Mise en forme de composites nanotubes de carbone/alumine et modélisation de leur conductivité thermique

Processing of carbon nanotubes/alumina composites and modeling of their thermal conductivity

• Auteur / Autrice : Bruno Vergne
• Direction : Fabrice Rossignol, Thierry Chartier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Conductivité thermique

Alumine

Composites

Nanotubes

Mots clés libres

Drains thermiques

Résumé

En conjuguant l'importante conductivité thermique longitudinale des NanoTubes de Carbone (NTC) et leur très grand facteur de forme, nous avons travaillé à la réalisation de composites alumine/NTCs à haute conductivité thermique, pour un faible taux de NTC. De tels composites pourraient alors être utilisés dans la fabrication de drains thermiques pour l'électronique de puissance, qui seraient alors directement ajouter au substrat céramique en alumine. Le seuil de percolation atteint pour une faible fraction volumique de NTC, devrait en effet permettre à ces composites de conserver un coefficient d'expansion thermique proche de celui de l'alumine, afin de ne pas dégrader le contact entre le drain thermique et le substrat en alumine. Des recherches sur les formulations de suspensions alumine/NTC ont été menées et ont conduit, après mise en forme et frittage, à des composites à peu près homogènes. En comparaison avec de l'alumine corindon pure, nous avons mesuré une amélioration nette de la conductivité électrique de ces composites en fonction de la fraction volumique de NTC introduite. Toutefois, la conductivité thermique mesurée des composites NTC/alumine décroît quant à elle, lorsque la fraction volumique en NTC augmente. L'élaboration d'un modèle numérique basé sur un modèle analytique simple, a permis de prédire quantitativement cette chute de conductivité thermique, en prenant en compte les résistances thermiques de contact présentes aux interfaces NTC/NTC et NTC/alumine.

Due to the very high thermal conductivity and aspect ratio of Carbon NanoTubes (CNT), their introduction in alumina matrices, even in low amounts, is expected to improve the thermal conductivity of the resulting composites. Such composites could then be used to manufacture thermal sinks for high power electronic circuits, provided that the coefficient of thermal expansion keeps a value close to that of alumina in order to get an intimate contact between the substrate and its sink. Researches on the formulation of alumina/CNT suspensions were carried out and led, after shaping and sintering, to quite homogeneous composites. In comparison with pure alumina, although a great improvement of the electrical conductivity of composites was recorded as early as a few vol. % of CNT were added, an opposite trend was observed for the thermal conductivity. We showed that the decrease of the thermal conductivity can not be caused only by the lowering of the relative density of the material. The refinement of simple computing model, taking into account the thermal resistances at the CNT/matrix and CNT/CNT interfaces, allowed to predict almost quantitatively this thermal conductivity loss.