Une nouvelle étude révèle que les polymères contenant des charges imparfaites stimulent le transfert de chaleur dans les plastiques
Une équipe de chercheurs remet en question l'idée reçue selon laquelle les charges parfaites sont meilleures pour la fabrication de polymères thermoconducteurs
Dans le cadre de la conception de la prochaine génération de matériaux pour les appareils modernes - des matériaux légers, flexibles et capables de dissiper la chaleur - une équipe de chercheurs dirigée par l'université du Massachusetts Amherst a fait une découverte : l'imperfection a ses avantages.
Ces illustrations montrent des polymères (les longs tubes) remplis de charges parfaites (en haut, le graphite) ou imparfaites (en bas, l'oxyde de graphite).
Yijie Zhou, UMass Amherst
Cette recherche, publiée dans Science Advances, a permis de constater expérimentalement et théoriquement que les polymères (communément appelés plastiques) fabriqués avec des charges thermoconductrices contenant des défauts présentent des performances supérieures de 160 % à celles des polymères contenant des charges parfaites. Cette découverte contre-intuitive remet en question les hypothèses de longue date selon lesquelles les défauts compromettent les performances des matériaux. Au contraire, elle met en évidence une nouvelle stratégie prometteuse pour la fabrication de composites polymères à très haute conductivité thermique.
L'étude a été menée par l'UMass Amherst avec des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology, de la North Carolina State University, de la Stanford University, de l'Oak Ridge National Laboratory, de l'Argonne National Laboratory et de la Rice University.
Les polymères ont révolutionné les appareils modernes grâce à leur légèreté, leur isolation électrique, leur flexibilité et leur facilité de traitement inégalées - des qualités que les métaux et les céramiques ne peuvent tout simplement pas égaler. Les polymères sont présents dans tous les recoins de notre paysage technologique, depuis les micropuces à grande vitesse et les diodes électroluminescentes jusqu'aux smartphones et à la robotique douce. Cependant, les polymères courants sont des isolants thermiques avec une faible conductivité thermique, ce qui peut entraîner des problèmes de surchauffe. Leurs propriétés isolantes inhérentes piègent la chaleur, engendrant des points chauds dangereux qui sapent les performances et accélèrent l'usure, augmentant ainsi le risque de défaillances catastrophiques et même d'incendies.
Depuis des années, les scientifiques tentent d'améliorer la conductivité thermique des polymères en incorporant des charges hautement thermoconductrices telles que des métaux, des céramiques ou des matériaux à base de carbone. La logique est simple : l'incorporation de charges thermoconductrices devrait améliorer les performances globales.
Toutefois, dans la pratique, ce n'est pas aussi simple. Prenons l'exemple d'un polymère mélangé à des diamants.
Compte tenu de la conductivité thermique exceptionnelle du diamant, qui est d'environ 2 000 watts par mètre et par kelvin (W m-1 K-1), un polymère composé de 40 % de charges diamantées pourrait théoriquement atteindre une conductivité d'environ 800 W m-1 K-1. Cependant, les résultats pratiques n'ont pas été à la hauteur en raison de problèmes tels que l'agglutination des charges, les défauts, la résistance de contact élevée entre les polymères et les charges, et la faible conductivité thermique des matrices polymères, qui compromettent le transfert de chaleur.
"Comprendre les mécanismes de transport thermique dans les matériaux polymères est un défi de longue date, en partie à cause des structures compliquées des polymères, des défauts omniprésents et des désordres", explique Yanfei Xu, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l'UMass Amherst et auteur correspondant de l'article.
Pour leur étude, qui vise à jeter les bases d'une meilleure compréhension du transport thermique dans les matériaux polymères et à contrôler le transfert de chaleur à travers des interfaces hétérogènes, l'équipe a créé deux composites polymères d'alcool polyvinylique (PVA) - l'un incorporant des charges de graphite parfaites et l'autre utilisant des charges d'oxyde de graphite défectueuses, chacune à une fraction volumique faible de 5 %.
Comme prévu, les charges parfaites étaient plus conductrices de chaleur que les charges imparfaites.
"Nous avons mesuré que les charges parfaites (graphite) seules avaient une conductivité thermique élevée d'environ 292,55 W m-1 K-1, contre seulement 66,29 W m-1 K-1 pour les charges défectueuses (oxyde de graphite) seules, soit une différence de près de cinq fois", explique Yijie Zhou, auteur principal et étudiant diplômé en génie mécanique à l'UMass Amherst.
Cependant, il est surprenant de constater que lorsque ces charges sont ajoutées à des polymères, les polymères fabriqués avec des charges d'oxyde de graphite contenant des défauts présentent des performances 160 % supérieures à celles des polymères contenant des charges de graphite parfaites.
L'équipe a utilisé une combinaison d'expériences et de modèles - mesures du transport thermique, diffusion de neutrons, modélisation mécanique quantique et simulations de dynamique moléculaire - pour étudier l'influence des défauts sur le transport thermique dans les composites polymères.
Ils ont découvert que les charges défectueuses facilitent un transfert de chaleur plus efficace parce que leurs surfaces irrégulières ne permettent pas aux chaînes de polymères de se regrouper aussi étroitement que les charges parfaitement lisses. Cet effet inattendu, connu sous le nom de couplages vibrationnels améliorés entre les polymères et les charges défectueuses aux interfaces polymère/charge, augmente la conductivité thermique et réduit la résistance, ce qui rend le matériau plus efficace pour transférer la chaleur.
"Les défauts agissent parfois comme des ponts, améliorant le couplage à travers l'interface et permettant un meilleur flux de chaleur", explique Jun Liu, professeur associé au département d'ingénierie mécanique et aérospatiale de l'université d'État de Caroline du Nord. "En effet, l'imperfection peut parfois conduire à de meilleurs résultats.
M. Xu estime que ces résultats, tant expérimentaux que théoriques, jettent les bases de l'ingénierie de nouveaux matériaux polymères à conductivité thermique ultra-élevée. Ces avancées offrent de nouvelles possibilités pour les appareils - des puces à haute performance à la robotique souple de la prochaine génération - de fonctionner plus froidement et plus efficacement grâce à une meilleure dissipation de la chaleur.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Yijie Zhou, Robert Ciarla, Artittaya Boonkird, Saqlain Raza, Thanh Nguyen, Jiawei Zhou, Naresh C. Osti, Eugene Mamontov, Zhang Jiang, Xiaobing Zuo, Jeewan Ranasinghe, Weiguo Hu, Brendan Scott, Jihua Chen, Dale K. Hensley, Shengxi Huang, Jun Liu, Mingda Li, Yanfei Xu; "Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites"; Science Advances, Volume 11
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