L’aluminium pur présente une conductivité thermique d’environ 235–237 W/m·K près de la température ambiante, soit approximativement 136–137 Btu/(h·ft·°F).
La valeur de 237 W/m·K, souvent citée, s’applique à l’aluminium pur. La plupart des pièces techniques utilisent des alliages dont la conductivité est plus faible. Par exemple, le 6061-T6 est couramment donné à environ 167 W/m·K à 20 °C.
La valeur de calcul correcte dépend de l’alliage, de l’état métallurgique, de la température et de la forme du produit.
Conductivité thermique de l’aluminium par alliage
Le tableau présente des valeurs représentatives à température ambiante. Il s’agit de valeurs de référence et non de limites garanties du matériau.
| Matériau en aluminium | État métallurgique ou condition | Conductivité thermique, W/m·K | Btu/(h·ft·°F) | Interprétation pratique |
|---|---|---|---|---|
| Aluminium pur | Près de la température ambiante | 235–237 | 135.8–136.9 | Valeur de référence la plus élevée du tableau |
| 1100 | Ajustement NIST représentatif à 293 K | ≈212 | ≈122.5 | Nuance commerciale de haute pureté |
| 3003 | O | 193 | 111.5 | Bonne conductivité et bonne aptitude au formage |
| 5052 | O | 138 | 79.7 | Alliage de tôle résistant à la corrosion |
| 6061 | T6/T651 | 167 | 96.5 | Alliage courant pour structures et pièces usinées |
| 6063 | T6 | ≈200 | ≈115.6 | Alliage extrudé courant pour dissipateurs thermiques |
| 7075 | T6 | 130 | 75.1 | Haute résistance, conductivité plus faible |
Interprétez le tableau en tenant compte des limites suivantes des sources :
- Le résultat pour le 1100 est calculé à partir d’un ancien ajustement de courbe du NIST. Son équation couvre la plage de 4 à 300 K.
- Le NIST indique que les deux pages consacrées aux alliages sont anciennes et ne sont plus mises à jour. Il annonce une erreur d’ajustement de 2 % pour le 1100 et de 0,5 % pour le 6061-T6.
- Ces pourcentages décrivent l’adéquation de chaque équation à ses données sources. Ils ne constituent ni des plages de variabilité du matériau ni des tolérances de conception.
Utilisez le tableau pour les comparaisons et les premiers calculs. Pour la validation finale, utilisez les données d’essai matière certifiées par le fournisseur.
Pourquoi les valeurs publiées pour l’aluminium diffèrent-elles ?
L’aluminium pur conduit principalement la chaleur grâce aux électrons mobiles. Les atomes d’alliage perturbent le réseau cristallin et diffusent ces électrons.
L’effet dépend de chaque élément et de son état. Les atomes d’alliage dissous réduisent généralement davantage la conductivité que les atomes précipités. Un traitement thermique peut donc modifier la conductivité sans changer la désignation de l’alliage.
L’état métallurgique est important pour la même raison. Les données Kaiser pour le 6061 indiquent 180 W/m·K à l’état O et 167 W/m·K à l’état T6/T651. Résistance mécanique et conductivité impliquent souvent un compromis.
Des sources valides peuvent néanmoins diverger. L’équation NIST du 6061-T6 donne environ 154 W/m·K à 293 K, tandis que Kaiser indique 167 W/m·K à 20 °C.
Cette différence peut provenir des jeux de données, des formes de produits ou des hypothèses d’essai. Considérez 154 et 167 comme des cas de comparaison entre sources, et non comme des bornes d’incertitude.
Utilisez-les uniquement pour une première analyse de sensibilité lorsque des données correspondant à la forme du produit ne sont pas disponibles. Les données certifiées du projet doivent définir les limites de conception.
La réponse à la température dépend de la nuance. L’ajustement NIST du 6061-T6 varie fortement entre 77 et 293 K, passant d’environ 84 à 154 W/m·K.
L’ajustement NIST du 1100 évolue dans le sens opposé. Sur le même intervalle, il diminue d’environ 290 W/m·K à 212 W/m·K.
Ces données couvrent la plage allant des températures cryogéniques à la température ambiante. Elles ne permettent pas de prévoir le comportement au-dessus de la température ambiante.
Une revue critique publiée en 2025 synthétise des courbes dépendant de la nuance à des températures plus élevées. Utilisez un jeu de données dépendant de la température pour l’alliage et l’état exacts.
Conductivité thermique, chaleur massique et diffusivité thermique
Ces propriétés répondent à des questions thermiques différentes.
| Propriété | Symbole et unité | Ce qu’elle décrit |
|---|---|---|
| Conductivité thermique | k, W/(m·K) |
Flux de chaleur sous l’effet d’un gradient de température |
| Chaleur massique | cp, J/(kg·K) |
Énergie nécessaire pour modifier la température du matériau |
| Diffusivité thermique | α, m²/s |
Vitesse de réponse du champ de température |
La diffusivité thermique combine les trois propriétés du matériau : α = k/(ρcp). Une conductivité élevée ne signifie pas automatiquement une capacité thermique élevée.
Utilisez la chaleur massique de l’aluminium pour calculer l’énergie stockée ou un échauffement transitoire. Utilisez la conductivité pour un flux thermique permanent à travers une géométrie connue.
Comment calculer le flux de chaleur à travers l’aluminium
Pour une conduction unidimensionnelle en régime permanent, la loi de Fourier s’écrit :
Q = k × A × ΔT / L
La résistance thermique de conduction équivalente est :
Rcond = L / (k × A)
| Symbole | Signification | Unité SI |
|---|---|---|
Q |
Débit de transfert thermique | W |
k |
Conductivité thermique | W/(m·K) |
A |
Surface normale au flux de chaleur | m² |
ΔT |
Différence de température | K |
L |
Longueur du trajet thermique | m |
Les notes du MIT sur le transfert thermique donnent la même relation pour une paroi plane.
Considérons une plaque en 6061-T6 dont la source de chaleur couvre 25 × 25 mm. La plaque a une épaisseur de 5 mm et transmet 20 W.
Avec k = 167 W/(m·K) :
Rcond = 0.005/(167 × 0.000625) = 0.0479 K/W
ΔT = 20 × 0.0479 = 0.96 K
La chute de température idéale dans la masse est donc d’environ 0.96 K. Dans la même géométrie, l’aluminium pur donnerait environ 0.68 K.
Cette estimation exclut la résistance d’étalement, les interfaces, la convection, le rayonnement et l’échauffement non uniforme. Ces contributions peuvent dépasser la résistance de la plaque dans la masse.
Aluminium ou cuivre pour le transfert thermique
Le cuivre présente une conductivité d’environ 400 W/m·K à 295 K. L’aluminium est beaucoup plus léger.
| Contrainte | Cuivre | Aluminium |
|---|---|---|
| Épaisseur et surface identiques | Résistance de conduction plus faible | Résistance de conduction plus élevée |
| Masse identique | Volume disponible plus faible | Environ 3,3 fois plus de volume |
| Avantage de fabrication courant | Excellente diffusion de la chaleur | Faible masse et extrusion aisée |
Le tableau de référence du NIST indique 8.96 g/cm³ pour le cuivre et 2.70 g/cm³ pour l’aluminium. À géométrie égale, le cuivre transfère plus efficacement la chaleur dans le solide.
À masse égale, l’espace de conception change. L’aluminium peut offrir davantage de volume, de surface ou de longueur d’ailettes. Le résultat final dépend de la géométrie, du débit d’air, des interfaces et des contraintes de fabrication.
C’est pourquoi de nombreux dissipateurs utilisent des ailettes en aluminium avec une base en cuivre ou un caloduc. La conception attribue à chaque métal la fonction qui lui convient.
Pour comparer les coûts, comparez des ensembles livrés offrant les mêmes performances thermiques. Incluez la masse de métal, la forme du brut, la transformation, l’assemblage, la finition et la logistique.
Évitez d’appliquer un rapport fixe entre les prix des métaux bruts. Si le cuivre entraîne un surcoût dans le devis, quantifiez le gain de température, d’encombrement ou de masse qu’il procure.
Quels alliages d’aluminium conviennent aux pièces thermiques courantes ?
Utilisez ce tableau comme présélection. Avant le lancement en production série, le projet doit toutefois faire l’objet d’une validation par simulation et d’essais sur prototype.
| Pièce thermique | Point de départ | Points à vérifier avant le choix |
|---|---|---|
| Dissipateur extrudé refroidi par air | 6063-T5 ou T6 | Géométrie des ailettes, résistance, état métallurgique et finition |
| Plaque froide, base ou boîtier usiné | 6061-T6 | Conception des canaux, étanchéité, assemblage et données correspondant à la forme du brut |
| Radiateur ou échangeur thermique formé | 3003 dans l’état requis | Formage, brasage, corrosion et système de placage |
| Boîtier formé ou échangeur exposé à la corrosion | 5052 dans l’état requis | Conductivité plus faible, épaisseur de paroi et procédé d’assemblage |
| Structure thermique privilégiant la résistance | 7075-T6 | Vérifier si le gain de résistance justifie la conductivité plus faible |
| Diffuseur à haute conductivité | 1100 ou aluminium de haute pureté | Limites de résistance, d’assemblage et de fabrication |
Les données Hydro sur le 6063 citent les dissipateurs thermiques parmi les applications typiques. Les recommandations d’Hydro associent également les alliages 3003 et 3103 aux échangeurs thermiques et aux composants HVACR.
Le choix final dépend toujours du plan, des charges, de l’environnement, du procédé et des propriétés certifiées du brut.
Qu’est-ce qui modifie les performances thermiques d’une pièce réelle ?
Alliage et état métallurgique
La conductivité diminue lorsque les atomes en solution et les défauts diffusent les électrons. Le vieillissement peut modifier l’équilibre entre solutés et précipités. Le guide du site sur les états T5 et T6 explique ces parcours métallurgiques.
Forme du produit et transformation
Les plaques, extrusions, pièces forgées et pièces moulées peuvent présenter des microstructures différentes. La porosité de fonderie interrompt également les trajets thermiques. Dans la mesure du possible, utilisez des données correspondant au brut fourni.
Géométrie et interfaces
L’épaisseur, la surface de contact, la planéité et le matériau d’interface thermique influencent la résistance. La surface des ailettes et le débit d’air commandent le transfert vers le fluide environnant. La conductivité de la masse n’est qu’un terme parmi d’autres.
Anodisation et revêtements
L’oxyde anodique conduit moins bien la chaleur que le substrat en aluminium. Une face d’appui revêtue peut donc ajouter une résistance de contact.
La surface exposée peut se comporter différemment. L’anodisation peut augmenter l’émissivité et améliorer le transfert thermique par rayonnement. Son intérêt est plus important lorsque le rayonnement représente une part significative du refroidissement.
Une étude sur des dissipateurs refroidis par convection naturelle a montré que le résultat dépend des conditions de fonctionnement. Indiquez dans le modèle thermique le type et l’épaisseur du revêtement ainsi que le masquage des surfaces de contact. Pour la terminologie des finitions, consultez le guide de l’anodisation de type I, II et III.
Comment choisir une valeur pour la simulation ou la conception
- Identifiez l’alliage et l’état métallurgique exacts.
- Faites correspondre la valeur à la température de fonctionnement.
- Confirmez la forme du produit et la direction du matériau.
- Privilégiez les données gouvernementales, les normes ou les fiches techniques des producteurs.
- Vérifiez si la valeur a été mesurée ou calculée.
- Effectuez des analyses de sensibilité avec des valeurs basse, nominale et haute.
- Validez les assemblages critiques dans des conditions aux limites réalistes.
La norme ASTM E1461-13(2022) couvre la mesure de la diffusivité thermique par méthode flash. La conductivité peut ensuite être calculée à partir de la masse volumique et de la capacité thermique. La méthode et les données d’entrée doivent accompagner la valeur publiée.
À retenir
N’utilisez 235–237 W/m·K que pour l’aluminium pur près de la température ambiante. Pour les pièces commerciales, utilisez des données correspondant à la forme et à l’état du produit.
Modélisez ensuite séparément la géométrie, les interfaces, le débit d’air et l’état de surface. Confirmez ces paramètres avant de changer d’alliage.
