TiO_2掺杂粒度对纤维素强度和热稳定性影响的分子模拟研究

变压器绝缘纸的主要成分为纤维素,为了提升绝缘纸的强度和热稳定性,利用纳米TiO_2掺杂纤维素,通过分子模拟方法研究不同纳米TiO_2粒度掺杂纤维素的强度和热稳定性.研究表明,纳米TiO_2使得纤维素强度提高,拉伸模量增大,抗形变能力增强,体积模量与剪切模量比值(K/G)增大,纤维素韧性增强;纳米TiO_2表面羟基与纤维素形成新的氢键网络使得径向分布函数峰值增大,复合体系更加稳定,其热稳定性增强.掺杂比例相同时,随着纳米TiO_2粒度减小,拉伸模量和柯西压增大,泊松比减小,纤维素的抗形变能力增强;纳米TiO_2表面羟基占有率越高,纳米TiO_2与纤维素越易形成氢键抑制纤维素链运动,纳米TiO_2也减小复合体系的自由体积,使得复合体系结构更加稳定,热稳定性更强.因此,掺杂小纳米TiO_2粒度是提升纤维素强度和热稳定性有效的方法.     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用.为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯(LDPE)、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型.研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基(-COOH)、氨基(-NH)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度(分别提高了16 K、7 K、5 K),减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强.此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%(羧基功能化体系).研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考.     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用,为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯（LDPE）、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型。研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基（-COOH）、氨基(-NH2)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度（分别提高了16k、7k、5k）、减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强;此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%（羧基功能化体系）。研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考。     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

绝缘油在水和酸共同作用下的分子动力学模拟

为探讨水分和温度对变压器油中酸扩散行为的影响,在分子模拟软件内建立了水分子、矿物油分子、甲酸分子的复合模型,水的体积分数分别为1%,3%,5%,甲酸的质量分数为3%.通过分子动力学方法模拟计算了甲酸分子在不同含水量油模型中的扩散系数、径向分布函数以及复合模型的总动能;此外,选取了水体积分数为1%的复合模型为研究对象,以温度为变量进行动力学模拟.结果表明:随着水含量的增多,甲酸的扩散系数并没有逐渐增大,甲酸分子与水分子之间的氢键数目呈逐渐减少的趋势.而随着温度的升高,油模型具有的动能越大,酸分子的扩散逐渐增强.油模型中,含水量越多,水和酸在热运动下碰撞油分子的能量越大;温度越高,相互之间的碰撞越激烈.模拟结果说明水分增加或温度增高,均对油分子的结构稳定性造成一定程度的破坏.     

绝缘油在水和酸共同作用下的分子动力学模拟

为探讨水分和温度对变压器油中酸扩散行为的影响,在分子模拟软件内建立了水分子、矿物油分子、甲酸分子的复合模型,水的体积分数分别为1%,3%,5%,甲酸的质量分数为3%.通过分子动力学方法模拟计算了甲酸分子在不同含水量油模型中的扩散系数、径向分布函数以及复合模型的总动能;此外,选取了水体积分数为1%的复合模型为研究对象,以温度为变量进行动力学模拟.结果表明:随着水含量的增多,甲酸的扩散系数并没有逐渐增大,甲酸分子与水分子之间的氢键数目呈逐渐减少的趋势.而随着温度的升高,油模型具有的动能越大,酸分子的扩散逐渐增强.油模型中,含水量越多,水和酸在热运动下碰撞油分子的能量越大;温度越高,相互之间的碰撞越激烈.模拟结果说明水分增加或温度增高,均对油分子的结构稳定性造成一定程度的破坏.     

绝缘油在水和酸共同作用下的分子动力学模拟

为探讨水分和温度对变压器油中酸扩散行为的影响,在分子模拟软件内建立了水分子、矿物油分子、甲酸分子的复合模型,水的体积分数分别为1%,3%,5%,甲酸的质量分数为3%.通过分子动力学方法模拟计算了甲酸分子在不同含水量油模型中的扩散系数、径向分布函数以及复合模型的总动能;此外,选取了水体积分数为1%的复合模型为研究对象,以温度为变量进行动力学模拟.结果表明:随着水含量的增多,甲酸的扩散系数并没有逐渐增大,甲酸分子与水分子之间的氢键数目呈逐渐减少的趋势.而随着温度的升高,油模型具有的动能越大,酸分子的扩散逐渐增强.油模型中,含水量越多,水和酸在热运动下碰撞油分子的能量越大;温度越高,相互之间的碰撞越激烈.模拟结果说明水分增加或温度增高,均对油分子的结构稳定性造成一定程度的破坏.     

纳米SiO_2掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能影响的研究

为了进一步了解SiO_2纳米粒子掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能的影响以及有、无水环境下芳纶绝缘纸性能的变化,本文利用分子动力学的方法建立了有水存在的芳纶分子模型、经SiO_2纳米掺杂后的芳纶分子模型以及无水参与的芳纶分子模型,研究了SiO_2纳米掺杂和水分对芳纶绝缘纸在玻璃转化温度、均方位移及力学模量方面的影响.研究结果表明,水分的存在使得芳纶绝缘纸的玻璃转化温度由原先的549 K降为523 K,在此基础上进行纳米SiO_2掺杂后玻璃转化温度可以由523 K提升到530 K.与无水环境芳纶绝缘纸的均方位移相对比可以发现,水分的存在在一定程度上提高了芳纶分子的链运动进而削弱了绝缘纸的热稳定性,而SiO_2纳米改性可以减弱水分对芳纶绝缘纸的这种不利影响.改性后的绝缘纸在有水环境下的力学性能得以提升,通过对比有、无水环境下芳纶绝缘纸的力学模量可以发现,一定水分的加入反而使得绝缘纸的力学性能得到了一定的提升.最后对所得模拟结果进行了理论分析,为提升芳纶绝缘纸的性能提供了有益的参考.     

用光刺激放电法研究纳米粉末掺杂低密度聚乙烯中陷阱能级

通过光刺激放电(PSD)技术研究了纳米粉末掺杂低密度聚乙烯(LDPE)中的陷阱能级.利用连续扫描法得到了不同掺杂比例的Al₂O₃,MgO纳米粉末掺杂试样以及相同掺杂比例的多种纳米粉末掺杂试样的PSD电流谱,定性地得出了试样陷阱能级的深浅变化.分步扫描法定量地描述了LDPE试样在Al₂O₃纳米掺杂前后陷阱能量分布的变化.结果表明,掺杂比例大于0.2%的Al₂O₃纳米粉末掺杂、大于0.5%的MgO纳米粉末掺杂能够显著地使得LDPE陷阱能级变深.结合纳米掺杂对LDPE空间电荷注入影响的相关报道,可推测纳米掺杂对空间电荷注入的抑制与试样中陷阱能级变深存在密切的关联.     

高能量短脉冲激光作用水分子的动力学模拟

基于高能量短脉冲激光作用水分子实验的复杂性,需用采取一种比较准确且较为方便的方法来预测实验结果是必要的.本文采用分子动力学方法(Molecular Dynamics)对高能量密度短脉冲激光加载下的超临界水分子进行热力学分析及结构研究.结果表明,随着能量快速加入加载区域,水分子系统的温度迅速提高.同时,由于分子迅速向四周扩散,在加载区域产生空泡.其中,只有25.5%的能量用以提高水分子系统的动能(温度),其余的能量都用于增大水分子系统的势能(水分子间距).伴随着温度的提高,水分子热运动加快,有序程度逐渐减弱,O—H间距增加,水分子间的氢键作用减弱,分子极性降低.分子动力学模拟方法研究短脉冲高能量激光对水分子的作用,对水下激光微加工研究有一定指导意义.     

Water molecules migration at oil–paper interface under the coupling fields of electric and temperature: a molecular dynamics study

Moisture is an important factor affecting the insulation properties of transformers. Due to the limitations of macroscopic experimental methods, the diffusion of water at oil–paper interface cannot be accurately measured. Therefore, molecular dynamics method was used in this work to establish oil–paper layer model of 10⁵ atoms. Through jointly analysing the aggregation degree, diffusion coefficient, free volume as well as radial distribution function of water molecules, the diffusion mechanism of water molecules at oil–paper interface was studied. The results show that when the initial water content in paper was high, water molecules would accumulate at oil–paper interface to form the local high-water region during heating. The polarisation of the electric field strengthened the hydrogen bonding interaction between water molecules and increased the probability of occurrence of the high-water region. Meanwhile, electric field reduced the free volume and diffusion coefficient of water molecules and rendered its diffusion coefficient anisotropic. What’s more, when the electric field was combined with the temperature field, the electric field played a leading role in the diffusion of water molecules while the temperature field was less affected. Diffusion coefficients of water molecules at different temperatures from molecular dynamics simulations were well consistent with experimental results, which verified the rationality of the model.     

石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究

相变材料利用其相变潜热能力可吸收储存和释放利用热量,同时在相变过程中其温度浮动小,能够实现温度控制从而用于热管理.但是其低热导率和易泄露问题严重制约了其性能.石墨烯气凝胶因其丰富的多孔结构而具有较大的比表面积,可吸附相变材料解决其泄露问题,同时石墨烯的高导热系数可提高相变材料的热导率.这里选取正十八烷为相变材料,制备了不同质量分数的石墨烯气凝胶复合相变材料.测得石墨烯气凝胶含量为13.99 wt%的样品,其导热系数比纯正十八烷高出306.2%,熔化潜热和凝固潜热分别下降了13.8%和10.8%.分子动力学模拟结果表明,石墨烯气凝胶的引入会在一定程度上增强正十八烷分子的有序性和一致性,即在同一温度下复合相变材料中的正十八烷分子比纯正十八烷分子拥有更集中分布的末端距和扭转角,径向分布函数和自扩散系数都相对较低,说明石墨烯材料的引入可以提升正十八烷的导热系数.     

Stokes-Einstein relation in supercooled aqueous solutions of glycerol

The diffusion of glycerol molecules decreases with decreasing temperature as its viscosity increases in a manner simply described by the Stokes-Einstein relation. Approaching the glass transition, this relation breaks down as it does with a number of other pure liquid glass formers. We have measured the diffusion coefficient for binary mixtures of glycerol and water and find that the Stokes-Einstein relation is restored with increasing water concentration. Our comparison with theory suggests that adding water postpones the formation of frustration domains.     

Hydrogen bonds between water molecules: thermal expansivity of ice and water

The free energy components of two low pressure crystalline ices and an amorphous form of water are calculated over a wide range of temperatures. The Gibbs free energy at a given temperature is minimized with respect to volume of a system. This enables us to evaluate a thermal expansivity at fixed temperature and pressure from only intermolecular interaction potential. The negative thermal expansivity at low temperature is obtained for both crystalline ices and an amorphous form, which arises from the bending motion of hydrogen bonded molecules.     

Molecular dynamics simulation of gas diffusion behavior in polyethylene terephthalate/aluminium/polyethylene interface

Molecular dynamics (MD) simulations were performed to estimate the diffusion coefficients of O₂ and H₂O molecules in polyethylene terephthalate/aluminum/polyethylene interface at the temperature of 298 K. It came out that the diffusion coefficient of gasses in the interface is smaller than that of a single polymer, and the diffusion coefficients compare well with experimental data as well as previously published work. Furthermore, the diffusion coefficients of H₂O molecules in the interface are preferable to that of O₂ molecules. Interestingly, the largest diffusion coefficient was detected in the polyethylene terephthalate/aluminum(1 0 0)/polyethylene interface, while the smallest value of the diffusion coefficients was found in the polyethylene terephthalate/aluminum(1 1 1)/polyethylene interface. Calculation and analysis of the interaction between aluminum and polymers indicated that the interaction of polymer/aluminum(1 1 0) has the most interface strength, and crystal density of the metal surface has a definite effect on the planar interface energy. What’s more, the figure of gas molecule concentration is further resulted that the interface make contribution to adsorption of gas molecules. Moreover, the diffusion is belonging to the Einstein diffusion in the multilayer materials, and this work provides some key clues to improve the performance of polymer materials.     

电场和温度对聚合物空间电荷陷阱性能的影响

模拟分子的结构和行为有助于更深刻地分析空间电荷陷阱性能变化的微观机理.利用Materials studio软件建立聚乙烯模型,通过分子链段运动产生的能量和自由体积变化对微观结构和电荷陷阱进行分析.结果表明:温度由298 K逐渐升高至363 K的过程中,聚合物分子热运动加剧导致的滑移扩散现象,使自由体积和陷阱能级在363 K处分别出现1542.07 ~3和0.66 eV的最大值和最小值.然而在Z轴方向施加0.0007 Hartree/Bohr(1 Hartree/Bohr=5.2×10~(11)V/m)电场作用时,由于电致伸缩产生Maxwell应力,使分子链段出现局部有序排列,增大范德瓦耳斯能至-360.18 kcal/mol(1 kcal/mol=4.18 kJ/mol),而自由体积降低了279.77 ~3,导致陷阱能级减小0.45 eV.当363 K和0.0007 Hartree/Bohr联合作用时,聚乙烯的陷阱能级相比同温无电场作用降低0.17 eV.分子模拟结果与实测结果相符.利用分子热运动和电致伸缩效应,初步探讨了材料自由体积和范德瓦耳斯相互作用能变化的微观机理,证实分子链段运动改变了微观结构,从而影响电荷陷阱特性.并且与温度相比,电场作用会使材料产生更低能级的空间电荷陷阱.     

浓悬浮液中渗透性颗粒的扩散特性研究

本文利用浓悬浮液中渗透性颗粒的短时扩散动力学数值模拟的结论,并结合Cohen-de Schepper近似和Percus-Yevick近似,研究了不同粒径渗透性颗粒的有效扩散系数随体积分数和渗透率的变化关系. 结果表明:对于浓悬浮液中一定粒径的渗透性颗粒,其扩散系数随渗透率的增加而增加,随体积分数的增加而减少;具有相同粒径与流体动力学屏蔽深度比值且波数较大的渗透性颗粒,其粒径对扩散的影响可以忽略. 关键词： 渗透性颗粒 有效扩散系数 体积分数 布朗运动短时区域