Wrth ddylunio cynhyrchion newydd, mae gan beirianwyr amrywiaeth eang o ddeunyddiau i ddewis ohonynt. Mae dadansoddi'r holl briodweddau materol yn gywir wrth eu gosod yng nghyd-destun y cynnyrch neu'r cymhwysiad terfynol yn dasg hynod heriol. Wrth ddewis deunydd, mae dau eiddo thermol yn chwarae rhan arwyddocaol: y dargludedd thermol a'r cyfernod ehangu thermol.
Mewn unrhyw gais thermodynamig, dylid ystyried y dargludedd thermol a chyfernod ehangu thermol deunyddiau yn ofalus, yn enwedig mewn cymwysiadau lle mae'r eiddo hyn yn effeithio ar berfformiad terfynol a bywyd gwasanaeth. Gall dewis deunyddiau gyda'r dargludedd thermol priodol wella effeithlonrwydd a pherfformiad. Oherwydd eu priodweddau thermol unigryw, gellir defnyddio ffibrau carbon mewn llawer o feysydd cais newydd.
Dargludedd Thermol
Mae dargludedd thermol, a elwir hefyd yn drylededd thermol, yn y termau symlaf, yn fesur o ba mor effeithiol y mae gwres yn llifo trwy ddeunydd penodol. Yn nodweddiadol mae gan ddeunyddiau sydd â strwythur moleciwlaidd syml ddargludedd thermol uwch hefyd. Pan fydd deunyddiau'n cael eu gwresogi, mae gronynnau'n ennill egni ac yn dirgrynu. Mae'r dirgryniad hwn yn achosi moleciwlau i wrthdaro â gronynnau eraill a throsglwyddo egni iddynt. Po fwyaf o wres sy'n cael ei gymhwyso, y mwyaf o ddirgryniad a throsglwyddiad ynni sy'n digwydd.
Mae cynrychiolaeth fathemategol dargludedd thermol fel a ganlyn:
K=Dargludedd thermol (W/(mK)) neu (Btu/(awr ft gradd F))
C =Trosglwyddo gwres (W) neu (Btu)
d=Pellter rhwng dwy awyren isothermol (m) neu (ft)
A=Arwynebedd arwyneb (m²) neu (ft²)
Delta T=Gwahaniaeth tymheredd (K) neu (gradd F)
Mae dargludedd thermol yn amrywio gyda deunyddiau. Gan fod ffibrau carbon yn dod mewn gwahanol fathau, pob un â'i briodweddau unigryw, maent yn wahanol i ddeunyddiau eraill fel dŵr. Mae'r tabl isod yn dangos dargludedd thermol gwahanol ddeunyddiau amrywiol.
Mae gweithgynhyrchwyr ac ymchwilwyr wedi datblygu cyfansoddion ffibr carbon gyda dargludedd thermol uchel neu isel ar gyfer gwahanol gymwysiadau. Mae'r dull o fesur dargludedd thermol hefyd yn effeithio ar y canlyniad mesur terfynol. Os yw'r dargludedd thermol yn cael ei fesur ar hyd y ffibrau, mae fel arfer yn uwch na phan gaiff ei fesur ar draws y ffibrau (cyfeiriad perpendicwlar).
Gellir defnyddio ffibrau carbon â dargludedd thermol uchel mewn amrywiol gymwysiadau. Er enghraifft, mae cwmni o Japan wedi datblygu ffibrau carbon i atal diraddio batris mewn cymwysiadau symudol ar gyfer dyfeisiau electronig. Dylai'r cais terfynol benderfynu a oes angen ffibrau carbon ar beirianwyr â dargludedd thermol isel neu uchel.
Cyfernod Ehangu Thermol
Eiddo thermodynamig allweddol arall y dylai peirianwyr ei ystyried yw cyfernod ehangu thermol. Mae cyfernod ehangu thermol yn fesur o sut mae dimensiynau gwrthrych yn newid pan fydd yn agored i newidiadau tymheredd. Mae tri math o gyfernodau ehangu thermol: cyfeintiol, areal, a llinol.
Gan fod ffibrau carbon fel arfer yn solet yn y rhan fwyaf o gymwysiadau, dylai peirianwyr ganolbwyntio fwyaf ar gyfernodau arwynebedd a llinellol ehangu thermol.
Mae cynrychiolaeth fathemategol cyfernod llinol ehangu thermol fel a ganlyn:
alffa=Cyfernod ehangiad thermol llinol (K^{-1} neu 1/K) neu (gradd F^{-1} neu 1/ gradd F)
L={Hyd gwreiddiol (m) neu (ft)
Delta L=Newid hyd (m) neu (ft)
Delta T=Newid tymheredd (K) neu (gradd F)
Mae cynrychiolaeth fathemategol cyfernod arwynebedd ehangu thermol fel a ganlyn:
alffa=Cyfernod arwynebedd ehangiad thermol (K^{-1} neu 1/K) neu (gradd F^{-1} neu 1/ gradd F)
A={Ardal wreiddiol (m²) neu (ft²)
delta A={Newid ardal (m²) neu (ft²)
delta T=Newid tymheredd (K) neu (gradd F)
Fel dargludedd thermol, gall cyfernod ehangu thermol ffibrau carbon amrywio'n fawr hefyd. Mae'r cyfernod hwn yn dibynnu i raddau helaeth ar gyfeiriad y ffibrau carbon yn y matrics. Amrediad nodweddiadol y cyfernod ehangu thermol yw rhwng -1 K^{-1} a +8 K^{-1}. Mae'r tabl isod yn dangos y gwahanol cyfernodau ehangu thermol ar gyfer gwahanol ddeunyddiau.
Mae gan ffibrau carbon gyfernod negyddol o ehangu thermol. Pan fydd y deunydd yn cael ei gynhesu, mae'n cyfangu. Mae atomau ffibr carbon fel arfer yn sefydlog ar hyd yr echelinau x ac y. Mae'r bondiau planar sy'n gosod y ffibrau ar hyd yr echelinau x ac y yn fondiau cofalent. Mae hyn yn golygu nad yw'r cyfeiriad z yn sefydlog ac yn cael ei ddal at ei gilydd gan luoedd gwannach van der Waals.
Pan fydd ffibrau carbon yn cael eu gwresogi, mae'r atomau'n dechrau dirgrynu, yn bennaf i'r cyfeiriad z. Wrth i hyn ddigwydd, mae'r atomau dirgrynol yn tynnu ar atomau cyfagos. Mae'r ffenomen gyfan yn achosi i'r atomau glymu'n dynnach at ei gilydd a chontractio'r deunydd i'r cyfarwyddiadau x ac y. Wrth i'r gwres gynyddu ac wrth i'r atomau ddechrau dirgrynu, mae'r deunydd yn parhau i gyfangu.
Mewn rhai ceisiadau, gall yr eiddo ehangu thermol negyddol gynhyrchu rhai canlyniadau diddorol. Gellir cyfuno ffibrau carbon â matrics resin sydd â chyfernod ehangu thermol positif, lle mae cyfernod ehangu thermol y matrics canlyniadol yn agos at sero. Gall hyn fod yn hanfodol ar gyfer rhai dyfeisiau bach fel offer mesur.