碳纖維是一種非常堅固的聚合物材料,它具有高剛度、高拉伸強度、重量輕、高耐化學性、耐高溫性和低熱膨脹性等優點。
碳纖維的強度是鋼的五倍,硬度則是鋼的兩倍。盡管碳纖維比鋼更堅固堅硬,但它比鋼更輕,使其成為許多零件的理想制造材料。碳纖維通常與其他材料結合形成復合材料。
碳纖維熔點
通常來講,熔化是物質從固相到液相的相變。物質的熔點是發生這種相變的溫度,而熔點還定義了固體和液體可以平衡存在的條件。對于各種化合物和合金,很難定義熔點,因為它們通常是各種化學元素的混合物。碳纖維的熔點為3657°C,但是該熔點與標準大氣壓力有關。
碳纖維導熱系數
固體材料的傳熱特性是用熱導率k(或λ)的特性來測量的,熱導率以W/(m·K)為單位。它是衡量一種物質通過傳導傳遞熱量的能力。值得注意的是,傅立葉定律適用于所有物質,無論其狀態(固體、液體或氣體)如何,因此,它也適用于液體和氣體。碳纖維的導熱系數為100W/(m·K)。
大多數液體和固體的熱導率隨溫度而變化。通常
由于大多數材料幾乎是均勻的,因此可以寫k=k(T)。類似的定義與y和z方向(ky,kz)上的熱導率有關,但對于各向同性材料,熱導率與傳遞方向無關,kx=ky=kz=k。
碳纖維比熱
比熱或稱比熱容,是熱力學中一種與內能有關的重要性質。對于純、簡單可壓縮物質,強度性質cv和cp分別定義為內能u(T,v)和焓h(T,p)的偏導數:
其中下標v和p表示在微分過程中保持固定的變量。特性cv和cp被稱為比熱(或熱容),因為在某些特殊條件下,它們將系統的溫度變化與傳熱增加的能量聯系起來。它們的國際單位制是J/kg K或J/mol K。碳纖維的比熱為800J/gK。
碳纖維熱導率
熱導率是指由于溫度差異而通過給定厚度(以米為單位)的材料的一個正方形區域內傳遞的熱量(以瓦為單位)。材料的熱導率越低,材料抵抗熱傳遞的能力就越大。
計算穿過面積為3 m×10 m的墻壁的熱通量率(a=30 m2)。壁厚15cm(L1),材料為碳纖維,導熱系數為k1=100W/m.K。假設室內和室外溫度分別為22°C和-8°C,內側和外側的對流換熱系數分別為h1=10W/m2K和h2=30W/m2K。請注意,這些對流系數在很大程度上取決于環境和內部條件(風、濕度等),以下來計算通過該墻的熱通量(熱損失)。
計算方案:
如前所述,許多傳熱過程涉及復雜系統,甚至涉及傳導和對流的組合。使用這些復雜系統,通常可以方便地使用整體傳熱系數,即U因子。U因子由類似于牛頓冷卻定律的表達式定義:總傳熱系數與總熱阻有關,并取決于問題的幾何形狀。
假設通過平面壁面進行一維換熱,忽略輻射,則總傳熱系數可計算為:
總傳熱系數為:U=1/(1/10+0.15/100+1/30)=7.42 W/m2K
熱通量可以簡單地計算為:q=7.42[W/m2K]× 30[K]=222.5 W/m2
通過該墻的總熱損失為:qloss=q。A=222.5[W/m2]× 30[m2]=6674.91 W
