Impression 3D de matériaux composites à base de diamant pour des applications de gestion thermique

3D printing of diamond-based material composites for thermal management applications

• Auteur / Autrice : Nada Kraiem
• Direction : Jean-François Silvain, Yongfeng Lu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 03/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec University of Nebraska-Lincoln
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Heintz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Aymonier, Bai Cui, Xinwei Wang, Dong Lin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Joulain, Hiroki Kurita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre -- Composés

Aluminium -- Composés

Composites

Mots clés libres

Matériaux composites Cu/D

Matériaux composites Al/D

Fusion laser

Fabrication additive

Composite materials Al/D

Composite materials Cu/D

Laser melting

Additive manufacturing

Résumé

Avec la tendance à la miniaturisation croissante des équipements électriques et à l'augmentation constante de la densité de puissance dans les dispositifs à base de semiconducteurs, la gestion efficace de la chaleur est devenue un enjeu majeur pour les chercheurs. En effet, cette évolution technologique impose des contraintes de plus en plus strictes en termes de dissipation thermique, nécessitant des solutions innovantes pour garantir une meilleure durabilité et fiabilité des composants. Dans ce contexte, l'utilisation de matériaux composites offrant une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique faible par rapport aux métaux purs est devenue essentielle pour résoudre les problèmes de surchauffe des composants électroniques. L'intégration de matériaux avancés tels que le diamant (D), avec ses propriétés exceptionnelles de conductivité thermique et de dureté, constitue une option privilégiée pour renforcer les matrices métalliques. Toutefois, son incorporation dans les matériaux composites nécessite la création d'une interface D-métal bien définie, à la fois pour éviter la formation de porosité et assurer un transfert efficace des propriétés thermiques. La fabrication additive de matériaux 3D par fusion laser émerge comme une solution prometteuse, non seulement pour la facilité de mise en œuvre de ces composites, mais aussi pour la création de structures complexes dédiées à la dissipation de chaleur. Ces structures jouent un rôle crucial dans l'optimisation de la surface d'échange thermique par convection avec l'air environnant, permettant ainsi une dissipation efficace de la chaleur générée par les dispositifs électroniques modernes.Dans cette étude, l`impression 3D du cuivre (Cu) a été réalisée grâce à l`ajout d`une quantité optimale d’aluminium. Cette approche a permis d'améliorer considérablement la densification de matériaux à base de cuivre, malgré les défis posés par sa forte réflectivité. Par la suite, l'investigation approfondie et l'optimisation de l`impression 3D laser de l'alliage AlSi10Mg, avant et après l'incorporation de D, ont été réalisées. Enfin, une étape cruciale de post-traitement a été optimisée consistant à polir des matériaux composites Al/D par ablation laser.Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université du Nebraska, Lincoln aux États-Unis d'Amérique, et l'Université de Bordeaux en France.

With the trend towards miniaturization of electrical equipment and the constant increase in power density in semiconductor devices, efficient heat management has become a major concern for researchers. Indeed, this technological evolution imposes increasingly strict constraints in terms of thermal dissipation, necessitating innovative solutions to ensure better durability and reliability of components. In this context, the use of composite materials offering high thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion compared to pure metals has become essential to address overheating issues in electronic components. The utilization of advanced materials such as diamond (D), with exceptional thermal conductivity and hardness properties, stands out as a preferred choice for reinforcing metal matrices. However, its incorporation into composite materials requires the creation of a well-defined D-metal interface, both to avoid porosity formation and to ensure efficient transfer of thermal properties. Additive manufacturing of 3D materials by laser fusion is emerging as a promising solution, not only for the ease of implementation of these composites, but also for the creation of complex structures dedicated to heat dissipation. These structures play a crucial role in optimizing the heat exchange surface by convection with the surrounding air, thus allowing efficient dissipation of heat generated by modern electronic devices.In this study, 3D printing of copper (Cu) was achieved through the addition of an optimal amount of aluminum. This approach significantly improved the densification of copper-based materials, despite the challenges posed by its high reflectivity. Subsequently, in-depth investigation and optimization of laser 3D printing of the AlSi10Mg alloy, before and after the incorporation of D, were carried out. Finally, a crucial post-processing step was optimized, consisting of polishing Al/D composite materials using laser ablation.This work was carried out as part of an international collaboration between the University of Nebraska, Lincoln in the United States of America, and the University of Bordeaux in France.