Monte carlo simulation of anisotropic growth of grains during liquid phase sintering for ceramics

Simulación Monte Carlo del crecimiento anisotrópico de granos durante la sinterización en fase líquida de cerámicas

Se establece un modelo Potts de Monte Carlo bidimensional Q-State mejorado para describir el crecimiento anisótropo de los granos de cerámica. En el nuevo algoritmo se han tenido plenamente en cuenta los aditivos de sinterización, los poros y las partículas de segunda fase introducidas en la matriz cerámica. Utilizando este modelo, se investiga la influencia de las partículas de segunda fase en la evolución microestructural de cerámicas con morfología de grano alargado. Los resultados muestran que la adición de partículas de segunda fase dificulta de forma evidente el crecimiento anisótropo de los granos, lo que se traduce en una ligera disminución del tamaño medio de grano y del exponente de crecimiento de grano. La investigación preliminar indica que los resultados de la simulación concuerdan bien con la teoría cinética de sinterización existente.

INTRODUCCIÓN

Las cerámicas endurecidas in situ presentan excelentes propiedades mecánicas a temperatura ambiente y a alta temperatura [1]. Se han observado cada vez más indicios de la introducción de partículas de segunda fase en la matriz cerámica endurecida in situ como componentes mejorados para conseguir un efecto endurecedor sinérgico de los dos mecanismos [2]. Sin embargo, el crecimiento anisotrópico de los granos durante la sinterización en fase líquida (LPS) determina la morfología microestructural final del material cerámico autoendurecido, y la adición de las partículas de segunda fase complica la formación de la microestructura. Por lo tanto, investigar la evolución microestructural de los materiales cerámicos mediante el modelado y la simulación numérica del LPS es una tarea importante.

Recientemente, el modelo Q-State Monte Carlo Potts (QSMCP) se ha ampliado para investigar los mecanismos de crecimiento de grano de materiales cerámicos bifásicos. Por ejemplo, Fang et al. [3] propusieron un modelo bidimensional (2D) Monte Carlo Potts(MCP) para el crecimiento de grano isotrópico para materiales cerámicos bifásicos, y se discutió en detalle el efecto del tamaño bifásico en la tasa de crecimiento de la fase matriz. Sin embargo, no se tuvo en cuenta la presencia de poros ni de aditivos líquidos. Además, el modelo MCP se aplicó ampliamente para simular el crecimiento anisotrópico de los granos. Yang et al. [4] establecieron por primera vez un modelo Monte Carlo para investigar el crecimiento anisotrópico de grano de cerámicas monofásicas y descubrieron que la anisotropía de las energías de frontera de grano puede afectar significativamente a la microestructura anisotrópica. Brown et al. [5] ampliaron el modelo de Yang para simular la migración de poros y la aniquilación de vacantes de cerámicas con granos anisótropos.  Actualmente, los informes sobre la evolución microestructural de materiales cerámicos co-endurecidos por autoendurecimiento y endurecimiento por difusión de partículas de segunda fase han sido escasos.