Panoramica sulle proprietà termiche della fibra di carbonio

La conduttività termica e il coefficiente di dilatazione termica sono due importanti indicatori di prestazione termica nelle applicazioni della fibra di carbonio.

Pertanto, questa guida ti aiuterà a comprendere e ad approfondire queste due proprietà termiche in modo esaustivo, dalle loro definizioni alle applicazioni, dalle sfide alle soluzioni. Ciò ti consentirà di ottimizzare e migliorare le tue soluzioni di prodotto, ottimizzando le prestazioni dei compositi in fibra di carbonio.

1. Cos'è la conduttività termica della fibra di carbonio e il coefficiente di dilatazione termica?

1) Conduttività termica:

È un indicatore utilizzato per misurare la conduttività termica di un materiale. Si riferisce al calore trasferito per unità di area, per unità di tempo e per unità di gradiente di temperatura. È espresso in Kelvin (K) e la sua unità di misura è W/mK.

La formula è la seguente:

K=QL/AΔT

K = conducibilità termica (W/mK)

Q = Il calore trasferito dal materiale, espresso in (W) o (Btu)

L = Distanza nella direzione del trasferimento di calore, in (metri) o (piedi)

A = Area della sezione trasversale nella direzione del trasferimento di calore, in (metri quadrati) o (piedi quadrati)

ΔT = Differenza di temperatura durante il trasferimento di calore, in (K) o (°F) 

Nei diversi tipi di fibra di carbonio, la conduttività termica non è fissa e varia. Maggiore è il grado di carbonizzazione, ovvero maggiore è il modulo della fibra, maggiore sarà la conduttività termica, che può variare da 10 a 800 W/mK. Si veda di seguito un confronto con altri materiali.

2) Coefficiente di dilatazione termica (CTE):

Si usa per misurare come cambia la dimensione di un materiale o di un oggetto al variare della temperatura. È espresso in α, generalmente in k⁻¹ o 1/K. 

I tipi di CTE si dividono generalmente in tre categorie: lineare, areale o volumetrico.

La formula del coefficiente di dilatazione termica lineare è la seguente:

α =L/ΔLΔT

α = Coefficiente di dilatazione termica lineare, (K⁻¹ o 1/K) o (°F⁻¹ o 1/°F)

L = Lunghezza originale del materiale, (m) o (ft)

ΔL = Variazione di lunghezza del materiale, (m) o (ft)

ΔT = Variazione di temperatura, (K) o (°F)

La formula del coefficiente di dilatazione termica dell'area è la seguente:

 α =A/ΔAΔT

α = Coefficiente di dilatazione termica dell'area, (K⁻¹ o 1/K) o (°F⁻¹ o 1/°F)

A = Area del materiale originale, (m²) o (ft²)

ΔA = Variazione dell'area del materiale, (m²) o (ft²)

ΔT = Variazione di temperatura, (K) o (°F)

Analogamente alla conducibilità termica, il coefficiente di dilatazione termica delle fibre di carbonio varia notevolmente. Il coefficiente dipende in larga misura dall'orientamento delle fibre di carbonio nella matrice composita. Si prega di consultare la tabella sottostante per i valori del coefficiente di dilatazione termica delle fibre di carbonio e di altri materiali.

2. Proprietà termiche delle applicazioni della fibra di carbonio

Faremo la differenza per le vostre soluzioni industriali. Possiamo infatti produrre compositi in fibra di carbonio con elevata conduttività termica e basso coefficiente di dilatazione termica per soddisfare le vostre esigenze e migliorare le prestazioni della vostra applicazione.

Sfrutta un'elevata conduttività termica e un basso coefficiente di dilatazione termica nella direzione delle fibre (longitudinale).

Una delle proprietà più notevoli della fibra di carbonio è l'elevata conduttività termica e il basso coefficiente di dilatazione termica. In particolare, nella direzione delle fibre, il coefficiente di dilatazione termica è generalmente negativo o infinitamente vicino a 0. Pertanto, sfruttando questa caratteristica, possiamo realizzare i materiali compositi di cui avete bisogno. 

• Strumenti di rilevamento di precisione: il basso coefficiente di dilatazione termica consente agli strumenti realizzati in fibra di carbonio di subire minime variazioni dimensionali al variare della temperatura. Ciò è particolarmente importante per gli strumenti ottici, i telescopi e i treppiedi per il rilevamento architettonico che richiedono un'elevata precisione.
• Settore aerospaziale: elevata conduttività termica e basso coefficiente di dilatazione termica, che consentono agli accessori dei veicoli spaziali di mantenere la stabilità dimensionale sia a basse che ad alte temperature.
• Droni: La struttura del telaio del drone, realizzata in fibra di carbonio, può resistere ad ambienti ad alta temperatura senza deformarsi. Allo stesso tempo, migliora la capacità di dissipazione del calore del motore e le prestazioni di volo. Riduce i danni da fatica causati dallo stress termico e ne prolunga la durata.

Sfruttando la diversa conduttività termica della fibra di carbonio, è possibile ridurre l'elevato coefficiente di dilatazione termica in direzione verticale modificando la direzione di avvolgimento delle fibre e la scelta della matrice.

È noto che il coefficiente di dilatazione termica della fibra di carbonio in direzione verticale è superiore a quello in direzione longitudinale. Il materiale presenta una scarsa stabilità dimensionale. Pertanto, l'utilizzo di una stratificazione incrociata a 0°/90°/45° può ridurre il coefficiente di dilatazione termica, bilanciando al contempo l'anisotropia della fibra di carbonio e sfruttandone le elevate proprietà termiche.

• Produzione automobilistica: i materiali compositi in fibra di carbonio riducono il coefficiente di dilatazione termica invertendo la direzione delle fibre. Vengono utilizzati in componenti come cofano, telaio e impianto frenante dell'auto per garantire che le loro dimensioni non si deformino in ambienti ad alta temperatura. Inoltre, la loro elevata conduttività termica viene sfruttata per prevenire la fatica da stress termico causata dalle alte temperature.
• Attrezzature per sport all'aria aperta: la bassa conduttività termica dei telai di biciclette, delle racchette da golf e delle pagaie da kayak in fibra di carbonio garantisce un buon isolamento termico e migliora il comfort dell'utente. Inoltre, il basso coefficiente di dilatazione termica contribuisce a stabilizzare le dimensioni dell'attrezzatura.
• Dispositivi di dissipazione del calore per componenti elettronici: l'utilizzo di materiali compositi in fibra di carbonio, in aggiunta ad altri materiali come l'asfalto, può ridurre significativamente il coefficiente di dilatazione termica trasversale, migliorare la stabilità dimensionale del dispositivo di dissipazione del calore e sfruttare la sua elevata conduttività termica per aumentarne la capacità di dissipazione.

3. Sfide e soluzioni

Sfida 1: Stress termico causato dall'anisotropia dei materiali in fibra di carbonio

Sappiamo tutti che la conducibilità termica e il coefficiente di dilatazione termica della fibra di carbonio sono molto diversi nelle direzioni verticale e orizzontale. Questa anisotropia porta a una distribuzione non uniforme del calore quando la temperatura al suo interno varia. Inoltre, la fibra di carbonio è molto soggetta a fratture o delaminazioni.

Soluzione

• Viene adottata la direzione di stratificazione del tessuto di fibre multi-angolo, come la direzione di stratificazione incrociata 0°/±45/±90°. Ciò riduce la sua anisotropia e, infine, contribuisce a bilanciare la sua conduttività termica e il coefficiente di dilatazione termica.
• Selezionare una matrice con bassa dilatazione termica: nella produzione di compositi rinforzati con fibra di carbonio, maggiore è il coefficiente di dilatazione termica della matrice selezionata, maggiore sarà il coefficiente di dilatazione termica del materiale prodotto. Pertanto, la matrice a bassa espansione termica può ridurre il coefficiente di espansione termica in direzione verticale e migliorare la stabilità dimensionale complessiva.

Sfida 2: In un ambiente ad alta temperatura, le prestazioni si degradano facilmente.

I substrati nei compositi in fibra di carbonio, come le resine epossidiche, tendono a fondersi o decomporsi ad alte temperature. Di conseguenza, il coefficiente di dilatazione termica si modifica e la stabilità dimensionale ne risente.

Soluzione:

• Per migliorare la stabilità dimensionale, utilizzare resina epossidica resistente alle alte temperature o altra resina PEEK (polietereterchetone).
• La superficie del composito è rivestita con un rivestimento resistente alle alte temperature per evitare che la matrice perda le sue prestazioni in un ambiente ad alta temperatura.

Sfida 3: I dati sono difficili da controllare e misurare

La conducibilità termica e il coefficiente di dilatazione termica sono influenzati dal processo produttivo, dal materiale di base, dall'orientamento delle fibre e da altri fattori, pertanto è difficile misurarli e controllarli con precisione.

Soluzione:

• Utilizzare metodi di misurazione standardizzati come ASTM E831
• Monitoraggio e feedback in tempo reale: introduzione della tecnologia di monitoraggio in tempo reale nella produzione di compositi in fibra di carbonio. Regolazione dinamica dei dati per un controllo preciso della conduttività termica e del coefficiente di dilatazione termica.
• Creazione di un database per la produzione di materiali: accumulare esperienza e registrare i dati in tempo reale durante il processo produttivo. Creare un database dei materiali. Fornire dati di riferimento accurati e supporto tecnico per la progettazione e la produzione.

4. Conclusion

Grazie a una profonda comprensione e analisi della conduttività termica e del coefficiente di dilatazione termica della fibra di carbonio, è possibile bilanciare al meglio l'anisotropia e la stabilità dimensionale del prodotto nella progettazione. Adattandosi alla propria applicazione, si aumenta la competitività dei prodotti sul mercato.

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