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La conductivité thermique, un paramètre clé
La construction légère est considérée comme un moteur d’innovation stratégique dans de nombreux secteurs de haute technologie, de l’aérospatiale à l’électronique de puissance en passant par l’électromobilité. Mais ces matériaux présentent précisément un défi souvent sous-estimé : la gestion thermique. Les polymères présentent une faible conductivité thermique qui entrave la dissipation de la chaleur. Des matériaux tels que les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC) ou les composés polymères thermoconducteurs, c’est-à-dire des polymères contenant des charges, permettent d’améliorer les propriétés de transport de la chaleur tout en conservant les économies de poids et en ouvrant de nouvelles libertés de conception.
Les composants électroniques, les capteurs et les modules d’électronique de puissance génèrent une quantité considérable de chaleur pendant leur fonctionnement. Si cette chaleur n’est pas évacuée efficacement, des pics de température risquent d’entraîner des restrictions fonctionnelles, un vieillissement, voire une défaillance brutale.
Pour prédire les conditions thermiques critiques et sélectionner les matériaux appropriés, il est indispensable de connaître précisément leur conductivité thermique. C’est là qu’intervient la caractérisation thermophysique des matériaux.
Cet article explique comment les matériaux légers modernes se comportent thermiquement, quels sont les risques pour les systèmes électroniques – et comment obtenir des informations différenciées sur les propriétés de transport de chaleur à l’aide de techniques de mesure appropriées. Il intègre des travaux scientifiques récents qui ouvrent de nouvelles voies pour optimiser les matériaux composites à base de polymères et de PRFC, tant sur le plan mécanique que thermique, sans compromettre l’intégrité électrique des composants.
Conductivité thermique en théorie et en pratique
La conductivité thermique est un paramètre clé du comportement thermique des matériaux. Elle décrit la capacité d’un matériau à transporter l’énergie thermique par conduction, généralement exprimée en watts par mètre et par kelvin (W/m-K). Dans la pratique, une conductivité thermique élevée signifie que l’énergie thermique peut être évacuée efficacement de son lieu de production vers des zones plus froides. En revanche, une dissipation thermique insuffisante entraîne des surchauffes locales et une défaillance accélérée des composants électroniques.
L’analyse de la conductivité thermique est particulièrement complexe dans les matériaux anisotropes tels que les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC). Dans ce cas, les conductivités thermiques diffèrent fortement entre la direction des fibres (in-plane) et la direction perpendiculaire (through-plane). Cette forte anisotropie peut devenir un goulot d’étranglement critique dans les applications où la chaleur est générée de manière ponctuelle, par exemple sous les transistors de puissance.
Dans leur forme de base, les polymères présentent généralement une très faible conductivité thermique (<0,3 W/m-K), mais offrent un énorme potentiel d’optimisation grâce à l’intégration ciblée de charges thermiquement conductrices. L’aperçu de Ali et al. (2021) montre différentes approches pour renforcer les polymères avec des fibres de carbone (CF) et l’effet que cela a sur les propriétés de transport de chaleur. Le type, la quantité et l’orientation des fibres ont un impact significatif sur la conductivité thermique résultante.
Un autre concept consiste à combiner des particules de diamant et des fibres de carbone dans une matrice époxy. Il en résulte un réseau conducteur bidimensionnel très dense qui permet une augmentation significative de la conductivité thermique sans compromettre l’isolation électrique (Zheng, J., et al., 2024). Ceci est particulièrement pertinent pour l’utilisation dans les boîtiers électroniques, où une forte dissipation thermique est requise tout en assurant une isolation électrique.
L’évaluation quantifiée de ces propriétés nécessite des méthodes de mesure à haute résolution et en fonction du temps. Les méthodes classiques à l’état stable atteignent souvent leurs limites dans ce domaine, en particulier pour les matériaux minces ou anisotropes. Dans de tels cas, la méthode laser-flash offre une solution élégante en mesurant la conductivité thermique α via la réponse transitoire à une impulsion thermique définie. Combinée à la capacité thermique spécifique et à la densité, elle permet de calculer la conductivité thermique réelle.
Cette combinaison de développement scientifique des matériaux et de technique de mesure précise permet de tester de manière ciblée l’aptitude thermique des matériaux et de les adapter structurellement – une étape décisive pour le fonctionnement fiable de systèmes électroniques soumis à des contraintes thermiques dans des structures légères.
Analyseur laser flash : précision dans la caractérisation thermophysique
La détermination fiable de la conductivité thermique est essentielle pour prédire le comportement des matériaux légers sous contrainte thermique. Une analyse directionnelle précise est particulièrement nécessaire pour les matériaux anisotropes ou hétérogènes tels que les PRFC ou les composés polymères chargés. Dans ce domaine, la méthode laser-flash s’est imposée comme l’une des méthodes de pointe. L’un des principaux avantages de la LFA est qu’elle ne nécessite pas de contact thermique direct avec l’échantillon, ce qui évite les erreurs de mesure dues à la résistance de contact.
Le principe de mesure de l’analyseur laser flash (LFA) repose sur une méthode transitoire et sans contact pour déterminer la conductivité thermique (α) d’un échantillon. Pour ce faire, la face inférieure de l’échantillon est brièvement chauffée par une impulsion d’énergie. Un détecteur situé sur la surface opposée de l’échantillon mesure l’augmentation de la température en fonction du temps. Le temps nécessaire à la température pour atteindre un certain niveau permet de déterminer la conductivité thermique.
La conductivité thermique (λ) est obtenue en multipliant la conductivité thermique (α), la capacité thermique spécifique (cp) et la densité (ρ) :
\begin{aligned}
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{où :} \quad
\left\{
\begin{array}{ll}
\lambda & : \text{ conductivité thermique (W/m·K)} \\
\alpha & : \text{ diffusivité thermique (mm²/s)} \\
c_p & : \text{ capacité thermique spécifique (J/kg·K)} \\
\rho & : \text{ densité (kg/m³)}
\end{array}
\right.
\end{aligned}
\)
L’application du LFA va au-delà de la simple mesure : en le couplant à des approches de modélisation telles que l’analyse par éléments finis (FEA), les valeurs obtenues peuvent être directement converties en simulations thermiques pour l’agencement des composants ou la conception des boîtiers. Cela permet aux ingénieurs d’identifier les points chauds critiques dès la phase de conception et de les éviter par la construction.
Le Laser Flash Analyzer est donc un outil indispensable dans le développement des matériaux et l’assurance qualité – en particulier pour les applications où la performance thermique est déterminante pour la durée de vie des composants électroniques.
Étude de cas sur les compounds polymères : la conduction thermique par l'ingénierie des charges
Les composés polymères comptent parmi les matériaux les plus polyvalents de la science moderne des matériaux. Leurs propriétés mécaniques, électriques et thermiques peuvent être adaptées de manière ciblée par le choix de la matrice et la conception des charges. Pour la gestion thermique des systèmes électroniques, le défi consiste à augmenter la conductivité thermique intrinsèquement faible des polymères à l’aide d’additifs appropriés – sans compromettre de manière significative l’isolation électrique ou la facilité de traitement.
L’aperçu de Ali et al. (2021) montre systématiquement comment la conductivité thermique des résines époxy peut être augmentée de manière significative en combinant différentes charges. Des particules céramiques telles que l’oxyde d’aluminium (Al₂O₃) ainsi que des fibres de carbone (CF) ont par exemple été utilisées comme additifs conducteurs. Combinées, elles ont permis d’atteindre une conductivité thermique allant jusqu’à 3,84 W/m-K avec une teneur en Al₂O₃ de 74 % et en CF de 6,4 %, soit une augmentation de plus de 12 fois par rapport au polymère pur(Ali, Z., et al.) .
La caractérisation thermique peut alors être réalisée par analyse flash laser (LFA) afin de déterminer avec précision la conductivité thermique en fonction du type, de la géométrie et de la concentration des charges. Il est démontré qu’en plus de la fraction volumique, la répartition spatiale et l’orientation des charges sont particulièrement déterminantes pour l’efficacité du transfert de chaleur. L’ajout de CF comme phase structurante favorise la formation de chemins percolants qui favorisent efficacement la conduction thermique point à point.
Un point central du travail est la corrélation entre la structure du matériau et le résultat des mesures. Les mesures LFA permettent non seulement d’évaluer la valeur absolue de la conductivité thermique, mais aussi de tirer des conclusions sur l’homogénéité interne et la répartition des charges. Par exemple, une mauvaise dispersion peut être détectée par une augmentation de la dispersion dans les résultats.
Il en résulte une recommandation claire pour la pratique industrielle : grâce au choix et à la combinaison ciblés de charges ainsi qu’à une technique de processus adaptée à la structure, la conductivité thermique des matériaux à base de polymères peut être amenée à un niveau qui convient aux applications thermiques exigeantes – tout en préservant l’isolation électrique et l’intégrité mécanique.
Étude de cas de thermoréseau 2D : le diamant et les fibres de carbone comme conducteurs thermiques fonctionnels
L’un des principaux problèmes de nombreux composés polymères à haute conductivité thermique est le conflit d’objectifs entre l’efficacité thermique et l ‘isolation électrique. Alors que les charges à base de carbone, telles que les fibres de carbone ou le graphène, sont d’excellents conducteurs thermiques, elles présentent également une conductivité électrique élevée. Il s’agit d’un défi fondamental pour les boîtiers électroniques, les matériaux des cartes de circuits imprimés ou les supports isolants.
Zheng, et al. (2024) présentent une solution prometteuse : un réseau bidimensionnel de particules de diamant structurellement lié à l’aide de fibres de carbone courtes (CF) dans une matrice de résine époxy. Le diamant, un matériau électriquement isolant mais hautement conducteur de chaleur, constitue l’épine dorsale de la structure de transport thermique. Les fibres de carbone servent de liens et relient latéralement les particules de diamant pour former un chemin thermique efficace.
Cette configuration innovante a été systématiquement examinée dans le cadre de l’étude et la caractérisation thermique a été réalisée par analyse flash au laser. La conductivité thermique calculée à partir de cette analyse a atteint 2,653 W/m-K, une valeur qui représente une augmentation de plus de 1600% par rapport à la matrice non chargée. Dans le même temps, la résistivité électrique est restée à environ 1,4 ∙ 1013 Ω∙cm, ce qui confirme son aptitude à servir de matériau de boîtier électriquement isolant.
Dans le concept de matériau, les particules de diamant constituent la structure primaire, les CF la structure de pont – intégrée dans la matrice. Ce réseau permet une répartition homogène de la conduction thermique sans provoquer de surchauffe ponctuelle. L’analyse de la microstructure par microscopie électronique à balayage a confirmé la répartition uniforme et la liaison efficace des charges à la matrice.
Selon eux, la clé du succès réside dans l’adaptation géométrique et chimique ciblée des particules: grâce à un tassement étroit et à une orientation contrôlée du réseau, ils parviennent à créer des chemins percolants pour la conduction thermique sans risquer un court-circuit électrique.
Pour les applications dans le domaine des composants électroniques de puissance, des capteurs ou des structures de refroidissement actives, cette approche offre un compromis prometteur entre performances thermiques élevées et sécurité électrique. L’étude de Zheng et al. démontre de manière impressionnante qu’il est possible de trouver des solutions matérielles fonctionnelles pour la gestion thermique des systèmes à base de polymères grâce à une architecture de remplissage microstructurée et à une détection métrologique précise.
Résumé et recommandations d'action
La capacité à dissiper efficacement la chaleur des composants électroniques détermine de plus en plus leur fiabilité et leur durée de vie – en particulier dans les structures légères à base de PRFC ou de compounds de polymères. Les cas étudiés montrent clairement à quel point la structure du matériau, le choix de la charge et la conception géométrique influencent la conductivité thermique – et à quel point une technologie de mesure précise est cruciale pour saisir ces propriétés.
La méthode transitoire d’analyse flash laser (LFA) s’est révélée être un outil indispensable dans tous les cas. Ses points forts résident dans sa capacité à fournir des données reproductibles et résolues en termes de direction, même pour les échantillons anisotropes et à parois minces. Elle permet ainsi non seulement une évaluation quantitative, mais aussi de tirer des conclusions sur l’efficacité des réseaux structurés de conduction thermique – comme dans le cas du réseau 2D Diamond CF (Zheng et al., 2024) ou des systèmes hybrides de charges dans les polymères (Wang et al., 2020) .
Plusieurs recommandations peuvent être tirées de ces conclusions pour la pratique industrielle :
- Utiliser les données de mesure comme base de conception: Les mesures LFA doivent être intégrées très tôt dans le processus de développement afin de définir des conditions thermiques limites réalistes pour la conception des composants.
- Orienter la conduction thermique de manière ciblée: Les matériaux anisotropes comme le PRFC doivent être considérés dans leur dépendance à l’orientation. Des modifications structurelles – par exemple des intercalaires – permettent d’adapter le chemin thermique.
- Utiliser des charges hybrides: Dans les compounds polymères, la combinaison d’additifs céramiques (isolants électriques) et à base de carbone (conducteurs thermiques) offre le meilleur rapport entre performance thermique et sécurité électrique.
- Concevoir des réseaux thermiques: les réseaux thermiques microstructurés démontrent le potentiel de l’ingénierie de remplissage ciblée, même lorsque les parts de volume sont limitées.
- Préparer l’intégration de la simulation: Les données mesurées avec LFA devraient être directement transférées dans des simulations thermiques par éléments finis afin d’identifier rapidement les points chauds et de les éviter du côté de la conception.
Dans l’ensemble, il est clair que l’optimisation ciblée de la conductivité thermique dans les composés de PRFC et de polymères n’est pas un produit du hasard, mais le résultat d’une interaction contrôlée avec précision entre la conception du matériau, la compréhension de la mécanique structurelle et le contrôle métrologique. Le Laser Flash Analyzer n’est pas seulement un instrument de mesure, il fait partie intégrante du développement moderne des matériaux pour la gestion thermique des systèmes électriques.
Références
- Ali, Z., et al.
Preparation, Properties and Mechanisms of Carbon Fiber/Polymer Composites with High Thermal Conductivity
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI : https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., et al.
Amélioration de la conductivité thermique et de la résistivité électrique d’un composite époxy par la construction d’un réseau 2D de particules de diamant serrées, connectées à des fibres de carbone découpées
Polymer Composites (2024)
DOI : https://doi.org/10.1002/pc.29728
