苯氟改性硅凝胶材料及其制备方法和应用

本发明涉及有机硅材料制备，具体涉及苯氟改性硅凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着当今世界能源消耗量和电力需求的增加，特高压柔性直流输电技术得到了快速发展。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)作为直流输电技术的关键装备、以及能源转换与传输的核心器件，具有节能、高频、安装便捷等诸多优点。在直流输电技术发展的同时，igbt电力电子装备不断向高电压、大功率的方向发展，其产生的热量和运行温度逐渐增加，而有机硅凝胶材料作为igbt的主要封装材料之一，其性能在高温、高压的环境下会严重劣化，尤其是新一代化合物半导体技术(碳化硅和氮化镓)的出现提高了igbt的工作温度，截止目前已达到175℃，致使igbt绝缘封装系统失效问题(材料开裂、局部击穿和高温过热等)日益突出。

2、高分子有机聚合物通常应用于器件封装方面，相比于环氧树脂、聚氨酯弹性体等封装材料，有机硅凝胶具有更优异的耐热、耐候和电绝缘性，已逐渐成为高压大功率电力电子器件中不可或缺的封装绝缘材料之一。但由于目前功率器件逐渐向小型化、轻量化和工作环境极端化方向发展，纯有机硅凝胶在高温、高压的环境下长期工作后会发生黄变、开裂等现象，致使其耐热和介电性能严重劣化，大幅降低igbt的工作可靠性和使用寿命，因此研发高性能的新型有机硅凝胶对于igbt的发展具有意义重大。

3、针对功率器件封装用有机硅凝胶绝缘性能方面的研究，2007年kassel大学学者研究了有机硅凝胶在-40–100℃的击穿特性，发现有机硅凝胶的击穿电压在温度接近或低于0℃时相较于20–100℃下降约50％。2014年toulouse大学学者分析了高压sic功率模块封装用有机硅凝胶在-150–300℃，10-1–106hz的介电特性变化，研究表明有机硅凝胶的相对介电常数在低频区域随着温度的增大而上升，但在高频区域呈现下降的趋势，此外其介电损耗随着温度的增加而上升。2016年abb研发中心学者采用iec-60243标准兼容的平板电极研究了有机硅凝胶在常温下的耐电特性，结果表明材料的形状体积对其本征介电强度和局部放电具有重要影响，并提出需要在实际封装设计中充分考虑材料的形状参数。2021年华北电力大学学者通过改进的脱气工艺减少了有机硅凝胶试样中的气泡缺陷，提高了有机硅凝胶的高温绝缘性能，与传统脱气工艺相比，200℃的击穿场强提高了12.9％。2022年西安交通大学学者重点研究了有机硅凝胶在高温作用下的电学性能，并利用双弛豫cole-cole模型描述了有机硅凝胶的介电响应过程。综上可知，国内外研究学者对功率器件封装用纯有机硅凝胶的绝缘性能开展了大量研究，并取得了长足的进展，但对适用于高压大功率igbt的新型高耐热、高绝缘有机硅材料的研究尚处于初级阶段。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了苯氟改性硅凝胶材料及其制备方法和应用，针对随igbt产生的热量和运行温度的增加，现有技术生产的商用纯有机硅材料在高温、高压的条件下性能会严重劣化，致使igbt绝缘灌封系统失效日益突出的问题，本发明基于有机硅材料分子结构，通过引入苯/氟基团，提供了一种具有高耐热、高绝缘性能的有机硅灌封材料，进而减缓有机硅材料在高温、高压下的性能劣化速度，提高igbt的工作可靠性和使用寿命。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种苯氟改性硅凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

4、将甲基硅油与预备硅油混合后，催化作用下于50-80℃下搅拌3-10min，进行氢向乙烯基加成反应，得到混合液，待混合液降至室温后真空抽气，再将混合液于90-120℃下固化处理1.5-2h，得到苯氟改性硅凝胶材料；

5、所述预备硅油选自苯基硅油、乙烯基封端氟硅油或苯基硅油与乙烯基封端氟硅油的混合物。

6、优选的，所述催化作用的催化剂为六水合氯铂酸，且甲基硅油与预备硅油的总量与六水合氯铂酸的质量比为100：0.2-0.5；

7、所述预备硅油选自苯基硅油、乙烯基封端氟硅油或乙烯基封端氟硅和苯基硅油的混合物；

8、所述预备硅油选自苯基硅油时，苯基硅油与甲基硅油的质量比为1:1-1.3；

9、所述预备硅油选自乙烯基封端氟硅油时，乙烯基封端氟硅油与甲基硅油的质量比为1:0.8-1.1；

10、预备硅油选自乙烯基封端氟硅和苯基硅油的混合物时，乙烯基封端氟硅油、苯基硅油、甲基硅油的质量比为1-9：1-9：11。

11、优选的，所述苯基硅油按照如下步骤制备：

12、将二苯基二甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷与盐酸混合，进行缩合反应并收集馏出液，将馏出液水洗至中性后，进行脱水处理，得到端羟基二苯基二甲基硅氧烷低聚物中间体；

13、将端羟基二苯基二甲基硅氧烷低聚物中间体、乙烯基双封头剂和八甲基环四硅氧烷分别进行脱水处理后，取端羟基二苯基二甲基硅氧烷低聚物中间体和乙烯基双封头剂与八甲基环四硅氧烷混合，并进行阴离子开环聚合反应，然后分解残余催化剂，得到反应中间物；

14、将反应中间物减压蒸馏，得到乙烯基封端二苯基二甲基硅油，即苯基硅油。

15、优选的，二苯基二甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷与盐酸的质量之比为1:1:1.5-2，所述盐酸的质量分数为2.5％；

16、缩合反应的条件为：于60-70℃下水解缩合2-2.5h。

17、优选的，所述脱水处理的方法均为：于无水氯化钙中脱水至恒重。

18、优选的，所述端羟基二苯基二甲基硅氧烷低聚物中间体、乙烯基双封头剂、八甲基环四硅氧烷的质量比为1:1:0.25-1。

19、优选的，所述阴离子开环聚合反应的条件为：在80-85℃、n2流量为125-150ml/min以及四甲基氢氧化铵甲醇溶液的催化下反应3.5-4h。

20、优选的，所述分解残余催化剂的方法为：升温至180-185℃并增大n2流量至180-200ml/min，反应2-2.5h。

21、本发明还保护了上述制备方法制得的苯氟改性硅凝胶材料，所述苯氟改性硅凝胶材料包括苯改性硅凝胶材料、氟改性硅凝胶材料和苯@氟改性硅凝胶材料；

22、所述苯改性硅凝胶材料由苯基硅油和甲基硅油制成，所述氟改性硅凝胶材料由乙烯基封端氟硅油和甲基硅油制成，所述苯@氟改性硅凝胶材料由乙烯基封端氟硅油、甲基硅油和苯基硅油制成。

23、本发明还保护了苯氟改性硅凝胶材料在制备高压大功率绝缘栅双极晶体管灌封材料中的应用。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果：

25、1、此改性有机硅材料通过引入苯基和氟基具有高耐热、高绝缘的特性，大幅提高了igbt的工作可靠性和使用寿命；本发明利用化学合成方法制备了苯氟改性硅凝胶材料，重点研究了其耐热和电气性能，并对苯氟基团引入后有机硅凝胶的性能提升机理进行了解释与分析，相关结论可为苯氟改性有机硅材料应用于高压大功率igbt的封装设计提供一定的参考价值。

26、2、本发明中制备的苯氟改性硅凝胶材料具有高耐热、高绝缘性能。例如，当苯基含量为42％时，苯改性有机硅凝胶失重5％的热失重温度(td5％)为383℃，室温击穿场强可达32.62kv/mm，比纯有机硅凝胶提高了17.42％，且150℃击穿场强相较于室温击穿场强仅下降25.38％，展现出更优良的高温耐电特性，同时其相比于纯有机硅凝胶具有较低的介电损耗；因此苯氟改性硅凝胶材料作为igbt封装材料时，整体性能更加优良。本研究将为igbt封装用新型高性能有机硅绝缘材料的研制提供有效思路和理论基础。

27、3、本发明的苯基硅油制备原理为：依次通过采用水解缩合与阴离子开环聚合反应进行聚硅氧烷侧链苯基接枝，进而合成苯基硅油，与现有技术苯基硅油制备方法相比，本技术制备方法更加简便。

28、本发明的苯氟改性硅凝胶材料制备原理为：利用乙烯基键与硅氢键在铂催化剂的作用下发生氢向乙烯基加成反应，进而合成双组分加成型有机硅凝胶。