreşen atomlar bitişik atomları çeker. Tüm bu olgu atomların birbirine daha sıkı bağlanmasına ve malzemeyi x ve y yönlerinde büzüştürmesine neden olur. Isı arttıkça ve atomlar titreşmeye başladıkça malzeme büzülmeye devam eder.
Bazı uygulamalarda, negatif termal genleşme özelliği bazı ilginç sonuçlar üretebilir. Karbon lifler, pozitif termal genleşme katsayısına sahip bir reçine matrisiyle birleştirilebilir, burada elde edilen matrisin termal genleşme katsayısı sıfıra yakındır. Bu, ölçüm ekipmanı gibi bazı küçük cihazlar için kritik olabilir.