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Comment choisir des adhésifs thermoconducteurs

authorIcon By Catherine Veilleux on February 05, 2024 topicIcon Batteries & EVs

Image d’en-tête avec l’aimable autorisation d’Appli-Tec

Les adhésifs thermoconducteurs sont plus importants que jamais pour une gestion efficace de la chaleur. Les systèmes avancés tels que les batteries de voitures électriques et les dispositifs microélectroniques utilisent ce type d’adhésif pour empêcher la chaleur de créer des problèmes de performance, d’endommager les composants électriques et d’entraîner des risques pour la sécurité.

Des adhésifs thermoconducteurs tels que des rubans, des films et des colles sont utilisés pour coller les composants générateurs de chaleur sur des dissipateurs thermiques. En plus de conduire la chaleur, ces adhésifs peuvent également renforcer l’intégrité structurale, créer une isolation électrique ou permettre la conductivité électrique.

Il n’est pas facile de déterminer l’adhésif qui conviendrait le mieux à vos besoins, et peut-être ne savez-vous pas par où commencer.

Heureusement pour vous, ce guide est conçu pour vous aider dans vos recherches.

Table des matières

Matériaux adhésifs ou non adhésifs

Outre les adhésifs thermoconducteurs, d’autres matériaux d’interface thermique permettent la conductivité thermique. Parmi ces matériaux thermoconducteurs non adhésifs, on retrouve les tampons de remplissage, les matériaux de remplissage, les matériaux à changement de phase et les graisses. Certaines matières d’enrobage fournissent également une conductivité thermique de base.

Si le matériau thermoconducteur joue un rôle structural (en remplaçant d’autres techniques de jointure comme la soudure ou la fixation mécanique), vous devez utiliser un adhésif. Sinon, vous avez besoin d’un matériau non adhésif.

Cet article se concentre sur les adhésifs, mais si vous souhaitez en savoir plus sur les matériaux non adhésifs, voici une présentation rapide :

  • Les tampons de remplissage sont de fines feuilles conçues pour combler les espaces et améliorer la conductivité thermique entre les surfaces.
  • Les matériaux de remplissage sont des matériaux souples utilisés pour combler les espaces et les vides d’air afin d’améliorer le transfert de chaleur entre les composants.
  • Les matériaux à changement de phase sont des matériaux qui changent de phase (par exemple, qui passent du solide au liquide) en cas de changements de température, en absorbant et en libérant de la chaleur.
  • Les graisses sont des composés visqueux dotés d’une conductivité thermique élevée. Elles sont utilisées pour combler les espaces et fournir une interface thermique entre les surfaces.
  • Les matières d’enrobage sont des composés permettant d’encapsuler les composants électroniques afin de les isoler et de les protéger contre les facteurs environnementaux (comme l’eau, la poussière, etc.) et les contraintes mécaniques. Elles sont utilisées pour étancher les carcasses de moteurs électriques, par exemple.

Formats d’application des adhésifs : liquides, rubans et films

Les adhésifs thermoconducteurs peuvent être appliqués sous la forme de liquides, de rubans ou de films. Pour savoir quel format choisir, il est important de prendre en compte divers aspects de votre application, comme la résistance, l’isolation ou la conductivité électriques, l’aire de la surface, la taille des espaces, etc.

Voici les caractéristiques clés de chacun des formats d’application :

  • Les liquides (que l’on appelle également « colles » ou « pâtes ») offrent une liaison solide en plus de la conductivité thermique. Cependant, ils doivent être séchés avant de pouvoir former une liaison adhésive avec le substrat. Le séchage peut se faire à chaud ou à température ambiante. Par rapport aux films et aux rubans, les liquides épousent mieux la forme des surfaces et comblent les vides d’air. Ils offrent ainsi un meilleur contact et une meilleure couverture, ce qui améliore le transfert de chaleur.
  • Les rubans double face permettent l’isolation électrique en plus de la conductivité thermique. Ils sont également faciles à appliquer, ce qui les rend plus pratiques.
  • Les films permettent la conductivité électrique en plus de la conductivité thermique. Ils sont idéaux pour la liaison de surfaces larges ou complexes, sur lesquelles les liquides risquent de créer des vides (des poches d’air).

Composition chimique des adhésifs : époxy, uréthane, acrylique et silicone

Les différentes compositions chimiques des adhésifs offrent des propriétés uniques. Pour déterminer celle qui vous conviendra le mieux, commencez par collecter les informations suivantes :

  • Quels substrats souhaitez-vous coller ?
  • Devez-vous assurer la conductivité ou l’isolation électriques ?
  • À quelle force l’adhésif doit-il résister ?
  • De quel type de résistance chimique avez-vous besoin ?

La résistance chimique désigne la capacité d’un adhésif à résister aux agents chimiques auxquels il est exposé. Par exemple, certains adhésifs peuvent se dissoudre dans le glycol, un liquide de refroidissement couramment utilisé pour la gestion thermique des batteries électriques.

Le tableau ci-dessous fournit une vue d’ensemble pour vous aider à déterminer la composition chimique appropriée pour votre application :

Composition chimique des adhésifs Caractéristiques générales
Adhésifs époxydes thermoconducteurs
  • Bonne conductivité thermique
  • Capacité à conduire l’électricité et la chaleur
  • Liaisons adhésives de qualité structurale
  • Bonne capacité de remplissage des vides et des gros espaces
  • Bonne résistance aux agents chimiques et à l’environnement
  • Temps de séchage longs
  • Haute dureté
Adhésifs à l’uréthane thermoconducteurs
  • Conductivité thermique moyenne
  • Haute élasticité pour résister à la contraction et à la dilatation thermique
  • Excellente résistance aux agents chimiques et à l’environnement
  • Résistance d’adhésion plus faible que les époxys et les acryliques
  • Faible odeur
  • Temps de séchage longs
  • Dureté moyenne
Adhésifs acryliques thermoconducteurs
  • Conductivité thermique moyenne
  • Haute résistance sans préparation de la surface
  • Temps de séchage courts
  • Bonne résistance aux agents chimiques et à l’environnement
  • Traitement simple
  • Haute dureté
Adhésifs au silicone thermoconducteurs
  • Conductivité thermique moyenne
  • Haute élasticité pour résister à la contraction et à la dilatation thermique
  • Résistance insuffisante pour les charges lourdes
  • Mauvaise adhérence sur de nombreux substrats (chimie fonctionnelle)
  • Bonne résistance à l’environnement (l’eau peut être problématique)
  • Mauvaise résistance aux agents chimiques
  • Faible dureté

Explication des propriétés sur les notices techniques

Pour pouvoir déchiffrer la notice technique d’un adhésif, comparer les différents produits et identifier ceux qui répondent à vos besoins, il est essentiel de connaître les propriétés clés des adhésifs thermoconducteurs. Passons en revue les plus importantes.

Conductivité thermique

La conductivité thermique mesure le taux auquel un matériau transfère la chaleur. Une valeur faible indique que le matériau est plus résistant au transfert de chaleur, tandis qu’une valeur élevée indique que le matériau constitue un bon conducteur thermique pour les applications de dissipation thermique. Elle est mesurée en watts par mètre-kelvin (W·m−1·K−1).

Examinons la formule à l’aide d’un exemple.

Un adhésif liquide tel que Loctite 315 présente une conductivité thermique de 0,81 W·m−1·K−1 à température ambiante. En d’autres termes, si l’adhésif fait 1 mètre de long et qu’il y a une différence de température de 1 kelvin entre ses deux extrémités, 0,81 joule d’énergie thermique peut le traverser chaque seconde.

Cette formule peut sembler abstraite, mais c’est une norme permettant de comparer différents produits.

Pour savoir si un adhésif conviendrait pour votre application, vous devez adapter la formule à votre situation. Après tout, il y a peu de chances que vous appliquiez une couche de 1 mètre d’épaisseur d’adhésif liquide et que la différence de température soit d’exactement 1 kelvin.

Sachez également que la conductivité thermique d’un matériau varie en fonction de la température. Vous devez comprendre la conductivité thermique d’un adhésif à différentes températures si vos composants sont exposés à des températures à la fois basses et élevées, comme c’est le cas dans les applications automobiles, aérospatiales et électroniques.

Indice d’inflammabilité (UL 94)

Les adhésifs thermoconducteurs peuvent être classés en fonction de leur inflammabilité en cas d’incendie, ou, plus précisément, en fonction de la facilité à laquelle ils s’enflamment lorsqu’ils sont exposés à une flamme et de la rapidité à laquelle ils s’éteignent lorsque la flamme est retirée. Cette classification est utile pour déterminer si un adhésif constitue un bon matériau ignifuge.

Divers facteurs spécifiques qui contribuent à la propagation de l’incendie sont évalués lors de la classification des adhésifs thermoconducteurs. Les plus importants sont :

  • la vitesse à laquelle l’adhésif brûle ;
  • la vitesse à laquelle l’adhésif s’éteint par lui-même (autoextinguibilité) ;
  • l’écoulement ou non de matière en fusion (gouttelettes enflammées) ;
  • la création ou non par le feu de trous dans l’adhésif (les trous permettent à l’incendie de se propager).

UL 94 est une norme pour les tests d’inflammabilité des matières plastiques utilisées dans les pièces de divers appareils. Elle permet de classer les adhésifs thermoconducteurs comme suit :

Certification UL 94 Signification
5VA (indice le plus élevé)

Indique que l’adhésif est autoextinguible dans des conditions graves, qu’aucune matière en fusion ne s’en écoule lorsqu’il brûle et qu’aucun trou ne se forme pendant la combustion.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à la verticale et exposé à une flamme de 500 W par le dessous pendant 5 secondes. La flamme est ensuite réappliquée dès que l’adhésif cesse de brûler (cinq fois au total). Après la cinquième exposition à une flamme, l’adhésif s’autoéteint en moins de 10 secondes. Aucune gouttelette enflammée ne s’écoule pendant le test, et l’adhésif ne présente aucun trou.

5VB

Indique que l’adhésif est autoextinguible dans des conditions graves, qu’aucune matière en fusion ne s’en écoule lorsqu’il brûle, mais que des trous peuvent se former pendant la combustion.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à la verticale et exposé à une flamme de 500 W par le dessous pendant 5 secondes. La flamme est ensuite réappliquée dès que l’adhésif cesse de brûler (cinq fois au total). Après la cinquième exposition à une flamme, l’adhésif s’autoéteint en moins de 60 secondes. Aucune gouttelette enflammée ne s’écoule pendant le test, mais l’adhésif peut présenter des trous.

V-0

Indique que l’adhésif est autoextinguible (rapidement) et qu’aucune matière en fusion ne s’en écoule lorsqu’il brûle.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à la verticale et exposé à une flamme de 50 W par le dessous pendant 10 secondes. La flamme est ensuite réappliquée dès que l’adhésif cesse de brûler (deux fois au total). Après la deuxième exposition à une flamme, l’adhésif s’autoéteint en moins de 10 secondes. Aucune gouttelette enflammée ne s’écoule pendant le test.

V-1

Indique que l’adhésif est autoextinguible et qu’aucune matière en fusion ne s’en écoule lorsqu’il brûle.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à la verticale et exposé à une flamme de 50 W par le dessous pendant 10 secondes. La flamme est ensuite réappliquée dès que l’adhésif cesse de brûler (deux fois au total). Après la deuxième exposition à une flamme, l’adhésif s’autoéteint en moins de 60 secondes. Aucune gouttelette enflammée ne s’écoule pendant le test.

V-2

Indique que l’adhésif est autoextinguible, mais que de la matière en fusion peut s’en écouler lorsqu’il brûle.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à la verticale et exposé à une flamme de 50 W par le dessous pendant 10 secondes. La flamme est ensuite réappliquée dès que l’adhésif cesse de brûler (deux fois au total). Après la deuxième exposition à une flamme, l’adhésif s’autoéteint en moins de 60 secondes. Des gouttelettes enflammées peuvent s’écouler pendant le test.

HB (indice le plus faible)

Indique que l’adhésif brûle lentement ou que la flamme s’autoéteint au bout d’un moment.

Pour obtenir cette certification, l’adhésif est placé à l’horizontale et une de ses extrémités est exposée à une flamme de bec Tirrill pendant 30 secondes. Après le retrait de la flamme, l’adhésif s’autoéteint avant que la flamme n’atteigne 100 mm, ou la vitesse de combustion est inférieure à 76 mm/min (pour une épaisseur inférieure à 3 mm).

Viscosité

La viscosité est un paramètre pertinent pour les adhésifs liquides. Elle indique la résistance interne d’un adhésif à l’écoulement ou, pour faire simple, la facilité avec laquelle il peut s’étaler. Il est important de comprendre la viscosité pour savoir comment l’adhésif se comportera pendant l’application, l’étalement et le collage.

  • Une viscosité faible indique que l’adhésif est plus fin et qu’il s’écoule plus facilement. Les adhésifs à faible viscosité sont idéaux pour les applications où ils doivent s’écouler dans de petits espaces ou recouvrir des surfaces irrégulières.
  • Une viscosité élevée indique que l’adhésif est plus épais et qu’il s’écoule plus difficilement. Les adhésifs à viscosité élevée sont idéaux pour une application à la verticale, car ils ne forment pas de coulures ou de gouttes. Cependant, ils peuvent créer des lignes de collage moins uniformes et plus épaisses, ce qui peut affecter la conductivité thermique et la résistance du joint collé.

La viscosité se mesure en centipoises (cP). La viscosité des adhésifs liquides peut aller de 200 cP à 1 000 000 cP. En comparaison, l’eau a une viscosité de 1 cP (à 20 °C) et le glycérol a une viscosité de 1 412 cP (à 20 °C).

Résistivité transversale

La résistivité transversale indique la résistance d’un adhésif à la circulation d’un courant électrique qui passe par son volume. Elle est exprimée en ohms-centimètres (Ω-cm) et est essentielle pour comprendre les propriétés isolantes ou conductrices d’un adhésif. Une résistivité transversale plus faible indique que l’adhésif conduit mieux l’électricité, tandis qu’une résistivité transversale plus élevée indique qu’il est doté d’une meilleure isolation électrique.

Par exemple, le film Loctite Ablestik 5025E est un adhésif thermoconducteur qui conduit l’électricité. Sa notice technique indique qu’il est doté d’une résistivité transversale de 2 x 10-4. En d’autres termes, sa résistance à la circulation d’un courant électrique est de 0,0002 Ω-cm, ce qui en fait un excellent conducteur électrique.

Prenons un autre exemple. Loctite 315 est un adhésif liquide présentant une résistivité transversale de 1,3 x 1012. Sa résistance à la circulation d’un courant électrique est donc de 1 300 000 000 000 Ω-cm, ce qui en fait un excellent isolant électrique.

Tension disruptive (rigidité diélectrique)

La tension disruptive, également appelée rigidité diélectrique, est un paramètre à prendre en compte pour les adhésifs thermoconducteurs utilisés pour l’isolation électrique. Elle indique la tension (en courant alternatif) à laquelle l’adhésif perd ses propriétés isolantes et devient électroconducteur.

La tension disruptive se mesure en volts en courant alternatif (VCA). Lors du choix d’un adhésif thermoconducteur pour l’isolation électrique, il est important d’opter pour un produit dont la tension disruptive est supérieure aux exigences de l’application.

Par exemple, Bergquist Bond-Ply TBP 1400LMS-HD est un ruban adhésif thermoconducteur pour isolation électrique doté d’une tension disruptive de 5 000 VCA. Autrement dit, 5 000 volts en courant alternatif doivent être appliqués au ruban avant que celui-ci ne devienne électroconducteur. Au-delà de cette tension, il existe un risque de défaillance électrique.

Résistance au cisaillement

La résistance au cisaillement est particulièrement importante pour les adhésifs utilisés dans des applications de collage de structure. Elle représente la capacité d’un adhésif à résister à des forces dans une direction parallèle à la ligne de collage. Cette propriété aide à comprendre la capacité de l’adhésif à créer une liaison résistante et durable entre deux substrats.

La résistance au cisaillement se mesure en mégapascals (MPa) ou en livres par pouce carré (psi).

  • Une résistance au cisaillement de 10 MPa signifie que la liaison adhésive peut supporter une force de 10 newtons pour chaque millimètre carré de ligne de collage.
  • Une résistance au cisaillement de 10 psi signifie que la liaison adhésive peut supporter une force de 10 livres pour chaque pouce carré de ligne de collage.

Par exemple, l’adhésif structural thermoconducteur CoolTherm TC-2002 est doté d’une résistance au cisaillement de 15,86 MPa (2 300 psi). Cela signifie que la liaison adhésive peut supporter une contrainte de cisaillement (c.-à-d. une force par millimètre carré) de 15,86 newtons. Par conséquent, une liaison adhésive de 10 millimètres carrés pourrait supporter une force de 158,6 newtons.

Liste de fabricants d’adhésifs

Pour choisir le bon adhésif thermoconducteur pour votre application, vous devez prendre en compte toutes les options qui s’offrent à vous. Voici une liste de quelques fabricants d’adhésifs bien connus avec un lien vers leurs adhésifs thermoconducteurs.

Préparation de la surface pour une adhésion plus résistante

 

Lors du choix d’un adhésif thermoconducteur, il est important de tenir compte de la préparation de la surface. Ce processus peut améliorer la résistance d’adhésion de plusieurs manières :

  • en veillant à ce qu’aucun contaminant n’interfère avec le processus de collage ;
  • en modifiant la rugosité de la surface afin de créer davantage de sites de collage ;
  • en modifiant la composition chimique de la surface du substrat afin de créer davantage de sites de collage.

Plusieurs méthodes permettent de préparer la surface : texturation laser, gravure chimique, abrasion mécanique ou traitement par plasma. Nos études ont montré que la texturation laser fournit de meilleurs résultats que les autres solutions.

Voici un exemple comparant la texturation laser et le sablage.

Dans le cadre de ce test, nous avons comparé l’effet des deux méthodes de préparation de la surface sur la résistance d’adhésion de la colle adhésive époxyde Loctite EA 9460.

Les résultats montrent que la texturation laser offre une adhésion plus résistante au cisaillement et à l’arrachement.

En cas de rupture de l’adhésif, la résistance d’adhésion supérieure permet une rupture cohésive au lieu d’une rupture d’adhésion. C’est la preuve d’une adhésion d’excellente qualité, car c’est l’adhésif (et non le joint) qui est responsable de la rupture.

Si vous souhaitez approfondir le sujet, consultez notre guide sur la façon de préparer une surface au collage par adhésif.

Sélection de la meilleure solution adhésive

Pendant votre recherche de l’adhésif idéal, gardez à l’esprit que vous devrez effectuer plusieurs tests pour déterminer celui qui répondra le mieux à vos besoins. Heureusement, nous pouvons vous aider.

Nos experts se tiennent à votre disposition pour vous aider à explorer la manière dont la préparation des surfaces au laser peut améliorer la résistance d’adhésion de vos adhésifs. Nous pouvons même collaborer avec votre fournisseur d’adhésifs pour rechercher la solution idéale.

Une bonne préparation des surfaces vous donne accès à une plus large gamme d’adhésifs qui ne seraient autrement pas suffisamment forts.

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Catherine Veilleux

Catherine holds a bachelor’s degree in Engineering Physics and a master's degree in Physics. She completed her master’s in partnership with Laserax to develop industrial solutions for the laser texturing of metallic surfaces. She is now the Applications Lab Supervisor at Laserax, where she oversees the team that tests and optimizes laser processes for clients.