1.1.1 Характеризация технических объектов и нанообъектов

Характеризация описывает те особенности состава и структуры ТО (материалов, изделий или конструкций), которые являются необходимыми для подготовки и проведения технологических процессов (операций) изготовления или использования ТО и достаточными для воспроизводства объекта.

Каждый ТО может быть представлен иерархически соподчиненными описаниями, причем каждое последующее описание является более детальной характеристикой ТО по сравнению с предыдущим и включает в себя предыдущее.

Наиболее полно характеризация ТО в технологии высокотемпературных материалов с позиции их изготовления или эксплуатации дается описанием компонентов в заданной последовательности:

потребность ( функция) ТО	→	техническая функция (ТФ),
строение ТО	→	функциональная структура (ФС)
взаимодействие ТО	→	физическая функция (ФФ)
принцип действия ТО	→	принцип реализации функции (ПР)
параметры ТО	→	техническое решение (ТР)

Техническая функция(ТФ). Описание назначения ТО или цели его создания включает следующую информацию:

• наименование потребности, реализуемой с помощью ТО;

• условия (ограничения), накладываемые на процесс реализации функции

Обобщенной технической функцией при эксплуатации высокотемпературных материалов виде изделий и конструкций (футеровок и отдельных узлов) является уровень устойчивости к разрушающему воздействию материальных и энергетических потоков в различных тепловых агрегатах в рамках заданных параметров.

Функциональная структура (ФС). Описание ФС включает следующую информацию:

• техническая функция, которую может реализовать ТО;

• элементы в составе ТО и их взаимосвязи.

Практически все ТО состоят из нескольких элементов – частиц, агрегатов, блоков, узлов и могут быть естественным образом разделены на части. Каждый элемент выполняет определенную техническую функцию в структуре ТО. Функциональные связи элементов ТО образуют его ФС.

Для наноматериалов выделяют два функциональных диапазона: наноразмерный 30-100 нм и наноструктуный менее 30 нм. Существуют два принципиально разных подхода к развитию нанотехнологии. Эти подходы принято называть «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Первый основан на уменьшении размеров физического объекта до получения тел с наноразмерными параметрами. Вторая технология заключается в сборке нанобоъекта из индивидуальных атомов, молекул. Кинетические свойства нанообъектов, такие как диффузия, теплопроводность и др. зависят от размеров структурного элемента. У металлов в наноструктурном состоянии наблюдается рост теплоемкости и коэффициента термического расширения, снижение теплопроводности и температуропроводности. Повышение теплоемкости обусловлено вкладом зернограничной фазы, которая имеет уменьшенную температуру Дебая и повышенную теплоемкость. Обнаружено значительное повышение удельного электросопротивления нанокристаллических металлов и сплавов при уменьшении размера зерна. Предел прочности и твердость многих металлов в наноразмерном состоянии значительно выше, в крупнозернистых аналогах.

Размерная зависимость физических свойств наноматериалов

Свойства	Изменение свойств при переходе в наноразмерное состояние
Фазовые превращения	Понижение температур плавления и фазовых переходов
Кинетические	Аномально высокие значения коэффициентов диффузии
Электрические	Рост электросопротивления и диэлектрической проницаемости
Магнитные	Рост коэрцитивной силы, магнитосопротивление, появление суперагнетизма
Механические	Рост предела текучести, твердости, вязкости разрушения, появление сверхпластичности

Физическая функция (ФФ). Описание ФФ включает следующую информацию:

• техническая функция, которую может реализовать ТО;

• функциональная структура ТО;

• физическая операция, с помощью которой реализуется техническая функция.

Описание физической операции (ФО) формализовано представляют тремя компонентами: входной и выходной потоки вещества, энергии, сигналов и наименование действия по превращению входного потока в выходной.

Каждый ТО находится в определенном взаимодействии с факторами внешнего воздействия, влияющими на строение, функционирование и развитие ТО. Для конкретного ТО в качестве внешних факторов могут вступать его надсистема, природные и технические объекты, физические поля, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии с разрабатываемым ТО и должны учитываться в качестве функциональных или вынужденных входных и выходных потоков в ФО.

Принцип реализации функции (ПР). Описание ПР содержит схему ФО, в которой показаны основные функциональные элементы, обеспечивающие ее реализацию, направление функциональных потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-химические эффекты (ФХЭ).

Под ФХЭ понимают приложения химических и физических законов, устанавливающих закономерности появления результатов взаимодействия объектов материального мира, находящихся под действием энергетическуих полей. Качественное описание ФХЭ включает: входной и выходной потоки вещества, энергии, сигналов и физический объект, осуществляющий преобразование

Таблица 1 – Описание физико-химического эффекта

Наименование ФХЭ	Входной поток	Физический объект	Выходной поток
Закон Гука	Механическая энергия	Твердое тело	Деформация (движение структурных элементов) Тепловая энергия
Термодиффузия	Тепловая энергия	Вещество	Диффузия (движение структурных элементов)
Закон Джоуля-Ленца	Электромагнитная энергия	Проводник	Тепловая энергия (движение структурных элементов)

Техническое решение (ТР). Описание ТР представляют в виде двухуровневой структуры, указывая значения и функционально важные соотношения параметров ТО и его основных элементов, включая их взаимное расположение в функциональном объеме и способы сопряжения. Описание содержит необходимую информацию для изготовления и эксплуатации ТО.