聚乙烯/二氧化硅纳米复合材料微观结构与电学性能仿真
Simulation of Morphology and Electrical Properties of Polyethylene/Silicon Dioxide Nano-composite
聚乙烯由于优异的电绝缘性能被广泛地应用在电力设备的绝缘材料当中,在长期高电场强的作用下,材料绝缘性能会大幅降低甚至被击穿丧失绝缘性能.随着现代电气行业的飞速发展,对绝缘材料的要求越来越高.在聚乙烯中添加无机纳米粒子可以大幅提高材料的各种性能.通过实验对新材料进行改性和设计,实验现象并不能完全解释新材料性能变化的微观机理,因此,我们采用分子模拟技术从分子/原子的微观角度研究PE(聚乙烯)和PE/SiO2(聚乙烯/二氧化硅)纳米复合材料的性质.本文运用Materials studio软件建立无定型聚乙烯、二氧化硅以及由甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷改性剂改性的聚乙烯/二氧化硅界面模型.通过分子力学的方法,优化模型,得到相关的势能参数,进行分子动力学模拟,分析分子的运动轨迹,得到结构形态、能量、分子间相互作用力、杨氏模量、泊松比以及极化强度等性质.基于密度泛函理论计算聚乙烯和聚乙烯/二氧化硅模型的电子能量,分析能量数据的变化,计算出聚乙烯和由甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷改性剂改性的聚乙烯/二氧化硅界面模型的击穿场强和陷阱深度.运用软件中的Forcite模块和Dmol3模块分别计算PE和PE/SiO2模型的相关性质,得到结果文件,分析温度能量曲线,PE/SiO2纳米复合材料比PE具有更低的能量,具有更稳定的结构,模拟过程中也能更快达到平衡状态.在相同的电场强度下,PE和PE/SiO2的极化强度都随温度的升高而升高,且在同等温度下PE/SiO2的极化强度要比PE高.随着温度升高PE和PE/SiO2的杨氏模量和泊松比增大,同等温度下,PE/SiO2的杨氏模量和泊松比要PE高.计算在不同电场作用下PE和PE/SiO2界面模型的电子能量,随着电场增强,PE和PE/SiO2中的陷阱深度不断加深,达到了实验难以观测到的3ev的深度,当陷阱深度随着电场强度增强趋于平缓之时,PE和PE/SiO2纳米复合材料上的HOMO能级能量突变,电子从稳定的价带开始跃迁到导带,PE和PE/SiO2开始被击穿,PE/SiO2的击穿场强要比PE高.
- 作者：
- 郭睿
- 学位授予单位：
- 哈尔滨理工大学
- 专业名称：
- 高电压与绝缘技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 张晓虹
- 中图分类号：
- TB33；TM21
- 关键词：
- PE/SiO2纳米复合材料；分子模拟技术；陷阱；击穿场强
- PE/SiO2nano-composite; molecular simulation; trap; breakdown field strength;