Les dernières décennies ont vu une formidable avancée dans la technologie électronique, avec le développement d'appareils plus fins, légers, flexibles et robustes. Cependant, à mesure que les appareils deviennent plus minces, l'espace pour accueillir les composants de travail internes augmente également. Cela a créé un problème de dissipation thermique inappropriée dans les dispositifs à couches minces, car les matériaux de dissipateur thermique conventionnels sont volumineux et ne peuvent pas y être intégrés. Ainsi, il existe un besoin pour des matériaux de diffusion thermique qui soient minces et flexibles et qui puissent être mis en œuvre dans des dispositifs à couches minces pour une dissipation thermique efficace.

Actuellement, plusieurs matériaux de substrat peuvent agir comme diffuseurs de chaleur en tant que films minces, mais la plupart diffusent la chaleur dans la direction du plan de manière isotrope. Ceci, à son tour, pourrait créer des interférences thermiques avec les composants voisins d'un appareil.

"Pour un substrat sur lequel plusieurs dispositifs sont montés en haute densité, il est nécessaire de contrôler la direction de diffusion thermique et de trouver un chemin d'évacuation de la chaleur efficace tout en isolant thermiquement entre les dispositifs. Le développement de films de substrat à forte anisotropie en plan la conductivité thermique est donc un objectif important », explique le professeur agrégé junior Kojiro Uetani de l'Université des sciences de Tokyo (TUS) au Japon, qui étudie les matériaux avancés pour la conductivité thermique et appartenait auparavant au SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research), Université d'Osaka.

Dans une étude récente publiée dans ACS Applied Materials &Interfaces , le Dr Uetani et son équipe, composée du professeur adjoint Shota Tsuneyasu du National Institute of Technology, Oita College, et du professeur Toshifumi Satoh de l'Université polytechnique de Tokyo, tous deux au Japon, ont présenté un nouveau film nanocomposite composé de nanofibres de cellulose et de fibre de carbone. charges qui ont démontré une excellente conductivité thermique anisotrope dans le plan.

De nombreux composites polymères avec des charges thermoconductrices ont été proposés pour améliorer la conductivité thermique. Cependant, il existe peu de rapports sur les matériaux avec des charges particulaires ou en forme de plaque qui présentent une anisotropie de conductivité thermique, ce qui est important pour éviter les interférences thermiques entre les dispositifs adjacents. Les charges fibreuses telles que les fibres de carbone (CF), d'autre part, peuvent fournir une anisotropie dans le plan dans les matériaux bidimensionnels en raison de leur anisotropie structurelle.

Il est également important de sélectionner une matrice à haute conductivité thermique. Il a été rapporté que les nanofibres de cellulose (CNF) extraites du manteau des ascidies présentent une conductivité thermique plus élevée (environ 2,5 W/mK) que les polymères conventionnels, ce qui les rend utilisables comme matériau de dissipation de la chaleur. Comme l'indique la capacité d'écrire avec un crayon sur du papier, la cellulose a une grande affinité pour les matériaux carbonés et est facile à combiner avec des charges CF. Par exemple, le CF hydrophobe ne peut pas être dispersé dans l'eau par lui-même, mais en présence de CNF, il est facilement dispersé dans l'eau. En conséquence, l'équipe a choisi des CNF biosourcés dérivés d'ascidies (ascidies de mer) comme matrice.

Pour la synthèse des matériaux, l'équipe a préparé une suspension aqueuse de CF et de CNF, puis a utilisé une technique appelée modelage 3D liquide. Le processus a abouti à un nanocomposite constitué d'une matrice de cellulose avec des fibres de carbone uniaxialement alignées. Pour tester la conductivité thermique des films, l'équipe a utilisé la méthode de thermométrie par rayonnement de chauffage périodique par point laser.

Ils ont découvert que le matériau présentait une anisotropie élevée de conductivité thermique dans le plan de 433 %, ainsi qu'une conductivité de 7,8 W/mK dans la direction alignée et de 1,8 W/mK dans la direction orthogonale dans le plan. Ils ont également installé un dispositif électroluminescent à poudre (EL) sur un film CF/CNF pour démontrer la dissipation thermique efficace. De plus, le film nanocomposite pourrait refroidir deux pseudo-sources de chaleur proches sans aucune interférence thermique.

Outre les excellentes propriétés thermiques, un autre avantage majeur des films CF/CNF est leur recyclabilité. Les chercheurs ont pu extraire les FC en brûlant la matrice cellulosique, permettant de la réutiliser. Dans l'ensemble, ces résultats peuvent non seulement servir de cadre pour la conception de films 2D avec de nouveaux modèles de dissipation de chaleur, mais également encourager la durabilité du processus. "Les déchets que nous, les humains, générons ont un impact environnemental énorme. Les charges de transfert de chaleur, en particulier, sont souvent des matériaux spécialisés et coûteux. En conséquence, nous voulions créer un matériau qui ne soit pas perdu après utilisation mais qui puisse être récupéré et réutilisés pour d'autres applications », conclut le Dr Uetani. + Explorer plus loin

Film polyimide thermoconducteur :une meilleure façon de dissiper la chaleur dans les appareils électroniques