侯 華，王寶山

（武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院,武漢430072）

六氟化硫（SF6）氣體具有優(yōu)異的絕緣性與滅弧性能，廣泛應(yīng)用于開關(guān)、斷路器和輸電管道等高壓電氣設(shè)備.作為化學(xué)、物理和電氣等綜合性能最優(yōu)的獨(dú)特絕緣材料，SF6也是迄今已知全球變暖潛勢(shì)（GWP）最高的溫室氣體［1］.雖然最新實(shí)驗(yàn)測(cè)量的SF6大氣壽命從3200年縮短為850年，其GWP仍高達(dá)CO2的22500倍［2］.我國(guó)因SF6排放而導(dǎo)致的溫室效應(yīng)日益顯著，且所占全球SF6排放的比例從1990年的低于1%已經(jīng)迅速增加到約23%，其中70%的貢獻(xiàn)來自于電氣設(shè)備的SF6排放［3］.面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)保壓力，尋找能夠替代SF6的新型環(huán)保絕緣氣體成為電氣與化學(xué)交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).絕緣強(qiáng)度是評(píng)價(jià)替代氣體的最關(guān)鍵指標(biāo).目前已報(bào)道了若干SF6替代氣體［4~6］，包括全氟酮（C5F10O，C6F12O）、全氟異丁腈（C4F7N）、八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）和三氟碘甲烷（CF3I）等，其絕緣強(qiáng)度均高于SF6，特別是C6F12O的絕緣強(qiáng)度約為SF6的2.7倍.雖然依靠傳統(tǒng)試錯(cuò)方法能夠從已知?dú)怏w中篩選出潛在的替代氣體，但是難以發(fā)現(xiàn)絕緣強(qiáng)度隨氣體分子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)高絕緣強(qiáng)度的新氣體分子顯然具有挑戰(zhàn)性［7，8］.

在同等條件下，已對(duì)能夠替代SF6且絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于它的氣體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了持續(xù)研究，除了早期的定性結(jié)論（如分子量越大，電負(fù)性越強(qiáng)，絕緣強(qiáng)度越高），定量構(gòu)效關(guān)系模型（QSAR）也廣受關(guān)注，所采用的分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)主要包括電離能、極化率、偶極矩、電子親合能、分子軌道能隙和吸收強(qiáng)度等［9］.參數(shù)值通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果或量子化學(xué)方法計(jì)算得到.基于電子密度和靜電勢(shì)，建立了以相互作用性質(zhì)函數(shù)為描述符的構(gòu)效關(guān)系模型.采用密度泛函理論，計(jì)算分子的形貌參數(shù)、靜電勢(shì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)、拓?fù)鋮?shù)，直接預(yù)測(cè)任意氣體分子的絕緣強(qiáng)度［10~12］.針對(duì)包含43種氣體的數(shù)據(jù)庫(kù)，理論與實(shí)驗(yàn)絕緣強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，平均絕對(duì)偏差小于0.1，為設(shè)計(jì)新型絕緣氣體分子提供了理論依據(jù).根據(jù)構(gòu)效關(guān)系模型，已經(jīng)成功獲得若干新型環(huán)保絕緣氣體，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)吻合［13~15］.

構(gòu)效關(guān)系模型雖然較為成熟，但仍存在兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）依賴于相對(duì)復(fù)雜的量子化學(xué)計(jì)算（包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率、波函數(shù)分析等），需要具備一定的理論基礎(chǔ)并使用專業(yè)計(jì)算軟件工具才能獲得理想結(jié)果，無法直接從分子式或分子結(jié)構(gòu)迅速判斷絕緣強(qiáng)度的高低；（2）存在較多“例外”氣體而構(gòu)效關(guān)系模型無法正確描述.如構(gòu)效關(guān)系模型能夠正確計(jì)算CF4氣體的絕緣強(qiáng)度，但對(duì)于CCl4氣體，計(jì)算值（1.1）遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值（2.4）；炔烴（C4F6）和亞胺硫（CF3NSF2）等化合物也出現(xiàn)同樣的情況.與此相反，對(duì)于CFCl3和C2F3Cl3等全氟氯取代烷烴氣體，構(gòu)效關(guān)系模型的理論預(yù)測(cè)結(jié)果則遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值.更重要的是，這種偏差難以通過調(diào)整分子結(jié)構(gòu)參數(shù)與構(gòu)效關(guān)系函數(shù)而消除.

為了克服構(gòu)效關(guān)系模型預(yù)測(cè)SF6替代氣體絕緣強(qiáng)度的兩個(gè)難點(diǎn)，本文提出了計(jì)算氣體絕緣強(qiáng)度的官能團(tuán)加和（Group Additivity，GA）方法.根據(jù)氣體的化學(xué)分子式與成鍵特點(diǎn)，將氣體分解為若干代表性官能團(tuán)并賦予特征絕緣強(qiáng)度，通過官能團(tuán)絕緣強(qiáng)度的加和直接獲得氣體的絕緣強(qiáng)度.該方法既不需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量物性參數(shù)，也不需要復(fù)雜的量子化學(xué)計(jì)算，僅依據(jù)分子結(jié)構(gòu)式即可迅速獲得其絕緣強(qiáng)度.更重要的是，該方法能夠明確分子碎片結(jié)構(gòu)對(duì)絕緣強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)，為設(shè)計(jì)高絕緣強(qiáng)度的新型氣體提供了理論指導(dǎo).

1 計(jì)算方法

擊穿電壓（VB，kV）是表征氣體絕緣性能的主要參數(shù)，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量VB時(shí)受各種因素的影響，包括電場(chǎng)均勻性、氣體壓力（P，Pa）、電極間距（d，mm）等.如擊穿電壓隨Pd二者之積呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化行為，即Paschen曲線.為了設(shè)計(jì)SF6替代氣體，首先定義替代氣體相對(duì)于SF6氣體的絕緣強(qiáng)度（Er）：

當(dāng)Pd足夠大時(shí)，氣體的擊穿電壓與Pd呈線性關(guān)系，即

式中：ci為比例常數(shù).因此：

可見，在相同的放電條件下，相對(duì)絕緣強(qiáng)度Er與Pd無關(guān).根據(jù)20℃時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的cSF6=8.86×10?5kV·mm?1·Pa?1［16］，通過Er可以計(jì)算同一條件下任意氣體的擊穿電壓.將單質(zhì)分子分解為合適的官能團(tuán)碎片j，定義總絕緣強(qiáng)度為各官能團(tuán)貢獻(xiàn)的線性加和，即

式中：Er，j為官能團(tuán)j的絕緣強(qiáng)度；nj為相應(yīng)官能團(tuán)的個(gè)數(shù).

GA方法需要盡可能多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做為訓(xùn)練集.雖然文獻(xiàn)中存在大量擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［17~24］，但是不同實(shí)驗(yàn)條件測(cè)量的擊穿電壓數(shù)據(jù)不具有可比性，從而無法獲得自洽的絕緣強(qiáng)度，由式（1）~式（3）計(jì)算的氣體絕緣強(qiáng)度甚至相差數(shù)倍.為了保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的相對(duì)完備性并避免數(shù)據(jù)選擇的隨意性，在前期構(gòu)效關(guān)系模型所建立的43種氣體絕緣強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，基于以下標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)迄今所有已知絕緣氣體的擊穿電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)篩選：（1）均勻場(chǎng)或近均勻場(chǎng)；（2）取Pd盡可能高的數(shù)據(jù)（Pd＞1×105Pa·mm）以便處于Paschen線性區(qū)域；（3）以SF6為內(nèi)標(biāo)，即與SF6氣體在同一實(shí)驗(yàn)裝置與放電條件下的測(cè)量結(jié)果；（4）當(dāng)存在多個(gè)相近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)（平均偏差不超過10%），取平均值為實(shí)驗(yàn)值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過于分散時(shí)則取最新測(cè)量結(jié)果.最終獲得了包含65種絕緣氣體的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)庫(kù).

值得指出的是，絕緣強(qiáng)度Er與各官能團(tuán)貢獻(xiàn)Er，j可能存在非線性相關(guān)，原則上應(yīng)在式（4）的基礎(chǔ)上增加官能團(tuán)之間的相互作用項(xiàng)f（Gij）.可惜的是，由于電氣設(shè)備對(duì)絕緣氣體的苛刻要求（絕緣強(qiáng)、沸點(diǎn)低、環(huán)保、無毒、不燃不爆和滅弧等），現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中氣體種類偏少，官能團(tuán)類型相對(duì)單一，仍不足以描述各分子間官能團(tuán)重疊的貢獻(xiàn).同時(shí)，非線性模型需要引入更多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù).如，若線性模型只包含10個(gè)參數(shù)，官能團(tuán)相互作用模型至少需45個(gè)參數(shù)，從而極易導(dǎo)致過度參數(shù)化問題，大大降低了理論模型的可靠性.因此，本文的GA模型僅考慮一級(jí)近似.線性GA模型已經(jīng)成功用于描述純物質(zhì)的各種性質(zhì)，包括沸點(diǎn)、臨界性質(zhì)、生成焓、熱容、蒸發(fā)焓、黏度和晶體密度等［25，26］.當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)足夠時(shí)，則可以建立更高級(jí)的GA模型，如超級(jí)官能團(tuán)模型、二次GA模型、通用官能團(tuán)活性系數(shù)（UNIFAC）模型等［27~29］.

采用最小二乘法優(yōu)化官能團(tuán)的絕緣強(qiáng)度貢獻(xiàn)值，以絕緣強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(duì)偏差（MAD）為目標(biāo)函數(shù)，即

為了獲得全局極小解，優(yōu)化方法采用單純形、非線性廣義約化梯度并結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的演化算法，通過Fortran程序編程實(shí)現(xiàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 構(gòu)效關(guān)系模型

表1 給出了65種已知絕緣氣體的相對(duì)絕緣強(qiáng)度Er，包括14種含氫化合物（鹵帶烷烴與烯烴）、51種不含氫化合物，其中9種含硫氣體、22種全鹵代烷/烯炔烴、6種環(huán)烷/烯烴、5種腈化物、4種醚、3種酮以及2種特殊氣體（六氟苯與硝基甲烷）.以表1中的訓(xùn)練集為基礎(chǔ)，采用M06-2X/6-31++G（d，p）量子化學(xué)方法優(yōu)化了65氣體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并計(jì)算了電子密度為0.001 a.u.等值面上的靜電勢(shì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)：分子表面積（As，nm2）、正靜電勢(shì)面積靜電勢(shì)統(tǒng)計(jì)方差、正負(fù)靜電勢(shì)平衡度（υ)、靜電勢(shì)統(tǒng)計(jì)平均偏差（Π，eV）、分子橢圓度（Ω）、密度（ρ=m/V，g/cm3）.根據(jù)五參數(shù)QSAR模型［10~12］：

Table 1 Dielectric strengths of SF6 and various alternative gases

采用最小二乘法，對(duì)參數(shù)a，b，c，d，e進(jìn)行了重新優(yōu)化，分別為a=0.414，b=0.9410，c=1.0608，d=?2.806，e=?0.147.

計(jì)算的絕緣強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比列于表1和圖1.與以前的構(gòu)效關(guān)系模型相比，優(yōu)化后的QSAR模型中分子表面積參數(shù)、靜電勢(shì)平均偏差參數(shù)對(duì)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別提高約28%和34%，而表示分子拓?fù)湫再|(zhì)與正靜電勢(shì)的聯(lián)合參數(shù)則由正貢獻(xiàn)變?yōu)樨?fù)貢獻(xiàn).從圖1可見，該QSAR理論模型的計(jì)算效果并不好，相關(guān)系數(shù)只有0.844，且某些氣體存在較大偏差.最為顯著的是CF3N=SF2氣體，實(shí)測(cè)值為2.41，然而QSAR模型計(jì)算值只有1.25，僅為實(shí)驗(yàn)值的一半.與SF6相比，CF3N=SF2的As與靜電勢(shì)方差均大于SF6，但是CF3N=SF2分子的Π高達(dá)0.469 eV，而SF6僅為0.087 eV.靜電勢(shì)平均偏差代表分子的局域極性，在QSAR模型中，局域極性越強(qiáng)，絕緣強(qiáng)度則越低.顯然CF3N=SF2的局域極性強(qiáng)于SF6，導(dǎo)致QSAR模型計(jì)算的絕緣強(qiáng)度明顯低于實(shí)測(cè)值.同理，CCl4，CFCl3，CF3CCl3，CF3C≡CCF3等氣體的絕緣強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)值.另一方面，對(duì)于全鹵代醚和部分鹵代烷烴氣體而言，QSAR模型預(yù)測(cè)的絕緣強(qiáng)度高于實(shí)測(cè)值，其原因?yàn)檫^高估計(jì)了分子表面積對(duì)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn).因此，分子的電子密度與靜電勢(shì)參數(shù)存在局限性，并不能充分描述氣體的絕緣性能.如分子體積、表面積、電負(fù)性和局域極性等單分子性質(zhì)參數(shù)，雖然在某種程度上與絕緣強(qiáng)度相關(guān)，但并不一定是氣體絕緣的決定性因素.

2.2 官能團(tuán)加和方法

Fig.1 Comparison between the theoretical(Er,cal.)and experimental(Er,exp.)dielectric strengths for a total of 65 insulating gases

Table 2 Optimized dielectric strengths for various functional groups

分析表1中氣體的分子結(jié)構(gòu)，按照其化學(xué)特征，共提取出34種官能團(tuán)用于計(jì)算氣體的絕緣強(qiáng)度，如表2所示.官能團(tuán)類型除了包含常規(guī)的單鍵、雙鍵、三鍵、成環(huán)、共軛或芳香性等特征結(jié)構(gòu)外，還考慮了成鍵環(huán)境的影響.如將CF3基團(tuán)細(xì)分為SCF3，OCF3，NCF3等.優(yōu)化后的官能團(tuán)絕緣強(qiáng)度列于表2，65種氣體的絕緣強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)值的比較如表1和圖1所示.GA計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為0.9879，平均絕對(duì)偏差為0.0656，平均相對(duì)偏差為6.28%，整體明顯優(yōu)于QSAR的計(jì)算結(jié)果.特別對(duì)于QSAR模型無法正確描述的CF3NSF2，CCl4，CFCl3，CF3CCl3，CF3C≡CCF3等氣體，GA計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.為了說明GA方法的計(jì)算步驟，具體算例列于表3.將氣體分子按照官能團(tuán)分解后，可以迅速估計(jì)其絕緣強(qiáng)度，簡(jiǎn)便、有效性明顯優(yōu)于以往的構(gòu)效關(guān)系模型.

Table 3 Molecular structures for the prototype insulating gases and the computational procedures for the GA methodology

從表1中GA的計(jì)算結(jié)果可見，氣體的絕緣強(qiáng)度變化規(guī)律值得關(guān)注.對(duì)于飽和全氟代烷烴化合物CnF2n+2（n=1~6），絕緣強(qiáng)度隨C原子數(shù)目的增加而增加，官能團(tuán)加和計(jì)算能夠正確反映這一線性變化規(guī)律，碳鏈中每增加一個(gè)CF2基團(tuán)，絕緣強(qiáng)度升高約0.3259.另一方面，某些氣體的絕緣強(qiáng)度呈現(xiàn)“非線性”特征.對(duì)于3種環(huán)烯烴c-CnF2n?2（n=4，5，6），c-C5F8的絕緣強(qiáng)度甚至略高于c-C6F10；對(duì)于3種環(huán)烷烴c-CnF2n（n=4，6，7），六元環(huán)c-C6F11CF3的絕緣強(qiáng)度甚至略低于四元環(huán)c-C4F6（CF3）2.由于本文只考慮了一級(jí)近似GA理論，難以描述絕緣強(qiáng)度隨官能團(tuán)的非線性變化趨勢(shì)，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度的計(jì)算值稍微偏離了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值，需要考慮GA方法的非線性效應(yīng)校正.但可惜的是，呈非線性行為的化合物數(shù)量過少，且只有單個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，絕緣強(qiáng)度可能存在較大的誤差.因此，如環(huán)烴氣體的絕緣強(qiáng)度是否真正存在非線性特征，仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

對(duì)于14種含氫鹵帶烷/烯烴化合物，GA計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合得很好，但存在一個(gè)例外，即CHF3.實(shí)驗(yàn)研究表明CHF3的絕緣性能較差，遠(yuǎn)低于CHCl3，甚至低于CH4氣體，相對(duì)于SF6的絕緣強(qiáng)度為0.27，與氫氣單質(zhì)的絕緣強(qiáng)度較為接近.當(dāng)不限制CH官能團(tuán)的取值范圍時(shí)，如表2所示，CH基團(tuán)對(duì)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為負(fù)值（?0.3296），從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)的CHF3絕緣強(qiáng)度僅為0.06.值得指出的是，基于電子密度和靜電勢(shì)的QSAR模型預(yù)測(cè)CHF3的絕緣強(qiáng)度為0.04，與GA計(jì)算值接近，均明顯低于實(shí)驗(yàn)值.當(dāng)限制CHx官能團(tuán)的絕緣強(qiáng)度為正值時(shí)，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表明，CH和CH2的貢獻(xiàn)均為0，GA預(yù)測(cè)CHF3的絕緣強(qiáng)度為0.38，比實(shí)驗(yàn)值高0.11.與此同時(shí)，CHCl3，CHF2Cl和CHFCl2的計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值偏高0.3~0.4.對(duì)表1所列65種氣體而言，相關(guān)系數(shù)（0.982）稍有降低，平均絕對(duì)偏差與相對(duì)偏差分別增加為0.0788和7.6%.因此，本文仍推薦使用非限制的全局優(yōu)化GA模型，CHF3呈現(xiàn)極弱絕緣性能的原因值得進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)與理論研究.

除了能夠快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未知?dú)怏w的絕緣強(qiáng)度之外，GA方法的更大優(yōu)點(diǎn)在于能夠發(fā)現(xiàn)絕緣強(qiáng)度隨官能團(tuán)的變化規(guī)律，特別是簡(jiǎn)單原子或化學(xué)鍵雜化難以解釋的官能團(tuán)加和效率，為設(shè)計(jì)更高絕緣性能的氣體分子提供理論依據(jù).從表2可得如下4條規(guī)律.

（1）雖然分子中的氫原子對(duì)降低氣體的GWP非常有利，其對(duì)氣體絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)卻較小，特別是CH，CH2和CH3等基團(tuán)，在設(shè)計(jì)新型絕緣氣體時(shí)應(yīng)盡可能避免使用此類官能團(tuán).但是，含雙鍵的=CH2基團(tuán)對(duì)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大，甚至比=CF2基團(tuán)的貢獻(xiàn)還要高約20%，接近單取代=CF—基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度.因此，部分取代的烯烴化合物可以成為環(huán)保型的SF6替代氣體.烯烴分子中可以保留一個(gè)端基CH2不被取代，如CH2=CHCF3氣體的絕緣強(qiáng)度可以達(dá)到SF6的80%；或者保持單取代=CF—結(jié)構(gòu)，如CHF=CHCF3氣體的絕緣強(qiáng)度比CH2=CHCF3稍有提高，達(dá)到SF6的85%.

（2）對(duì)于鹵素取代基團(tuán)，單個(gè)CF鍵的貢獻(xiàn)最低，但是雙鍵或環(huán)結(jié)構(gòu)中CF基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度將大幅度提高.CF2基團(tuán)受成鍵環(huán)境的影響不明顯，無論是直鏈、成環(huán)，還是端基烯烴結(jié)構(gòu)，CF2的絕緣強(qiáng)度均約為0.32.當(dāng)CF2與O原子成鍵形成醚化合物時(shí)，官能團(tuán)OCF2的絕緣強(qiáng)度略微提高到0.37.CF3是一個(gè)優(yōu)秀的官能團(tuán)，其絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為0.3861，其作用已經(jīng)與Br原子相當(dāng).CF3受成鍵環(huán)境的影響較為顯著：當(dāng)與S，O結(jié)合時(shí)，絕緣強(qiáng)度升高，特別是SCF3基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度增加到CF3的2倍；當(dāng)與N結(jié)合時(shí)，絕緣強(qiáng)度大幅度降低，NCF3基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度僅約為0.1.

（3）CClx和CBrx的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于CFx基團(tuán)，如CCl3，CF2Cl和CFCl2的絕緣強(qiáng)度約為CF3的2~6倍.但是含Cl，Br元素的分子對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，并不適合做為環(huán)保絕緣氣體.CI鍵的絕緣強(qiáng)度最高，CF3I和CH3I都可以做為SF6的替代氣體.另外，芳香結(jié)構(gòu)對(duì)提高絕緣強(qiáng)度的效果并不比常規(guī)雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)更好，芳環(huán)化合物并不是設(shè)計(jì)新型環(huán)保絕緣氣體的首選.

（4）引入不飽和化學(xué)鍵有利于提高氣體的絕緣強(qiáng)度，包括含雙鍵的官能團(tuán)：硝基（NO2）、羰基（C=O）、硫?；⊿=O）、磺酸基（＞SO2）和硫亞胺基（S=N）以及含三鍵的官能團(tuán)：炔基（C≡C）、氰基（C≡N）、硫氮基（S≡N）.其中絕緣強(qiáng)度最高的為S=N基團(tuán)，單個(gè)S=N基團(tuán)對(duì)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比單個(gè)SF鍵高約1個(gè)數(shù)量級(jí).其次為C≡C與C≡N基團(tuán)，炔烴與腈化物均具有較高的絕緣強(qiáng)度.另一方面，含不飽和鍵化合物的化學(xué)活性高，很容易通過與大氣中的OH自由基發(fā)生反應(yīng)而降解，溫室效應(yīng)弱，是較為理想的環(huán)保絕緣氣體.

值得指出的是，官能團(tuán)加和并不等同于化學(xué)鍵加合.如，CF3基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度不等于3個(gè)CF鍵絕緣強(qiáng)度之和；CCl3基團(tuán)的絕緣強(qiáng)度高達(dá)2.09，而3個(gè)CCl鍵的絕緣強(qiáng)度之和僅為0.77.另外，混合F和Cl取代的基團(tuán)也不具有鍵加和特性.顯然，表征氣體的絕緣強(qiáng)度不能只考慮化學(xué)鍵的類型及其吸附電子性能，還需合理安排官能團(tuán)所處的化學(xué)環(huán)境.

最后，預(yù)測(cè)氣體絕緣強(qiáng)度的GA方法不僅具有直觀、可靠的特點(diǎn)，官能團(tuán)類型及其絕緣強(qiáng)度參數(shù)還非常靈活，可隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新進(jìn)行實(shí)時(shí)地優(yōu)化升級(jí).同時(shí)，GA方法可以推廣應(yīng)用到預(yù)測(cè)絕緣氣體的液化溫度、GWP及毒性等參數(shù)，從而為設(shè)計(jì)綜合性能全面優(yōu)于SF6的替代氣體提供理論依據(jù).

綜上所述，官能團(tuán)加和是一種計(jì)算SF6替代氣體絕緣強(qiáng)度的有效手段，不需要任何復(fù)雜計(jì)算與專業(yè)工具，將分子分解為特定的官能團(tuán)，在一級(jí)近似下取各官能團(tuán)絕緣強(qiáng)度的直接加和，即可獲得氣體的絕緣強(qiáng)度.與65種已知絕緣氣體的實(shí)驗(yàn)絕緣強(qiáng)度相比，官能團(tuán)加和方法計(jì)算的絕緣強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)值相符，平均絕對(duì)偏差為0.0656，平均相對(duì)偏差為6.28%，理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為0.9879，優(yōu)于以往的構(gòu)效關(guān)系模型方法.基于官能團(tuán)絕緣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，獲得了提高氣體絕緣強(qiáng)度的官能團(tuán)設(shè)計(jì)規(guī)律.引入不飽和鍵或形成環(huán)結(jié)構(gòu)、避免孤立的CHx和CF等基團(tuán)，而用CF3，OCF3，SCF3等基團(tuán)取代，則有利于獲得優(yōu)異絕緣性能的氣體分子.