（1）
摘要 高压大功率IGBT用灌封材料绝缘失效是制约其快速发展的关键因素之一。由两篇论文组成的系列论文旨在通过构建液晶畴的研究思路协同提升环氧绝缘灌封材料的导热、耐热和电气绝缘性能。该文是系列论文（二），对液晶环氧树脂的击穿特性、局部放电、陷阱能级和介电特性等进行了研究，研究结果表明，通过π-π自组装构筑的液晶畴可有效地降低环氧固化后的自由体积，进而抑制载流子迁移，与双酚A型环氧相比，展现出更高的击穿场强（126.72 kV/mm）和更低的局部放电量（1.37 pC）。热刺激去极化电流研究表明，该联苯环氧-联苯固化剂双液晶交联材料具备较高的陷阱能级，捕捉电子能力增强。此外，利用分子动力学模拟软件仿真计算了交联体系的自由体积、电场下均方位移、击穿场强等参数，并对材料的电气性能机理进行了分析。研究结果可为新型环氧树脂在高压大功率IGBT灌封绝缘材料领域的工程应用提供一定的参考。
关键词：绝缘灌封材料 联苯液晶环氧 联苯液晶固化剂 电气性能 分子动力学模拟
近年来，随着绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）向高电压、大功率方向发展，功率器件绝缘灌封设计受到了国内外研究学者的高度关注[1-2]。为保证功率模块可靠运行，灌封材料绝缘性能应满足未来功率器件的要求[3-4]。环氧树脂和有机硅凝胶是目前IGBT常用的灌封材料，相比于有机硅凝胶，传统双酚A型环氧在常温下具有更好的耐电压特性[5]，但当工作温度超过其玻璃化转变温度Tg时，其绝缘性能快速下降。同时传统环氧的热导率和Tg相对较低，长时间的高温工况环境易导致器件内部热量累积，使材料发生热老化和绝缘失效。目前研究聚焦于通过向环氧基体中填充高含量无机填料的手段来解决环氧热导率及耐热性能不佳的问题，但往往带来的是电气绝缘性能的牺牲，例如，Yao Tong等研究发现，向双酚A型环氧中填充氮化铝和氮化铝修饰的氮化硼后，击穿场强Eb分别下降42.3%和31.3%[6]；Wang Zhengdong等致力于通过调控氧化铝和氮化硼混合填料提升环氧的热导率，同时有效地控制了Eb的下降，但限于界面的影响，仍难以提高Eb[7]。虽然有机硅凝胶相比传统环氧具备优异的耐热性能和高温绝缘性能[8-9]，但也存在热导率低、灌封后需要环氧辅助机械支撑等问题。
因此，具有高绝缘、高导热、高耐热的灌封材料在高压大功率IGBT灌封领域有着巨大的应用前景。全有机液晶环氧因其独特的液晶自组装刚性有序结构，在理论上具备高热导率、高耐热、高绝缘性能，且在高温条件下的黏度很低，在未来高压大功率器件灌封领域的应用具有很大优势[10-12]。本论文重点研究了液晶环氧的电热性能，在本系列论文（一）中对试样的热性能进行了研究[13]，并发现联苯环氧和联苯胺固化剂双液晶单体材料能够有效地构建π-π自组装液晶畴结构，表现出极高的Tg（247℃）和较高的热导率（0.351 W/(m·K)），并且高Tg是理论上提升环氧高温电气绝缘特性的前提。因此，在本系列论文（二）中对液晶环氧材料的击穿特性、局部放电特性、介电性能及高温绝缘性能等进行了研究分析。
与传统环氧相比，液晶环氧得益于其液晶有序结构而备受关注。在液晶环氧电气性能研究方面，国内外学者开展了部分研究：Guo Huilong等合成了低介电常数的联苯型环氧树脂，得益于其有序性取向导致交联网络密度增加，相对介电常数在频率 1 MHz下仅为2.24，同时还表现出良好的疏水性[14]；龙云峰等利用静电纺丝技术制备了液晶环氧纤维薄膜，相对介电常数最高为2.34，工频下介质损耗因数仅为0.002，同时表现出了较大的电阻率（5.49×1015 Ω·cm）[15]。可以看出，目前国内外学者在其电气性能方面开展了一些研究，但总体仍处于初级阶段，同时对材料的耐热特性及高温绝缘性能研究较少。而本文针对高温工况下的IGBT器件灌封材料，首次提出利用联苯环氧和联苯胺固化剂双液晶单体π-π自组装液晶畴结构，制备高性能新型环氧材料。
根据系列论文（一）的研究，已发现通过联苯环氧和联苯胺固化剂可实现π-π自组装液晶畴结构的构筑，进而调控其热导率和耐热性能[13]。本文是系列论文的第二篇，对液晶环氧材料的电气性能进行了研究，尤其针对击穿特性、局部放电特性、介电特性及高温绝缘性能进行了重点研究，采用分子动力学手段对交联模型的击穿场强、自由体积、电场下均方位移（Mean Square Displacement, MSD）等参数进行仿真分析，并研究了液晶环氧的绝缘性能提升机理，最后综合系列论文（一）的结论，对试样的综合性能进行评价。本研究旨在开发高压大功率IGBT用高性能环氧材料，为其在未来功率器件中的应用提供一定的实用信息。
制备15组热固性液晶环氧树脂薄膜，试剂选择和制备流程详见系列论文（一）中的第1节[13]，此处不再赘述。在本文电气测试实验中，液晶环氧薄膜厚度均为(100±5) µm。
局部放电检测器（JFD-0125，高压）用于测量样品的局部放电量。使用宽带介电谱测试系统（Techologies Concept 80，Novocontrol）在频率10～106 Hz下测试样品的介电性能。样品在交流电场下的Eb由电压击穿测试仪（HCDJC-100kV，中国）在不同温度下进行测试，升压速率为0.2 kV/s。样品的热刺激去极化电流（Thermally Stimulated Depolarization Current, TSDC）在20～220℃的温度范围内测量（Concept 90，德国）。用场发射电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM，Zeiss GeminiSEM500）观察样品的断面形貌。模拟计算由Materials Studio 2020（MS, acceleys，美国）进行。
介电特征击穿场强Eb是高压电气设备可靠性评估的一个重要参数。高聚物的Eb不仅取决于自身结构，还随外部测试条件的变化而变化。例如，电极形式及尺寸、升压速率、外场频率、温度、试样厚度等都对Eb数值有影响[16-17]，因此必须严格规范实验条件，否则测试结果将无法直接对比。将本实验样品浸入变压器油进行测试，测试仪为柱板电极，电极直径为6 mm，电压源为50 Hz交流电压，升压速率为0.2 kV/s。由于Eb具有较大的分散性，因此采用双参数Weibull分布模型对实验数据进行处理，如式（1）所示。根据Weibull分布的累积概率函数，样品的击穿场强对应于63.2%累积概率处的击穿场强。
（1）
式中，P(E)为累积概率密度分布函数；E为实验击穿场强；Eb为特征击穿场强，表示累积概率为63.2%时的击穿场强；β为形状参数，表示击穿场强的变化幅度。
三个实验体系的击穿测试结果分别如图1、图2和图3所示，并总结各试样特征击穿场强和形状参数见表1。击穿试样微观形貌如图4左图所示。以TMB-5+试样为例，击穿孔中心区域被完全击穿剥离，沉积区出现明显的烧蚀痕迹，说明在击穿过程中产生大量焦耳热，热击穿的概率提高。击穿测试结果表明，TMB-5+实验组的Eb最高，可达126.72 kV/mm，较DDM-1的Eb（86.27 kV/mm）提高了约46.9%。从变化趋势上看，TMB体系的绝缘性能普遍高于DDM体系，而更高固化程度的TMB+体系的绝缘性能略高于TMB体系，且同体系下Eb值基本呈现随着3,3’,5,5’-四甲基联苯双酚二缩水甘油醚（TMBP）含量升高而提高的趋势。排除测试条件影响后，从多方面分析实验组Eb趋势的成因。
图1 DDM体系击穿测试结果
Fig.1 Test results of breakdown strength of DDM system
图2 TMB体系击穿测试结果
Fig.2 Test results of breakdown strength of TMB system
图3 TMB+体系击穿测试结果
Fig.3 Test results of breakdown strength of TMB+ system
表1 各试样的Eb和β
Tab.1 Summary of Eb and β of samples
体系样品Eb/(kV/mm)β DDM体系DDM-186.2719.24 DDM-288.7229.14 DDM-394.0113.63 DDM-4108.0441.84 DDM-5101.3618.42
（续）
体系样品Eb/(kV/mm)β TMB体系TMB-195.6110.17 TMB-297.7210.81 TMB-392.8624.48 TMB-4103.777.15 TMB-5113.9910.26 TMB+体系TMB-1+106.8913.69 TMB-2+103.119.31 TMB-3+114.6313.61 TMB-4+117.419.08 TMB-5+126.726.91
首先，根据如图5所示的自由体积模拟可知，TMB交联TMBP的模型的自由体积参数（17.3%）低于DDM交联BAE的模型（22.1%）和DDM交联TMBP的模型（19.0%）。聚合物中引入联苯基团本质上是引入大量的共轭大π键，使分子间能够诱发π-π作用力。π-π作用力是一种π电子云之间产生的弱引力，一旦电子云堆叠在一起，会使分子间形成一种紧密的层状结构，更低的自由体积参数得益于分子紧密的层状排列，并且已有研究表明，高结晶度常常伴随着更低的自由体积[18-21]。在系列论文（一）的偏光显微镜（Polarizing Optical Microscope, POM）观测中可以看到，TMB-5+的液晶畴密度最大[13]，也就是说，TMB-5+试样相对TMBP-TMB交联模型的自由体积会进一步降低，高浓度液晶畴降低自由体积示意图如图6所示。自由体积降低，电子自由程缩短，获得的能量减小，击穿场强提高。引入苯基不仅可以降低材料的自由体积，还可以提升材料捕获电子的能力[20]。如图6所示，在高电场下，电子不断积累能量而高速运动，苯基可以捕捉这种不断累积碰撞的电子，避免了电子在碰撞间产生二次电子，最终有效地提高材料的电击穿耐受性，这也是芳香族化合物常用于电压稳定剂的原因之一[22-23]。此外，联苯结构层状堆积形成的液晶畴可以对自由电子的冲击起到一定的阻碍作用，液晶畴区域相比非晶聚合链更不容易被电击穿形成通路，如图6所示。
图4 液晶环氧的绝缘机理
Fig.4 Insulation mechanism of liquid crystal epoxy resin
图5 自由体积模拟示意图
Fig.5 Simulation diagram of free volume
图6 高浓度液晶畴降低自由体积示意图
Fig.6 Schematic diagram of reducing free volume of high concentration liquid crystalline domains
其次，进行电场下均方位移（MSD）仿真，以反映分子链段在电场下的运动能力[24]。选择TMB交联1:1混合树脂（未添加LNBR）和TMB交联TMBP（未添加LNBR）两组模型，每个模型中选择两个片段进行模拟，选择的片段和系列论文（一）中MSD仿真的片段一致[13]。在交联模型z轴方向施加 1 Hartree/Bohr（1 Hartree=27.211 eV, 1 Bohr=0.529 Å= 5.29×10-11 m）的电场，仿真结果如图7所示。在电场作用下，TMB交联1:1混合树脂两个片段的MSD均大于TMB交联TMBP两个片段的MSD。高聚物在直流电场下产生的焦耳热或在交流电场下产生的介质损耗会使高聚物本体温度升高，在电热场耦合作用下致使分子链段的运动加剧，导致其耐受高能自由电子冲击的能力降低，最终表现为击穿场强的下降。
图7 电场下均方位移仿真结果
Fig.7 Simulation results of MSD under electric field
最后，结合系列论文（一）中的导热性能研究[13]，刚性结构含量高的样品表现出更高的热导率，因此在电场作用下，电子进攻高热导率样品时累积的热量被有效传导，延迟了热击穿的发生。
基于常温下的击穿实验结果，对TMB-3+实验组和TMB-5+实验组进行升温击穿实验，结果如图8所示，总结各试样特征击穿场强和形状参数见表2。TMB-3+在25℃时的Eb为113.98 kV/mm，而在180℃时降至64.48 kV/mm，见图8a；TMB-5+在25℃时的Eb为121.45 kV/mm，在180℃时降至84.99 kV/mm，见图8b。分析高温下Eb降低的原因，一方面，分子链段的活性随温度升高而增加，导致电子的平均自由程和累积动能增加；另一方面，结合论文（一）导热性能研究[13]，高温下的热导率有所下降，散热效果有所降低，热击穿的概率提高。除此之外，升温后自由体积参数增大也是Eb值降低的原因之一。由图8c可知，TMB-3+从25℃升至180℃时，Eb降低了49.50 kV/mm；而TMB-5+从25℃升至180℃时，其Eb仅降低了36.46 kV/mm，TMB-5+比TMB-3+样品表现出了更好的高温绝缘性能。TMB-5+试样在论文（一）中表现出了极高的耐热特性[13]，因此，提升材料的耐热性能是获得高温绝缘特性的关键。
图8 TMB-3+和TMB-5+的升温击穿特性
Fig.8 Temperature breakdown characteristics of TMB-3+ and TMB-5+
为验证实验的准确性，使用MS对TMB交联1:1混合树脂模型和TMB交联TMBP模型进行Eb的模拟仿真，结果如图9所示。对分子动力学模型以20 kV/mm的速率施加单轴电场，多次计算最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）能级。半导体主要依靠分子中导带上的自由电子与价带中的空穴运动进行导电，当HOMO能级上电子的能量随电场增加到一定程度时，具有足够的能量从价电子转变为自由电子，电子开始剧烈运动并发生迁移；当能量高于某一个阈值后，材料失去绝缘能力，开始被击穿；随着外加电场不断增大，HOMO能级上的电子能量逐渐增大，价电子获得的能量不断增加，变得更容易迁移，材料开始持续导电[25-26]。由图9可知，TMB交联1:1混合树脂模型在160 kV/mm时被击穿，TMB交联TMBP模型在200 kV/mm左右时被击穿。由于仿真中的交联模型相对实验制备的固化膜厚度小得多，因此仿真数据与实验值相差较大，但通过横向对比仍可验证联苯结构的增加可有效提高材料的Eb值。
表2 各试样在升温后的Eb和β
Tab.2 Summary of Eb and β of samples after heating
温度/℃TMB-3+TMB-5+ Eb/(kV/mm)βEb/(kV/mm)β 25113.9816.68121.4543.55 7093.3722.92114.8931.13 12083.9719.38104.1225.02 15075.7514.8896.2741.35 18064.4815.4984.9924.84
图9 击穿场强仿真结果
Fig.9 Simulation results of electrical breakdown field strength
为了研究刚性有序结构影响Eb的机理，对TMB-1+、TMB-3+和TMB-5+三个实验组的局部放电量进行了检测。局部放电是封装绝缘老化和失效的重要原因[27]。首先对TMB-5+试样进行局部放电量的检测，加压至8 kV时开始出现局部放电，持续电压600 s，多次实验后取平均值并记录；继续加压放电量持续增加，加压至12 kV时发生击穿，击穿电压与击穿测试时的结果几乎一致。然后对TMB-1+和TMB-3+实验组同样加压至8 kV，多次实验后取平均值并记录。局部放电检测结果如图10所示。由图10a可知，TMB-5+在8 kV下刚刚出现局部放电现象，放电量波形较为平稳，600 s内平均放电量为1.37 pC；由图10b可知，TMB-3+加压至8 kV时平均放电量为2.28 pC；TMB-1+加压至8 kV时平均放电量已高达3.20 pC，如图10c所示。即在8 kV电压下，TMB-1+和TMB-3+的电击穿风险高于TMB-5+，TMB-5+具备更高的绝缘性能，能够抵抗电子进攻进而得到更低的局部放电量，与击穿测试时表现出的规律一致。
图10 局部放电检测结果
Fig.10 Partial discharge detection results
对DDM-5和TMB-5+两组样品进行TSDC测试，以表征陷阱能级参数。基于去极化电流曲线，计算两组样品的陷阱能级，计算式为
（2）
式中，Ea为活化能；Tm为峰值电流对应的温度；ΔT为半峰值对应的温度差；
为玻耳兹曼常数，
1.38× 10-23 J/K[28-29]。
TSDC实验数据和拟合峰值如图11所示，每个曲线拟合出3个峰，陷阱能级分别为E1～E3，累计每个峰的陷阱能级即为总陷阱能级Etotal，陷阱能级参数总结见表3。依据表3可知，TMB-5+相比DDM-5具有更大的陷阱能级，陷阱能级越大，陷阱效应越强，陷阱中被困的载流子越难以逃逸，导致载流子迁移率降低，从而提升了击穿场强[30-31]。TMB-5+中更高浓度的联苯基元使得材料陷阱能级增大。
图11 TSDC实验数据和拟合曲线
Fig.11 Experimental data and fitting curves of TSDC
表3 陷阱能级对比
Tab.3 Comparison of trap energy levels
实验组E1/eVE2/eVE3/eVEtotal/eV DDM-51.0841.4383.1265.648 TMB-5+1.0791.6213.9466.646
相对介电常数εr和介质损耗反映了组成材料的原子和分子响应电场变化的能力。εr与频率的关系为
（3）
式中，ε∞为频率无穷大时的介电常数；εs为静态介电常数；ω为角频率；τ为偶极子的松弛时间。
根据介电理论可知，交流电场下的介质损耗来源自材料中自由离子的电导损耗和偶极子的松弛损耗，可表示为
（4）
式中，tanδ为电介质的介质损耗角正切；ε0为真空介电常数；γ为离子电导。
图12a～图12c分别为DDM体系、TMB体系和TMB+体系在室温（25℃）下的介电频谱。可见所有样品的εr均随频率升高而下降，这是因为在低频下，材料在外加电场的变化周期内发生多种极化过程，在极化过程稳定前，束缚电荷持续受到周围粒子及外加电场的作用，使得εr具有较大值；而随着频率升高，部分电荷极化过程所需时间较长，导致其与外加电场波动不同步，参与极化的束缚电荷减少，因此，εr随着频率的增大而减小并趋于稳定[32]。同体系下对比，εr随联苯基团含量的升高而表现出下降的趋势，一方面归因于联苯基团的影响，大量刚性平面结构的存在使偶极子反转更加困难，从而降低了εr；另一方面，受益于更高的交联密度和更多的液晶畴的影响，共轭大π键诱导的π-π作用力致使联苯基团排列有序，使得分子间更加紧密，偶极子反转的难度进一步增加。在分子动力学仿真中，TMB-5+模型表现出更低的自由体积参数和MSD，这些都是导致εr降低的因素。
图12 试样的介电特性
Fig.12 Dielectric characteristics of samples
与DDM体系相比，TMB体系和TMB+体系的εr相对更高，且部分样品的tanδ值在高频下出现波动，如图12b和图12c所示。这是因为这两个体系中添加了用于增韧成膜的端羧基液体丁腈橡胶（Liquid Nitrile Butadiene Rubber, LNBR）。LNBR含有大量极性基团，并在环氧基体间形成界面。具体而言，LNBR分子中存在大量极性基团氰基，易在电场作用下发生偶极子转向，进而获得了更高的εr和tanδ。同时LNBR和环氧基体间存在界面效应，在电场的作用下电荷在两相界面处聚集引起界面极化和界面损耗，进而使εr和tanδ升高。此外，TMB体系的tanδ在低频下出现峰值，这是由于固化温度（140℃）低于TMB熔点，可能会有TMB单体小分子析出，因而在低频下出现损耗峰。与TMB体系相比，TMB+体系采用阶梯固化方法，第二段和第三段固化温度分别为180℃和200℃，TMB可完全参与固化反应，因而低频下tanδ均较低且稳定。
论文（一）[13]和本文结果表明，联苯致晶基元堆砌诱导构建的液晶畴结构可协同调控提升环氧材料的热导率λ、击穿场强Eb和玻璃化转变温度Tg。为了更直观地对比DDM体系、TMB体系和TMB+体系的综合性能，首先对比分析了试样的导热绝缘性能，并分为高Eb和高λ、高Eb和可接受的λ、可接受的Eb和高λ、低Eb和低λ四组，如图13所示；同时引入Λ，即样品的Eb和λ的乘积，结果如图14所示。可以看出，TMB-4+、TMB-5和TMB-5+相比于其他试样表现出更优异的导热和绝缘性能；若考虑成本因素，TMB-3和TMB-3+的Λ也可以接受。对TMB-3+、TMB-5和TMB-5+三组样品的Tg、λ和Eb进行综合评价，如图15所示，发现TMB-3+和TMB-5的λ与Eb均相近，但TMB-5具有明显更高的Tg；TMB-5+具有最高的Eb、Tg和λ，这主要归因于高含量联苯致晶基元的引入和液晶畴的构建。
图13 样品分类示意图
Fig.13 Sample classification diagram
图14 样品Λ变化情况
Fig.14 Variation of Λ of the samples
图15 部分样品综合评价
Fig.15 Comprehensive evaluation of some samples
综合所有测试结果，TMB体系和TMB+体系的热导率、耐热性能和绝缘性能均有明显的提升。此外，本文对TMB-5+试样的光学特性进行了研究，液晶环氧薄膜的光折射现象如图16所示。液晶畴具有排列有序的特点，当自然光照射时，光的振动方向与液晶排列方向存在差异，因此可以观察到高含量液晶畴导致的光折射现象。对于封装材料而言，其力学性能同样非常重要，因此对LNBR改善其成膜状况和力学柔韧性进行了研究，液晶环氧薄膜的力学性能如图17所示。发现LNBR增韧后的TMB+体系展现出优异的力学特性。通过对TMB-5+薄膜进行弯曲实验可以看出，试样表现出良好的柔韧性，且回弹后无折痕出现。对试样断面进行扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）观测发现，断面中出现粗糙褶皱，使断裂面表面积增大，能量通过表面得到耗散，即试样在断裂时可以吸收更多能量，具有较好的断裂韧性。本文研究的试样在协同提高电热性能的同时，表现出良好的力学柔韧性，且薄膜固化前黏度较低，表现为良好的液体流动性和较小的固液接触角，分别如图18a和图18b所示，符合功率器件灌封工艺要求。
图16 液晶环氧薄膜的光折射现象
Fig.16 Light refraction of liquid crystalline epoxy resin film
图17 液晶环氧薄膜的力学性能
Fig.17 Mechanical properties display of liquid crystal epoxy resin film
图18 固化前黏度展示
Fig.18 Viscosity display before curing
液晶环氧树脂的应用为绝缘材料领域导热、耐热和绝缘性能的协同提升提供了新思路。本文通过调节刚性联苯致晶基元含量和固化条件，制备了高性能新型液晶环氧树脂，详细分析了液晶环氧内部液晶有序结构对电气绝缘特性以及导热和耐热性能的影响。本研究结果表明，TMBP刚性联苯致晶基元近乎平面的分子结构较BAE表现出更为优异的导热、耐热和电气绝缘性能（相关热性能研究见本系列研究论文（一）[13]）。对本文总结如下：
1）随着刚性联苯基元的增加，Eb实现了有效的提升，最高可达126.72 kV/mm（TMB-5+，厚度为(100±5) µm），较传统的DDM-1的Eb（86.27 kV/mm）可提升约46.9%。Eb的提升得益于联苯致晶基元及构建的液晶畴结构，可有效抑制载流子的迁移，同时降低材料的自由体积，减弱自由链段的运动等。此外，TMB-5+具有更低的局部放电量和更优异的高温绝缘特性。
2）TMB-5+试样展现出相对较低的εr（50 Hz，3.89）和tanδ（50 Hz，0.038 6），这得益于致晶基元的引入和液晶畴的构筑，抑制了柔性链段的运动和偶极子在电场下的转向极化。
3）对试样进行综合评价，双致晶基元液晶环氧不仅实现了导热、耐热及绝缘性能的协同提升，在力学性能上也有良好表现，且固化前黏度较低，为高性能IGBT功率器件灌封材料的应用提供了一定的参考价值。
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Abstract Encapsulating materials with high thermal conductivity excellent heat resistance and electrical insulation have great application prospects in the field of high-voltage and large-power insulated gate bipolar transistors (IGBT). All organic liquid crystalline epoxy is a good candidate because of its theoretically high thermal conductivity, high glass-transition temperature, and outstanding electrical insulation performance. It can be attributed its unique liquid crystalline self-assembly ordered domains and a mass of rigid molecular structures. More importantly, the two new epoxy monomers have low viscosity under high temperature conditions, which is very suitable for potting process of epoxy for the encapsulation of IGBT. Therefore, it has great advantages in the future application of encapsulation of high-voltage and large-power devices. In this work, a novel liquid crystalline epoxy (named TMB-5+) with dual mesogenic units was constructed. Benefits by ordered liquid crystalline domains and a large number of rigid structures, the new liquid crystalline epoxy exhibits excellent heat resistance and thermal conductivity. The related research was presented in the first paper of this work. This paper is the second in a series of papers, which investigates the electrical insulation performance of liquid crystalline epoxy.
Firstly, the dielectric breakdown strength of the new liquid crystalline epoxy film was studied. The study showed that the TMB-5+ sample containing double mesogenic units exhibited a higher breakdown strength, reaching 126.72kV/mm, which was 46.9% higher than traditional epoxy. The higher phenyl content and denser liquid crystalline domains in the TMB-5+ sample were considered to be beneficial for improving the breakdown strength. Base on simulation of the free volume and mean square displacement of the new epoxy, we found that the liquid crystalline epoxy has lower free volume parameters and weaker movement ability of molecular chain under the electric field. These factors also showed positive impacts on improving the breakdown strength. Secondly, the partial discharge capacity of liquid crystalline epoxy was studied, and it was found that liquid crystalline epoxy has lower partial discharge capacity under the same voltage of 8 kV. The results of the measuring thermal stimulation depolarization current showed that the liquid crystalline crosslinking material with dual mesogenic units had an increased trap energy level and enhanced the ability to capture electrons. Both lower partial discharge capacity and higher trap energy levels contribute to reducing the breakdown risk of epoxy materials. In addition, the dielectric constant and dielectric loss were analyzed, and it was found that liquid crystalline domains can effectively suppress the reversal of dipoles, thereby reducing the dielectric constant of the material. And the liquid crystalline epoxy exhibits excellent thermal and electrical insulation properties, as well as good mechanical properties. This study emphatically characterized electrical insulation and thermal performance of liquid crystalline epoxy resin, and can provide certain practical reference for the application of new epoxy resin in the insulation packaging materials of high-voltage and large-power IGBT.
Keywords：Insulating potting material, biphenyl liquid crystalline epoxy, biphenyl liquid crystalline curing agent, electrical insultaing performance, molecular dynamic simulation
中图分类号：TM211
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232018
国家自然科学基金青年项目（52307028）、电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题（EIPE22210）、陕西省自然科学基金青年项目（2022JQ-300）、陕西省产学研协同创新计划项目（2023YFBT-45-02）和陕西省教育厅服务地方专项产业化培育重点项目（23JC042）资助。
收稿日期 2023-12-04
改稿日期 2024-01-03
王争东 男，1988年生，副教授，硕士生导师，研究方向为新型电工材料合成与储能技术等。
E-mail：wangzhengdong@xauat.edu.cn（通信作者）
曹晓龙 男，2000年生，硕士研究生，研究方向为功率器件用新型环氧材料。
E-mail：caoxiaolong@xauat.edu.cn
（编辑 李 冰）