Uute toodete kavandamisel on inseneridel valida lai valik materjale. Kõigi materjalide omaduste õige analüüsimine, asetades need lõpptoote või rakenduse konteksti, on äärmiselt keeruline ülesanne. Materjali valikul mängivad olulist rolli kaks soojuslikku omadust: soojusjuhtivus ja soojuspaisumise koefitsient.
Igas termodünaamilises rakenduses tuleks hoolikalt kaaluda materjalide soojusjuhtivust ja soojuspaisumistegurit, eriti rakendustes, kus need omadused mõjutavad lõplikku jõudlust ja kasutusiga. Sobiva soojusjuhtivusega materjalide valimine võib parandada tõhusust ja jõudlust. Tänu ainulaadsetele soojusomadustele saab süsinikkiude kasutada paljudes uutes kasutusvaldkondades.
Soojusjuhtivus
Soojusjuhtivus, mida kõige lihtsamas mõttes nimetatakse ka soojuse difusiooniks, on mõõt selle kohta, kui tõhusalt soojus voolab läbi antud materjali. Lihtsa molekulaarstruktuuriga materjalidel on tavaliselt ka suurem soojusjuhtivus. Materjalide kuumutamisel saavad osakesed energiat ja vibreerivad. See vibratsioon põhjustab molekulide kokkupõrke teiste osakestega ja annab neile energiat. Mida rohkem soojust rakendatakse, seda rohkem tekib vibratsiooni ja energiaülekannet.
Soojusjuhtivuse matemaatiline esitus on järgmine:
K=Soojusjuhtivus (W/(mK)) või (Btu/(hr ft kraad F))
Q =Soojusülekanne (W) või (Btu)
d=Kahe isotermilise tasandi vaheline kaugus (m) või (jalga)
A=Pindala (m²) või (ft²)
Delta T=Temperatuuride erinevus (K) või (F kraad)
Soojusjuhtivus varieerub sõltuvalt materjalidest. Kuna süsinikkiude on erinevat tüüpi, millest igaühel on ainulaadsed omadused, erinevad need teistest materjalidest, näiteks veest. Allolev tabel näitab erinevate materjalide erinevat soojusjuhtivust.
Tootjad ja teadlased on erinevateks rakendusteks välja töötanud kõrge või madala soojusjuhtivusega süsinikkiust komposiite. Lõplikku mõõtmistulemust mõjutab ka soojusjuhtivuse mõõtmise meetod. Kui soojusjuhtivust mõõdetakse piki kiudu, on see tavaliselt suurem kui risti kiudude mõõtmisel (risti suund).
Kõrge soojusjuhtivusega süsinikkiude saab kasutada erinevates rakendustes. Näiteks on üks Jaapani ettevõte elektroonikaseadmete mobiilirakendustes välja töötanud süsinikkiud. Lõplik rakendus peaks kindlaks määrama, kas insenerid vajavad madala või kõrge soojusjuhtivusega süsinikkiude.
Soojuspaisumise koefitsient
Teine oluline termodünaamiline omadus, mida insenerid peaksid arvestama, on soojuspaisumise koefitsient. Soojuspaisumise koefitsient näitab, kuidas objekti mõõtmed temperatuurimuutustega kokkupuutel muutuvad. Soojuspaisumise koefitsiente on kolme tüüpi: mahuline, pindalaline ja lineaarne.
Kuna süsinikkiud on enamikus rakendustes tavaliselt tahked, peaksid insenerid keskenduma kõige rohkem soojuspaisumise pindala- ja lineaarkoefitsientidele.
Lineaarse soojuspaisumise koefitsiendi matemaatiline esitus on järgmine:
alfa=Lineaarne soojuspaisumistegur (K^{-1} või 1/K) või (kraad F^{-1} või 1/ kraadi F)
L={Algne pikkus (m) või (jalga)
Delta L=Pikkuse muutus (m) või (jalga)
Delta T=Temperatuuri muutus (K) või (F kraad)
Pindala soojuspaisumise koefitsiendi matemaatiline esitus on järgmine:
alfa=Soojuspaisumistegur (K^{-1} või 1/K) või (kraad F^{-1} või 1/ kraadi F)
A={Algne pindala (m²) või (ft²)
delta A={Pindala muutus (m²) või (ft²)
delta T=Temperatuuri muutus (K) või ( kraadi F)
Nagu soojusjuhtivus, võib ka süsinikkiudude soojuspaisumise koefitsient olla väga erinev. See koefitsient sõltub suuresti maatriksi süsinikkiudude suunast. Soojuspaisumise koefitsiendi tüüpiline vahemik on vahemikus -1 K^{-1} kuni +8 K^{-1}. Allolevas tabelis on näidatud erinevate materjalide erinevad soojuspaisumistegurid.
Süsinikkiududel on negatiivne soojuspaisumistegur. Materjali kuumutamisel tõmbub see kokku. Süsinikkiu aatomid on tavaliselt fikseeritud piki x- ja y-telge. Tasapinnalised sidemed, mis fikseerivad kiud piki x- ja y-telge, on kovalentsed sidemed. See muudab z-suuna fikseerimata ja seda hoiavad koos nõrgemad van der Waalsi jõud.
Süsinikukiudude kuumutamisel hakkavad aatomid vibreerima, peamiselt z-suunas. Kui see juhtub, tõmbavad vibreerivad aatomid külgnevaid aatomeid. Kogu nähtus põhjustab aatomite tihedamat sidumist ja materjali kokkutõmbumist x- ja y-suunas. Kui kuumus suureneb ja aatomid hakkavad vibreerima, jätkab materjal kokkutõmbumist.
Mõnes rakenduses võib negatiivne soojuspaisumine anda huvitavaid tulemusi. Süsinikkiude saab kombineerida positiivse soojuspaisumisteguriga vaigumaatriksiga, kus saadud maatriksi soojuspaisumistegur on nullilähedane. See võib mõne väikese seadme, näiteks mõõteseadmete puhul olla ülioluline.