Ao projetar novos produtos, os engenheiros têm uma grande variedade de materiais para escolher. Analisar corretamente todas as propriedades do material enquanto as coloca no contexto do produto final ou aplicação é uma tarefa extremamente desafiadora. Na seleção de materiais, duas propriedades térmicas desempenham um papel significativo: a condutividade térmica e o coeficiente de expansão térmica.
Em qualquer aplicação termodinâmica, a condutividade térmica e o coeficiente de expansão térmica dos materiais devem ser cuidadosamente considerados, especialmente em aplicações onde essas propriedades afetam o desempenho final e a vida útil. Escolher materiais com a condutividade térmica apropriada pode melhorar a eficiência e o desempenho. Devido às suas propriedades térmicas únicas, as fibras de carbono podem ser usadas em muitas novas áreas de aplicação.
Condutividade térmica
Condutividade térmica, também conhecida como difusividade térmica, em termos mais simples, é uma medida de quão efetivamente o calor flui através de um dado material. Materiais com uma estrutura molecular simples normalmente também têm maior condutividade térmica. Quando os materiais são aquecidos, as partículas ganham energia e vibram. Essa vibração faz com que as moléculas colidam com outras partículas e transfiram energia para elas. Quanto mais calor é aplicado, mais vibração e transferência de energia ocorrem.
A representação matemática da condutividade térmica é a seguinte:
K=Condutividade térmica (W/(mK)) ou (Btu/(hr ft grau F))
Q =Transferência de calor (W) ou (Btu)
d=Distância entre dois planos isotérmicos (m) ou (pés)
Uma=Área de superfície (m²) ou (ft²)
Delta T=Diferença de temperatura (K) ou (grau F)
A condutividade térmica varia com os materiais. Como as fibras de carbono vêm em diferentes tipos, cada uma com suas propriedades únicas, elas diferem de outros materiais como a água. A tabela abaixo mostra as diferentes condutividades térmicas de vários materiais.
Fabricantes e pesquisadores desenvolveram compósitos de fibra de carbono com alta ou baixa condutividade térmica para diferentes aplicações. O método de medição da condutividade térmica também afeta o resultado final da medição. Se a condutividade térmica for medida ao longo das fibras, ela geralmente é maior do que quando medida através das fibras (direção perpendicular).
Fibras de carbono com alta condutividade térmica podem ser usadas em várias aplicações. Por exemplo, uma empresa japonesa desenvolveu fibras de carbono para suprimir a degradação de baterias em aplicações móveis para dispositivos eletrônicos. A aplicação final deve determinar se os engenheiros precisam de fibras de carbono com baixa ou alta condutividade térmica.
Coeficiente de Expansão Térmica
Outra propriedade termodinâmica essencial que os engenheiros devem considerar é o coeficiente de expansão térmica. O coeficiente de expansão térmica é uma medida de como as dimensões de um objeto mudam quando exposto a mudanças de temperatura. Existem três tipos de coeficientes de expansão térmica: volumétrico, areal e linear.
Como as fibras de carbono são normalmente sólidas na maioria das aplicações, os engenheiros devem se concentrar mais nos coeficientes de área e lineares de expansão térmica.
A representação matemática do coeficiente linear de expansão térmica é a seguinte:
alfa=Coeficiente linear de expansão térmica (K^{-1} ou 1/K) ou (grau F^{-1} ou 1/ grau F)
L={Comprimento original (m) ou (pés)
Delta L=Mudança de comprimento (m) ou (pés)
Delta T=Mudança de temperatura (K) ou (grau F)
A representação matemática do coeficiente de área de expansão térmica é a seguinte:
alfa=Coeficiente de expansão térmica de área (K^{-1} ou 1/K) ou (grau F^{-1} ou 1/ grau F)
A={Área original (m²) ou (ft²)
delta A={Mudança de área (m²) ou (ft²)
delta T=Mudança de temperatura (K) ou (grau F)
Assim como a condutividade térmica, o coeficiente de expansão térmica das fibras de carbono também pode variar muito. Esse coeficiente depende muito da direção das fibras de carbono na matriz. A faixa típica do coeficiente de expansão térmica está entre -1 K^{-1} a +8 K^{-1}. A tabela abaixo mostra os diferentes coeficientes de expansão térmica para vários materiais.
As fibras de carbono têm um coeficiente negativo de expansão térmica. Quando o material é aquecido, ele se contrai. Os átomos da fibra de carbono são tipicamente fixados ao longo dos eixos x e y. As ligações planas que fixam as fibras ao longo dos eixos x e y são ligações covalentes. Isso faz com que a direção z não seja fixa e mantida unida por forças de van der Waals mais fracas.
Quando as fibras de carbono são aquecidas, os átomos começam a vibrar, principalmente na direção z. Conforme isso ocorre, os átomos vibrantes puxam os átomos adjacentes. Todo o fenômeno faz com que os átomos se liguem mais fortemente e contraiam o material nas direções x e y. Conforme o calor aumenta e os átomos começam a vibrar, o material continua a se contrair.
Em algumas aplicações, a propriedade de expansão térmica negativa pode produzir alguns resultados interessantes. Fibras de carbono podem ser combinadas com uma matriz de resina que tem um coeficiente positivo de expansão térmica, onde o coeficiente de expansão térmica da matriz resultante é próximo de zero. Isso pode ser crucial para alguns dispositivos pequenos, como equipamentos de medição.