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Coupled Electro-Thermo-Mechanical Finite Element Modeling of the Spark Plasma Sintering Technique

Authors :
Maxime Schwertz
Elodie Barraud
Sophie D'Astorg
Anne Leriche
Francis Kosior
Aurélien Katz
Michel Nardin
Emmanuel Sorrel
Sébastien Lemonnier
Adele Carradò
Marie-France Vallat
Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint Louis (ISL)
Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint Louis
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)
Laboratoire des Matériaux Céramiques et Procédés Associés - EA 2443 (LMCPA)
Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France)
Institut de chimie des surfaces et interfaces de Mulhouse (ICSIM)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M)
Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Institut Jean Lamour (IJL)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Source :
ResearcherID, Metallurgical and Materials Transactions B, Metallurgical and Materials Transactions B, Springer Verlag, 2016, 47 (2), pp.1263-1273. ⟨10.1007/s11663-015-0514-8⟩

Abstract

International audience; This paper deals with the development of a novel and predictive finite element method (FEM) model coupling electrical, thermal, and mechanical time-dependent contributions for simulating the behavior of a powdery material submitted to a spark plasma sintering (SPS) treatment by using COMSOL Multiphysics (R) software. The original approach of this work lies in the use of the modified Cam-Clay model to solve the mechanical phenomenon occurring during a SPS sintering treatment. As the powder properties and behaviors are different from the final sintered material and display a nonlinear dependence as a function of temperature and pressure, the model includes the description of the sample densification. In this way, numerical and experimental results obtained on conductive model material (aluminum) such as temperature, stress distributions, and shrinkage, were directly compared. This FEM model demonstrated the ability to predict the powder behavior during temperature-controlled experiments precisely, as they are typically performed in the SPS technique. This approach exhibits a remarkable level of interest because it takes into account the nature of the material and also the specific characteristics of the powder studied.

Details

ISSN :
10735615 and 15431916
Database :
OpenAIRE
Journal :
ResearcherID, Metallurgical and Materials Transactions B, Metallurgical and Materials Transactions B, Springer Verlag, 2016, 47 (2), pp.1263-1273. ⟨10.1007/s11663-015-0514-8⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....071f965e5db613e4b9a003474315efb3