6e programme de recherche de l’UE
Sur la voie des conductivités thermiques extrêmes
En décembre 2004, le projet «ExtreMat» du 6e programme de recherche de l’UE a été lancé à l’Institut Max Planck de physique du plasma à Garching (D). Ce projet, d’une durée prévue de 5 ans, regroupe 38 partenaires internationaux de la recherche et de l’industrie, et parmi eux aussi l’Empa. Il a pour but de développer jusqu’à maturité industrielle de nouveaux matériaux pour la technique énergétique qui soient capables de satisfaire les exigences les plus élevées dans des conditions d’utilisation extrêmes.
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Focalisé sur les domaines porteurs de la technique énergétique et de la technique aérospatiale, le projet ExtreMat développe des matériaux nouveaux capables de résister à des conditions d’utilisation extrêmes. Il s’agit là, par exemple, de matériaux résistant à l’irradiation pour les réacteurs à fusion ou d’isolants thermiques pour les turbines et les réacteurs de très grande puissance, mais aussi de matériaux possédant une conductibilité thermique extrême pour dissiper les quantités de chaleur considérables dans les échangeurs de chaleur des centrales nucléaires ainsi que sur les composants électroniques extrêmement compacts. Une augmentation de puissance qui pose problème Avec l’accroissement constant de la densité de puissance des composants microélectroniques, la sollicitation thermique de ces composants augmente de manière telle qu’on se heurtera bientôt à des limites avec les matériaux actuellement disponibles. On prévoit ainsi qu’en 2010 une seule puce pourra comporter un milliard de transistors d’une puissance totale de 1000 Watt, ce qui équivaut à une densité de chaleur supérieure à celle que l’on trouve dans un réacteur nucléaire. [Johnson G., The New York Times, 2002; Zhou D. ]. Avec de telles densités de chaleur, la dissipation de la chaleur exige des matériaux possédant des caractéristiques thermophysiques jamais atteintes jusqu’ici. En collaboration avec d’autres partenaires, l’Empa développe des systèmes de matériaux dont la conductibilité thermique doit atteindre au minimum 600 W/mK. Cela signifie que ces nouveaux matériaux devront posséder une conductibilité thermique de 50% supérieure à celle du cuivre, alors que leur coefficient de dilatation thermique ne devra atteindre qu’environ 30% de celui du cuivre pour pouvoir s’adapter aux matériaux semiconducteurs. |
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Le diamant, un matériau adapté à la gestion thermique Cet objectif, l’Empa se propose de l’atteindre en recourrant à des composites diamant/métal. Le diamant présente, avec des valeurs atteignant jusqu’à 2200 W/mK, la plus haute conductibilité thermique de tous les matériaux d’ingénierie actuellement connus. Son faible coefficient de dilatation thermique d’environ 0.8·10-6/K (à 25°C) ainsi que la disponibilité croissante de diamants industriels de haute qualité à des prix inférieurs à 1000 $/kg font du diamant le matériau de choix pour la gestion thermique. |
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Pour transférer dans des pièces ces caractéristiques du diamant, l’approche choisie dans ce projet est l’incorporation de particules de diamant dans une matrice métallique hautement conductrice en argent, cuivre ou aluminium. Toutefois pour atteindre les objectifs fixés, il est nécessaire d’assurer que le flux thermique entre les particules de diamant et la matrice métallique et l’adhésion entre les deux composants soient tous deux optimaux. |
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C’est aussi pourquoi l’Empa procède à des
travaux de recherche sur les interactions fondamentales entre la
configuration de la surface du diamant et ses
propriétés, sur la chimie de la matrice
métallique et les conditions de synthèse du composite
ainsi que sur la configuration de la surface et sur les
propriétés thermophysiques qui en résultent.
Pour plus d’informations sur les travaux de l’Empa dans le domaine des composites métalliques voir sous www.empa.ch/abt126. Informations détaillées sur le projet ExteMat sous www.extremat.org |
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