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在設(shè)計新產(chǎn)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(chǎn)品或應用的環(huán)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(fā)揮著重要作用：導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。

 

 

在任何熱力學應用中，都應仔細考慮材料的導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，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(shù)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(lǐng)域。

 

導熱系數(shù)

 

導熱系數(shù)又稱為熱導率，用最簡單的術(shù)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(jié)構(gòu)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(fā)生的振動和能量傳遞就越多。

 

導熱系數(shù)的數(shù)學表示如下：

 

 

K=導熱系數(shù)/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(shù)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(shù)。

 

 

 

制造商和研究人員根據(jù)不同的應用開發(fā)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(shù)方法不同，也會影響最終的測量結(jié)果。如果沿纖維測量導熱系數(shù)，則其導熱系數(shù)通常高于穿過纖維（垂直方向）上進行測量時的導熱系數(shù)。

 

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(fā)了碳纖維，用于抑制電子設(shè)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(shù)低或高的碳纖維。

 

熱膨脹系數(shù)

 

工程師應考慮的另一個關(guān)鍵熱力學性質(zhì)是熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)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(shù)：體積、區(qū)域和線性。

 

由于碳纖維在大多數(shù)應用中通常是實心的，因此工程師最應該關(guān)注的是熱膨脹的面積系數(shù)和線性系數(shù)。

 

以下是線性熱膨脹系數(shù)的數(shù)學表示：

 

 

α=線性熱膨脹系數(shù)（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(shù)的數(shù)學表示：

 

 

α=面積熱膨脹系數(shù)（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(shù)類似，碳纖維的熱膨脹系數(shù)也會有很大的差異。該系數(shù)在很大程度上取決于基體中碳纖維的方向。熱膨脹系數(shù)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(shù)。

 

 

碳纖維具有負的熱膨脹系數(shù)。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(fā)生時，振動的原子會拉動相鄰的原子。整個現(xiàn)象將使原子更緊密地結(jié)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(xù)收縮。

 

在某些應用程序中使用時，負熱膨脹屬性可以產(chǎn)生一些有趣的結(jié)果。碳纖維可以結(jié)合到具有正熱膨脹系數(shù)的樹脂基體中，其中所得基體的熱膨脹系數(shù)接近于零。這對于一些小型設(shè)備如計量設(shè)備可能至關(guān)重要。