为深入研究聚酰亚胺(polyimide,PI)固体绝缘材料在电场作用下的破坏机理,采用ReaxFF(reactive force field)反应分子动力学方法,计算模拟Kapton型聚酰亚胺模型在电场作用下的破坏过程,从原子层面分析了其化学键的断裂/生成过程、特征产...为深入研究聚酰亚胺(polyimide,PI)固体绝缘材料在电场作用下的破坏机理,采用ReaxFF(reactive force field)反应分子动力学方法,计算模拟Kapton型聚酰亚胺模型在电场作用下的破坏过程,从原子层面分析了其化学键的断裂/生成过程、特征产物的生成机理,并从原子内电荷结构的角度揭示了电场作用对化学键断裂的影响。对聚酰亚胺模拟体系外加强度分别为4、4.5、5、5.5、6×10^(-3)V/nm电场,结果表明:电场强度影响分子裂解的速度和反应的平衡状态,在电场的作用下部分化学键最终断裂,游离出大量元素单体;酰亚胺环中的C-N键是聚酰亚胺分子裂解的初始反应,电场作用下苯环断裂与裂解主要特征产物C2H2的生成有关;构成酰亚胺环中的C-N极性键的二原子在电场作用下电荷结构发生变化,产生强转矩,导致极性键断裂。电场环境下绝缘材料聚酰亚胺分子链的裂解是电气设备固体绝缘失效的主要原因。展开更多
反应分子动力学(Reaction Force Field Molecular Dynamics,ReaxFF MD)模拟通过在键级描述化学反应过程中键的断裂和形成,从微观尺度探索复杂的反应机理,弥补了实验研究的不足。该方法已广泛应用于油气地球化学领域,例如干酪根的生烃演...反应分子动力学(Reaction Force Field Molecular Dynamics,ReaxFF MD)模拟通过在键级描述化学反应过程中键的断裂和形成,从微观尺度探索复杂的反应机理,弥补了实验研究的不足。该方法已广泛应用于油气地球化学领域,例如干酪根的生烃演化、原油的裂解和相态演化等。本文系统总结和评述了原油裂解反应动力学分子模拟的现状、进展以及未来的发展趋势。首先,对原油各组分的裂解动力学特征、裂解过程、产物分布、生成途径以及热解初始反应机理方面取得的成果进行了总结,并分析了该领域目前存在的挑战及未来的发展方向。尽管分子模拟是研究原油裂解机理的有力工具,但目前仍处于初步研究阶段。现有的研究多采用原油中的某单一组分作为代表,并侧重于考查温度对原油裂解的影响,而对各组分间的相互作用、压力、介质条件和储层环境的影响研究尚不充分。未来的研究应聚焦于构建复杂真实的原油模型,还原地质条件下的原油裂解过程,并将分子模拟、实验和地质研究相结合,为系统研究油气的裂解机理提供重要参考和有用指导。当前的分子模拟研究表明,原油各组分的裂解动力学、裂解产物和裂解过程与实验结果基本一致。与此同时,分子模拟能够追踪自由基、过渡态以及中间体结构,并获取成键特征、活化能、选择性等重要信息。因此,分子模拟可以准确刻画各类烃分子的初始反应路径,并解释裂解产物的差异性。展开更多
文摘为深入研究聚酰亚胺(polyimide,PI)固体绝缘材料在电场作用下的破坏机理,采用ReaxFF(reactive force field)反应分子动力学方法,计算模拟Kapton型聚酰亚胺模型在电场作用下的破坏过程,从原子层面分析了其化学键的断裂/生成过程、特征产物的生成机理,并从原子内电荷结构的角度揭示了电场作用对化学键断裂的影响。对聚酰亚胺模拟体系外加强度分别为4、4.5、5、5.5、6×10^(-3)V/nm电场,结果表明:电场强度影响分子裂解的速度和反应的平衡状态,在电场的作用下部分化学键最终断裂,游离出大量元素单体;酰亚胺环中的C-N键是聚酰亚胺分子裂解的初始反应,电场作用下苯环断裂与裂解主要特征产物C2H2的生成有关;构成酰亚胺环中的C-N极性键的二原子在电场作用下电荷结构发生变化,产生强转矩,导致极性键断裂。电场环境下绝缘材料聚酰亚胺分子链的裂解是电气设备固体绝缘失效的主要原因。
基金The National Natural Science Foundation of China(No.21373227,91641102)Open Research Fund of State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems(No.MPCS-2021-D-03)。
文摘反应分子动力学(Reaction Force Field Molecular Dynamics,ReaxFF MD)模拟通过在键级描述化学反应过程中键的断裂和形成,从微观尺度探索复杂的反应机理,弥补了实验研究的不足。该方法已广泛应用于油气地球化学领域,例如干酪根的生烃演化、原油的裂解和相态演化等。本文系统总结和评述了原油裂解反应动力学分子模拟的现状、进展以及未来的发展趋势。首先,对原油各组分的裂解动力学特征、裂解过程、产物分布、生成途径以及热解初始反应机理方面取得的成果进行了总结,并分析了该领域目前存在的挑战及未来的发展方向。尽管分子模拟是研究原油裂解机理的有力工具,但目前仍处于初步研究阶段。现有的研究多采用原油中的某单一组分作为代表,并侧重于考查温度对原油裂解的影响,而对各组分间的相互作用、压力、介质条件和储层环境的影响研究尚不充分。未来的研究应聚焦于构建复杂真实的原油模型,还原地质条件下的原油裂解过程,并将分子模拟、实验和地质研究相结合,为系统研究油气的裂解机理提供重要参考和有用指导。当前的分子模拟研究表明,原油各组分的裂解动力学、裂解产物和裂解过程与实验结果基本一致。与此同时,分子模拟能够追踪自由基、过渡态以及中间体结构,并获取成键特征、活化能、选择性等重要信息。因此,分子模拟可以准确刻画各类烃分子的初始反应路径,并解释裂解产物的差异性。
