Dans le domaine des isolants diélectriques, la gestion thermique constitue un défi majeur. Les composites à matrice polymère chargée permettent de concilier isolation électrique et évacuation efficace de la chaleur. Tour d’horizon des principes fondamentaux.
Définition : matériau composite. Un matériau composite est un matériau hétérogène constitué d’au moins deux constituants non miscibles, dont l’association confère à l’ensemble des propriétés qu’aucun des composants ne posséderait séparément. Deux phases principales sont définies : les renforts et la matrice.
Chiffres clés
| Polymère pur | Composite chargé | Nitrure de bore |
|---|---|---|
| ~0,2 W/m·K (conductivité typique d’un polymère pur) | > 4 W/m·K (atteignables avec charges céramiques) | 300 W/m·K (conductivité intrinsèque) |
Structure d’un matériau composite
Un composite est constitué de deux phases principales dont les rôles sont complémentaires :
| Phase 1 — Matrice | Phase 2 — Renfort (charges) |
|---|---|
| Assure la cohésion du matériau, lui confère sa forme et sa tenue chimique. Peut être minérale, organique thermodurcissable (époxy, silicone) ou organique thermoplastique. | Particules conductrices thermiques incorporées pour améliorer le transfert de chaleur tout en préservant l’isolation électrique : charges céramiques (BN, AlN, Al₂O₃), charges métalliques (Ag, Cu, Al) ou charges carbonées (graphite, graphène, NTC). |
Pourquoi ajouter des charges thermiques ?
Les matrices polymères présentent, de façon inhérente, des conductivités thermiques très faibles, généralement inférieures à 0,5 W/m·K. Pour les applications d’isolation diélectrique soumises à des cycles thermiques intenses (transformateurs, moteurs électriques, modules de puissance), ce niveau devient de plus en plus insuffisant.
L’ajout de charges conductrices thermiques permet d’augmenter significativement cette valeur sans compromettre les propriétés isolantes électriques. La sélection des charges dépend de plusieurs critères tels que leur nature chimique, leur morphologie, leur granulométrie, leur taux d’incorporation et la qualité de leur interface avec la matrice.
Les matrices thermodurcissables : matériau de référence
Dans le domaine des isolants diélectriques souples, les matrices thermodurcissables, et en particulier les résines époxy, occupent une place prépondérante. Leur réticulation confère une stabilité dimensionnelle et une excellente résistance mécanique, tout en offrant un support de choix pour l’incorporation de charges conductrices thermiques.
Des charges de différentes natures peuvent être combinées afin d’obtenir des effets synergiques, permettant d’atteindre des conductivités thermiques effectives supérieures à 4 W/m·K avec des charges céramiques à taux volumique élevé (60–80 %).
Point marché 2025 : le marché mondial des matériaux d’isolation électrique est évalué à 11,9 Md$ en 2024, avec une croissance annuelle projetée de +6,6 % jusqu’en 2034. Les applications véhicules électriques et énergies renouvelables sont les principaux moteurs de cette croissance.
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