外电场下交联聚乙烯电介质材料分子结构变化及其电老化微观机理研究

为了从微观角度分析交联聚乙烯(XLPE)材料的电树枝老化,本文采用分子模拟方法计算并优化得到了XLPE分子结构.沿着聚乙烯链施加不同大小电场强度,分析交联聚乙烯分子的几何结构、偶极矩、极化率、电荷分布、前线轨道能量和红外光谱变化规律.计算结果表明,随着外电场的增大,交联聚乙烯分子红外光谱发生较大变化;当外施电场达到0.026a.u.后,红外光谱图中出现虚频,表明分子空间结构不再稳定,易发生断键;另外从前线轨道图的变化可以看出断键现象最先发生在交联聚乙烯链端部;沿着电场方向,原子所带电荷量由交联处向端部转移,当外施电场达到0.029a.u.后,链端部的C-H和C-C键断裂产生H·和CH_3·自由基.游离的自由基会形成空间电荷并发生积聚,产生局部较大场强,从而进一步影响交联聚乙烯链的空间结构.而电介质内部微观特性的变化必定会导致交联聚乙烯材料绝缘性能的下降,这些变化对揭示交联聚乙烯电缆电树枝形成的微观规律具有重要研究意义.     

基于密度泛函理论的外电场下盐交联聚乙烯分子的结构及其特性

交联聚乙烯是主要的高压电缆绝缘材料.为了研究外电场对盐交联分子结构的影响,本文对Zn原子使用def2-TZVP基组, C, H, O原子使用6-31G(d)基组,运用明尼苏达密度泛函(M06-2X)对交联聚乙烯分子进行优化得到了它的稳定结构.并研究了不同外电场(0—0.020 a.u., 1 a.u.=5.142×10~(11)V/m)作用下盐交联聚乙烯分子结构和能量变化,外电场对前线轨道的能级和成分的影响,原子之间的键级、断键和红光光谱的变化.研究结果表明:随着电场的增大,交联聚乙烯分子从空间网状结构逐渐变成线性结构,总能量降低,但势能增大,偶极矩和极化率升高,交联聚乙烯分子的稳定性随着电场的增大而降低;最高占据轨道能级持续增大,最低空轨道能级从0.011 a.u.电场开始持续降低,能隙持续降低,临界击穿场强为11.16 GV/m;沿电场方向聚乙烯链端表现出亲核反应活性,它的C—C键更容易断裂,形成甲基碳负离子,逆电场方向聚乙烯链端表现出亲电反应活性,它的C—H键更容易断裂形成H正离子;分子红外光谱高频区吸收峰明显红移,低频区吸收峰既有红移又有蓝移.     

外场下二甲基硅酮双自由基的从头计算研究

本文首先采用密度泛函(DFT)方法在6-311+g(2d,p)基组水平上计算研究了二甲基硅酮双自由基的红外振动光谱和核磁共振化学位移,而后在同样的基组水平上采用含时密度泛函(TDDFT)方法研究了外电场对二甲基硅酮双自由基的激发态、偶极矩和分子能量的影响,结果表明,不同方向的外加电场对他们的影响情况各不相同,沿X、Y方向的电场对激发态的激发能、振子强度影响在外加电场为0.005～0.010 a.u.是转折点,沿Z方向的电场在电场强度为0.015 a.u.是转折点.沿Y方向的外电场对分子的偶极矩、分子能量影响最大,沿X方向的外电场次之,沿Z方向的外电场对偶极矩和分子能量影响最小.     

四臂星型聚电解质刷在外加三价盐离子和电场下的塌缩

本文采用Langevin动力学模拟的方法,研究存在三价盐离子时,接枝在带相反电荷的极板上的部分带电的四个臂星型链呈现出的塌缩现象. 结果表明,在电场作用下,接枝星型链的平均带电分数和盐浓度在带电单体和三价盐离子的竞争性吸附中起关键作用. 对于接枝在带相反电荷的极板上的带电分数较高的星型链,刷子会塌缩到接枝极板上,并会产生极板表面电荷的过度补偿现象. 当带电分数较低时,如果星型链所带电荷数与三价盐离子电荷数相同,即使在很低的盐浓度下,极板对三价盐离子的吸引能力也高于对星型链中的带电单体的吸引. 结果表明,星型链在带电分数较低的情况下,三价盐离子的加入不会导致接枝电极表面电荷的过度补偿. 此外,本文还研究了三价盐离子对电场作用下星型刷的拉伸的影响.     

自由基分子BeH外电场特性

本文采用量子力学从头算方法,运用密度泛函B3LYP方法在6-311G基组水平上对不同外加电场(-0.02—0.02 a.u.)下自由基分子BeH基态的稳定电子结构进行了计算,研究了外电场对BeH分子键长、能量、电荷分布、能级分布、能隙及红外光谱的影响规律.结果表明,随着H→Be方向外电场的增加,分子键长、原子电荷值、偶极矩以及红外强度递减;而能量、能隙和振动频率递增.另外,随着反向电场(Be→H)的增加,能量较大幅度升高.     

四臂星型聚电解质刷在外加三价盐离子和电场下的塌缩（英文）

本文采用Langevin动力学模拟的方法,研究存在三价盐离子时,接枝在带相反电荷的极板上的部分带电的四个臂星型链呈现出的塌缩现象.结果表明,在电场作用下,接枝星型链的平均带电分数和盐浓度在带电单体和三价盐离子的竞争性吸附中起关键作用.对于接枝在带相反电荷的极板上的带电分数较高的星型链,刷子会塌缩到接枝极板上,并会产生极板表面电荷的过度补偿现象.当带电分数较低时,如果星型链所带电荷数与三价盐离子电荷数相同,即使在很低的盐浓度下,极板对三价盐离子的吸引能力也高于对星型链中的带电单体的吸引.结果表明,星型链在带电分数较低的情况下,三价盐离子的加入不会导致接枝电极表面电荷的过度补偿.此外,本文还研究了三价盐离子对电场作用下星型刷的拉伸的影响.     

LiF分子在外电场中的物理性质研究

本文采用量子力学从头算方法,运用密度泛函B3LYP方法在6-311基组水平上, 对不同外加电场(--0.15---0.15a.u.) 作用下LiF分子基态的稳定电子结构进行了计算,研究了外电场对LiF分子键长、能量、电荷分布、能级分布、能隙及红外光谱的影响规律.结果表明,随着Z方向外电场的增加,分子键长、偶极矩和能隙递增,原子电荷也递增,总能量降低, 频率及其红外强度递减, LiF基态分子势能曲线降低,离解能减小.     

电场作用下C60富勒烯分子的几何构形与电子结构

采用分子动力学与半经验量子力学相结合的方法,对不同强度电场作用下C60富勒烯分子的体积、形变、电荷分布、偶极矩、系统能量、分子轨道能级等进行了计算,分析了外加电场对C60富勒烯分子几何构形、电子结构的影响.研究结果表明:①在电场作用下,C60富勒烯发生极化,分子沿电场方向伸长,沿垂直电场的方向缩短,体积膨胀.当电场强度增至0.102 a.u.时,C60分子构形破坏.②随着外加电场强度的增加,C60分子的偶极矩增大,系统能量、LUMO,HOMO能级减小,但LUMD,HOMO之间的能隙却先是减小,然后增大.     

电场对分子线电荷密度的影响

本文以分子2-氨基5-硝基-1,4-二乙炔基-4'-苯硫醇基苯为研究对象,该分子通过硫氢官能团化学吸附于两金表面构成一分子线.从第一性原理出发利用密度泛函理论优化了该分子体系的几何结构,计算了分子线的电子结构.外加电场将影响分子的电子结构,从而进一步影响电子在分子线内的输运,本文主要对不同电场下分子线的电荷密度分布进行了讨论与计算.该工作将有利于未来分子电子学器件的设计.     

一氟二氯乙烷分子在外电场中的光谱特征和解离特性

利用密度泛函理论在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上研究不同外加电场下(-0.05～0.05 a.u.)一氟二氯乙烷分子的光谱特征和解离特性,其中包括该分子基态结构、总能量、偶极矩、最高占据轨道能级、最低空轨道能级、能隙、红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光吸收光谱及C原子与Cl原子间势能曲线等数据在电场下的变化趋势。在y轴方向上,随着负向电场的增强,C原子与Cl原子核间距增长、最高占据轨道能级减小,体系总能量、最低未占据轨道能级、能隙先增大后减小,偶极矩先减小后增加。外加电场会影响一氟二氯乙烷分子红外光谱、拉曼光谱与紫外可见光吸收光谱的吸收强度和吸收峰频率,红外光谱、拉曼光谱与紫外可见光吸收光谱随着电场变化出现红移或蓝移现象。C原子与Cl原子间势垒随着负向电场增加逐渐减小,并在电场达到-0.05 a.u.时C原子与其中一个Cl原子发生断裂,当分子中一个C—Cl键断裂后,施加强度为-0.04 a.u.的电场时另外一个C—Cl键发生断裂,分子在电场下发生逐步解离,研究结果完善了一氟二氯乙烷分子受外电场影响的理论数据。     

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.     

CH自由基在外电场中的分子结构和势能函数

运用密度泛函B3P86方法,结合Dunning的相关一致五重基cc-PV5Z,获得了CH自由基分子在不同外电场中的键长、偶极矩和振动频率等物理性质参数.通过分析物理性质参数的变化,判断离解电场所处的范围,设置合适的参数扫描该范围的单点能获得势能曲线.结果表明物理性质参数和势能值随外电场的变化而变化,且反向电场中变化幅度较大.利用Morse势模型拟合无外场下势能函数,得到的拟合参数与实验值吻合较好,采用偶极近似构建外电场下的势能函数模型,编制程序拟合对应的势能函数,得出拟合参数,进而计算临界离解电场参量,结果与数值计算值较为一致,说明构建的模型是可靠和准确的.这为分析外场下分子光谱、动力学特性和分子Stark效应冷却囚禁提供重要的理论和实验参考.     

外电场下GaN的特性研究

以6-311G(3df,3pd)为基组,采用B3PW91方法优化得到GaN基态分子的几何结构,并探究了电场对GaN分子基态能量、电荷布居数、键长、偶极矩、振动频率、红外光谱强度、HOMO、LUMO能级影响.研究表明:无电场时,谐振频率值为576.2218 cm~(-1),与实验值484.9 cm~(-1)很接近.有电场时,键长、偶极矩、能隙Eg、电荷布居数、红外谱强度、HOMO和LUMO能级随电场的增大而减小;谐振频率和分子总能量随电场的增加而增加.谐振频率和红外谱强度对电场有着明显的依赖关系,这对材料的光学特性研究有提供理论参考.     

外电场对BeH分子结构和势能函数的影响

采用密度泛函B3P86方法,结合Dunning的相关一致五重基cc-PV5Z,设置不同的外电场参量进行优化计算,获得了不同外电场下Be H分子的键长、偶极矩、振动频率和红外光谱等物理性质参数.通过分析参数随外电场的变化关系,判断离解电场所处的范围,设置合适的外电场参数,采用单双取代耦合团簇CCSD(T)方法,扫描计算该范围的单点能获得其势能曲线.结果分析表明物理性质参数和势能随外电场的变化而变化,且外加反向电场时变化幅度更大.采用偶极近似构建外电场下的势能函数模型,编制程序拟合对应的势能函数,得出拟合参数,进而计算临界离解电场参量,结果与数值计算和理论分析较为一致,说明构建的模型是合理和可靠的.这为分析外场下分子光谱、动力学特性和分子Stark效应冷却囚禁提供重要的理论和实验参考.     

外电场对BeH分子结构和势能函数的影响

采用密度泛函B3P86方法, 结合Dunning的相关一致五重基,设置不同的外电场参量进行优化计算,获得了不同外电场下BeH分子的键长、偶极矩、振动频率和红外光谱等物理性质参数. 通过分析参数随外电场的变化关系,判断离解电场所处的范围,设置合适的外电场参数,采用单双取代耦合团簇方法,扫描计算该范围的单点能获得其势能曲线. 结果分析表明物理性质参数和势能随外电场的变化而变化,且外加反向电场时变化幅度更大.采用偶极近似构建外电场下的势能函数模型,编制程序拟合对应的势能函数,得出拟合参数,进而计算临界离解电场参量,结果与数值计算和理论分析较为一致,说明构建的模型是合理和可靠的.这为分析外场下分子光谱、动力学特性和分子Stark效应冷却囚禁提供重要的理论和实验参考.     

外电场下二氧化锆的分子结构及其特性

对O原子采用6-311++G*基组,Zr原子采用aug-cc-pVTZ-PP基组,利用密度泛函(B3P86)方法优化得到了ZrO2分子的稳定构型,并研究了不同外电场(0—0.025 a.u.)作用下ZrO2基态分子键长、能量、电荷分布、偶极矩和能级的变化规律.在优化构型的基础上,利用含时密度泛函(TD-B3P86)方法研究了ZrO2分子在外电场作用下前6个激发态的激发能、跃迁波长和振子强度的激发特性.研究结果表明:随着电场强度的增大,Zr—2O的键长增大,而Zr—3O的键长均匀减少,总能量降低,偶极矩增大;最高占据轨道能量基本保持不变,最低未占据轨道和能隙均减小.电场的增大使得激发能减小,各个激发态跃迁波长均发生不同程度的红移现象,因而,利用外电场可以控制ZrO2的发光光谱范围在可见-红外区域扩展.     

外电场对CO分子及离子性质的调制和降解

基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-311G++基组水平上,计算研究外加电场下CO分子及离子物理性质,包括总能量、键长、电荷分布、能级分布和红外光谱,并根据势能曲线研究CO外加电场下的降解。随着外电场逐渐增大(- 0.015 a. u.~0.015 a. u.),CO的性质发生明显的变化, 电场增大到一定程度时可实现CO分子降解。同样,CO⁺离子的总能量随电场的增大逐渐减小,键长变长,偶极矩逐渐变大,分子能隙在Alpha轨道中逐渐减小,在Beta轨道中逐渐增大,红外光谱的强度相应逐渐增大。电场从0.0 a. u增大到0.150 a. u.时,势能曲线的变化同样表明CO⁺离子离解能减小。电场增大到一定程度时可实现CO⁺离子降解。