Conductivité thermique de l'aluminium
L'aluminium est un bon conducteur de chaleur
L'aluminium est le deuxième métal le plus utilisé après l'acier, et on le retrouve aussi bien dans la vie quotidienne que dans l'industrie. Sa popularité est due en partie à ses excellentes propriétés physiques, dont une bonne conductivité thermique. Dans cet article, nous donnerons un aperçu clair et complet de la conductivité thermique de l'aluminium, en explorant ce qu'elle est, ce qui l'affecte et pourquoi elle est importante dans les applications pratiques.
Conductivité thermique de l'aluminium pur
La conductivité thermique (λ) est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur, définie comme la quantité d'énergie thermique transférée à travers une unité d'épaisseur du matériau par unité de surface et par unité de différence de température.
Pour l'aluminium pur à température ambiante (20°C), la conductivité thermique est d'environ 237 W/(m-K). À mesure que la température augmente, la conductivité thermique de l'aluminium pur diminue légèrement ; par exemple, à 100 °C, elle est d'environ 230 W/(m-K).
Conductivité thermique des alliages d'aluminium
La conductivité thermique élevée de l'aluminium pur est principalement due au mouvement efficace des électrons libres. Lorsque des éléments d'alliage sont ajoutés, plusieurs mécanismes réduisent la conductivité thermique :
Formation de solutions solides : Les atomes de soluté tels que Cu, Mg et Zn déforment la structure du réseau de l'aluminium, augmentant la diffusion des électrons et réduisant ainsi la vitesse de conduction de la chaleur.
Précipitation des secondes phases : La formation de particules intermétalliques telles que la phase θ (Al₂Cu) et Mg₂Si entrave encore le flux d'électrons, ce qui entraîne une baisse supplémentaire de la conductivité.
Influence des éléments d'alliage : Parmi les éléments d'alliage courants, leur impact sur la réduction de la conductivité thermique suit généralement l'ordre d'efficacité suivant : Cu > Zn > Mg > Si > Mn ≈ Fe.
Vous trouverez ci-dessous un tableau simplifié montrant des alliages représentatifs, leurs températures et leurs plages de conductivité thermique typiques :
| Grade | Tempérer | Conductivité thermique (W/(m-K)) |
|---|---|---|
| 1050 | O | 220-237 |
| 1060 | H12 | 220-235 |
| 1100 | O | 218-222 |
| 2014 | T6 | 150-160 |
| 2024 | T3/T4 | 140-150 |
| 3003 | H14 | 190-210 |
| 3004 | H34 | 160-180 |
| 5052 | H32 | 138-160 |
| 5083 | H112 | 125-145 |
| 5754 | O | 130-150 |
| 6061 | T6 | 150-170 |
| 6063 | T5 | 180-200 |
| 6082 | T6 | 140-160 |
| 7075 | T6 | 130-150 |
| 7050 | T74 | 140-155 |
Oxyde d'aluminium Conductivité thermique
Lorsqu'il est exposé à l'air, l'aluminium forme naturellement une fine pellicule d'oxyde sur sa surface, et de nombreux produits en aluminium sont traités par anodisation afin d'épaissir intentionnellement cette couche d'oxyde. Le principal composant de ce film est l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), qui présente une conductivité thermique nettement inférieure - environ 30 W/(m-K) - à celle de l'aluminium pur.
La présence d'une couche d'oxyde réduit la conductivité thermique globale des surfaces en aluminium. Pour les couches naturellement oxydées, l'épaisseur n'est généralement que de 2 à 5 μm, ce qui a un impact négligeable sur les performances de dissipation de la chaleur. Cependant, l'anodisation produit une couche d'oxyde standard environ 15 μm d'épaisseur, ce qui commence à diminuer sensiblement la conductivité thermique. Films anodisés durs peuvent dépasser 50 μm d'épaisseur, ce qui réduit considérablement les capacités de transfert de chaleur.
C'est pourquoi les composants en aluminium conçus principalement pour la dissipation thermique - tels que le dissipateurs thermiques-ne sont généralement pas soumis à des traitements d'anodisation, afin de maintenir une efficacité optimale du transfert de chaleur.
Capacité thermique de l'aluminium
La capacité thermique spécifique est une grandeur physique qui mesure la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une unité de masse d'une substance d'un degré Celsius (ou d'un Kelvin). Ce paramètre joue un rôle crucial dans le comportement de gestion thermique d'un matériau, influençant la vitesse à laquelle il se réchauffe ou se refroidit pendant son fonctionnement. L'aluminium pur se distingue par sa capacité calorifique spécifique relativement élevée, qui est d'environ 0,900 kJ/(kg-K) à température ambiante.
Le tableau ci-dessous présente les capacités thermiques spécifiques des alliages d'aluminium les plus courants, ainsi que celles du cuivre pur et de l'acier au carbone, à des fins de comparaison directe :
| Matériau / Qualité | Capacité thermique spécifique (kJ/(kg-K)) |
|---|---|
| Aluminium pur (1050) | 0.900 |
| Alliage d'aluminium 1060 | 0.895 |
| Alliage d'aluminium 1100 | 0.895 |
| Alliage d'aluminium 2024 | 0.875 |
| Alliage d'aluminium 3003 | 0.897 |
| Alliage d'aluminium 5052 | 0.883 |
| Alliage d'aluminium 6061 | 0.896 |
| Alliage d'aluminium 7075 | 0.870 |
| Cuivre pur (C11000) | 0.385 |
| Acier au carbone (AISI 1010) | 0.490 |
Coefficient de dilatation thermique de l'aluminium
Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CDT) de l'aluminium pur est généralement compris entre 23 et 24 × 10-⁶ /°C (ou /K). Cela signifie que pour chaque augmentation de température de 1°C, une barre d'aluminium d'un mètre se dilate d'environ 23 à 24 micromètres. Bien que les alliages d'aluminium présentent de légères variations dans les coefficients de dilatation thermique, ces différences sont généralement minimes et ne modifient pas de manière significative leur comportement en matière de dilatation.
En revanche, la couche d'oxyde (principalement de l'alumine, Al₂O₃) formée sur les surfaces d'aluminium a un coefficient de dilatation thermique qui ne représente qu'un tiers environ de celui de l'aluminium métallique. Ce décalage peut conduire à la fissuration de la couche d'oxyde et à la perte de sa fonction protectrice en cas de cycles thermiques élevés, car l'aluminium sous-jacent se dilate plus que la couche d'oxyde ne peut l'absorber.
Le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium est nettement plus élevé que celui de l'acier (environ 12 × 10-⁶ /°C) et du cuivre (environ 16-17 × 10-⁶ /°C), ce qui en fait un facteur critique à prendre en compte dans les applications où la stabilité dimensionnelle et la compatibilité des joints avec d'autres matériaux sont importantes.
Conductivité thermique du cuivre et de l'aluminium
L'aluminium et le cuivre sont tous deux largement utilisés dans les radiateurs, les tubes de climatisation et d'autres applications similaires de dissipation de la chaleur. Bien que le cuivre offre une conductivité thermique plus élevée, l'aluminium est plus répandu en raison de son coût moins élevé, de sa densité plus faible et de sa facilité de traitement.
| Propriété | Aluminium pur (1050) | Cuivre pur (C11000) |
|---|---|---|
| Conductivité thermique (20°C) | 237 W/(m-K) | 398 W/(m-K) |
| Densité | 2,70 g/cm³ | 8,96 g/cm³ |
| Conductivité thermique par densité | 87,8 W-cm³/(g-K) | 44,4 W-cm³/(g-K) |
Sélection des matériaux pour les produits en aluminium thermique
Le choix de l'alliage d'aluminium pour les applications thermoconductrices dépend des exigences de performance spécifiques de chaque industrie et de chaque type de produit. Vous trouverez ci-dessous un résumé des nuances d'alliage recommandées pour les applications courantes, avec leurs principales caractéristiques et des remarques supplémentaires :
| Domaine d'application | Exigences de performance clés | Alliages recommandés et notes |
|---|---|---|
| Dissipateurs de chaleur | Conductivité thermique élevée, formabilité | 1050, 1060, 1070, 6063 - L'aluminium pur est souvent choisi pour son excellente conductivité et sa facilité de mise en œuvre ; le 6063 offre un bon équilibre entre le coût, la résistance et la formabilité pour l'extrusion. |
| Feuille d'aluminium | Haute conductivité, ductilité, laminage fin | 1100, 1235, 8011 - 1100 et 1235 sont largement utilisés comme feuilles d'aluminium pur. Le 8011 offre une plus grande résistance et une meilleure aptitude à la transformation, avec une conductivité légèrement inférieure. |
| ustensiles de cuisine | Conductivité, résistance à la corrosion, solidité, formabilité | 3003, 3004, 1100, 1050 - 3003/3004 sont typiques pour les corps de casseroles et de poêles ; 1050/1100 sont utilisés dans les couches conductrices. Tous les alliages doivent garantir la sécurité alimentaire et la résistance à la corrosion. |
| AC & Heat Tubes d'échange | Conductivité, résistance à la corrosion, soudabilité | 1050, 1070, 3103, 3003 - 1050/1070 (haute pureté, facile à plier) sont courants dans les tubes AC ; les ailettes des échangeurs de chaleur utilisent 3003/3103 pour une solidité et une résistance à la corrosion accrues. |
| Enceintes pour les équipements électriques et électroniques | Gestion thermique, blindage, protection mécanique, résistance à la corrosion | 5052, 6061, 6063 - 5052 offre une bonne aptitude au façonnage et une bonne résistance à la corrosion, largement utilisée pour les boîtiers ; 6061 et 6063 offrent une plus grande résistance mécanique et peuvent être facilement extrudés ou usinés pour des conceptions personnalisées. |
Matériaux d'aluminium à isolation thermique
Bien que l'aluminium lui-même ait une conductivité thermique élevée, diverses techniques d'ingénierie sont utilisées pour réduire de manière significative le transfert de chaleur dans les applications où l'isolation est nécessaire. Vous trouverez ci-dessous quelques méthodes couramment utilisées, ainsi que les valeurs typiques de conductivité thermique pour chaque structure ou matériau :
Profilé d'aluminium à rupture thermique:
Largement utilisé dans fenêtres, porteset rideau murs. En incorporant un matériau isolant, tel que le polyamide (conductivité thermique ≈ 0,3 W/(m-K)), entre deux profilés d'aluminium, la conductivité thermique globale du système peut être réduite à environ 2-4 W/(m-K).
Nid d'abeille en aluminium Structures :
Composés de fines peaux d'aluminium entourant un noyau en nid d'abeille, ces panneaux utilisent l'air emprisonné pour réduire le transfert de chaleur. La conductivité thermique effective est généralement comprise entre 2 et 10 W/(m-K), ce qui est nettement inférieur à l'aluminium massif.
Mousse d'aluminium :
Ce matériau présente une structure poreuse remplie de cellules d'air fermées, ce qui se traduit par une conductivité thermique généralement comprise entre 1 et 10 W/(m-K), en fonction de la densité et de la structure des pores.
Composites hybrides avec matériaux isolants :
L'aluminium est souvent laminé ou lié à d'autres matériaux, tels que des plastiques, des caoutchoucs, des céramiques ou de la laine minérale, pour former des panneaux composites aux propriétés d'isolation très améliorées. En fonction des matériaux utilisés, la conductivité thermique globale de ces composites peut varier de moins de 1 W/(m-K) (lorsqu'ils sont associés à des isolants thermiques très performants) à plusieurs W/(m-K).
Réflectivité thermique de l'aluminium
Si l'aluminium est bien connu pour sa conductivité thermique élevée, il constitue également un matériau d'isolation efficace en raison de sa capacité exceptionnelle à réfléchir la chaleur rayonnante, en particulier le rayonnement infrarouge. La réflectivité infrarouge de l'aluminium peut atteindre 90-95%, ce qui le rend très efficace pour réfléchir l'énergie thermique plutôt que de l'absorber.
Dans les applications pratiques, l'isolation thermique est généralement obtenue en combinant plusieurs matériaux aux propriétés isolantes différentes. Dans ces systèmes composites, la feuille d'aluminium est couramment utilisée comme barrière radiante. Elle réfléchit une grande partie du rayonnement thermique incident loin de la surface isolée, ce qui permet de minimiser le transfert de chaleur et d'améliorer les performances globales de l'isolation. La feuille d'aluminium est donc un composant essentiel de l'enveloppe des bâtiments, des conduits de chauffage, de ventilation et de climatisation et de l'emballage des produits sensibles à la température.
Relation entre la conductivité thermique et la conductivité électrique
Tant les températures que les conductivité électrique dans l'aluminium sont principalement régies par le mouvement des électrons libres. Ce mécanisme commun est à l'origine de la forte corrélation observée entre ces deux propriétés dans les matériaux métalliques.
- Conductivité thermique: Les électrons libres transportent l'énergie thermique en se diffusant des régions à haute température vers les régions à basse température.
- Conductivité électrique: Lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique, les électrons libres se déplacent dans la direction voulue, ce qui génère un courant électrique.
L'efficacité du transport de la chaleur et de l'électricité est d'autant plus grande que le libre parcours moyen des électrons augmente. Ainsi, les matériaux à forte conductivité électrique, tels que l'aluminium, ont également tendance à présenter une forte conductivité thermique.
Cette relation est décrite quantitativement par la formule Loi Wiedemann-Franz, qui stipule que le rapport entre la conductivité thermique (λ) et la conductivité électrique (σ) est proportionnel à la température absolue (T) :
Où ?
- λ = Conductivité thermique (W/(m-K))
- σ = Conductivité électrique (S/m)
- L = constante de Lorenz (approximativement 2.44×10-8 W-Ω/K², pour les métaux à électrons libres)
- T = Température absolue (K)
