Konsorcjanci
Finansowanie
Realizacja
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS 19 (nr umowy UMO-2020/37/B/ST8/03907).
Całkowita wartość projektu:
Całkowite dofinansowanie:
Data rozpoczęcia projektu: 12.08.2020 r.
Data zakończenia projektu: 11.08.2024 r.
Lider: Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
Członek konsorcjum: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki
Kierownik Projektu: prof. dr hab. inż. Jerzy Rojek
O projekcie
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.
Kontakt
dr hab. inż. Marcin Chmielewski
Osoba odpowiedzialna w Łukasiewicz – IMiF za projekt
marcin.chmielewski@imif.lukasiewicz.gov.pl
