Индуцирование вязких мод разрушения льда и радикальное повышение энергоемкости его деструкции путем введения наноразмерных добавок

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Низкая прочность и высокая хрупкость льда при всей привлекательности других его свойств ограничивают широкое применение ледовых материалов в качестве строительных в зонах с холодным климатом на Земле (в Арктике, Антарктике, высокогорных районах на всех континентах), а также при планируемом рядом стран создании обитаемых колоний на Луне и Марсе. Экспериментально исследованы возможности увеличения несущей способности и энергоемкости разрушения льда и нанокомпозитов на его основе путем введения в их состав добавок поливинилового спирта и наночастиц SiO2. Изучены концентрационные зависимости эффектов улучшения этих механических характеристик. Установлены принципиальная возможность и количественные закономерности инициирования перехода от хрупкой моды разрушения в чистом льде к вязкой по мере увеличения содержания добавок в ледовых композитах и, как следствие, радикального, на 2–3 порядка величины роста энергоемкости их деструкции.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. И. Головин

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов; Москва

В. М. Васюков

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов

В. В. Родаев

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов

А. А. Самодуров

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов

Д. Ю. Головин

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов

А. И. Тюрин

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: tyurinalexander@yandex.ru
Россия, Тамбов

С. С. Разливалова

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов

В. М. Бузник

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: yugolovin@yandex.ru
Россия, Тамбов; Москва

Список литературы

  1. Бузник В.М., Каблов Е.Н. // Вестник РАН. 2017. Т. 87. № 9. С. 831.
  2. Бузник В.М., Бурковская Н.П., Зибарева И.В. и др. Арктическое материаловедение: состояние и развитие. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2021. 414 c.
  3. Grande M., Linli G., Blanc M. // Planetary Exploration Horizon 2061. 2023. P. 249. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90226-7.00002-7
  4. Reynard B., Sotin C. // Earth Planet. Sci. Lett. 2023. V. 612. P. 118172. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118172
  5. Hemingway D., Iess L., Tajeddine R., Tobie G. // Enceladus and the Icy Moons of Saturn / Eds. Schenk P.M. et al. Tucson: University of Arizona Press, 2018. P. 57. https://doi.org/10.2458/azu_uapress_9780816537075-ch004
  6. Krishna Swamy K.S. Physics of comets. World Scientific Publishing Company. 1997. 396 p.
  7. Физика и механика льда (перевод с англ.) / Ред. Трюде П.М.: Мир, 1983. 384 с.
  8. Schulson E.M., Duval P. Creep and Fracture of Ice. Cambridge University Press, 2009. 401 p.
  9. Timco G.V., Weeks W.F. // Cold Reg. Sci. Technol. 2010. V. 60. P. 107. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2009.10.003
  10. Arenson L.U., Colgan W., Marshall H.P. // Snow and Ice-Related Hazards, Risks, and Disasters. Elsevier Inc., 2015. P. 35. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-394849-6.00002-0
  11. Архаров И.А., Гончарова Г.Ю. // Холодильная техника. 2010. № 11. С. 46.
  12. Гончарова Г.Ю., Разомасов Н.Д., Борщев Г.В., Бузник В.М. // Химическая технология. 2020. Т. 21. № 12. С. 548. https://doi.org/10.31044/1684-5811-2020-21-12-548-560
  13. Xie J., Yan M.-L., Yan J.-B. // Cold Reg. Sci. Technol. 2022. V. 206. № 4. P. 103751. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103751
  14. Yan M.-L., Jian X., Yan J.-B. // J. Build. Eng. 2023. V. 65. P. 105751. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105757
  15. Vasiliev N.K. // Cold Reg. Sci. Technol. 1993. V. 21. P. 195. https://doi.org/10.1016/0165-232X(93)90007-U
  16. Syromyatnikova A.S., Bol’shakov A.M., Alekseeva A.V. // Environ. Earth Sci. 2020. V. 459. P. 062119. https://doi.org/10.1088/1755-1315/459/6/062119
  17. Lou X., Wu Y. // Cold Reg. Sci. Technol. 2021. V. 192. P. 103381. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103381
  18. Buznik V.M., Goncharova G.Y., Grinevich D.V. et al. // Cold Reg. Sci. Technol. 2022. V. 196. P. 103490. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490
  19. Vasiliev N.K., Pronk A.D.C., Shatalina I.N. et al. // Cold Reg. Sci. Technol. 2015. V. 115. P. 56. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.03.006
  20. Li J.H., Wei Z., Wu C. // Mater. Des. 2015. V. 67. P. 464. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.040
  21. Pronk A., Mistur M., Li Q. et al. // Structures. 2019. V. 18. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.01.020
  22. Wu Y., Liu X., Chen B. et al. // Autom. Constr. 2019. V. 106. № 12. P. 102862. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102862
  23. Бузник В.М., Головин Ю.И., Самодуров А.А. и др. // Материаловедение. 2023. № 6. C. 10. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2023-0-6-10-15
  24. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Родаев В.В. и др. // Письма в ЖТФ. 2023. T. 49. № 11. C. 15. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.11.55532.19542
  25. Yasui M., Schulson E.M., Renshaw C.E. // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2017. V. 122. № 8. P. 6014. https://doi.org/10.1002/2017JB014029
  26. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Родаев В.В. и др. // ЖТФ. 2023. Т. 93. № 10. С. 1459. https://doi.org/10.21883/JTF.2023.10.56284.149-23
  27. Gao W., Smith D.W., Sego D.C. // Cold Reg. Sci Technol. 1999. V. 29. № 2. P. 121. https://doi.org/10.1016/S0165-232X(99)00019-1
  28. John M., Suominen M., Sormunen Otto-V. et al. // Water Res. 2018. V. 145. P. 418. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.08.063
  29. Deng Y., Zongkun L., Zhijun L., Wang J. // Cold Reg. Sci. Technol. 2019. V. 168. P. 102896. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102896
  30. Stoll N., Eichler J., Hörhold et al. // Front. Earth Sci. 2021. V. 8. P. 1. https://doi.org/10.3389/feart.2020.615613
  31. Голубев В.Н. // Вестн. МГУ. Сер. 5: География. 2013. № 3. С. 19.
  32. Dempsey J. // Ice-Structure Interaction / Eds. Jones S.J. et al. Springer-Verlag, 1991. P. 109. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84100-2
  33. Xu X., Jeronimidis G., Atkins A.G. et al. // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 225. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000007748.36956.a9
  34. Gharamti I.E., Dempsey J.P., Polojärvi A., Tuhkuri J. // Materialia. 2021. V. 20. Р. 101188. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101188
  35. Baker I. // Philos. Trans. Royal. Soc. A. 2019. V. 377. Р. 20180162. https://doi.org/10.1098/rsta.2018.0162
  36. Bachtiger F., Congdon T.R., Stubbs C. et al. // Nature Commun. 2021. V. 12. P. 1323. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21717-z

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Типичные s–e-диаграммы нагружения одноосным сжатием для ЛК с ПВС (1–5, 8), ЛК ПВС + 0.3% SiO2 (6, 10, 11, 13) и ЛК ПВС + 3% SiO2 (7, 9, 12, 15) с концентрациями ПВС от 0 до 7 мас. %; 1–5, 8, 14 – концентрации ПВС 0, 0.003, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 5 мас. % соответственно, 6, 10, 11, 13 – 0, 0.5, 3, 5 мас. % соответственно, 7, 9, 12, 15 – 0, 0.3, 3, 7 мас. % соответственно, sp – пиковое напряжение.

Скачать (177KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости пиковых напряжений σp выдерживаемых ЛК при одноосном сжатии от концентрации ПВС ω: 1 – ЛК с ПВС, 2 – ЛК ПВС + 0.3% SiO2, 3 – ЛК ПВС + 3% SiO2, 4 – чистый лед. На врезках представлены зеренная структура чистого льда и ЛК с 3 мас. % SiO2.

Скачать (234KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости неупругой деформации Dep (а) и удельной работы A (б) от массовой доли добавки ПВС ω: 1 – ЛК с ПВС, 2 – ЛК ПВС + 0.3% SiO2, 3 – ЛК ПВС + 3% SiO2, 4 – чистый лед, 5 – чистый лед по данным [34]. Одинарная штриховка – пределы обнаружения Δεp ~ 0.01% и А ~ 50 Дж/м2, двойная штриховка – теоретический предел удельной энергии абсолютно хрупкого разрушения вблизи А ~ 1 Дж/м2, стрелки – возможные реальные значения Δεp и А.

Скачать (236KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость удельной работы A от неупругой деформации Dep до достижения sp для ЛК с ПВС: 1 – ЛК с ПВС, 2 – ЛК ПВС + 0.3% SiO2, 3 – ЛК ПВС +3% SiO2, 4 – чистый лед, стрелки – возможные реальные значения Δεp и А.

Скачать (66KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости неупругой деформации Dep (а) и удельной работы A (б) от sp для ЛК с ПВС: 1 – ЛК с ПВС, 2 – ЛК ПВС + 0.3% SiO2, 3 – ЛК ПВС + 3% SiO2, 4 – чистый лед. Одинарная штриховка – пределы обнаружения Δεp ~ 0.01% и А ~ 50 Дж/м2, двойная штриховка – теоретический предел удельной энергии абсолютно хрупкого разрушения вблизи А ~ 1 Дж/м2, стрелки – возможные реальные значения Δεp и А.

Скачать (219KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024