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嘉峪檢測網 2021-12-13 15:26
在設計新產品時，工程師可以選擇的材料有很多種。正確地分析所有材料特性，同時將它們置于最終產品或應用的環境中，是一項極其困難的任務。而在材料選擇中。有兩個熱學特性發揮著重要作用：導熱系數和熱膨脹系數。
在任何熱力學應用中，都應仔細考慮材料的導熱系數和熱膨脹系數，尤其是在這些特性影響最終性能和使用壽命的應用中。選擇具有適當導熱系數的材料可以提高效率和性能。由于其獨特的熱性能，碳纖維可用于許多新的應用領域。
導熱系數
導熱系數又稱為熱導率，用最簡單的術語來說，它是衡量熱量如何有效地流過給定材料的一種方法。具有簡單分子結構的材料通常也具有較高的導熱性。當材料加熱時，粒子將獲得能量并振動。這種振動會導致分子碰撞到其他粒子并將能量傳遞給它們。施加的熱量越多，發生的振動和能量傳遞就越多。
導熱系數的數學表示如下：
K=導熱系數/熱導率（W/（mK））或（Btu/（hrft*°F））
Q=傳熱量（W）或（Btu）
d=兩個等溫平面之間的距離（m）或（ft）
A=表面積（m²）或（ft²）
ΔT=溫度變化（K）或（°F）
導熱系數因材料而異。由于碳纖維有不同類型，每種類型都有其獨特的特性，與水等其他材料不同。下表顯示了各種材料的不同導熱系數。
制造商和研究人員根據不同的應用開發了具有高導熱性或低導熱性的碳纖維復合材料。測量導熱系數方法不同，也會影響最終的測量結果。如果沿纖維測量導熱系數，則其導熱系數通常高于穿過纖維（垂直方向）上進行測量時的導熱系數。
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，用于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導熱系數低或高的碳纖維。
熱膨脹系數
工程師應考慮的另一個關鍵熱力學性質是熱膨脹系數。熱膨脹系數是一種測量物體在暴露于溫度變化時尺寸如何變化的方法。有三種類型的熱膨脹系數：體積、區域和線性。
由于碳纖維在大多數應用中通常是實心的，因此工程師最應該關注的是熱膨脹的面積系數和線性系數。
以下是線性熱膨脹系數的數學表示：
α=線性熱膨脹系數（K -1或1/K）或（°F -1或1/°F）
L=原始長度（m）或（ft）
ΔL=長度變化（m）或（ft）
ΔT=溫度變化（K）或（°F）
下面是面積熱膨脹系數的數學表示：
α=面積熱膨脹系數（K -1或1/K）或（°F -1或1/°F）
A=原始面積（m²）或（ft²）
δA=面積變化（m²）或（ft²）
δT=溫度變化（K）或（°F）
與導熱系數類似，碳纖維的熱膨脹系數也會有很大的差異。該系數在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圍在 -1 K -1到 +8 K -1 之間。下表顯示了各種材料的不同熱膨脹系數。
碳纖維具有負的熱膨脹系數。材料加熱時會收縮。碳纖維原子通常沿x軸和y軸固定。將纖維固定在x軸和y軸上的平面鍵是共價鍵。這使得z方向不固定，并由較弱的范德華力固定在一起。
當碳纖維被加熱時，原子將開始振動，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。整個現象將使原子更緊密地結合在一起，并在x和y方向上收縮材料。當熱量增加，原子開始振動時，材料將繼續收縮。
在某些應用程序中使用時，負熱膨脹屬性可以產生一些有趣的結果。碳纖維可以結合到具有正熱膨脹系數的樹脂基體中，其中所得基體的熱膨脹系數接近于零。這對于一些小型設備如計量設備可能至關重要。
來源：碳纖維及其復合材料技術
