一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，包括以下步骤：S1：构建硅橡胶分子模型，并对模型进行能量最小化计算与结构优化；S2:选定反应力场，包含硅橡胶体系的所有元素类型，并优化力场文件参数；S3：编写in文件，包括定义反应初始化体系、导入模型与反应力场、根据实际工况设置计算参数，进行硅橡胶裂解反应力场模拟；S4：输出裂解计算结果，基于微观指标判定材料完全裂解，并分析硅橡胶材料裂解过程；S5：基于元素标记追踪法追踪主要产物生成过程，总结裂解机理。此发明专利技术从微观角度阐述硅橡胶材料在恶劣环境下裂解破坏的动态过程，以期弥补宏观实验条件的局限性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法


[0001]本专利技术涉及绝缘材料性能评估
，尤其涉及一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法。

技术介绍

[0002]高温硫化硅橡胶因其良好的绝缘性能和憎水性能被广泛应用于制作复合绝缘子的伞裙和护套。运行实践表明，硅橡胶复合绝缘子能明显降低事故发生率。但长期工作在如高海拔、多沙尘、污染重等复杂恶劣环境地区的复合绝缘子依然会产生热老化、电老化，严重时会产生不同程度的电晕、电弧放电，导致闪络事故发生。且有机材料的耐老化性能、耐电弧性能比无机材料弱，在运行过程中往往受到的侵蚀破坏程度更深。
[0003]复合绝缘子老化最普遍最基本的形式就是电、热老化，极端恶劣环境下发生的闪络更是涉及电、热和化学的复杂过程。在温度和电场强度的协同作用下，硅橡胶材料发生裂解破坏，绝缘性能劣化甚至失效。
[0004]目前国内外学者主要通过红外光谱分析、热重分析、紫外成像分析等宏观试验手段研究绝缘材料的裂解和性能下降情况。不同宏观试验测试从多个角度对材料性能变化做出了合理论断，但上述测试无法追踪分析硅橡胶材料裂解的动态反应机理，也无法在微观层面解释裂解导致性能劣化的原因。而材料裂解的本质就是材料内部化学键断裂重组，微观结构发生不可逆破坏。
[0005]反应力场模拟方法作为分子模拟技术的一个应用分支，能模拟实际工况的计算参数与环境参数，从微观角度模拟原子层面的化学反应过程。因此基于反应力场模拟研究恶劣环境下硅橡胶材料动态裂解过程能有效分析材料裂解机理，评估材料性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，从微观角度阐述硅橡胶材料裂解破坏的动态过程，以期弥补宏观实验条件的局限性。
[0007]为实现本专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，包括以下步骤：
[0009]S1:基于分子模拟软件构建硅橡胶主链和交联剂分子模型，采用蒙特卡洛方法构建交联体系，并对模型进行能量最小化计算和密度优化，使结构更稳定；
[0010]S2:选定反应力场，包含硅橡胶体系的所有元素类型，对硅橡胶分子链进行DFT量子化学计算，根据计算的电荷分布、键能等结果优化力场文件参数；
[0011]S3:编写in文件，包括定义反应初始化体系、导入模型与反应力场、根据实际工况设置裂解温度和电场强度、设置计算参数，基于Lammps软件进行硅橡胶裂解反应力场模拟；
[0012]S4:输出裂解计算结果，基于微观指标判定材料完全裂解，并分析硅橡胶材料裂解过程；
[0013]S5:将Lammps计算裂解得到的dump文件导入ovito软件，基于元素标记追踪法在
ovito软件中追踪主要产物生成过程，总结裂解机理。
[0014]进一步的，所述步骤S1中交联温度为400K
‑
500K，交联力场选择COMPASSII力场，对体系设置周期性边界条件，能量最小化计算方法选择共轭梯度法，基于NPT系综进行体系密度优化，采用Ewald法描述分子间作用力；
[0015]所述步骤S3中反应体系单位统一为real，原子类型设为charge，反应体系选用Nose
‑
Hoover法进行温度与压力控制，选用高斯分布算法设置体系初始速度，采用QEq法计算体系电荷分布，反应步长设为0.1fs，每隔100步输出。
[0016]进一步的，所述步骤S4中选取的微观指标为裂解产物分子总数、产物类型数、不同含碳量产物分子数、主要产物分子数，其中不同含碳量产物分子数根据裂解产物分子含碳原子数不同，将产物分子分为C0产物、C1‑3产物、C4‑6产物、C7‑9产物与C
10+
产物；
[0017]裂解产物数量需进行归一化处理，归一化处理公式为：
[0018]N＝n/n
a
；
[0019]式中N为归一化处理结果，n为裂解过程中的不同产物分子数，n
a
为体系总原子数，当产物的N大于0.01时，判定该产物为主要产物。
[0020]进一步的，所述步骤S4中用系数γ判断材料是否完全裂解，当γ的值小于0.05时，判定材料裂解完全；
[0021]系数γ的公式为：
[0022][0023]式中C
β
为t时刻前连续10次迭代步数时对应的不同含碳量产物分子数，为这10个不同含碳量产物分子数的平均值。α
β
为权重因子，β分别取1、2、3、4、5，分别表示C0产物、C1‑3产物、C4‑6产物、C7‑9产物与C
10+
产物；
[0024]权重因子α
β
表达式为：
[0025]α
β
＝C
βt
/C
t
；
[0026]其中C
βt
为t时刻不同含碳量产物分子数，C
t
为t时刻产物片段总数。
[0027]进一步的，所述步骤S5中的基于ovito软件进行元素标记追踪法具体为：
[0028](1)导入dump文件，按照反应步长设置为逐帧连续播放；
[0029](2)显示化学键，判断化学键断裂与生成的公式为：
[0030]B＝Le
r
[0031]式中B为成键阈值，L为两原子间共价半径之和，r为比例系数，当两原子间距离小于成键阈值B时，显示化学键连接；
[0032](3)标记裂解过程中需追踪的产物分子，更改粒子的显示尺寸与显示颜色，并使之随时间保持；
[0033](4)逐帧倒序追踪标记粒子，记录并分析该产物形成的过程与机制；
[0034](5)逐帧顺序追踪标记粒子，记录并分析该产物后续反应状态。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0036]本专利技术提出了一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，能够从微观角度模拟恶劣环境下硅橡胶材料裂解破坏的动态过程，基于微观指标解释硅橡胶性能
劣化导致绝缘失效的机理，既能有效降低实验成本和周期，还能弥补宏观实验条件的部分局限性，同时为硅橡胶复合绝缘子的电热稳定性提升及配方优化提供理论依据。
附图说明
[0037]图1为本专利技术的操作流程图
[0038]图2为硅橡胶分子交联模型图
[0039]图3为裂解产物分子总数及不同含碳数产物片段数随裂解时间变化情况
[0040]图4主要裂解产物随时间变化情况
[0041]图5基于ovito追踪标记的主要裂解产物
具体实施方式
[0042]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制专利技术的保护范围。
[0043]本专利技术的目的是针对现有宏观实验手段的局限性，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于分子模拟软件构建硅橡胶主链和交联剂分子模型，采用蒙特卡洛方法构建交联体系，并对模型进行能量最小化计算和密度优化，使结构更稳定；S2:选定反应力场，包含硅橡胶体系的所有元素类型，对硅橡胶分子链进行DFT量子化学计算，根据计算的电荷分布、键能等结果优化力场文件参数；S3：编写in文件，包括定义反应初始化体系、导入模型与反应力场、根据实际工况设置裂解温度和电场强度、设置计算参数，基于Lammps软件进行硅橡胶裂解反应力场模拟；S4：输出裂解计算结果，基于微观指标判定材料完全裂解，并分析硅橡胶材料裂解过程；S5：将Lammps计算裂解得到的dump文件导入ovito软件，基于元素标记追踪法在ovito软件中追踪主要产物生成过程，总结裂解机理。2.根据权利要求1所述的一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中交联温度为400K
‑
500K，交联力场选择COMPASSII力场，对体系设置周期性边界条件，能量最小化计算方法选择共轭梯度法，基于NPT系综进行体系密度优化，采用Ewald法描述分子间作用力；所述步骤S3中反应体系单位统一为real，原子类型设为charge，反应体系选用Nose
‑
Hoover法进行温度与压力控制，选用高斯分布算法设置体系初始速度，采用QEq法计算体系电荷分布，反应步长设为0.1fs，每隔100步输出。3.根据权利要求1所述的一种恶劣环境下硅橡胶材料裂解机理的反应力场模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中选取的微观指标为裂解产物分子总数、产物类型数、不同含碳量产物分子数、主要产物分子数，其中不同含碳量产物分子数根据裂解产物分子含碳原子数不同，将产物分子分为C0产物、C1‑3产物、C4‑6产物、C7‑9产物与C
10...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建文，马晓华，刘嘉伟，包丁煜，王路伽，安梦涵，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：