Parois de domaines et transport thermique : une nouvelle voie pour contrôler la chaleur

Les matériaux isolants thermiques qui permettent de ralentir la transmission de la chaleur présentent de nombreuses applications allant des revêtements pour barrières thermiques à l'isolation de systèmes cryogéniques. Que ce soit pour des métaux, des oxydes, des matériaux carbonés ou bidimensionnels, la stratégie la plus courante pour réduire la conductivité thermique consiste à diminuer la taille des grains du matériau afin d'augmenter le nombre de joints de grains. En effet, les joints de grains sont connus pour agir comme des barrières à la propagation de la chaleur car ils augmentent la probabilité de diffusion des phonons, les ondes thermiques responsables du transport de la chaleur. 

Des scientifiques du laboratoire Matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies (GREMAN, CNRS/INSA Centre Val de Loire/Université de Tours) viennent d’observer l’effet inverse dans une céramique polycristalline ferroélectrique d'ErMnO₃ où la conductivité thermique augmente lorsqu’on diminue la taille des grains. Grâce à une étude fine de la microstructure de leurs céramiques, ils attribuent ce phénomène inhabituel au comportement ferroélectrique de ces céramiques. En effet, un matériau ferroélectrique est un matériau qui possède une polarisation électrique spontanée c’est-à-dire une séparation permanente, au sein du matériau, des charges électriques positives et négatives. Chaque grain des céramiques est constitué de plusieurs domaines ferroélectriques qui sont des zones où la polarisation électrique est orientée de manière uniforme. C’est aux interfaces entre ces domaines, appelées parois de domaines, là où la direction de la polarisation change, que se produit maintenant la diffusion des phonons. Les résultats de l’étude montrent que le nombre de parois de domaines est d’autant plus important que les grains de matière sont gros. Dans ce cas, il faut donc augmenter la taille des grains si l’on veut diminuer la conductivité thermique.

Des résultats, publiés dans la revue Advanced Science, qui ouvrent des perspectives pour l'ingénierie microstructurale des matériaux pour des applications de gestion thermique, en contrôlant simultanément les propriétés mécaniques, électriques et thermiques.

Ces travaux ont été co-financés par l’ERC DYNAMHEAT et menés en collaboration avec l’Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (Université de Reims), le Norwegian University of Science and Technology et l’Université d’Augsbourg.

Rédacteur : CCdM