A la hora de diseñar nuevos productos, los ingenieros tienen a su disposición una amplia variedad de materiales entre los que elegir. Analizar correctamente todas las propiedades de los materiales y situarlas en el contexto del producto o la aplicación final es una tarea sumamente complicada. En la selección de materiales, dos propiedades térmicas desempeñan un papel importante: la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica.
En cualquier aplicación termodinámica, la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica de los materiales deben considerarse cuidadosamente, especialmente en aplicaciones donde estas propiedades afectan el rendimiento final y la vida útil. La elección de materiales con la conductividad térmica adecuada puede mejorar la eficiencia y el rendimiento. Debido a sus propiedades térmicas únicas, las fibras de carbono se pueden utilizar en muchas áreas de aplicación nuevas.
Conductividad térmica
La conductividad térmica, también conocida como difusividad térmica, en términos simples, es una medida de la eficacia con la que el calor fluye a través de un material determinado. Los materiales con una estructura molecular simple también suelen tener una conductividad térmica más alta. Cuando los materiales se calientan, las partículas ganan energía y vibran. Esta vibración hace que las moléculas colisionen con otras partículas y les transfieran energía. Cuanto más calor se aplica, más vibración y transferencia de energía se producen.
La representación matemática de la conductividad térmica es la siguiente:
K=Conductividad térmica (W/(mK)) o (Btu/(hr ft grado F))
Q =Transferencia de calor (W) o (Btu)
d=Distancia entre dos planos isotérmicos (m) o (pies)
A=Área de superficie (m²) o (ft²)
Delta T=Diferencia de temperatura (K) o (grados F)
La conductividad térmica varía según los materiales. Dado que las fibras de carbono son de distintos tipos, cada una con sus propiedades únicas, se diferencian de otros materiales como el agua. La siguiente tabla muestra las diferentes conductividades térmicas de los distintos materiales.
Los fabricantes e investigadores han desarrollado compuestos de fibra de carbono con alta o baja conductividad térmica para diferentes aplicaciones. El método de medición de la conductividad térmica también afecta al resultado final de la medición. Si la conductividad térmica se mide a lo largo de las fibras, normalmente es mayor que cuando se mide transversalmente a las fibras (dirección perpendicular).
Las fibras de carbono con alta conductividad térmica se pueden utilizar en diversas aplicaciones. Por ejemplo, una empresa japonesa ha desarrollado fibras de carbono para suprimir la degradación de las baterías en aplicaciones móviles para dispositivos electrónicos. La aplicación final debe determinar si los ingenieros necesitan fibras de carbono con baja o alta conductividad térmica.
Coeficiente de expansión térmica
Otra propiedad termodinámica clave que los ingenieros deben tener en cuenta es el coeficiente de expansión térmica. El coeficiente de expansión térmica es una medida de cómo cambian las dimensiones de un objeto cuando se lo expone a cambios de temperatura. Existen tres tipos de coeficientes de expansión térmica: volumétrico, superficial y lineal.
Dado que las fibras de carbono suelen ser sólidas en la mayoría de las aplicaciones, los ingenieros deberían centrarse más en los coeficientes lineales y areales de expansión térmica.
La representación matemática del coeficiente de expansión térmica lineal es la siguiente:
alfa=Coeficiente lineal de expansión térmica (K^{-1} o 1/K) o (grado F^{-1} o 1/ grado F)
L={Longitud original (m) o (pies)
Delta L=Cambio de longitud (m) o (pies)
Delta T=Cambio de temperatura (K) o (grado F)
La representación matemática del coeficiente de expansión térmica superficial es la siguiente:
alfa=Coeficiente de expansión térmica superficial (K^{-1} o 1/K) o (grado F^{-1} o 1/ grado F)
A={Área original (m²) o (ft²)
delta A={Cambio de área (m²) o (ft²)
delta T=Cambio de temperatura (K) o (grado F)
Al igual que la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica de las fibras de carbono también puede variar considerablemente. Este coeficiente depende en gran medida de la dirección de las fibras de carbono en la matriz. El rango típico del coeficiente de expansión térmica está entre -1 K^{-1} y +8 K^{-1}. La siguiente tabla muestra los diferentes coeficientes de expansión térmica para varios materiales.
Las fibras de carbono tienen un coeficiente de expansión térmica negativo. Cuando el material se calienta, se contrae. Los átomos de las fibras de carbono suelen estar fijados a lo largo de los ejes x e y. Los enlaces planos que fijan las fibras a lo largo de los ejes x e y son enlaces covalentes. Esto hace que la dirección z no esté fija y se mantenga unida por fuerzas de van der Waals más débiles.
Cuando se calientan las fibras de carbono, los átomos comienzan a vibrar, principalmente en la dirección z. A medida que esto ocurre, los átomos vibrantes atraen a los átomos adyacentes. Todo este fenómeno hace que los átomos se unan más fuertemente entre sí y contraigan el material en las direcciones x e y. A medida que aumenta el calor y los átomos comienzan a vibrar, el material continúa contrayéndose.
En algunas aplicaciones, la propiedad de expansión térmica negativa puede producir algunos resultados interesantes. Las fibras de carbono se pueden combinar con una matriz de resina que tenga un coeficiente de expansión térmica positivo, donde el coeficiente de expansión térmica de la matriz resultante sea cercano a cero. Esto puede ser crucial para algunos dispositivos pequeños, como los equipos de medición.