Saat merancang produk baru, teknisi memiliki beragam bahan untuk dipilih. Menganalisis semua sifat material dengan tepat sambil menempatkannya dalam konteks produk atau aplikasi akhir merupakan tugas yang sangat menantang. Dalam pemilihan material, dua sifat termal memegang peranan penting: konduktivitas termal dan koefisien ekspansi termal.
Dalam aplikasi termodinamika apa pun, konduktivitas termal dan koefisien ekspansi termal bahan harus dipertimbangkan dengan saksama, terutama dalam aplikasi di mana sifat-sifat ini memengaruhi kinerja akhir dan masa pakai. Memilih bahan dengan konduktivitas termal yang tepat dapat meningkatkan efisiensi dan kinerja. Berkat sifat termalnya yang unik, serat karbon dapat digunakan di banyak area aplikasi baru.
Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal, yang juga dikenal sebagai difusivitas termal, dalam istilah yang paling sederhana, adalah ukuran seberapa efektif panas mengalir melalui material tertentu. Material dengan struktur molekul sederhana biasanya juga memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi. Saat material dipanaskan, partikel memperoleh energi dan bergetar. Getaran ini menyebabkan molekul bertabrakan dengan partikel lain dan mentransfer energi kepada mereka. Semakin banyak panas yang diberikan, semakin banyak getaran dan transfer energi yang terjadi.
Representasi matematis dari konduktivitas termal adalah sebagai berikut:
Konduktivitas termal (W/(mK)) atau (Btu/(jam ft derajat F))
Q =Perpindahan panas (W) atau (Btu)
d=Jarak antara dua bidang isotermal (m) atau (ft)
Luas permukaan=(m²) atau (ft²)
Delta T=Perbedaan suhu (K) atau (derajat F)
Konduktivitas termal bervariasi tergantung pada bahannya. Karena serat karbon memiliki berbagai jenis, masing-masing dengan sifat uniknya sendiri, serat karbon berbeda dari bahan lain seperti air. Tabel di bawah ini menunjukkan konduktivitas termal yang berbeda dari berbagai bahan.
Produsen dan peneliti telah mengembangkan komposit serat karbon dengan konduktivitas termal tinggi atau rendah untuk berbagai aplikasi. Metode pengukuran konduktivitas termal juga memengaruhi hasil pengukuran akhir. Jika konduktivitas termal diukur sepanjang serat, biasanya lebih tinggi daripada saat diukur melintasi serat (arah tegak lurus).
Serat karbon dengan konduktivitas termal yang tinggi dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Misalnya, sebuah perusahaan Jepang telah mengembangkan serat karbon untuk menekan degradasi baterai dalam aplikasi seluler untuk perangkat elektronik. Aplikasi akhir harus menentukan apakah para insinyur membutuhkan serat karbon dengan konduktivitas termal yang rendah atau tinggi.
Koefisien Ekspansi Termal
Properti termodinamika penting lainnya yang harus dipertimbangkan oleh para insinyur adalah koefisien ekspansi termal. Koefisien ekspansi termal adalah ukuran perubahan dimensi suatu objek saat terkena perubahan suhu. Ada tiga jenis koefisien ekspansi termal: volumetrik, areal, dan linier.
Karena serat karbon biasanya padat dalam sebagian besar aplikasi, para insinyur harus lebih fokus pada koefisien ekspansi termal areal dan linear.
Representasi matematis dari koefisien ekspansi termal linier adalah sebagai berikut:
alpha=Koefisien linier ekspansi termal (K^{-1} atau 1/K) atau (derajat F^{-1} atau 1/ derajat F)
L=Panjang asli (m) atau (kaki)
Delta L=Perubahan panjang (m) atau (kaki)
Delta T=Perubahan suhu (K) atau (derajat F)
Representasi matematis dari koefisien ekspansi termal areal adalah sebagai berikut:
alpha=Koefisien ekspansi termal areal (K^{-1} atau 1/K) atau (derajat F^{-1} atau 1/ derajat F)
Luas asli (m²) atau (ft²)
delta A={Perubahan luas (m²) atau (ft²)
delta T=Perubahan suhu (K) atau (derajat F)
Seperti konduktivitas termal, koefisien ekspansi termal serat karbon juga dapat sangat bervariasi. Koefisien ini sebagian besar bergantung pada arah serat karbon dalam matriks. Kisaran koefisien ekspansi termal yang umum adalah antara -1 K^{-1} hingga +8 K^{-1}. Tabel di bawah ini menunjukkan berbagai koefisien ekspansi termal untuk berbagai bahan.
Serat karbon memiliki koefisien ekspansi termal negatif. Saat bahan dipanaskan, bahan tersebut akan berkontraksi. Atom-atom serat karbon biasanya terikat sepanjang sumbu x dan y. Ikatan planar yang mengikat serat sepanjang sumbu x dan y adalah ikatan kovalen. Hal ini membuat arah z tidak terikat dan disatukan oleh gaya van der Waals yang lebih lemah.
Ketika serat karbon dipanaskan, atom-atom mulai bergetar, terutama pada arah z. Ketika hal ini terjadi, atom-atom yang bergetar menarik atom-atom yang berdekatan. Seluruh fenomena ini menyebabkan atom-atom terikat lebih erat dan menyusutkan material pada arah x dan y. Ketika panas meningkat dan atom-atom mulai bergetar, material terus menyusut.
Dalam beberapa aplikasi, sifat ekspansi termal negatif dapat menghasilkan beberapa hasil yang menarik. Serat karbon dapat dikombinasikan dengan matriks resin yang memiliki koefisien ekspansi termal positif, di mana koefisien ekspansi termal matriks yang dihasilkan mendekati nol. Hal ini dapat menjadi penting untuk beberapa perangkat kecil seperti peralatan pengukuran.