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En général, la conductivité thermique de l’expression est la quantité de chaleur qui traverse un cube de 1x1x1m d’un matériau en 1 seconde lorsqu’il existe un gradient de température d’exactement 1 K entre deux faces opposées.
Cela fait de la conductivité thermique une propriété caractéristique du matériau avec son propre symbole (λ – « lambda ») et sa propre unité SI W / mK. Sa valeur inverse est la résistance thermique spécifique.
Définition scientifique
La définition scientifique de la conductivité thermique la revendique comme la propriété du matériau qui décrit le transport de chaleur au sein d’un échantillon. Pour chaque température d’échantillon, elle est obtenue à partir du produit de la densité, de la diffusivité thermique et de la capacité thermique spécifique à cette température (équation 1) et peut être décrite comme le quotient négatif de la densité du flux de chaleur et du gradient de température (équation 2). L’exemple de (équation 3) est donné à titre d’illustration.
λ = ρ * cp * α (1)
λ = conductivité thermique, ρ = masse volumique, cp = capacité thermique spécifique, α = diffusivité thermique
λ = -q / ∆T (2)
λ = conductivité thermique, q = densité moyenne du flux de chaleur, ∆T = gradient de température
Si cette définition est utilisée pour considérer un échantillon cylindrique, par exemple, les calculs suivants peuvent être effectués : Si l’on considère un cylindre homogène idéal de longueur l et de section constante A, qui est isolé sur son côté et ne peut avoir qu’une température changeant à ses deux extrémités, le gradient de température sur sa longueur est (∆T) / l. La densité du flux de chaleur avec la direction du côté chaud vers le côté froid est λ * (∆T) / l.
Si l’on considère la section A, il y a un flux de chaleur Qqui peut être calculé avec (équation 3) :
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = conductivité thermique, Q = flux de chaleur, ∆T = gradient de température, A = section transversale, l = longueur
Mesure de la conductivité thermique (méthodes) :
Les méthodes de mesure de la conductivité thermique sont nombreuses, mais pour plus de clarté, elles peuvent être divisées en deux groupes fondamentaux : les méthodes de mesure transitoires et stationnaires.
Dans notre vidéo, nos deux scientifiques expliquent la différence entre ces méthodes.
Méthodes de mesure stationnaires
procédé de plaque, comme le « Guarded Hot Plate« , le « Heat Flow Meter« , ou le « Thermal Interface Material Tester« font partie des méthodes de mesure stationnaires.
L’échantillon de matériau est placé entre une plaque chauffée et une plaque refroidie. Il en résulte un gradient de température et, par conséquent, un flux de chaleur le long de l’échantillon, qui est contrôlé jusqu’à ce qu’il tende vers une valeur finale constante.
En connaissant l’épaisseur de l’échantillon et le flux thermique mesuré, il est possible de calculer la conductivité thermique de l’échantillon. Le testeur TIM permet de mesurer la résistance thermique sous une charge ou une compression variable et d’en déduire la conductivité thermique ainsi que la résistance thermique de contact.
Méthodes de mesure transitoires
Un exemple bien connu de méthode transitoire est la méthode laser-flash – un classique qui existe depuis 1975 et qui est encore utilisé aujourd’hui dans le monde entier. La raison en est que, malgré son coût élevé et sa complexité technique, elle fournit des résultats extrêmement précis, même dans des conditions extrêmes pouvant atteindre 2 800 °C. Pour ce faire, le disque échantillon est chauffé d’un côté par un bref flash laser ou lumineux de haute énergie. Un détecteur infrarouge mesure ensuite l’augmentation de la température sur la face opposée. En combinaison avec l’épaisseur de l’échantillon, la conductivité thermique peut être calculée à l’aide d’un modèle de conductivité thermique.
Les méthodes de fil chauffant et de bande chauffante (par exemple, la méthode du pont chaud transitoire) font également partie des techniques transitoires. Elles sont flexibles, peuvent être utilisées dans différentes configurations de capteurs et couvrent ainsi une large gamme de mesures. Dans ce cas, un fil chauffant intégré dans un substrat émet une chaleur constante. La répartition de la température dans l’échantillon et le capteur, qui dépend du temps, est mesurée par un thermomètre intégré – un indicateur direct des propriétés de transport thermique du matériau.
Particularité : mesure de la conductivité thermique sur des couches minces
Un cas particulier est la mesure de la conductivité thermique des couches minces de l’ordre du nanomètre ou du micromètre. Bien que ces mesures reposent en partie sur les mêmes principes de base que pour les échantillons massifs, la mise en œuvre pratique est très différente. Par exemple, au lieu de la méthode laser-flash classique, on utilise ici la thermoréflectance à domaine temporel (TDTR), tandis que la méthode des 3 omégas est une forme spécialisée de la méthode des bandes chauffantes. Ces adaptations sont nécessaires pour pouvoir saisir de manière fiable les conditions limites particulières des couches ultrafines.
