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碳纖維複合材料的導熱系數與熱膨脹系數
发布时间:2021-10-29 15:45 | 浏览次数:


在設計新産品或應用時,工程師有多種材料選擇。正確分析所有材料特性,同時將它們放入最終産品或應用的環境中,是一項極其艱巨的任務。可以在材料選擇中發揮重要作用的兩個熱屬性是熱導率和熱膨脹系數。

在任何傳熱應用中,都應仔細考慮熱導率和熱膨脹系數,尤其是在這些特性影響性能和壽命的應用中。選擇具有適當導熱性的材料可以提高效率和性能。由于其獨特的熱性能,碳纖維可用于新的應用。

導熱系數

用最簡單的術語來說,熱導率是衡量熱量流過給定材料的效率的指標。具有簡單分子結構的材料通常具有更高的熱導率。當材料被加熱時,粒子將獲得能量並振動得更多。這種振動會導致分子撞擊其他粒子並將能量傳遞給它們。施加的熱量越多,發生的振動和能量傳遞就越多。

熱導率用數學表示如下:

K = 热导率 (W/(mK)) 或 (Btu/(hrft*°F))

Q = 传热量 (W) 或 (Btu)

d = 两个等温面之间的距离 (m) 或 (ft)

A = 表面积 (m²) 或 (ft²)

ΔT = 温度变化 (K) 或 (°F)

導熱系數因材料而异。由于碳纖維有如此多的變體,與其他材料(例如水)不同,每種變體都有其獨特的特性。查看下表,了解各種材料的不同熱導率。

 

 

材料

導熱系數 (W/mK)

0.598

标准模量 (34 Msi) 碳纤维(仅纤维)

9 到 11

AISI 1018 碳钢

51.9

6061-T6鋁

167

超高模量 (110 Msi) 碳纤维(仅纤维)

200

金子

310

 

制造商和研究人員根據應用開發了具有高導熱性或低導熱性的碳纖維複合材料。測量熱導率的方式也會影響最終的測量結果。如果沿纖維測量熱導率,則其電導率通常高于沿纖維測量的熱導率。

具有高導熱性的碳纖維可用于多種應用。例如,一家日本公司開發了碳纖維,可抑制電子設備移動應用中的電池退化。最終應用應決定工程師是否需要具有低導熱性或高導熱性的碳纖維。

 

工程師應該考慮的另一個關鍵熱力學特性是熱膨脹系數。

熱膨脹系數

熱膨脹系數是衡量物体在温度变化时大小如何变化的指标。

存在三种类型的熱膨脹系數:

- 体积

- 区域

- 线性

由于碳纤维在大多数应用中通常是实心的,因此面积和线性熱膨脹系數是工程师最应该关心的两个问题。

下面是线性熱膨脹系數的数学表示:

α = 面积熱膨脹系數(K -1或 1/K)或(°F -1或 1/°F)

L = 原始长度 (m) 或 (ft)

ΔL = 长度变化 (m) 或 (ft)

ΔT = 温度变化 (K) 或 (°F)

下面是面积熱膨脹系數的数学表示:

α = 面积熱膨脹系數(K -1或 1/K)或(°F -1或 1/°F)

A= 原始面积 (m²) 或 (ft²)

Delta A= 面积变化 (m²) 或 (ft²)

Delta T = 温度变化 (K) 或 (°F)

与导热性类似,碳纤维的熱膨脹系數可以有很大差异。該系數很大程度上取決于基體中碳纖維的方向。熱膨脹系數的典型范围是从 -1 K -1到 +8 K -1 的任何地方查看下表,了解各种材料的不同熱膨脹系數。

 

 

材料

熱膨脹系數 (K -1 )

鑽石

0.1 × 10 -5

碳纤维层压板(0/90 编织)

0.15 × 10 -5

AISI 1018 碳钢

1.2 x 10 -5

金子

1.42 × 10 -5

6061-T6鋁

2.36 × 10 -5

帶領

2.9 × 10 -5

 

碳纤维可以具有负的熱膨脹系數。當材料受熱時,它會收縮。碳纤维原子通常沿 x 轴和 y 轴固定。将纤维固定在 x 和 y 轴上的平面键是共价键。这使得 z 方向不固定,并由更弱的范德华力保持在一起。

当碳纤维被加热时,原子将开始振动,主要是在 z 方向。當這種情況發生時,振動的原子會拉動相鄰的原子。这整个现象将使原子靠得更近,并在 x 和 y 方向收缩材料。隨著熱量的增加和原子開始更多地振動,材料將繼續收縮。

在某些應用程序中使用時,此屬性可以産生一些有趣的結果。碳纤维可以结合到具有正熱膨脹系數的树脂基体中,其中所得基体的熱膨脹系數接近于零。這對于某些小運動可能至關重要的應用非常有用,例如計量設備。

 
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