Les 7 principaux conducteurs thermiques
Les principaux conducteurs thermiques sont les métaux et les diamants, composés d’une matrice métallique, composés de composites à matrice de carbone, de carbone, de graphite et à matrice céramique.
La conductivité thermique est une propriété du matériau qui décrit l'aptitude à conduire la chaleur. Elle peut être définie comme suit: "La quantité de chaleur transmise à travers l'épaisseur unitaire d'un matériau - dans une direction normale vers une surface de surface unitaire - en raison de: un gradient de température unitaire en régime permanent »(The Engineering ToolBox, SF).
En d'autres termes, la conduction thermique est le transfert d'énergie thermique entre des particules de matière qui se touchent. La conduction thermique se produit lorsque des particules de matière plus chaude entrent en collision avec des particules de matière plus froides et transfèrent une partie de leur énergie thermique à des particules plus froides.
La conduite est généralement plus rapide dans certains solides et liquides que dans les gaz. Les matériaux qui sont de bons conducteurs d’énergie thermique sont appelés conducteurs thermiques.
Les métaux sont particulièrement bons conducteurs thermiques car ils ont des électrons qui se déplacent librement et peuvent transférer de l'énergie thermique rapidement et facilement (CK-12 Foundation, SF).
En général, les bons conducteurs électriques (métaux tels que le cuivre, l'aluminium, l'or et l'argent) sont également bons conducteurs de la chaleur, tandis que les isolants électriques (bois, plastique et caoutchouc) sont de mauvais conducteurs de la chaleur.
L'énergie cinétique (moyenne) d'une molécule dans le corps chaud est supérieure à celle du corps le plus froid. Si deux molécules entrent en collision, il se produit un transfert d'énergie de la molécule chaude à la molécule froide.
L'effet cumulatif de toutes les collisions se traduit par un flux net de chaleur du corps chaud au corps le plus froid (SantoPietro, SF).
Matériaux à haute conductivité thermique
Des matériaux à haute conductivité thermique sont nécessaires pour la conduction thermique afin de chauffer ou de refroidir. L'industrie électronique est l'un des besoins les plus critiques.
En raison de la miniaturisation et de la puissance accrue de la microélectronique, la dissipation de chaleur est la clé de la fiabilité, des performances et de la miniaturisation de la microélectronique.
La conductivité thermique dépend de nombreuses propriétés d'un matériau, notamment sa structure et sa température.
Le coefficient de dilatation thermique est particulièrement important car il indique la capacité d'un matériau à se dilater avec la chaleur.
Métaux et diamants
Le cuivre est le métal le plus couramment utilisé lorsque des matériaux à haute conductivité thermique sont nécessaires.
Cependant, le cuivre suppose un coefficient de dilatation thermique élevé (CTE). L'alliage Invar (64% Fe ± 36% Ni) est exceptionnellement faible en ce qui concerne le CET entre métaux, mais sa conductivité thermique est très médiocre.
Le diamant est plus attrayant, car il a une très haute conductivité thermique et un faible CET, mais il est coûteux (conductivité thermique, SF).
L’aluminium n’est pas aussi conducteur que le cuivre, mais il a une faible densité, ce qui est attrayant pour l’électronique des avions et les applications (par exemple, les ordinateurs portables) qui nécessitent un faible poids.
Les métaux sont des conducteurs thermiques et électriques. Pour les applications nécessitant une conductivité thermique et une isolation électrique, des diamants et des matériaux céramiques appropriés peuvent être utilisés, mais des non-métaux peuvent être utilisés.
Composés à matrice métallique
Une façon de réduire le CTE d'un métal consiste à former un composite à matrice métallique en utilisant une charge à faible CTE.
À cette fin, des particules de céramique, telles que de l'AlN et du carbure de silicium (SiC), sont utilisées en raison de la combinaison de leur conductivité thermique élevée et de leur faible CTE.
Étant donné que le remplissage a généralement un CTE et une conductivité thermique inférieurs à ceux de la matrice métallique, plus la fraction volumique de charge dans le composite est élevée, plus le CTE et la conductivité thermique sont faibles.
Composés de la matrice de carbone
Le carbone est une matrice attrayante pour les composés à conduction thermique en raison de sa conductivité thermique (mais pas aussi élevée que celle des métaux) et de son faible CTE (inférieur à celui des métaux).
De plus, le carbone est résistant à la corrosion (plus résistant à la corrosion que les métaux) et à son faible poids.
Un autre avantage de la matrice de carbone est sa compatibilité avec les fibres de carbone, contrairement à la réactivité courante entre une matrice métallique et ses charges.
Par conséquent, les fibres de carbone constituent la charge dominante pour les composites à matrice de carbone.
Carbone et graphite
Un matériau entièrement carboné fabriqué par la consolidation de carbones précurseurs de carbone orientés sans liant, puis carbonisé et éventuellement graphitisée, présente une conductivité thermique allant de 390 à 750 W / mK dans la fibre du matériau.
Un autre matériau est le graphite pyrolytique (appelé TPG) enrobé dans une coque structurelle. Le graphite (très texturé avec les axes c des grains, de préférence perpendiculaires au plan du graphite), a une conductivité thermique dans le plan de 1700 W / m K (quatre fois celui du cuivre), mais est mécaniquement faible en raison de la tendance à couper dans le plan de graphite.
Composés à matrice céramique
La matrice de verre au borosilicate est attrayante en raison de sa faible constante diélectrique (4.1) comparée à celle de l’AlN (8.9), de l’alumine (9.4), du SiC (42), du BeO (6.8), du nitrure de bore cubique (7.1), diamant (5.6) et verre ± céramique (5.0).
Une faible valeur de la constante diélectrique est souhaitable pour les applications de conditionnement électronique. D'autre part, le verre a une faible conductivité thermique.
La matrice de SiC est attrayante en raison de son CTE élevé par rapport à la matrice de carbone, bien qu'elle ne soit pas aussi conductrice que le carbone.
Le CTE des composés carbone + carbone est trop faible, ce qui réduit la durée de vie en fatigue dans les applications puce à bord (COB) avec des copeaux de silice.
Le composite de carbone à matrice SiC est composé d'un composé carbone-carbone convertissant la matrice de carbone en SiC (Chung, 2001).
