Top 10 des matériaux céramiques offrant la meilleure conductivité thermique

Avec le développement rapide de l'industrie moderne, la gestion thermique est devenue un facteur clé de la performance et de la fiabilité des produits. Des appareils de calcul haute performance aux composants aérospatiaux, le choix de matériaux à conductivité thermique efficace est devenu un critère essentiel pour ces applications haut de gamme.

Les matériaux céramiques présentent des performances exceptionnelles en matière de conductivité thermique grâce à leur combinaison unique de propriétés. Leur conductivité thermique est supérieure à celle des plastiques traditionnels et ils offrent également d'excellentes performances d'isolation électrique, particulièrement adaptées au secteur de l'électronique. Par exemple, la conductivité thermique des matériaux céramiques courants en nitrure d'aluminium (AlN) atteint 180 W/mK, dépassant largement celle des plastiques techniques ordinaires (0,2-0,4 W/mK). Cette combinaison supérieure de conductivité thermique et d'isolation électrique confère aux matériaux céramiques une place essentielle et incontournable dans des applications telles que les boîtiers électroniques et les substrats de dissipation thermique.

Vous êtes curieux de savoir quels sont les 10 matériaux céramiques offrant la meilleure conductivité thermique ? Suivez-nous et lisez la suite pour obtenir la réponse.

Liens rapides

1. Qu'est-ce que la conductivité thermique ?
2. Tableau de conductivité thermique des matériaux céramiques courants
3. Les dix matériaux céramiques ayant la conductivité thermique la plus élevée
4. Comment choisir le matériau céramique avec la meilleure conductivité thermique ?
5. Application des matériaux conducteurs thermiques en céramique

Qu'est-ce que la conductivité thermique ?

Conductivité thermique C'est un indicateur important pour mesurer la conductivité thermique des matériaux. Son unité est le watt par mètre-kelvin (W/mK). Cet indicateur de performance reflète la conductivité thermique du matériau. Il est important de noter que la conductivité thermique des matériaux céramiques n'est pas constante. Elle est influencée par divers facteurs, tels que le procédé de fabrication, la pureté du matériau, la granulométrie et la température de fonctionnement, qui influencent la conductivité thermique finale des matériaux céramiques.

Tableau de conductivité thermique des matériaux céramiques courants

Dans les applications réelles, la conductivité thermique des matériaux peut varier légèrement en raison de la pureté, de la structure cristalline, de la technologie de traitement et des facteurs environnementaux externes.

Les dix matériaux céramiques ayant la conductivité thermique la plus élevée

Oxyde de béryllium (BeO)

L'oxyde de béryllium est l'un des matériaux céramiques présentant la meilleure conductivité thermique actuelle. Sa conductivité thermique est comprise entre 184 et 300 W/mK, ce qui est très proche de celle de certains métaux. Sa conductivité thermique supérieure est due à sa structure cristalline unique et à ses fortes liaisons covalentes.

L'oxyde de béryllium présente non seulement une excellente conductivité thermique, mais aussi des propriétés d'isolation électrique et une faible constante diélectrique. Sa résistance à la compression peut atteindre 245 MPa et offre une bonne résistance aux chocs thermiques. C'est un composant essentiel de gestion thermique pour les systèmes de communication par satellite dans le secteur aérospatial ; c'est également un excellent substrat de dissipation thermique pour les dispositifs RF haute puissance.

Cependant, l'oxyde de béryllium est confronté à de sérieux défis. Ses matières premières sont toxiques et doivent être produites dans des conditions de sécurité strictes. De plus, son procédé de production est très complexe. Plusieurs facteurs expliquent son coût de production élevé.

Nitrure d'aluminium (AlN)

nitrure d'aluminium Le nitrure d'aluminium est un matériau céramique thermoconducteur offrant d'excellentes performances. Sa conductivité thermique est comprise entre 140 et 180 W/mK. Ces dernières années, le nitrure d'aluminium, un matériau céramique, a suscité un vif intérêt en raison de ses performances supérieures.

Le nitrure d'aluminium allie parfaitement conductivité thermique et isolation électrique. Son coefficient de dilatation thermique est similaire à celui des semi-conducteurs à base de silicium (4,5 × 10^-6/K), ce qui lui confère un avantage unique dans le domaine du packaging électronique. Sa conductivité thermique élevée peut être utilisée pour la dissipation thermique des puces LED, des substrats de dissipation thermique des modules de puissance, des dispositifs radiofréquence et des circuits intégrés de grande taille, et peut améliorer considérablement leur durée de vie.

Carbure de silicium (SiC)

La conductivité thermique de carbure de silicium Sa plage de puissance est comprise entre 120 et 180 W/mK. Ce matériau céramique hautes performances offre un champ d'application extrêmement large et est irremplaçable dans de nombreux domaines haut de gamme.

Outre son excellente conductivité thermique, le carbure de silicium présente également une excellente résistance mécanique, une résistance à la flexion supérieure à 400 MPa, une dureté extrêmement élevée et une bonne résistance à l'usure. Dans certaines applications industrielles, le carbure de silicium est largement utilisé dans les échangeurs de chaleur haute température, les garnitures mécaniques, les roulements et les outils de coupe grâce à sa combinaison unique de propriétés. Dans le domaine de l'électronique, il constitue également un matériau d'emballage très important.

Oxyde de cuivre et d'aluminium (CuAlO2)

L'oxyde de cuivre et d'aluminium est un nouveau type de matériau céramique composite. Sa conductivité thermique est comprise entre 100 et 200 W/mK. Il présente une bonne conductivité thermique et électrique et peut offrir de nouvelles solutions pour certains scénarios spécifiques.

Dans l'industrie électronique, il a attiré l'attention grâce à sa double conductivité électrique et thermique. On l'utilise notamment dans la fabrication de certains dispositifs thermoélectriques et de composants électroniques hautes performances.

Nitrure de bore (BN)

Le nitrure de bore est connu pour sa structure feuilletée unique et sa conductivité thermique variable, comprise entre 20 et 300 W/mK selon sa structure. Parmi ces matériaux, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) présente une conductivité thermique extrêmement élevée dans le plan, jusqu'à 200-250 W/mK, tandis que le nitrure de bore cubique (c-BN) présente généralement une conductivité thermique de 30 à 70 W/mK.

Le nitrure de bore présente une excellente stabilité à haute température, une inertie chimique et un pouvoir autolubrifiant. Ses excellentes performances d'isolation électrique et sa faible constante diélectrique en font un matériau particulièrement performant en électronique. Il convient de noter que le nitrure de bore peut maintenir une conductivité thermique stable dans des environnements à haute température, ce qui est difficile à obtenir pour de nombreux autres matériaux.

Le nitrure de bore offre un large éventail d'applications en matière de conductivité thermique. Dans l'industrie aérospatiale, il est largement utilisé dans les composants d'isolation haute température et les systèmes de gestion thermique. Dans l'industrie électronique, il constitue également un excellent substrat de dissipation thermique et un matériau d'interface thermoconducteur.

Diborure de titane (TiB2)

La conductivité thermique du diborure de titane est comprise entre 60 et 70 W/mK. Bien qu'elle ne soit pas la plus élevée parmi de nombreux matériaux céramiques, sa combinaison unique de propriétés lui confère une valeur ajoutée importante dans des domaines d'application spécifiques.

Dans les applications industrielles, le diborure de titane est principalement utilisé dans les équipements de traitement des métaux en fusion à haute température, les outils de coupe et les pièces résistantes à l'usure.

Oxyde de magnésium (MgO)

La conductivité thermique de l'oxyde de magnésium est comprise entre 40 et 60 W/mK. C'est un matériau céramique thermoconducteur économique qui allie isolation électrique et conductivité thermique. Dans le domaine de l'électronique, l'oxyde de magnésium est un excellent isolant et dissipateur thermique. Il est également souvent utilisé dans les matériaux réfractaires et les composants de gestion thermique.

Nitrure de silicium (Si3N4)

La conductivité thermique du nitrure de silicium est comprise entre 20 et 70 W/mK, mais il présente d'excellentes propriétés mécaniques et une excellente résistance aux chocs thermiques, ce qui le rend irremplaçable dans certaines applications spécifiques. Sa résistance et sa ténacité exceptionnelles lui permettent d'être performant dans les environnements à haute température. Dans les applications électroniques haute température, il est souvent utilisé comme matériau d'encapsulation et composant de dissipation thermique. De plus, c'est un excellent matériau pour les composants de moteurs et de transmissions dans l'industrie automobile.

Alumine (Al2O3)

La conductivité thermique de alumine est relativement faible par rapport aux matériaux céramiques précédents, allant de 20 à 50 W/mK, mais en raison de son excellent rapport coût-efficacité et de ses performances stables, il occupe également une position très importante dans certaines industries.

Dans le domaine du packaging électronique, la céramique d'alumine est devenue le matériau privilégié pour les dispositifs électroniques de moyenne et faible puissance, en raison de ses bonnes propriétés isolantes, de sa conductivité thermique modérée et de son prix abordable. L'alumine présente une bonne adhérence aux métaux et est particulièrement adaptée à la fabrication de substrats céramiques métallisés.

Carbure de zirconium (ZrC)

Le carbure de zirconium est un matériau céramique ultra-haute température présentant une conductivité thermique de 20 à 40 W/mK. Ses principales caractéristiques sont son point de fusion extrêmement élevé (plus de 3 500 °C) et son excellente résistance à l'oxydation. Dans certains environnements à très haute température, le carbure de zirconium présente une excellente stabilité thermique et une excellente résistance mécanique. Par exemple, dans l'industrie aérospatiale, il est utilisé pour la fabrication de composants de systèmes de protection thermique et de propulsion grâce à son excellente résistance à l'oxydation et à sa stabilité thermique.

Comment choisir le matériau céramique avec la meilleure conductivité thermique ?

Lors du choix du meilleur matériau céramique conducteur thermique, vous devez effectuer une analyse de comparaison de données complète.

Selon des recherches faisant autorité, l'oxyde de béryllium (BeO) et le nitrure d'aluminium (AlN) occuperont une position dominante en termes de conductivité thermique. La conductivité thermique maximale de l'oxyde de béryllium peut atteindre 300 W/mK, suivie de près par le nitrure d'aluminium, dont la pureté atteint 200 W/mK. Ces deux matériaux occupent une place prépondérante dans certaines applications de conditionnement électronique haut de gamme.

Si vous recherchez un matériau céramique offrant un excellent rapport qualité-prix, il est nécessaire de l'analyser séparément. Bien que la conductivité thermique de l'oxyde d'aluminium soit relativement faible, son coût est plusieurs fois inférieur à celui du nitrure d'aluminium, ce qui le rend plus avantageux pour certaines applications d'entrée et de milieu de gamme. Le nitrure et le carbure de silicium offrent un meilleur rapport performances-coût et sont plus adaptés à certaines applications nécessitant des propriétés mécaniques plus élevées.

Selon l'analyse de la dépendance à la température, la conductivité thermique de la plupart des matériaux céramiques diminue avec l'augmentation de la température. Par exemple, la conductivité thermique du nitrure d'aluminium diminue d'environ 10-15% entre la température ambiante et 100 °C. En revanche, la dégradation des performances du carbure de silicium dans les environnements à haute température est relativement faible. Dans certaines applications à haute température, l'utilisation du carbure de silicium présente davantage d'avantages.

Application des matériaux conducteurs thermiques en céramique

Industries de l'électronique et des semi-conducteurs

Les céramiques à haute conductivité thermique, telles que le nitrure d'aluminium et le carbure de silicium, sont largement utilisées dans les encapsulations électroniques et les substrats de dissipation thermique. Elles peuvent rapidement évacuer la chaleur des composants électroniques afin d'éviter leur surchauffe, susceptible d'entraîner une dégradation des performances et des dommages.
Parmi eux, les substrats en nitrure d'aluminium sont devenus des matériaux de substrat idéaux pour les lasers à semi-conducteurs et les modules de dissipation thermique à LED en raison de leur conductivité thermique extrêmement élevée et de leur faible coefficient de dilatation thermique.

Aérospatial

Le secteur aérospatial impose des exigences extrêmement élevées en matière de fiabilité des matériaux. Dans certains moteurs d'avion et engins spatiaux, les céramiques en carbure de silicium peuvent être utilisées pour la fabrication de tuyères et d'échangeurs de chaleur grâce à leur conductivité thermique et leur stabilité à haute température. Ces matériaux peuvent conduire et dissiper rapidement la chaleur à des températures extrêmes, améliorant ainsi la stabilité de fonctionnement des équipements.

Échangeurs de chaleur à haute température et équipements d'économie d'énergie

Les échangeurs de chaleur en céramique sont des composants essentiels dans les industries chimique et métallurgique. L'utilisation de matériaux céramiques à haute conductivité thermique, comme le carbure de silicium, permet désormais d'améliorer l'efficacité des échanges thermiques et de réduire les pertes d'énergie.

Photovoltaïque et nouvelles filières énergétiques

Dans les modules de cellules photovoltaïques, les substrats céramiques peuvent être utilisés dans diverses couches de gestion thermique afin d'améliorer le rendement de conversion photoélectrique. Dans le domaine des nouvelles énergies, l'application de céramiques thermoconductrices peut également contribuer à améliorer la gestion thermique des batteries et à prolonger leur durée de vie.

Appareils électroménagers et produits électroniques du quotidien

Les films céramiques thermoconducteurs peuvent être utilisés dans une variété de besoins quotidiens courants, tels que les lumières LED haute puissance et les composants de refroidissement des téléphones portables, qui peuvent réduire rapidement la température de l'appareil.

Équipement médical

Dans les sondes à ultrasons et certains équipements médicaux de haute précision, la conductivité thermique élevée des matériaux céramiques combinée à l'isolation électrique peut garantir la stabilité et la sécurité des performances de l'équipement.

Conclusion

Choisir le meilleur matériau conducteur thermique en céramique nécessite une prise en compte approfondie de plusieurs facteurs. Merci d'avoir lu cet article et j'espère qu'il vous sera utile.

Apprenez-en davantage sur les matériaux céramiques.