Izstrādājot jaunus produktus, inženieriem ir pieejams plašs materiālu klāsts, no kuriem izvēlēties. Pareizi analizēt visas materiāla īpašības, vienlaikus ievietojot tās galaprodukta vai lietojuma kontekstā, ir ārkārtīgi sarežģīts uzdevums. Materiālu izvēlē būtiska nozīme ir divām siltuma īpašībām: siltumvadītspējai un siltuma izplešanās koeficientam.
Jebkurā termodinamiskā pielietojumā rūpīgi jāapsver materiālu siltumvadītspēja un termiskās izplešanās koeficients, jo īpaši gadījumos, kad šīs īpašības ietekmē galīgo veiktspēju un kalpošanas laiku. Izvēloties materiālus ar atbilstošu siltumvadītspēju, var uzlabot efektivitāti un veiktspēju. Pateicoties to unikālajām termiskajām īpašībām, oglekļa šķiedras var izmantot daudzās jaunās pielietojuma jomās.
Siltumvadītspēja
Siltumvadītspēja, kas vienkāršākā izteiksmē pazīstama arī kā siltuma difūzija, ir mērs, cik efektīvi siltums plūst caur noteiktu materiālu. Materiāliem ar vienkāršu molekulāro struktūru parasti ir arī augstāka siltumvadītspēja. Materiālus karsējot, daļiņas iegūst enerģiju un vibrē. Šī vibrācija izraisa molekulu sadursmi ar citām daļiņām un nodod tām enerģiju. Jo vairāk siltuma tiek pielietots, jo vairāk notiek vibrācijas un enerģijas pārnešana.
Siltumvadītspējas matemātiskais attēlojums ir šāds:
K=Siltumvadītspēja (W/(mK)) vai (Btu/(hr ft grāds F))
Q =Siltuma pārnese (W) vai (Btu)
d=Attālums starp divām izotermiskām plaknēm (m) vai (pēdas)
A=Virsmas laukums (m²) vai (ft²)
Delta T=Temperatūras starpība (K) vai ( F grāds)
Siltumvadītspēja atšķiras atkarībā no materiāliem. Tā kā oglekļa šķiedras ir dažāda veida, katrai no tām ir unikālas īpašības, tās atšķiras no citiem materiāliem, piemēram, ūdens. Zemāk esošajā tabulā parādītas dažādu materiālu atšķirīgās siltumvadītspējas.
Ražotāji un pētnieki ir izstrādājuši oglekļa šķiedras kompozītmateriālus ar augstu vai zemu siltumvadītspēju dažādiem lietojumiem. Siltumvadītspējas mērīšanas metode ietekmē arī galīgo mērījumu rezultātu. Ja siltumvadītspēju mēra gar šķiedrām, tā parasti ir augstāka nekā mērot pāri šķiedrām (perpendikulārais virziens).
Oglekļa šķiedras ar augstu siltumvadītspēju var izmantot dažādos pielietojumos. Piemēram, japāņu uzņēmums ir izstrādājis oglekļa šķiedras, lai nomāktu akumulatora degradāciju elektronisko ierīču mobilajās lietojumprogrammās. Galīgajā pieteikumā būtu jānosaka, vai inženieriem ir vajadzīgas oglekļa šķiedras ar zemu vai augstu siltumvadītspēju.
Termiskās izplešanās koeficients
Vēl viena svarīga termodinamiskā īpašība, kas inženieriem būtu jāņem vērā, ir termiskās izplešanās koeficients. Termiskās izplešanās koeficients ir mērs, kā mainās objekta izmēri, pakļaujoties temperatūras izmaiņām. Ir trīs veidu termiskās izplešanās koeficienti: tilpuma, apgabala un lineārais.
Tā kā vairumā lietojumu oglekļa šķiedras parasti ir cietas, inženieriem visvairāk jākoncentrējas uz termiskās izplešanās apgabala un lineārajiem koeficientiem.
Lineārā termiskās izplešanās koeficienta matemātiskais attēlojums ir šāds:
alfa=Lineārais termiskās izplešanās koeficients (K^{-1} vai 1/K) vai ( grāds F^{-1} vai 1/ grāds F)
L={Sākotnējais garums (m) vai (pēdas)
Delta L=Garuma maiņa (m) vai (pēdas)
Delta T=Temperatūras izmaiņas (K) vai ( F grāds)
Apgabala termiskās izplešanās koeficienta matemātiskais attēlojums ir šāds:
alfa=Termiskās izplešanās apgabala koeficients (K^{-1} vai 1/K) vai ( grāds F^{-1} vai 1/ grāds F)
A={Sākotnējā platība (m²) vai (ft²)
delta A={Platības maiņa (m²) vai (ft²)
delta T=Temperatūras maiņa (K) vai ( F grāds)
Tāpat kā siltumvadītspēja, arī oglekļa šķiedru siltuma izplešanās koeficients var ievērojami atšķirties. Šis koeficients lielā mērā ir atkarīgs no oglekļa šķiedru virziena matricā. Tipiskais termiskās izplešanās koeficienta diapazons ir no -1 K^{-1} līdz +8 K^{-1}. Zemāk esošajā tabulā parādīti dažādi termiskās izplešanās koeficienti dažādiem materiāliem.
Oglekļa šķiedrām ir negatīvs termiskās izplešanās koeficients. Kad materiāls tiek uzkarsēts, tas saraujas. Oglekļa šķiedras atomi parasti ir fiksēti gar x un y asīm. Plakanās saites, kas fiksē šķiedras gar x un y asīm, ir kovalentās saites. Tas padara z virzienu nefiksētu un to kopā satur vājāki van der Vāla spēki.
Karsējot oglekļa šķiedras, atomi sāk vibrēt, galvenokārt z virzienā. Kad tas notiek, vibrējošie atomi velk blakus esošos atomus. Visa parādība liek atomiem ciešāk saistīties un sarauties materiāls x un y virzienā. Kad siltums palielinās un atomi sāk vibrēt, materiāls turpina sarukt.
Dažos lietojumos negatīvā termiskās izplešanās īpašība var radīt interesantus rezultātus. Oglekļa šķiedras var kombinēt ar sveķu matricu, kurai ir pozitīvs termiskās izplešanās koeficients, kur iegūtās matricas termiskās izplešanās koeficients ir tuvu nullei. Tas var būt ļoti svarīgi dažām mazām ierīcēm, piemēram, mērierīcēm.