Lors de la conception de nouveaux produits, les ingénieurs ont le choix entre une grande variété de matériaux. Analyser correctement toutes les propriétés des matériaux tout en les plaçant dans le contexte du produit final ou de l'application est une tâche extrêmement difficile. Dans la sélection des matériaux, deux propriétés thermiques jouent un rôle important : la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique.
Dans toute application thermodynamique, la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique des matériaux doivent être soigneusement pris en compte, en particulier dans les applications où ces propriétés affectent les performances finales et la durée de vie. Le choix de matériaux ayant une conductivité thermique appropriée peut améliorer l'efficacité et les performances. En raison de leurs propriétés thermiques uniques, les fibres de carbone peuvent être utilisées dans de nombreux nouveaux domaines d'application.
Conductivité thermique
La conductivité thermique, également appelée diffusivité thermique, est, en termes simples, une mesure de l'efficacité avec laquelle la chaleur circule à travers un matériau donné. Les matériaux à structure moléculaire simple ont généralement aussi une conductivité thermique plus élevée. Lorsque les matériaux sont chauffés, les particules gagnent de l'énergie et vibrent. Cette vibration provoque la collision des molécules avec d'autres particules et leur transfère de l'énergie. Plus la chaleur appliquée est importante, plus les vibrations et le transfert d'énergie sont importants.
La représentation mathématique de la conductivité thermique est la suivante :
K=Conductivité thermique (W/(mK)) ou (Btu/(h ft degré F))
Q =Transfert de chaleur (W) ou (Btu)
d=Distance entre deux plans isothermes (m) ou (ft)
Une superficie de=(m²) ou (ft²)
Delta T=Différence de température (K) ou (degré F)
La conductivité thermique varie selon les matériaux. Les fibres de carbone étant de différents types, chacune possédant ses propres propriétés, elles diffèrent des autres matériaux comme l'eau. Le tableau ci-dessous indique les différentes conductivités thermiques de divers matériaux.
Les fabricants et les chercheurs ont développé des composites en fibre de carbone à conductivité thermique élevée ou faible pour différentes applications. La méthode de mesure de la conductivité thermique affecte également le résultat final de la mesure. Si la conductivité thermique est mesurée le long des fibres, elle est généralement plus élevée que si elle est mesurée transversalement aux fibres (direction perpendiculaire).
Les fibres de carbone à haute conductivité thermique peuvent être utilisées dans diverses applications. Par exemple, une entreprise japonaise a développé des fibres de carbone pour supprimer la dégradation des batteries dans les applications mobiles pour appareils électroniques. L'application finale devrait déterminer si les ingénieurs ont besoin de fibres de carbone à faible ou à haute conductivité thermique.
Coefficient de dilatation thermique
Une autre propriété thermodynamique essentielle que les ingénieurs doivent prendre en compte est le coefficient de dilatation thermique. Le coefficient de dilatation thermique mesure la façon dont les dimensions d'un objet changent lorsqu'il est exposé à des changements de température. Il existe trois types de coefficients de dilatation thermique : volumétrique, surfacique et linéaire.
Étant donné que les fibres de carbone sont généralement solides dans la plupart des applications, les ingénieurs doivent se concentrer principalement sur les coefficients de dilatation thermique surfaciques et linéaires.
La représentation mathématique du coefficient linéaire de dilatation thermique est la suivante :
alpha=Coefficient linéaire de dilatation thermique (K^{-1} ou 1/K) ou ( degré F^{-1} ou 1/ degré F)
L={Longueur d'origine (m) ou (ft)
Delta L=Variation de longueur (m) ou (ft)
Delta T=Variation de température (K) ou (degré F)
La représentation mathématique du coefficient de dilatation thermique surfacique est la suivante :
alpha=Coefficient de dilatation thermique surfacique (K^{-1} ou 1/K) ou (degré F^{-1} ou 1/degré F)
Une={Superficie d'origine (m²) ou (ft²)
delta A={Variation de surface (m²) ou (ft²)
delta T=Variation de température (K) ou (degré F)
Tout comme la conductivité thermique, le coefficient de dilatation thermique des fibres de carbone peut également varier considérablement. Ce coefficient dépend en grande partie de la direction des fibres de carbone dans la matrice. La plage typique du coefficient de dilatation thermique est comprise entre -1 K^{-1} et +8 K^{-1}. Le tableau ci-dessous présente les différents coefficients de dilatation thermique pour divers matériaux.
Les fibres de carbone ont un coefficient de dilatation thermique négatif. Lorsque le matériau est chauffé, il se contracte. Les atomes des fibres de carbone sont généralement fixés le long des axes x et y. Les liaisons planes qui fixent les fibres le long des axes x et y sont des liaisons covalentes. Cela fait que la direction z n'est pas fixe et est maintenue par des forces de van der Waals plus faibles.
Lorsque les fibres de carbone sont chauffées, les atomes commencent à vibrer, principalement dans la direction z. Lorsque cela se produit, les atomes vibrants tirent sur les atomes adjacents. Le phénomène entier provoque une liaison plus étroite des atomes et une contraction du matériau dans les directions x et y. À mesure que la chaleur augmente et que les atomes commencent à vibrer, le matériau continue à se contracter.
Dans certaines applications, la propriété de dilatation thermique négative peut produire des résultats intéressants. Les fibres de carbone peuvent être combinées avec une matrice de résine ayant un coefficient de dilatation thermique positif, où le coefficient de dilatation thermique de la matrice résultante est proche de zéro. Cela peut être crucial pour certains petits appareils tels que les équipements de mesure.