عند تصميم منتجات جديدة، يكون أمام المهندسين مجموعة متنوعة من المواد للاختيار من بينها. إن تحليل جميع خصائص المواد بشكل صحيح أثناء وضعها في سياق المنتج النهائي أو التطبيق يعد مهمة صعبة للغاية. في اختيار المواد، تلعب خاصيتان حراريتان دورًا مهمًا: التوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري.
في أي تطبيق ترموديناميكي، يجب مراعاة التوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري للمواد بعناية، وخاصة في التطبيقات حيث تؤثر هذه الخصائص على الأداء النهائي وعمر الخدمة. يمكن أن يؤدي اختيار المواد ذات التوصيل الحراري المناسب إلى تحسين الكفاءة والأداء. نظرًا لخصائصها الحرارية الفريدة، يمكن استخدام ألياف الكربون في العديد من مجالات التطبيق الجديدة.
الموصلية الحرارية
التوصيل الحراري، والمعروف أيضًا باسم الانتشار الحراري، بأبسط العبارات، هو مقياس لمدى فعالية تدفق الحرارة عبر مادة معينة. عادةً ما يكون للمواد ذات البنية الجزيئية البسيطة موصلية حرارية أعلى أيضًا. عندما يتم تسخين المواد، تكتسب الجسيمات الطاقة وتهتز. يتسبب هذا الاهتزاز في اصطدام الجزيئات بجسيمات أخرى ونقل الطاقة إليها. كلما زادت الحرارة المطبقة، زاد حدوث الاهتزاز ونقل الطاقة.
التمثيل الرياضي للتوصيل الحراري هو كما يلي:
K=التوصيل الحراري (W/(mK)) أو (Btu/(hr ft degree F))
س =انتقال الحرارة (وات) أو (وحدة حرارية بريطانية)
د=المسافة بين مستويين متساويين الحرارة (م) أو (قدم)
أ=مساحة السطح (م²) أو (قدم²)
دلتا ت=فرق درجة الحرارة (ك) أو (درجة فهرنهايت)
تختلف الموصلية الحرارية باختلاف المواد. ونظرًا لأن ألياف الكربون تأتي بأنواع مختلفة، ولكل منها خصائصها الفريدة، فإنها تختلف عن المواد الأخرى مثل الماء. يوضح الجدول أدناه الموصلية الحرارية المختلفة للمواد المختلفة.
لقد قام المصنعون والباحثون بتطوير مركبات ألياف الكربون ذات الموصلية الحرارية العالية أو المنخفضة لتطبيقات مختلفة. كما تؤثر طريقة قياس الموصلية الحرارية على نتيجة القياس النهائية. إذا تم قياس الموصلية الحرارية على طول الألياف، فإنها عادة ما تكون أعلى من تلك التي يتم قياسها عبر الألياف (الاتجاه العمودي).
يمكن استخدام ألياف الكربون ذات الموصلية الحرارية العالية في تطبيقات مختلفة. على سبيل المثال، طورت شركة يابانية ألياف كربون لقمع تدهور البطاريات في التطبيقات المحمولة للأجهزة الإلكترونية. يجب أن يحدد التطبيق النهائي ما إذا كان المهندسون بحاجة إلى ألياف كربون ذات موصلية حرارية منخفضة أو عالية.
معامل التمدد الحراري
هناك خاصية ترموديناميكية رئيسية أخرى ينبغي للمهندسين أخذها في الاعتبار وهي معامل التمدد الحراري. معامل التمدد الحراري هو مقياس لكيفية تغير أبعاد الجسم عند تعرضه لتغيرات درجة الحرارة. هناك ثلاثة أنواع من معاملات التمدد الحراري: الحجمي، والمساحي، والخطي.
نظرًا لأن ألياف الكربون صلبة عادةً في معظم التطبيقات، فيجب على المهندسين التركيز بشكل أكبر على معاملات التمدد الحراري المساحية والخطية.
التمثيل الرياضي لمعامل التمدد الحراري الخطي هو كما يلي:
ألفا=معامل التمدد الحراري الخطي (K^{-1} أو 1/K) أو (درجة فهرنهايت^{-1} أو 1/ درجة فهرنهايت)
ل={الطول الأصلي (م) أو (قدم)
دلتا ل=تغير الطول (م) أو (قدم)
دلتا ت=التغير في درجة الحرارة (ك) أو (درجة فهرنهايت)
التمثيل الرياضي لمعامل التمدد الحراري للمساحة هو كما يلي:
ألفا=معامل التمدد الحراري المساحية (K^{-1} أو 1/K) أو (درجة فهرنهايت^{-1} أو 1/ درجة فهرنهايت)
أ={المساحة الأصلية (م²) أو (قدم²)
دلتا أ={تغيير المساحة (م²) أو (قدم²)
دلتا ت=التغير في درجة الحرارة (ك) أو (درجة فهرنهايت)
مثل الموصلية الحرارية، يمكن أن يختلف معامل التمدد الحراري لألياف الكربون أيضًا بشكل كبير. يعتمد هذا المعامل إلى حد كبير على اتجاه ألياف الكربون في المصفوفة. يتراوح النطاق النموذجي لمعامل التمدد الحراري بين -1 K^{-1} إلى +8 K^{-1}. يوضح الجدول أدناه معاملات التمدد الحراري المختلفة للمواد المختلفة.
تتمتع ألياف الكربون بمعامل تمدد حراري سلبي. فعند تسخين المادة، تنكمش. وعادة ما تكون ذرات ألياف الكربون ثابتة على طول المحورين x وy. والروابط المستوية التي تثبت الألياف على طول المحورين x وy هي روابط تساهمية. وهذا يجعل اتجاه z غير ثابت ومتماسكًا بواسطة قوى فان دير فالس الأضعف.
عندما يتم تسخين ألياف الكربون، تبدأ الذرات في الاهتزاز، وخاصة في اتجاه z. وبينما يحدث هذا، تجذب الذرات المهتزة الذرات المجاورة. وتتسبب الظاهرة برمتها في ربط الذرات معًا بشكل أكثر إحكامًا وانكماش المادة في اتجاهي x وy. ومع زيادة الحرارة وبدء الذرات في الاهتزاز، تستمر المادة في الانكماش.
في بعض التطبيقات، يمكن أن تنتج خاصية التمدد الحراري السالب بعض النتائج المثيرة للاهتمام. يمكن دمج ألياف الكربون مع مصفوفة راتنجية لها معامل تمدد حراري موجب، حيث يكون معامل التمدد الحراري للمصفوفة الناتجة قريبًا من الصفر. يمكن أن يكون هذا أمرًا بالغ الأهمية لبعض الأجهزة الصغيرة مثل معدات القياس.