近日，西安科技大学周文英教授团队在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Advances in Liquid Crystal Epoxy: Molecular Structures, Thermal Conductivity, and Promising Applications in Thermal Management”的研究型论文。
亮点 1. 分析了LCE的微结构及本征导热机制，归纳了基于不同结构液晶基元LCE在热管理应用方面的研究进展。
2. 重点阐述了LCE的结构-性能-应用三者间的关系，并说明了分子结构对热传导的影响。
3. 总结了当前LCE研究中的存在问题并展望了LCE的未来发展方向，及其在各行业中的潜在应用。
研究背景 近年来，微电子器件与电气绝缘设备不断趋于微型化发展，而传统导热环氧树脂复合材料因热导率（k）与介电性能和热机械性能间存在的联调矛盾，无法满足大功率、高频和高压绝缘封装应用不断增长的散热需求。液晶环氧树脂（LCE）是一种独特的环氧树脂，其通过介晶单元自组装形成有序结构，具有本征高k的特性。特殊的结构特性使LCE在保留环氧树脂有益物理性能的同时，又具有显著增强的k。因此，LCE已成为热管理的一种有前途的解决方案，具有解决阻碍微电子器件和电气设备日益小型化关键问题和技术瓶颈的潜力。
文章简读 本文从液晶环氧树脂（LCE）的分子结构和类型、固化剂、加工方法、决定导热系数的影响因素、界面协同效应、导热颗粒的选择以及LCE的导热机理等方面进行了全面综述。首先分析了LCE的微结构及本征导热机制，归纳了基于不同结构液晶基元LCE的研究进展。重点阐明了LCE热传导机制以及k与基于LC基元的固化环氧树脂网络有序结构间的关系。系统讨论了LCE及固化剂结构、温度、液晶基元及晶粒尺寸、外场辅助加工等因素对固化环氧本征k、介电、热和其他性能的影响。最后，文章回顾了当前LCE研究中的存在问题并展望了LCE的未来发展方向，及其在高频、高密度、微电子等领域可能带来的潜在应用。
图文赏析 ![]()
图1.本综述的研究内容概览
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图2. k及热传导影响因素。
固体材料中，热传递主要由电子或声子等热载体促进。与金属或碳材料相比，聚合物无自由电子，其热传导仅通过声子输运实现。声子是晶格振动的正模能量量子，也是绝缘材料的主要热能载体。具体而言，热传导在很大程度上取决于分子或原子在固定位置周围的热振动，热能依次传递到相邻的分子或原子。这个过程可概念化为弹簧-质点系统。
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图3.有序自组装结构域与无序固化网络之间的竞争性生长机制。
固化过程中自组装液晶的取向有序结构能否出现主要取决三方面因素：有无液晶基元、液晶单元长度、固化温度及时间。对含致晶基元环氧单体的固化过程经历两种竞争：(1) 致晶基元经π-π堆叠自组装生成取向有序结构；(2) 环氧和固化剂反应生成无序交联结构。因此，从自组装及固化反应过程和有序结构等方面看，LCE的导热率受温度、液晶基元含量及晶粒尺寸、外场作用及基底表面自由能等因素的影响。
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图4. LCE与导热粒子间构建导热通道的协同导热效应。
众所周知，聚合物基体的本征k是决定复合材料导热性能的关键因素。根据聚合物复合材料k的对数混合规律，在相同类型和浓度的高k填料的情况下，聚合物基体的固有k提高2-3倍，可使环氧树脂复合材料的k提高约6-10倍。LCE替代常规传统环氧，可有效解决平衡高k与低热机械性能的主要挑战。值得注意的是，LCE可在相对较低的填料浓度具有高k，同时保持所需的机械和介电性能，可用于高频和高性能微电子和高压电力设备的电子封装材料。
文章链接 ![]()
Wenying Zhou, Yun Wang, Fanrong Kong, Weiwei Peng, Yandong Wang, Mengxue Yuan, Xiaopeng Han, Xiangrong Liu and Bo Li. Advances in Liquid Crystal Epoxy: Molecular Structures, Thermal Conductivity, and Promising Applications in Thermal Management. Energy Environ. Mater. 2024. e12698 DOI: 10.1002/eem2.12698
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12698
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近日，西安科技大学周文英教授团队在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Advances in Liquid Crystal Epoxy: Molecular Structures, Thermal Conductivity, and Promising Applications in Thermal Management”的研究型论文。
1. 分析了LCE的微结构及本征导热机制，归纳了基于不同结构液晶基元LCE在热管理应用方面的研究进展。
2. 重点阐述了LCE的结构-性能-应用三者间的关系，并说明了分子结构对热传导的影响。
3. 总结了当前LCE研究中的存在问题并展望了LCE的未来发展方向，及其在各行业中的潜在应用。
近年来，微电子器件与电气绝缘设备不断趋于微型化发展，而传统导热环氧树脂复合材料因热导率（k）与介电性能和热机械性能间存在的联调矛盾，无法满足大功率、高频和高压绝缘封装应用不断增长的散热需求。液晶环氧树脂（LCE）是一种独特的环氧树脂，其通过介晶单元自组装形成有序结构，具有本征高k的特性。特殊的结构特性使LCE在保留环氧树脂有益物理性能的同时，又具有显著增强的k。因此，LCE已成为热管理的一种有前途的解决方案，具有解决阻碍微电子器件和电气设备日益小型化关键问题和技术瓶颈的潜力。
本文从液晶环氧树脂（LCE）的分子结构和类型、固化剂、加工方法、决定导热系数的影响因素、界面协同效应、导热颗粒的选择以及LCE的导热机理等方面进行了全面综述。首先分析了LCE的微结构及本征导热机制，归纳了基于不同结构液晶基元LCE的研究进展。重点阐明了LCE热传导机制以及k与基于LC基元的固化环氧树脂网络有序结构间的关系。系统讨论了LCE及固化剂结构、温度、液晶基元及晶粒尺寸、外场辅助加工等因素对固化环氧本征k、介电、热和其他性能的影响。最后，文章回顾了当前LCE研究中的存在问题并展望了LCE的未来发展方向，及其在高频、高密度、微电子等领域可能带来的潜在应用。
图1.本综述的研究内容概览
图2. k及热传导影响因素。
固体材料中，热传递主要由电子或声子等热载体促进。与金属或碳材料相比，聚合物无自由电子，其热传导仅通过声子输运实现。声子是晶格振动的正模能量量子，也是绝缘材料的主要热能载体。具体而言，热传导在很大程度上取决于分子或原子在固定位置周围的热振动，热能依次传递到相邻的分子或原子。这个过程可概念化为弹簧-质点系统。
图3.有序自组装结构域与无序固化网络之间的竞争性生长机制。
固化过程中自组装液晶的取向有序结构能否出现主要取决三方面因素：有无液晶基元、液晶单元长度、固化温度及时间。对含致晶基元环氧单体的固化过程经历两种竞争：(1) 致晶基元经π-π堆叠自组装生成取向有序结构；(2) 环氧和固化剂反应生成无序交联结构。因此，从自组装及固化反应过程和有序结构等方面看，LCE的导热率受温度、液晶基元含量及晶粒尺寸、外场作用及基底表面自由能等因素的影响。
图4. LCE与导热粒子间构建导热通道的协同导热效应。
众所周知，聚合物基体的本征k是决定复合材料导热性能的关键因素。根据聚合物复合材料k的对数混合规律，在相同类型和浓度的高k填料的情况下，聚合物基体的固有k提高2-3倍，可使环氧树脂复合材料的k提高约6-10倍。LCE替代常规传统环氧，可有效解决平衡高k与低热机械性能的主要挑战。值得注意的是，LCE可在相对较低的填料浓度具有高k，同时保持所需的机械和介电性能，可用于高频和高性能微电子和高压电力设备的电子封装材料。
Wenying Zhou, Yun Wang, Fanrong Kong, Weiwei Peng, Yandong Wang, Mengxue Yuan, Xiaopeng Han, Xiangrong Liu and Bo Li. Advances in Liquid Crystal Epoxy: Molecular Structures, Thermal Conductivity, and Promising Applications in Thermal Management. Energy Environ. Mater. 2024. e12698 DOI: 10.1002/eem2.12698
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作者简介 ![]()
西安科技大学：周文英
周文英，化学与化工学院专任教师，工学博士(后)，教授，博士生导师。化学学科高分子化学与物理学术带头人、校级先进电工材料研究中心主任。科技部、工信部重点研发计划与人才项目评审专家、国家自然基金委评审专家、教育部学位中心学位论文评审专家、陕西省国防科工局评审专家。担任中国复合材料学会介电高分子材料及应用专委员会委员、导热高分子材料专委会委员、矿物复合材料专委员会委员、陕西省化学会理事。国际期刊Nanomaterials Guest Editor, Inter. J. Mater. Sci.及Inter. J. Eng. Sci.期刊编委，《包装工程》编委。入列美国斯坦福大学与Elsevier2021-2022年全球2%顶尖科学家榜单（高分子领域）。目前的研究方向主要集中在先进电工材料技术、导热、介电和储能材料。
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西安科技大学：刘向荣
刘向荣，西安科技大学功能分子研究所所长、教授。2004 年于西北工业大学获得材料物理与化学博士学位。她曾作为BMBF访问学者在德国航空航天学院空间模拟研究所从事模拟空间条件下材料性能的研究。目前的研究方向主要集中在非常规条件下生物功能分子的合成和热力学研究。
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宾夕法尼亚州立大学：李博
李博，2016年于宾夕法尼亚州立大学获得材料科学与工程博士学位。他致力于探索聚合物和聚合物（纳米）复合材料的结构-性能关系，并理解和应用这些关系，以创新具有独特介电、压电、电、热和机械特性的新材料。
EEM ![]()
● 中科院一区、JCR Q1区、材料大类TOP期刊
● 高质量科技期刊材料科学综合类T1期刊
● 2023年IF 13.0
● SCIE、Scopus和EI数据库收录
● 中国核心引文库CSCD核心库来源期刊
● 2023中国最具国际影响力学术期刊
Energy & Environmental Materials
(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。
西安科技大学：周文英
周文英，化学与化工学院专任教师，工学博士(后)，教授，博士生导师。化学学科高分子化学与物理学术带头人、校级先进电工材料研究中心主任。科技部、工信部重点研发计划与人才项目评审专家、国家自然基金委评审专家、教育部学位中心学位论文评审专家、陕西省国防科工局评审专家。担任中国复合材料学会介电高分子材料及应用专委员会委员、导热高分子材料专委会委员、矿物复合材料专委员会委员、陕西省化学会理事。国际期刊Nanomaterials Guest Editor, Inter. J. Mater. Sci.及Inter. J. Eng. Sci.期刊编委，《包装工程》编委。入列美国斯坦福大学与Elsevier2021-2022年全球2%顶尖科学家榜单（高分子领域）。目前的研究方向主要集中在先进电工材料技术、导热、介电和储能材料。
西安科技大学：刘向荣
刘向荣，西安科技大学功能分子研究所所长、教授。2004 年于西北工业大学获得材料物理与化学博士学位。她曾作为BMBF访问学者在德国航空航天学院空间模拟研究所从事模拟空间条件下材料性能的研究。目前的研究方向主要集中在非常规条件下生物功能分子的合成和热力学研究。
宾夕法尼亚州立大学：李博
李博，2016年于宾夕法尼亚州立大学获得材料科学与工程博士学位。他致力于探索聚合物和聚合物（纳米）复合材料的结构-性能关系，并理解和应用这些关系，以创新具有独特介电、压电、电、热和机械特性的新材料。
● 中科院一区、JCR Q1区、材料大类TOP期刊
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● 2023年IF 13.0
● SCIE、Scopus和EI数据库收录
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● 2023中国最具国际影响力学术期刊
Energy & Environmental Materials
(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。
发展历程
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