硅橡胶在温湿电场下的降解机制 原创

关键词：LAMMPS；ReaxFF；硅橡胶；分子动力学；绝缘老化

一、文章简要介绍

复合套管、复合绝缘子这些高压外绝缘设备，靠的就是硅橡胶表面的疏水性和绝缘性能。可长期服役下来，高温、潮气、强电场轮番上阵，硅橡胶会慢慢失去疏水性、开裂、粉化甚至掉渣。中国矿业大学和国网江苏电力的团队在Polymers上发了一篇研究（2026，DOI: 10.3390/polym18121530），用LAMMPS加ReaxFF反应力场做反应分子动力学模拟，把硅橡胶在温-湿-电场耦合条件下的降解机制从原子尺度拆了个明白。

图1 交联甲基乙烯基硅橡胶分子模型（4条链，交联度4%，黄色Si/红色O/黑色C/白色H）

图1是交联后的甲基乙烯基硅橡胶分子模型：四根聚合度50的MVQ链通过交联剂模拟交联成网络，交联度4%，黄色硅原子、红色氧原子、黑色碳原子、白色氢原子。

二、仿真步骤

步骤一：构建硅橡胶分子模型。用Materials Studio 2020构建聚合度50的甲基乙烯基硅橡胶链（乙烯基含量1.84%，链含105个碳、50个氧、51个硅、312个氢），能量最小化和几何优化后用Amorphous Cell模块构建含4条链的无定形胞，再用Perl脚本模拟DTBP交联剂的交联反应，交联度4%、初始反应半径3埃、最大半径8埃、迭代3次。

步骤二：模型验证与加湿。用Forcite模块对交联模型做能量最小化、几何优化、200皮秒NVT驰豫、NPT驰豫和NVT驰豫。通过偶极矩涨落法计算相对介电常数为6.921，与老化硅橡胶低频介电常数4.5到7.5的实验范围吻合，模型可靠性确认。随后向模型中加入10个水分子（约1.18%质量分数）代表潮湿环境。

图2 电场作用下硅氧烷主链断裂的原子轨迹：Si与O原子受力方向相反导致Si-O键断裂

图2展示了电场作用下硅氧烷主链断裂的原子轨迹：氧的电负性远大于硅，恒定电场下两者受力方向相反，Si-O键被极化拉长，最终在电场和原子动能的联合作用下断裂。

步骤三：LAMMPS反应分子动力学模拟。模型导入LAMMPS，用ReaxFF反应力场加电荷平衡，NVT系综、全方向周期性边界，用fix efield沿X轴施加均匀正电场。共设计5种工况：条件1到3是300K升温到10000K并分别施加0、4、8伏每埃电场；条件4和5是常温下只施加4和8伏每埃纯电场。每个工况分老化阶段和恢复阶段各50皮秒。

图3 不同电场强度下热解产物最大碳含量(a)与最大硅含量(b)统计

图3是不同电场下热解产物最大碳含量和最大硅含量统计：无电场时甲基约3000K开始快速脱离、5500K达峰值；加电场后裂解提前加速，8伏每埃时室温就发生断裂，碳和硅含量都降到初始值的三分之一。

三、关键结果与发现

第一个发现：高温和电场各有分工。高温主要促进侧链甲基脱离和Si-O主链断裂，无电场时硅氧烷链约5500K开始大量断裂，最大硅含量降到约80。电场则进一步加速分解，8伏每埃电场下室温就能让Si-O键断裂——虽然Si-O键能（约460千焦每摩尔）高于Si-C键（约318），但Si-O键极性强、对电场更敏感，所以主链反而更怕电场。

图4 不同电场强度下常见降解产物H2、H2O、CH4、C2H2、C2H4、C2H6数量统计

图4统计了六种常见降解产物：无电场时H2在6000K附近达峰后参与反应减少，CH4约4000K达峰后部分转化为C2H2和C2H4并释放大量H2；恢复阶段H2和H2O总量上升，说明裂解碎片重新组合。

第二个发现：水分子让降解部分不可逆。轨迹追踪显示，Si-O键断裂后暴露的硅原子会与体系中的水分子反应生成Si-OH羟基结构，这个结构在老化结束后依然稳定——水分子占据了原来的Si-O键位置，长链变成短链，降解不可逆。宏观上对应硅橡胶的颗粒化和结构性损伤。

图5 甲基脱离后与另一甲基反应形成乙烷的轨迹路径

图5追踪了一个甲基的完整反应路径：从硅氧烷链上脱离后与另一个甲基结合生成乙烷，印证了甲基脱离加自由基重组是重要的侧链降解通道。

第三个发现：纯电场老化以主链断裂为主。4伏每埃电场下只有部分甲基脱离、主链基本完整；8伏每埃下主链持续断裂又重组，恢复阶段短链倾向通过氧、碳或直接Si-Si键重新连接，最大硅含量能恢复到初始水平，但脱离的甲基永久变成甲烷等气体释放。

图6 水分子参与反应的轨迹：Si-O键断裂后与水分子反应形成羟基结构

图6是水分子参与反应的轨迹：硅原子从完整的Si-O键经历断裂后与水分子反应形成羟基，这个键合在老化结束后依然存在，说明潮湿环境会加速硅橡胶降解且不可逆。

第四个发现：降解机制五步闭环。硅橡胶在温湿电耦合条件下的降解可以概括为：侧链甲基脱离、主链Si-O断裂、水辅助反应、自由基重组、局部分子聚集。这些微观反应与宏观老化现象一一对应——甲基脱离导致疏水性丧失（雨天闪络风险），Si-O断裂重组造成不均匀内应力导致开裂粉化，Si-OH形成让损伤不可逆。

图7 老化-恢复阶段结束后的原子轨迹：(a)热老化大量甲基脱离与链重构，(b)电场老化短链重连

图7对比了两种老化后的最终状态：热老化后大量甲基脱离生成甲烷乙烷等气体，硅氧烷链广泛断裂重构并明显聚集；电场老化后短链通过氧原子或直接Si-Si键重新连接，结构简单重构。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①LAMMPS分子动力学模拟（反应力场ReaxFF、经典力场、全原子模拟）；②聚合物建模与交联模拟（Materials Studio，无定形胞、交联度控制、介电常数验证）；③高温热解/热老化模拟（产物统计、键断裂分析、轨迹追踪）；④电场-温度-湿度多场耦合模拟（fix efield电场施加、多因素协同老化）；⑤自由基反应与降解机理分析（ReaxFF反应路径、产物演化、小分子统计）。如果你也在做绝缘材料或聚合物老化研究，这篇论文的ReaxFF模拟框架非常值得拆一遍。

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