Nowy Kompozyt Epoksydowy o Kontrolowanej Architekturze Molekularnej Zwiększa Niezawodność Urządzeń Energetycznych

W roku 2025 społeczność naukowa odnotowała przełomowe osiągnięcie w dziedzinie inżynierii materiałowej. Zespół badawczy, wywodzący się ze Szkoły Mechaniki i Inżynierii Elektrycznej na Uniwersytecie Architektury i Technologii w Xi’an (Xi’an University of Architecture and Technology), zaprezentował nowatorską metodę. Strategia ta opiera się na koncepcji „projektowania uporządkowania molekularnego”.

Efektem pracy tego kolektywu, specjalizującego się w opracowywaniu nowych materiałów dla sektora energetycznego oraz systemów magazynowania energii, jest stworzenie epoksydowego materiału enkapsulacyjnego. Wyróżnia się on unikalnym połączeniem ekstremalnie wysokiej przewodności cieplnej oraz wyjątkowych właściwości izolacyjnych, co stanowi rzadko spotykaną kombinację w tradycyjnych kompozytach.

Klucz do tego sukcesu tkwi w wykorzystaniu cząsteczek organicznych, które pełnią funkcję strukturalnych „matryc” lub „szablonów”. Umożliwiają one formowanie ściśle uporządkowanej struktury wewnątrz systemu żywicy epoksydowej. Takie precyzyjne rozmieszczenie molekuł gwarantuje niezwykle efektywne odprowadzanie ciepła, co bezpośrednio przekłada się na podwyższoną przewodność cieplną materiału.

Równocześnie, dzięki gęstemu upakowaniu molekularnemu oraz obecności pułapek energetycznych, kompozyt zapewnia niezawodną izolację. Ta zdolność do utrzymania integralności izolacyjnej jest krytyczna, zwłaszcza w warunkach wysokich obciążeń termicznych. Materiał zachowuje swoje właściwości nawet przy temperaturach roboczych sięgających 200°C, skutecznie powstrzymując wysokoenergetyczne elektrony przed migracją.

Opracowanie to ma ogromne znaczenie ze względu na nieustający wzrost zapotrzebowania na materiały opakowaniowe, które są w stanie sprostać coraz większym obciążeniom termicznym i elektrycznym. Współczesne półprzewodnikowe urządzenia mocy stają się coraz mniejsze i jednocześnie coraz wydajniejsze. W rezultacie, tradycyjne żywice epoksydowe okazują się niewystarczające, aby wytrzymać te narastające naprężenia. Prezentowane rozwiązanie, wykorzystujące szablony molekularne do celowego kształtowania właściwości materiału objętościowego, w elegancki sposób eliminuje długotrwałe ograniczenie, z którym borykała się elektronika mocy.

Niezawodność, jaką materiał oferuje w temperaturze 200°C, otwiera drogę do natychmiastowego wdrożenia go w najbardziej wymagających segmentach elektroniki mocy. Zespół badawczy planuje kontynuować prace, badając możliwość zastosowania tej metodyki w różnych systemach żywic. Świadczy to o dążeniu do szerokiej użyteczności inżynieryjnej. Ten przełom technologiczny, oparty na dogłębnym zrozumieniu mikrostruktury, działa jako katalizator dla kolejnej fazy rozwoju zaawansowanych technologicznie systemów, obiecując stworzenie urządzeń o większej trwałości i lepszej wydajności.

Odkrycie to ma miejsce na tle intensywnych badań nad zarządzaniem przepływem ciepła prowadzonych w Chinach. Przykładowo, naukowcy z Uniwersytetu Jiaotong w Xi’an (Xi’an Jiaotong University) oraz Uniwersytetu Zhejiang (Zhejiang University) koncentrowali się na opracowaniu superelastycznych aerożeli. Ponadto, Chińska Akademia Nauk (Chinese Academy of Sciences) zaprezentowała ceramiczny aerożel włóknisty (SiC@SiO₂), charakteryzujący się anizotropową przewodnością cieplną, zdolny do pracy w temperaturach dochodzących do 1300°C. Potwierdza to, że poszukiwanie skutecznych metod odprowadzania ciepła pozostaje priorytetem naukowym, co dodatkowo podkreśla wagę sukcesu osiągniętego w dziedzinie kompozytów epoksydowych.