近日，西安建筑科技大學機電工程學院王爭東團隊在Advanced Functional Materials期刊在線發表題為《Molecularly Ordered Epoxy/Organic Acceptor Composites for Superior Thermal Transport and Electrical Insulation Performance》的研究論文。
隨著高性能電氣設備（尤其是功率半導體）需求的持續增長，開發兼具優異絕緣性能、導熱性和高溫穩定性的先進封裝材料已成為當務之急。然而，如何同時提升導熱性與介電擊穿強度仍是重大挑戰。本研究通過構建萘甲酸酐-聯苯復合物誘導出有序排列的親電環氧樹脂，成功制備了一系列分子有序的環氧/有機分子受體復合材料，顯著提升了介電擊穿強度和導熱性能。例如，僅在聯苯環氧單體中添加0.4 wt.%的萘甲酸酐，室溫下介電擊穿強度即提升11.3%。更值得關注的是，其200℃高溫下的介電擊穿強度僅比室溫時下降13.6%。此外，該環氧薄膜導熱系數提升至0.544 W/m K，較原始樣品提高近兩倍。本研究揭示了一種創新且可規模化的方法，為設計兼具卓越電熱性能的聚合物基封裝材料提供了新思路，為滿足極端工況下電氣設備的關鍵需求展現出廣闊前景。
圖1 (a) 梳形角X射線衍射（WAXD）圖譜中熔融混合物的一維衍射矢量分布；(b) TMBP+TMB+NTCDA（BGE）的二維WAXD圖譜；(c) 分子結構與交聯網絡示意圖；環氧樹脂薄膜的偏光顯微鏡（POM）圖像包括 (d) BGE-0薄膜，(e) BGE-0薄膜局部放大圖；(f) BGE-0.1薄膜；(g) BGE-0.4薄膜；(h) BGE-0.7薄膜；(i) BGE-1薄膜。
圖2(a)BGE中NTCDA、TMBP和TMB的FT-IR；(b)NTCDA、TMBP和TMB的能量水平和電子躍遷行為；(c)BGE-0.1、BGE-0.4和BGE-0.7的固化環氧樹脂薄膜的熒光特性曲線；(d)BGE溶劑中1wt% NTCDA的UV-Vis光譜；(e)BGE中NTCDA、TMBP和TMB的UV-Vis光譜。
圖3 (a)聯苯-聯苯共軛吸附模型；(b)聯苯-萘酚共軛吸附模型；(c)分子間距與共軛吸附能的模擬結果；(d)室溫下BGE-0和BGE-1模型的RDF波形圖；(e)473K時BGE-0和BGE-1模型的RDF波形圖；(f)BGE-0和BGE-1環氧樹脂薄膜的WAXS光譜曲線。
圖4 (a)環氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA的雙電層厚度（DBS）韋布爾圖；(b)環氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA的雙電層厚度（BDS）在30℃和200℃下的測量值；(c)環氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA的高溫導電特性曲線；(d)BGE-0的熱脫附譜（TSDC）擬合曲線；(e)BGE-0.7的熱脫附譜（TSDC）擬合曲線；(f)通過分子動力學模擬得到的自由體積數值；(g)BGE-0、BGE-0.4和BGE-0.7的局部放電監測示意圖；(h)環氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA后，在80kV/mm電場作用下的局部放電平均幅值。
圖5(a)BAE體系中含NTCDA的環氧樹脂薄膜熱導率與熱擴散率；(b)BGE體系中含NTCDA的環氧樹脂薄膜熱導率與熱擴散率；(c)BGE體系熱導率測試脈沖信號圖；(d)BGE體系熱導率測試閃點信號圖；(e)BGE-0與BGE-0.7的差示掃描量熱曲線；(f)通過分子動力學模擬獲得的BGE-0與BGE-0.7差示掃描量熱結果。
圖6 (a)應力-應變曲線；(b)機械性能參數；(c)封裝前功率器件實物照片；(d)局部放電初始電壓與熄滅電壓電路連接示意圖；(e)整體封裝結構示意圖；（e1）側邊封裝結構示意圖；（e2）局部放大連接點示意圖；(f)BAE功率模塊在熱循環測試中的PDIV與PDEV數據；(g)BGE-0.4功率模塊在熱循環測試中的PDIV與PDEV數據；(h)室溫導熱系數與既往報告對比；(i)室溫下DBS性能提升與既往報告及本研究高溫DBS性能提升的對比。
西安建筑科技大學2023級碩士研究生劉晨昕為本文的學生第一作者，王爭東副教授為本文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、電氣絕緣與電力設備國家重點實驗室開放項目、陜西省教育廳服務地方專項等基金項目的資助支持。
論文信息：
Zhengdong Wang*, Chenxin Liu, Xiaolong Cao, Bin Cheng, Jinkai Wang, Guotai Sun. Molecularly Ordered Epoxy/Organic Acceptor Composites for Superior Thermal Transport and Electrical Insulation Performance, Advanced Functional Materials, 2025, 10.1002/adfm.202516105
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202516105
下載：論文原文。
