Modelling of effective properties and fracture of metal-ceramic interpenetrating phase composites

This dissertation is focused on modelling of the effective elastic and thermal properties, deformation and fracture of metal-ceramic interpenetrating phase composites (IPCs). Compared to typical metal matrix composites (MMC) reinforced with particles or ceramic fibres, the main advantages of IPCs are: improved homogeneity, microstructure stability at elevated temperatures, increased thermal conductivity and, thankful to the interpenetrating microstructure, moderation of cracking with metallic networks. These superior characteristics make the IPCs attractive structural and functional materials for e.g. transport, power and electronic industry sectors. The industry push for new materials and technologies provides a strong motivation for research in the fields of processing, characterisation and modelling of IPCs. Analytical and numerical models are proposed to predict the effective elastic properties of the IPCs. The problems of deformation and fracture of IPCs under quasi-static loading are addressed numerically in a set of models aiming at the determination of the fracture parameters taking into account the crack bridging mechanism. A particular attention is given to creation of numerical models for effective elastic constants and fracture parameters of IPCs based on their real microstructure obtained from computed microtomography (micro-CT) images. Additional information from own experimental research on manufacturing and characterization of IPCs is reported in Appendix as a supporting material used in the modelling. One of the main contributions of this research to the field of IPCs modelling is the proposed methodology of using micro-CT images of real interpenetrating microstructure in the Finite Element Method approach when calculating the effective elastic constants and the J-integral for the interpenetrating phase composites.

Tematem rozprawy doktorskiej jest modelowanie makroskopowych (efektywnych) właściwości sprężystych i termicznych oraz procesów deformacji i pękania kompozytów typu wzajemnie przenikających się faz (Interpenetrating Phase Composites, IPC). W porównaniu z typowymi kompozytami na osnowie metalowej (metal matrix composites, MMC), kompozyty IPC wyróżniają się większą jednorodnością mikrostruktury, stabilnością mikrostruktury w podwyższonych temperaturach, podwyższoną przewodnością cieplną, ponadto dzięki sieciowej mikrostrukturze pękanie w IPC nie zachodzi w sposób gwałtowny. Właściwości te powodują, że kompozyty IPC są atrakcyjnymi materiałami konstrukcyjnymi i funkcjonalnymi dla przemysłu transportowego, energetycznego czy elektronicznego, co stanowi silną motywację dla rozwoju technologii wytwarzania, badania mikrostruktury i właściwości oraz modelowania. W pracy zaproponowano modele analityczne i numeryczne do szacowania efektywnych stałych sprężystości kompozytów IPC. Mechanizmy deformacji i pękania badanych kompozytów pod działaniem obciążeń quasi-statycznych zostały przedstawione w serii modeli numerycznych, z uwzględnieniem rzeczywistej mikrostruktury materiału otrzymanej za pomocą mikrotomografii komputerowej (computed microtomography, micro-CT). W dodatku do rozprawy zamieszczono wyniki własnych badań doświadczalnych związanych z wytwarzaniem i charakteryzacją materiałów IPC, jako informacji pomocniczych przy konstruowaniu modeli IPC. Jednym z głównych osiągnięć pracy jest zaproponowanie metodologii wykorzystania danych mikrostrukturalnych z mikrotomografii komputerowej w problemach wyznaczania stałych efektywnych i parametrów pękania materiałów IPC i jej praktyczna numeryczna implementacja w ramach MES.