Исследование релаксационных процессов при квазистатическом и высокоскоростном деформировании материалов. Разработка фундаментальных принципов получения новых материалов

Исследование разнообразных процессов физико-химических превращений веществ при интенсивных импульсных воздействиях: упругое и пластическое деформирование, разрушение, фазовые и химические превращения при высоких давлениях и температурах в широком диапазоне длительностей импульсных воздействий сложилось в многогранное научное направление. Недостаток фундаментальных знаний о механизмах и кинетических закономерностях этих процессов и потребность прогнозирования действия импульсных нагрузок, высокоскоростного удара, взрыва, интенсивных лазерных, пучковых и других интенсивных воздействий на материалы, конструкции и природные объекты обусловил необходимость и актуальность данных работ. В практическом плане результаты исследований могут быть использованы для разработки технологий получения новых материалов, решения задач безопасности, в том числе сейсмической безопасности, а также для создания новой оборонной техники. Объектами экспериментальных и теоретических исследований в 2016 г. были реакционно-способные смеси, различные аллотропные модификации углерода, металлы и сплавы, высокотвердые материалы (керамика) и пористые среды. Для реализации цели работ в 2016 г. был выполнен цикл экспериментальных и теоретических исследований. Проведено численное исследование автоколебаний, возникающих при распространении в пористой среде с химически активным скелетом фронта химической реакции с интенсивным выделением газовой фазы. Показано, что задержка по времени между изменением концентраций реагентов и скоростью реакции стимулирует переход распространения фронта реакции в автоколебательный режим. Перспективной областью применения результата являются технологии теплового и химического воздействия на пласт с целью увеличения нефтедобычи.Разработан способ создания механоактивированных термитных смесей алюминия с оксидами металлов с повышенной реакционной способностью при механических и тепловых воздействиях. Изучена динамика электроискрового и ударно-волнового инициирования реакции в смесях Al + CuO и Al + MoO₃. При ударно-волновом инициировании смесей формируется поток продуктов реакции со скоростью больше 500 м/с. Выделение химической энергии в потоке частиц практически не влияет на его скорость. Измерения проводимости и анализ продуктов показали присутствие в потоке разреженной плазмы продуктов реакции c большим количеством наночастиц. В зависимости от типа смесей и дозы механоактивации яркостная температура в облаке продуктов изменяется от 2500 до 3400 K. Выполнены исследования структуры углерода, затвердевшего из жидкого углерода с давлением 25 МПа на грани алмаза, методами рамановской спектроскопии и электронной просвечивающей микроскопии высокого разрешения (ВР ПЭМ). Найдено объяснение явлению аномально низкой плотности конденсированного углерода 1,5 г/см³ при давлениях около 1 ГПа, обнаруженному ранее экспериментально в ОИВТ РАН Кондратьевым, Коробенко, Рахелем (2016). Как показали структурные исследования аморфного углерода, закаленного из жидкого углерода, твердый углерод имеет нанопористую структуру из углеродных колец диам. 0,5 - 1 нм, состоящих преимущественно из sp2- и sp-гибридизованных атомов углерода. Предполагается, что жидкий углерод имеет сходную структуру. Основанием для аналогии служит близость плотностей и составов жидкого углерода и закаленного из него аморфного углерода, найденная путем атомистического моделирования. Выявлен вклад зарождения и размножения дислокаций на ранних стадиях деформирования при величине пластической деформации от 0,1% до 1 - 2%. Установлено, что внешнее энерговоздействие электромагнитным (ЭМ) полем инициирует дополнительный энергообменный процесс в интервале статистически установленной «временной задержки» ∆Т. Предложена модель энергообмена, в которой выделены три этапа, в каждом из которых взаимодействие составляющих энергообмена имеет характерные особенности. Интервал «временной задержки» ∆Т фактически является длительностью процесса подготовки сейсмического события от момента воздействия ЭМ-полем до его реализации. Анализ этапов основывается на предложенных моделях преобразования и взаимодействия после воздействия ЭМ-полем.На трибологической установке С-2 экспериментально показано, что при нормальных давлениях в модели геологического разлома на уровне литостатического давления до 100 МПа триггерный потенциал миграции флюида в разломную зону определяется композиционным составом заполнителя межблочной контактной зоны. При заполнении контактной зоны кварцевым песком или дисперсным базальтом инициирование лабораторного «землетрясения» происходит при подаче флюида в разлом при уровне сдвиговых напряжений 98 - 99% от критического значения, при заполнении контактной зоны глиной подача флюида в контактную зону приводит к возникновению событий медленного скольжения или «тихих землетрясений». Полученные результаты могут стать основой для разработки научных основ технологии получения новых материалов, предназначенных для использования при интенсивных импульсных воздействиях в широком диапазоне длительностей нагрузки и температур, а также при прогнозировании воздействия электромагнитных полей и электрических импульсов на горные породы и геологические разломы. Разработано расширение аррениусовской модели для расчета энергии миграции дефектов в ОЦК металлах на основе атомистического моделирования.