碳纤维是一种非常坚固的聚合物材料,它具有高刚度、高拉伸强度、重量轻、高耐化学性、耐高温性和低热膨胀性等优点。
碳纤维的强度是钢的五倍,硬度则是钢的两倍。尽管碳纤维比钢更坚固坚硬,但它比钢更轻,使其成为许多零件的理想制造材料。碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料。
碳纤维熔点
通常来讲,熔化是物质从固相到液相的相变。物质的熔点是发生这种相变的温度,而熔点还定义了固体和液体可以平衡存在的条件。对于各种化合物和合金,很难定义熔点,因为它们通常是各种化学元素的混合物。碳纤维的熔点为3657°C,但是该熔点与标准大气压力有关。
碳纤维导热系数
固体材料的传热特性是用热导率k(或λ)的特性来测量的,热导率以W/(m·K)为单位。它是衡量一种物质通过传导传递热量的能力。值得注意的是,傅立叶定律适用于所有物质,无论其状态(固体、液体或气体)如何,因此,它也适用于液体和气体。碳纤维的导热系数为100W/(m·K)。
大多数液体和固体的热导率随温度而变化。通常
由于大多数材料几乎是均匀的,因此可以写k=k(T)。类似的定义与y和z方向(ky,kz)上的热导率有关,但对于各向同性材料,热导率与传递方向无关,kx=ky=kz=k。
碳纤维比热
比热或称比热容,是热力学中一种与内能有关的重要性质。对于纯、简单可压缩物质,强度性质cv和cp分别定义为内能u(T,v)和焓h(T,p)的偏导数:
其中下标v和p表示在微分过程中保持固定的变量。特性cv和cp被称为比热(或热容),因为在某些特殊条件下,它们将系统的温度变化与传热增加的能量联系起来。它们的国际单位制是J/kg K或J/mol K。碳纤维的比热为800J/gK。
碳纤维热导率
热导率是指由于温度差异而通过给定厚度(以米为单位)的材料的一个正方形区域内传递的热量(以瓦为单位)。材料的热导率越低,材料抵抗热传递的能力就越大。
计算穿过面积为3 m×10 m的墙壁的热通量率(a=30 m2)。壁厚15cm(L1),材料为碳纤维,导热系数为k1=100W/m.K。假设室内和室外温度分别为22°C和-8°C,内侧和外侧的对流换热系数分别为h1=10W/m2K和h2=30W/m2K。请注意,这些对流系数在很大程度上取决于环境和内部条件(风、湿度等),以下来计算通过该墙的热通量(热损失)。
计算方案:
如前所述,许多传热过程涉及复杂系统,甚至涉及传导和对流的组合。使用这些复杂系统,通常可以方便地使用整体传热系数,即U因子。U因子由类似于牛顿冷却定律的表达式定义:总传热系数与总热阻有关,并取决于问题的几何形状。
假设通过平面壁面进行一维换热,忽略辐射,则总传热系数可计算为:
总传热系数为:U=1/(1/10+0.15/100+1/30)=7.42 W/m2K
热通量可以简单地计算为:q=7.42[W/m2K]× 30[K]=222.5 W/m2
通过该墙的总热损失为:qloss=q。A=222.5[W/m2]× 30[m2]=6674.91 W