N2与全氟化自组装单层膜超热碰撞的化学动力学模拟

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N2粒子作为低地球轨道(LEO)中重要的气体成分对航天器表面材料具有重要的影响,但其与表面间相互作用的机理仍存在不清楚的地方。在本文中选用全氟化的自组装单层膜(F-SAM)作为有机表面模型与N2粒子进行化学动力学模拟,来探索N2与表面间的作用机理,并分析碰撞能,入射角和转动量子数对动力学过程的影响。本文首先利用MP2/aug-cc-pVTZ的方法和基组对N2和CF4的几何结构进行优化,再利用CCSD(T)/aug-cc-pVTZ的方法和基组分别对优化后的几何结构进行能量校正,并以CCSD(T)/aug-cc-pVTZ的方法和基组对不同取向构型进行单点能计算并得到相应的势能曲线,再通过遗传算法发展了N2与F-SAM间的相互作用势能函数,并对其准确性进行进一步验证,最终获得了准确的势能函数。轨迹模拟的结果表明,N2与F-SAM间的作用机理可以分为直接散射机理、捕获解附机理和捕获机理。在三种不同的碰撞能下捕获机理的反应可能性最高,其次为直接散射机理。并且反应可能性受入射角度的影响最为强烈。角度增加,捕获机理的反应可能性急剧降低,同时转移到表面的能量也有明显的降低,但在入射角为60°时仍有72%的碰撞能转移到表面。而转移到N2内部的能量有所增加,这一结果可能是由于入射角度的增加导致了N2的转动能增加。转动量子数对能量转移和反应机理可能性的影响较小。在所有初始条件下,碰撞能被高效的转移到表面中并且这一结果可能诱发表面中化学键的断裂。模拟中发现了一个重要的现象,N2在被表面捕获时,在表面中的最大陷落深度主要集中在同一个区间内,这可能为进一步理解航天材料侵蚀机制提供帮助。
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