Celem niniejszego projektu jest opracowanie nowatorskiego modelu komputerowego technologii spiekania wspomaganego polem elektrycznym FAST/SPS (ang. field assisted sintering technology/spark plasma sintering).

Spiekanie to technologia wytwarzania materiałów polegającą na konsolidacji materiału proszkowego w podwyższonej temperaturze (niższej od temperatury topnienia). W technologii FAST/SPS temperaturę spiekania uzyskuje się w wyniku przepływy prądu elektrycznego. Proszek umieszczony w grafitowej matrycy poddawany jest ciśnieniu wywieranemu przez dwa grafitowe stemple. Prąd elektryczny płynący przez grafitowe elementy układu i proszek nagrzewa je dzięki efektowi Joule’a. Do ważnych zalet technologii FAST/SPS w stosunku do konwencjonalnych technik spiekania należy znacznie wyższa efektywność procesu, ponieważ efekt Joule’a w strefie kontaktu podwyższa lokalnie temperaturę i zwiększa intensywność dyfuzji, która jest głównym mechanizmem zagęszczania w spiekaniu. Technologię FAST uważa się za kluczową technologię wytwarzania nowej generacji materiałów. Z krótkim czasem procesu wiąże się główna zaleta tej technologii – możliwość spiekania materiałów bez niepożądanego rozrostu ziaren.

Modelowanie komputerowe stanowi cenne narzędzie do lepszego zrozumienia i projektowania procesów wytwarzania technologią FAST/SPS. Modelowanie procesu spiekania stanowi jedno z większych wyzwań w modelowaniu materiałów. Rezultat procesu FAST/SPS jest wynikiem złożonego oddziaływania zjawisk elektrycznych, cieplnych oraz mechanicznych, dlatego proces ten powinien być traktowany jako sprzężone zagadnienie termo-elektryczno-mechaniczne.

Celem projektu jest opracowanie numerycznego modelu uwzględniającego różne pola fizyczne występujące w procesie FAST/SPS oraz zjawiska zachodzące na różnych poziomach obserwacji, w skali mikro- i makroskopowej. Model mikroskopowy będzie rozwinięty w ramach tak zwanej metody elementów dyskretnych (ang. DEM – discrete element method). To stosunkowo nowa metoda modelowania, w której materiał jest reprezentowany przez liczny zbiór cząstek (elementów dyskretnych) oddziałujących miedzy sobą, poprzez siły kontaktu. Jest to metoda odpowiednia do modelowania materiałów proszkowych.

Badania w niniejszym projekcie będą również obejmować opracowanie modelu metody elementów skończonych procesu FAST w skali makroskopowej. Modele mikroskopowy i makroskopowy będą ze sobą powiązane. Symulacje makroskopowe zostaną wykorzystane do ustalenia warunków brzegowych w zagadnieniu w skali mikroskopowej. Wyniki symulacji w skali mikroskopowej posłużą do wyznaczenia efektywnych właściwości makroskopowych, które będą wykorzystane w symulacjach w skali makroskopowej. Obydwa modele, w skali mikro- i makroskopowej, będą uwzględniały sprzężone wzajemnie trzy pola fizyczne: pole temperatury, elektryczne i mechaniczne.

Badania teoretyczne i numeryczne będą powiązane z badaniami doświadczalnymi technologii FAST/SPS zastosowanej do proszków miedzi i związku międzymetalicznego NiAl. Pomiary doświadczalne pozwolą uzyskać parametry potrzebne w symulacjach numerycznych. Badania doświadczalne procesów FAST/SPS dostarczą informacji o wpływie parametrów procesów oraz ewolucji gęstości materiału zagęszczanego oraz ich właściwości fizycznych. Wyniki badań doświadczalnych będą niezbędne do opracowania i walidacji modeli numerycznych.