MULTIPHYSICS MODELING OF THE SPARK PLASMA SINTERING PROCESS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Thesis) Complete_Thesis_Writeup_V5.pdf - Accepted Version Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

يتم تعريفتكليس شرارةالبلازما (SPS)كأسلوبمعالجة، والتي تكلسالمواد باستخدامالتيار الكهربائيبالتزامنمع الضغطأحادي المحور. أنها توفرالعديد منالمزايا أكثر منالتقنيات التقليديةمثلتحقيقالكثافةشبهالنظرية، وتشكل البلورات النانونية فيفترات تكليسقصيرة للغاية، متجنبة نمو الحبوب الغير طبيعية،وسطوح العينات النظيفة بسببالتفاعل مع غازات البلازما. ومع ذلك، فإنالعوائق الرئيسية لتكليس شرارةالبلازما التيلم تلاحظفيتقنيات التكليسالتقليدية تشملصعوبة في تكليس العينات ذو الاشكال المعقدة أو كبيرةالحجم، نسبيا درجة عالية من عدم التجانسفيالخصائص الميكانيكية، وتراكم الشحنات خاصة فيعزل المساحيق. وبالتاليمن أجلتحقيق أفضل النتائجالمعالجة، يجب الامساك بالفهم الراسخ لحركية تكليس شرارةالبلازما. و بما أن الطرق التجريبيةلا تسهلقياس درجة الحرارة و الضغط و الكثافة النسبية للتكليس أثناء اجراء التجربة، على المرء الاعتماد علىالتقنيات الحاسوبيةمن أجلالحصول على فهمأفضل للعملية الحركية. وتستخدمهذهالتقنيات الحاسوبيةفي التنبؤ بعلاقة مميزات البنيةللمواد الجاري تكليسها ، والاستفادة المثلى من معايير العملية من أجلتحقيق أفضلالخواص الميكانيكية في غياب عدم التجانس. الهدفالرئيسي من هذا العملالحسابيفي هذه الدراسةهو تطوير عناصر محدودة مقترنة كهربائيا وحرارياوميكانيكيا باستخدام عملية تكليس شرارةالبلازما. وقد استخدمهذا النموذجلدراسةفئتين مختلفتين منالمواد - الألومنيوم(موصل كهربائي)والألومينا (عازل كهربائي),حيث تماعتبارمجموعة ذو نسب مختلفة من نسب العرض للطول لكل عينةعلى شكلالقرص. من أجلالتحقق من صحةالنتائجالتي تم الحصول عليهاعن طريقالتحليلالحسابي، أجرت دراسة تجريبيةعلى نطاق ضيقلتحديد العلاقةبينعملية المتغيرات لتكليس شرارة البلازما والخواص الميكانيكية للعينة المتكلسة. المقارنة بينالنتائج تم الحصول عليهامنالنموذج الحسابيمعتلك التي تحققتمندراسة تجريبية، تشير إلى أن جميع المتغيرات وكذلكالخواص الميكانيكيةتتميز بعدم التجانس في حدود العينات المتكلسة.

English Abstract

Spark plasma sintering (SPS) is defined as a processing technique, which sinters materials using electric current in conjunction with uniaxial pressure. It offers several advantages over conventional techniques like achievement of near-theoretical density and nanocrystalline morphology in extremely shorter sintering durations, avoidance of abnormal grain growth, and clean sample surfaces due to interaction with gaseous plasma. However, the major drawbacks of SPS which are not observed in conventional sintering techniques include difficulty in sintering complex-shaped or large-sized samples, relatively large degree of inhomogeneity in mechanical properties, and charge accumulation especially in insulating powders. Hence in order to achieve the best processing results, it is obligatory to grasp a firm understanding of the kinetics of SPS process. Since experimental methods do not facilitate the in-situ measurement of sintering temperature, pressure, and relative density, one has to rely on computational techniques in order to get a better understanding of the process kinetics. These computational techniques are utilized in predicting the structure-property relationship of the material being sintered, and optimization of the process parameters in order to achieve the best mechanical properties without presence of inhomogeneity. The main objective of the computational work done in this study is to develop a coupled electrical–thermal–mechanical Finite Element Model of the SPS process. This model has been used to study two different classes of materials – aluminum (an electrical conductor), and alumina (an electrical insulator), where a range of aspect ratios has been considered for each disk-shaped sample. In order to validate the results obtained via computational analysis, a small-scale experimental study is also conducted to determine the relationship between SPS process-parameters and the mechanical properties of sintered sample.Comparison of the results obtained from the computational model with those achieved from the experimental study,indicate that almost all the process parameters as well as mechanical properties are characterized by inhomogeneity within the sintered samples.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nouari, Saheb
Committee Members:	Akhtar, Syed Sohail and Muhammad Arif, Abul Fazal
Depositing User:	LUQMAN MUHAMMAD (g201102810)
Date Deposited:	22 May 2014 10:52
Last Modified:	01 Nov 2019 15:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139185