Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

THE POSSIBLE DISTRIBUTION STATES OF THE MODULAR STRUCTURES OF THE CRYSTAL, NANO-DIMENSIONAL AND FRACTAL OBJECTS INTO VOLUME OF THE ANTI-FRICTION COMPOSITIONAL MATERIALS

Ivanov V.V. 1
1 J-SC SDTU «ORION»
1416 KB
The description variants of the possible structural states of the crystal and nano-dimension objects and variants of its site- and size-distributions into volume of the compositional materials by friction and wear were offered. The main components of description (rrr, nnn, fff) of the objects were considered. The possible ordering/disordering types of the crystal, nano-dimension objects and fractal structures were analyzed. Fractal structures as a possible approximants of the inter-phase borders configurations, site- and size-distributions of the crystal phases and nano-dimension particles into volume of anti-friction compositional materials are considered. Therefore the crystal and nano-dimensional objects and fractal laws of its distributions are included to the structural states description.
structural state
modular structures
compositional material
crystal object
nano-dimensional object
site-distributions
size-distributions
fractal structure

В работах [1–4] с формулированы принципы модулярного строения кристаллических фаз, наноструктур и ф . , [5рактальных структур. На их базе р , [5азработаны методы комбинаторного и и , [5терационного моделирования вероятных структур неорганических веществ, наноразмерных фаз и р [5егулярных фракталов [5–12]. Для получения модулярных структур предложены варианты р [13], [14] [15]. азбиения и с [13], [14] [15]. труктурирования пространства [13], с [14] [15]. пособы формирования модулярных ячеек [14] и с [15]. труктурных модулей [15]. П редложены варианты описания фазово-разупорядоченного состояния поверхности многофазных антифрикционных материалов как совокупности фазовой и с - , [труктурно-фазовой р , [азупорядоченностей, а т [акже структурной р [азупорядоченности в о [тдельных кристаллических фазах [1, 16–27] или как комплексного структурного состояния поверхности композита, включающего в с ебя кроме кристаллической r компоненты также наноразмерную n и ф рактальную f компоненты [28–38]. Рассмотрим варианты описания возможных модулярных структурных состояний кристаллических и н - - аноразмерных объектов и х - - арактера их сайт- и с - айз-распределений в объеме композиционного материала при трении.

Состояния модулярных структур в объеме антифрикционных покрытий

Для описания конкретного структурного состояния объема можно использовать 3D состояния: rrr - для кристаллических фаз, nnn - для наноразмерных структур и fff - для законов распределения их межфазных границ. Формальное описание конкретного структурного состояния объема материала будет выглядеть следующим образом: (rrr, nnn, fff). Возможные варианты их реализации для кристаллов, наноструктур и конфигураций межфазных границ определяются аналогично вариантам реализации на поверхности. Всего с учетом случайного варианта распределения фаз в одном, двух или трех независимых направлениях можно представить 20х20х10 = 4000 комбинаторно различных вариантов описаний структурных состояний в объеме композиционного материала.

Перечислим возможные варианты реализации модулярных структур, охарактеризуем виды состояний модулярных структур, сопряженные (*) и соподчиненные им (∈)состояния.

Класс кристаллический (r r r), модулярные структуры Rrrr3:

1) (r r r) - 3D-кристалл из упорядоченных атомных цепочек, слоев, (rrr)*= (rrr),
(r r r) ∈ (nrnrnr),

2) (r r rn) - 3D-кристалл из упорядоченных 1D-нанофрагментов, (rr rn)*= (rr nr),
(rr rn) ∈ (nrnrn),

3) (r r rf) - 3D-кристалл из упорядоченных 1D локальных фракталов, (r r rf)* = (r r fr),
(r r rf) ∈ (nr nr nf),

4) (r rn rn) - 3D-кристалл из упорядоченных 2D наноразмерных ч , (r rастиц, (r rn rn)* = (r nr nr),
(r rn rn) ∈ (nr n n),

5) (r rn rf) - 3D-кристалл из упорядоченных 1D-нанофрагментов и 1D локальных фракталов, (r rn rf)* = (r nr fr), (r rn rf) ∈ (nr n nf),

6) (r rf rf) - 3D-кристалл из упорядоченных локальных 2D фракталов (детерминистических фрактальных 2D структур), (rf rf)* = (fr fr), (rf rf) ∈ (nr nr).

7) (rn rn rn) - 3D-кристалл из упорядоченных наноразмерных ч , (rастиц, (rn rn rn)* = (nr nr nr), (rn rn rn) ∈(n n n),

8) (rn rn rf) - 3D-кристалл из упорядоченных 2D-нанофрагментов и 1D л , (rокальных фракталов, (rn rn rf)* = (nr nr fr),
(rn rn rf) ∈ (n n nf),

9) (rn rf rf) - 3D-кристалл из упорядоченных локальных наноразмерных 2D фракталов (детерминистических фрактальных 2D структур), (rn rf rf)* = (nr fr fr), (rn rf rf) ∈ (n nr nr).

10) (rf rf rf) - 3D-кристалл из упорядоченных локальных 3D фракталов (детерминистическая фрактальная 3D структура), (rf rf rf)* = (fr fr fr), (rf rf rf) ∈ (nr nr nr).

11) (rоr r) - 3D-кристалл из разупорядоченных атомных слоев, (rоr r)* = (rоr r),
(rоr r) ∈ (nоnrnr),

12) (rо r rn) - 3D-кристалл из разупорядоченных слоев 1D-нанофрагментов, (rо r rn)* = (rо r nr), (rо r rn) ∈(nо nr n),

13) (rо r rf) - 3D-кристалл из разупорядоченных слоев 1D локальных фракталов, (rо r rf)* = (rо r fr), (rо r rf)∈ (nо nr nf),

14) (rо rn rn) - 3D-кристалл из разупорядоченных слоев 2D наноразмерных частиц, (rо rn rn)* = (rо nr nr), (rо rn rn) ∈ (nо n n),

15) (rо rn rf) - 3D-кристалл из разупорядоченных слоев 1D-нанофрагментов и 1D локальных фракталов, (rо rn rf)* = (rо nr fr),
(rо rn rf) ∈ (nо n nf),

16) (rо rf rf) - 3D-кристалл из разупорядоченных слоев локальных 2D фракталов (детерминистических фрактальных 2D структур), (rо rf rf)* = (rо fr fr), (rо rf rf) ∈ ((nо nr nr).

17) (rоrоr) - 3D-кристалл из разупорядоченных цепочек атомов, (rоrоr)*=(rоrоr), (rоrоr) ∈ (nоnоnr),

18) (rо rо rf) - 3D-кристалл из разупорядоченных цепочек 1D локальных фракталов, (ro ro rf)* = (ro ro fr), (ro ro rf) ∈ (no no nf),

19) (ro ro rn) - 3D-кристалл из разупорядоченных цепочек наноразмерных частиц, (ro ro rn)* = (ro ro nr), (ro ro rn) ∈ (no no n).

20) (ro ro ro) - апериодический (аморфный) 3D-кристалл, (ro ro ro)* = (rororo), (rororo) ∈ (nо nо nо).

Класс наноразмерный (n n n), модулярные структуры Rnnn3:

1) (n n n) - 3D-наночастица, (n n n)* = (n n n),

2) (n n nr) - 3D-нанообъект из упорядоченных 1D-фрагмента структуры, (n n nr)* = (n n rn),

3) (n n nf) - 3D-нанообъект из упорядоченных 1D локальных фракталов, (n n nf)* = (n n fn),

4) (nnrnr) - 3D- нанообъект из упорядоченных 2D нанофрагментов структуры, (nnrnr)*= (nrnrn),

5) (n nr nf) - 3D-нанообъект из упорядоченных 1D-фрагментов структуры и 1D л , (n nокальных фракталов, (n nr nf)* = (n rn fn),

6) (n nf nf) - 3D-нанообъект из упорядоченных 2D локальных фракталов, (n nf nf)* = (n fn fn).

7) (nrnrnr) - 3D-нанообъект из упорядоченных 3D-нанофрагментов структур, (nrnrnr)*= (rnrnrn),

8) (nr nr nf) - 3D-нанообъект из упорядоченных 2D-нанофрагментов структур и 1D локальных фракталов, (nr nr nf)* = (rn rn fn),

9) (nr nf nf) - 3D-нанообъект из упорядоченных 1D-нанофрагментов структуры и 2D локальных фракталов, (nr nf nf)* = (rn fn fn).

10) (nf nf nf) - 3D локальный фрактал, (nf nf nf)* = (fn fn fn).

11) (nо n n) - 3D-наночастица из разупорядоченных слоев 2D-наночастиц, (nо n n)* = (nо n n),

12) (nо n nr) - 3D-нанообъект из разупорядоченных слоев 1D-фрагмента структуры и 1D-наночастиц, (nо n nr)* = (nо n rn),

13) (nо n nf) - 3D-нанообъект из р 1D 1азупорядоченных слоев 1D локального фрактала и 1D-наночастиц, (nо n nf)* = (nо n fn),

14) (nо nr nr) - 3D- нанообъект из разупорядоченных слоев 2D нанофрагментов структуры, (nо nr nr)* = (nо rn rn),

15) (nо nr nf) - 3D-нанообъект из разупорядоченных слоев 1D-фрагмента структуры и 1D локального фрактала,
(nо nr nf)* = (nо rn fn),

16) (nо nf nf) - 3D-нанообъект из разупорядоченных слоев 2D локальных фракталов, (nо nf nf)* = (nо fn fn).

17) (nо nо nr) - 3D-нанообъект из разупорядоченных цепочек 1D-нанофрагментов структуры, (nо nо nr)* = (nо nо rn),

18) (nо nо nf) - 3D-нанообъект из разупорядоченных цепочек 1D локальных фракталов, (nо nо nf)* = (rо rо fn),

19) (nоnо n) - 3D-нанообъект из разупорядоченных цепочек 1D-наночастиц, (nоnоn)* = (nоnоn),

20) (nо nо nо) - апериодическая (аморфная) 3D-наночастица, (nо nо nо)* = (nо nо nо).

Класс фрактальный гибридный (f f f), модулярные структуры Rfff3:

1) (f f f) - 3D фрактальная гибридная структура, (f f f)* = (f f f), (f f f)∈ (nf nf nf),

2) (f f fr) - 3D фрактал из цепочек 1D детерминистических фракталов, (f f fr)* = (f f rf), (f f fr) ∈ (nf nf nr),

3) (f f fn) - 3D фрактал из цепочек 1D фрактальных нанообъектов, (fffn)*= (ffnf), (fffn) ∈ (nfnfn),

4) (f fr fr) - 3D фрактал из слоев 2D детерминистических фракталов, (f fr fr)* = (f rf rf), (f fr fr) ∈ (nf nr nr),

5) (f fr fn) - 3D фрактал из цепочек 1D детерминистических фракталов и 1D фрактальных нанообъектов, (f fr fn)* = (f rf nf),
(f fr fn)∈ (nf nr n),

6) (f fn fn) - 3D фрактал из слоев 2D фрактальных нанообъектов, (f fn fn)* = (f nf nf),
(f fn fn) ∈ (nf n n),

7) (fr fr fr) - 3D детерминистический фрактал, (fr fr fr)* = (rf rf rf), (fr fr fr) ∈ (nr nr nr),

8) (fr fr fn) - 3D фрактал из слоев 2D детерминистических фракталов и 1D фрактальных нанообъектов, (fr fr fn)* = (rf rf nf),
(fr fr fn) ∈ (nr nr n),

9) (fr fn fn) - 3D фрактал из 1D детерминистических фракталов и слоев 2D фрактальных нанообъектов, (fr fn fn)* = (rf nf nf), (fr fn fn) ∈ (nr n n),

10) (fn fn fn) - 3D фрактальный нанообъект, (fn fn fn)* = (nf nf nf), (fn fn fn) ∈ (n n n).

Индексы r, n, f и o характеризуют кристаллический (периодический), наноразмерный, фрактальный и случайный (хаотический) законы распределения, соответственно. Для квазифрактальных конфигураций межфазных границ вариант случайной их реализации не учитывается, т.к. их аппроксимантами являются детерминистические фрактальные Rfff3-структуры, существующие в детерминированном предварительно структурированном 3D пространстве.

Отметим, что в 3D пространстве множество вероятных структурных состояний детерминистических модулярных структур композитов состоит из трех основных автосопряженных 1D состояний (кристалл с атомной структурой rr ≡ r, нанообъект nn ≡ n, локальный фрактал ff ≡ f) и трех пар сопряженных между собой состояний (кристалл из нанообъектов rn и нанообъект с кристаллической структурой nr, кристалл из локальных фракталов rf и ф fрактал с кристаллической структурой fr, нанообъект с фрактальной структурой nf и фрактал из нанообъектов fn). Таким образом, состояния кристаллического класса имеют в качестве сопряженных состояний 1D и 2D нанофрагменты и детерминистические фракталы, состояния наноразмерного класса - 1D и 2D с , 1D 2Dостояния из наноразмерных ч , 1D 2Dастиц и л , 1D 2Dокальных фракталов, а с 1D 2Dостояния фрактального гибридного класса - 1D и 2D состояния из локальных фракталов и нанофракталов.

Представления о возможном влиянии комплексного состояния композитов, обусловленного как распределенными определенным образом кристаллическими фазами, так и наночастицами некоторых из этих фаз, были использованы при целенаправленном поиске и интерпретации трибологических свойств поверхности композиционных материалов и покрытий [17-38]. Проанализированы размерные характеристики возможных состояний многокомпонентных структур, включающих фрактальную и наноразмерную компоненты, и их влияние на свойства системы [39, 40]. Значения размерностей каждой фрактальной структуры могут быть использованы при определении квазиупорядоченных сайт-распределений определенных фаз по поверхности композиционных покрытий, сайз-распределений поверхностных фаз и характеристик конфигураций межфазных границ и расчета трибологических свойств поверхности покрытий в соответствии с синергической моделью [17, 27, 41-59].

Выводы

Предложены варианты описания возможных структурных состояний кристаллических и наноразмерных объектов и характера их в объеме композиционного материала при трении и износе. Рассмотрены основные компоненты описания (rrr, nnn, fff) состояний объектов и вероятные характеры их упорядоченности. Проанализированы вероятные типы упорядоченности и разупорядоченности кристаллических, наноразмерных объектов и фрактальных структур. Предполагается, что фрактальные структуры можно рассматриваться как возможные аппроксиманты конфигураций межфазных границ, сайт и сайз-распределений объектов в объеме антифрикционных композиционных материалов. В с вязи с этим структурные состояния должны включать кристаллические, наноразмерные объекты и фрактальные законы их распределения. Многообразие различных вариантов структурных состояний определяется комбинаторным методом.