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Le mythe de la résistance thermique de l'interface : pourquoi les matériaux parfaits ont-ils toujours une résistance au flux de chaleur ?
Dans la science moderne des matériaux, la résistance thermique d'interface, également connue sous le nom de résistance thermique aux limites ou résistance de Kapitza, est un concept important utilisé pour quantifier la résistance au flux de chaleur entre deux matériaux. Bien que les termes soient utilisés de manière interchangeable, la résistance Kapitza fait généralement référence à une interface plate et atomiquement parfaite, tandis que la résistance aux limites thermiques est un terme plus large. Cette résistance thermique est différente de la résistance de contact car elle existe toujours même dans une interface atomiquement parfaite.
Lorsque des vecteurs d'énergie (tels que des phonons ou des électrons) tentent de traverser une interface, une diffusion se produit au niveau de l'interface en raison des différences dans les propriétés électroniques et vibratoires des différents matériaux.
Cette résistance thermique d'interface se traduira par une discontinuité de température finie à l'interface lorsqu'un flux thermique constant est appliqué à l'interface. De nombreux modèles théoriques ont été proposés pour décrire ce phénomène, notamment le modèle de gaz phonon, le modèle de mésappariement acoustique (AMM) et le modèle de mésappariement de diffusion (DMM), qui jouent un rôle important dans la façon de prédire le mécanisme du flux de chaleur.
Dans les systèmes à l'échelle nanométrique, l'impact des effets d'interface est plus important et joue un rôle clé dans les propriétés thermiques des matériaux. Lorsqu'il s'agit d'applications à forte dissipation thermique telles que les dispositifs microélectroniques à semi-conducteurs, les interfaces de matériaux à faible résistance thermique sont essentielles pour obtenir une dissipation thermique efficace. Selon les prévisions de l'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), il est confronté à une exigence de densité de flux thermique pouvant atteindre 100 000 W/cm², ce qui représente un défi de taille par rapport à la technologie actuelle.
L'étude de la résistance aux limites thermiques est essentielle à la compréhension des interfaces matérielles et à l'amélioration de leurs propriétés thermiques.
En revanche, dans les applications qui nécessitent une bonne isolation thermique, comme les turbines de moteurs d'avion, des interfaces matérielles à haute résistance thermique peuvent être nécessaires, notamment celles qui sont stables à haute température. Par exemple, les composites métal-céramique actuels peuvent convenir à de telles applications.
Concernant l'impact de la résistance thermique de l'interface, il existe deux principaux modèles de prédiction dignes d'attention : le modèle de mésappariement acoustique (AMM) et le modèle de mésappariement de diffusion (DMM). AMM suppose que l'interface est parfaite et que les phonons sont transférés de manière élastique entre les interfaces, tandis que DMM suppose que l'interface présente une diffusion diffusive, qui est plus précise dans les environnements à haute température.
Les simulations de dynamique moléculaire (MD) sont devenues un outil puissant pour étudier la résistance thermique interfaciale et ont montré que la résistance thermique interfaciale solide-liquide peut être réduite en renforçant les interactions solide-liquide sur des surfaces solides nanostructurées.
En ce qui concerne les limites de ces modèles, il existe des différences significatives dans la manière dont AMM et DMM gèrent la diffusion, AMM supposant une interface sans faille et DMM la traitant comme une interface entièrement diffusante. Par conséquent, en réalité, ces modèles ne peuvent souvent pas décrire efficacement la résistance de l’interface thermique, mais peuvent servir de limites supérieures et inférieures pour le comportement réel.
Dans le modèle théorique relatif à la température ambiante, les recherches sur l'hélium liquide ont d'abord proposé l'existence d'une résistance thermique d'interface. En 1936, la résistance interfaciale de l'hélium liquide était confirmée, mais le comportement réel en matière de conduction thermique ne fut systématiquement étudié qu'en 1941 par Pyotr Kapitsa. Le modèle de mésappariement acoustique qu'il a proposé ne pouvait prédire au mieux qu'une erreur de deux ordres de grandeur, de sorte que les travaux de recherche ultérieurs se sont progressivement orientés vers d'autres mécanismes de transfert de chaleur.
Dans les applications de la science des matériaux, les nanotubes de carbone ont attiré l'attention en raison de leur excellente conductivité thermique, et la résistance thermique de l'interface est l'un des facteurs clés affectant leur conductivité thermique efficace. Ce domaine reste relativement sous-exploré et a suscité de nombreux intérêts de recherche.
À mesure que l'exploration du mécanisme de base s'approfondit, l'étude de la résistance thermique des interfaces recevra de plus en plus d'attention. Comment ces connaissances contribueront-elles aux innovations en matière de gestion thermique et de conception de matériaux à l’avenir ?
