Új termékek tervezésekor a mérnökök sokféle anyag közül választhatnak. Az összes anyagtulajdonság helyes elemzése, miközben azokat a végtermék vagy alkalmazás kontextusába helyezi, rendkívül nagy kihívást jelent. Az anyagválasztásban két termikus tulajdonság játszik jelentős szerepet: a hővezető képesség és a hőtágulási együttható.
Minden termodinamikai alkalmazásnál gondosan mérlegelni kell az anyagok hővezető képességét és hőtágulási együtthatóját, különösen azokban az alkalmazásokban, ahol ezek a tulajdonságok befolyásolják a végső teljesítményt és élettartamot. A megfelelő hővezető képességű anyagok kiválasztása javíthatja a hatékonyságot és a teljesítményt. Egyedülálló termikus tulajdonságaiknak köszönhetően a szénszálak számos új alkalmazási területen alkalmazhatók.
Hővezetőképesség
A hővezető képesség, más néven hődiffúzivitás, a legegyszerűbb megfogalmazásban annak mértéke, hogy milyen hatékonyan áramlik át a hő egy adott anyagon. Az egyszerű molekulaszerkezetű anyagok jellemzően magasabb hővezető képességgel is rendelkeznek. Az anyagok melegítésekor a részecskék energiát nyernek és rezegnek. Ez a rezgés hatására a molekulák ütköznek más részecskékkel, és energiát adnak át nekik. Minél több hőt alkalmazunk, annál nagyobb a rezgés és az energiaátadás.
A hővezetőképesség matematikai ábrázolása a következő:
K=Hővezetőképesség (W/(mK)) vagy (Btu/(óra láb fok F))
Q =Hőátadás (W) vagy (Btu)
d=Két izoterm sík távolsága (m) vagy (ft)
A=Felület (m²) vagy (ft²)
Delta T=Hőmérséklet különbség (K) vagy ( F fok)
A hővezető képesség anyagonként változik. Mivel a szénszálak különböző típusúak, mindegyik egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, különböznek más anyagoktól, például a víztől. Az alábbi táblázat a különböző anyagok különböző hővezető képességeit mutatja.
A gyártók és kutatók nagy vagy alacsony hővezető képességű szénszálas kompozitokat fejlesztettek ki különböző alkalmazásokhoz. A hővezető képesség mérésének módja is befolyásolja a végső mérési eredményt. Ha a hővezető képességet a szálak mentén mérjük, az általában nagyobb, mint a szálak mentén mérve (merőleges irány).
A nagy hővezető képességű szénszálak különféle alkalmazásokban használhatók. Egy japán cég például szénszálakat fejlesztett ki, hogy megakadályozza az akkumulátor leromlását az elektronikus eszközök mobilalkalmazásaiban. A végső alkalmazásnak meg kell határoznia, hogy a mérnököknek alacsony vagy magas hővezető képességű szénszálakra van-e szükségük.
Hőtágulási együttható
Egy másik fontos termodinamikai tulajdonság, amelyet a mérnököknek figyelembe kell venniük, a hőtágulási együttható. A hőtágulási együttható annak mértéke, hogy az objektum méretei hogyan változnak, ha hőmérsékletváltozásnak vannak kitéve. A hőtágulási együtthatónak három típusa van: térfogati, területi és lineáris.
Mivel a szénszálak a legtöbb alkalmazásban jellemzően szilárdak, a mérnököknek leginkább a területi és lineáris hőtágulási együtthatóra kell összpontosítaniuk.
A lineáris hőtágulási együttható matematikai ábrázolása a következő:
alfa=Lineáris hőtágulási együttható (K^{-1} vagy 1/K) vagy ( F^{-1} vagy 1/ F fok)
L={Eredeti hossz (m) vagy (ft)
Delta L=Hosszváltozás (m) vagy (ft)
Delta T=Hőmérsékletváltozás (K) vagy (F fok)
A területi hőtágulási együttható matematikai ábrázolása a következő:
alfa=Területi hőtágulási együttható (K^{-1} vagy 1/K) vagy ( F^{-1} vagy 1/ fok F)
A={Eredeti terület (m²) vagy (ft²)
delta A={Terület változás (m²) vagy (ft²)
delta T=Hőmérsékletváltozás (K) vagy ( F fok)
A hővezető képességhez hasonlóan a szénszálak hőtágulási együtthatója is nagymértékben változhat. Ez az együttható nagymértékben függ a mátrixban lévő szénszálak irányától. A hőtágulási együttható tipikus tartománya -1 K^{-1} és +8 K^{-1} között van. Az alábbi táblázat bemutatja a különböző anyagok hőtágulási együtthatóit.
A szénszálak negatív hőtágulási együtthatóval rendelkeznek. Amikor az anyagot felmelegítik, összehúzódik. A szénszál atomok jellemzően az x és y tengely mentén vannak rögzítve. A szálakat az x és y tengely mentén rögzítő síkbeli kötések kovalens kötések. Emiatt a z irány nincs rögzítve, és gyengébb van der Waals erők tartják össze.
A szénszálak hevítésekor az atomok rezegni kezdenek, főleg z irányban. Amikor ez megtörténik, a vibráló atomok húzzák a szomszédos atomokat. Az egész jelenség hatására az atomok szorosabban kötődnek egymáshoz, és összehúzzák az anyagot x és y irányban. Ahogy a hő növekszik és az atomok rezegni kezdenek, az anyag tovább zsugorodik.
Egyes alkalmazásokban a negatív hőtágulási tulajdonság érdekes eredményeket hozhat. A szénszálak kombinálhatók egy pozitív hőtágulási együtthatójú gyantamátrixszal, ahol a kapott mátrix hőtágulási együtthatója közel nulla. Ez döntő fontosságú lehet néhány kis eszköz, például mérőberendezések esetében.