Science des matériaux
De nouvelles recherches montrent comment créer des matériaux efficaces pour une gestion thermique supérieure
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Nous reconnaissons souvent les matériaux en fonction de leurs propriétés. Cependant, les avancées réalisées en science des matériaux et en ingénierie ont rendu possible la production de matériaux combinant des propriétés inhabituelles, souvent en contraste marqué les unes avec les autres.
Dans un exemple récent, une équipe de chercheurs a démontré la possibilité de matériaux conçus qui sont à la fois rigides et capables d’offrir une isolation lorsqu’ils sont exposés à la chaleur.
Selon Jun Liu, co-auteur correspondant d’un article sur ce travail et professeur associé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord a déclaré ce qui suit à propos de l’unicité de la découverte et du matériau:
“Nous avons maintenant découvert une gamme de matériaux qui sont à la fois rigides et d’excellents isolants thermiques. De plus, nous pouvons concevoir les matériaux selon les besoins pour contrôler leur rigidité et leur conductivité thermique.”
Habituellement, on constate que les matériaux avec un module d’élasticité élevé, une propriété qui se manifeste par une rigidité accrue, ne sont pas isolants. Au contraire, ils sont très conducteurs thermiquement.
Mais que faire si nous avons besoin de matériaux qui agiraient comme de bons isolants sans perdre leur rigidité ? Ces matériaux seront utiles dans les scénarios de création de revêtements d’isolation thermique pour protéger les appareils électroniques des hautes températures.
En approfondissant le matériau et en s’informant davantage sur la recherche, on constate que les matériaux étudiés par les chercheurs sont un sous-ensemble des pérovskites organiques‑inorganiques hybrides bidimensionnelles (2D HOIP). Ces matériaux sont constitués de films minces composés de « couches organiques et inorganiques alternées dans une structure cristalline hautement ordonnée ». Ce qui ajoute à leur valeur, c’est qu’il est possible d’ajuster la composition de la couche inorganique ou organique.
Le processus consiste à remplacer les chaînes carbone‑carbone dans les couches organiques de ces matériaux par des cycles benzéniques. Cela conduit à un scénario où il est possible de contrôler ou de réguler le module d’élasticité et la conductivité thermique.
La recherche a aidé l’équipe à concevoir au moins trois matériaux 2D HOIP distincts dont la conductivité thermique diminuait à mesure qu’ils devenaient plus rigides.
En plus de créer des matériaux à la fois rigides et isolants, la recherche a également permis d’introduire la chiralité dans les couches organiques, ce qui implique que la même rigidité et conductivité thermique pourraient être maintenues sans devoir apporter de modifications substantielles à la composition des couches organiques. Des progrès supplémentaires dans ce domaine pourraient garantir la possibilité d’optimiser d’autres caractéristiques de ces matériaux sans se soucier de l’impact de ces changements sur la rigidité ou la conductivité thermique du matériau.
Lorsqu’il s’agit d’évaluer le potentiel d’application concrète de ces matériaux, de nombreuses entreprises peuvent bénéficier de cette recherche. Ces entreprises disposent des ressources R&D nécessaires pour faire progresser cette recherche, l’expérimenter à plus grande échelle et intégrer ses avantages dans leur gamme de produits existante ou créer une toute nouvelle gamme de produits. Dans les sections suivantes, nous examinons quelques‑unes de ces entreprises et les façons dont elles peuvent adopter cette innovation.
#1. Owens Corning
La gamme Foamular d’Owens Corning (OC ) comprend des isolants en polystyrène extrudé haute performance. La mousse de polystyrène extrudé est constituée de cellules fermées et offre une rugosité de surface améliorée, une rigidité supérieure et une conductivité thermique réduite.
Son polystyrène extrudé haute performance offre une isolation grâce à un produit qui est durable, polyvalent et résilient et se présente pratique pour une variété d’applications en architecture, ingénierie et construction. En plus de ses propriétés isolantes, les matériaux sont également résistants à l’humidité.
Owens Corning possède un procédé de fabrication propriétaire nommé Hydrovac qui fabrique ces solutions. Le processus offre une structure à cellules fermées constante, sans vides, ce qui empêche l’humidité tout en délivrant une valeur R de 5 par pouce d’épaisseur. Dans le contexte de l’isolation, la valeur R mesure l’efficacité d’une isolation de bâtiment à empêcher le flux de chaleur entrant et sortant du domicile. Plus la valeur R est élevée, meilleure est la performance du produit isolant.
Le produit possède des résistances à la compression allant de 15 à 100 psi et est fabriqué conformément à la norme ASTM C5781. Il pourrait être le choix idéal dans les assemblages de membranes de toit protégées (PRMA) pour les toits végétalisés, capables de résister aux sols humides et aux charges. De plus, il est léger, facile à manipuler et compatible avec les revêtements extérieurs et finitions courants. Non seulement le produit offre jusqu’à 13 fois plus de résistance à l’eau que l’isolation EPS conventionnelle, mais il conserve également au moins 90 % de la valeur R pendant 20 ans.
La recherche sur les pérovskites organiques‑inorganiques hybrides (2D HOIP) que nous avons évoquée dans le segment précédent pourrait offrir à Owens Corning de nouvelles voies pour renforcer son leadership dans ce domaine.
OC Graphique du prix
Fondée en 1938 et basée à Toledo, Ohio, Owens Corning a enregistré un chiffre d’affaires net de 9,7 milliards de dollars en 2023.
#2. Gore
En abordant la recherche sur les 2D HOIP, nous avons constaté que les matériaux avaient le potentiel d’offrir une isolation thermique aux composants électroniques. Gore, une entreprise spécialisée dans l’isolation thermique pour appareils mobiles, bénéficiera de ces matériaux et de cette recherche.
L’isolation thermique Gore est une solution avancée de gestion thermique qui possède une conductivité inférieure à celle de l’air. Elle peut augmenter la flexibilité de conception et la capacité du concepteur à diriger la chaleur grâce à un meilleur contrôle de la conductivité thermique sur l’axe z. Un meilleur contrôle de l’axe z signifie des options de diffusion supérieures qui aident les composants à fonctionner à des niveaux plus élevés pendant des périodes plus longues, à s’adapter à la réduction des facteurs de forme et à répondre aux exigences de température de surface.
En plus de ses propriétés d’isolation thermique sophistiquées, la solution de Gore offre d’autres avantages de performance, notamment une facilité d’intégration et le soutien d’une équipe d’ingénieurs qui accompagne les conseils de conception et l’intégration de modèles dès le cycle de conception initial jusqu’à la commercialisation.
Fondée par Bill et Vieve Gore en 1959 et dont le siège est à Newark, Delaware, États-Unis, Gore réalise un chiffre d’affaires annuel de 4,8 milliards de dollars US.
Recherche supplémentaire sur la dynamique entre la nature des matériaux et leur conductivité thermique
L’isolation possède un large éventail de potentiel d’application. Au final, la plupart des espaces et des matériaux de notre quotidien nécessitent une protection contre la chaleur. Il est tout à fait naturel que tous les types de matériaux ne conviennent pas à chaque scénario d’application.
Recherche sur la performance de l’isolation thermique et son impact sur la qualité de l’air intérieur des matériaux d’isolation thermique à base de cellulose ont étudié divers facteurs influençant la conductivité thermique. Ces facteurs comprenaient le type de matière première utilisée, les procédés de fabrication, la densité, le taux d’humidité et la température de l’environnement de test.
La recherche a également mis en évidence certaines corrélations qui s’avéreront nécessaires pour développer des matériaux aux propriétés isolantes supérieures et uniques. Par exemple, il a été noté que l’humidité affectait négativement la performance thermique. À l’inverse, une augmentation de la densité, obtenue par compression du matériau, tendait à réduire la conductivité thermique, notamment pour les matériaux présentant des espaces d’air uniformément répartis.
La recherche a approfondi pour répertorier des compositions de produits spécifiques dont la performance thermique était la meilleure à leurs densités naturelles. Un produit était composé d’acétate de cellulose, de filtres de cigarettes usagés, de papier de cigarette usagé et de papier aluminisé usagé. Un autre était composé uniquement de papiers de récupération.
En ce qui concerne la capacité d’adsorption, l’intensification la plus évidente de l’adsorption a pu être observée dans le cas du matériau d’isolation thermique fabriqué à partir de fibres de bois et de celui fabriqué à partir de cellulose provenant de cartons usagés, d’un mauvais traitement et de produits hétérogènes.
La recherche a été jugée utile car elle a analysé les matériaux d’isolation thermique fabriqués à partir de déchets agro‑industriels recyclés. Ces matériaux, souvent présents dans les matériaux de construction, restent sous‑développés.
La recherche qui a déclenché notre discussion actuelle visait à protéger les produits électroniques de la chaleur. Il existe également des exemples de recherches menées dans ce domaine. Une équipe de chercheurs de l’Université Xi’an Jiaotong, à Xi’an, Chine, a, par exemple, mené une étude expérimentale sur la protection thermique active pour les appareils électroniques utilisés dans l’exploration d’environnements de puits profonds. Dans le segment suivant, nous approfondirons cette recherche et ses conclusions.
Protection thermique active pour les appareils électroniques utilisés dans l’exploration d’environnements de puits profonds
Commençons par définir ce qu’est l’exploration d’environnements de puits profonds. C’est l’un des domaines d’application les plus critiques pour les appareils électroniques, où les dispositifs sont utilisés pour exploiter et extraire le pétrole de schiste. Le défi réside dans le fait qu’il s’agit d’une zone à haute température combinée à une haute pression. Les conditions thermiques dans ces espaces peuvent être si sévères qu’elles pourraient compromettre le bon fonctionnement des composants électroniques. Les chercheurs, dans ce cas, ont étudié un système d’isolation thermique active composé d’une plaque de refroidissement annulaire en spirale (ACP), d’un conteneur de stockage thermique avec un matériau à changement de phase (PCM) et d’un tapis d’aérogel (AM).
L’équipe a mesuré expérimentalement l’impact de la structure, de la disposition et du débit du fluide de travail de l’ACP sur la performance de protection thermique. La performance impliquait deux paramètres : la capacité de contrôle de la température et la durée de fonctionnement du système.
La recherche a révélé qu’une couche de tapis d’aérogel était nécessaire et que le boîtier interne de l’ACP présentait une meilleure performance de protection thermique. L’étude a également proposé une plaque de refroidissement annulaire (ACP) à écoulement en spirale pour une protection thermique hybride avec matériau isolant, destinée à une utilisation dans les environnements de puits profonds.
Une autre étude, réalisée en 2022 et publiée dans la revue Nature, a examiné des substrats protecteurs thermiques souples et extensibles pour l’électronique portable.
Substrats protecteurs thermiques souples et extensibles pour l’électronique portable
De nombreuses applications médicales aujourd’hui reposent sur l’utilisation efficace d’électroniques portables. En ce sens, ces produits nécessitent une manipulation soigneuse. Cependant, lors des opérations, ces appareils peuvent surchauffer, provoquant un inconfort thermique ou des dommages à la peau. Une équipe de chercheurs a recherché des matériaux et des structures capables d’offrir une protection thermique avancée.
Ils ont présenté un substrat protecteur thermique souple et extensible présentant une conception composite. Il comprend le matériau polymère très populaire polydiméthylsiloxane avec des microsphères absorbant la chaleur intégrées, constituées de matériaux à changement de phase encapsulés à l’intérieur d’une coque résineuse.
Les résultats étaient prometteurs, le substrat pouvant subir des déformations complexes supérieures à 150 % et réduire l’augmentation maximale de la température cutanée de 82 % ou davantage grâce à des optimisations.
Matériau améliorant la performance du système en régime permanent dans un Google Pixel 3XL soumis à un stress thermique
Un autre exemple intéressant de sélection du matériau isolant thermique approprié impliquait l’utilisation de feuilles de graphite à capacité de diffusion ultra‑élevée et de feuilles d’isolation à conductivité thermique ultra‑faible. Celles‑ci ont été déployées sur un Google Pixel 3XL modifié afin de réduire les températures de surface au toucher (peau).
Le déploiement a été réalisé pour minimiser l’impact de la température de jonction de l’appareil comparé à des solutions isolantes autonomes comme l’air ou le graphite, tout en améliorant la performance du système en régime permanent de l’appareil. Quatre solutions thermiques uniques d’épaisseur comparable (~350 µm) ont été fabriquées pour l’expérience. Par la suite, ces solutions ont été soumises à des tests de stress thermique sur le Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.
Les résultats étaient prometteurs. Les températures de toucher en régime permanent ont diminué jusqu’à 3,2 °C avec une augmentation de moins de 1 °C de la température maximale de jonction (TJ) comparée aux solutions thermiques monocomposantes de graphite, d’isolation et d’air.
La recherche a conclu que les composites d’isolation‑graphite haute performance pourraient offrir une utilité significative pour renforcer les architectures mobiles à haute puissance et fines. Cependant, la configuration de conception optimale pourrait varier, chaque système électronique mobile pouvant présenter des défis thermiques uniques en raison de la diversité de la puissance du système et de l’espace disponible.
Dans l’ensemble, la conservation de la chaleur est une pratique qui possède un potentiel immense pour nous aider à atteindre les modèles de durabilité que nous souhaitons pour un avenir plus vert. Toute recherche sur l’isolation efficace ou la gestion thermique est essentiellement une recherche sur les matériaux, examinant leurs propriétés uniques et les optimisant selon les besoins. Les tendances actuelles de la recherche montrent qu’un travail suffisant est déjà réalisé dans cette direction. Les efforts ne feront que s’intensifier dans les jours à venir.
