L'aluminium pur présente une conductivité thermique comprise entre 205 et 237 W/m·K, ce qui le place juste derrière l'argent et le cuivre parmi les métaux courants. Celle des alliages chute à environ 117–218 W/m·K. Mais ce classement n’est pas tout : à masse égale, l’aluminium transfère environ 1,4 fois plus de chaleur que le cuivre, ce qui explique pourquoi les dissipateurs thermiques, les plaques de refroidissement et les échangeurs de chaleur sont si souvent fabriqués à partir de ce matériau. Le choix repose sur trois critères : la valeur à votre température de fonctionnement, le compromis entre résistance mécanique et conductivité, et l’alliage adapté à l’application.
Pourquoi l'aluminium est-il un excellent conducteur thermique ?
Les métaux conduisent la chaleur principalement grâce aux électrons libres. Les électrons qui se déplacent à travers le réseau cristallin transportent la chaleur du côté chaud vers le côté froid ; moins ils subissent de collisions, meilleure est la conductivité du matériau. L’aluminium pur possède un réseau cristallin uniforme et très peu d’impuretés, de sorte que les électrons se déplacent presque sans obstacle et que sa conductivité thermique et électrique reste élevée. L'alliage modifie cette situation : les éléments dissous agissent comme des centres de diffusion, les électrons sont déviés de leur trajectoire et la conductivité diminue.
Comment les électrons libres transportent la chaleur
La conduction thermique et la conduction électrique font appel aux mêmes électrons libres ; elles évoluent donc généralement de front. L'aluminium pur atteint près de 237 W/m·K, soit environ 60% de cuivre. Il en découle une règle pratique : tout ajout qui dégrade considérablement la conductivité électrique de l'aluminium réduira sa conductivité thermique dans une proportion à peu près équivalente.
Conductivité thermique et diffusivité thermique
Ces deux valeurs répondent à des questions différentes. La conductivité thermique (k) indique la quantité de chaleur pouvant circuler en régime permanent — c’est la valeur à utiliser pour dimensionner un dissipateur thermique. La diffusivité thermique (α) indique la vitesse à laquelle une variation de température se propage — c’est-à-dire si la pièce se réchauffe de manière homogène ou présente des points chauds. La valeur α de l’aluminium est d’environ 91 mm²/s, soit un ordre de grandeur supérieur à celui de l’acier inoxydable ; c’est pourquoi les dissipateurs thermiques en aluminium chauffent rapidement et restent à une température homogène. Déterminez les dimensions en régime permanent à l’aide de k ; vérifiez la valeur α lorsque le temps de chauffe ou la présence de points chauds sont des facteurs importants.
Valeurs de conductivité thermique des différentes séries d'alliages d'aluminium
Les valeurs ci-dessous correspondent à des mesures en régime permanent à température ambiante (20-25 °C). L'unité W/m·K indique le nombre de watts qui traversent un cube de 1 m de matériau par degré de différence de température ; il faut s'attendre à un écart de quelques W/m·K entre les fiches techniques des fournisseurs et les données propres à chaque nuance.
Tableau de référence sur la conductivité thermique des alliages d'aluminium
| Matériau | Conductivité thermique (W/m·K) | Notes |
|---|---|---|
| Aluminium pur (série 1xxx) | 222-237 | 1 050 ≈ 229, 1 100 ≈ 222 ; meilleure conductivité, résistance la plus faible |
| 3003 (3xxx) | 163–193 | Alliage de manganèse ; résistance modérée avec une perte modérée |
| 5052/5083 (5xxx) | 117–200 | La conductivité diminue à mesure que la teneur en magnésium augmente ; bonne résistance à la corrosion |
| 6061-T6 (série 6xxx) | ≈ 167 | L'équilibre habituel entre force et conduction |
| 6063-T5 (série 6xxx) | 200–209 | Usage courant pour les ailettes de dissipateur thermique extrudées |
| 7075 (7xxx) | 125–157 | Résistance aérospatiale au coût de conductivité le plus élevé |
| Cuivre pur (référence) | 385–401 | Environ 60 à 70% de plus que l'aluminium |
| Acier inoxydable 304 (référence) | 14–25 | Seulement 1/10 à 1/15 de l'aluminium |
La série 1xxx offre la meilleure conductivité, mais elle est trop tendre pour les pièces structurelles ; la série 6xxx est moins conductrice, mais elle peut supporter des charges tout en dissipant la chaleur, ce qui explique pourquoi elle domine le marché des dissipateurs thermiques.
Comment la température influe sur les chiffres
La température est la valeur qu'on a le plus tendance à négliger. L'aluminium pur présente une conductivité thermique allant d'environ 236 W/m·K à 0 °C à 220 W/m·K à 527 °C ; cette valeur augmente avant de diminuer, puis chute brusquement à environ 92 W/m·K une fois l'aluminium fondu. Les données à température ambiante ne représentent que des valeurs en régime permanent entre 20 et 25 °C ; il convient donc de retenir la valeur correspondant à votre température de fonctionnement réelle.
Facteurs influençant la conductivité thermique des alliages d'aluminium
La composition de l'alliage et le traitement thermique déterminent la valeur d'une nuance donnée ; la température de fonctionnement détermine laquelle de ces valeurs s'applique. L'alliage permet de faire passer la conductivité thermique de l'aluminium pur, comprise entre 205 et 237 W/m·K, dans les plages caractéristiques de la série, tandis que le traitement thermique fait varier cette valeur au sein d'une même nuance.
Influence des éléments d'alliage sur la conductivité thermique
Les éléments d'alliage améliorent la résistance mécanique, la résistance à la corrosion ou l'aptitude au formage — et chacun d'entre eux réduit, dans une certaine mesure, la conductivité :
- Cuivre : gains importants en termes de résistance, au détriment de la conductivité réelle ; à la base des alliages 2xxx utilisés dans l'aérospatiale
- Silicium : bonne fluidité pour le moulage sous pression, mais réduit nettement la conductivité en solution
- Magnésium : résistance à la corrosion et soudabilité ; une teneur plus élevée entraîne une conductivité plus importante, et ce sont les nuances 5xxx à forte teneur en magnésium qui en pâtissent le plus
- Le zinc : à l'origine de la résistance des alliages de la série 7xxx et de la plus forte perte de conductivité
Cet effet est quantifiable : l'aluminium pur présente une conductivité thermique d'environ 237 W/m·K et l'alliage 6061-T6 d'environ 167, soit une différence d'environ 40%.
Comment le traitement thermique modifie la conductivité thermique
La conductivité thermique d'une même nuance varie en fonction de l'état de traitement : le 6061-O affiche une valeur d'environ 180 W/m·K et le 6061-T6 d'environ 167. « O » désigne l'état recuit ; les désignations T4/T5/T6/T7 correspondent à différents traitements de solution et de vieillissement, et l'état de précipitation qui en résulte modifie la conductivité. Veillez à toujours consulter les fiches techniques en tenant compte du suffixe indiquant l'état de traitement.
L'aluminium face au cuivre, à l'acier et à d'autres conducteurs thermiques
Parmi les métaux courants, l'argent arrive en tête avec environ 428 W/m·K, le cuivre se situe entre 385 et 401, l'aluminium entre 205 et 237, et l'acier inoxydable 304 seulement entre 14 et 25.
Quand le cuivre l'emporte sur l'aluminium
Le cuivre conduit environ 2,3 fois plus de chaleur que l’aluminium 6061 en régime permanent, ce qui en fait la solution idéale en cas de forte densité de puissance, dans des espaces restreints et sous un flux thermique élevé — dissipateurs minces, barres omnibus, plaques de base d’IGBT. En contrepartie, sa densité est bien supérieure à celle de l’aluminium et son prix est plus élevé. Lorsque ces deux matériaux sont associés, la solution hybride classique consiste en un corps en aluminium doté de tubes ou d’inserts en cuivre : le cuivre assure la conduction du flux thermique élevé, tandis que l’aluminium fournit la structure légère.
L'acier inoxydable 304 joue un rôle tout à fait différent : sa conductivité n'atteint que 1/10 à 1/15 de celle de l'aluminium, et acier est choisi pour sa résistance à la corrosion et sa solidité, et non pour sa conductivité.
À poids égal : l'aluminium l'emporte
Si l'on divise la conductivité par la densité, la situation s'inverse. Pour les conceptions où le poids et le coût sont des critères déterminants, comme les dissipateurs thermiques et les plaques de refroidissement, c'est cette comparaison qui importe :
| Matériau | Conductivité (W/m·K) | Densité (g/cm³) | k/ρ (W·cm³/(m·K·g)) | Fonction |
|---|---|---|---|---|
| Aluminium pur | 205–237 | 2.70 | 62–76 | Dissipateurs thermiques, plaques froides, échangeurs ; avantage en termes de poids |
| Cuivre | 385–401 | 8.96 | 43-45 | Applications à forte puissance et à espace restreint |
| Acier au carbone | 45–58 | 7.85 | 5,7–7,4 | Structures industrielles à faible coût |
| Acier inoxydable 304 | 14–25 | 8.00 | 1,9–3,8 | Résistance à la corrosion et résistance mécanique |
| Titane | ≈ 22 | 4.51 | 4.9 | Allègement des structures aérospatiales |
La conductivité spécifique de l'aluminium est environ 1,4 fois supérieure à celle du cuivre (62–76 contre 43–45).
Applications industrielles tirant parti des propriétés thermiques de l'aluminium
Les performances thermiques de l'aluminium se manifestent dans les domaines de l'échange thermique et du refroidissement, de l'électronique et de l'électricité, ainsi que de l'automobile et de l'aérospatiale ; le refroidissement des composants électroniques constitue sa principale catégorie d'application.
Échangeurs de chaleur et systèmes de refroidissement
Les échangeurs de chaleur à ailettes en plaque et à ailettes tubulaires utilisent de l’aluminium dans les secteurs du chauffage, de la ventilation et de la climatisation (CVC), de la réfrigération et des procédés industriels. Les radiateurs en aluminium 3003/4343 brasés ont largement remplacé les modèles en cuivre-laiton grâce à un poids inférieur de 40 à 50%, et la série 3xxx offre un bon équilibre entre la formabilité au brasage et la résistance à la corrosion pour les noyaux d'échangeurs de chaleur produits en grande série.
Applications électroniques et électriques
Le refroidissement des composants électroniques constitue le principal domaine d’application de l’aluminium : LED, serveurs, électronique automobile et équipements industriels, généralement avec l’alliage 6063-T5 ; les barres omnibus électriques utilisent l’alliage 6101-T6. L’aluminium l’emporte en termes de géométrie des ailettes extrudées et de conductivité spécifique (k/ρ, supérieure à celle du cuivre ; voir le tableau comparatif), mais la résistance totale du dissipateur thermique dépend autant de l’interface, de la surface des ailettes et du débit d’air que de la conductivité du matériau ; les conceptions à haute puissance intègrent souvent des caloducs ou des inserts en cuivre.
Automobile et aérospatiale
L'électronique automobile et la gestion thermique des batteries de véhicules électriques utilisent des plaques de refroidissement en aluminium, les alliages 6061-T6 et 6063-T6 offrant un bon équilibre entre résistance et poids. Dans le secteur aérospatial, les échangeurs de chaleur privilégient le poids au détriment de la conductivité, avec les alliages 2024-T3 et 7075-T6.
Conclusion
La procédure de sélection est simple : déterminer d'abord la température de fonctionnement et le flux thermique, puis les exigences mécaniques, avant de choisir la nuance en fonction de ses performances et de son coût. Tenez compte de la conductivité à la température réelle de service ; privilégiez le cuivre ou les alliages hybrides cuivre-aluminium pour les puissances élevées ; utilisez le 6061-T6 lorsque la pièce doit supporter une charge et le 6063-T5 ou le 1100 pour les pièces purement thermiques ; évitez les revêtements épais sur les chemins thermiques et comparez les fiches techniques en tenant compte des suffixes indiquant le recuit.
Si votre composant thermique doit être moulé ou usiné En ce qui concerne le volume, envoyez-nous le plan : nous évaluerons la qualité et le coût en fonction de vos besoins réels.
Questions fréquemment posées
Quelle est la conductivité thermique de l'aluminium ?
La conductivité thermique de l'aluminium pur est comprise entre 205 et 237 W/m·K ; celle des alliages courants varie entre environ 117 et 218 W/m·K, selon la nuance et l'état de traitement.
Quelle est la conductivité thermique de l'aluminium 6061 ?
La conductivité thermique du 6061-T6 est d'environ 167 W/m·K ; celle du 6063-T5, d'environ 200 à 209 W/m·K.
Quel matériau conduit mieux la chaleur : l'aluminium ou le cuivre ?
Le cuivre présente une conductivité 60–70% supérieure en régime permanent, mais, par unité de masse, l'aluminium dissipe environ 1,4 fois plus de chaleur.
Quel matériau conduit mieux la chaleur : l'aluminium ou l'acier inoxydable ?
L'aluminium présente une conductivité thermique 10 à 15 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable 304 (205–237 contre 14–25 W/m·K) ; l'acier inoxydable est choisi pour sa résistance à la corrosion et sa solidité, et non pour sa conductivité thermique.
Pourquoi les alliages d'aluminium conduisent-ils moins bien la chaleur que l'aluminium pur ?
Les éléments d'alliage se dissolvent dans le réseau cristallin et deviennent des centres de diffusion, ce qui réduit le libre parcours moyen des électrons libres. La série 1xxx présente des valeurs comprises entre 222 et 237 W/m·K ; la série 7xxx affiche quant à elle des valeurs comprises entre 125 et 157 W/m·K.
