Simulation microscopique du frittage de matériaux dopés et de multi-matériaux – MiSiMiMiDoSi

Le projet MiSiMiMiDoSi est un projet de 36 mois, dont la réalisation s’appuie sur l’embauche d’un doctorant, et le travail, à hauteur de 27 personnes mois d’un jeune chercheur permanent. Ce projet vise à construire un code de calcul par éléments finis, permettant la simulation numérique en 3D, de l'évolution microstructurale, durant le traitement thermique de frittage, d'un volume élémentaire représentatif d'un empilement granulaire réel, à savoir une distribution granulométrique de poudre. Des travaux précédents nous ont permis de simuler le transport de matière (par diffusion surfacique, aux joints de grains, et en volume) qui modifie la structure d’un empilement au cours du frittage. L'originalité de l’approche proposée ici est de prendre en compte la physico-chimie du solide dans les modèles numériques pour rendre compte de la densification et de l'évolution microstructurale de matériaux dopés et/ou de multimatériaux métal / céramique. Pour ce faire, disposant déjà d’un code de calcul répondant à nos besoins en termes de méthodes numériques (la librairie CIMLIB), et d’un cluster de calcul, nous nous appuierons sur les capacités offertes par le calcul intensif et les méthodes de capture d’interface (méthodes de type level-set) combinées à des techniques d’adaptation de maillage, pour mener à bien ce projet.
Pour répondre à ces objectifs, ce projet est découpé en trois tâches scientifiques. Tout d’abord, un travail préparatoire permettra au doctorant de se familiariser avec le code de calcul en mettant en place des empilements modèles servant de référence par la suite, et en testant l’effet de la variation des paramètres matériaux sur l’évolution de ces structures. Le matériau de référence est l’alumine, pouvant être dopé par ajout de magnésie ou d’oxyde de calcium (conduisant à des effets opposés). Les propriétés de ces composants seront trouvées dans la littérature, mais feront aussi l’objet de caractérisations expérimentales. La deuxième tâche scientifique a pour objectif d’étudier, par simulation numérique, l’évolution d’un empilement granulaire durant le procédé de frittage, lorsque l’ajout de dopants est pris en compte. Les cas du mono-dopage et du co-dopage seront distingués. Pour ces deux cas, il s’agira de décrire la concentration en espèces limitantes du frittage via un modèle thermodynamique exprimé en fonction des éléments de structure qui composent le solide, ici l’alumine. Ainsi, le flux des espèces diffusantes prendra aussi bien en compte les gradients de concentration, que les gradients de courbure comme force motrice. Les équations du modèle seront implémentées dans CIMLIB de manière à enrichir le modèle de base déjà existant. Enfin, la troisième tâche scientifique vise à prédire la densification et l'évolution microstructurale d'une matrice céramique lorsqu'une phase métallique sous forme granulaire y est dispersée. Nous considérerons qu'il n'y pas de réactivité entre les deux phases. Cependant la présence de grains métalliques nous conduit à considérer le comportement ductile de ce nouveau matériau. Ainsi, alors que la difficulté de la précédente tâche était due à la modélisation physique, la difficulté de cette tâche est d’ordre numérique. Il s’agira en effet d’une part de décrire, dans un cadre Eulérien, le contact entre deux corps déformables (métal / céramique), en imposant au moins la condition de non pénétration entre les grains de ces deux matériaux. De plus, il sera nécessaire de coupler sur un même maillage, le comportement élastique de la céramique, plastique du métal, et « faiblement visqueux » du milieu environnant (les pores).