Qu'est-ce que la conductivité thermique ?
La conductivité thermique (k) quantifie la vitesse à laquelle la chaleur traverse un matériau par unité de surface, par unité de gradient de température et par unité d'épaisseur. En une dimension, elle apparaît dans la loi de Fourier sur la conduction de la chaleur :Formule :
Q = -k × A × (ΔT / Δx)
Où ?
- Q = taux de transfert de chaleur (W)
- k = conductivité thermique (W/m-K)
- A = surface de la section transversale (m²)
- ΔT = différence de température (K)
- Δx = épaisseur du matériau (m)
Dans les métaux, la conduction de la chaleur est principalement assurée par les électrons libres plutôt que par les vibrations du réseau (phonons). C'est pourquoi les métaux ayant une conductivité électrique élevée (par exemple le cuivre et l'aluminium) ont également tendance à avoir une conductivité thermique élevée ; les deux propriétés sont liées par la loi de Wiedemann-Franz. La conductivité thermique doit également être prise en compte avec la densité et la chaleur spécifique dans les calculs de transfert de chaleur transitoire, car la combinaison de ces propriétés détermine la diffusivité thermique et la masse thermique.
Conductivité thermique de l'aluminium pur
L'aluminium pur est l'un des meilleurs conducteurs thermiques disponibles dans les matériaux d'ingénierie courants. Les valeurs de conductivité thermique typiques de l'aluminium de haute pureté disponible dans le commerce sont comprises entre 205 et 235 W/m-K à température ambiante. Qualités représentatives :
1050 (commercialement pur) : ≈ 229 W/m-K
1100 : ≈ 222 W/m-K
1200 : ≈ 218 W/m-K
La structure cristalline relativement uniforme de l'aluminium pur et sa faible teneur en impuretés permettent un transport efficace des électrons, ce qui explique ces valeurs élevées. Les principales limites de l'aluminium pur sont d'ordre mécanique : faible résistance à la traction et à l'usure par rapport à de nombreux alliages structurels. Par conséquent, l'aluminium pur est couramment utilisé lorsque les performances thermiques sont critiques mais que la charge mécanique est faible (répartiteurs de chaleur, feuilles, réflecteurs, barres omnibus).
Conductivité thermique des alliages d'aluminium
L'alliage améliore les propriétés mécaniques mais réduit la conductivité thermique. Les atomes d'alliage perturbent le réseau métallique régulier, diffusant les électrons de conduction et les phonons ; les alliages échangent donc certaines performances thermiques contre de la solidité, de la résistance à la corrosion et de la facilité de fabrication.
Séries communes et gammes typiques :
Série 1xxx (Al presque pur) : conductivité la plus élevée, ~220-235 W/m-K.
Série 3xxx (Al-Mn) : ~160-210 W/m-K en fonction du traitement.
Série 6xxx (Al-Mg-Si ; par exemple, 6061, 6063) : typiquement 150-210 W/m-K - 6063 se situe souvent vers le haut de la fourchette lorsqu'il est extrudé et ne contient pas d'ajouts d'alliages lourds. Le 6061-T6 mesure généralement ~160-170 W/m-K.
Série 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu ; par exemple, 7075) : conductivité plus faible, souvent ~120-140 W/m-K, tout en offrant une résistance élevée.
Tableau comparatif concis (valeurs typiques à température ambiante):
Matériau / Alliage | Conductivité thermique typique (W/m-K) | Application typique |
Al pur (1050) | 229 | Échangeurs de chaleur, réflecteurs |
6063 (extrudé) | 200-210 | Dissipateurs thermiques, profilés |
6061-T6 | 160-170 | Composants structurels avec exigences thermiques |
7075-T6 | 120-140 | Pièces aérospatiales à haute résistance |
Il convient de noter que la littérature publiée et les fiches techniques des fournisseurs peuvent présenter de légères différences en raison de la méthode d'essai, des conditions de température et de la température de mesure.
Facteurs affectant la conductivité thermique de l'aluminium
La composition de l'alliage, la microstructure, le procédé de fabrication et la température ont une incidence sur la conductivité :
Éléments d'alliage : Le cuivre, le zinc, le magnésium et le silicium réduisent la conductivité thermique à des degrés divers. Le cuivre et le zinc ont généralement un impact négatif plus important par pourcentage de poids que le magnésium ou le silicium.
Méthode de fabrication : Les pièces moulées contiennent souvent des micro-porosités et des ségrégations qui réduisent la conductivité effective. Les procédés de corroyage (extrusion, laminage, forgeage) produisent des microstructures plus denses avec de meilleures voies de conduction.
Traitement thermique et trempe : Les états de précipitation et la distribution des phases (T4, T5, T6, etc.) modifient le comportement de diffusion des électrons ; les précipités trop anciens ou grossiers peuvent réduire la conductivité par rapport aux états traités en solution.
Dépendance de la température : La conductivité thermique de l'aluminium diminue avec l'augmentation de la température en raison de la diffusion accrue des phonons ; les valeurs typiques à température ambiante diminuent d'un pourcentage notable à plusieurs centaines de degrés Celsius.
Impuretés et inclusions : Les traces d'impuretés et les inclusions non métalliques dispersent les porteurs de chaleur et réduisent k.
État de surface : Les couches minces d'oxyde et les revêtements modifient les caractéristiques de transfert de chaleur de la surface (résistance de contact), bien que leur impact sur la conductivité thermique globale soit mineur.
Applications tirant parti de la conductivité thermique de l'aluminium
L'aluminium est utilisé dans de nombreux domaines industriels où un transfert de chaleur efficace et une faible masse sont des priorités :
Refroidissement de l'électronique : Les dissipateurs de chaleur extrudés ou usinés, les boîtiers de LED et les boîtiers d'électronique de puissance utilisent souvent des alliages 6063 ou 6061 avec une géométrie d'ailettes optimisée pour maximiser l'évacuation de la chaleur par convection tout en minimisant le poids.
CVC et réfrigération : Les ailettes/tubes de condenseur et d'évaporateur bénéficient de l'équilibre entre la conductivité, la résistance à la corrosion et la facilité de fabrication de l'aluminium.
Automobile : Les composants de moteurs, les radiateurs et les boîtiers de batteries de véhicules électriques exploitent la conductivité thermique de l'aluminium associée à des alliages structurels pour gérer la température tout en respectant les contraintes de poids.
Aérospatiale : La gestion thermique de l'avionique et des surfaces de contrôle thermique dans les satellites et les avions utilise l'aluminium lorsque des économies de masse sont essentielles.
Échangeurs de chaleur et équipements de traitement : Les échangeurs de chaleur à plaques et brasés utilisent souvent l'aluminium pour un transfert de chaleur élevé par unité de masse.
Lors de la conception des systèmes thermiques, les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre la conductivité et les exigences mécaniques et de corrosion, et choisir l'alliage et le traitement appropriés.
Comparaison avec d'autres métaux
La conductivité thermique de l'aluminium est d'environ 237 W/m-K. Parmi les métaux courants, l'aluminium se classe juste derrière l'argent, le cuivre et l'or, ce qui en fait l'un des meilleurs conducteurs métalliques de chaleur, environ 400 fois plus conducteur que l'acier inoxydable.
Comparaisons de la conductivité thermique à température ambiante (plages typiques) :
Le cuivre : ~390-400 W/m-K
Aluminium pur : ~205-235 W/m-K
Acier (carbone) : ~40-60 W/m-K (en fonction de la composition)
Titane : ~15-22 W/m-K
Bien que le cuivre conduise la chaleur environ deux fois mieux que l'aluminium, la performance thermique spécifique à la masse de l'aluminium (conductivité thermique divisée par la densité) favorise souvent l'aluminium dans les applications sensibles au poids.
Par exemple, la densité du cuivre (8,96 g/cm³) est environ 3,3 fois supérieure à celle de l'aluminium (2,7 g/cm³) ; par conséquent, par kilogramme, l'aluminium peut transférer une chaleur comparable dans de nombreux contextes structurels lorsque l'optimisation géométrique est utilisée.
Le titane et l'acier sont beaucoup moins conducteurs sur une base volumétrique, ce qui les rend moins adaptés aux applications de dissipation thermique, malgré d'autres avantages mécaniques.
| Métal | Conductivité thermique (W-m-¹-K-¹) |
|---|---|
| Argent | 428 |
| Cuivre | 401 |
| L'or | 314 |
| Aluminium | 235 |
| Sodium (solide) | 135 |
| Laiton | 109 |
| Nickel | 91 |
| Sodium (liquide) | 86 |
| Le fer | 67 |
| Acier, carbone 1% | 43 |
| Thorium (métallique) | 38 |
| Plomb | 35 |
| Uranium (métallique) | 27.6 |
| Zirconium | 22.6 |
| Alliage de zirconium (1% Nb) | 18 |
| Acier inoxydable | 14 |