在设计新产品时，工程师可以选择的材料有很多种。正确地分析所有材料特性，同时将它们置于最终产品或应用的环境中，是一项极其困难的任务。而在材料选择中。有两个热学特性发挥着重要作用：导热系数和热膨胀系数。

在任何热力学应用中，都应仔细考虑材料的导热系数和热膨胀系数，尤其是在这些特性影响最终性能和使用寿命的应用中。选择具有适当导热系数的材料可以提高效率和性能。由于其独特的热性能，碳纤维可用于许多新的应用领域。

导热系数

导热系数又称为热导率，用最简单的术语来说，它是衡量热量如何有效地流过给定材料的一种方法。具有简单分子结构的材料通常也具有较高的导热性。当材料加热时，粒子将获得能量并振动。这种振动会导致分子碰撞到其他粒子并将能量传递给它们。施加的热量越多，发生的振动和能量传递就越多。

导热系数的数学表示如下：

K=导热系数/热导率（W/（mK））或（Btu/（hrft*°F））

Q=传热量（W）或（Btu）

d=两个等温平面之间的距离（m）或（ft）

A=表面积（m²）或（ft²）

ΔT=温度变化（K）或（°F）

导热系数因材料而异。由于碳纤维有不同类型，每种类型都有其独特的特性，与水等其他材料不同。下表显示了各种材料的不同导热系数。

制造商和研究人员根据不同的应用开发了具有高导热性或低导热性的碳纤维复合材料。测量导热系数方法不同，也会影响最终的测量结果。如果沿纤维测量导热系数，则其导热系数通常高于穿过纤维（垂直方向）上进行测量时的导热系数。

具有高导热性的碳纤维可用于多种应用。例如，一家日本公司开发了碳纤维，用于抑制电子设备移动应用中的电池退化。最终应用应决定工程师是否需要导热系数低或高的碳纤维。

热膨胀系数

工程师应考虑的另一个关键热力学性质是热膨胀系数。热膨胀系数是一种测量物体在暴露于温度变化时尺寸如何变化的方法。有三种类型的热膨胀系数：体积、区域和线性。

由于碳纤维在大多数应用中通常是实心的，因此工程师最应该关注的是热膨胀的面积系数和线性系数。

以下是线性热膨胀系数的数学表示：

α=线性热膨胀系数（K -1或1/K）或（°F -1或1/°F）

L=原始长度（m）或（ft）

ΔL=长度变化（m）或（ft）

ΔT=温度变化（K）或（°F）

下面是面积热膨胀系数的数学表示：

α=面积热膨胀系数（K -1或1/K）或（°F -1或1/°F）

A=原始面积（m²）或（ft²）

δA=面积变化（m²）或（ft²）

δT=温度变化（K）或（°F）

与导热系数类似，碳纤维的热膨胀系数也会有很大的差异。该系数在很大程度上取决于基体中碳纤维的方向。热膨胀系数的典型范围在 -1 K -1到 +8 K -1 之间。下表显示了各种材料的不同热膨胀系数。

碳纤维具有负的热膨胀系数。材料加热时会收缩。碳纤维原子通常沿x轴和y轴固定。将纤维固定在x轴和y轴上的平面键是共价键。这使得z方向不固定，并由较弱的范德华力固定在一起。

当碳纤维被加热时，原子将开始振动，主要是在z方向。当这种情况发生时，振动的原子会拉动相邻的原子。整个现象将使原子更紧密地结合在一起，并在x和y方向上收缩材料。当热量增加，原子开始振动时，材料将继续收缩。

在某些应用程序中使用时，负热膨胀属性可以产生一些有趣的结果。碳纤维可以结合到具有正热膨胀系数的树脂基体中，其中所得基体的热膨胀系数接近于零。这对于一些小型设备如计量设备可能至关重要。