基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法与流程

本发明属于交联聚乙烯劣化研究，具体涉及一种基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法。

背景技术：

1、近年来，交联聚乙烯(cross linked polyethylene，xlpe)因其绝缘电阻高、耐电压性能好、介质损耗和介电常数小等优越的电气性能，已经成为主要的电力电缆绝缘材料。然而，聚合物在挤塑过程中总会残留一些交联副产物、气泡等杂质，当聚合物在高电场的长期作用下，这些杂质解离容易导致聚合物内部空间电荷的积累，可使局部电场强度发生严重的畸变，畸变场强在绝缘材料内部形成放电，引发水树枝和化学树枝，它们都将转化为电树枝而导致绝缘击穿，树枝状老化是引起交联聚乙烯电缆绝缘击穿的关键因素。因此对聚合物绝缘性能的研究有着重要意义。

2、目前国内外许多学者通过宏观试验、数学建模等方式探究了交联聚乙烯绝缘材料的性能及在电热作用下的劣化机理，但随着分子模拟技术的发展，其也越来越多地应用于高电压与绝缘技术领域。利用分子模拟技术仿真计算绝缘系统在特定温度、电场等工况下的反应过程，并分析材料的物化与电学特性，以进一步有针对性地从微观机制角度揭示绝缘材料的劣化与损坏过程，可为工程化的大尺度应用提供不可或缺的理论基础与技术方法，同时也能从分子层面为特殊材料的研发提供理论支撑。

3、然而现有针对交联聚乙烯绝缘材料的性能及在电热作用下的劣化机理的研究方法还存在未考虑内部的气体分子对交联聚乙烯绝缘性能的影响的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在解决现有针对交联聚乙烯绝缘材料的性能及在电热作用下的劣化机理的研究方法存在的上述问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

3、基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，包括如下步骤：

4、考虑交联聚乙烯内部的气体分子，通过材料模拟工具建立气体与交联聚乙烯混合体系模型；

5、选取典型粒子与混合体系模型封装建立高能粒子轰击模型进行仿真；

6、获取在粒子的轰击下，混合体系模型劣化过程在设定方面的仿真计算结果，基于仿真计算结果进行交联聚乙烯气固界面劣化机理研究。

7、进一步的，在建立气体与交联聚乙烯混合体系模型中，所考虑的交联聚乙烯内部的气体分子，至少包括：

8、交联聚乙烯热解时产生的气体、交联聚乙烯副产物的挥发气体和水蒸气。

9、进一步的，气体与交联聚乙烯混合体系模型具体采用materials studio软件中的amorphous cell模块建立得到。

10、进一步的，在建立气体与交联聚乙烯混合体系模型后，还包括：

11、利用forcite模块对建立的体系进行能量最小化计算，随后进行1次nvt平衡使得晶胞中链结构完全的驰豫，再进行一次npt平衡获得晶胞合理的密度。

12、进一步的，在对高能粒子轰击模型进行仿真时，通过ams软件中的reaxff力场仿真进行，采用reaxff力场仿真的molecule gun功能模拟粒子的轰击过程。

13、进一步的，在采用reaxff力场仿真进行仿真时，在高能粒子轰击模型的z轴上增加真空层为带能量的粒子的运动提供空间，粒子的位置设置在z轴顶部的平面上，每个粒子的水平位置随机分布，入射方向垂直于xoy平面。

14、进一步的，高能粒子轰击模型的下表面被弹性壁约束。

15、进一步的，仿真计算结果包括如下方面的结果：

16、混合体系模型中高能粒子的数量变化及体系温度演化情况、模拟过程中交联聚乙烯的归一化残余质量以及归一化质量密度的变化趋势以及高能粒子冲击的主要产物和小分子生成途径。

17、进一步的，归一化残余质量按照下式计算：

18、

19、式中，mnrm表示交联聚乙烯的归一化残余质量，mremnant表示残余固体质量，mtotal表示体系的总质量。

20、进一步的，归一化质量密度按照下式计算：

21、

22、式中，ρnmd表示交联聚乙烯的归一化质量密度，ρremnant表示残余固体密度，ρxlpe表示体系初始密度。

23、综上，本发明提供了一种基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，该方法考虑交联聚乙烯内部的气体分子，通过材料模拟工具搭建气体与交联聚乙烯混合体系模型作为研究对象，以探究不同气体分子对交联聚乙烯绝缘性能的影响；进而选取典型粒子与混合体系模型封装建立高能粒子轰击模型进行仿真；获取在粒子的轰击下，混合体系模型劣化过程在设定方面的仿真计算结果，从而进行交联聚乙烯气固界面劣化机理研究。本发明考虑气体分子对绝缘材料的影响，搭建气体与交联聚乙烯混合体系模型作为研究对象，可以获得不同气体分子与交联聚乙烯绝缘性能的关联关系。

技术特征：

1.基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，在建立气体与交联聚乙烯混合体系模型中，所考虑的交联聚乙烯内部的气体分子，至少包括：

3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，所述气体与交联聚乙烯混合体系模型具体采用materials studio软件中的amorphous cell模块建立得到。

4.根据权利要求2所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，在建立气体与交联聚乙烯混合体系模型后，还包括：

5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，在对高能粒子轰击模型进行仿真时，通过ams软件中的reaxff力场仿真进行，采用所述reaxff力场仿真的molecule gun功能模拟粒子的轰击过程。

6.根据权利要求5所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，在采用reaxff力场仿真进行仿真时，在所述高能粒子轰击模型的z轴上增加真空层为带能量的粒子的运动提供空间，粒子的位置设置在z轴顶部的平面上，每个粒子的水平位置随机分布，入射方向垂直于xoy平面。

7.根据权利要求6所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，所述高能粒子轰击模型的下表面被弹性壁约束。

8.根据权利要求1所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，所述仿真计算结果包括如下方面的结果：

9.根据权利要求8所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，所述归一化残余质量按照下式计算：

10.根据权利要求8所述的基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，其特征在于，所述归一化质量密度按照下式计算：

技术总结
本发明提供了一种基于分子动力学的交联聚乙烯气固界面劣化机理研究方法，属于交联聚乙烯劣化研究技术领域。该方法考虑交联聚乙烯内部的气体分子，通过材料模拟工具搭建气体与交联聚乙烯混合体系模型作为研究对象，以探究不同气体分子对交联聚乙烯绝缘性能的影响；进而选取典型粒子与混合体系模型封装建立高能粒子轰击模型进行仿真；获取在粒子的轰击下，混合体系模型劣化过程在设定方面的仿真计算结果，从而进行交联聚乙烯气固界面劣化机理研究。本发明考虑气体分子对绝缘材料的影响，搭建气体与交联聚乙烯混合体系模型作为研究对象，可以获得不同气体分子与交联聚乙烯绝缘性能的关联关系。

技术研发人员：周慧彬,董芝春,张欢欢,张志方,卢耀坤,彭华锋,李简,聂建聪
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21