Avantages des matériaux en carbone en termes de conductivité thermique et de dissipation de la chaleur

Dans les industries actuelles de l’électronique et de l’optoélectronique, à mesure que les appareils électroniques et leurs produits évoluent vers une intégration et un calcul intensifs, la puissance dissipée a doublé. La dissipation thermique est progressivement devenue un frein majeur au développement durable de l’industrie électronique. Trouver des matériaux de gestion thermique dotés d’une excellente conductivité thermique est crucial pour la prochaine génération de circuits intégrés et la conception de produits électroniques tridimensionnels.

La conductivité thermique des matériaux céramiques traditionnels (tels que le nitrure de bore et le nitrure d’aluminium) et des matériaux métalliques (tels que le cuivre et l’aluminium) n’est que de quelques centaines de W/(m·K) au maximum. En comparaison, la conductivité thermique des matériaux carbonés tels que le diamant, le graphite, le graphène, les nanotubes de carbone et la fibre de carbone est encore plus impressionnante. Par exemple, le graphite présente une conductivité thermique théorique allant jusqu’à 4 180 W/m·K dans la direction parallèle à la couche cristalline, soit près de dix fois celle des matériaux métalliques traditionnels tels que le cuivre, l’argent et l’aluminium. De plus, les matériaux carbonés présentent d’excellentes propriétés, telles qu’une faible densité, un faible coefficient de dilatation thermique et de bonnes propriétés mécaniques à haute température.

Graphène

Le graphène est un matériau à surface d’atomes de carbone monocouche, détaché du graphite. Sa structure plane bidimensionnelle en nid d’abeille est composée d’atomes de carbone monocouches étroitement disposés en hexagones réguliers. Cette structure est très stable. La connexion entre les atomes de carbone à l’intérieur du graphène est très flexible. Lorsqu’une force externe est appliquée au graphène, la surface des atomes de carbone se courbe et se déforme, évitant ainsi aux atomes de carbone de se réorganiser pour s’adapter à la force externe, préservant ainsi la stabilité structurelle. Cette structure réticulaire stable confère au graphène une excellente conductivité thermique.

Nanotubes de carbone

Depuis leur découverte en 1991, les nanotubes de carbone ont suscité un intérêt croissant, attirant de nombreux scientifiques vers l’étude de leur conductivité thermique. Les nanotubes de carbone sont constitués de feuilles de graphite monocouches ou multicouches enroulées, et se divisent en trois types : monoparoi, biparoi et multiparoi.

Cette structure particulière confère aux nanotubes de carbone une conductivité thermique extrêmement élevée. Des chercheurs ont calculé que la conductivité thermique des nanotubes de carbone monoparois à température ambiante est de 3980 W/(m·K), celle des nanotubes de carbone biparois de 3580 W/(m·K) et celle des nanotubes de carbone multiparois de 2860 W/(m·K).

Diamant

La structure cristalline du diamant est un arrangement serré d’atomes de carbone en tétraèdres, où tous les électrons participent à la liaison. Par conséquent, sa conductivité thermique à température ambiante peut atteindre 2000 à 2100 W/(m·K), ce qui en fait l’un des matériaux présentant la meilleure conductivité thermique naturelle. Cette caractéristique le rend irremplaçable dans le domaine de la dissipation thermique haut de gamme.

Fibre de carbone

La fibre de carbone est traitée par carbonisation à haute température pour former une structure en graphite turbostratique. Si son réseau axial de graphite est fortement orienté, elle peut atteindre une conductivité thermique ultra-élevée. Par exemple, la conductivité thermique d’une fibre de carbone à base de brai mésophasé est de 1 100 W/(m·K), tandis que celle d’une fibre de carbone obtenue par croissance en phase vapeur peut atteindre 1 950 W/(m·K).

Graphite

Le graphite présente une structure cristalline hexagonale, composée de six facettes et de deux plans de base compacts. La première couche de la grille hexagonale d’atomes de carbone est décalée de la moitié de la diagonale hexagonale et chevauche parallèlement la deuxième couche. La troisième couche et la première couche se répètent en position, formant une séquence ABAB… La conductivité thermique du graphite naturel le long du plan cristallin (002) est de 2 200 W/(m·K), et la conductivité thermique dans le plan du graphite pyrolytique hautement orienté peut également atteindre 2 000 W/(m·K).

Les matériaux carbonés mentionnés ci-dessus présentent tous une conductivité thermique extrêmement élevée, ce qui a suscité un vif intérêt dans le domaine des exigences élevées en matière de dissipation thermique. Examinons maintenant quelques matériaux classiques à base de carbone, conducteurs et dissipateurs de chaleur.

Les matériaux à base de carbone, grâce à leur structure cristalline unique et à leurs propriétés physiques et chimiques, présentent des avantages irremplaçables en matière de conductivité et de dissipation thermiques. Grâce aux progrès des technologies de préparation et à l’élargissement des applications, les matériaux à base de carbone tels que le graphène et le diamant devraient propulser les solutions de dissipation thermique à un niveau supérieur dans des secteurs tels que l’électronique et l’aérospatiale.