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碳纤维复合材料的导热系数与热膨胀系数
发布时间:2021-10-29 15:45 | 浏览次数:


在设计新产品或应用时,工程师有多种材料选择。正确分析所有材料特性,同时将它们放入最终产品或应用的环境中,是一项极其艰巨的任务。可以在材料选择中发挥重要作用的两个热属性是热导率和热膨胀系数。

在任何传热应用中,都应仔细考虑热导率和热膨胀系数,尤其是在这些特性影响性能和寿命的应用中。选择具有适当导热性的材料可以提高效率和性能。由于其独特的热性能,碳纤维可用于新的应用。

导热系数

用最简单的术语来说,热导率是衡量热量流过给定材料的效率的指标。具有简单分子结构的材料通常具有更高的热导率。当材料被加热时,粒子将获得能量并振动得更多。这种振动会导致分子撞击其他粒子并将能量传递给它们。施加的热量越多,发生的振动和能量传递就越多。

热导率用数学表示如下:

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)

导热系数因材料而异。由于碳纤维有如此多的变体,与其他材料(例如水)不同,每种变体都有其独特的特性。查看下表,了解各种材料的不同热导率。

 

 

材料

导热系数 (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铝

167

超高模量 (110 Msi) 碳纤维(仅纤维)

200

金子

310

 

制造商和研究人员根据应用开发了具有高导热性或低导热性的碳纤维复合材料。测量热导率的方式也会影响最终的测量结果。如果沿纤维测量热导率,则其电导率通常高于沿纤维测量的热导率。

具有高导热性的碳纤维可用于多种应用。例如,一家日本公司开发了碳纤维,可抑制电子设备移动应用中的电池退化。最终应用应决定工程师是否需要具有低导热性或高导热性的碳纤维。

 

工程师应该考虑的另一个关键热力学特性是热膨胀系数。

热膨胀系数

热膨胀系数是衡量物体在温度变化时大小如何变化的指标。

存在三种类型的热膨胀系数:

- 体积

- 区域

- 线性

由于碳纤维在大多数应用中通常是实心的,因此面积和线性热膨胀系数是工程师最应该关心的两个问题。

下面是线性热膨胀系数的数学表示:

α = 面积热膨胀系数(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)

118开奖现场直播 下面是面积热膨胀系数的数学表示:

α = 面积热膨胀系数(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,碳纤维的热膨胀系数可以有很大差异。该系数很大程度上取决于基体中碳纤维的方向。热膨胀系数的典型范围是从 -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热膨胀系数。

 

 

材料

热膨胀系数 (K -1 )

钻石

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铝

2.36 × 10 -5

带领

2.9 × 10 -5

 

碳纤维可以具有负的热膨胀系数。当材料受热时,它会收缩。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。当这种情况发生时,振动的原子会拉动相邻的原子。这整个现象将使原子靠得更近,并在 x 和 y 方向收缩材料。随着热量的增加和原子开始更多地振动,材料将继续收缩。

在某些应用程序中使用时,此属性可以产生一些有趣的结果。碳纤维可以结合到具有正热膨胀系数的树脂基体中,其中所得基体的热膨胀系数接近于零。这对于某些小运动可能至关重要的应用非常有用,例如计量设备。

 
 
 
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