近年来，以旋翼无人机等为代表的微小型智能武器不断涌现，展现出隐蔽性好、机动性强、成本低等优势，逐渐成为世界军事强国竞相发展的关键技术之一。然而，随着微小型无人智能武器的系统算力呈指数增长，电子系统的发热量急剧增大，传统热导率较低的聚合物基板已难以满足服役要求，急需发展新型的高导热材料与结构。传统聚合物材料热导率低，难以满足高导热需求。目前常见的解决途径是在聚合物材料中添加陶瓷填料进一步提升热导率。然而由于陶瓷填料在聚合物基体中的分散状态不连续，导致热导率提升并不显著。
近日，我院何汝杰教授、李营教授等人在方岱宁院士“先进结构”思想的指导下，受树叶叶脉启发，开展了面向微小型无人系统高导热需求的仿叶脉陶瓷/聚合物复合结构的设计、3D打印与导热性能研究，取得了阶段进展。研究成果以“3D Printed Leaf-Vein-Like Al2O3/EP Biohybrid Structures with Enhanced Thermal Conductivity”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（https://doi.org/10.1021/acsami.4c14564）。
研究团队首先基于“先进结构”思想，通过拓扑优化设计了体积分数为20 vol.%、30 vol.%和40 vol.%的Al2O3陶瓷结构，接着，在光固化3D打印、烧结制造Al2O3结构的基础上，与EP（环氧树脂）复合获得了仿叶脉Al2O3/EP复合结构。
图1 仿叶脉Al2O3/EP复合结构的“先进结构”研究思路
图2仿叶脉Al2O3/EP复合结构的拓扑优化设计与3D打印
研究获得的仿叶脉Al2O3/EP复合结构的热导率高达14.65 W/m·K，较填料型复合材料提高269%、纯聚合物提高5585%，且具有良好的冷却循环性能、绝缘性和良好的散热性能。
图3 仿叶脉Al2O3/EP复合结构的导热性能测试
图4 仿叶脉Al2O3/EP复合结构的高导热性能
最后，研究团队对采用仿叶脉Al2O3/EP复合结构为基板的电子系统进行了比较实测，发现采用仿叶脉Al2O3/EP复合结构的系统工作温度最低，较传统聚合物材料温度降低超过20℃，且未出现明显的热量集中，散热效率最佳。
图5 仿叶脉Al2O3/EP复合结构电子系统实测
该研究为解决微小型无人系统的高导热需求提供了一定参考，同时仿生结构思路也可为其他高性能热防护材料与结构发展提供借鉴。