ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

«Результат выполнения научно-исследовательской работы».

Разрушение является катастрофическим процессом. Сначала происходит процесс накопления дефектов Френкеля и их ассоциатов или в самом общем случае - разорванных связей в твердых телах под действием нагрузки (механической, электрической, радиационной, световой и др.) К разрушению приводят как предельная (пороговая) нагрузка, так и допредельная (допороговая) нагрузка. Предельная величина (максимальная амплитуда катастрофического разрушения) без указаний длительности импульса и его фронта воздействия, а также температуры образца не является физической характеристикой. Рассмотрение динамики разрушения твердого тела включает процессы прямые - разрыв химических связей и создание дефектов и обратные процессы - восстановление связей или отжиг (аннигиляция, рекомбинация дефектов), то есть (динамика) = (процессы прямые) - (обратные процессы) при постоянных нагрузке и температуре, (Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // ДАН СССР. - 1981. - Т. 259. - № 6. - С. 1350-1353).

Время до катастрофического разрушения определяется величиной активационного барьера (u ₀ -gs, u ₀ -энергия межатомной связи,g- коэффициент зависящий от структуры твердого тела) и температурой. При заданной температуре в течение времениtпод действием нагрузкиsв твердом теле происходит накопление дефектов, их преобразование, коагуляция, в более сложные, термодинамически более выгодные (точечные®коагуляты®дислокации®поры®микротрещины®трещины) состояния при которых нагруженное тело накопит необходимую потенциальную энергию для разрушения, теряет механическую устойчивость и распадается.

Аналогичные процессы протекают в твердом теле и под действием не только механической нагрузки (усталость), а также под действием электрического поля, в том числе ВЧ, СВЧ, ИК, оптической, УФ, Х,g- составляющих диапазонов (электрическое старение), с учетом особенностей его действия на заряженные продукты распада химических связей.

В неметаллических телах, диэлектриках и полупроводниках, началом разрушения является взаимодействие экситонных возбуждений и электронно-дырочных пар, а в металлах, по-видимому, - дилатонов, флуктуаций плотности фононного поля. (Журков С.Н., Дилатонный механизм прочности твердого тела // Физика твердого тела. - 1983. - 1.25. - Вып. 10. - С. 3119-3123).

Благодаря ангармоническим эффектам дилатон по мере передачи накопленной энергии от фононного поля, фононной накачки достигает предельной деформацииe^*, при которой дилатон распадается, образуя зародышевую трещину.

Распад дилатона (флуктуационного дефекта - флуктуона) происходит со скоростью, определяемой временем жизни флуктуаций , гдеl- пробег элементарного возбуждения (флуктуона, фонона, экситона и др.);v- скорость передачи возбуждения.

При таких ультракоротких временах, порядка периода тепловых колебаний кристаллической решетки, распад возбуждения аналогичен микровзрыву, в результате которого может образоваться не только дефект, но и микроскопические микропоры с развивающимися микротрещинами. Например, при аннигиляции экситона или электронно-дырочной пары в ЩГК высвобождается 7-11 эВ энергии в объеме (1,5Ч10 ^-10) ³ м или

Такое взрывоподобное выделение энергии в микрообласти твердого тела происходит в результате преобразования внешних сил в генерацию элементарных возбуждений, которая сопровождается световой, электрической и звуковой эмиссиями.

Оценим длину пробега возбужденияl_ф(фонона) дляnaclс прочностьюs_max= 25 МПа,

Такой пробег при диффузионном характере миграции от локального возбуждения однородного массива к точке наблюдения, находящегося на расстоянии 1-10 м обеспечит передачу энергии в течение

(1)

гдеt_м- медленные процессы, имеющие диффузионный характер;

v- скорость распространения возбуждений, приносящих энергию от локального возмущения горного массива к точке наблюдения. Например, приv =10 ⁴ мс ^-1,l= (0,1ё1)Ч10 ^-6 м иl _i =(1ё10) м

,

что соответствует экспериментальным данным.

После напряжений в массиве Р_i,возмущаемое при проходке горных выработок, взрывами и другими причинами, стремится к равновесному состоянию. Скорость изменений Р =dp _i/dt:

, (2)

тогдаp _i =dp _t=0 exp (-ft),

где -частота релаксации;t- время релаксации напряжений вокруг выработки.

В изменениях горного давления можно выделить быстрыеt_бпроцессы, когда накопления потенциальной энергии переходят в энергию элементарных возбуждений, образования дефектов, микротрещин. Величинаt_бхарактеризует время обмена энергией в локальных областях на микроуровне, минимальную длительность (0,1ё10) мс элементарного акта фотонной эмиссии (ФЭ). По ней следует оценивать верхнюю частоту пропускания электронной аппаратуры, а поt_м- прогнозировать время нарастания избыточного давления в заданной точкеl _i.

Метод регистрации ФЭ, как и другие методы оценки степени удароопасности, базируется на связи опасного давления с характером его изменения (рис.). Эту оценку можно сделать при обработке экспериментальных данных измерений фотонной эмиссии на основании зависимости (1), используя метод наименьших квадратов: где n- число фоновых импульсов ФЭУ в секунду;s²- средняя минимальная ошибка измерения (ФЭ). (Денисов А.С. Квантовая теория фотонной эмиссии и динамики массива горных пород // Геодинамика месторождений: Сб. материаловiiВсесоюз. семинара. - Кемерово, 1990. - С. 87-90).

Динамические проявления микро- и макроблоков в виде образования разрывов одинарных связей химических элементов, микротрещин и трещин, шелушений и стреляний, горных ударов и землетрясений представляют разномасштабные уровни единого процесса быстрого нарушения неустойчивого равновесия гравитационных, электрических и сильных ядерных сил, приводящие к преобразованию объемной потенциальной энергии возбужденных составных частиц атомов в кинетическую энергию разрывов ионных и атомных связей, сопровождающуюся на крупномасштабном уровне сейсмическим эффектом, электромагнитной, акустической и электронной эмиссией, световой вспышкой типа молнии, звуковым эффектом в виде гула, выбросом клубов пыли и воздушным ударом.

Регистрация фотонной эмиссии выполняется с использованием измерителей фотонной эмиссии, датчики которых содержат фотоэлектронные умножители. Измеряемыми параметрами являются интенсивность излучения (имп./с; Ф/с) и мощность излучения (вт).

Рис. Определение напряжения и величины скорости смещения

максимума повышенного давления относительно контура выработки

методом измерений фотонной эмиссии.