새로운 제품을 설계할 때 엔지니어는 선택할 수 있는 다양한 소재가 있습니다. 모든 소재 특성을 올바르게 분석하고 최종 제품이나 응용 분야의 맥락에 배치하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 소재 선택에서 두 가지 열적 특성이 중요한 역할을 합니다. 열전도도와 열팽창 계수입니다.
모든 열역학적 응용 분야에서 재료의 열전도도와 열팽창 계수는 특히 이러한 특성이 최종 성능과 서비스 수명에 영향을 미치는 응용 분야에서 신중하게 고려해야 합니다. 적절한 열전도도를 가진 재료를 선택하면 효율성과 성능을 개선할 수 있습니다. 고유한 열적 특성으로 인해 탄소 섬유는 많은 새로운 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.
열전도도
열전도도, 열 확산도라고도 알려진 가장 간단한 용어는 주어진 재료를 통해 열이 얼마나 효과적으로 흐르는지를 측정하는 것입니다. 분자 구조가 간단한 재료는 일반적으로 열전도도가 더 높습니다. 재료가 가열되면 입자는 에너지를 얻고 진동합니다. 이 진동으로 인해 분자는 다른 입자와 충돌하여 에너지를 전달합니다. 더 많은 열이 가해질수록 진동과 에너지 전달이 더 많이 발생합니다.
열전도도의 수학적 표현은 다음과 같습니다.
K=열전도도(W/(mK)) 또는 (Btu/(hr ft degree F))
Q =열전달(W) 또는 (Btu)
d=두 등온 평면 사이의 거리(m) 또는 (ft)
= 표면적(m²) 또는 (ft²)
델타 T=온도차(K) 또는 (화씨)
열전도도는 재료에 따라 다릅니다. 탄소 섬유는 다양한 유형으로 나뉘며 각각 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 물과 같은 다른 재료와 다릅니다. 아래 표는 다양한 재료의 열전도도를 보여줍니다.
제조업체와 연구자들은 다양한 응용 분야에 대해 높거나 낮은 열 전도도를 가진 탄소 섬유 복합재를 개발했습니다. 열 전도도를 측정하는 방법도 최종 측정 결과에 영향을 미칩니다. 열 전도도를 섬유를 따라 측정하는 경우 일반적으로 섬유를 가로질러 측정할 때(수직 방향)보다 높습니다.
높은 열전도도를 가진 탄소 섬유는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 일본 회사는 전자 기기의 모바일 응용 분야에서 배터리 열화를 억제하기 위해 탄소 섬유를 개발했습니다. 최종 응용 분야에서는 엔지니어가 낮은 열전도도 또는 높은 열전도도를 가진 탄소 섬유가 필요한지 여부를 결정해야 합니다.
열팽창 계수
엔지니어가 고려해야 할 또 다른 핵심 열역학적 특성은 열팽창 계수입니다. 열팽창 계수는 온도 변화에 노출되었을 때 물체의 치수가 어떻게 변하는지를 측정하는 것입니다. 열팽창 계수에는 체적, 면적 및 선형의 세 가지 유형이 있습니다.
탄소 섬유는 대부분의 응용 분야에서 일반적으로 단단하기 때문에 엔지니어는 열팽창의 면적 계수와 선형 계수에 가장 집중해야 합니다.
선형 열팽창 계수의 수학적 표현은 다음과 같습니다.
알파=열팽창의 선형 계수(K^{-1} 또는 1/K) 또는 (도 F^{-1} 또는 1/도 F)
L={원래 길이(m) 또는 (피트)
델타 L=길이 변화(m) 또는 (피트)
델타 T=온도 변화(K) 또는 (화씨)
열팽창 계수의 수학적 표현은 다음과 같습니다.
알파=열팽창의 면적 계수(K^{-1} 또는 1/K) 또는 (도 F^{-1} 또는 1/도 F)
= {원래 면적(m²) 또는 (ft²)
델타 A={면적 변화(m²) 또는 (ft²)
델타 T=온도 변화(K) 또는 (화씨)
열전도도와 마찬가지로 탄소 섬유의 열팽창 계수도 크게 다를 수 있습니다. 이 계수는 매트릭스의 탄소 섬유 방향에 크게 의존합니다. 열팽창 계수의 일반적인 범위는 -1 K^{-1}에서 +8 K^{-1} 사이입니다. 아래 표는 다양한 재료의 다른 열팽창 계수를 보여줍니다.
탄소 섬유는 열팽창 계수가 음수입니다. 재료가 가열되면 수축합니다. 탄소 섬유 원자는 일반적으로 x축과 y축을 따라 고정됩니다. x축과 y축을 따라 섬유를 고정하는 평면 결합은 공유 결합입니다. 이로 인해 z 방향은 고정되지 않고 약한 반데르발스 힘으로 함께 고정됩니다.
탄소 섬유가 가열되면 원자가 진동하기 시작하는데, 주로 z 방향으로 진동합니다. 진동하는 원자는 인접한 원자를 잡아당깁니다. 이 현상 전체로 인해 원자가 더 단단히 결합하고 x 및 y 방향으로 재료가 수축합니다. 열이 증가하고 원자가 진동하기 시작하면 재료가 계속 수축합니다.
일부 응용 분야에서는 음의 열 팽창 특성이 흥미로운 결과를 낼 수 있습니다. 탄소 섬유는 양의 열 팽창 계수를 갖는 수지 매트릭스와 결합될 수 있으며, 여기서 결과 매트릭스의 열 팽창 계수는 0에 가깝습니다. 이는 측정 장비와 같은 일부 소형 장치에 중요할 수 있습니다.