一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法技术

本发明专利技术提供了一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，包括以相似聚乙烯分子模型作为分子模拟的处理对象，利用基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，随机形成指定数量的含有不同分子构型的无定型晶胞模型，对模型进行结构优化并计算初始能带结构；以指定步长对模型施加电场强度，并同时进行结构优化和能带结构计算，直到电场强度增加到结构优化无法进行时，则结束；根据所有无定型晶胞模型在不同电场强度下带隙数值得到带隙曲线，并以其中的特征数值来表征不同分子构型下交联聚乙烯的击穿性能。本发明专利技术基于蒙特卡洛方法，采用立方晶系将交联聚乙烯分子进行封装，搭建无定型区模型作为研究对象，使得计算结果更符合实际情况。际情况。际情况。

【技术实现步骤摘要】
一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法


[0001]本专利技术属于电缆击穿性能研究
，具体涉及一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法。

技术介绍

[0002]交联聚乙烯材料具有十分优越的电气、机械以及耐热耐压性能，而且交联聚乙烯绝缘电力电缆具有结构轻便、安装简单等优点。随着我国输电规模和用电负荷的增加、直流高压输电技术和电气化轨道交通的发展以及海缆研制计划的进行，交联聚乙烯材料已经成为中、高压电力电缆不可或缺的绝缘材料。交联聚乙烯在交直流输电中得到广泛的应用，很大程度上归因于交联聚乙烯介质本身微观结构的特性，通过传统实验方法无法从微观层面解释其击穿机理。所以随着理论化学的完善、以及基于密度泛函理论的商业化程序软件的成熟，量子化学模拟技术也逐渐开始应用于对介质绝缘性能的研究。
[0003]根据能带理论和固体介质理论的研究，带隙变窄，载流子浓度和载流子迁移率会大幅增加，从而使电导大增而导致击穿现象发生，因此，可将带隙作为击穿电压的表征量。
[0004]由于交联聚乙烯是球晶结晶区和无定形区两相共存高分子半结晶材料，其球晶是由放射状排列的片晶组成，片晶之间充斥着无定型区。相比于C
‑
H分子链规则排列的片状晶区而言，无定型晶区的情况更为复杂，是由不规则的较短的子链、水分子、气体分子、残留的交联剂等其他物质构成。电流在晶界无定型区流动时，会在由微孔、杂质构成的陷阱中产生空间电荷，因此电树枝容易沿含有微孔和杂质的晶界弱区发展。因此，在微观尺度上，交联聚乙烯的无定形区是击穿强度的薄弱区，现有的交联聚乙烯分子带隙计算的实现方案中未计及结晶区和无定形区的区别，使得最终计算结果偏离实际情况。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在解决现有的交联聚乙烯分子带隙计算的实现方案中未计及结晶区和无定形区的区别，使得最终计算结果偏离实际情况的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，包括如下步骤：
[0008]以相似聚乙烯分子模型作为分子模拟的处理对象，利用分子模拟软件中基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，随机形成指定数量的含有不同分子构型的无定型晶胞模型；
[0009]针对每个含有特定分子构型的无定型晶胞模型，进行结构优化并计算模型的初始能带结构；
[0010]以指定步长对模型施加电场强度，并同时对模型进行结构优化和能带结构计算，直到电场强度增加到结构优化无法进行时，则结束对模型的能带结构计算；
[0011]根据所有无定型晶胞模型在不同电场强度下的带隙数值得到带隙曲线，并以带隙曲线中的特征数值来表征不同分子构型下交联聚乙烯的击穿性能。
[0012]进一步的，相似聚乙烯分子模型具体为全同立构反式正癸烷分子模型，全同立构反式正癸烷分子模型包括10个碳原子和12个氢原子，碳碳单键键长为1.54埃，碳氢单键键长为1.1埃或者0.95埃。
[0013]进一步的，正癸烷分子模型由链长为5的烷烃分子搭建而成。
[0014]进一步的，利用分子模拟软件中基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，使用COMPASS力场和原子的非键作用力进行封装，设置密度为0.85g/cm3，随机形成指定数量的含有不同分子构型的立方晶系模型。
[0015]进一步的，对无定型晶胞模型进行结构优化具体包括：
[0016]利用分子模拟软件中DMol3模块的程序包，设置几何优化过程中的优化参数，进行结构优化。
[0017]进一步的，所设置的优化参数具体包括：
[0018]最大能量变化的收敛阈值为2.0e
‑5Ha、最大力的收敛阈值为最大位移的收敛阈值为最大位移几何优化循环的最大次数为200次。
[0019]进一步的，对模型进行能带结构计算具体包括：
[0020]选用梯度修正泛函GGA
‑
PBE，指定能带结构计算的参数，使用DIIS来加速SCF收敛，并将DIIS的值设为6，指定在频带结构计算中包含的空频带数为12，使用原子轨道基集DND3.5计算模型的初始能带结构。
[0021]进一步的，指定能带结构计算的参数具体包括：
[0022]指定SCF密度收敛的阈值为1.0e
‑5、能量计算所允许的最大SCF迭代次数为50，用于电荷密度多极表示的最大角动量函数为Hexadecapole，用于混合当前和以前迭代之间的电荷密度为0.2。
[0023]进一步的，指定步长的大小为0.001a.u.。
[0024]进一步的，带隙曲线中的特征数值具体包括：
[0025]带隙曲线中无外加电场下的初始带隙、带隙随电场强度的变化趋势和截止电场强度下的带隙值。
[0026]综上，本专利技术提供了一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，通过以相似聚乙烯分子模型作为分子模拟的处理对象，利用分子模拟软件中基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，随机形成指定数量的含有不同分子构型的无定型晶胞模型；针对该无定型晶胞模型，进行结构优化并计算模型的初始能带结构；以指定步长对模型施加电场强度，并同时对模型进行结构优化和能带结构计算，直到电场强度增加到结构优化无法进行时，则结束对模型的能带结构计算；根据所有无定型晶胞模型在不同电场强度下带隙数值得到带隙曲线，并以带隙曲线中的特征数值来表征不同分子构型下交联聚乙烯的击穿性能。本专利技术通过基于蒙特卡洛方法，采用立方晶系将交联聚乙烯分子进行封装，搭建无定型区模型作为研究对象，使得计算结果更符合实际情况。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其它的附图。
[0028]图1为本专利技术实施例提供的一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法的流程图；
[0029]图2为本专利技术实施例提供的交联聚乙烯微观结构示意图；
[0030]图3为本专利技术实施例提供的片晶微观结构示意图；
[0031]图4为本专利技术实施例提供的正癸烷分子模型图；
[0032]图5为本专利技术实施例提供的部分无定型晶胞模型图；
[0033]图6为本专利技术实施例提供的无定型晶胞模型的能带结构图；
[0034]图7为本专利技术实施例提供的部分无定型晶胞模型的带隙曲线缩略图。
具体实施方式
[0035]为使得本专利技术的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，其特征在于，包括如下步骤：以相似聚乙烯分子模型作为分子模拟的处理对象，利用分子模拟软件中基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，随机形成指定数量的含有不同分子构型的无定型晶胞模型；针对每个含有特定分子构型的无定型晶胞模型，进行结构优化并计算模型的初始能带结构；以指定步长对模型施加电场强度，并同时对模型进行结构优化和能带结构计算，直到电场强度增加到结构优化无法进行时，则结束对模型的能带结构计算；根据所有所述无定型晶胞模型在不同电场强度下的带隙数值得到带隙曲线，并以所述带隙曲线中的特征数值来表征不同分子构型下交联聚乙烯的击穿性能。2.根据权利要求1所述的不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，其特征在于，所述相似聚乙烯分子模型具体为全同立构反式正癸烷分子模型，所述全同立构反式正癸烷分子模型包括10个碳原子和12个氢原子，碳碳单键键长为1.54埃，碳氢单键键长为1.1埃或者0.95埃。3.根据权利要求2所述的不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，其特征在于，正癸烷分子模型由链长为5的烷烃分子搭建而成。4.根据权利要求2所述的不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，其特征在于，利用分子模拟软件中基于蒙特卡洛方法的无定形模型搭建模块，使用COMPASS力场和原子的非键作用力进行封装，设置密度为0.85g/cm3，随机形成指定数量的含有不同分子构型的立方晶系模型。5.根据权利要求1所述的不同分子构型下交联聚乙烯击穿性能表征方法，其特征在于，对无定型晶胞模型进行结构优化具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志方，冯宝，李蓓，吴章洪，邓小龙，彭华峰，张志强，李新海，陈权，蔡丹旭，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司中山供电局，
类型：发明
国别省市：