Комплексное структурное состояние поверхности композита при трении и износе полностью определяется фазово-разупорядоченным состоянием многофазного материала, включающим фазовую и структурно-фазовую разупорядоченности, а также структурную разупорядоченность в отдельных фазах [1–3].
Состояние фазовой разупорядоченности характеризуется самопроизвольным распределением при определенных термодинамических условиях элементов химической системы по двум и более фазам разного состава и структуры [2, 4–11]. Распределение каждой из фаз в материале (сайт-распределение) может быть любое: от упорядоченного до полностью разупорядоченного, а распределение микрочастиц фаз по размерам (сайз-распределения) – может иметь квазинепрерывный или дискретный характер. При этом в объеме материала образуется 3D-сетка межфазных границ, конфигурация которой может быть аппроксимирована системой упорядоченных предфрактальных замкнутых поверхностей. Соответственно, системы квазиупорядоченных замкнутых фрактальных кривых являются аппроксимантами для 2D-сетки межфазных границ. Следовательно, состояние фазовой разупорядоченности предопределяет квазифрактальный характер конфигураций межфазных границ, а также сайт- и сайз-распределений каждой из фаз на поверхности и в объеме материала [2, 3, 7–11].
Состояние структурно-фазовой разупорядоченности возникает и при достаточно интенсивных внешних воздействиях на композиционный материал. В частности, при трении и износе некоторые фазы в его поверхностных слоях могут перейти в ультрадисперсное состояние и/или в состояние с другой структурной модификацией за счет обратимых фазовых переходов второго рода [2, 3, 12–15]. В первом случае наноразмерные частицы некоторых фаз (2D-наноструктуры N2m и 1D-наноструктуры N1m) в продуктах износа могут принять участие в процессе трения и существенно повлиять на его характеристики (m означает число кристаллографических направлений, в которых упорядочены сферически симметричные элементы структур) [3, 5–9, 12–15]. Если структурные элементы наноразмерных частиц не обладают сферической симметрией, то образуются модулярные наноструктуры вида N2p,or. Во втором случае – образующиеся за счет обратимых переходов фазы существенно изменяют конфигурацию межфазных границ, что усиливает общее состояние фазовой разупорядоченности на поверхности композиционного материала [3, 15].
Состояние структурной разупорядоченности предполагает наличие в многоподрешеточных структурах определенных фаз разупорядоченности атомов по одной или нескольким подрешеткам данной структуры [2]. Наличие или отсутствие структурных каналов и распределенных в них мобильных ионов отличает динамическую структурную разупорядоченность в структурах деления от статической структурной разупорядоченности в структурах твердых растворов замещения или внедрения [16–24].
Если по крайней мере в одном кристаллографическом направлении в атомной трехмерной m-упорядоченной структуре R3m наблюдается разупорядоченное расположение определенных структурных элементов, то имеем структуры R32, R31, и полностью разупорядоченную аморфную структуру R30. Для модулярных структур различают позиционную (p) и ориентационную (or) упорядоченности. Поэтому модулярные структуры вида R3p,or могут быть частично разупорядоченными модулярными структурами R33,2, R33,1, R33,0, R32,3, R32,2, R32,1, R32,0, R31,3, R31,2, R31,1, R31,0, R30,3, R30,2, R30,1 или полностью разупорядоченной структурой R30,0. Частично разупорядоченные модулярные наноструктуры R2p,or с кристаллическим законом упорядочения модулей являются частным случаем соответствующих модулярных наноструктур вида N2p,or, в которых формально возможен и фрактальный закон упорядочения [25].
Концепция комплексных структурных состояний
На основании описанных выше возможных разновидностей фаз и вероятных законов их распределения можно предположить, что фазово-разупорядоченному состоянию формально может соответствовать определенное комплексное структурное состояние. Оно должно включать в себя кроме очевидной кристаллической r компоненты также наноразмерную n и фрактальную f компоненты. В 1D-пространстве множество вероятных структурных состояний детерминистических модулярных структур композитов состоит из трех основных 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 фрактал с кристаллической структурой fr,
– нанообъект с фрактальной структурой nf и фрактал из нанообъектов fn.
Возможные пространственные компоненты структурных состояний на поверхности и в объеме композитов проанализированы в [26–36]. Установлено существование 10 разных классов структурных состояний: кристаллический rrr, кристаллический наноразмерный rrn, наноразмерный кристаллический rnn, наноразмерный nnn, кристаллический фрактальный rrf, кристаллический фрактальный гибридный rff, фрактальный гибридный fff, наноразмерный фрактальный nnf, наноразмерный фрактальный гибридный nff и кристаллический наноразмерный фрактальный rnf. Эти классы состояний содержат всего 165 вариантов реализации комбинаторно различных состояний в 3D-пространстве.
Сформулированы принципы формирования возможных структурных состояний из фрактальных компонент с учетом полугрупповых свойств множества соответствующих 1D-генераторов [37] и из наноразмерных компонент с учетом свойств множества соответствующих нанообъектов [38]. В работах [39, 40] проанализированы размерные характеристики возможных состояний многокомпонентных структур, включающих фрактальную и наноразмерную компоненты, и их влияние на свойства системы. 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 [3, 15, 41–55].
Концепция структурных состояний кристаллических и наноразмерных объектов
Предположим, что любая из трех компонент (r, n и f) может быть включена в описание состояний реально существующих объектов (кристаллических фаз, нанообъектов), а также законов их сайт- и сайз-распределений на поверхности и в объеме композиционного материала или покрытия.
Для поверхности могут быть использованы основные 2D-состояния: rr – для кристаллических фаз, nn – для наноразмерных структур и ff – для законов распределения их межфазных границ. Тогда формальное описание конкретного структурного состояния поверхности будет выглядеть следующим образом: (rr, nn, ff). Возможные варианты их реализации:
- для кристаллических фаз - rr, rrn, rnrn, rrf, rfrf, rnrf, rro, rnro, rfro, roro;
- для наноструктур - nn, nrn, nrnr, nfn, nfnf, nrnf, nno, nrno, nfno, nono;
- для конфигурации межфазных границ - ff, frf, fnf, frfr, frfn, fnfn;
где индексы r, n, f и o характеризуют кристаллический (периодический), наноразмерный, фрактальный и случайный (хаотический, только для фаз) законы распределения, соответственно. Всего 10х10х6 = 600 комбинаторно различных вариантов описаний структурных состояний поверхности.
Для 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.
Отметим, что для квазифрактальных конфигураций межфазных границ вариант случайной их реализации не учитывается, т.к. их аппроксимантами являются детерминистические фрактальные R3fff – структуры, существующие в детерминированном предварительно структурированном 3D-пространстве, а также R2ff – структуры – в любом его 2D-подпространстве.
Выводы
Предложены варианты описания возможных структурных состояний кристаллических и наноразмерных объектов, а также характера их сайт- и сайз-распределений на поверхности композиционного материала или покрытия при трении и износе. Рассмотрены основные компоненты описания состояний объектов и вероятные характеры их упорядоченности. Проанализированы взаимосвязи вероятных характеров упорядоченности или разупорядоченности кристаллических, наноразмерных объектов и фрактальных структур. Фрактальные структуры можно рассматривать как аппроксиманты конфигураций межфазных границ, сайт- и сайз-распределений объектов на поверхности и в объеме антифрикционных композиционных материалов и покрытий. В связи с этим структурные состояния описывают кристаллические, наноразмерные объекты и фрактальные законы их распределения.