Zde je vše, co potřebujete vědět o koeficientu tepelné roztažnosti grafitu – East Carbon
Pro většinu inženýrů je však koeficient tepelné roztažnosti grafitu velmi zajímavý.
Tedy, o kolik se grafit roztáhne vlivem tepla?
V tomto článku se podíváme na všechny kritické prvky tepelné roztažnosti grafitu. Od základní definice, přes faktory ovlivňující tepelný koeficient, až po jeho aritmetický aspekt.
Jaký je koeficient tepelné roztažnosti grafitu?
Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) grafitu udává, do jaké míry se grafitový materiál roztahuje nebo smršťuje na jednotku délky, když je vystaven teplotním změnám.
Koeficient tepelné roztažnosti grafitu je obecně nižší než u většiny ostatních materiálů díky své krystalické struktuře.
Díky této vlastnosti je materiál cenný v aplikacích, kde jsou grafitové součásti vystaveny různým teplotám, jako je například letecký, elektronický a energetický průmysl.
Protože existují různé druhy grafitu a výrobní metody, součinitel tepelné roztažnosti (CTE) grafitu se liší. Proto je třeba vybrat vhodný typ, který by měl splňovat tepelné požadavky vaší konkrétní aplikace.
Faktory ovlivňující koeficient tepelné roztažnosti grafitu
Existuje několik parametrů, které mohou rozhodně ovlivnit koeficient tepelné roztažnosti grafitu, jak je uvedeno níže:
Typ grafitu
Pyrolytický grafit, izostatický grafit a expandovaný grafit vykazují různé hodnoty CTE v důsledku rozdílů v krystalové struktuře a mechanismu tvorby.
Například pyrolytický grafit má nízký součinitel tepelné roztažnosti (CTE) díky vysoké orientaci struktury. Proto si všimnete, že se při vystavení teplu ve srovnání s jinými typy grafitu nemůže významně roztahovat.
Čistota grafitu
Nečistoty, které mohou být v grafitu přítomny, hrají důležitou roli při určování jeho tepelné roztažnosti. V nečistém stavu se grafit může roztahovat téměř v jakémkoli směru nebo nepravidelně, a proto se na něj nelze tak snadno spolehnout.
Čistší grafit má obecně stabilnější součinitel tepelné roztažnosti (CTE), takže grafit s vyšší čistotou bude užitečný tam, kde je vyžadována vysoká přesnost.
Velikost a orientace zrna
Grafit s hustší strukturou a malou velikostí zrn má nižší koeficient tepelné roztažnosti než grafit s většími zrny. Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) může také záviset na orientaci zrn, zejména u anizotropního grafitu, který má odlišnou roztažnost vzhledem ke směru zrn.
Přísady a tvorba kompozitů
Různé grafitové kompozity, jako je hliník-grafit nebo grafit-epoxid, mají odlišné koeficienty tepelné roztažnosti než čistý grafit.
Součinitel tepelné roztažnosti (CTE) kompozitu závisí na typech materiálů a jejich poměrech. Poměry použitých materiálů lze navíc upravit tak, aby vyhovovaly specifickým požadavkům vaší aplikace.
Teplotní rozsah
Koeficient tepelné roztažnosti grafitu se mění s teplotou, takže není při různých teplotách konstantní. Může se měnit v závislosti na teplotním rozsahu, některé typy grafitu se více roztahují ve vysokoteplotním pásmu.
Kromě toho se můžete dozvědět více o bodu tání grafitu.
Jak vypočítat koeficient tepelné roztažnosti grafitu
Při výpočtu koeficientu tepelné roztažnosti grafitu se nejprve změří počáteční délka vzorku L₀.
Dále určete změnu jeho délky (ΔL) při zahřátí při známé změně teploty (ΔT). Vzorec:
- ΔL udává změnu délky grafitového materiálu při zahřátí.
- L₀ je počáteční délka materiálu před změnou teploty.
- ΔT je změna teploty ve °C nebo K.
Například grafitová tyč s počáteční délkou 10 cm se po zvýšení teploty o 0,01 °C zvětší o 100 cm, proto je CTE:
Tato hodnota znamená, že grafitová tyč se zvětšuje o jednu miliontinu s každým stupněm zvýšení teploty. Tato úroveň roztažnosti je relativně nízká, takže grafit je upřednostňován tam, kde je potřeba určitá forma rozměrové stability.
Pomocí tohoto vzorce získáte CTE v jednotkách 1/°C nebo 1/K. Při výpočtu velikosti vzorku grafitu a změny teploty byste měli být velmi opatrní. Tento výpočet můžete provést pomocí běžného laboratorního vybavení, včetně dilatometru.
Porovnání koeficientu tepelné roztažnosti pro různé grafity
Různé typy grafitu mají různé charakteristiky CTE (koeficient tepelné roztažnosti). Níže uvedená tabulka znázorňuje CTE pro různé typy grafitu:
| Typ grafitu | Součinitel tepelné roztažnosti (1/°C nebo K⁻¹) |
| Hliníkovo-grafitový kompozit | 10–25 x 10⁻⁶ Střední až vysoká, protože hliníková složka |
| Uhlíkový grafit | 4,5–15 x 10⁻⁶ Obvykle střední, ale může se lišit v závislosti na hustotě a textuře |
| Grafitová epoxidová pryskyřice | 12–20 x 10⁻⁶ Střední, s vlivem epoxidu |
| PTFE s uhlíkovo-grafitovým plnivem | 3,0–5,5 x 10⁻⁶ Nízké díky složce PTFE |
| Pyrolytický grafit | 1,0–5,0 x 10⁻⁶ Velmi nízké, zejména v rovinném směru |
| Polykrystalický grafit | 6–15 x 10⁻⁶ Střední až vysoká, v závislosti na velikosti a orientaci zrn |
| Izostatický grafit | 7–15 x 10⁻⁶ Střední až vysoká, podobná polykrystalickému grafitu |
| Expandovaný grafit | 10–30 x 10⁻⁶ Střední až vysoká v důsledku porézní struktury |
Často kladené dotazy
1. Roztahuje se grafit při zahřívání?
Ano, grafit se při zahřívání roztahuje, ale konkrétní míra roztažnosti závisí na typu grafitu a jeho hodnotě CTE. Například pyrolytický grafit má nízkou hodnotu CTE, a proto se používá v aplikacích, kde je vyžadována vysoká tepelná stabilita.
2. Jaký je součinitel tepelné vodivosti grafitu?
Jeho koeficient tepelné vodivosti má schopnost určovat schopnost grafitového materiálu vést teplo. Záleží na použitém typu grafitu a pohybuje se v rozmezí 25–4300 W/m K.
Tato vlastnost je důležitá pro součástky, které zajišťují odvod tepla, jako jsou chladiče a materiály tepelného rozhraní.
3. Jaká je tepelná vodivost expandovaného grafitu?
Tepelná vodivost expandovaného grafitu závisí na jeho hustotě a struktuře a pohybuje se v rozmezí 25–470 W/m K.
Díky tomu je obzvláště užitečný tam, kde potřebujete jak vysokou tepelnou vodivost, tak nízkou tepelnou roztažnost. Díky tomu je nejlepší volbou pro součásti odvádějící teplo.
4. Je grafit dobrým vodičem tepla?
Grafit je skutečně jedním z nejlepších vodičů z hlediska tepelné vodivosti. Díky své vrstevnaté struktuře je snadný přenos tepla podél bazálních rovin a lze jej použít v elektronice a dalších oblastech, kde je vyžadována regulace tepla.
Závěr
Znalost koeficientu tepelné roztažnosti různých typů grafitu vám tedy umožňuje vybrat vhodný materiál. To je důležité pro použití v prostředích, kde jsou možné teplotní změny.