人造复合材料已广泛应用于热学、力学、生物化学、食品科学等各个领域。在热管理领域，当聚合物用作热界面材料（TIM）时，聚合物的应用通常受到聚合物低导热率（TC）的限制。目前，提高聚合物复合材料热性能的常用策略是将各种特殊填料与聚合物直接共混，包括金属或金属氧化物、碳基填料等。除了填料的属性外，聚合物复合材料的宏观性能和功能还取决于填料在聚合物内部的微观结构。下一代5G技术和军事通信的发展给复合热材料带来了新的挑战，除了高功率密度之外，芯片级热量的空间分布也值得关注，现代芯片中的局部功能区域可能会产生“热点”。因此，热点产生的热量需要通过有针对性的区域级热通道快速扩散，然后通过散热器散发到环境中，沿着特定方向提升热性能并不能很好地解决这个问题。因此，需要控制导热填料以形成特殊的微结构以适应热点的热场。

华中科技大学热封装实验室（TPL）团队结合流体剪切力取向与真空抽滤法开发了流场驱动自组装方法，通过该方法能够实现导热填料在二维面内的任意取向设计。TPL团队利用该方法制备了具有辐射状排列导热填料的复合材料，显著提升了针对热点问题的散热效率。此外，为实现对微观结构取向程度的定量评估，TPL团队开发了一种基于微观图像识别的取向度评估方法，该方法具有广泛适用性。TPL团队利用该评估方法为流场驱动的自组装方法的实验参数选取提供了重要依据。

（1）流场驱动的自组装方法

不同于传统的真空抽滤装置，流场驱动的自组装在上烧瓶上设计了一个导流板，控制滤膜上方的流体流动，形成特殊的流场，在剪切力的作用下驱动碳纤维（CFs）沿流线排列，结合真空过滤， CFs被阻挡并沉积在滤膜上，当液体流过滤膜时，CFs保持规则和特殊的排列，形成自组装过程。在本研究中，作者通过设计导流板使得滤膜上方液体形成扩散流，从而驱动导热填料形成辐射状排列。

（2）基于微观图像识别的取向度评估方法

为了定量评估取向程度，作者提出了一种基于微观图像识别的取向度评估方法。在该评价方法中，垂直方向的取向度（V-ORI）用于评价CFs的取向与垂直方向的接近程度。首先，对初始SEM图像进行边缘提取、平滑和二值化处理，得到二值图像（实际上是一个包含白色像素和黑色像素的像素矩阵）。当CFs越接近垂直方向时，垂直方向上连续的白色像素越多，这与水平方向相似。根据这一规律，提出了计算ORI的算法。

在该研究中Ra/0.45/5-复合材料出现了明显的边界，为了解释分离现象，进行了真空过滤的有限元模拟（FES）。在自组装过程中，由于规则的流线，层流将驱动CFs形成组织良好的结构。反之，湍流会因为无序流动而造成混乱。随着孔径的减小，流速逐渐增大，有序区域逐渐缩小，边缘开始变得无序。如图4（c）所示，流线从中心点开始，到边缘结束，这意味着流体进入孔并通过滤膜离开。图4（f）中的流场被一个边界分为两部分，在中心区域，仍然保持扩散流，流线从中心点开始。然而，扩散流的流线在边界处结束。在流域边缘，流线不是直接消失，而是在碰撞到边缘时回流。这种现象的原因是较大的面内速度使从中心到边缘的时间减少，对于较小的孔径，流体不足以快速通过滤膜向下流动，导致流体在边缘回流，回流和来流相互碰撞，形成具有明显边界的复杂流。

所制备的Ra/0.80/7-composite的面内TC达到35.5W/（m·K），是Ro/0.45/blank-composite的3.5倍，是纯PDMS的236倍,导热系数各向异性达到19.8。这些提升归因于CFs的更高质量分数和 Ra/0.80/7 复合材料的优异取向。

此外，真空过滤法和流体控制法相结合的自组装方法，不仅可以用于局部热点的散热，还可以适应任意形状的热源。如图7（f）所示，“H”、“U”、“S”、“T”的特殊流场是通过加工相应字形的孔来设计的。理论上，对于特殊形状的热源，可以设计任意二维形状的排列方式。除了热点问题，径向结构也有可能应用于太阳能-热-电转换，因为这种特殊的结构有助于吸收集中的太阳能并传递热量。当在复合材料中加入相变材料 (PCM) 时，热量会迅速传播并大量吸收。因此，在合理的结构设计下，流场驱动自组装方法具有广阔的应用前景。

TPL团队开发了一种结合流体剪切力控制和真空抽滤控制的填料取向控制方法，并成功制备了具有辐射状取向的CFs的复合材料。同时，开发了一种基于微观图像识别的取向度评估方法，通过对真空过滤的流场进行了模拟和分析，揭示了在流场驱动下填料的潜在取向机制。所制备的复合材料具有35.5W/（m·K）的面内导热系数和19.8的各向异性度。Ra/0.80/7-复合材料的径向结构在应用于热点时实现了快速均匀的径向传热，并得到了实验结果的验证。Ra/0.80/7-复合材料展示了径向取向复合材料在散热系统中的广泛应用前景。此外，这种流场驱动的自组装方法为任意二维形状的排列提供了可能，在热界面材料和太阳能-热-电转换方面也具有巨大潜力。