人造復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于熱學、力學、生物化學、食品科學等各個領(lǐng)域。在熱管理領(lǐng)域，當聚合物用作熱界面材料（TIM）時，聚合物的應(yīng)用通常受到聚合物低導(dǎo)熱率（TC）的限制。目前，提高聚合物復(fù)合材料熱性能的常用策略是將各種特殊填料與聚合物直接共混，包括金屬或金屬氧化物、碳基填料等。除了填料的屬性外，聚合物復(fù)合材料的宏觀性能和功能還取決于填料在聚合物內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。下一代5G技術(shù)和軍事通信的發(fā)展給復(fù)合熱材料帶來了新的挑戰(zhàn)，除了高功率密度之外，芯片級熱量的空間分布也值得關(guān)注，現(xiàn)代芯片中的局部功能區(qū)域可能會產(chǎn)生“熱點”。因此，熱點產(chǎn)生的熱量需要通過有針對性的區(qū)域級熱通道快速擴散，然后通過散熱器散發(fā)到環(huán)境中，沿著特定方向提升熱性能并不能很好地解決這個問題。因此，需要控制導(dǎo)熱填料以形成特殊的微結(jié)構(gòu)以適應(yīng)熱點的熱場。

華中科技大學熱封裝實驗室（TPL）團隊結(jié)合流體剪切力取向與真空抽濾法開發(fā)了流場驅(qū)動自組裝方法，通過該方法能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)熱填料在二維面內(nèi)的任意取向設(shè)計。TPL團隊利用該方法制備了具有輻射狀排列導(dǎo)熱填料的復(fù)合材料，顯著提升了針對熱點問題的散熱效率。此外，為實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)取向程度的定量評估，TPL團隊開發(fā)了一種基于微觀圖像識別的取向度評估方法，該方法具有廣泛適用性。TPL團隊利用該評估方法為流場驅(qū)動的自組裝方法的實驗參數(shù)選取提供了重要依據(jù)。

（1）流場驅(qū)動的自組裝方法

不同于傳統(tǒng)的真空抽濾裝置，流場驅(qū)動的自組裝在上燒瓶上設(shè)計了一個導(dǎo)流板，控制濾膜上方的流體流動，形成特殊的流場，在剪切力的作用下驅(qū)動碳纖維（CFs）沿流線排列，結(jié)合真空過濾， CFs被阻擋并沉積在濾膜上，當液體流過濾膜時，CFs保持規(guī)則和特殊的排列，形成自組裝過程。在本研究中，作者通過設(shè)計導(dǎo)流板使得濾膜上方液體形成擴散流，從而驅(qū)動導(dǎo)熱填料形成輻射狀排列。

（2）基于微觀圖像識別的取向度評估方法

為了定量評估取向程度，作者提出了一種基于微觀圖像識別的取向度評估方法。在該評價方法中，垂直方向的取向度（V-ORI）用于評價CFs的取向與垂直方向的接近程度。首先，對初始SEM圖像進行邊緣提取、平滑和二值化處理，得到二值圖像（實際上是一個包含白色像素和黑色像素的像素矩陣）。當CFs越接近垂直方向時，垂直方向上連續(xù)的白色像素越多，這與水平方向相似。根據(jù)這一規(guī)律，提出了計算ORI的算法。

在該研究中Ra/0.45/5-復(fù)合材料出現(xiàn)了明顯的邊界，為了解釋分離現(xiàn)象，進行了真空過濾的有限元模擬（FES）。在自組裝過程中，由于規(guī)則的流線，層流將驅(qū)動CFs形成組織良好的結(jié)構(gòu)。反之，湍流會因為無序流動而造成混亂。隨著孔徑的減小，流速逐漸增大，有序區(qū)域逐漸縮小，邊緣開始變得無序。如圖4（c）所示，流線從中心點開始，到邊緣結(jié)束，這意味著流體進入孔并通過濾膜離開。圖4（f）中的流場被一個邊界分為兩部分，在中心區(qū)域，仍然保持擴散流，流線從中心點開始。然而，擴散流的流線在邊界處結(jié)束。在流域邊緣，流線不是直接消失，而是在碰撞到邊緣時回流。這種現(xiàn)象的原因是較大的面內(nèi)速度使從中心到邊緣的時間減少，對于較小的孔徑，流體不足以快速通過濾膜向下流動，導(dǎo)致流體在邊緣回流，回流和來流相互碰撞，形成具有明顯邊界的復(fù)雜流。

所制備的Ra/0.80/7-composite的面內(nèi)TC達到35.5W/（m·K），是Ro/0.45/blank-composite的3.5倍，是純PDMS的236倍,導(dǎo)熱系數(shù)各向異性達到19.8。這些提升歸因于CFs的更高質(zhì)量分數(shù)和 Ra/0.80/7 復(fù)合材料的優(yōu)異取向。

此外，真空過濾法和流體控制法相結(jié)合的自組裝方法，不僅可以用于局部熱點的散熱，還可以適應(yīng)任意形狀的熱源。如圖7（f）所示，“H”、“U”、“S”、“T”的特殊流場是通過加工相應(yīng)字形的孔來設(shè)計的。理論上，對于特殊形狀的熱源，可以設(shè)計任意二維形狀的排列方式。除了熱點問題，徑向結(jié)構(gòu)也有可能應(yīng)用于太陽能-熱-電轉(zhuǎn)換，因為這種特殊的結(jié)構(gòu)有助于吸收集中的太陽能并傳遞熱量。當在復(fù)合材料中加入相變材料 (PCM) 時，熱量會迅速傳播并大量吸收。因此，在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計下，流場驅(qū)動自組裝方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

TPL團隊開發(fā)了一種結(jié)合流體剪切力控制和真空抽濾控制的填料取向控制方法，并成功制備了具有輻射狀取向的CFs的復(fù)合材料。同時，開發(fā)了一種基于微觀圖像識別的取向度評估方法，通過對真空過濾的流場進行了模擬和分析，揭示了在流場驅(qū)動下填料的潛在取向機制。所制備的復(fù)合材料具有35.5W/（m·K）的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和19.8的各向異性度。Ra/0.80/7-復(fù)合材料的徑向結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于熱點時實現(xiàn)了快速均勻的徑向傳熱，并得到了實驗結(jié)果的驗證。Ra/0.80/7-復(fù)合材料展示了徑向取向復(fù)合材料在散熱系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景。此外，這種流場驅(qū)動的自組裝方法為任意二維形狀的排列提供了可能，在熱界面材料和太陽能-熱-電轉(zhuǎn)換方面也具有巨大潛力。