Deux produits peuvent tous deux être décrits comme du diamant polycristallin et présenter des valeurs de conductivité thermique très différentes. Avant de comparer un nombre élevé avec une spécification de taillant PDC, identifiez le matériau qui se cache derrière : s'agit-il de PCD fritté par HPHT utilisé dans un taillant de forage, ou de diamant polycristallin CVD fabriqué sous forme de film ou de plaque ? Pour la conductivité thermique du diamant polycristallin, la voie de fabrication du matériau compte autant que le nombre.

Le PCD fritté et le diamant CVD sont des matériaux différents

La table de travail d'un taillant de forage PDC est généralement en PCD fritté par HPHT. Le flux de chaleur à travers celui-ci est affecté par la façon dont les grains de diamant se connectent, ainsi que par le cobalt résiduel et la porosité. Le diamant polycristallin CVD, en revanche, peut être produit sous forme de film mince, de couche plus épaisse, de dissipateur thermique ou d'une autre forme de plaque. Sa structure et son utilisation prévue diffèrent de celles du PCD fritté contenant du cobalt, de sorte que leurs valeurs rapportées ne sont pas interchangeables.

Les valeurs publiées ne sont pas un classement des performances

Les exemples publiés pour le PCD fritté utilisé dans les outils de forage et de coupe vont d'environ 120 à 560 W/(m·K). Des études ou des qualités individuelles rapportent des chiffres tels que 120, 300, 459, 543 et 560 W/(m·K). Ils proviennent de différents échantillons et applications ; en faire la moyenne ne produirait pas une spécification fixe pour un taillant commercial.

Le diamant polycristallin CVD de haute qualité peut dépasser 1 000 W/(m·K). Certaines qualités de gestion thermique de haute pureté ont rapporté des valeurs autour de 1 900–2 200 W/(m·K), tandis que les données CVD de qualité mécanique sont autour de 600–1 100 W/(m·K) à 300 K. Ces chiffres décrivent des matériaux CVD particuliers, et non une valeur par défaut pour le PCD de forage contenant du cobalt. Mettre les deux familles de matériaux dans un même tableau ne les rend pas directement comparables. Un résultat CVD élevé ne peut pas remplacer une mesure de la qualité PCD considérée.

La microstructure, la direction et la température changent le résultat

La conductivité thermique décrit la facilité avec laquelle un matériau transfère la chaleur sous un gradient de température et est généralement rapportée en W/(m·K). Dans le PCD fritté, les connexions grain à grain, le cobalt résiduel et les pores affectent tous ce chemin. Les joints de grains, les pores, le carbone non diamant et les impuretés dispersent les phonons. Un réseau de diamant continu favorise généralement le transfert de chaleur, tandis que des poches de cobalt plus grandes conduisent moins efficacement qu'un réseau de diamant de haute qualité.

La direction de mesure compte aussi. Le diamant CVD peut différer entre ses faces de nucléation et de croissance. Dans le PCD fritté, le flux de chaleur dans le plan et à travers l'épaisseur peut être affecté par la structure en couches, les interfaces et les contraintes résiduelles. La température modifie également le résultat ; au-dessus de la température ambiante, la conductivité thermique diminue généralement. Une valeur sans sa température de test et sa direction est donc difficile à interpréter.

La conductivité thermique n'est pas la diffusivité thermique

La méthode flash mesure généralement directement la diffusivité thermique, pas la conductivité thermique. Pour un matériau homogène, la conversion est :

Conductivité thermique = diffusivité thermique × masse volumique × capacité thermique massique

Deux échantillons avec la même diffusivité thermique peuvent donner des valeurs de conductivité différentes si leur masse volumique ou leur capacité thermique massique diffère. L'incertitude sur ces entrées se répercute également sur le résultat calculé. Une lecture de température de surface provenant d'une caméra thermique n'est pas non plus une mesure de conductivité thermique.

L'éprouvette d'essai compte. La méthode flash décrite dans l'ISO 18755 est destinée aux mesures de diffusivité thermique des céramiques monolithiques homogènes. Un PDC complet est un composite en couches, de sorte qu'un modèle monocouche ne peut pas lui être appliqué sans tenir compte de cette structure. Les tests peuvent utiliser un spécimen de PCD isolé, une approche d'inversion des couches ou un modèle composite qui spécifie la direction. Un rapport doit indiquer clairement s'il couvre le PCD monocouche, le PCD appauvri en cobalt, le diamant CVD ou un PDC complet, et indiquer la température de test, la direction du flux de chaleur et la méthode.

Une conductivité plus élevée ne garantit pas une zone de coupe plus froide

Une conductivité plus élevée peut aider à évacuer la chaleur du bord de travail, mais elle ne détermine pas à elle seule la température de la zone de coupe. La génération de chaleur, la zone de contact, la vitesse de coupe et les conditions de refroidissement affectent également la quantité de chaleur produite et évacuée. Dans un taillant PDC complet, la chaleur traverse la table PCD, l'interface, le substrat en carbure, le joint de brasure, le corps de l'outil et le fluide environnant ; les interfaces peuvent ajouter une résistance thermique.

La conductivité thermique et la stabilité thermique sont des propriétés différentes. La conductivité décrit le transfert de chaleur ; la stabilité doit être considérée avec la température, l'atmosphère, la durée et la charge impliquées. Pour un taillant de forage, la conductivité est une information utile sur le flux de chaleur—pas une prédiction autonome de la température de fonctionnement en fond de trou.