《Dielectric and thermal properties characterisation and evaluation of novel epoxy materials for high‐voltage power module packaging》
题目：高压功率模块封装用新型环氧树脂材料的介电和热性能表征和评价
作者：王争东，杨淦秋，曹晓龙，李梦力，张彤，刘晨昕，周远航，成永红
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随着电气设备逐渐向高电压、大功率、集成化等方向发展，设备在运行过程中产生的热量不断增加，极易引起设备温升过高，在长期电、热、机械应力等多因素作用下易引起聚合物电介质发生老化甚至击穿失效，进而影响设备的可靠性和使用寿命。尤其是目前广泛应用于特高压柔直电网和新能源汽车的高压大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT），由于其电压和功率的快速提升，使 IGBT内部绝缘易出现高温过热、击穿故障、材料开裂等问题。因此，亟需开发具有高热导率、高绝缘的耐热强韧电介质材料。本课题在国际上率先提出了制备具有高本征热导率、高绝缘的耐热强韧液晶交联网络结构材料的方法，为攻克聚合物材料“热导率和击穿场强”难以协同提升的矛盾难题提供了重要的研究思路。
本文提出了一种通过联苯环氧单体合成，以及固化剂分子结构和固化温度调控，构建可控液晶交联网络的方法，获得了均匀的向列相棒状液晶畴，重点研究了液晶有序结构和交联网络结构对材料热导率与电气绝缘特性的影响。
本研究采用“两步法”合成了联苯液晶环氧单体3,3,5,5-四甲基联苯双酚二甘醚(TMBP)，反应原理如图1所示。在此基础上，开展了固化剂分子结构和固化温度（如表1所示）对材料结构和性能的影响规律研究。研究发现，以4,4-二氨基二苯基甲烷（DDM）为固化剂，在105°C的预固化温度下，得到了均匀的向列相棒状液晶畴，其固化材料的光学照片和偏光显微图像如图2所示，分别表征了两个不同位置均显示出类似的向列相棒状液晶畴。
图1 液晶环氧树脂TMBP合成路线
表1 实验体系及参数
图2 向列相棒状液晶畴
如图3和图4所示，进一步研究了固化剂分子结构、不同固化剂共混比例和固化温度对热导率和电气绝缘特性的影响。研究发现，当固化剂为DDM，固化温度为预固化温度105℃、后固化温度160℃和200℃时，获得的固化材料热导率高达0.53 W/m·K；如图5所示，该材料展现出优异的电气绝缘特性。
图3 固化剂分子结构对热导率的影响
图4固化温度对热导率的影响
图5 不同固化体系的击穿场强
通过对联苯液晶环氧单体结构、固化剂分子结构、π - π 堆砌有序结构以及交联固化结构的分析和分子动力学模拟研究（如图6所示），发现TMBP和DDM具备构建液晶畴的条件，同时通过自由体积模拟得出TMBP和DDM的交联固化体系自由体积更低，上述发现解释了TMBP和DDM体系具备高热导率和优异电气绝缘特性的原因。
图6分子动力学仿真分析
本文提出了一种基于联苯环氧TMBP单体合成，固化剂分子结构与固化温度调控，构建高热导率和高击穿场强液晶交联网络的方法。其中以DDM为固化剂，在105°C的预固化温度下，实现了均匀的向列相棒状液晶畴构筑，获得的材料热导率高达0.53 W/m·K，击穿场强为57.69 kV/mm，与双酚a环氧相比分别提高了178%和16%。此外，该材料还具有较高的玻璃化转变温度（190℃）和高温绝缘特性，为电气装备灌封用高性能环氧树脂绝缘材料的研发提供了新思路。
Zhengdong Wang, Ganqiu Yang, Xiaolong Cao, Mengli Li, Tong Zhang, Chenxin Liu, Yuanhang Zhou, Yonghong Cheng: Dielectric and thermal properties characterisation and evaluation of novel epoxy materials for high-voltage power module packaging. High Voltage. 9(5), Pages 1021-1032(2024).
王争东，西安交通大学博士、克莱姆森大学联合培养博士，高层次引进人才D类，西安建筑科技大学副教授，陕西省优秀博士论文获得者（提名），以第一作者或通讯作者发表论文40余篇，其中20余篇为SCI一区和二区论文及高电压绝缘领域顶级期刊High Voltage和IEEE TDEI等，4篇为ESI高被引论文。主讲本科生课程高电压绝缘技术、电气工程前言讲座。主持国家自然科学基金青年项目、陕西省自然科学基金青年项目等纵向课题6项，其中国家级和省部级项目4项。Nature communication等期刊审稿人，申请及授权发明专利5项。
新能源电工材料与储能技术培育团队依托于耐磨材料与技术教育部工程研究中心、陕西省纳米材料与技术重点实验室、西安市清洁能源重点实验室，团队自2021年成立，研究方向为面向高压大功率电气装备用电工材料与储能关键技术，团队成员由王争东、王琼、王金凯、田向渝四位老师组成，目前团队成员主持在研国家自然科学基金项目3项、国防军工子课题1项、省部级项目多项，并且在期刊Advanced Materials、High Voltage、IEEE TDEI等期刊发表高水平论文多篇，且ESI高被引论文4篇，申请及授权发明专利10余项。
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