一作兼通讯！西安建筑科技大学最新AFM：分子有序环氧复合材料实现高热导与高绝缘的协同提升

摘要：随着全球能源需求的持续增长，电力电子技术在各个领域的应用日益广泛，对高压、大功率设备中功率器件的需求显著增加。绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为关键功率半导体器件，因其高开关速度和高功率密度被广泛应用于电力传输、电机驱动和可再生能源领域。然而，随着IGBT器件功

随着全球能源需求的持续增长，电力电子技术在各个领域的应用日益广泛，对高压、大功率设备中功率器件的需求显著增加。绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为关键功率半导体器件，因其高开关速度和高功率密度被广泛应用于电力传输、电机驱动和可再生能源领域。然而，随着IGBT器件功率和工作电压的不断提高，其工作环境变得更为苛刻，对封装材料提出了更高要求——必须具备优异的电绝缘性能、高导热性和高温稳定性，以确保器件在高温、高压和高功率条件下的长期可靠运行。目前，同时提高材料的导热性能和击穿强度仍是一个巨大挑战。

近日，西安建筑科技大学王争东副教授课题组提出了一种创新策略：通过引入有机电子受体NTCDA（1,4,5,8-萘四甲酸二酐）诱导环氧树脂形成分子有序结构，从而同步提升其导热性与电绝缘性能。研究表明，仅添加0.4 wt.%的NTCDA即可使室温击穿强度提升11.3%，高温下性能保持稳定，同时导热系数提高约2倍，达到0.544 W·m⁻¹·K⁻¹。该研究为开发极端工况下高性能电子封装材料提供了新思路。相关论文以“Molecularly Ordered Epoxy/Organic Acceptor Composites for Superior Thermal Transport and Electrical Insulation Performance”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

研究团队通过溶剂辅助超声分散技术将NTCDA分子级分散于含介晶单元的环氧体系中。有趣的是，加入微量NTCDA后，混合溶液颜色由浅黄变为红褐甚至深绿，偏光显微镜下可见大量橙红色针状/棒状有序区域生成，表明NTCDA显著诱导了有序结构的形成。广角X射线衍射进一步证实，预固化后的薄膜在约20°处出现宽反射峰，表明形成了π–π堆叠的层状分子有序结构，小角区出现的各向异性峰也证明了优先取向的有序域存在。

图1. a) 熔融混合物的一维广角X射线衍射矢量图； b) TMBP+TMB+NTCDA(BCE)的二维WAXD图案； c) 分子结构与交联网络示意图； d) BCE-0薄膜的偏光显微镜图像； e) BCE-0薄膜的放大图像； f) BCE-0.1薄膜； g) BCE-0.4薄膜； h) BCE-0.7薄膜； i) BCE-1薄膜。

荧光测试与紫外光谱分析显示，NTCDA与富电子的TMBP/TMB之间形成电子给体-受体（EDA）复合物，在紫外光照射下发出明显绿色荧光，且荧光强度随NTCDA含量增加而增强。理论模拟表明，NTCDA的LUMO能级较低（-4.2 eV），而TMBP和TMB的HOMO能级较高（-3.7 和 -3.8 eV），满足电子自转移条件，促进EDA复合物形成，增强分子间作用力与共轭效应，从而诱导更紧密的分子堆叠。

图2. a) 熔融混合物的一维衍射矢量图； b) 能级图（LUMO与HOMO能级）； c) 分子结构与交联网络示意图； d) BCE-0薄膜的紫外-可见吸收光谱； e) 不同NTCDA含量样品的荧光光谱。

分子动力学模拟与径向分布函数分析表明，引入NTCDA后介晶单元间距减小，吸附能提高，分子排列更为紧密有序。宽角X射线散射结果进一步显示，BGE-1样品的分子间距从3.39 Å降至2.83 Å，证实NTCDA促进了更致密的分子排列，有利于声子传导和载流子束缚。

图3. a) 联苯-联苯共轭吸附模型； b) 联苯-萘共轭吸附模型； c) 分子间距与共轭吸附能模拟结果； d) BGE-0与BGE-1在室温下的径向分布函数图； e) BGE-0与BGE-1在473K下的径向分布函数图； f) BGE-0与BGE-1环氧薄膜的宽角X射线散射谱曲线。

在电绝缘性能方面，添加0.4 wt.% NTCDA的环氧薄膜（BGE-0.4）室温击穿强度达117.04 kV·mm⁻¹，较纯环氧提高11.28%；在200°C高温下仍保持101.18 kV·mm⁻¹，仅下降13.55%。热刺激去极化电流测试显示，NTCDA引入后陷阱能级从1.32 eV升高至2.68 eV，有效抑制了载流子的迁移与脱陷，降低了漏电流和局部放电强度。此外，自由体积模拟表明BGE-0.4的自由体积分数更低，进一步限制了电子迁移。

图4. a) BCE体系中含NTCDA环氧薄膜的击穿强度Weibull分布图； b) 30°C与200°C下击穿强度值； c) 高温电导率； d) BGE-0的热刺激去极化电流拟合曲线； e) BGE-0.7的热刺激去极化电流拟合曲线； f) 分子动力学模拟的自由体积分数； g) BGE-0、BGE-0.4与BGE-0.7的局部放电监测图； h) 在80 kV·mm⁻¹电场下环氧薄膜的平均局部放电幅值。

在热性能方面，NTCDA的引入显著提升了环氧材料的热导率。BGE-1和BGE-0.4的热导率分别达到0.544和0.383 W·m⁻¹·K⁻¹，较纯环氧提高95.7%和37.8。这种提升主要归因于NTCDA诱导形成的有序域为声子提供了快速传导路径。差示扫描量热分析显示，改性后的环氧材料具有更高的玻璃化转变温度（Tg > 210°C），进一步保障了高温下的结构与性能稳定性。

图5. a) BAE体系中含NTCDA环氧薄膜的热导率与热扩散系数； b) BGE体系中含NTCDA环氧薄膜的热导率与热扩散系数； c) BGE体系热导率测试的脉冲信号图； d) 热导率测试的闪光点信号图； e) BGE-0与BGE-0.7的DSC曲线； f) 通过分子动力学模拟的DSC结果。

力学性能测试表明，BGE-0.4在保持拉伸强度基本不变的同时，断裂伸长率显著提高，模量适度上升，表现出更好的韧性与抗应变能力。在实际封装测试中，BGE-0.4表现出优异的局部放电起始与熄灭电压，以及良好的热循环稳定性，显著优于商用双酚A环氧树脂。

图6. a) 应力-应变曲线； b) 力学性能汇总； c) 封装前的功率器件照片； d) 局部放电起始与熄灭电压的电路连接图； e) 整体封装照片；（e1）侧面封装照片；（e2）连接点局部放大图； f) BAE功率模块在热循环下的PDIV与PDEV； g) BGE-0.4功率模块在热循环下的PDIV与PDEV； h) 与以往报道的室温热导率对比； i) 与以往报道的室温击穿强度改善对比及本研究实现的高温击穿强度提升。

该研究通过引入NTCDA有机电子受体，成功实现了环氧树脂材料在电绝缘性、导热性、高温稳定性和力学性能方面的协同提升，为高性能电子封装材料的设计提供了新范式。其所提出的分子有序诱导策略不仅适用于环氧体系，还具有向其他聚合物材料推广的潜力，有望满足未来电力设备在极端环境下的可靠运行需求。