计算电场作用下C5F10O绝缘气体在铜表面吸附的方法与流程

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法。

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。c5f10o的绝缘强度是sf6的两倍，并且它的全球变暖潜能值(gwp，globalwarmingpotential)仅为1，因此c5f10o气体被认为是一种有潜力的、可以用在高压设备中的绝缘气体。

然而，由于c5f10o气体相比于六氟化硫气体具有更高的化学反应活性，在实际应用中，容易因为电热综合作用分解，并与高压电气设备中的金属表面发生化学反应，从而导致绝缘故障和绝缘时效，进而威胁到电力系统的正常运行。

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c5f10o气体在高压电气设备的金属表面上基于电热综合作用而发生的分解反应。因此，现有技术中，除了采用实际的反应试验，也还不存在一种低成本、快速且准确的仿真方法，能够对电力系统的安全正常运行提供指导。

因此，亟需一种能够对c5f10o气体在高压电气设备的金属表面上吸附特性进行模拟仿真的方法。

技术实现要素：

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法，能够通过对c5f10o绝缘气体和高压电气设备的金属表面进行建模的方式，获得c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性。

本发明采用如下的技术方案。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。

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c5f10o气体模型。

优选地，c5f10o气体位于铜原子111表面一侧。

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的真空层模型。

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c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量。

优选地，算法中能量的收敛标准为不大于1×10^-5ev，力的收敛标准为不大于

优选地，步骤2还包括：分别计算铜表面多个吸附位置上的c5f10o气体的吸附能和电荷转移量。

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c5f10o气体在铜表面的总吸附能和总电荷转移量。

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，

eads＝esystem-emetal-egas

其中，eads为吸附能，

esystem为吸附后系统的总能量，

emetal为未吸附系统的总能量，

egas为气体能量；

从电荷分析中计算在铜表面上c5f10o之间的电荷转移量qt，电荷转移量qt的计算公式为：

qt＝qsystem-qmetal-qgas

其中，qsystem为c5f10o吸附在铜表面上的电荷，

qmetal和qgas分别是c5f10o气体和铜表面的电荷。

优选地，步骤3还包括：在模型上施加不同大小的电压，以使模型获得范围内的电场。

优选地，分别计算不同电场强度时，c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量；其中，不同电场强度之间的差异应小于且不同电场强度能够均匀覆盖的电场范围。

优选地，步骤4还包括：基于不同情况下c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量，绘制电场强度-吸附能曲线和电场强度-电子转移量曲线，并基于曲线对c5f10o气体在铜表面的吸附特性进行分析。

优选地，c5f10o气体在铜表面的吸附能随着电场强度的增加而增加；并且，随着电场强度的增加，吸附能的增加率递增。

优选地，c5f10o气体在铜表面的电荷转移量随着电场强度的增加而增加；并且，电荷转移量随着电场强度的增加呈线性增长。

本发明第二方面，涉及一种计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的系统，其特征在于：用于实现如本发明第一方面中所述的一种计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法。

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法，能够对c5f10o气体分子模型与铜表面模型进行建模，获得c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性。

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c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性，因此对探究c5f10o绝缘气体的特性，甚至电力系统中高压电力设备的安全运行都具有重要意义。

2)仿真方法不仅能够仿真出c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性，还同时可以仿真出c5f10o绝缘气体在不同工况，例如不同电场情况下的分解特性，并能够方便地将上述多种特性相结合对c5f10o气体作为电力设备中绝缘气体的表现进行准确地、综合的评判，参考价值高。

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中的步骤流程示意图；

图2为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中分子动力学模拟方法的流程示意图；

图3为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中铜的表面模型示意图；

图4为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中所述c5f10o气体在所述铜表面的电场强度-吸附能曲线和电场强度-电子转移量曲线的示意图。

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法，可以对c5f10o在实际运用中的状况进行仿真。本发明可以基于密度泛函理论(dft，densityfunctionaltheory)，在考虑环境中电场强度和吸附点位置的前提下，探究c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附行为。

图1为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中的步骤流程示意图。如图1所示，一种计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法，包括步骤1-步骤4。

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。

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c5f10o气体模型；其中，c5f10o气体位于铜原子111表面一侧。本发明中，为了同时实现仿真过程的精确性和运算过程的最简化，设置了3或4层每层数量为5*5的铜原子表面模型。设置这些层和这些数量的模型能够充分准确地计算出铜表面吸附c5f10o气体的吸附行为，同时又不会使得软件的计算量过大，导致运算过程冗长。

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的真空层模型。根据单晶铜原子的特性，尽管在一定的热电作用下会对c5f10o气体进行吸附，但是在正常情况下，单晶铜原子对c5f10o气体具有一定的表面排斥。因此，可以设置厚度为的真空层，这样也可以消除周期性边界条件的影响，使得模型的计算更加符合实际。

本发明中，可以采用各种软件实现c5f10o气体以及铜表面的建模过程。本发明一实施例中，采用materialstudio软件对c5f10o气体以及铜表面进行建模。具体来说，可以在打开该软件后，新建3datomistic文档，使用绘图工具绘制铜原子以及c5f10o气体的分子模型。同时，利用movement等命令选项设置各个原子或分子之间的距离以及相对位置关系。最后通过slab建立铜原子层表面的真空层，完成建模。

图3为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中铜的表面模型示意图。如图3所示，其中图3(a)是铜111表面的侧视图，图3(b)是铜111表面的俯视图，其中标注出了铜111表面上的四个吸附点位置。

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。

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c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量。

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c5f10o绝缘气体模型以及铜表面模型通常是均匀电子气模型。然而，实际应用的过程中，原子和分子体系的电子密度远非均匀分布的情况，因此通过步骤1中的建模方式计算出来的下c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性不能够很好地满足实际的需求。为了提高计算精确度，就需要考虑电子密度的非均匀性。

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(localdensityapproximation，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，generalgradientapproximation)。

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(viennaab-initiosimulationpackage)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^-5ev，力的收敛标准为不大于在利用软件进行迭代计算的过程中，通过设置上述的收敛标准，可以使得算法得到的结果具有足够的精确程度。上述能量收敛标准和力的收敛标准相对于通常的仿真模型来说标准较高。由于本发明中使用了非常简单的模型，即3层5*5铜原子模型和c5f10o气体分子模型，才使得算法采用上述的能量收敛标准的情况下，依然可以准确快速的计算出气体的吸附特性。

图2为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中分子动力学模拟方法的流程示意图。如图2所示，在实现了c5f10o绝缘气体以及铜表面模型的建立后，可以对初始模型进行优化，随后变换吸附位置，并再次进行优化。

优选地，步骤2还包括：分别计算铜表面多个吸附位置上的c5f10o气体的吸附能和电荷转移量；其中，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c5f10o气体在铜表面的总吸附能和总电荷转移量。

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c5f10o气体的吸附能和电荷转移量，随后对不同位置的吸附能和电荷转移量进行汇总，获得c5f10o气体在铜表面总的吸附能和电荷转移量。

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，

eads＝esystem-emetal-egas

其中，eads为吸附能，

esystem为吸附后系统的总能量，

emetal为未吸附系统的总能量，

egas为气体能量；

从电荷分析中计算在铜表面上c5f10o之间的电荷转移量qt，电荷转移量qt的计算公式为：

qt＝qsystem-qmetal-qgas

其中，qsystem为c5f10o吸附在铜表面上的电荷，

qmetal和qgas分别是c5f10o气体和铜表面的电荷。

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c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量。

步骤3还包括：在模型上施加不同大小的电压，以使模型获得范围内的电场。之所以采用这一范围内的电场，是基于本发明的现实需求确定的。本发明的意图是为了预测高压电气设备的运行安全程度，因此需要根据不同的电场强度，计算用于稳定的c5f10o气体在大量用于电气设备的铜材料上的吸附特性。因此，本发明在上述需求下，获得了各类高压电气设备的实际运行工况，并根据实际运行工况汇总出设备内部充斥c5f10o气体的环境中的电场范围。最终，为了确保模型更加符合实际，选择了范围的电场。

优选地，分别计算不同电场强度时，c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量；其中，不同电场强度之间的差异应小于且不同电场强度能够均匀覆盖的电场范围。

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c5f10o气体在铜表面的吸附性能的预先判断，发现随着电场强度的升高，气体吸附性能也近似呈现出正向的增加，因此本发明中在范围中等差地选择了多种电场强度，并使得各个不同电场强度之间的差距足够小，本发明一实施例中为左右。这样就充分地满足了预测的需求。

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的电场。

根据上述不同强度的电场，分别计算不同工况下的c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量，并将上述数据记录下来。由于本发明在其他条件均相同的情况下，根据不同的电场强度，计算了气体的吸附特性，从而使得采用本发明能够准确地仿真和判断出在不同电场强度下的c5f10o气体的吸附性能，以为c5f10o气体可能与高压电气设备中的金属表面发生化学反应而导致的绝缘故障和绝缘时效提供更准确的理论基础，从而为电力系统的正常运行提供可靠且充分的理论依据。而在现有技术中，尚未出现一种如本发明中准确、快速、可靠的为电力系统的正常运行提供充分理论依据的c5f10o气体的吸附性能的仿真方法。

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。

本发明中，为了实现对c5f10o气体的吸附性能进行充分且良好的表征，在大量的相关参数中选取了铜表面的吸附能和电荷转移量这两项数据。铜表面的吸附能，能够充分表征c5f10o气体吸附在铜表面的特性。而电荷转移量则表征电子跃迁的状态，这一状态会对铜的表面电场和气体在铜表面的吸附性能均造成巨大的影响，因此同时采用这两个指标，而不是只采用吸附能这一个指标，能够动态且实时地获得气体在铜表面的吸附状态，从而优化最终的仿真结果。

优选地，步骤4还包括：基于不同情况下c5f10o气体在铜表面的吸附能和电荷转移量，绘制电场强度-吸附能曲线和电场强度-电子转移量曲线，并基于曲线对c5f10o气体在铜表面的吸附特性进行分析。

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c5f10o气体与铜发生反应的预测。这种预测方法更加准确，贴合实际。

图4为本发明计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法中c5f10o气体在铜表面的电场强度-吸附能曲线和电场强度-电子转移量曲线的示意图。如图4所示，横轴均为电场密度，纵轴分别为吸附能和电子转移量的取值。根据图4中的内容可以得知，在不同电场强度的工况下，吸附能和电子转移量分别的变化趋势。

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不断增大到时，吸附能从-0.4ev左右递增至了-1.3ev左右。于此同时，尽管电子转移量在0.4ev左右的变化与整体变化规律不符合，但随着电场强度的增加，电子转移量也大致呈上升趋势。且随着电场强度从0增大到电子转移量从0.1增加至0.36左右。

优选地，c5f10o气体在铜表面的吸附能随着电场强度的增加而增加；并且，随着电场强度的增加，吸附能的增加率递增。

优选地，c5f10o气体在铜表面的电荷转移量随着电场强度的增加而增加；并且，电荷转移量随着电场强度的增加呈线性增长。

本发明第二方面，涉及一种计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的系统。本发明中计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的系统，用于实现如本发明第一方面中所述的一种计算电场作用下c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法。

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c5f10o绝缘气体模型的相关参数，运算模块可以包括内置的多种待选择的分子动力学算法模型和相应的运算能力，输出模块可以包括对结果的输出和可视化过程，用于生成多条输出曲线和数据。

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c5f10o绝缘气体在铜表面吸附的方法，能够对c5f10o气体分子模型与铜表面模型进行建模，精确地获得c5f10o绝缘气体在铜表面的吸附特性。

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。