一种环保气体与固体材料相容性的评价方法及系统与流程

1.本发明涉及材料相容性评价技术领域，特别是涉及一种环保气体与固体材料相容性的评价方法及系统。


背景技术：

2.由于传统的气体绝缘介质sf6具有极强的温室效应，因此，作为替代sf6的新型环保绝缘气体c4f7n、c5f
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o凭借其优异的绝缘性能和灭弧性能而备受关注。为了保障电力设备的长期安全运行，在关注环保气体的电气特性的同时，还应该关注c4f7n和c5f
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o环保气体与电力设备中所采用材料的相容性。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的是提供一种环保气体与固体材料相容性的评价方法和系统，能够对环保气体与固体材料的相容性进行系统地评价，提高相容性判断的准确度。
4.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种环保气体与固体材料相容性的评价方法，包括：
5.对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品；
6.检测所述气体样品的气体组分，并将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；
7.检测所述固体样品的表面特征参数，并将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，以作为第二评价结果；其中，所述表面特征参数包括以下中的至少一种：表面形貌、元素组成、化学状态、分子结构、官能团和化学键；
8.分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，并根据所述吸附解离情况，确定第三评价结果；
9.通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容。
10.作为上述方案的改进，所述检测所述气体样品的气体组分，具体为：
11.通过气相色谱质谱联用仪检测所述气体样品的气体组分。
12.作为上述方案的改进，所述检测所述固体样品的表面特征参数，具体为：
13.通过扫描电子显微镜检测所述固体样品的表面形貌；
14.通过x射线光电子能谱分析检测所述固体样品的元素组成和化学状态。
15.作为上述方案的改进，所述检测所述固体样品的表面特征参数，具体为：
16.通过傅里叶红外光谱检测所述固体样品的分子结构、官能团与化学键。
17.作为上述方案的改进，所述分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，并根据所述吸附解离情况，确定第三评价结果，具体包括：
18.构建所述环保气体与所述固体的气固体系吸附模型，通过计算所述气固体系吸附
模型的吸附能和电子转移数，判断所述气固体系吸附模型的吸附结构；
19.当判断到所述吸附结构为物理吸附结构时，确定第三评价结果为相容性良好；
20.当判断到所述吸附结构为化学吸附结构时，构建所述环保气体在所述固体材料表面的n个解离路径，通过对n个所述解离路径的能量进行比较，得到第一解离路径；其中，n是大于1的自然数；
21.获取所述第一解离路径的活化能；
22.根据所述第一解离路径的活化能和活化能阈值之间的大小关系，确定所述第三评价结果。
23.作为上述方案的改进，所述根据所述第一解离路径的活化能和活化能阈值之间的大小关系，确定所述第三评价结果，具体包括：
24.若所述第一解离路径的活化能大于或等于所述活化能阈值，则确定第三评价结果为相容性良好；
25.若所述第一解离路径的活化能小于所述活化能阈值，则确定所述第三评价结果为相容性差。
26.作为上述方案的改进，所述构建所述环保气体与所述固体的气固体系吸附模型，具体包括：
27.根据所述环保气体的分子结构，在所述固体材料表面选取吸附位，构建初始吸附模型；
28.对所述初始吸附模型进行模型优化，得到所述气固体系吸附模型。
29.作为上述方案的改进，所述通过计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数，判断所述气固体系吸附模型的吸附结构，具体包括：
30.计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数；
31.当所述吸附能大于或等于第一阈值且所述电子转移数大于或等于第二阈值时，确定所述气固体系吸附模型为化学吸附结构；
32.当所述吸附能小于第一阈值且所述电子转移数小于第二阈值时，确定所述气固体系吸附模型为物理吸附结构。
33.作为上述方案的改进，所述第一阈值为0.8电子伏特，所述第二阈值为0.2电子伏特。
34.为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种环保气体与固体材料相容性的评价系统，包括：
35.热相容性实验装置，用于对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品；还用于检测所述气体样品的气体组分并发送至终端设备；
36.固体检测装置，用于检测所述固体样品的表面特征参数并发送至所述终端设备；
37.所述终端设备，用于：
38.将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；
39.将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，得到第二评价结果；
40.分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，得到第三评价结果；
41.通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容。
42.与现有技术相比，本发明实施例提供的环保气体与固体材料相容性的评价方法及系统，首先，对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品；然后，检测所述气体样品的气体组分，并将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；其次，检测所述固体样品的表面特征参数，并将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，以作为第二评价结果；最后，分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，并根据所述吸附解离情况，确定第三评价结果；通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容，能够实现对环保气体与固体材料的相容性进行系统地评价，提高相容性判断的准确度。
附图说明
43.图1是本发明实施例提供的一种环保气体与固体材料相容性的评价方法的流程图；
44.图2是本发明实施例提供的热相容性实验装置的结构示意图；
45.图3是本发明实施例提供的一种环保气体与固体材料相容性的评价系统的结构示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.参见图1，图1是本发明实施例提供的一种环保气体与固体材料相容性的评价方法的流程图。
48.所述环保气体与固体材料相容性的评价方法，适用于c4f7n和c5f
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o环保气体，所述评价方法包括：
49.s1、对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品；
50.s2、检测所述气体样品的气体组分，并将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；
51.s3、检测所述固体样品的表面特征参数，并将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，以作为第二评价结果；其中，所述表面特征参数包括以下中的至少一种：表面形貌、元素组成、化学状态、分子结构、官能团和化学键；
52.s4、分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，并根据所述吸附解离情况，确定第三评价结果；
53.s5、通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容。
54.需要说明的是，当所述第一评价结果为所述环保气体未发生分解，所述第二评价结果为所述固体材料未发生腐蚀，且所述第三评价结果为相容性良好时，判定所述环保气体与所述固体材料相容，其他情况时，判定所述环保气体与所述固体材料不相容。
55.具体的，步骤s1中的所述热相容性实验在热相容性实验装置中进行。
56.需要说明的是，参见图2，所述热相容性试验装置包括：环保气体气瓶1、co2气体气瓶2、第一气阀3、第二气阀4、第三气阀7、第四气阀11、第五气阀13、第一三通气阀5、第二三通气阀6、温控系统8、实验腔体9、气压表10、气相色谱质谱联用仪12、真空泵14。
57.具体的，所述环保气体气瓶1通过所述第一气阀3与所述第一三通气阀5的第一输入口连接；所述co2气体气瓶2通过所述第二气阀4与所述第一三通气阀5第二输入口连接；所述第一三通气阀5的输出口与第二三通气阀6的输入口连接；所述第二三通气阀6的第一输出口通过所述第三气阀7与所述实验腔体9连接；所述实验腔体9与所述气压表10连接，所述实验腔体9通过所述第四气阀11与所述气相色谱质谱联用仪12连接，所述实验腔体9置于所述温控系统8内部；所述第二三通气阀6的第二输出口通过所述第五气阀13与所述真空泵14连接。
58.所述热相容性实验的步骤包括：
59.s11、使用蘸取无水乙醇的软布擦拭实验腔体9的内壁，擦拭完成后将所述固体材料置入所述实验腔体9中，将所述实验腔体9封闭并与气路连接；
60.s12、使用真空泵14对所述实验腔体9进行抽真空处理，打开所述第二气阀4和所述第三气阀7，向所述实验腔体9中充入3个大气压的co2气体，静置24小时后，通过记录所述气压表10的示数以检查所述实验腔体9的气密性；
61.s13、检查所述实验腔体9的气密性后，使用真空泵14对所述实验腔体9进行抽真空处理，打开所述第二气阀4和所述第三气阀7，并向实验腔体9中充入1.5个大气压的co2气体；
62.优选的，重复步骤s13三次，以排出所述实验腔体9内的空气及干扰气体。
63.s14、使用所述环保气体气瓶1向所述实验腔体9中充入所述环保气体，进行洗气处理；
64.s15、洗气处理结束后，使用所述环保气体气瓶1向所述实验腔体9充入2个大气压的所述环保气体，并在所述温控系统8中设置实验温度和加热时长；
65.优选的，所述加热时长为40小时。
66.s16、通过所述温控系统8对所述实验腔体9进行加热，加热结束后，将加热结束后所述实验腔体9中的气体作为气体样品，打开所述第四气阀11，将所述气体样品进样至所述气相色谱质谱联用仪12中；
67.s17、等待所述实验腔体9冷却后，使用所述真空泵14将所述实验腔体9内的气体排出，将实验后的所述固体材料从所述实验腔体9中取出，作为固体样品，并将所述固体样品放入密封袋中保存。
68.具体的，在步骤s2中，所述检测所述气体样品的气体组分，具体为：
69.通过气相色谱质谱联用仪检测所述气体样品的气体组分。
70.需要说明的是，在步骤s2中，当所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分一致时，则确定所述环保气体未发生分解，即在一定温度条件下，所述环保气体未受到所述固体材料的影响。
71.在一可选的实施例中，在步骤s3中，所述检测所述固体样品的表面特征参数，具体为：
72.通过扫描电子显微镜检测所述固体样品的表面形貌；
73.通过x射线光电子能谱分析检测所述固体样品的元素组成和化学状态。
74.需要说明的是，当所述固体样品与所述固体材料相比表面形貌无明显变化、无晶粒聚集、无腐蚀点，且所述固体样品与所述固体材料的元素组成和化学状态一致时，说明所述固体材料未发生腐蚀，所述固体材料未受到所述环保气体的影响。
75.在另一可选的实施例中，在步骤s3中，所述检测所述固体样品的表面特征参数，具体为：
76.通过傅里叶红外光谱检测所述固体样品的分子结构、官能团与化学键。
77.需要说明的是，当通过傅里叶红外光谱检测所述固体样品的分子结构、官能团与化学键时，所述固体样品与所述固体材料的红外光谱相比未发生明显变化，则说明所述固体材料未发生腐蚀，所述固体材料未受到所述环保气体的影响。
78.在一可选的实施例中，在步骤s4中，所述分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，并根据所述吸附解离情况，确定第三评价结果，具体包括：
79.s41、构建所述环保气体与所述固体材料的气固体系吸附模型，通过计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数，判断所述气固体系吸附模型的吸附结构；
80.s42、当判断到所述吸附结构为物理吸附结构时，确定第三评价结果为相容性良好；
81.s43、当判断到所述吸附结构为化学吸附结构时，构建所述环保气体在所述固体材料表面的n个解离路径，通过对n个所述解离路径的能量进行比较，得到第一解离路径；其中，n是大于1的自然数；
82.s44、获取所述第一解离路径的活化能；
83.s45、根据所述第一解离路径的活化能和活化能阈值之间的大小关系，确定所述第三评价结果。
84.进一步的，所述根据所述第一解离路径的活化能和活化能阈值之间的大小关系，确定所述第三评价结果，具体包括：
85.s451、若所述第一解离路径的活化能大于或等于所述活化能阈值，则确定第三评价结果为相容性良好；
86.s452、若所述第一解离路径的活化能小于所述活化能阈值，则确定所述第三评价结果为相容性差。
87.优选的，在步骤s41中，所述构建所述环保气体与所述固体材料的气固体系吸附模型，具体包括：
88.根据所述环保气体的分子结构，在所述固体材料表面选取吸附位，构建初始吸附模型；对所述初始吸附模型进行模型优化，得到所述气固体系吸附模型。
89.优选的，在所述初始吸附模型中，所述环保气体的分子与所述固体材料的表面距
离为
90.优选的，所述对所述初始吸附模型进行模型优化，得到所述气固体系吸附模型，具体为：
91.通过material studio软件中的dmol3模块对所述初始吸附模型进行优化，得到优化后的所述气固体系吸附模型；
92.其中，所述对所述初始吸附模型进行优化，具体为：
93.采用广义梯度近似法的perdew
‑
burke
‑
ernzerhof泛函对所述环保气体与所述固体材料的气固体系中的电子
‑
电子间交换相关能进行校正；采用grimme色散对所述环保气体与所述固体材料表面间的弱相互作用的描述进行矫正；采用带极化的双数值基组对所述环保气体与所述固体材料的气固体系进行电子计算；设置布里渊区积分的k点值为5*5*1，轨道截断半径为
94.优选的，在步骤s41中，所述通过计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数，判断所述气固体系吸附模型的吸附结构，具体包括：
95.s411、计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数；
96.s412、当所述吸附能大于或等于第一阈值且所述电子转移数大于或等于第二阈值时，确定所述气固体系吸附模型为化学吸附结构；
97.s413、当所述吸附能小于第一阈值且所述电子转移数小于第二阈值时，确定所述气固体系吸附模型为物理吸附结构。
98.优选的，所述第一阈值为0.8电子伏特，所述第二阈值为0.2电子伏特。
99.具体的，在步骤s411中，所述计算所述气固体系吸附模型的吸附能和电子转移数，具体为：
100.根据下列公式，计算所述气固体系吸附模型的吸附能：
101.e
ads
＝e
gas
‑
solid
‑
e
solid
‑
e
gas
；
102.其中，e
ads
为所述气固体系吸附模型中气固体系的吸附能，e
gas
‑
solid
为所述环保气体吸附后所述气固体系的总能量，e
solid
为吸附前所述固体材料的能量，e
gas
为所述环保气体的能量；
103.根据下列公式，计算所述气固体系吸附模型的电子转移数：
104.q
t
＝q
gas
‑
solid
‑
q
gas
；
105.其中，q
t
为所述环保气体吸附过程中所述气固体系的电子转移数，q
gas
‑
solid
为所述环保气体吸附后所述气固体系的电子，q
gas
为所述环保气体的电子，当所述气固体系的电子转移数为正值时，则表示在吸附过程中电子由所述环保气体的分子转移至所述固体材料表面。
106.需要说明的是，在步骤s43中，所述构建所述环保气体在所述固体材料表面的n个解离路径，这里所提到的n个所述解离路径是所述环保气体在所述固体材料表面可能出现的解离路径。所述通过对n个所述解离路径的能量进行比较，得到第一解离路径，这里所提到的第一解离路径是n个所述解离路径中能量最低的解离路径。可以理解的，能量最低的解离路径是所述环保气体与所述固体材料出现概率最大的解离路径。
107.参见图3，图3是本发明实施例提供的一种环保气体与固体材料相容性的评价系统
的结构示意图。
108.所述环保气体与固体材料相容性的评价系统，包括：
109.热相容性实验装置21，用于对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品；还用于检测所述气体样品的气体组分并发送至终端设备；
110.固体检测装置22，用于检测所述固体样品的表面特征参数并发送至所述终端设备；
111.终端设备23，用于：
112.将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；
113.将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，得到第二评价结果；
114.分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，得到第三评价结果；
115.通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容。
116.综上，本发明实施例提供的环保气体与固体材料相容性的评价方法和系统，首先，通过热相容性实验装置对环保气体和固体材料进行热相容性实验，得到实验后的气体样品和固体样品，然后检测所述气体样品的气体组分并发送至所述终端设备，以及通过固体检测装置检测所述固体样品的表面特征参数并发送至所述终端设备；其次，通过终端设备将所述气体样品的气体组分与所述环保气体的气体组分进行比较，确定所述环保气体的分解程度，以作为第一评价结果；将所述固体样品的表面特征参数与所述固体材料的表面特征参数进行比较，确定所述固体材料的腐蚀程度，得到第二评价结果；分析所述环保气体在所述固体材料表面的吸附解离情况，得到第三评价结果；最后，通过所述第一评价结果、所述第二评价结果和所述第三评价结果判断所述环保气体与所述固体材料是否相容，能够实现对环保气体与固体材料的相容性进行系统地评价，提高相容性判断的准确度。
117.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。