第三代碳化硅基宽禁带器件不断向高温、高电压和小型化方向发展，研发可耐受高温和强电场的新一代封装材料成为电子封装领域的研究热点。浙江大学电气工程学院的研究人员陈向荣、王启隆、张添胤、王恩哲、任娜，在2023年第5期《电工技术学报》上撰文，制备了纯有机硅弹体及不同掺杂质量分数的有机硅弹体/八乙烯基笼型倍半硅氧烷纳米复合材料，基于理化、电气性能测试和量子化学仿真，分析了掺杂含量对有机硅弹体纳米复合材料交联网络的影响，以及温度对纳米复合材料电荷传输的作用机制，为设计耐高温和强电场的有机硅弹体纳米复合材料提供了实验和理论参考。
近年来，大功率电力电子模块不断向高温、高电压和小型化方向发展，另外，有机硅弹体因其优异的热机械性能和可加工性，其成为高温封装材料的首选，因此，提高有机硅弹体的耐高温特性和绝缘性能具有重要的实际意义。笼型倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane, POSS）是尺寸最小的纳米硅基复合颗粒，包含硅氧骨架组成的多面体无机核心，以及在其八个顶角上硅原子所连接的有机基团，广泛运用于军工、航空航天、电子器件封装和光电材料等高科技领域。目前，国内外关于POSS掺杂改性有机硅弹体的研究主要在于提升有机硅弹体的热稳定性和力学性能，而对有机硅弹体/POSS纳米复合材料在不同温度下的绝缘性能研究尚少，因此，在电气实验、热学实验和量子化学计算的基础上，研究有机硅弹体/POSS纳米复合材料在不同温度下的绝缘性能，以及温度对有机硅弹体/POSS纳米复合材料电荷传输的影响机理意义重大。
为进一步研究POSS掺杂改性有机硅弹体的高温绝缘性能及其机理研究，浙江大学电气工程学院的研究人员针对耐高温和强电场的新型封装材料，制备了纯有机硅弹体及不同掺杂质量分数的有机硅弹体/八乙烯基笼型倍半硅氧烷纳米（Octavinyl Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane, OV-POSS）复合材料。他们研究了有机硅弹体/OV-POSS纳米复合材料的理化特性和不同温度下的绝缘性能，并且基于不同电场强度下的量子化学仿真，分析了掺杂含量对有机硅弹体/OV-POSS纳米复合材料交联网络的调控机制，以及温度对纳米复合材料电荷传输的影响机理，为设计耐高温和强电场的有机硅弹体纳米复合材料提供了实验和理论参考。- 本文对试样进行了扫描电子显微镜断面形貌表征、傅里叶红外（光谱测量、热重分析、交联度实验、热刺激去极化电流测试，不同温度下的介电谱和直流电导率测量以及不同电场强度下的量子化学计算。
- 首次揭示了有机硅弹体/OV-POSS复合材料在不同温度下的绝缘性能及其作用机理；首次基于量子化学仿真原理，通过Gaussian 09W 软件，研究了电场强度对纯有机硅弹体和有机硅弹体/OV-POSS复合材料的总电子态密度、分子轨道能级、偶极矩及静电势分布的影响，从而分析了纯有机硅弹体和有机硅弹体/OV-POSS复合材料在强电场作用下的陷阱特性和电荷输运机制的变化规律；基于电气实验和量子化学仿真结果，提出了掺杂含量对有机硅弹体/OV-POSS纳米复合材料交联网络影响模型，以及温度对纳米复合材料电荷传输的作用模型。
掺杂质量分数为3%的OV-POSS可以与有机硅弹体基体形成密集的交联网状结构，有效抑制基体分子长链段发生介电弛豫运动，使纳米复合材料的热分解温度、交联度、分子主链弛豫温度和陷阱能级显著增大；在20℃和120℃下，OV-POSS的未反应乙烯基和无机内核在纳米复合材料中分别起到深电子陷阱和深空穴陷阱作用，阻碍电极注入的载流子在材料内部传输，导致纳米复合材料的直流电导率小于纯有机硅弹体；然而在220℃下，纳米复合材料内部的大量热电子激发导致其绝缘特性的劣化。本文研究结果表明，适量掺杂的OV-POSS可以有效提升有机硅弹体在20℃和120℃下的绝缘性能。
浙江大学电气学院电力系统自动化所先进高压输电新技术实验室是浙江省唯一开展先进高压输电新技术研究的高校团队，团队近五年承担了国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、宁波市“科技创新 2025”重大专项、国家电网公司、浙能集团、宁波东方电缆股份有限公司等企业多项重大课题。已培养出站博士后 1 名，毕业博士 3 名，硕士 6 名，工程硕士 2 名，其中 1 名博士后获得印度TOP 5高校 National Institute of Technology 教授教职，2 名博士荣获浙江大学优秀毕业生，2名博士、3 名硕士荣获国家奖学金，3 人荣获电气学院最高荣誉王国松奖学金，1 名硕士前往日本东京大学攻读博士学位。荣获浙江省科技进步奖二等奖 1 项（2020年），中国南方电网广东电网公司科学技术进步奖一等奖 1 项（2012年），陕西省科学技术奖二等奖 1 项（2010年），陕西省教育厅科学技术奖一等奖 1 项（2009年）。- 浙江大学电气工程学院“百人计划”研究员，博士生导师，2020-2021年任浙江大学-UIUC联合学院副院长，现任浙江大学电气工程学院电力系统自动化所所长，IEEE高级会员，高压绝缘领域国际权威期刊《IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation》副主编，《高电压技术》第九届编委会青年委员，国家机械教育协会第四届高电压与绝缘技术学科教学委员会副主任委员，浙江省电力学会高电压专业委员会副主任委员。
- 长期从事先进电气材料与高压绝缘测试技术，先进电力装备与新型电力系统，高电压新技术等先进高压输电新技术的前沿基础和应用研究。
- 近五年以第一作者或通信作者身份在《Chemical Engineering Journal》(IF=16.744)、《Composites Science and Technology》(IF=9.879)、IEEE Trans.等国际期刊上发表高水平SCI论文60余篇，EI期刊论文120余篇，担任《Advanced Materials》(IF=32.086)、《Matter》(IF=19.967)、《IEEE Trans. on Industrial Informatics》(IF=11.648)、《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等国内外著名期刊审稿人。
本文编自2023年第5期《电工技术学报》，论文标题为“温度和掺杂含量对有机硅弹体/八乙烯基-笼型倍半硅氧烷纳米复合材料绝缘性能的影响”。本课题得到国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金重点项目和浙江大学“百人计划”（自然科学 A类）的支持。王启隆, 陈向荣, 张添胤, 王恩哲, 任娜. 温度和掺杂含量对有机硅弹体/八乙烯基-笼型倍半硅氧烷纳米复合材料绝缘性能的影响[J]. 电工技术学报, 2023, 38(5): 1139-1153. Wang Qilong, Chen Xiangrong, Zhang Tianyin, Wang Enzhe, Ren Na. Effect of Temperature and Filler Content on Insulation Properties of Silicone Elastomer/Octavinyl Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane Nanocomposites. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(5): 1139-1153.
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