CN107908886A - 基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法 - Google Patents

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祝诗平
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Abstract

本发明涉及一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法，属于电气设备用高分子绝缘材料计算机仿真技术领域。该方法以绝缘纸纤维素为例，详细的说明了如何构建合理的绝缘纸纤维素的仿真分子模型。首先建立不同聚合度的纤维素链，在此基础上建立无定型模型；其次，对建立的纤维素无定型模型进行分子动力学仿真；最后通过分析模型中纤维素的力学性能、能级以及溶解度参数来确定选取的最佳聚合度大小，从而为构建绝缘纸纤维素的无定型合理模型提供一种方法，也最终实现为构建高分子绝缘材料的仿真分子模型提供一种方法。

Description

基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法
技术领域
本发明属于电气设备用高分子绝缘材料计算机仿真技术领域，尤其涉及一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法。
背景技术
随着计算机技术的发展，计算机仿真已成为材料研究的重要工具。计算机仿真具有成本低、速度快和方便的特点，它是从原子、分子以及电子的角度研究物质的微观特性，能够获取宏观试验无法观察得到的微观机理。而近年来，计算机仿真受到材料、化学、生物等领域的研究者青睐，在高分子绝缘材料领域的应用也甚为广泛。然而，仿真结果的精确性、可靠性以及普适性与建立的仿真分子模型的合理性密不可分。而对于高分子材料而言，其链的结构由基本重复单元（聚合度）连接而成，只要聚合度大小选择合适，不但能提高仿真结果的可靠性，而且能提升仿真的效率。故如何选择高分子聚合物材料的聚合度大小，进而构建合理的计算机仿真分子模型成为了一个值得探讨的问题。
因此，需要找到一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法，通过该方法建立的分子模型不仅能代表高分子材料的性能，而且能提高计算机仿真效率。
而力学性能、溶解度参数以及能级，综合起来对高分子绝缘材料进行分析，既体现了高分子绝缘材料的物理特性，也能体现化学特性，故本发明将从这三个参数角度来判断如何构建合理的高分子绝缘材料仿真分子模型，从而得到一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法。该方法首先建立高分子绝缘材料不同聚合度的链，在此基础上建立无定型模型，然后，通过分子动力学仿真分析模型的力学性能、溶解度参数和能级。仿真分析分别得到弹性模量、剪切模量、泊松比、柯西压、体积模量、体积模量与剪切模量之比、溶解度参数和能级达到稳态时的聚合度最小值，然后比较得到所有最小值中的最大值，这个最大值即为最佳的聚合度选择大小。以绝缘纸纤维素为例，对本方法加以说明。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程示意图。
图2是聚合度为10的纤维素无定型分子模型。
图3是分子模型的力学性能与聚合度的关系。
图4是分子模型的溶解度参数与聚合度的关系。
图5是分子模型的能级与聚合度的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明所述方法包括以下步骤：（1）建立不同聚合度的纤维素链，在此基础上建立纤维素的仿真无定型分子模型；（2）进行动力学仿真，然后提取模型中的力学性能参数、溶解度参数以及能级参数；（3）分析得到各个参数达到稳态时的最小聚合度值，先预设弹性模量（E）达到稳定时的最小聚合度为n 1、剪切模量（G）达到稳定时的最小聚合度为n 2、柯西压（C12-C44）达到稳定时的最小聚合度为n 3、泊松比（v）达到稳定时的最小聚合度为n 4、体积模量（K）达到稳定时的最小聚合度为n 5、体积模量与剪切模量之比（D）达到稳定时的最小聚合度为n 6、溶解度参数达到稳定时的最小聚合度为n 7以及能级达到稳定时的最小聚合度为n 8；（4）找出所有最小聚合度值中最大的一个值n max，这个最大的聚合度值n max即为建立纤维素仿真分子模型时的稳态最小聚合度大小。
首先在Materials studio软件的模型库中导入聚合度分别为2、4、6、8、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100的纤维素链，然后在分子动力学Forcite模块进行结构优化，在结构优化的基础上在软件中AC模块建立纤维素的无定型分子模型，构建好了的聚合度为10的纤维素无定型分子模型如图2所示。
其次分别从物理化学特性的角度对构建的不同聚合度的纤维素分子模型进行仿真分析。先对纤维素的分子模型进行5000步的几何结构优化，而后在温度为300~900K，每隔50K为一个间隔进行2个循环的退火处理，然后又进行一次5000步的几何结构优化。之后，判断模型结构是不是达到最优，如果到达最优，就进行后续的分子动力学仿真和量子力学仿真，如果没有达到最优，将继续进行几何优化。最后在几何最优的基础上进行温度为室温（298K）的分子动力学仿真和量子力学仿真。
从物理特性角度，通过分子动力学仿真结果得出，分子模型的力学性能与聚合度的关系如图3所示，弹性模量（E）、剪切模量（G）、柯西压（C12-C44）、泊松比（v）、体积模量（K）、体积模量与剪切模量之比（D）达到稳态时的最小聚合度n 1=n 2=n 3=n 4=n 5=n 6=10，力学性能属于材料的物理结构上的特性，在纤维素聚合度大于或等于10以后，所建立的模型的力学性能基本能代表真实材料的力学性能。分子模型的溶解度参数与聚合度的关系如图4所示，模型中溶解度参数达到稳态时的纤维素最小聚合度n 7=8，表明聚合度大于或等于8之后，模型中的溶解度参数与真实的材料溶解度参数基本接近。
从化学特性角度，通过量子力学仿真结果得出，分子模型的能级与聚合度的关系如图5所示，模型中分子最高能级、最低能级及能隙达到稳态时的纤维素最小聚合度n 8=2。能级是反应活性大小的参数，而纤维素是由重复单元（聚合度）一个个连接而成，在聚合度为2时，都包含了纤维素的所有基团，所以在聚合度大于或等于2以后，模型中的能级基本上就达到稳态。溶解度参数兼顾了材料的物理化学特性，所以达到稳态时的聚合度比力学性能达到稳态时的聚合度小，但要比能级达到稳态时的聚合度大。
最后找出n 1、n 2、n 3、n 4、n 5、n 6、n 7、n 8中的最大值n max。因为n 1~n 6=10，n 7=8，n 8=2，所以n max= n 1~n 6=10，故在构建绝缘材料纤维素的无定型仿真分子模型时，选取的绝缘材料纤维素稳态最小聚合度为10。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法，其特征在于：建立高分子绝缘材料不同聚合度的无定型模型，然后，通过分子动力学仿真分析模型的力学性能、溶解度参数和能级；仿真分析分别得到弹性模量、剪切模量、泊松比、柯西压、体积模量、体积模量与剪切模量之比、溶解度参数和能级达到稳态时的聚合度最小值，然后比较得到所有最小值中的最大值，这个最大值即为最佳的聚合度选择大小；以绝缘纸纤维素为例，对本方法加以说明。
2.根据权利要求1所述一种基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法，其特征在于：建立不同聚合度的纤维素无定型模型，仿真分析分别得到弹性模量、剪切模量、泊松比、柯西压、体积模量、体积模量与剪切模量之比、溶解度参数和能级达到稳态时的聚合度最小值。
3.根据权利要求1所述基于稳态最小聚合度建立高分子绝缘材料仿真模型的方法，其特征在于：对比弹性模量、剪切模量、泊松比、柯西压、体积模量、体积模量与剪切模量之比、溶解度参数和能级刚好达到稳态时的聚合度大小，得到最小的一个值，这个值即为建立分子模型所选择的稳态最小聚合度大小。
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