生物启发的高导热毛细管架构共创：为高效散热带来新曙光

该研究合成了具有超高导热率的仿生 Cu - 金刚石复合材料（TC），并构建了分级微通道结构。其毛细管速度达 134.9mm/s，远超自然记录。这种材料在散热测试中表现优异，有望为高功率密度系统散热提供创新方案。

　　

研究背景

在众多人类活动中，热管理至关重要。随着科技发展，像高集成电子设备、新能源和航空航天设施等先进人工系统，其性能不断提升，工作条件愈发极端，系统的功率和热密度迅速增加，冷却问题成为限制系统发展的关键因素。与此同时，轻量化需求限制了辅助冷却设备的使用空间。

传统上，利用金属物质（如铜，导热率为 400W/(m?K)）的高效导热性是高功率密度产品的常用冷却方案，在热通量低于 500W/cm2 时效果显著。但对于下一代工业产品，要求能及时消散高达 1000W/cm2 的热通量，因此开发更高导热率的新材料迫在眉睫。

在众多被研究的材料中，Cu - 金刚石复合材料因成本效益高、机械性能好和工业可扩展性强等优势，成为极具潜力的选择。此前，人们尝试了多种方法来合成该复合材料，如高压烧结、热压烧结、火花等离子烧结、渗透和电沉积等，也致力于改善铜与金刚石的结合界面以提高导热率。然而，若仅依靠空气对流散热，Cu - 金刚石复合材料的散热速率远远不够。而沸腾 / 蒸发等相变化过程能快速散热，其最大热通量可达 1.5kW/cm2，比空气对流高两个数量级。但实现复合材料高导热率与沸腾 / 蒸发过程的耦合面临挑战，其中之一是解决复合材料中金刚石固有疏水性与结构可持续沸腾 / 蒸发所需亲水性之间的矛盾。

研究方法

1. 制备 Cu - 金刚石复合材料：采用基于金刚石晶种的电沉积方法，将预种的金刚石颗粒固定在阴极有效生长区域，通过控制电流密度（10 - 15mA/cm2）在 25°C 的电解液中进行电沉积。为确保添加剂有效竞争，控制添加剂浓度（DVF-B＞5mL/L，DVF-C = 5 - 14mL/L），并定期清洗阴极以去除添加剂积累。经过 96 - 120h，生长出 0.9 - 1.1mm 厚的沉积层，使金刚石颗粒完全嵌入。
2. 构建仿生超亲水分级微通道：利用紫外纳秒脉冲激光在 Cu - 金刚石复合材料表面直接扫描制造仿生分级微通道。设置激光扫描间隔为 33μm，扫描速度 500mm/s，重复频率 40kHz，平均输出功率约 3.35W，通过控制扫描路径和次数来调节微通道的宽度和深度。
3. 材料表征与性能测试：运用扫描电子显微镜（SEM）分析复合材料和微通道的形态，用聚焦离子束（FIB）观察铜与金刚石的结合情况，利用能量色散 X 射线光谱（EDS）表征界面结构，借助 X 射线衍射（XRD）分析金刚石晶相。通过激光闪射分析仪（LFA 467）测量热扩散率，用高精度陶瓷孔隙率体积密度测试仪（QL-120C）测定密度，使用差示扫描量热仪（DSC 214）测量比热容量，进而计算复合材料的导热率。将带有仿生微通道的样品置于可调节倾斜平台，用高速相机记录液滴在微通道中的传输过程，通过 ImageJ 软件分析计算毛细管性能。搭建热管理实验系统，以陶瓷加热板加热，用 T 型热电偶监测样品表面温度变化，对比分析不同样品的散热性能。

实验结果

1. 界面结合与热导率：表面光滑的金刚石颗粒更易被电解液润湿，能促进金属离子扩散，形成紧密无孔隙的结合界面，有利于提高复合材料的热导率；而表面粗糙的金刚石颗粒，因其疏水性和表面微腔产生的拉普拉斯压力，阻碍液体渗透，导致界面出现微孔隙，降低热导率。通过优化添加剂浓度，制备出的 Cu - 金刚石复合材料具有良好的界面结合。例如，使用 483μm 的金刚石颗粒作增强体，在体积分数为 37% 时，导热率达 597.9W/(m?K)；体积分数提高到 50%，导热率为 601.7W/(m?K)。采用金刚石晶种电沉积法，使用 735μm 的金刚石颗粒，在体积分数仅 36.1% 时，单层复合材料的导热率高达 884.9W/(m?K)。综合多次测量，该复合材料的平均导热率为 688.8 ± 142.1W/(m?K)，且在相对较低的金刚石体积分数下达到较高导热率。对 735μm 金刚石增强的复合材料进行热循环测试（-20°C 至 120°C，100 次循环）后，其导热率仍保持在 670W/(m?K)，仅下降 12% ，显示出一定的热循环稳定性。但在高于 200°C 时，由于铜基体与金刚石颗粒热膨胀系数（CTE）不匹配，可能导致结合界面开裂，降低导热率。
2. 仿生微通道的毛细管性能：受猪笼草（Sarracenia）毛状体独特分级微通道结构启发，在 Cu - 金刚石复合材料表面构建的仿生分级微通道，其结构与猪笼草毛状体相似，且在铜基体和金刚石区域都成功构建。激光消融产生的微乳头、腔和狭缝增加了通道的超亲水性，提供了有效的成核位点，提高了毛细管性能。在不同表面倾斜度的液体传输测试中，该结构表现出快速的毛细管作用。在反重力条件下（倾斜角 60°），最大 Washburn 系数达到 44.7mm/s^0.5；水平放置时，Washburn 系数为 59.1mm/s^0.5 ，比之前报道的数据高 1.3 倍。瞬时毛细管速度达到 134.9mm/s，比自然界记录的猪笼草毛状体毛细管速度（11.7mm/s）提高了 1052.7% ，在已报道的结构中具有最高的 Washburn 系数。
3. 热管理性能：将 Cu - 金刚石复合材料的高导热率与高效相变化过程（如蒸发）相结合，能显著提升材料的冷却能力。仿生毛细管结构在反重力条件下，实现了高效的毛细管芯吸蒸发。在输入加热功率为 2W 时，与原始铜表面相比，温度下降了 15.5%；加热功率为 4W 时，温度下降幅度最大，达到 19.4%。在 6W 加热功率下，与铜表面的毛细管结构相比，Cu - 金刚石复合材料耦合毛细管结构显著改善了蒸发的热响应，响应时间缩短了 33.4%。随着加热功率增加，由于复合材料在较高温度下的增强热传导，其毛细管结构的温度开始低于铜毛细管结构。在 8W 加热功率下，复合材料毛细管结构的表面温度比铜毛细管结构低 8.34°C。

研究结论

本研究通过电沉积法合成了 Cu - 金刚石复合材料，解决了传统方法中金刚石颗粒悬浮导致的问题，实现了金刚石与铜基体的完美结合，在较低的金刚石体积分数（42.1% ± 3.2%）下获得了高达 688.8 ± 142.1W/(m?K) 的导热率。利用纳秒脉冲激光消融技术，在复合材料表面成功构建了具有优异毛细管性能的仿生分级微通道，其 Washburn 系数和瞬时速度远超自然记录，为持续蒸发或沸腾提供了有效的液体补充，增强了传热极限。Cu - 金刚石复合材料与仿生微通道结构的耦合，展现出卓越的热管理性能，在不同加热功率下，温度下降明显，热响应速度显著提升。这种功能结构的共创策略和耦合制造方法，为新型冷却技术的设计提供了更多可能性，有望在高功率密度系统的散热领域发挥重要作用，提升电子系统的稳定性和耐久性。