नए उत्पादों को डिजाइन करते समय, इंजीनियरों के पास चुनने के लिए कई तरह की सामग्रियाँ होती हैं। सभी सामग्रियों के गुणों का सही ढंग से विश्लेषण करना और उन्हें अंतिम उत्पाद या अनुप्रयोग के संदर्भ में रखना एक अत्यंत चुनौतीपूर्ण कार्य है। सामग्री के चयन में, दो तापीय गुण महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं: तापीय चालकता और तापीय विस्तार का गुणांक।
किसी भी ऊष्मागतिकीय अनुप्रयोग में, सामग्री की ऊष्मीय चालकता और ऊष्मीय विस्तार के गुणांक पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए, विशेष रूप से उन अनुप्रयोगों में जहां ये गुण अंतिम प्रदर्शन और सेवा जीवन को प्रभावित करते हैं। उचित ऊष्मीय चालकता वाली सामग्री का चयन दक्षता और प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। अपने अद्वितीय ऊष्मीय गुणों के कारण, कार्बन फाइबर का उपयोग कई नए अनुप्रयोग क्षेत्रों में किया जा सकता है।
ऊष्मीय चालकता
थर्मल चालकता, जिसे सरल शब्दों में थर्मल विसरणशीलता के रूप में भी जाना जाता है, यह माप है कि किसी दिए गए पदार्थ के माध्यम से गर्मी कितनी प्रभावी रूप से प्रवाहित होती है। एक सरल आणविक संरचना वाली सामग्रियों में आमतौर पर उच्च तापीय चालकता भी होती है। जब पदार्थों को गर्म किया जाता है, तो कण ऊर्जा प्राप्त करते हैं और कंपन करते हैं। इस कंपन के कारण अणु अन्य कणों से टकराते हैं और उनमें ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं। जितनी अधिक गर्मी लागू होती है, उतना ही अधिक कंपन और ऊर्जा स्थानांतरण होता है।
तापीय चालकता का गणितीय निरूपण इस प्रकार है:
K=ऊष्मीय चालकता (W/(mK)) या (Btu/(hr ft डिग्री F))
क्यू=ताप स्थानांतरण (W) या (Btu)
d=दो समतापी तलों के बीच की दूरी (मी) या (फीट)
= सतह क्षेत्र (m²) या (ft²)
डेल्टा टी=तापमान अंतर (के) या (डिग्री फ़ारेनहाइट)
थर्मल चालकता सामग्री के साथ बदलती रहती है। चूँकि कार्बन फाइबर अलग-अलग प्रकार के होते हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने विशिष्ट गुण होते हैं, इसलिए वे पानी जैसी अन्य सामग्रियों से भिन्न होते हैं। नीचे दी गई तालिका विभिन्न सामग्रियों की अलग-अलग थर्मल चालकता दिखाती है।
निर्माताओं और शोधकर्ताओं ने विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उच्च या निम्न तापीय चालकता वाले कार्बन फाइबर कंपोजिट विकसित किए हैं। तापीय चालकता मापने की विधि भी अंतिम माप परिणाम को प्रभावित करती है। यदि तापीय चालकता को तंतुओं के साथ मापा जाता है, तो यह आमतौर पर तंतुओं के पार (लंबवत दिशा) मापने की तुलना में अधिक होती है।
उच्च तापीय चालकता वाले कार्बन फाइबर का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक जापानी कंपनी ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए मोबाइल अनुप्रयोगों में बैटरी के क्षरण को रोकने के लिए कार्बन फाइबर विकसित किया है। अंतिम अनुप्रयोग यह निर्धारित करेगा कि इंजीनियरों को कम या उच्च तापीय चालकता वाले कार्बन फाइबर की आवश्यकता है या नहीं।
तापीय प्रसार गुणांक
एक और महत्वपूर्ण ऊष्मागतिकी गुण जिस पर इंजीनियरों को विचार करना चाहिए वह है तापीय विस्तार का गुणांक। तापीय विस्तार का गुणांक इस बात का माप है कि तापमान में परिवर्तन के संपर्क में आने पर किसी वस्तु के आयाम कैसे बदलते हैं। तापीय विस्तार के गुणांक तीन प्रकार के होते हैं: आयतन, क्षेत्र और रैखिक।
चूंकि अधिकांश अनुप्रयोगों में कार्बन फाइबर आमतौर पर ठोस होते हैं, इसलिए इंजीनियरों को सबसे अधिक ध्यान क्षेत्र और तापीय विस्तार के रैखिक गुणांक पर देना चाहिए।
तापीय प्रसार के रैखिक गुणांक का गणितीय निरूपण इस प्रकार है:
अल्फ़ा=तापीय प्रसार का रैखिक गुणांक (K^{-1} या 1/K) या (डिग्री F^{-1} या 1/डिग्री F)
एल={मूल लंबाई (मीटर) या (फीट)
डेल्टा एल=लंबाई में परिवर्तन (मी.) या (फीट)
डेल्टा टी=तापमान परिवर्तन (के) या (डिग्री फ़ारेनहाइट)
तापीय प्रसार के क्षेत्रीय गुणांक का गणितीय निरूपण इस प्रकार है:
अल्फा=क्षेत्रीय तापीय प्रसार गुणांक (K^{-1} या 1/K) या (डिग्री F^{-1} या 1/डिग्री F)
= {मूल क्षेत्रफल (m²) या (ft²)
डेल्टा A={क्षेत्रफल परिवर्तन (m²) या (ft²)
डेल्टा टी=तापमान परिवर्तन (के) या (डिग्री फ़ारेनहाइट)
तापीय चालकता की तरह, कार्बन फाइबर के तापीय प्रसार गुणांक में भी बहुत भिन्नता हो सकती है। यह गुणांक काफी हद तक मैट्रिक्स में कार्बन फाइबर की दिशा पर निर्भर करता है। तापीय प्रसार गुणांक की सामान्य सीमा -1 K^{-1} से +8 K^{-1} के बीच होती है। नीचे दी गई तालिका विभिन्न सामग्रियों के लिए तापीय प्रसार के विभिन्न गुणांकों को दर्शाती है।
कार्बन फाइबर में तापीय विस्तार का गुणांक नकारात्मक होता है। जब पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो यह सिकुड़ जाता है। कार्बन फाइबर परमाणु आमतौर पर x और y अक्षों के साथ स्थिर होते हैं। x और y अक्षों के साथ फाइबर को स्थिर करने वाले समतलीय बंधन सहसंयोजक बंधन होते हैं। इससे z दिशा स्थिर नहीं रहती और कमजोर वैन डेर वाल्स बलों द्वारा एक साथ बंधी रहती है।
जब कार्बन फाइबर को गर्म किया जाता है, तो परमाणु कंपन करना शुरू कर देते हैं, मुख्य रूप से z दिशा में। ऐसा होने पर, कंपन करने वाले परमाणु आस-पास के परमाणुओं को खींचते हैं। इस पूरी घटना के कारण परमाणु एक-दूसरे से और अधिक मजबूती से जुड़ जाते हैं और x और y दिशाओं में पदार्थ को सिकोड़ते हैं। जैसे-जैसे गर्मी बढ़ती है और परमाणु कंपन करना शुरू करते हैं, पदार्थ सिकुड़ता रहता है।
कुछ अनुप्रयोगों में, नकारात्मक तापीय विस्तार गुण कुछ दिलचस्प परिणाम उत्पन्न कर सकता है। कार्बन फाइबर को एक रेजिन मैट्रिक्स के साथ जोड़ा जा सकता है जिसमें तापीय विस्तार का सकारात्मक गुणांक होता है, जहाँ परिणामी मैट्रिक्स का तापीय विस्तार गुणांक शून्य के करीब होता है। यह मापने वाले उपकरणों जैसे कुछ छोटे उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है।