Dans les industries électroniques et optoélectroniques actuelles, à mesure que les dispositifs et produits électroniques évoluent vers une intégration et une puissance de calcul plus élevées, la puissance dissipée a doublé. La dissipation thermique est devenue un facteur clé limitant le développement durable de l'industrie électronique. Trouver des matériaux de gestion thermique avec une excellente conductivité thermique est crucial pour la conception de circuits intégrés de nouvelle génération et de produits électroniques tridimensionnels. La conductivité thermique des matériaux céramiques traditionnels, tels que le nitrure de bore et le nitrure d'aluminium, ainsi que des matériaux métalliques, comme le cuivre et l'aluminium, n'est que de quelques centaines de W/(m·K) au maximum. En revanche, matériaux à base de carbone, tels que le diamant, le graphite, le graphène, les nanotubes de carbone et la fibre de carbone, offrent une conductivité thermique bien plus élevée. Par exemple, la conductivité thermique du graphite dans la direction parallèle aux couches cristallines peut théoriquement atteindre 4180 W/m·K. C'est presque 10 fois celle des métaux traditionnels comme le cuivre, l'argent et l'aluminium.
De plus, les matériaux à base de carbone possèdent également d'excellentes propriétés telles qu'une faible densité, un faible coefficient de dilatation thermique et de bonnes propriétés mécaniques à haute température.
En résumé, les matériaux à base de carbone ont une capacité unique de conduction/dissipation thermique, ce qui en fait les matériaux de dissipation thermique les plus prometteurs ces dernières années.
Conductivité thermique de différents matériaux à base de carbone
Graphène
Le graphène est un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone exfoliée du graphite. Sa structure forme un réseau hexagonal, créant un plan bidimensionnel stable en forme de ruche d'abeilles. Les atomes de carbone à l'intérieur du graphène sont reliés avec une grande flexibilité. Lorsqu'une force externe est appliquée au graphène, le plan d'atomes de carbone se plie et se déforme, permettant aux atomes de carbone de maintenir leur stabilité structurale sans se réarranger. Cette structure de réseau stable confère au graphène une conductivité thermique exceptionnelle.
Des études ont montré que la conductivité thermique du graphène à une seule couche à température ambiante peut atteindre de 3000 à 5300 W/(m·K).
Nanotubes de Carbone
Depuis la découverte des nanotubes de carbone en 1991, ils sont devenus un point focal. De nombreux chercheurs ont étudié leur conductivité thermique. Les nanotubes de carbone sont formés en enroulant une ou plusieurs couches de feuilles de graphite. Ils peuvent être classés en types à paroi simple, à double paroi et à parois multiples.
La structure unique des nanotubes de carbone leur confère une conductivité thermique exceptionnellement élevée. Des études ont montré que la conductivité thermique des nanotubes de carbone à paroi simple à température ambiante est de 3980 W/(m·K). Les nanotubes à double paroi ont une conductivité thermique de 3580 W/(m·K). Les nanotubes à parois multiples ont une conductivité thermique de 2860 W/(m·K).
Diamant
Le diamant possède une structure cristalline où les atomes de carbone sont étroitement arrangés selon un motif tétraédrique. Tous les électrons participent à la liaison, ce qui entraîne une conductivité thermique exceptionnelle de 2000–2100 W/(m·K) à température ambiante. Cela fait du diamant l'un des meilleurs matériaux pour la conductivité thermique dans la nature. Cette propriété le rend irremplaçable dans les applications de dissipation thermique haut de gamme.
Fibre de Carbone
La fibre de carbone est formée par carbonisation à haute température, ce qui donne une structure de graphite désordonnée. Lorsqu'elle possède une orientation très prononcée de la maille de graphite axiale, elle peut atteindre une conductivité thermique ultra-élevée. Par exemple, la conductivité thermique de la fibre de carbone à base de brai atteint 1100 W/(m·K), tandis que celle de la fibre de carbone cultivée par vapeur peut atteindre 1950 W/(m·K).
Graphite
Le graphite appartient au système cristallin hexagonal, composé de six faces prismatiques et de deux plans basaux densément empaquetés. Les atomes de carbone dans la première couche forment un réseau hexagonal, la deuxième couche étant décalée de la moitié de la diagonale de l'hexagone, et elles se chevauchent en parallèle. La troisième couche répète la position de la première, créant une séquence A-B-A-B… La conductivité thermique du graphite naturel le long du plan cristallin (002) est de 2200 W/(m·K). La conductivité thermique en plan de graphite pyrolytique très orienté peut également atteindre 2000 W/(m·K).
Conclusion
Les matériaux à base de carbone possèdent des structures cristallines et des propriétés physico-chimiques uniques. Ces matériaux présentent des avantages irremplaçables en termes de conductivité thermique et de dissipation thermique. Avec les progrès des technologies de préparation et l'expansion des scénarios d'application, les matériaux à base de carbone, tels que le graphène et le diamant, devraient améliorer les solutions de gestion thermique. Cela aidera des industries comme l'électronique et l'aérospatiale à atteindre un niveau supérieur.
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