Pour obtenir simultanément une haute conductivité thermique et une isolation électrique irréprochable, les charges céramiques sont incontournables. Présentation des trois candidats les plus performants, de leurs propriétés et de leurs limites applicatives.
Le nitrure de bore (BN), le « graphite blanc »
Le nitrure de bore est un solide inorganique dont les structures hexagonale (h-BN) et cubique (c-BN) sont les plus stables. Sa structure hexagonale est similaire à celle du graphite, lui valant le surnom de « graphite blanc ».
Propriétés clés :
- Conductivité thermique : jusqu’à 300-400 W/m·K dans le plan de la couche
- Résistivité électrique : 10¹³ Ohm.cm (excellent isolant électrique)
- Stabilité thermique : jusqu’à 1000 °C sous air, 1950 °C sous gaz inerte
- Non toxique (avantage en termes de manipulation industrielle)
Résultat clé : BN dans époxy. Selon Xiao et Xue Du, la conductivité thermique d’un composite époxy passe de 1,5 W/m·K avec du BN non traité à 2,69 W/m·K lorsque le BN est traité par admicelle, un traitement favorisant l’adhésion interfaciale du BN sur la résine.
Le nitrure d’aluminium (AlN)
Matériau réfractaire et semi-conducteur, l’AlN est à la fois isolant électrique et doté d’une conductivité thermique exceptionnelle, pouvant atteindre 1800 W/m·K pour les formes les plus pures. Sa principale limite est sa sensibilité à l’hydrolyse en présence d’eau.
Résultat clé de l’AlN traité silane dans époxy :
- Avec 60 % vol. de particules d’AlN traitées au silane, la conductivité thermique atteint 11,0 W/m·K
- Soit une augmentation de +97 % par rapport à l’AlN non traité
- L’amélioration est due à la réduction de la résistance de contact thermique à l’interface
L’alumine (Al₂O₃), la charge généraliste
Faisant partie de la famille des oxydes, l’alumine est le matériau naturel le plus dur après le diamant (> 18 GPa Vickers). Elle est particulièrement utilisée pour sa résistance à l’usure, sa biocompatibilité et son excellent rapport performance/coût.
- Conductivité thermique : 8–30 W/m·K (selon la pureté)
- Rigidité diélectrique : jusqu’à 40 kV/mm
- Avec 80 % vol. : conductivité thermique composite époxy atteignant 4,5 W/m·K
Tableau comparatif des conductivités effectives (littérature)
| Configuration | Taux volumique | λ effective (W/m·K) | Traitement |
|---|---|---|---|
| Époxy pur (référence) | – | ~0,2 | – |
| Époxy + BN non traité | Variable | 1,5 | Aucun |
| Époxy + BN admicelle | Variable | 2,69 | Admicelle |
| Époxy + Al₂O₃ | 80 % vol. | 4,5 | – |
| Époxy + AlN traité silane | 60 % vol. | 11,0 | Silane |
À noter : graphite et graphène. Bien que le graphite et le graphène présentent des conductivités thermiques intrinsèques très élevées, ils sont également conducteurs électriques. Leur utilisation est donc incompatible avec les applications d’isolation diélectrique.
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