Quels sont les types d'enduits thermoconducteurs et leurs applications ?

La conductivité thermique du caoutchouc

Le caoutchouc est un mauvais conducteur de chaleur, mais il est nécessaire d'avoir une certaine conductivité thermique pour répondre aux exigences d'utilisation dans la pratique. Les produits en caoutchouc dotés d'une conductivité thermique sont largement utilisés, et l'amélioration de la conductivité thermique a un impact important sur les performances des produits en caoutchouc. Par exemple, si la température du matériau en caoutchouc utilisé pour les composants isolants et conducteurs de chaleur des composants électroniques augmente de 2 ℃, sa fiabilité peut diminuer de 10 %. Par conséquent, les composites en caoutchouc à conductivité thermique élevée peuvent transférer efficacement la chaleur, ce qui est très important pour la densification, la miniaturisation et l'amélioration de la fiabilité des produits électroniques.

En outre, le matériau en caoutchouc utilisé dans les pneus doit présenter les caractéristiques d'une faible production de chaleur et d'une conduction thermique élevée. D'une part, il peut améliorer les performances de transfert de chaleur du caoutchouc, augmenter l'efficacité de la vulcanisation et réduire la consommation d'énergie ; d'autre part, la conductivité thermique élevée peut aider à dériver rapidement la chaleur générée par le pneu dans le processus de conduite à grande vitesse, à réduire la température du corps du pneu, de manière à réduire la dégradation des performances causée par une température excessive.

Lorsque la voiture roule à grande vitesse, la chaleur de friction et la chaleur de déformation augmentent de manière significative à mesure que la vitesse de la roue augmente. Si la chaleur n'est pas évacuée assez rapidement, la température du pneu augmentera et la pression de l'air à l'intérieur du pneu augmentera en conséquence, ce qui peut accélérer le vieillissement du caoutchouc et provoquer l'explosion des pneus, entraînant des accidents.

Mécanisme thermique du caoutchouc thermique

Le caoutchouc thermique se divise en caoutchouc thermique intrinsèque et en caoutchouc thermique chargé. Le processus de synthèse du caoutchouc à conductivité thermique intrinsèque est complexe et coûteux, tandis que le prix du caoutchouc à conductivité thermique chargée est faible et facile à mettre en œuvre. Par conséquent, le caoutchouc à conductivité thermique est généralement préparé en remplissant une charge à conductivité thermique élevée. La conductivité thermique du caoutchouc thermoconducteur chargé dépend principalement du substrat en caoutchouc, de la charge thermoconductrice et de leur interface commune.

La charge thermoconductrice est le principal vecteur de conductivité thermique, sa propre conductivité thermique est beaucoup plus élevée que celle du matériau de la matrice, que ce soit sous forme de particules ou de fibres. Lorsque la conductivité thermique de la charge est faible, la charge peut être dispersée uniformément dans le système, mais il n'y a pas de contact ni d'interaction entre elles. À ce moment-là, la contribution de la charge à la conductivité thermique de l'ensemble du système n'est pas significative. Cependant, lorsque la quantité de remplissage atteint un point critique, les charges commencent à entrer en contact et à interagir entre elles, formant une structure similaire à une chaîne et à un réseau dans le système, appelée chaîne du réseau de conduction thermique. Lorsque l'orientation de la chaîne du réseau de conduction thermique est parallèle à la direction du flux de chaleur, la conductivité thermique du système est considérablement améliorée.

Types de charges thermoconductrices

En fonction de leurs propriétés électriques, les matériaux en caoutchouc peuvent être classés en deux catégories : les matériaux isolants et les matériaux non isolants. Le caoutchouc d'isolation thermique est principalement utilisé dans l'aérospatiale, l'armement et les équipements utilisés dans les tubes de puissance, les blocs intégrés, les caloducs et autres équipements, ainsi que dans la microélectronique, les équipements de communication, les moteurs et les équipements électriques qui ont besoin d'isoler les pièces à conductivité thermique. Les principaux matériaux de remplissage utilisés pour l'isolation thermique sont les nitrures, les carbures et les oxydes métalliques.

Le caoutchouc non isolant thermique est principalement utilisé dans les domaines de l'échangeur de chaleur, du chauffe-eau solaire, du refroidisseur de batterie, etc., tels que la production chimique et le traitement des eaux usées. Les charges couramment utilisées sont principalement la poudre de métal, la fibre de carbone, le graphite et le noir de carbone, etc.

Les produits en caoutchouc les plus courants - les pneus - sont-ils des matériaux en caoutchouc isolants ou non isolants ? La réponse est que les pneus de camion sont isolés, alors que les pneus d'avion doivent conduire l'électricité. Pendant le vol, l'avion produit une grande quantité de charges électriques attachées au fuselage par la friction avec l'atmosphère. Les avions sont équipés de brosses de décharge pour évacuer l'électricité statique, mais ils ne peuvent pas garantir une évacuation complète, de sorte que la décharge électrostatique se produira lorsque les passagers descendront de l'avion, ce qui est extrêmement dangereux. Si les pneus de l'avion sont conducteurs d'électricité, ils peuvent maximiser la libération d'une grande quantité d'électricité statique accumulée pendant le vol, réduisant ainsi les accidents.

Charges thermoconductrices pour le "caoutchouc isolant thermoconducteur"

* Remplissage de nitrures et de carbures

Les nitrures et carbures ayant une bonne isolation et une conductivité thermique élevée comprennent principalement le nitrure d'aluminium, le nitrure de bore, le nitrure de silicium, le carbure de silicium, le carbure de bore et le carbure de titane. En incorporant ces charges céramiques inorganiques dans la matrice de caoutchouc, il est possible de préparer un caoutchouc isolant thermoconducteur doté de bonnes propriétés globales.

* Remplissage d'oxyde métallique

Les oxydes métalliques tels que l'oxyde de béryllium, l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de magnésium et l'oxyde de silicium ont une conductivité thermique relativement élevée et peuvent être incorporés dans le caoutchouc pour lui conférer une conductivité et une isolation thermiques et lui conférer de bonnes propriétés physiques et mécaniques.

Par exemple, le caoutchouc de silicium chargé d'alumine peut être utilisé pour fabriquer la couche de conductivité thermique des composants électroniques. Lorsque la quantité d'alumine est trois fois supérieure à celle du caoutchouc de silicium, la conductivité thermique du matériau peut atteindre 2,72 W/(m-K).

* Charge composite

Parfois, l'utilisation d'une seule charge ne peut pas répondre aux besoins de l'application, il est alors nécessaire d'utiliser une charge composite. Par exemple, lorsque le caoutchouc de silicone est rempli de poudre de silice raffinée et de noir de carbone avec une conductivité thermique supérieure à 15 W/(m-K), il est possible de fabriquer un caoutchouc composite d'isolation thermique avec un coefficient de conductivité thermique supérieur à 0,4 W/(m-K) et une résistivité supérieure à 1012Ω-cm.

Charges thermoconductrices pour le "caoutchouc non isolant thermoconducteur"

* Remplissage de poudre métallique

Le remplissage de poudre d'aluminium dans le caoutchouc peut non seulement améliorer considérablement la conductivité thermique du caoutchouc, mais aussi produire des produits en caoutchouc avec une excellente performance globale. Le caoutchouc de silicone avec une conductivité thermique v-0 (UL 94) et 1,09 W/(m-K) peut être préparé en ajoutant de la poudre d'aluminium métallique et de la poudre d'hydroxyde d'aluminium traitée avec de l'acide stéarique.

* Remplissage de noir de carbone, de graphite et de fibre de carbone

Le noir de carbone et le graphite ont une conductivité thermique élevée, et certaines fibres de carbone ont une conductivité thermique allant jusqu'à 1200 W/(m-K), de sorte qu'elles peuvent être incorporées dans le caoutchouc pour produire un caoutchouc non isolant sur le plan thermique.

* Charge composite

La conductivité thermique du caoutchouc change lorsque du titanate de baryum est ajouté au caoutchouc butyle rempli de 50 parties de noir de fumée. Lorsque 20 poudres de titanate de baryum ont été ajoutées, la conductivité thermique du caoutchouc butyle a atteint son maximum. Il est également possible de préparer des matériaux silastiques présentant à la fois des propriétés ignifuges et une conductivité thermique en y ajoutant de la poudre d'argent, du nitrure de bore et des ignifuges à base de platine. À un certain ratio, le matériau peut avoir une conductivité thermique de 14 W/(m-K) et un degré d'ignifugation de v-1 (UL 94).

En général, la conductivité thermique de la matrice en caoutchouc est faible, ce qui a peu d'influence sur la conductivité thermique des matériaux composites. Par conséquent, les principaux facteurs d'influence de la conductivité thermique sont la variété, la quantité de remplissage, la taille des particules et la forme de la charge de conductivité thermique, ainsi que la résistance thermique de l'interface entre la matrice et la charge.

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À propos de l'auteur

Cathie Montanez est scientifique de projet à Stanford Advanced Materials (SAM). Elle a été professeur de recherche à l'école de science et d'ingénierie des matériaux de l'université et est aujourd'hui responsable des essais de performance et de l'orientation technique des produits de SAM, tels que les métaux réfractaires, les céramiques, les creusets de laboratoire et les barres de broyage, etc.