Лаборатория физики льда

Лаборатория создана 16 декабря 1996 года, приказ № 173.

Цель:

Создание фундаментальной научной базы для разработки технологии получения новых материалов путем управления неравновесным ростом кристалла из расплава (на примере модельной системы лед-вода), методов электромагнитного непрерывного мониторинга окружающей среды, содержащей большие массы льда и снега, а также электромагнитной дефектоскопии нагруженных узлов конструкций, эксплуатируемых при отрицательных температурах в условиях оледенения.

Задачи:

исследование механизмов неустойчивости межфазной границы лед-вода и связанного с ними многообразия неравновесных форм роста льда в сильно переохлажденной воде. Важность этого направления связана, главным образом, с актуальностью разработки технологии получения новых материалов в сильно неравновесных условиях. Система лед-вода выступает здесь в качестве удобного модельного объекта для исследования морфогенеза диссипативных систем.
исследование собственного электромагнитного излучения, сопровождающего процессы пластической деформации, разрушения и фазовых переходов первого рода в различных материалах и льде, подвергнутых тепловому и/или механическому воздействию. Актуальность подобных исследований определяется установленной возможностью д и а г н о с т и к и повреждений конструкционных материалов и льда по сигналу собственного электромагнитного излучения, а также необходимостью разрабатывать методы непрерывного электромагнитного мониторинга природных объектов, склонных к катастрофическим срывам (землетрясения, ледники и т.д.).
исследование влияния внешних воздействий (акустического, электромагнитного поля, содержания примесей и т.д.) на динамику и геометрию перечисленных выше процессов структурной релаксации с целью дальнейшей разработки технологии у п р а в л е н и я структурой материалов внешним силовым полем.

Сотрудники:

д.ф.-м.н., профессор Шибков А.А. (руководитель);
к.ф.-м.н., доцент Желтов М.А.;
к.т.н., доцент Золотов А.Е.;
к.т.н., старший преподаватель Михлик Д.В.;
к.ф.-м.н. Гасанов М.Ф.,
к.т.н. Денисов А.А.

Основные результаты, полученные в лаборатории:

Разработаны физические основы электромагнитного мониторинга процессов структурной релаксации в высокоомных материалах на базе метода электромагнитной эмиссии.
Обнаружен эффект Савара - Масcона во льде, состоящий в появлении повторяющихся мезоскопических скачков пластической деформации со средней амплитудой ~ 10^–3–10^–2 % на кривых нагружения с постоянной скоростью моно- и поликристаллического льда.
Обнаружено, что процессы пластической деформации, кристаллизации и разрушения льда сопровождаются генерированием собственного электромагнитного излучения, носящего импульсный характер, которое является свидетельством термодинамической неравновесности кристалла и несет информацию о динамике его структурной релаксации преимущественно на мезоскопическом уровне.
Установлено качественное подобие статистического поведения скачкообразных процессов пластической деформации, множественного разрушения и кристаллизации льда.
Обнаружен и исследован электромагнитный сигнал – предвестник макроразрушения поликристаллического льда.
Развит подход к управлению неравновесными мезоскопическими структурами кристаллизации.
Дана полная классификация морфологических переходов между различными неравновесными структурами гетерогенного роста льда в переохлажденной воде.
Установлено, что доминирующим фактором, влияющим на механизм роста льда при переохлаждении до 0.4 K, является конвекция, в интервале от 0.4 до 4 K – диффузия скрытой теплоты кристаллизации, а при более высоких переохлаждениях – поверхностная кинетика.
Обнаружено, что формирование определенного морфологического типа структуры неравновесного роста льда сопровождается генерированием характерного сигнала электромагнитной эмиссии, который надежно идентифицирует каждую структуру.
Полученные результаты позволяют: а) прогнозировать структурное состояние (преимущественно на мезоскопическом уровне) и поведение материалов в сильно неравновесных условиях; б) разрабатывать технологии создания новых структур, в частности, поликристаллических материалов с заданными размером и формой зерен;

в) использовать ЭМЭ как тонкий физический инструмент исследования динамики формирования мезоскопической структуры испытуемого кристалла; г) разрабатывать методы бесконтактной электромагнитной дефектоскопии материалов в условиях механического и теплового воздействия, контроля и управления роста кристалла диэлектриков, а также электромагнитного in situ мониторинга природных объектов, содержащих большие массы льда и снега, склонных к катастрофической динамике (ледники, снежные лавины и т.д.).

В работе лаборатории «Физика льда» принимают активное участие аспиранты и студенты. Результаты исследований опубликованы более чем в ста научных работах, в том числе в центральной академической печати, в частности, в журналах Доклады РАН, Известия РАН, Кристаллография, Физика твердого тела, Известия вузов, Поверхность, Деформация и разрушение материалов, Материаловедение, а также в зарубежной печати, в журналах Physica A, Journal of Crystal Growth и докладывались на международных и всероссийских конференциях в Черноголовке, Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Бостоне (США) Киото (Япония), Гренобле (Франция) и т.д. По результатам работы защищены одна докторская, пять кандидатских диссертаций и около ста дипломных работ.

Гранты:

Деятельность лаборатории в течение 10 лет поддерживалась рядом грантов:
РФФИ (проекты № 98-02-17054-а, № 99-02-99108-с, № 01-02-16574-а, № 02-02-06164-а, № 03-02-06041-а, № 04-02-16143-а, № 09-02-97540-р-центр-а;
Минобразования РФ (проекты № Е00-3.4-122, № Е02-3.4-113, № А04-2.9-1160);
Университеты России (проект № УР.01.01.463);
грант Тамбовского госуниверситета им. Г.Р. Державина (проект № 11Д2005);
Президентский грант (проект № МК-4627.2006);
темплан (проект № 1.11.09).
РНФ проект № 15-12-00035 (2015-2017)

Перспективы развития:

Исследования в области физики льда актуальны и перспективны 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. Актуальные проблемы, на решение которых направлена деятельность лаборатории ФЛ:

Проблема мониторинга и предсказания катастрофической динамики природных масс льда.
Механическая прочность льда в условиях контакта с нефтью и проблема ликвидации разлитой нефти в арктических условиях.
Проблемы беспроводной связи в арктических условиях.
Коррозия металлов в условиях обледенения.

Партнеры:

Лаборатория поддерживает научные связи со многими институтами страны: Институт Кристаллографии РАН им. А.В. Шубникова, Институт физики твердого тела РАН, Институт Космических исследований РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Тульский, Воронежский, Белгородский, Тольяттинский, Нижегородский госуниверситеты, КемГСХИ и др.

Услуги:

Консультации для научных работников и аспирантов естественно-научных и технических специальностей по вопросам комплексного исследования в области разработки бесконтактных методов контроля процессов выращивания кристаллов диэлектриков и полупроводников, электромагнитного мониторинга природной среды, содержащей большие массы льда, снега, мерзлого грунта, и управления структурой кристаллов льда внешним электромагнитным полем, а также исследования феномена атмосферного электричества. Консультации для педагогов по вопросам методологии и методики преподавания вузовских физических дисциплин.

Контакты:

Е-mail: shibkov@tsu.tmb.ru