La conductivité thermique d’un composite ne dépend pas seulement de la nature des charges. La forme des particules, leur taille, leur distribution et leur concentration jouent un rôle tout aussi déterminant. Décryptage des mécanismes morphologiques clés.
1. Le facteur de forme
Le facteur de forme est défini comme le rapport entre la longueur et l’épaisseur d’une charge (ou entre la longueur et le diamètre pour les particules sphériques). Plus il s’éloigne de 1, plus les particules favorisent les contacts entre elles et donc le transfert thermique.
| Forme | Facteur de forme | Contact interparticulaire | Impact sur λ |
|---|---|---|---|
| Sphère | FF = 1 | Faible | Défavorable |
| Prolate (ovale allongé) | FF > 1 | Modéré | Modéré |
| Oblate (disque aplati) | FF < 1 | Bon | Bon |
| Platelet (lame) | FF ≪ 1 | Très élevé | Excellent |
| Cylindre (fibre) | FF → ∞ | Très élevé | Excellent |
Pour les platelets de BN hexagonal, la conductivité dans le plan de la couche peut atteindre ~400 W/m·K, ce qui en fait la forme la plus efficace pour orienter le flux thermique dans une direction privilégiée.
2. La taille des particules
La taille des charges entre en jeu de deux façons :
- Surface spécifique et interface charge/matrice : des particules de petite taille créent de nombreuses petites interfaces qui augmentent la résistance thermique globale. Les charges de grande taille, avec une surface spécifique plus faible, sont donc préférables pour la conductivité effective.
- Combinaison de tailles (principe du bocal) : mélanger des particules de différents diamètres permet d’optimiser l’empilement et de maximiser la densité de réseau conducteur, similaire au principe de remplissage d’un bocal avec des cailloux et du sable.
3. Le phénomène de percolation thermique
Le seuil de percolation correspond à la fraction volumique critique à partir de laquelle les particules forment un réseau continu dans la matrice, créant des chemins privilégiés de conduction thermique.
| Avant le seuil | Au seuil de percolation | Après le seuil |
|---|---|---|
| Particules isolées dans la matrice. Amélioration faible de la conductivité. Taux < 10 vol.%. | Premier réseau conducteur continu formé. Amélioration significative. Transition progressive pour λ. | Réseau dense et interconnecté. Forte amélioration de λ. Taux > 50 vol.% requis. |
4. La fraction volumique (taux de charges)
La fraction volumique représente le pourcentage de charges sur le volume total du matériau composite. Son influence sur la conductivité effective est non linéaire :
- Taux < 10 vol.% : amélioration faible, le réseau de charges est inexistant
- Taux 10–50 vol.% : amélioration progressive, premier réseau en formation
- Taux > 50 vol.% : fort impact sur λ effective, mais risque de viscosité élevée
Mise en garde : l’augmentation du taux de charges augmente également le nombre d’interfaces charge/matrice, ce qui tend à réduire le transfert thermique local. La granulométrie et la morphologie doivent donc être optimisées conjointement avec la fraction volumique.
5. Les interactions entre charges — effets synergiques
Certaines études mentionnent la combinaison de charges de nature et de forme différentes pour obtenir des effets synergiques. Par exemple, Zhifang Gao et Lei Zhao ont montré qu’un mélange de nanoparticules d’AlN et d’Al₂O₃ permet d’atteindre 0,57 W/m·K avec de faibles fractions volumiques. Les synergies bi-charges peuvent apporter un gain de 20 à 40 % supplémentaire sur la conductivité effective.
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