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Les 7 principaux conducteurs de chaleur
Le conducteurs de chaleur Les principaux sont les métaux et les diamants, les composites à matrice métallique, les composites à matrice de carbone, les composites à matrice de carbone, de graphite et de céramique.
La conductivité thermique est une propriété de matériau qui décrit la capacité à conduire la chaleur et peut être définie comme suit: « La quantité de chaleur transmise à travers une unité d'épaisseur de matériau - dans une direction perpendiculaire à une surface de la zone de l'unité - parce 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 froide 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 de 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, S.F.).
En général, de bons conducteurs (métaux tels que le cuivre, l'aluminium, l'or et l'argent) sont également de bons conducteurs de la chaleur, tandis que les isolants électriques (bois, plastique et en caoutchouc) sont conducteurs de la chaleur médiocres.
L'énergie cinétique (moyenne) d'une molécule dans le corps chaud est plus élevée que dans le corps le plus froid. Si deux molécules entrent en collision, un transfert d'énergie de la molécule chaude au froid se produit.
L'effet cumulatif de toutes les collisions se traduit par un flux de chaleur net du corps chaud vers le corps le plus froid (SantoPietro, S.F.).
Matériaux à haute conductivité thermique
Des matériaux à conductivité thermique élevée sont requis 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 thermique 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, en particulier de sa structure et de 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 requis.
Cependant, le cuivre suppose un coefficient de dilatation thermique élevé (CET). L'alliage Invar (64% Fe ± 36% Ni) est exceptionnellement faible en CET entre les métaux, mais sa conductivité thermique est très faible.
Le diamant est plus attractif car sa conductivité thermique et son CET sont très élevés, mais il est coûteux (conductivité thermique, S.F.).
L'aluminium n'est pas aussi conducteur que le cuivre, mais 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 CDT d'un métal consiste à former un composite à matrice métallique en utilisant un agent de remplissage à faible ETC.
À cette fin, des particules de céramique telles que l'AlN et le carbure de silicium (SiC) sont utilisées en raison de leur combinaison de conductivité thermique élevée et de faible CTE.
En tant que charge ont généralement CTE plus faible et une conductivité thermique inférieure à celle de la matrice métallique, la charge de la fraction de volume plus élevé dans le composé, plus le CTE et plus la conductivité thermique.
Composés de matrice de carbone
Le carbone est une matrice attrayante pour les composés à conduction thermique en raison de sa conductivité thermique (même si elle n'est pas aussi élevée que celle des métaux) et de son faible CDT (inférieur à celui des métaux).
De plus, le carbone résiste à la corrosion (plus résistant à la corrosion que les métaux) et son faible poids.
Un autre avantage de la matrice de carbone est sa compatibilité avec les fibres de carbone, contrairement à la réactivité commune entre une matrice métallique et ses charges.
Par conséquent, les fibres de carbone constituent la principale charge pour les composites à matrice de carbone.
Carbone et graphite
Un matériau en carbone fabriquée par la consolidation de précurseurs complètement orientés atomes de carbone sans liant et la carbonisation ultérieure et en option carbone de graphitisation, a une conductivité thermique comprise entre 390 et 750 W / mK dans la matière fibreuse.
Un autre matériau est le graphite pyrolytique (appelé TPG) enfermé dans une enveloppe structurelle.Graphite (axe c de très texturation de préférence perpendiculaire au plan de grains de graphite) a une conductivité thermique dans le plan de 1700 W / m K (quatre fois supérieur à celui du cuivre), mais est mécaniquement faible en raison de la tendance couper dans le plan de graphite.
Composés de matrice céramique
La matrice de verre de borosilicate est intéressante en raison de sa faible constante diélectrique (4,1) par rapport à celle de AlN (8,9), l'alumine (9,4), SiC (42), BeO (6,8) de 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. Par contre, le verre a une faible conductivité thermique.
La matrice SiC est intéressante en raison de sa haute CTE par rapport à la matrice de carbone, mais pas aussi conducteur de la chaleur que le carbone.
Le CTE de carbone Composés de carbone ± est trop faible, ce qui entraîne une durée de vie réduite de fatigue dans des applications chip-on-board (COB) avec des puces de silicium.
La matrice SiC en composite de carbone comprend un composite carbone-carbone de conversion de matrice de carbone SiC (Chung, 2001).
Références
- Chung, D. (2001). Matériaux pour la conduction thermique. Génie Thermique Appliqué 21 , 1593±1605.
- CK-12 Foundation. (S.F.). Conducteurs et isolants thermiques. Extrait de ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F.). Qu'est-ce que la conductivité thermique? Récupéré de khanacademy: khanacademy.org.
- La boîte à outils d'ingénierie. (S.F.). Conductivité thermique des matériaux et des gaz courants. Récupéré de engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.