在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或應(yīng)用時(shí)，工程師有多種材料選擇。精確分析所有材料特征，同時(shí)將它們放入最終產(chǎn)品或應(yīng)用的環(huán)境中，是一項(xiàng)極其艱巨的義務(wù)。可以在材料選擇中發(fā)揮緊張作用的兩個(gè)熱屬性是熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。

在任何傳熱應(yīng)用中，都應(yīng)細(xì)心考慮熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，尤其是在這些特征影響性能和壽命的應(yīng)用中。選擇具有適當(dāng)導(dǎo)熱性的材料可以進(jìn)步服從和性能。因?yàn)槠洫?dú)特的熱性能，碳纖維可用于新的應(yīng)用。

導(dǎo)熱系數(shù)

用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)率是衡量熱量流過(guò)給定材料的服從的指標(biāo)。具有簡(jiǎn)單分子結(jié)構(gòu)的材料通常具有更高的熱導(dǎo)率。當(dāng)材料被加熱時(shí)，粒子將獲得能量并振動(dòng)得更多。這種振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致分子撞擊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(dòng)和能量傳遞就越多。

熱導(dǎo)率用數(shù)學(xué)透露表現(xiàn)如下：

K = 熱導(dǎo)率 (W/(mK)) 或 (Btu/(hrft*°F))

Q = 傳熱量 (W) 或 (Btu)

d = 兩個(gè)等溫面之間的距離 (m) 或 (ft)

A = 外觀積 (m²) 或 (ft²)

ΔT = 溫度轉(zhuǎn)變 (K) 或 (°F)

導(dǎo)熱系數(shù)因材料而異。因?yàn)樘祭w維有如此多的變體，與其他材料（例如水）不同，每種變體都有其獨(dú)特的特征。查看下表，了解各種材料的不同熱導(dǎo)率。

制造商和研究人員根據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)了具有高導(dǎo)熱性或低導(dǎo)熱性的碳纖維復(fù)合材料。測(cè)量熱導(dǎo)率的體例也會(huì)影響最終的測(cè)量效果。假如沿纖維測(cè)量熱導(dǎo)率，則其電導(dǎo)率通常高于沿纖維測(cè)量的熱導(dǎo)率。

具有高導(dǎo)熱性的碳纖維可用于多種應(yīng)用。例如，一家日本公司開(kāi)發(fā)了碳纖維，可克制電子設(shè)備移動(dòng)應(yīng)用中的電池退化。最終應(yīng)用應(yīng)決定工程師是否必要具有低導(dǎo)熱性或高導(dǎo)熱性的碳纖維。

工程師應(yīng)該考慮的另一個(gè)關(guān)鍵熱力學(xué)特征是熱膨脹系數(shù)。

熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)是衡量物體在溫度轉(zhuǎn)變時(shí)大小如何轉(zhuǎn)變的指標(biāo)。

存在三種類(lèi)型的熱膨脹系數(shù)：

- 體積

- 區(qū)域

- 線性

因?yàn)樘祭w維在大多數(shù)應(yīng)用中通常是實(shí)心的，因此面積和線性熱膨脹系數(shù)是工程師最應(yīng)該關(guān)心的兩個(gè)題目。

下面是線性熱膨脹系數(shù)的數(shù)學(xué)透露表現(xiàn)：

α = 面積熱膨脹系數(shù)（K ^-1或 1/K）或（°F ^-1或 1/°F）

L = 原始長(zhǎng)度 (m) 或 (ft)

ΔL = 長(zhǎng)度轉(zhuǎn)變 (m) 或 (ft)

ΔT = 溫度轉(zhuǎn)變 (K) 或 (°F)

下面是面積熱膨脹系數(shù)的數(shù)學(xué)透露表現(xiàn)：

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)

Delta A= 面積轉(zhuǎn)變 (m²) 或 (ft²)

Delta T = 溫度轉(zhuǎn)變 (K) 或 (°F)

與導(dǎo)熱性類(lèi)似，碳纖維的熱膨脹系數(shù)可以有很大差異。該系數(shù)很大程度上取決于基體中碳纖維的方向。熱膨脹系數(shù)的典型范圍是從 -1 K ^-1到 +8 K ^{-1 的}任何地方。查看下表，了解各種材料的不同熱膨脹系數(shù)。

碳纖維可以具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)材料受熱時(shí)，它會(huì)收縮。碳纖維原子通常沿 x 軸和 y 軸固定。將纖維固定在 x 和 y 軸上的平面鍵是共價(jià)鍵。這使得 z 方向不固定，并由更弱的范德華力保持在一路。

當(dāng)碳纖維被加熱時(shí)，原子將開(kāi)始振動(dòng)，重要是在 z 方向。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，振動(dòng)的原子會(huì)拉動(dòng)相鄰的原子。這整個(gè)征象將使原子靠得更近，并在 x 和 y 方向收縮材料。隨著熱量的增長(zhǎng)和原子開(kāi)始更多地振動(dòng)，材料將繼承收縮。

在某些應(yīng)用程序中使用時(shí)，此屬性可以產(chǎn)生一些風(fēng)趣的效果。碳纖維可以結(jié)合到具有正熱膨脹系數(shù)的樹(shù)脂基體中，其中所得基體的熱膨脹系數(shù)接近于零。這對(duì)于某些小活動(dòng)可能至關(guān)緊張的應(yīng)用特別很是有效，例如計(jì)量設(shè)備。