笼体占用率如何影响甲烷水合物在应力条件下的力学响应？

《The Journal of Physical Chemistry C》：How Does Cage Occupancy Affect the Mechanical Response of Methane Hydrate under Strain Conditions

甲烷水合物机械性能研究表明：笼体占据率和温度显著影响其力学特性，氢键网络主导力学行为，拉伸断裂源于氢键链式断裂，空大笼结构在弹性阶段更稳定，空小笼在断裂阶段更具抗拉性，拉伸耗能仅为加热的1/3，弹性模量和最大应力随温度线性变化。

　　

作为一种潜在的能源，了解甲烷水合物的基本力学行为对其开发和运输至关重要。本文通过分子动力学模拟研究了在不同笼体占据率和温度条件下甲烷水合物的力学性能和响应行为。结果表明，甲烷分子通过范德华相互作用使笼体结构更加稳定，从而提高了材料的弹性模量和最大应力。不同类型的空笼体在拉伸过程中的影响截然不同：在笼体占据率相同的条件下，大空笼体水合物在线性弹性阶段表现出更高的弹性模量；但在非线性阶段和断裂阶段，小空笼体水合物的最大应力增幅更为显著。水合物的力学性能主要由氢键网络决定。拉伸过程中氢键的断裂可能是系统偏离胡克定律的原因之一。在非线性变形阶段，氢键通常在已经断裂的氢键附近断裂，最终导致水合物从这些位置发生断裂。具有特定取向的空笼体和大笼体更容易发生变形。从能量分析来看，为了断裂相同数量的氢键，拉伸所需的能量仅为加热能量的三分之一，这得益于其“尺寸优势”。水合物的力学性能随温度线性变化；甲烷的存在会使其弹性模量和最大应力在所有温度下都相应增加。