итоговый отчет

ВВЕДЕНИЕ

Представлен итоговый отчет по теме «Непрерывный электромагнитный мониторинг нестационарных процессов деформации, разрушения и роста льда и электромагнитные предвестники разрушения».

Исследования в области физики льда актуальны для Российской Федерации в основном в связи с проблемами навигации и нефтедобычи в арктических условиях, а также мониторинга и прогнозирования катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников, снежных лавина, распространение трещин в мерзлых грунтах, ледяных покровах водоемов и пр.

Изучение природы электромагнитных явлений, сопровождающих динамические процессы во льде, имеет важное практическое значение, связанное с проблемами навигации в условиях северных широт, а также с проблемой прогнозирования некоторых катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников, снежных лавин, распространения трещин в мерзлых грунтах и ледяных покровах водоемов и пр. Эти явления неравновесны и динамичны по своей природе и представляют собой естественное сочетание различных процессов структурной релаксации: пластической деформации, разрушения, плавления и кристаллизации. Вместе с тем известно, что динамика этих объектов сопровождается генерированием радиоизлучения в области средних частот. Всплески радиоизлучения наблюдаются и перед развитием катастрофических сдвигов, являясь их электромагнитными предвестниками. Поэтому существует практический интерес к непрерывному электромагнитному мониторингу природной среды, содержащей большие массы льда, склонные к катастрофическим сдвигам. Вопросы их прогнозирования сталкиваются с необходимостью идентификации по электромагнитному сигналу указанных процессов структурной релаксации в сложном природном явлении. В настоящем проекте предусматривается создание «чистых» модельных ситуаций в лабораторных условиях, в которых такая идентификация не вызывает сомнения.

Проблема свободной границы – одна из нерешенных проблем современной науки. Наиболее важными процессами в рамках этой проблемы являются дендритная кристаллизация переохлажденного расплава и формирование структур вязких «пальцев», возникающих, например, при продавливании нефти в грунте или при развитии неустойчивостей границы раздела нефть-вода и т.д. Проект направлен на комплексное изучение разнообразных форм неравновесного роста льда в пресной и морской воде, в

11

нефте-водной смеси, а также неравновесных структур вязких «пальцев» системы нефтьвода.

3. Известно, что разрушение диэлектрических кристаллических материалов, минералов, горных пород и льда сопровождается генерированием акустического и электромагнитного излучения. В проекте предполагается проведение систематических исследований на примере льда и системы лед-вода механизмов генерирования электромагнитных сигналов не только при разрушении льда, но и на более ранних стадиях дефектообразования во льде при пластической деформации, а также при неравновесном росте льда в переохлажденной воде и создание на этой основе «альбома» электромагнитных сигналов, отображающих важные процессы структурной релаксации, связанные с динамикой заряженных дислокаций, электрически активных трещин и неустойчивой межфазной границы лед-вода.

Изучение дендритного роста кристалла из расплава ограничено, согласно литературным данным, сравнительно небольшими переохлаждениями, характерными для диффузионного и конвективно-диффузионного роста кристалла. В проекте предполагается исследование дендритной проблемы на примере системы лед-вода при больших переохлаждениях, до -30 °С, при которых контролирующим механизмом роста, как ожидается, должен быть механизм поверхностной кинетики.

Гидродинамическом аналогом дендритной кристаллизации, как известно, является формирование неравновесных структур вязких «пальцев» границы раздела несмешиваемых жидкостей с разной вязкостью (обычно воды и масла). В проекте предполагается впервые проведение экспериментальных исследований на основе оптического мониторинга процесса формирования структур вязких «пальцев» в системе нефть-вода при различных, в том числе при отрицательных температурах вплоть до замерзания воды в нефте-водной смеси.

Таким образом, цель проекта состояла в проведении комплексных исследований динамики и статистики нестационарных процессов пластической деформации, разрушения и роста льда и создание научной основы для разработки методов электромагнитного мониторинга динамических процессов структурообразования во льде при механическом и тепловом воздействии, а также в условиях контакта с нефтью.

Цель первого этапа (2012 год) работ по проекту состояла в информационном и методическом обеспечении достижения целей проекта.

Выполнены следующие работы:

1. Проведен поиск литературных источников по тематике проекта, создана их база данных, которая включает монографии и статьи в отечественных реферируемых журналах

12

(Кристаллография, Криосфера Земли, Физика твердого тела, Материаловедение, Деформация и разрушение материалов, Доклады РАН, Успехи физических наук и др.) и

зарубежных журналах (Nature, Physical Review, Physical Review Letters, Journal of Crystal Growth, Physica A, Atmospheric Research, International Journal of Fracture, и др.).

2.По результатам литературного поиска подготовлен и написан аналитический обзор (статей, монографий и т.д.).

3.Разработан обоснованный план реализации поставленных задач в форме технологической карты проекта.

4.Протестирован электромагнитный метод исследования неустойчивой пластической деформации и трещинообразования в диэлектрических материалах и льде.

5.Разработан поляризационно-оптический метод регистрации дефектообразования во льде.

6.Разработана методика in situ исследования кинетики и морфологии межфазной границы лед-вода.

7.Разработаны и апробированы методы фрактального анализа изображений (структур разрушения и/или неравновесных форм роста льда) и сигналов акустической или электромагнитной эмиссии.

На втором этапе проводились комплексные исследования взаимосвязи собственного электромагнитного и акустического излучения с кинетикой и морфологией неравновесной структуры льда в различных условиях:

Планировались следующие работы:

1.Идентификация распространяющихся дислокационных скоплений и трещин в деформируемом льде по электромагнитному и акустическому сигналу.

2.Исследование динамики и статистики дислокационных лавин и трещин в деформируемом льде на основе электромагнитного мониторинга.

3.Исследование хаоса и пространственно-временной самоорганизации дислокационных лавин и трещин во льде в зависимости от степени деформации, скорости деформирования и температуры.

4.Разработка критерия разрушения поликристаллического льда на основе анализа картин разрушения и автокорреляционных характеристик электромагнитного сигналапредвестника разрушения.

5.Поляризационно-оптические исследования неравновесных форм роста льда в переохлажденной пресной и морской воде.

6.Экспериментальное тестирование механизмов ветвления дендритных кристаллов льда.

13

7.Изучение взаимосвязи электромагнитного сигнала со структурными особенностями растущего льда.

8.Исследование механизма генерирования электромагнитного излучения при неравновесной кристаллизации водного раствора электролита.

9.Разработка методики непрерывного оптического, акустического и электромагнитного мониторинга ледяного покрова в условиях контакта с нефтью.

10.Исследование кинетики и морфологии роста льда в нефте-водной смеси при отрицательных температурах.

14

1. ПРОВЕДЕНИЕ ЛИТЕРАТУРНОГО ПОИСКА, АНАЛИЗ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, СОСТАВЛЕНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ПО ТЕМАТИКЕ ПРОЕКТА

В рамках реализации работ по проекту был проведен литературный поиск, и анализ научно-технической литературы. Создана база данных по тематике проекта, включающая описание более 300 статей и содержащая следующие разделы: Авторы, Название статьи, Наименование журнала, Год, Выходные данные, Ссылка на pdf-файл с текстом статьи, Ключевые слова, Полная библиографическая ссылка (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 − Фрагмент базы данных по тематике проекта

15

2.ПОДГОТОВКА И НАПИСАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО ОБЗОРА

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ДИЭЛЕКТРИЧЕКИХ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ, РАЗРУШЕНИИ И РОСТЕ

Изучение природы электромагнитных явлений, сопровождающих динамические процессы во льде, имеет важное практическое значение, связанное с проблемами навигации в условиях северных широт, а также с проблемой прогнозирования некоторых катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников,

снежных лавин, распространения трещин в мерзлых грунтах и ледяных покровах водоемов и пр. Эти явления неравновесны и динамичны по своей природе и представляют собой естественное сочетание различных процессов структурной релаксации:

пластической деформации, разрушения, плавления и кристаллизации. Вместе с тем известно, что динамика этих объектов сопровождается генерированием радиоизлучения в области средних частот. Всплески радиоизлучения наблюдаются и перед развитием катастрофических сдвигов, являясь их электромагнитными предвестниками. Поэтому существует практический интерес к непрерывному электромагнитному мониторингу природной среды, содержащей большие массы льда, склонные к катастрофическим сдвигам. Вопросы их прогнозирования сталкиваются с необходимостью идентификации по электромагнитному сигналу указанных процессов структурной релаксации в сложном природном явлении. Представленый литературный обзор посвящен проблеме исследования механизмов генерирования электромагнитных полей в кристаллах диэлектриков (в том числе льда), обусловленных сложной пространственно-временной иерархией событий на мезоскопическом уровне в процессе деформирования, разрушения

ироста.

2.1.Пространственно-временная неоднородность пластической деформации

кристалла

Информация о пространственно-временной неоднородности скольжения на мезоуровне пластической деформации извлекается обычно из анализа данных акустической эмиссии [1-28], временных нерегулярностей электросопротивления [29, 30],

кинофильмирования линий скольжения на поверхности металлов [31-34], лазерной профилометрии [35], лазерной интерферометрии [36-38], лазерной спекловой

16

экспериментальными данными получено, по-видимому, только на примере двойника в кальците [5, 6, 9]. В остальных случаях интерпретация формы сигнала АЭ сталкивается со значительными трудностями из-за его сложной и неоднозначной природы, которая не позволяет точно оценивать даже время отдельного события скольжения.

В последнее время акцент акустических исследований переместился в направлении изучения по сигналу АЭ статистики коллективных самоорганизующихся дислокационных дискретных событий (лавин) в твердых телах [48-52]. В работах Вейса и Грассо [50, 51] c помощью акустических измерений обнаружено, что в монокристаллическом льде дислокационная динамика демонстрирует скачкообразный характер на различных масштабных уровнях. В силу важности этих результатов для настоящего исследования и характеризации мультимасштабной динамики дислокаций рассмотрим их более подробно.

Искусственные монокристаллы льда были использованы как модельный материал для изучения динамики дислокаций методом АЭ по следующим соображениям: а)

прозрачность льда, как считают авторы [48], позволяет непосредственно устанавливать,

что сигналы АЭ не связаны с образованием микротрещин; б) в области используемых температур и напряжений диффузионной ползучестью можно пренебречь и основной вклад в пластическую деформацию следует отнести к дислокационному скольжению в базисных плоскостях; в) хороший контакт между образцом и датчиком может быть получен за счет плавления и последующей кристаллизациии.

Эксперименты показали, что в условиях ползучести наблюдается интенсивная АЭ,

демонстрирующая прерывистый характер пластической деформации, причем распределение вероятности энергии акустического всплеска имеет характер степенного закона на протяжении нескольких порядков величин. Этот факт показывает, что большое количество дислокаций движутся кооперативно в виде дискретных мезоскопических скачков. Подобное поведение наблюдалось и в металлических сплавах в условиях проявления эффекта ПЛШ, т.е. при макроскопической неустойчивости, которая объясняется обычно в терминах механизма динамического деформационного старения,

связанного с взаимодействием дислокаций с диффундирующими атомами примеси. Вейс и Грассо считают, что прерывистая пластическая деформация чистого (беспримесного)

льда, выявляемая методом АЭ, имеет другую природу, так как помимо взаимодействующих дислокаций отсутствует факторы, влияющие на их динамику.

18

Для объяснения данных статистической обработки сигналов АЭ в [48] предложена модель дислокационной динамики, которая рассматривает случайно расположенные прямолинейные краевые дислокации, скользящие вдоль направления, параллельного их векторам Бюргерса, (совпадающее с направлением x ). Это допущение описывает деформационное поведение материалов, деформируемых одиночным скольжением.

Согласно [53], краевая дислокация с вектором Бюргерса b , локализованная в источнике,

создает в точке r(x, y) напряжение

ответственное за парное взаимодействие между дислокациями (здесь ν – коэффициент Пуассона). Предполагается, что под действием постоянного внешнего напряжения σe i -

где η – эффективная вязкость и bi – вектор Бюргерса i -ой дислокации. Другими существенными факторами моделей дислокационной динамики [54-57], являются механизмы аннигиляции и размножения дислокаций. В модели [48] принимается, что две дислокации с противоположным вектором Бюргерса аннигилируют, когда расстояние между ними меньше 2 b . Активация источников Франка-Рида [53] принимается как основной механизм размножения дислокаций, наблюдаемый экспериментально [58, 59].

Численное исследование этой модели показывает, что в ходе стационарной ползучести большинство дислокаций организуются в метастабильные структуры (стенки и ячейки), движущиеся с очень низкой скоростью и по сравнению со скоростью индивидуальной дислокации при том же уровне внешнего напряжения. Сравнительно небольшая часть дислокаций, однако, движется скачкообразно с гораздо более высокими скоростями, вызывая соответствующее увеличение скорости пластической деформации.

Уже на уровне индивидуальных дислокаций распределение скоростей оказывается весьма широким (т.е. включает большую область скоростей дислокаций) и демонстрирует поведение вида степенного закона для скоростей больших, чем скорость,

соответствующая внешнему напряжению, т.е. υσ = bσe η . В [60] показано, что отдельная дислокация, совершая скачок, генерирует акустическую волну с амлитудой,

19

пропорциональной скорости дислокации в скачке. Высокоамплитудные импульсы АЭ,

регистрируемые в эксперименте, не могут быть связаны с некоррелированной эмиссией от каждой индивидуальной дислокации, а скорее – кооперативным движением групп дислокаций, например, после активации источника Франка-Рида или прорывом дислокационного скопления.

После инжекции новых дислокаций или аннигиляции дислокационных пар, другие дислокации начинают двигаться и перестраиваться, причем не обязательно в непосредственной близости от запускающего события-триггера. Для количественного

прерывистых вспышек, каждая из которых сигнализирует о начале коллективных дислокационных перестроек, а распределение энергии всплесков имеет степенной характер с показателем степени τE =1.8±0.2 и скейлингом в несколько порядков, что хорошо согласуется с экспериментом.

Следует отметить, что модель [48], а также эксперимент на льду [48, 50] не содержат каких-либо фиксированных сил закрепления. Дислокации сами, посредством различных структур, таких как диполи и стенки, создают структуру сил закрепления, в

которой динамика оказывается фактически замороженной, точнее соответствует состоянию «медленной» динамики. Механизмы рождения и аннигиляции, зачастую запускаемые откреплением дислокаций, позволяет системе перепрыгивать между состояниями с медленной динамикой через всплеск активности. Такое поведение характерно для диссипативных самоорганизующихся систем, которые достигают критичности в пределе очень медленного изменения внешней силы [61-75].

Отметим, что и на микроуровне движение дислокаций, как известно, неравномерно вследствие наличия периодического потенциального рельефа Пайерлса и короткодействующих барьеров, связанных с примесями и другими дислокациями,

которые преодолеваются движущейся дислокацией с помощью термических флуктуации,

а также за счет неоднородного дальнодействующего поля внутренних напряжений,

образованного скоплениями одноименных дислокаций и геометрическими концентраторами напряжения. Параметры, характеризующие неоднородность скольжения в этом масштабе, находятся обычно в диапазонах ~ 10–9–10–3 с по времени и <103b2 по

20