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  近日，西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院王爭(zhēng)東團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊在線發(fā)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(shè)備（尤其是功率半導(dǎo)體）需求的持續(xù)增長(zhǎng)，開發(fā)兼具優(yōu)異絕緣性能、導(dǎo)熱性和高溫穩(wěn)定性的先進(jìn)封裝材料已成為當(dāng)務(wù)之急。然而，如何同時(shí)提升導(dǎo)熱性與介電擊穿強(qiáng)度仍是重大挑戰(zhàn)。本研究通過(guò)構(gòu)建萘甲酸酐-聯(lián)苯復(fù)合物誘導(dǎo)出有序排列的親電環(huán)氧樹脂，成功制備了一系列分子有序的環(huán)氧/有機(jī)分子受體復(fù)合材料，顯著提升了介電擊穿強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。例如，僅在聯(lián)苯環(huán)氧單體中添加0.4 wt.%的萘甲酸酐，室溫下介電擊穿強(qiáng)度即提升11.3%。更值得關(guān)注的是，其200℃高溫下的介電擊穿強(qiáng)度僅比室溫時(shí)下降13.6%。此外，該環(huán)氧薄膜導(dǎo)熱系數(shù)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(chuàng)新且可規(guī)�；姆椒ǎ瑸樵O(shè)計(jì)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(shè)備的關(guān)鍵需求展現(xiàn)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(jié)構(gòu)與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖；環(huán)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(huán)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(lián)苯-聯(lián)苯共軛吸附模型；(b)聯(lián)苯-萘酚共軛吸附模型；(c)分子間距與共軛吸附能的模擬結(jié)果；(d)室溫下BGE-0和BGE-1模型的RDF波形圖；(e)473K時(shí)BGE-0和BGE-1模型的RDF波形圖；(f)BGE-0和BGE-1環(huán)氧樹脂薄膜的WAXS光譜曲線。

圖4 (a)環(huán)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(huán)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(cè)量值；(c)環(huán)氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA的高溫導(dǎo)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的自由體積數(shù)值；(g)BGE-0、BGE-0.4和BGE-0.7的局部放電監(jiān)測(cè)示意圖；(h)環(huán)氧樹脂薄膜在BGE體系中添加NTCDA后，在80kV/mm電場(chǎng)作用下的局部放電平均幅值。

圖5(a)BAE體系中含NTCDA的環(huán)氧樹脂薄膜熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率；(b)BGE體系中含NTCDA的環(huán)氧樹脂薄膜熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率；(c)BGE體系熱導(dǎo)率測(cè)試脈沖信號(hào)圖；(d)BGE體系熱導(dǎo)率測(cè)試閃點(diǎn)信號(hào)圖；(e)BGE-0與BGE-0.7的差示掃描量熱曲線；(f)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的BGE-0與BGE-0.7差示掃描量熱結(jié)果。

圖6 (a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)機(jī)械性能參數(shù)；(c)封裝前功率器件實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖；（e1）側(cè)邊封裝結(jié)構(gòu)示意圖；（e2）局部放大連接點(diǎn)示意圖；(f)BAE功率模塊在熱循環(huán)測(cè)試中的PDIV與PDEV數(shù)據(jù)；(g)BGE-0.4功率模塊在熱循環(huán)測(cè)試中的PDIV與PDEV數(shù)據(jù)；(h)室溫導(dǎo)熱系數(shù)與既往報(bào)告對(duì)比；(i)室溫下DBS性能提升與既往報(bào)告及本研究高溫DBS性能提升的對(duì)比。

  西安建筑科技大學(xué)2023級(jí)碩士研究生劉晨昕為本文的學(xué)生第一作者，王爭(zhēng)東副教授為本文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、電氣絕緣與電力設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目、陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)等基金項(xiàng)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

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