计算电场作用下C5F10O绝缘气体在铜表面吸附的方法

摘要

计算电场作用下C5F10O绝缘气体在铜表面吸附的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在材料计算软件中建立C5F10O气体分子模型与铜表面模型；步骤2，利用分子动力学模拟方法对步骤1中获得的模型的结构进行优化，并计算C5F10O气体在铜表面的吸附能和电荷转移量；步骤3，在步骤2中获得的优化后的模型上施加不同强度的电场，并基于不同强度的电场，计算C5F10O气体在铜表面的吸附能和电荷转移量；步骤4，基于步骤2和步骤3中获得的C5F10O气体在铜表面的吸附能和电荷转移量，分析出C5F10O绝缘气体在铜表面的吸附特性。本发明的方法操作简易，成本低，准确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及分子动力学模拟计算，更具体地，涉及一种计算电场作用下C

背景技术

现有技术中，六氟化硫气体因其具有的优异绝缘性能和灭弧特性被广泛地应用于中高压电气设备中。然而，由于六氟化硫气体具有显著的温室效应，因此，寻找一种能够替代六氟化硫的绝缘气体是当下研究的热点。C

然而，由于C

另外一方面，现有技术中尽管存在一些材料计算软件，能够基于分子动力学原理对分子的吸附性能、反应状态等内容进行较为准确地仿真。但现有技术中尚未具备一种仿真方法是针对于C

因此，亟需一种能够对C

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种计算电场作用下C

本发明采用如下的技术方案。计算电场作用下C

优选地，步骤1中还包括：材料计算软件建立3或4层每层5*5数量的单晶铜原子的表面模型以及C

优选地，C

优选地，材料计算软件在单晶铜原子的表面上方建立厚度为

优选地，步骤2中还包括：采用广义梯度近似算法下的PBE密度泛函优化所述模型的结构；利用投影缀加平面波赝势来获取C

优选地，算法中能量的收敛标准为不大于1×10

优选地，步骤2还包括：分别计算铜表面多个吸附位置上的C

优选地，多个吸附位置包括：顶点位置、面心立方点位置、密堆六方点位置、桥位置；并且，在多个吸附位置进行结构优化，以计算C

优选地，步骤2中对模型的结构进行优化还包括：在多个吸附位置中每一不同的计算位点优化获得总能量，并根据如下公式得到所述吸附能，

E

其中，E

E

E

E

从电荷分析中计算在铜表面上C

Q

其中，Q

Q

优选地，步骤3还包括：在模型上施加不同大小的电压，以使模型获得

优选地，分别计算不同电场强度时，C

优选地，步骤4还包括：基于不同情况下C

优选地，C

优选地，C

本发明第二方面，涉及一种计算电场作用下C

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种计算电场作用下C

本发明的有益效果还包括：

1)仿真方法操作简易、成本低廉，同时又能够精确地获得C

2)仿真方法不仅能够仿真出C

3)采用的铜表面模型结构简单且准确，能够充分表征铜的表面特征。另外，整体模型也在充分表征气体吸附特性的同时，又减少了仿真过程中的运算量，提高了模型效率。

4)根据实际情况，合理选择了设备运行时的电场范围和不同强度的电场，并在此条件下实现仿真和仿真结果的对比。本发明中参数的慎重选择，使得计算结果更加准确，符合实际需求。

附图说明

图1为本发明计算电场作用下C

图2为本发明计算电场作用下C

图3为本发明计算电场作用下C

图4为本发明计算电场作用下C

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

本发明提出一种计算在电场中C

图1为本发明计算电场作用下C

步骤1，在材料计算软件中建立C

优选地，材料计算软件建立3或4层每层5*5数量的单晶铜原子的表面模型以及C

优选地，材料计算软件在单晶铜原子的表面上方建立厚度为

本发明中，可以采用各种软件实现C

图3为本发明计算电场作用下C

步骤2，利用分子动力学模拟方法对步骤1中获得的模型的结构进行优化，并计算C

优选地，步骤2中还包括：采用广义梯度近似算法下的PBE密度泛函优化模型的结构；利用投影缀加平面波赝势来获取C

可以理解的是，为了使得建模具有可实现性，步骤1中建立的C

密度泛函理论，作为处理多粒子体系的近似方法已在凝聚态物理、材料科学、量子化学和生命科学等领域取得了广泛的应用。密度泛函理论的实质是将电子密度作为分子或原子基态中所有信息的载体，而非单个电子的波函数，从而使得多电子体系转化为单电子体系的问题进行求解的。假设电子数目为N，则波函数中的变量数为3N，而密度泛函理论将变量数缩减到三个空间变量，不仅简化了计算过程，而且确保了计算精度。

密度泛函理论早期主要为Thomas，Fermi等人基于理想状态下的均匀电子气假设提出的模型。该模型在假设电子之间没有相互作用且无外力干扰情况的条件下，求解电子运动的薛定谔方程，以获得电子排布规律、电子密度、单电子总能和体系的动能密度等参数。然而，尽管该模型计算简便，却无法考虑电子之间的交互作用，因此动能项的描述不够精确。

随着理论的发展，出现了Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程。其中，Hohenberg-Kohn定理的思路是假定体系中的所有物理量都可通过只包含电子密度的变量来唯一决定，而通过变分原理来求得体系基态。Kohn-Sham方程针对动能泛函提出使用无相互影响的粒子动能泛函来近似代替，将二者的差异纳入交换关联泛函的未知项中。

另外，局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)作为现有技术中的主流方法之一，能够将未知的交换关联项近似表达，使DFT方法能够用于实际计算。LDA使用均匀电子气的密度函数来计算非均匀电子气的交换关联项，并假设体系中的电子密度随着空间的变化极小，从而计算出交换关联势。然而由于这种算法无法精确地对密度的非均匀性进行处理，因此现有技术中通常采用广义梯度近似算法(GGA，General GradientApproximation)。

广义梯度近似算法能够将LDA中的表示项改写为包含电子密度和梯度函数的泛函形式，并对自旋进行描述，以获得交换关联泛函。

广义梯度近似算法中的非局域性能够很好地适应于处理密度的非均匀性，因此能够大大改进原子的交换能和相关能计算结果。同时，广义梯度近似算法还能够使得价层电子的电力能不会发生太大改变。对于较轻的元素，广义梯度近似算法的计算结果通常十分精确，能够与实际试验的结果准确匹配。

进一步地，为了使得交换关联泛函能够获得更加精确的解，需要进行泛函精确。本文中采用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)泛函作为一种近似的能量泛函能够满足许多精确泛函的渐进行为。因此，本发明中，可以采用PBE作为近似泛函。

本发明一实施例中，可以采用VASP软件对模型的结构进行优化。VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)软件是一种能够进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟分析的软件。该软件中，包括处理密度的非均匀性的广义梯度近似算法。

优选地，算法中能量的收敛标准为不大于1×10

图2为本发明计算电场作用下C

优选地，步骤2还包括：分别计算铜表面多个吸附位置上的C

如图3(b)所示，图中分别示出了上述中的四个吸附点位置，其中顶点位置在图中标注为Top，面心立方点在图中标注为Fcc，密堆六方点在图中标注为Hcp，桥位置在图中标注为Bridge。基于于上述位置，分别可以计算获得C

优选地，步骤2中对模型的结构进行优化还包括：在多个吸附位置中每一不同的计算位点优化获得总能量，并根据如下公式得到吸附能，

E

其中，E

E

E

E

从电荷分析中计算在铜表面上C

Q

其中，Q

Q

通过上述步骤所示的吸附位点进行结构优化得到吸附能，并按照上述公式得到电荷转移量。

步骤3，在步骤2中获得的优化后的模型上施加不同强度的电场，并基于不同强度的电场，计算C

步骤3还包括：在模型上施加不同大小的电压，以使模型获得

优选地，分别计算不同电场强度时，C

进一步地，由于在不同的高压电气设备中，以及在不同的高压电气设备的运行状态下，实际的电场强度也不尽相同。另外，根据发明人对C

本发明一实施例中，依次对模型施加不同大小的电压，使得模型依次获得强度大小为

根据上述不同强度的电场，分别计算不同工况下的C

步骤4，基于步骤2和步骤3中获得的C

本发明中，为了实现对C

优选地，步骤4还包括：基于不同情况下C

本发明中，为了更好地对比在高压电气设备中的吸附情况，采用了绘制电场强度-吸附能曲线和电场强度-电子转移量曲线的方法。采用绘制对比曲线的方法，能够使高压电气设备的运维或研究人员可以更直观地获得气体吸附性能和电场强度的相关关系，从而根据高压设备中较高的且不断变化的电场强度实现设备实际运行时对C

图4为本发明计算电场作用下C

具体来说，铜表面的吸附行为会随着电场强度的不同而发生变化。如图4(a)所示，当电场强度从0不断增大到

优选地，C

优选地，C

本发明第二方面，涉及一种计算电场作用下C

具体来说，该系统中可以采用计算机设备及用于仿真的计算机软件实现。系统中可以包括运算模块、输入模块和输出模块。其中输入模块可以用于获取铜表面模型和C

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种计算电场作用下C

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。