碳纤维导热系数和热膨胀系数

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。在材料选择中可能起重要作用的两个热特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，尤其是在这些属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，热导率是衡量热量如何有效地流过给定材料的量度。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更多。这种振动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。热导率在数学上表示如下：

K = 热导率 (W/(mK)) 或 (Btu/(hrft*°F))Q = 传热量 (W) 或 (Btu)d = 两个等温平面之间的距离 (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化，每种变化都有其独特的特性，不像其他材料，如水。查看下表，了解各种材料的不同热导率。

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测量。如果沿光纤测量导热率，则导热率通常高于沿光纤进行测量的导热率。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可抑制电子设备移动应用中电池退化的碳纤维。最终应用应决定工程师是否需要低导热率或高导热率的碳纤维。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尺寸在暴露于温度变化时如何变化的量度。热膨胀系数分为三种：- 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注的两个。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)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)与热导率类似，碳纤维的热膨胀系数也有很大差异。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为 -1 K ^-1至 +8 K ^-1。查看下表，了解各种材料的不同热膨胀系数。

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 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 方向上。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 方向上收缩材料。随着热量的增加和原子开始更多的振动，材料将继续收缩。此属性在某些应用程序中使用时会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。这对于一些小运动可能很关键的应用很有用，例如计量设备。