電流積分法と分子動力学・量子化学計算による新規の直流高分子絶縁材料の分子設計

利用电流积分法和分子动力学/量子化学计算进行新型直流聚合物绝缘材料的分子设计

• 批准号: 22K05243
• 负责人: 植原 弘明
• 金额: $ 2.41万
• 依托单位: Kanto Gakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05243/
• 关键词: 電流積分電荷法; 分子動力学計算; 量子化学計算; 直流高分子絶縁材料; 分子設計

2022年度の研究実績の概要は、以下のとおりである。①電流積分電荷法：6種類の高分子絶縁材料(LDPE、XLPE、PET、PI、PC、PEN)に対して、電界特性では1～100kV/mmまで、温度特性では20～80℃までの電荷蓄積特性を計測した。その結果、20℃では100kV/mmの電界を印加してもPET、PC、PENの試料内部に電荷が蓄積されることはなく、電極に誘起された電荷のみであることがわかった。一方、80℃ではPENを除くすべての試料で漏れ電流が支配的であった。この場合、電荷はLDPEおよびXLPEの無極性高分子絶縁材料が最も蓄積しやすく、PET、PI、PC、PENの有極性高分子絶縁材料では蓄積しにくいことがわかった。これらの成果の一部は、2022年10月に開催された国際会議（CEIDP2022）で口頭発表した。②分子動力学・量子化学計算：分子動力学計算に関しては、LDPEに酸化防止剤を約2wt%添加した計算は既に終了しているが、実際の電力ケーブル等では添加量が一桁少ない0.2wt%程度添加させていることが判明しているので、もう少し大規模計算が必要であると考えている。量子化学計算に関しては、LDPE、XLPE、PET、PI、PC、PENの重合度n=5までの量子化学計算をおこない、電界を印加すると、実質的なHOMO準位およびLUMO準位はフェルミ準位と同じ傾きで傾斜することがわかった。また、PENに焦点をあて、隣接する構成ポリマー（2,6-ナフタレンジカルボン酸(NDA)とエタン）が形成する深いトラップ準位（ホールトラップ、電子トラップ）がホールや電子の移動を妨げ、PEN内部での電荷蓄積を抑制することがわかった。これらの成果も、2022年10月に開催された国際会議(CEIDP2022)で口頭発表した。

2022年研究成果概要如下。 ①电流积分充电法：对于六种高分子绝缘材料（LDPE、XLPE、PET、PI、PC、PEN），计算1～100kV/mm的电场特性、20～80℃的温度特性。测量了积累特性。结果表明，即使在20℃下施加100kV/mm的电场，PET、PC或PEN样品内部也不会积累电荷，仅在电极中感应出电荷。另一方面，在 80°C 时，除 PEN 之外的所有样品中漏电流均占主导地位。在这种情况下，发现电荷在LDPE和XLPE等非极性聚合物绝缘材料中最容易积聚，而在PET、PI、PC和PEN等极性聚合物绝缘材料中则不易积聚。其中一些成果已在 2022 年 10 月举行的国际会议（CEIDP2022）上口头报告。 ②分子动力学/量子化学计算：关于分子动力学计算，已经完成了在LDPE中添加约2wt%抗氧化剂的计算，但在实际的电力电缆等中，添加量要低一个数量级，为0.2 wt. %，因此我们认为需要稍大的规模计算。在量子化学计算方面，我们对聚合度n=5的LDPE、XLPE、PET、PI、PC和PEN进行了量子化学计算，当施加电场时，有效HOMO能级和LUMO能级为发现费米能级的斜率相同。我们还关注PEN，发现由相邻成分聚合物（2,6-萘二甲酸（NDA）和乙烷）形成的深陷阱能级（空穴陷阱、电子陷阱）阻碍空穴和电子的移动。它抑制内部电荷的积累。这些成果也在2022年10月举行的国际会议（CEIDP2022）上进行了口头报告。

项目成果

Influence of an external electric field on the rupture force of decane, 4-decanone, and dicumyl peroxide molecules: Computational insight

• DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103928
• 发表时间: 2022-06
• 期刊: Materials Today Communications
• 影响因子: 3.8
• 作者: S. Iwata;H. Uehara;T. Okamoto;Tatsuo Takada

Partial Discharge Current Measurements With Small Discharge Gaps Over Polyimide Film

聚酰亚胺薄膜上小放电间隙的局部放电电流测量

• DOI: 10.1109/tdei.2022.3226133
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation
• 影响因子: 3.1
• 作者: Okamoto Tatsuki;Uehara Hiroaki
• 通讯作者: Uehara Hiroaki

Electric Field and Temperature Characteristics of Accumulated Charge Amount in Several Polymeric Insulating Materials Using Q(t) Method and Quantum Chemical Calculation

采用Q(t)法和量子化学计算几种高分子绝缘材料中累积电荷量的电场和温度特性

• DOI: 10.1109/ceidp55452.2022.9985349
• 发表时间: 2022
• 期刊: Annual Report - Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP
• 作者: Uehara H.;Okamoto T.;Sekii Y.;Iwata S.;Takada T.
• 通讯作者: Takada T.

高電圧研究室（植原研究室）

高电压实验室（上原实验室）