Aperçu des propriétés thermiques de la fibre de carbone

La conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique sont deux indicateurs de performance thermique importants dans les applications en fibre de carbone.

Ce guide vous aide donc à comprendre et à comprendre ces deux propriétés thermiques de manière exhaustive, en présentant leurs définitions, leurs applications, leurs défis et leurs solutions. Il vous permettra d'optimiser et d'améliorer vos solutions produits en améliorant les performances des composites en fibre de carbone.

1. Qu'est-ce que la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone ?

1) Conductivité thermique :

C'est un indicateur permettant de mesurer la conductivité thermique d'un matériau. Il s'agit de la chaleur transférée par unité de surface, par unité de temps et par unité de gradient de température. Elle est exprimée en K et son unité est le W/mK.

La formule suit :

K=QL/AΔT

K = conductivité thermique (W/mK)

Q = La chaleur transférée par le matériau, en (W) ou (Btu)

L = Distance dans la direction du transfert de chaleur, en (mètres) ou (pieds)

A = Surface transversale dans le sens du transfert de chaleur, en (mètres carrés) ou (pieds carrés)

ΔT = Différence de température lors du transfert de chaleur, en (K) ou (°F) 

La conductivité thermique varie selon les types de fibres de carbone. Plus le degré de carbonisation est élevé, c'est-à-dire plus le module de la fibre est élevé, plus la conductivité thermique est élevée, comprise entre 10 et 800 W/mK. Voir ci-dessous une comparaison avec d'autres matériaux.

2) Coefficient de dilatation thermique (CTE) :

Elle permet de mesurer l'évolution de la taille d'un matériau ou d'un objet en fonction de la température. Elle s'exprime en α, généralement en k-1 ou 1/K. 

Les types de CTE sont généralement divisés en trois : linéaire, surfacique ou volumique.

La formule du coefficient de dilatation thermique linéaire est la suivante :

α =L/ΔLΔT

α = Coefficient de dilatation thermique linéaire, (K-1 ou 1/K) ou (° f-1 ou 1/°F)

L = Longueur du matériau d'origine, (m) ou (ft)

ΔL = Variation de longueur du matériau, (m) ou (ft)

ΔT = Variation de température, (K) ou (°F)

La formule du coefficient de dilatation thermique de surface est la suivante :

 α =A/ΔAΔT

α = Coefficient de dilatation thermique de surface, (K-1 ou 1/K) ou (° F-1 ou 1/°F)

A = Surface du matériau d'origine, (m²) ou (ft²)

ΔA = Variation de la surface du matériau, (m²) ou (ft²)

ΔT = Variation de température, (K) ou (°F)

Tout comme la conductivité thermique, le coefficient de dilatation thermique des fibres de carbone varie considérablement. Il dépend en grande partie de l'orientation de la fibre de carbone dans la matrice composite. Veuillez consulter le tableau ci-dessous pour connaître le coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone et d'autres matériaux.

2. Propriétés thermiques des applications de la fibre de carbone

Nous ferons la différence pour votre solution industrielle. Nous pouvons donc fabriquer des composites en fibre de carbone à haute conductivité thermique et faible coefficient de dilatation thermique pour répondre à vos besoins et améliorer les performances de votre application.

Utilise une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique dans le sens de la fibre (longitudinal).

L'une des propriétés remarquables de la fibre de carbone est sa conductivité thermique élevée et son faible coefficient de dilatation thermique. En particulier dans le sens de la fibre, le coefficient de dilatation thermique est généralement négatif ou infiniment proche de 0. Grâce à cette caractéristique, nous pouvons fabriquer les matériaux composites dont vous avez besoin. 

• Équipements topographiques de précision : un faible coefficient de dilatation thermique permet aux instruments en fibre de carbone de très peu varier de taille en fonction des variations de température. C'est notamment le cas des instruments optiques, des télescopes et des trépieds d'arpentage architectural, qui exigent une précision élevée.
• Aérospatiale : conductivité thermique élevée et faible coefficient de dilatation thermique, permettant aux accessoires des engins spatiaux de maintenir une stabilité dimensionnelle à basse et haute température.
• Drones : La structure du châssis en fibre de carbone résiste aux températures élevées sans déformation. Elle améliore également la dissipation thermique du moteur et les performances de vol. Elle réduit les dommages dus à la fatigue due aux contraintes thermiques et prolonge sa durée de vie.

En utilisant la conductivité thermique différente de la fibre de carbone, le coefficient de dilatation thermique élevé dans la direction verticale peut être réduit en modifiant la direction de la disposition des fibres et la sélection de la matrice.

Il est bien connu que le coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone est plus élevé dans le sens vertical que dans le sens de la fibre. Ce matériau présente une faible stabilité dimensionnelle. Par conséquent, l'utilisation d'un sens de stratification croisé 0°/90°/45° permet de réduire son coefficient de dilatation thermique, tout en équilibrant l'anisotropie de la fibre de carbone et en tirant parti de ses propriétés thermiques élevées.

• Fabrication automobile : les matériaux composites en fibre de carbone réduisent le coefficient de dilatation thermique après changement de direction du tissu. Ils sont utilisés sur des pièces telles que le capot, le châssis et le système de freinage des véhicules afin de garantir leur résistance aux déformations sous haute température. De plus, leur conductivité thermique élevée prévient la fatigue due aux contraintes thermiques.
• Équipements de sports de plein air : La faible conductivité thermique des cadres de vélo, raquettes de golf et pagaies de kayak en fibre de carbone assure une bonne isolation thermique et améliore le confort de l'utilisateur. Son faible coefficient de dilatation thermique contribue également à stabiliser la taille de l'équipement.
• Équipement de dissipation thermique des composants électroniques : L'utilisation de matériaux composites en fibre de carbone pour ajouter d'autres matériaux tels que l'asphalte peut réduire considérablement son coefficient de dilatation thermique transversale, améliorer la stabilité dimensionnelle du dispositif de dissipation thermique et utiliser sa conductivité thermique élevée pour améliorer la capacité de dissipation thermique.

3. Défis et solutions

Défi 1 : Contrainte thermique causée par l'anisotropie des matériaux en fibre de carbone

Nous savons tous que la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone varient considérablement selon qu'elle est verticale ou horizontale. Il s'agit d'une anisotropie, qui entraîne une répartition inégale de la chaleur lorsque la température interne varie. De plus, la fibre est très sujette aux fractures et aux délaminages.

Solution

• Le tissu en fibres multi-angles adopte un sens de stratification croisé de 0°/±45/±90°, réduisant ainsi son anisotropie et contribuant ainsi à équilibrer sa conductivité thermique et son coefficient de dilatation thermique.
• Sélectionnez une matrice à faible dilatation thermique : Lors de la fabrication de composites renforcés de fibres de carbone, plus le coefficient de dilatation thermique de la matrice sélectionnée est élevé, plus le coefficient de dilatation thermique du matériau fabriqué est élevé. Par conséquent, la matrice à faible dilatation thermique peut réduire le coefficient de dilatation thermique dans la direction verticale et améliorer la stabilité dimensionnelle globale

Défi 2 : Dans un environnement à haute température, les performances se dégradent facilement.

Les substrats des composites en fibres de carbone, comme les résines époxy, ont tendance à fondre ou à se décomposer à haute température. À terme, le coefficient de dilatation thermique change et la stabilité dimensionnelle est affectée.

Solution:

• Utilisez une résine époxy résistante aux hautes températures ou une autre résine PEEK polyéther éther cétone pour améliorer la stabilité dimensionnelle.
• La surface du composite est recouverte d'un revêtement résistant aux hautes températures pour empêcher la matrice de perdre ses performances dans un environnement à haute température.

Défi 3 : Les données sont difficiles à contrôler et à mesurer

La conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique sont affectés par le processus de production, le matériau de base, l'orientation des fibres et d'autres facteurs, il est donc difficile de les mesurer et de les contrôler avec précision.

Solution:

• Utiliser des méthodes de mesure normalisées telles que ASTM E831
• Surveillance et rétroaction en temps réel : introduction d'une technologie de surveillance en temps réel dans la production de composites en fibre de carbone. Ajustement dynamique des données pour contrôler précisément la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique.
• Créer une base de données de production de matériaux : accumuler de l'expérience et enregistrer les données en temps réel pendant le processus de production. Établir la base de données de matériaux. Fournir des données de référence précises et un soutien technique pour la conception et la production.

4. Conclusion

Grâce à une compréhension approfondie de la conductivité thermique et du coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone, vous pouvez mieux équilibrer son anisotropie et sa stabilité dimensionnelle lors de la conception de vos produits. Adaptez-les à votre application pour accroître leur compétitivité sur le marché.

Si vous avez besoin de cas plus spécifiques, d'un support de données détaillé ou d'une variété de plaques, tubes, tiges et autres accessoires en fibre de carbone, veuillez contacter JCCMFG.