Publié le 24 octobre 2025 04:37:00. Des chercheurs chinois ont mis au point un nouveau matériau composite, un ruban multicouche thermoconducteur et isolant électrique, qui pourrait révolutionner la gestion thermique des appareils électroniques de plus en plus puissants et miniaturisés. Cette innovation promet de réduire la surchauffe et d’améliorer la fiabilité des smartphones, ordinateurs portables et autres dispositifs électroniques.
- Le ruban multicouche thermoconducteur et électriquement isolant (MTCEIT) atteint une conductivité thermique de 121,22 W m⁻¹ K⁻¹ et une résistivité électrique de 5,07 × 10¹¹ Ω·cm.
- L’architecture du matériau combine les propriétés du graphène, excellent conducteur thermique, et du nitrure de bore, un isolant électrique performant.
- Des tests ont démontré une réduction de la température du processeur d’un ordinateur portable de 9 °C et du SoC d’un smartphone de 5,4 °C grâce à l’intégration du MTCEIT.
La miniaturisation croissante des composants électroniques s’accompagne d’une augmentation de la densité de puissance, posant des défis majeurs en matière de dissipation thermique. Les matériaux d’interface thermique (MIT) traditionnels peinent à répondre simultanément aux exigences de conductivité thermique élevée et d’isolation électrique efficace, en particulier dans des formats compacts. Les composites polymères classiques et les films chargés de céramique présentent souvent des limitations en termes de conductivité thermique lorsqu’ils dépassent une certaine épaisseur.
Pour pallier ces inconvénients, une équipe de chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai et de Shanghai Electric Power Generation Equipment a développé ce nouveau matériau, le MTCEIT. Au cœur de ce ruban se trouve une couche de papier graphène, un assemblage de feuilles de graphène bidimensionnelles, qui assure une dissipation thermique latérale très efficace. Cette couche est ensuite encapsulée entre des adhésifs nanocomposites polymères enrichis de nanofeuilles de nitrure de bore (BNNS) et associée à un film composite de silicone renforcé de flocons de nitrure de bore (BNF).
Cette architecture ingénieuse exploite les propriétés exceptionnelles du graphène en matière de transport de phonons (environ 578 W m⁻¹ K⁻¹ dans le plan basal) tout en garantissant une isolation électrique optimale grâce au nitrure de bore hexagonal, qui possède une large bande interdite (~ 5,9 eV) et une résistance au claquage diélectrique élevée.
Avec une épaisseur totale d’environ 300 µm, le MTCEIT affiche des performances supérieures à celles des films diélectriques flexibles conventionnels. Les chercheurs ont notamment constaté une résistance de contact thermique minimisée à 8,9 mm² K W⁻¹ sans application de pression supplémentaire. La phase adhésive, un poly(2‑butylamino carbonyl oxy éthylacrylate) (PBCOEA) chargé à 10 % en poids de BNNS, favorise un couplage efficace des phonons à l’interface graphène-polymère grâce à la formation de réseaux de liaisons hydrogène.
La flexibilité et la robustesse du matériau ont également été testées avec succès. Le ruban multicouche résiste à des rayons de courbure d’environ 5 mm et à des allongements en traction supérieurs à 900 %, sans délamination ni rupture d’interface. Sa résistance à la traction atteint 9 MPa pour un noyau de graphène de 100 µm, témoignant d’un ancrage mécanique solide au sein de la structure composite. De plus, le matériau conserve ses performances jusqu’à 260 °C, avec une conductivité thermique de 87 W m⁻¹ K⁻¹ à 135 °C, ce qui le rend adapté aux environnements électroniques à haute température.
Des simulations thermiques par éléments finis, corroborées par des expérimentations, ont révélé que l’optimisation de la proportion de graphène et de la conductivité interfaciale permet de réduire significativement la formation de points chauds. Dans un ordinateur portable, l’intégration du MTCEIT a permis de diminuer la température stable du processeur de 9 °C. Dans un smartphone ultrafin sans ventilateur, une bande de 285 µm d’épaisseur a réduit la température maximale du SoC de 5,4 °C, assurant une sortie d’image stable pendant la lecture de vidéos 4K.
Les chercheurs ont souligné que l’amélioration des performances dépend principalement de la minimisation de la résistance intercouche plutôt que d’une simple augmentation de la teneur en graphène. Une stratification excessive peut entraîner une diffusion des phonons aux interfaces, annulant ainsi les gains d’épaisseur. De même, une charge de BN supérieure à 70 % en poids réduit la flexibilité mécanique sans apporter d’amélioration thermique proportionnelle.
Le MTCEIT peut être fabriqué à l’aide de procédés de fabrication évolutifs tels que le raclage, le pressage à chaud et le laminage rouleau à rouleau, en utilisant des matières premières disponibles industriellement. Cela ouvre la voie à une production en série de films isolants thermiquement conducteurs de haute performance pour une large gamme d’applications, notamment l’électronique grand public, les modules de puissance et les circuits flexibles.
Ce travail met en évidence le potentiel des architectures composites centrées sur le graphène pour concilier gestion thermique performante et sécurité diélectrique. La structure hiérarchique du matériau, qui prend en compte les interfaces de phonons à l’échelle atomique et la flexibilité à l’échelle macroscopique, illustre une nouvelle approche dans la conception des MIT, où l’alignement des nanostructures permet d’optimiser simultanément la conduction thermique et l’isolation électrique dans les dispositifs électroniques miniaturisés.