Ein Überblick über die thermischen Eigenschaften von Kohlefasern

Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient sind zwei wichtige Indikatoren für die thermische Leistung bei Kohlefaseranwendungen.

Dieser Leitfaden hilft Ihnen daher, diese beiden thermischen Eigenschaften anhand ihrer Definitionen, Anwendungen, Herausforderungen und Lösungen umfassend zu verstehen und kennenzulernen. Dies hilft Ihnen, Ihre Produktlösungen durch die Verbesserung der Leistung von Kohlefaserverbundwerkstoffen zu optimieren und zu verbessern.

1. Was ist die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlefasern?

1）Wärmeleitfähigkeit:

Es ist ein Indikator zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Es bezieht sich auf die Wärmeübertragung pro Flächeneinheit, Zeiteinheit und Temperaturgradient. Die Einheit ist W/mK.

Die Formel lautet:

K=QL/AΔT

K = Wärmeleitfähigkeit (W/mK)

Q = Die vom Material übertragene Wärme in (W) oder (Btu)

L = Entfernung in Richtung der Wärmeübertragung, in (Meter) oder (Fuß)

A = Querschnittsfläche in Wärmeübertragungsrichtung, in (Quadratmeter) oder (Quadratfuß)

ΔT =Temperaturdifferenz während der Wärmeübertragung, in (K) oder (°F) 

Auch die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Kohlefasertypen ist unterschiedlich. Je höher der Karbonisierungsgrad, d. h. je höher der Fasermodul, desto höher die Wärmeleitfähigkeit. Sie liegt zwischen 10 und 800 W/mK. Einen Vergleich mit anderen Materialien finden Sie weiter unten.

2) Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE):

Damit wird gemessen, wie sich die Größe eines Materials oder Objekts bei einer Temperaturänderung ändert. Der Wert wird in α angegeben, üblicherweise in k-1 oder 1/K. 

Die CTE-Typen werden im Allgemeinen in drei Typen unterteilt: linear, flächig oder volumetrisch.

Die Formel für den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten lautet:

α =L/ΔLΔT

α = linearer Wärmeausdehnungskoeffizient, (K-1 oder 1/K) oder (° f-1 oder 1/°F)

L = Ursprüngliche Materiallänge, (m) oder (ft)

ΔL = Materiallängenabweichung, (m) oder (ft)

ΔT =Temperaturänderung, (K) oder (°F)

Die Formel für den Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Fläche lautet:

 α =A/ΔAΔT

α = Flächenausdehnungskoeffizient (K-1 oder 1/K) oder (°F-1 oder 1/°F)

A = Ursprüngliche Materialfläche, (m²) oder (ft²)

ΔA = Materialflächenänderung, (m²) oder (ft²)

ΔT = Temperaturänderung, (K) oder (°F)

Ähnlich wie die Wärmeleitfähigkeit variiert auch der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstofffasern stark. Er hängt maßgeblich von der Richtung der Kohlenstofffasern in der Verbundmatrix ab. Informationen zum Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kohlenstofffasern und anderen Materialien finden Sie in der folgenden Tabelle.

2. Thermische Eigenschaften von Kohlefaseranwendungen

Wir machen den Unterschied für Ihre Branchenlösung. So können wir Kohlefaserverbundwerkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten herstellen, die Ihren Anforderungen entsprechen und die Leistung Ihrer Anwendung verbessern.

Nutzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung (längs).

Zu den herausragenden Eigenschaften von Kohlefasern zählen ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und ihr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient. Insbesondere in Faserrichtung ist der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Regel negativ oder liegt nahe bei 0. Daher können wir mithilfe dieser Eigenschaft die von Ihnen benötigten Verbundwerkstoffe herstellen. 

• Präzisionsvermessungsgeräte: Dank des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten verändern Instrumente aus Kohlefaser ihre Größe bei Temperaturschwankungen nur geringfügig. Dies gilt beispielsweise für hochpräzise optische Instrumente, Teleskope und Stative für die Architekturvermessung.
• Luft- und Raumfahrt: Hohe Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, wodurch Zubehör für Raumfahrzeuge sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen seine Formstabilität behält.
• Drohnen: Die Drohnenrahmenstruktur aus Kohlefasermaterial übersteht hohe Temperaturen ohne Verformung. Gleichzeitig verbessert sie die Wärmeableitung des Motors und verbessert die Flugleistung. Reduziert Ermüdungsschäden durch thermische Belastung und verlängert die Lebensdauer.

Durch Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern kann der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient in vertikaler Richtung durch Änderung der Faseraufbaurichtung und Matrixauswahl reduziert werden.

Es ist bekannt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient in vertikaler Richtung von Kohlefasern höher ist als in Faserrichtung. Das Material weist eine schlechte Dimensionsstabilität auf. Daher kann die Verwendung einer 0°/90°/45°-Kreuzlage den Wärmeausdehnungskoeffizienten reduzieren, die Anisotropie der Kohlefasern ausgleichen und die hohen thermischen Eigenschaften nutzen.

• Automobilbau: Kohlefaserverbundwerkstoffe reduzieren den Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Richtungsänderung des Fasergewebes. Sie werden an Teilen wie Motorhaube, Fahrwerk und Bremssystem des Fahrzeugs eingesetzt, um sicherzustellen, dass sich die Größe bei hohen Temperaturen nicht verformt. Darüber hinaus beugt die hohe Wärmeleitfähigkeit thermischer Ermüdung durch hohe Temperaturen vor.
• Outdoor-Sportgeräte: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Fahrradrahmen, Golfschlägern und Kajakpaddeln aus Kohlefaser sorgt für eine gute Wärmedämmung und verbessert den Benutzerkomfort. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient trägt zur Stabilisierung der Gerätegröße bei.
• Wärmeableitungsgerät für elektronische Komponenten: Durch die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen und anderen Materialien wie Asphalt kann der Querwärmeausdehnungskoeffizient erheblich verringert, die Dimensionsstabilität des Wärmeableitungsgeräts verbessert und die Wärmeableitungskapazität durch die Nutzung der hohen Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.

3. Herausforderungen und Lösungen

Herausforderung 1: Thermische Spannungen durch die Anisotropie von Kohlefasermaterialien

Wir alle wissen, dass die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlefasern in vertikaler und horizontaler Richtung stark unterschiedlich sind. Dies führt zu Anisotropie, die bei Temperaturschwankungen zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung führt. Außerdem kann es leicht zu Brüchen oder Delaminationen kommen.

Lösung

• Die Schichtrichtung des Mehrwinkelfasergewebes wird übernommen, beispielsweise die Richtung einer Kreuzschichtung von 0°/±45/±90°. Dadurch wird die Anisotropie reduziert und schließlich wird eine Rolle beim Ausgleich der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten gespielt.
• Wählen Sie eine Matrix mit geringer Wärmeausdehnung: Bei der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen gilt: Je höher der Wärmeausdehnungskoeffizient der ausgewählten Matrix, desto höher ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des hergestellten Materials. Daher kann die Matrix mit geringer Wärmeausdehnung den Wärmeausdehnungskoeffizienten in vertikaler Richtung reduzieren und die Gesamtdimensionalität verbessern

Herausforderung 2: In einer Umgebung mit hohen Temperaturen kann die Leistung leicht nachlassen.

Substrate in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise Epoxidharze, neigen bei hohen Temperaturen zum Schmelzen oder Zersetzen. Dadurch ändert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Dimensionsstabilität wird beeinträchtigt.

Lösung:

• Verwenden Sie hochtemperaturbeständiges Epoxidharz oder anderes Polyetheretherketon-PEEK-Harz, um die Dimensionsstabilität zu verbessern.
• Die Oberfläche des Verbundwerkstoffs ist mit einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung versehen, um zu verhindern, dass die Matrix in einer Hochtemperaturumgebung ihre Leistung verliert.

Herausforderung 3: Daten sind schwer zu kontrollieren und zu messen

Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient werden durch den Produktionsprozess, das Grundmaterial, die Faserausrichtung und andere Faktoren beeinflusst und sind daher schwer genau zu messen und zu kontrollieren.

Lösung:

• Verwenden Sie standardisierte Messmethoden wie ASTM E831
• Echtzeitüberwachung und Feedback: Einführung der Echtzeitüberwachungstechnologie bei der Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffen. Passen Sie die Daten dynamisch an, um die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeausdehnungskoeffizienten genau zu steuern.
• Erstellen Sie eine Materialproduktionsdatenbank: Sammeln Sie Erfahrungen und erfassen Sie Daten in Echtzeit während des Produktionsprozesses. Erstellen Sie eine Materialdatenbank. Stellen Sie präzise Datenreferenzen und technischen Support für Design und Produktion bereit.

4. Fazit

Durch ein tiefes Verständnis und die Auseinandersetzung mit der Wärmeleitfähigkeit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kohlefasern können Sie deren Anisotropie und Dimensionsstabilität im Produktdesign besser ausbalancieren. Passen Sie die Eigenschaften an Ihre Anwendung an, um die Marktwettbewerbsfähigkeit Ihrer Produkte zu steigern.

Wenn Sie speziellere Fälle, detaillierte Datenunterstützung oder eine Vielzahl von Kohlefaserplatten, -rohren, -stäben und anderen geformten Zubehörteilen benötigen, wenden Sie sich bitte an JCCMFG.