五氟乙烷对甲烷爆炸的双重作用机制：实验与反应力场模拟研究

本文通过20L球形爆炸实验系统与反应力场（ReaxFF）分子动力学模拟，揭示了五氟乙烷（C2HF5）在甲烷（CH4）爆炸中的双重作用：低浓度时通过生成·OH自由基促进爆炸，高浓度则通过消耗活性自由基（如H·）和产生不可燃气体（如COF2）实现抑制。研究为氢氟烃（HFCs）类抑爆剂的精准应用提供了分子机制层面的科学依据。

　　

Highlight

C₂HF₅对CH₄爆炸特性的影响

实验数据显示，当甲烷当量比（equivalence ratio）在0.6-1.4范围内时，混合气体的最大爆炸压力（P_max）随五氟乙烷体积分数增加呈先升后降趋势。值得注意的是，在贫氧环境中，C₂HF₅的抑爆效果更为显著——这就像给燃烧的引擎同时安装了"油门"和"刹车"系统。

分子模拟揭示的双面机制

通过反应力场（ReaxFF）模拟发现：

1. 促进阶段：2% C₂HF₅会与体系中的H·和H₂O反应产生大量·OH自由基（"燃烧加速器"），使CH₄反应活化能降至180.280 kJ/mol。

2. 抑制阶段：8% C₂HF₅则像"分子海绵"般吸收热量，并通过生成COF₂等惰性气体降低氧浓度，导致活化能升高22.168 kJ/mol。这种动态平衡机制完美解释了实验中观察到的"钟形曲线"现象。

Conclusion

该研究首次从原子尺度解析了氢氟烃类抑爆剂（HFCs）的双重作用机制，为开发智能可控的爆炸防护系统提供了理论基石。就像精准调控的"分子开关"，C₂HF₅的浓度变化可实现对甲烷爆炸链式反应的选择性干预。