《RSC Advances》：Thermally stable network-structured polysiloxane hybrimers with high refractive index for optical applications
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本研究针对LED封装中因折射率不匹配导致的光提取效率低、传统封装材料热稳定性不足等问题，开发了新型网络结构聚硅氧烷杂化体（NPH）。通过线性硅氧烷低聚物（LSO）交联剂实现高苯基含量掺杂，NPH-3在450nm波长下折射率达1.61、透光率96.5%，200℃热老化72小时后透光率仅下降0.5%，肖氏D硬度76.2，为高性能光电器件封装提供创新解决方案。
随着发光二极管（LED）在照明、显示和汽车系统中的广泛应用，其能源效率和使用寿命优势日益凸显。然而，LED性能提升面临一个关键瓶颈：由于封装材料与半导体界面间的折射率不匹配，会产生全内反射现象，导致高达70%的光子被限制在器件内部无法逸出，严重制约光提取效率（LEE）的提升。传统环氧树脂封装材料虽具备一定透光性，但折射率较低（n≈1.50-1.55），且热稳定性较差，在150℃以上易发生黄化；商用有机硅聚合物虽热稳定性更优（耐温200℃），但其折射率多局限在1.50-1.60范围，仍难以满足高亮度LED对光提取效率的极致追求。
针对这一技术难题，韩国全北大学化学系的研究团队在《RSC Advances》发表最新研究成果，通过创新的分子设计策略，成功开发出具有网络结构的聚硅氧烷杂化体（NPH）系列材料。该研究聚焦于解决高折射率与热稳定性之间的平衡难题，采用线性硅氧烷低聚物（LSO）作为多功能交联剂，通过精确调控苯基含量实现了光学性能的突破性进展。
研究团队采用的关键技术方法包括：通过溶胶-凝胶缩合反应合成苯基-乙烯基-低聚硅氧烷（PVO）；在双相体系中制备不同苯基含量的线性硅氧烷低聚物交联剂（LSO 1-3）；利用铂催化的硅氢加成反应构建三维网络结构；通过光谱椭偏仪、紫外-可见分光光度计、肖氏硬度计和热重分析仪等设备系统表征材料性能。
3.1. 有机硅基交联剂
研究人员对比了传统交联剂与新型LSO交联剂的结构差异。常规交联剂如PTDMSS存在硅氢基团局部化分布问题，导致交联反应不均匀，易产生折射率波动和光散射。而LSO分子骨架中分散的硅氢基团可实现全方位交联反应，显著提升网络均匀性。这种设计在保持高苯基含量的同时避免了空间位阻效应，为同时实现高折射率和优异光学透明度奠定基础。
3.3. NPH 1-3的FT-IR分析
傅里叶变换红外光谱分析显示，未固化树脂在2120 cm-1处出现硅氢伸缩振动峰，1600 cm-1处为乙烯基碳碳双键特征峰。经180℃热固化后，这些特征峰完全消失，证明硅氢加成反应已定量完成。特别值得注意的是，基于LSO 3的NPH-3样品显示出最低的残余硅氢和乙烯基振动强度，表明其交联密度最高，网络结构最为完善。
3.4. 固化行为与硬度性能
固化动力学研究表明，NPH-3在180℃下2.5小时即达到肖氏D硬度70，4.5小时后升至76.2，显著优于商用封装材料OE-6630（肖氏D硬度40）。这种优异的机械性能归因于LSO交联剂中多个硅氢反应位点实现的高密度交联网络，以及高苯基含量赋予的分子刚性。
3.5. 热稳定性性能
热重分析显示，NPH-3的5%热失重温度（Td5%）达342℃，在LED实际工作温度区间（150-200℃）表现尤为突出。200℃下NPH-3质量损失为0%，而NPH-1和NPH-2分别损失1.2%和0.1%。这种卓越的热稳定性源于PVO与LSO-3（苯基硅∶二甲基硅摩尔比=9∶4）形成的致密交联网络，以及高苯基含量带来的热阻效应。
3.6.1. 折射率与透光率性能
光谱椭偏测试表明，NPH-3在450、520和635nm波长下的折射率分别为1.61、1.59和1.58，创造了聚硅氧烷类材料的新纪录。与先前报道的PH（n=1.56）和PSH（n=1.60）体系相比，NPH-3在保持高透光率（96.5%@450nm）的同时实现了折射率的进一步提升。理论计算表明，封装材料折射率从1.60提升至1.61可使GaN（n≈2.5）界面的临界角从39.8°扩大至40.1°，光提取效率相对提升约1.4%，对高亮度LED器件性能优化具有重要意义。
3.6.2. 热光学性能
加速老化实验显示，NPH-3在200℃下经历72小时热老化后，450nm处透光率仅从96.5%降至96.0%，衰减幅度0.5%，远优于NPH-1（25.1%衰减）和NPH-2（47.17%衰减）。宏观照片证实NPH-3未出现明显黄变，而对比样品均发生显著 discoloration。这种抗热降解能力得益于LSO交联剂构建的高度均匀网络结构，有效抑制了降解敏感基团的形成。
该研究通过创新的分子设计，成功开发出综合性能优异的NPH-3封装材料。其高折射率（1.61@450nm）、高透光率（96.5%）、快速固化（4.5小时）、高硬度（76.2 Shore D）和卓越热稳定性（200℃下72小时透光率保持96%）的组合特性，突破了传统封装材料的性能极限。特别是基于线性硅氧烷低聚物的交联策略，实现了反应位点的全方位分布和网络均匀性控制，为高性能有机硅光学材料的设计提供了新范式。这项研究成果不仅适用于LED封装领域，更为高温光电系统、航空航天电子、汽车电子等苛刻环境下的光学应用开辟了新途径。
