基于分子模拟的环氧-橡胶体系介电常数计算方法技术

本发明专利技术公开了基于分子模拟的环氧

【技术实现步骤摘要】
基于分子模拟的环氧
‑
橡胶体系介电常数计算方法


[0001]本专利技术属于绝缘材料性能分析
，涉及基于分子模拟的环氧
‑
橡胶体系介电常数计算方法。

技术介绍

[0002]环氧树脂与固化剂反应后能够形成具有三维交联网络的热固性材料，具有收缩率低、固化方便、击穿强度高、化学性能稳定等独特的优良性能，在航空航天、建筑行业、电子封装和电气绝缘等领域中得到了广泛的应用，尤其是环氧/酸酐固化体系具有较高的绝缘性能，是目前最常用的绝缘材料基材之一。随着电网高压、超特高压输变电技术的发展，电气设备的体积不断缩小，对环氧树脂绝缘材料的绝缘、耐老化和机械性能等提出了更为严苛的要求。
[0003]为了提高环氧树脂的韧性，在环氧基体中采用橡胶颗粒增韧，形成环氧
‑
橡胶体系，是目前增韧效果最好的方案之一。
[0004]介电常数是反映压电智能材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，不同用途的压电元件对压电智能材料的介电常数要求不同，根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。
[0005]为了确定环氧
‑
橡胶体系的介电常数，目前常用的方法是通过大量实验来确定，但实验制备复杂，对设备要求较高，所需试验周期长，步骤繁琐复杂，这样给人力、物力和财力资源造成了巨大的浪费，而且实验存在的人为误差较大，使最后的测量结果偏差较大。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于分子模拟的环氧
‑
橡胶体系介电常数计算方法，解决了现有实验确定方法所需周期长、人为误差大，使最后计算结果偏差较大的问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，基于分子模拟的环氧
‑
橡胶体系介电常数计算方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，通过Materialsstudio软件建立单一的环氧树脂和酸酐类固化剂的分子模型，几何优化获得能量最低构型；
[0009]步骤2，将优化后的环氧树脂、酸酐类固化剂分子模型放入立方体中混合均匀，形成无定形晶胞结构；
[0010]步骤3，设计环氧树脂与酸酐类固化剂的交联脚本，并预设交联反应条件；
[0011]步骤4，根据交联脚本以及预设的交联反应条件使无定形晶胞结构中环氧树脂与酸酐类固化剂分子进行交联反应，形成稳定的交联环氧树脂模型；
[0012]步骤5，根据羧基丁烯丙烯腈CTBN的分子结构构建橡胶分子模型，几何优化获得能量最低构型；
[0013]步骤6，设计交联环氧树脂与CTBN的交联脚本，预设交联反应条件，将优化后橡胶分子模型加入交联环氧树脂模型中，根据交联脚本和预设的交联反应条件使橡胶分子与交
联环氧树脂进行聚合反应，形成环氧/橡胶体系，最后计算环氧/橡胶体系的介电常数。
[0014]本专利技术的技术特征还在于，通过Forcite模块对分子模型进行几何优化，获得能量最低构型。
[0015]步骤2中，采用Amorphouscell模块将优化后的两种分子模型以1:1的比例放入三维立方体中，设置初始密度和最初能反应的立方细胞大小，并在该所述立方体上施加周期的边界条件，消除边界影响。
[0016]步骤3中，基于环氧树脂中羟基、环氧基与酸酐类固化剂进行的循环反应机理，根据“最近邻近似”原则设计环氧树脂与酸酐类固化剂的交联脚本。
[0017]设计交联脚本，包括读入设定的反应原子列表，然后进行初始化，设定迭代次数和截断半径，再对模型进行第一层几何优化，判断反应半径内是否有反应原子对，如果有，先进行交联反应，再进行第二次几何优化，然后进行退火处理，如果没有，增大反应半径，更新反应原子列表，返回到进行第一次几何优化的步骤重新进行；退火处理完成后，判断迭代次数是否小于设定值，如果是，增大迭代次数，更新反应原子列表，返回到进行第一次几何优化的步骤重新进行，如果不是，判断反应距离是否到最大值，如果是，结束流程，如果不是，增大反应半径，更新反应原子列表，返回到进行第一次几何优化的步骤重新进行。
[0018]步骤6中，基于环氧树脂末端的C原子和CTBN末端的羧基上的O原子进行连接的反应机理，改进环氧树脂与酸酐类固化剂的交联脚本，得到交联环氧树脂与CTBN的交联脚本；
[0019]预设交联反应条件，包括预设初始反应距离、迭代增加距离、迭代次数、最终反应距离和反应起始温度。
[0020]步骤4中，无定形晶胞结构中环氧树脂与酸酐类固化剂分子进行交联反应后，形成交联环氧树脂模型，采用Forcite模块对所述模型进行几何优化，得到能量最低构型，并进行NVT动力学模拟以平衡构型，最终形成稳定的交联环氧树脂模型。
[0021]步骤6中，计算环氧/橡胶体系的介电常数前，先对其进行几何优化得到得到能量最低构型，然后通过以下公式计算环氧/橡胶体系的介电常数ε：
[0022]ε＝(ε1+ε2)/2(1)
[0023][0024][0025][0026]式中，ε1、ε2和ε
∞
均为中间变量，M是环氧/橡胶体系在一个时间步的偶极矩，从Castep模块中直接读出，<M2>是对环氧/橡胶体系运行轨迹中的每一个采样的偶极矩依次平方后求和再平均；<M>2是对环氧/橡胶体系运行轨迹中所有采样的偶极矩平均后再平方，V是环氧/橡胶体系的体积，T是环氧/橡胶体系的热力学温度，k
B
是玻尔兹曼常数，ε0是真空介电常数，α是极化率，<v>是环氧/橡胶体系的平均分子体积。
[0027]本专利技术的有益效果是，通过Materialsstudio软件进行环氧树脂、甲基六氢苯酐、CTBN的建模，并通过设计交联脚本使它们形成环氧/橡胶体系，最后通过统计平均偶极矩计
算得到相对介电常数，所需时间短，人为误差小，大大提高了计算结果的准确度。
附图说明
[0028]图1是本专利技术中环氧树脂与酸酐类固化剂的反应机理图；
[0029]图2是本专利技术基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法中设计交联脚本的流程图；
[0030]图3是本专利技术中交联度为95％的交联环氧树脂模型；
[0031]图4是本专利技术中环氧树脂与CTBN的反应机理图；
[0032]图5是本专利技术实施例中环氧/橡胶体系的相对介电常数随CTBN含量的变化曲线。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0034]本专利技术一种基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，包括以下步骤：
[0035]步骤1，基于分子动力学模拟，通过Materials Studio软件建立单一的双酚A型环氧树脂DGEBA和甲基六氢苯酐固化剂分子模型，通过Forcite模块对这两种分子模型进行几何优化，获得能量最低构型，然后对环氧树脂环氧基末端的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过Materialsstudio软件建立单一的环氧树脂和酸酐类固化剂分子模型，几何优化获得能量最低构型；步骤2，将优化后的环氧树脂、酸酐类固化剂分子模型放入立方体中混合均匀，形成无定形晶胞结构；步骤3，设计环氧树脂与酸酐类固化剂的交联脚本，并预设交联反应条件；步骤4，根据交联脚本以及预设的交联反应条件使无定形晶胞结构中环氧树脂与酸酐类固化剂分子进行交联反应，形成稳定的交联环氧树脂模型；步骤5，根据羧基丁烯丙烯腈CTBN的分子结构构建橡胶分子模型，几何优化获得能量最低构型；步骤6，设计交联环氧树脂与CTBN的交联脚本，预设交联反应条件，将优化后橡胶分子加入交联环氧树脂模型中，根据交联脚本和预设的交联反应条件使橡胶分子与交联环氧树脂进行聚合反应，形成环氧/橡胶体系，最后计算环氧/橡胶体系的介电常数。2.根据权利要求1所述的基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，其特征在于，通过Forcite模块对分子模型进行几何优化，获得能量最低构型。3.根据权利要求1所述的基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，其特征在于，所述步骤2中，采用Amorphouscell模块将优化后的两种分子模型以1:1的比例放入三维立方体中，设置初始密度和最初能反应的立方细胞大小，并在该所述立方体上施加周期的边界条件，消除边界影响。4.根据权利要求1所述的基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，其特征在于，所述步骤3中，基于环氧树脂中羟基、环氧基与酸酐类固化剂进行的循环反应机理，根据“最近邻近似”原则设计环氧树脂与酸酐类固化剂的交联脚本。5.根据权利要求4所述的基于分子模拟的环氧
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橡胶体系介电常数计算方法，其特征在于，设计交联脚本，包括读入设定的反应原子列表，然后进行初始化，设定迭代次数和截断半径，再对模型进行第一层几何优化，判断反应半径内是否有反应原子对，如果有，先进行交联反应，再进行第二次几何优化，然后进行退火处理，如果没有，增大反应半径，更新反应原子列表，返回到进行第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王闯，穆明宇，朱卫宇，张浩林，陈驰，张在秦，赵妮，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：