Una descripción general de las propiedades térmicas de la fibra de carbono

La conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica son dos indicadores importantes del rendimiento térmico en aplicaciones de fibra de carbono.

Por lo tanto, esta guía le ayudará a comprender y aprender sobre estas dos propiedades térmicas a fondo, desde sus definiciones, aplicaciones, desafíos y soluciones. Esto le ayudará a optimizar y mejorar sus soluciones de producto, optimizando el rendimiento de los compuestos de fibra de carbono.

1. ¿Qué es la conductividad térmica de la fibra de carbono y el coeficiente de expansión térmica?

1）Conductividad térmica:

Es un indicador que mide la conductividad térmica del material. Se refiere al calor transferido por unidad de área, por unidad de tiempo y por unidad de gradiente de temperatura. Se expresa en K y su unidad es W/mK.

La fórmula es la siguiente:

K=QL/AΔT

K = conductividad térmica (W/mK)

Q = El calor transferido por el material, en (W) o (Btu)

L = Distancia en la dirección de transferencia de calor, en (metros) o (pies)

A = Área de la sección transversal en la dirección de transferencia de calor, en (metros cuadrados) o (pies cuadrados)

ΔT = Diferencia de temperatura durante la transferencia de calor, en (K) o (°F) 

En los diferentes tipos de fibra de carbono, la conductividad térmica no es fija y varía. Cuanto mayor sea el grado de carbonización, es decir, mayor el módulo de la fibra, mayor será la conductividad térmica, que oscila entre 10 y 800 W/mK. A continuación, se presenta una comparación con otros materiales.

2）Coeficiente de expansión térmica (CTE):

Se utiliza para medir cómo cambia el tamaño de un material u objeto al variar la temperatura. Se expresa en α, generalmente en k⁻ o 1/K. 

Los tipos de CTE generalmente se dividen en tres: lineal, de área o de volumen.

La fórmula del coeficiente de expansión térmica lineal es la siguiente:

α =L/ΔLΔT

α = Coeficiente de expansión térmica lineal, (K-1 o 1/K) o (° f-1 o 1/°F)

L= Longitud del material original, (m) o (pies)

ΔL = Variación de la longitud del material, (m) o (pies)

ΔT = Cambio de temperatura, (K) o (°F)

La fórmula del coeficiente de expansión térmica del área es la siguiente:

 α =A/ΔAΔT

α = Coeficiente de expansión térmica del área, (K-1 o 1/K) o (° F-1 o 1/°F)

A= Área del material original, (m²) o (ft²)

ΔA = Cambio de área del material, (m²) o (ft²)

ΔT = Cambio de temperatura, (K) o (°F)

Al igual que la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica de las fibras de carbono varía considerablemente. Este coeficiente depende en gran medida de la dirección de la fibra de carbono en la matriz compuesta. Consulte la tabla a continuación para conocer el coeficiente de expansión térmica de la fibra de carbono y otros materiales.

2. Propiedades térmicas de las aplicaciones de fibra de carbono

Marcaremos la diferencia en su solución industrial. Así, fabricamos compuestos de fibra de carbono con alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica para satisfacer sus necesidades y mejorar el rendimiento de su aplicación.

Utiliza alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica en la dirección de la fibra (longitudinal).

Una de las propiedades destacadas de la fibra de carbono es su alta conductividad térmica y su bajo coeficiente de expansión térmica. Especialmente en la dirección de la fibra, el coeficiente de expansión térmica suele ser negativo o infinitamente cercano a cero. Por lo tanto, gracias a esta característica, podemos fabricar los materiales compuestos que necesita. 

• Equipos de topografía de precisión: Un bajo coeficiente de expansión térmica permite que los instrumentos de fibra de carbono apenas cambien de tamaño con las variaciones de temperatura. Por ejemplo, los instrumentos ópticos, telescopios y trípodes para topografía arquitectónica requieren alta precisión.
• Aeroespacial: Alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica, lo que permite que los accesorios de las naves espaciales mantengan la estabilidad dimensional tanto a bajas como a altas temperaturas.
• UAVs: La estructura del dron, hecha de fibra de carbono, resiste entornos de alta temperatura sin deformarse. Además, mejora la capacidad de disipación de calor del motor y el rendimiento de vuelo. Reduce el daño por fatiga causado por el estrés térmico y prolonga su vida útil.

Al utilizar la diferente conductividad térmica de la fibra de carbono, se puede reducir el alto coeficiente de expansión térmica en la dirección vertical cambiando la dirección de disposición de la fibra y la selección de la matriz.

Es bien sabido que el coeficiente de expansión térmica en la dirección vertical de la fibra de carbono es mayor que en la dirección de la fibra. El material presenta una estabilidad dimensional deficiente. Por lo tanto, el uso de una dirección de laminado transversal de 0°/90°/45° puede reducir su coeficiente de expansión térmica, a la vez que equilibra la anisotropía de la fibra de carbono y aprovecha sus elevadas propiedades térmicas.

• Fabricación automotriz: Los materiales compuestos de fibra de carbono reducen el coeficiente de expansión térmica tras cambiar la dirección de la fibra. Se aplican en piezas como el capó, el chasis y el sistema de frenos del vehículo para garantizar que su tamaño no se deforme en entornos de alta temperatura. Además, su alta conductividad térmica previene la fatiga por tensión térmica causada por las altas temperaturas.
• Equipos deportivos para exteriores: La baja conductividad térmica de los cuadros de bicicleta, raquetas de golf y remos de kayak de fibra de carbono proporciona un buen aislamiento térmico y mejora la comodidad del usuario. Además, su bajo coeficiente de expansión térmica contribuye a estabilizar el tamaño del equipo.
• Equipo de disipación de calor de componentes electrónicos: El uso de materiales compuestos de fibra de carbono para agregar otros materiales como el asfalto puede reducir significativamente su coeficiente de expansión térmica transversal, mejorar la estabilidad dimensional del dispositivo de disipación de calor y utilizar su alta conductividad térmica para mejorar la capacidad de disipación de calor.

3. Desafíos y soluciones

Desafío 1: Estrés térmico causado por la anisotropía de los materiales de fibra de carbono

Todos sabemos que la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica de la fibra de carbono son muy diferentes en dirección vertical y horizontal. Esto se conoce como anisotropía, lo que provoca una distribución desigual del calor cuando la temperatura en su interior varía. Además, es muy fácil que se fracture o deslamine.

Solución

• Se adopta una dirección de estratificación de la tela de fibra multiángulo, como una dirección de estratificación cruzada de 0°/±45/±90°. Esto reduce su anisotropía y, finalmente, contribuye a equilibrar su conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica.
• Seleccione una matriz con baja expansión térmica: Al fabricar compuestos reforzados con fibra de carbono, cuanto mayor sea el coeficiente de expansión térmica de la matriz seleccionada, mayor será el coeficiente de expansión térmica del material fabricado. Por lo tanto, la matriz con baja expansión térmica puede reducir el coeficiente de expansión térmica en la dirección vertical y mejorar la estabilidad dimensional general.

Desafío 2: En un entorno de alta temperatura, el rendimiento es fácil de degradar.

Los sustratos de los compuestos de fibra de carbono, como las resinas epoxi, tienden a fundirse o descomponerse a altas temperaturas. Con el tiempo, el coeficiente de expansión térmica cambiará y la estabilidad dimensional se verá afectada.

Solución:

• Utilice resina epoxi resistente a altas temperaturas u otra resina de poliéter éter cetona PEEK para mejorar la estabilidad dimensional.
• La superficie del compuesto está recubierta con un revestimiento resistente a altas temperaturas para evitar que la matriz pierda su rendimiento en un entorno de alta temperatura.

Desafío 3: Los datos son difíciles de controlar y medir

La conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica se ven afectados por el proceso de producción, el material base, la orientación de la fibra y otros factores, por lo que es difícil medirlos y controlarlos con precisión.

Solución:

• Utilice métodos de medición estandarizados como ASTM E831
• Monitoreo y retroalimentación en tiempo real: Introducción de la tecnología de monitoreo en tiempo real en la producción de compuestos de fibra de carbono. Ajuste dinámico de los datos para controlar con precisión su conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica.
• Crear una base de datos de producción de materiales: acumular experiencia y registrar datos en tiempo real durante el proceso de producción. Establecer la base de datos de materiales. Proporcionar referencias de datos precisas y soporte técnico para el diseño y la producción.

4. Conclusión

Con un profundo conocimiento y análisis de la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica de la fibra de carbono, podrá equilibrar mejor su anisotropía y estabilidad dimensional en el diseño de productos. Adáptese a su aplicación para aumentar la competitividad de sus productos en el mercado.

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