近日，西安建筑科技大学机电工程学院王争东团队在Advanced Functional Materials期刊在线发表题为《Molecularly Ordered Epoxy/Organic Acceptor Composites for Superior Thermal Transport and Electrical Insulation Performance》的研究论文。
随着高性能电气设备（尤其是功率半导体）需求的持续增长，开发兼具优异绝缘性能、导热性和高温稳定性的先进封装材料已成为当务之急。然而，如何同时提升导热性与介电击穿强度仍是重大挑战。本研究通过构建萘甲酸酐-联苯复合物诱导出有序排列的亲电环氧树脂，成功制备了一系列分子有序的环氧/有机分子受体复合材料，显著提升了介电击穿强度和导热性能。例如，仅在联苯环氧单体中添加0.4 wt.%的萘甲酸酐，室温下介电击穿强度即提升11.3%。更值得关注的是，其200℃高温下的介电击穿强度仅比室温时下降13.6%。此外，该环氧薄膜导热系数提升至0.544 W/m K，较原始样品提高近两倍。本研究揭示了一种创新且可规模化的方法，为设计兼具卓越电热性能的聚合物基封装材料提供了新思路，为满足极端工况下电气设备的关键需求展现出广阔前景。
图1 (a) 梳形角X射线衍射（WAXD）图谱中熔融混合物的一维衍射矢量分布；(b) TMBP+TMB+NTCDA（BGE）的二维WAXD图谱；(c) 分子结构与交联网络示意图；环氧树脂薄膜的偏光显微镜（POM）图像包括 (d) BGE-0薄膜，(e) BGE-0薄膜局部放大图；(f) BGE-0.1薄膜；(g) BGE-0.4薄膜；(h) BGE-0.7薄膜；(i) BGE-1薄膜。
图2(a)BGE中NTCDA、TMBP和TMB的FT-IR；(b)NTCDA、TMBP和TMB的能量水平和电子跃迁行为；(c)BGE-0.1、BGE-0.4和BGE-0.7的固化环氧树脂薄膜的荧光特性曲线；(d)BGE溶剂中1wt% NTCDA的UV-Vis光谱；(e)BGE中NTCDA、TMBP和TMB的UV-Vis光谱。
图3 (a)联苯-联苯共轭吸附模型；(b)联苯-萘酚共轭吸附模型；(c)分子间距与共轭吸附能的模拟结果；(d)室温下BGE-0和BGE-1模型的RDF波形图；(e)473K时BGE-0和BGE-1模型的RDF波形图；(f)BGE-0和BGE-1环氧树脂薄膜的WAXS光谱曲线。
图4 (a)环氧树脂薄膜在BGE体系中添加NTCDA的双电层厚度（DBS）韦布尔图；(b)环氧树脂薄膜在BGE体系中添加NTCDA的双电层厚度（BDS）在30℃和200℃下的测量值；(c)环氧树脂薄膜在BGE体系中添加NTCDA的高温导电特性曲线；(d)BGE-0的热脱附谱（TSDC）拟合曲线；(e)BGE-0.7的热脱附谱（TSDC）拟合曲线；(f)通过分子动力学模拟得到的自由体积数值；(g)BGE-0、BGE-0.4和BGE-0.7的局部放电监测示意图；(h)环氧树脂薄膜在BGE体系中添加NTCDA后，在80kV/mm电场作用下的局部放电平均幅值。
图5(a)BAE体系中含NTCDA的环氧树脂薄膜热导率与热扩散率；(b)BGE体系中含NTCDA的环氧树脂薄膜热导率与热扩散率；(c)BGE体系热导率测试脉冲信号图；(d)BGE体系热导率测试闪点信号图；(e)BGE-0与BGE-0.7的差示扫描量热曲线；(f)通过分子动力学模拟获得的BGE-0与BGE-0.7差示扫描量热结果。
图6 (a)应力-应变曲线；(b)机械性能参数；(c)封装前功率器件实物照片；(d)局部放电初始电压与熄灭电压电路连接示意图；(e)整体封装结构示意图；（e1）侧边封装结构示意图；（e2）局部放大连接点示意图；(f)BAE功率模块在热循环测试中的PDIV与PDEV数据；(g)BGE-0.4功率模块在热循环测试中的PDIV与PDEV数据；(h)室温导热系数与既往报告对比；(i)室温下DBS性能提升与既往报告及本研究高温DBS性能提升的对比。
西安建筑科技大学2023级硕士研究生刘晨昕为本文的学生第一作者，王争东副教授为本文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、电气绝缘与电力设备国家重点实验室开放项目、陕西省教育厅服务地方专项等基金项目的资助支持。
论文信息：
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
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202516105
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