Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность темы диссертационной работы "Дефекты структуры и структурные превращения во льду" диктуется необходимостью развития физики структурных II фазовых превращений, а также запросами практики: создать научные основы технологий получения льда с задан-ными физико- химическими свойствами для его использования в народном хозяйстве.
В связи с ускоренным промышленным развитием северных и восточных районов нашей страны, вызванным открытием месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых, лед нашел широкое применение в качестве строительного ма-териала Добыча строительных материалов для промышленных объектов в условиях сурового климата и вечной мерзлоты дорога и не всегда возможна поэтогу даже частичная замена дефицитных строительных материалов легкодоступным в северных районах льдом дает ощутимый экономический эффект В настоящее в^ем^^накопГен большой опыт с использованием iZltZJ^ZZ^nnbzx дорог и переправ плотин и Т^б J^Z^^T^^^i иску?с5енньк остро
тмии AeZux соор^ений зачасти невеГк из^за сравни-
происхождения.В^ связи с этим поиск научно обоснованных
стіеннс^оль^!^^^я од^й^т^^^іі"
Другая актуальная задача, открывающая новые перспективы практического применения льда, касается его способности катализировать химические реакции. Интенсивные исследования по химии льда начались с 60-х годов после открытия ускорения гидролиза пенициллина при замораживании его водного раствора. Были изучены многие органические и неорганические реакции, протекающие в замороженных водных системах. В большинстве случаев наблюдалось ускорение реакций после замораживания, которое приписывалось каталитической активности кристаллической ледяной матрицы. Механизмы
ускорения реакций в настоящее время до конца не ясны. Это сдерживает решение важных проблем, например, качественного (неразрушающего) хранения пищевых продуктов и медицинских препаратов при низких температурах, а также препятствует развитию новых химических технологий с использованием твердофазных каталитических матриц.
Решение перечисленных и других задач, касающихся практического применения льда, невозможно без проведения детальных физических исследований его структуры, механизмов образования и свойств структурных дефектов. Именно через управление концентрацией дефектов видится реальный путь получения льда с теми или иными заданными свойствами и более широкое использование его в народном хозяйстве.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию механизмов образования неравновесных структурных дефектов в процессе роста льда и влияния этих дефектов на его физико-механические свойства с течением времени и при изменении температуры. Целью исследований являются: а) выяснение физических причин, приводящих к DOCTV высоко-пластичного льда и разработка научно обоснованных методов получения льда с низкой пластичностью, б) изучение механиз-мов ускорения химических реакций во льду при низких тем-пература^ и определение способов повышения химической активи
Научная новизна. Впервые с общих физических позиций дано качественное и количественное описание происхождения неравновесных точечных дефектов во льду в процессе его роста. Выяснены причины образования плоскостных и объемных дефектов, важнейшей среди которых является концентрационное переохлаждение, вызываемое накоплением точечных дефектов на фронте кристаллизации. Создана согласующаяся с известными экспериментальными данными модель электроки-нетических процессов на фронте кристаллизации и плавления. Установлены причины высокой пластичности свежеприготовленного льда - наличие неравновесных структурных дефектов высокой концентрации Выявлены особенносгГповедения неравновесных заряженных дефектов в процессе структурных
превращении льда, приводящие к его каталитической активно-сти.
Практическое значение. Предложены научно обоснованные способы получения низкопластичного льда. Предложен способ снижения пластичности свежеприготовленного льда путем "отжига" при температуре, близкой к температуре плавления, при сжимающем напряжении. Указаны способы получения льда с повышенной химической активностью.
Обоснованность и достоверность представленных в работе теоретических результатов следуют из того, что они получены с использованием методов математической физики, математического анализа, сопоставлены с аналитическими решениями и экспериментальными данными других авторов, а также с экспериментальными данными, полученными автором настоящей работы. Достоверность приведенных в работе оригинальных экспериментальных данных гарантируется квалификацией автора и высокой надежностью использованных в работе классических экспериментальных методик, а также надежностью сравнительно новой методики катодопоглощения, проверенной путем многократной апробации на различных материале.
На защиту выносятся следующие положения
-
Механизмы накопления во льду, в процессе роста, неравновесных точечных, плоскостных и объемных дефектов.
-
Механизмы электрокинетических процессов на фронте кристаллизации и плавления.
-
Уникальный комплекс оборудования и результаты экспериментальных исследований деформации, скорости деформации, экзоэмиссии вещества с поверхности, равновесной и неравновесной электропроводности, люминесценции, спектроскопии поглощения и катодопоглощения структурно неравновесного льда.
-
Механизмы влияния неравновесных структурных дефектов на пластические свойства льда и пути снижения пластичности.
-
Механизмы ускорения химических реакций при структурных и фазовых превращениях во льду и возможные способы увеличения химической активности.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы апробированы на III Всесоюзной конференции по механике и физике льда (Москва,. ,1988), II Всесоюзном совещании "Метастабильные фазовые состояния ... ." (Свердловск, 1989), Научном совете по криологии Земли АН СССР (Москва, 1990), Советско-Польском семинаре по водородной связи (Самарканд, 1990), Международном симпозиуме по физике и химии льда (Саппоро 1991) XXI съезде по спектроскопии (Звенигород, 1995).
Результаты также обсуждались на семинарах ведущих специалистов по механике, теплофизике, геокриологии: академика РАН .Нитаатулина Р.И., академика РАН Скрипова В.П., чл.-корр. РАН Мельникова В.П., д.т.н., профессора, академика РА-ЕН и Академии Информатизации Шабарова А.Б., д.т.н., профессора, чл,коРР. Международной Инженерной Академии Медведского Р.И
Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 научных работ, включая одну монографию.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы; содержит 216 страниц, включая 56 рисунков, 12 таблиц, 158 библиографических ссылок.