使用ReaxFF反应力场方法对Kapton、POSS聚酰亚胺、非晶硅和特氟龙在原子氧冲击下解体的反应分子动力学模拟

原子氧（AO）是低地球轨道（LEO）中最丰富的元素。它是由于太阳的紫外线辐射引起的分子氧的解离。在LEO中，它与用于航天器表面的材料发生碰撞，并导致这些材料的降解。长期以来，LEO中航天器表面材料的降解一直是一个重要问题。Kapton聚酰亚胺、聚多面体有机硅烷（POSS）、硅和特氟龙是航天器行业广泛使用的材料，与航天器行业使用的许多其他材料一样，AO碰撞降解是在航天器应用中的一个重要问题。为了研究这些材料在暴露于空间AO时的表面化学，一个针对Kapton聚酰亚胺、POSS、非晶硅和特氟龙的计算化学评估在相似条件下进行了单独的模拟。在进行这些模拟时，使用了ReaxFF反应力场程序，该程序提供了进行分子动力学（MD）模拟所需的计算速度，这样可以在足够大的系统规模上描述反应的全部化学过程。通过这些模拟，研究了AO冲击对不同材料的影响，以及冲击能量、材料含量和材料温度对材料行为的作用。ReaxFF结果表明，Kapton对AO损害的抵抗力低于特氟龙。这些结果与实验结果高度一致。这些模拟表明，在高度放热的硅氧化反应开始之前，非晶硅在这些材料中表现出最高的稳定性。我们已验证，在Kapton结构的体积中添加硅可以增强Kapton对AO冲击的稳定性。我们的规范MD模拟表明，在AO冲击过程中材料的热传导增加可以显著降低材料的解体。这种效果在硅与AO碰撞中尤其相关。已经进行了大量实验工作，以尽量减少这种基于AO的降解。正如我们的模拟所示，ReaxFF可以提供一个具有成本效益的筛选工具，用于未来材料的优化。