人造復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于熱學(xué)、力學(xué)、生物化學(xué)、食品科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。在熱管理領(lǐng)域，當(dāng)聚合物用作熱界面材料（TIM）時(shí)，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(lái)了新的挑戰(zhàn)，除了高功率密度之外，芯片級(jí)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(huì)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”。因此，熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)有針對(duì)性的區(qū)域級(jí)熱通道快速擴(kuò)散，然后通過(guò)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(gè)問(wèn)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(diǎn)的熱場(chǎng)。

華中科技大學(xué)熱封裝實(shí)驗(yàn)室（TPL）團(tuán)隊(duì)結(jié)合流體剪切力取向與真空抽濾法開發(fā)了流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自組裝方法，通過(guò)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(jì)。TPL團(tuán)隊(duì)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(duì)熱點(diǎn)問(wèn)題的散熱效率。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)取向程度的定量評(píng)估，TPL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于微觀圖像識(shí)別的取向度評(píng)估方法，該方法具有廣泛適用性。TPL團(tuán)隊(duì)利用該評(píng)估方法為流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自組裝方法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取提供了重要依據(jù)。

（1）流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自組裝方法

不同于傳統(tǒng)的真空抽濾裝置，流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自組裝在上燒瓶上設(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)流板，控制濾膜上方的流體流動(dòng)，形成特殊的流場(chǎng)，在剪切力的作用下驅(qū)動(dòng)碳纖維（CFs）沿流線排列，結(jié)合真空過(guò)濾， CFs被阻擋并沉積在濾膜上，當(dāng)液體流過(guò)濾膜時(shí)，CFs保持規(guī)則和特殊的排列，形成自組裝過(guò)程。在本研究中，作者通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)流板使得濾膜上方液體形成擴(kuò)散流，從而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱填料形成輻射狀排列。

（2）基于微觀圖像識(shí)別的取向度評(píng)估方法

為了定量評(píng)估取向程度，作者提出了一種基于微觀圖像識(shí)別的取向度評(píng)估方法。在該評(píng)價(jià)方法中，垂直方向的取向度（V-ORI）用于評(píng)價(jià)CFs的取向與垂直方向的接近程度。首先，對(duì)初始SEM圖像進(jìn)行邊緣提取、平滑和二值化處理，得到二值圖像（實(shí)際上是一個(gè)包含白色像素和黑色像素的像素矩陣）。當(dāng)CFs越接近垂直方向時(shí)，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(jì)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(jìn)行了真空過(guò)濾的有限元模擬（FES）。在自組裝過(guò)程中，由于規(guī)則的流線，層流將驅(qū)動(dòng)CFs形成組織良好的結(jié)構(gòu)。反之，湍流會(huì)因?yàn)闊o(wú)序流動(dòng)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(wú)序。如圖4（c）所示，流線從中心點(diǎn)開始，到邊緣結(jié)束，這意味著流體進(jìn)入孔并通過(guò)濾膜離開。圖4（f）中的流場(chǎng)被一個(gè)邊界分為兩部分，在中心區(qū)域，仍然保持?jǐn)U散流，流線從中心點(diǎn)開始。然而，擴(kuò)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(shí)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(shí)間減少，對(duì)于較小的孔徑，流體不足以快速通過(guò)濾膜向下流動(dòng)，導(dǎo)致流體在邊緣回流，回流和來(lái)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(dá)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(dá)到19.8。這些提升歸因于CFs的更高質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 Ra/0.80/7 復(fù)合材料的優(yōu)異取向。

此外，真空過(guò)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(diǎn)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(chǎng)是通過(guò)加工相應(yīng)字形的孔來(lái)設(shè)計(jì)的。理論上，對(duì)于特殊形狀的熱源，可以設(shè)計(jì)任意二維形狀的排列方式。除了熱點(diǎn)問(wèn)題，徑向結(jié)構(gòu)也有可能應(yīng)用于太陽(yáng)能-熱-電轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)有助于吸收集中的太陽(yáng)能并傳遞熱量。當(dāng)在復(fù)合材料中加入相變材料 (PCM) 時(shí)，熱量會(huì)迅速傳播并大量吸收。因此，在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自組裝方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

TPL團(tuán)隊(duì)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(shí)，開發(fā)了一種基于微觀圖像識(shí)別的取向度評(píng)估方法，通過(guò)對(duì)真空過(guò)濾的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬和分析，揭示了在流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下填料的潛在取向機(jī)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(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速均勻的徑向傳熱，并得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(yáng)能-熱-電轉(zhuǎn)換方面也具有巨大潛力。