dr Grzegorz Grabowski – strona domowa

Dane kontaktowe:

Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, WIMiC, AGH
Miejsce pracy: budynek B-8, pokój 2.03
Adres e-mail: grzegorz.grabowski@agh.edu.pl
Telefon: 12 617 25 06

Więcej informacji na stronie Katedry

Materiały dla studentów:

Materiały dostępne są na stronie Katedry: KCiMO.pl

Zainteresowania naukowe:

TL;DR

Ob­li­cze­niowa in­ży­nie­ria ma­te­ria­łowa, a w szcze­gól­no­ści: trój­wy­mia­rowa re­kon­struk­cja mi­kro­struk­tury, mo­de­lo­wa­nie bu­dowy i wła­ści­wo­ści po­li­krysz­ta­łów, sy­mu­la­cje nu­me­ryczne.

Nieco dłużej

Roz­wój prze­my­słu ko­smicz­nego, ener­ge­tycz­nego, mo­to­ry­za­cyj­nego, zbro­je­nio­wego, ale też wielu in­nych no­wo­cze­snych branż, spra­wia, że co­raz in­ten­syw­niej po­szu­ki­wane są nowe two­rzywa mo­gące spro­stać spe­cy­ficz­nym wy­ma­ga­niom sta­wia­nym przez pro­jek­tan­tów i kon­struk­to­rów. Rów­nież w ga­łę­ziach prze­my­słu, w któ­rych jesz­cze do nie­dawna sto­so­wane były ma­te­riały znane od wie­ków – ma­te­riały tra­dy­cyjne, kon­ku­ren­cja na rynku wy­mu­sza stop­niowe za­stę­po­wa­nie spraw­dzo­nych ma­te­ria­łów i tech­no­lo­gii, no­wymi, mo­gą­cymi ob­ni­żyć koszty pro­duk­cji i po­pra­wić ja­kość wy­twa­rza­nych pro­duk­tów.

Wy­soka wy­trzy­ma­łość, twar­dość, od­por­ność na dzia­ła­nie agre­syw­nego śro­do­wi­ska, to na­tu­ralne ce­chy, które po­sia­dają ma­te­riały ce­ra­miczne. Cią­gły roz­wój tej grupy two­rzyw in­ży­nier­skich, od­bywa się jed­nak dzięki ba­da­niom pod­sta­wo­wym z za­kresu che­mii i fi­zyki. Pro­wa­dzone w tych dzie­dzi­nach ba­da­nia teo­re­tyczne, po­zwa­lają le­piej zro­zu­mieć, wy­ja­śniać, a na­wet prze­wi­dy­wać nie­ob­ser­wo­wane do­tąd zja­wi­ska za­cho­dzące w skali ato­mo­wej.

Grafen
Rys.1: Grafen (Kawai i in. 2015 DOI:10.1038/ncomms9098)
Kryształy Pauliego
Rys.2: Kryształy Pauliego (Rakshit i in. 2017 DOI:10.1038/s41598-017-14952-2)

Rów­nież po­stęp w tech­no­lo­gii che­micz­nej, w szcze­gól­no­ści do­ty­czący syn­tezy no­wych ma­te­ria­łów oraz roz­wi­ja­nia i opty­ma­li­za­cji me­tod i urzą­dzeń, sto­so­wa­nych w pro­duk­cji, spra­wia, że uzy­ski­wane ak­tu­al­nie two­rzywa ce­ra­miczne wy­ka­zują dużą nie­za­wod­ność i trwa­łość.

Od wielu lat, roz­wój tech­no­lo­giczny wy­nika rów­nież ze sku­tecz­nego łą­cze­nia wie­dzy, zdo­by­tej w róż­nych dzie­dzi­nach na­uki i tech­niki. Wy­ko­rzy­sta­nie wielu dzia­łów fi­zyki, che­mii, ma­te­ma­tyki, a na­wet bio­lo­gii czy me­dy­cyny, w celu lep­szego po­zna­nia związ­ków mie­dzy bu­dową we­wnętrzną a ma­kro­sko­po­wymi wła­ści­wo­ściami ma­te­ria­łów, sta­nowi tra­dy­cyj­nie fun­da­ment in­ży­nie­rii ma­te­ria­ło­wej. W ze­szłym stu­le­ciu, ta­kie ca­ło­ściowe po­dej­ście do opisu zja­wisk za­cho­dzą­cych w ma­te­ria­łach w róż­nych ska­lach, umoż­li­wiło sfor­mu­ło­wa­nie sze­regu pod­sta­wo­wych związ­ków i wy­ja­śnie­nie ogól­nych za­leż­no­ści de­cy­du­ją­cych o koń­co­wych wła­ści­wo­ściach użyt­ko­wych. W prak­tyce, po­zwo­liło to cho­ciażby, na sze­ro­kie wy­ko­rzy­sta­nie w prze­my­śle ma­te­ria­łów kom­po­zy­to­wych. Dal­sze, ce­lowe prace ba­daw­cze, pro­wa­dzone w za­kre­sie po­prawy wła­ści­wo­ści kom­po­zy­tów, do­pro­wa­dziły w efek­cie do uzy­ska­nia i wpro­wa­dze­nia na ry­nek na­no­ma­te­ria­łów.

Re­wo­lu­cja tech­no­lo­giczna, która do­ko­nała się w ostat­nim dwu­dzie­sto­le­ciu za sprawą wzro­stu mocy ob­li­cze­nio­wej kom­pu­te­rów, do­stęp­no­ści wy­so­ko­wy­daj­nych sta­cji ro­bo­czych, ale rów­nież dzięki moż­li­wo­ści bły­ska­wicz­nego prze­sy­ła­nia ogrom­nych ilo­ści da­nych po­przez sieć In­ter­net, wpły­nęła rów­nież na me­tody sto­so­wane w in­ży­nie­rii ma­te­ria­ło­wej. Do kla­sycz­nych spe­cjal­no­ści wy­ko­rzy­sty­wa­nych w ba­da­niach ma­te­ria­ło­wych, do­łą­czyła rów­nież in­for­ma­tyka, a me­tody nu­me­ryczne stały się efek­tyw­nym i co­raz po­wszech­niej­szym na­rzę­dziem ba­daw­czym. Ak­tu­al­nie ob­li­cze­niowa in­ży­nie­ria ma­te­ria­łowa (Computational Materials Science) zaj­muje się ba­da­niami ma­te­ria­ło­wymi w róż­nych ska­lach wy­mia­ro­wych i cza­so­wych: od ana­lizy fun­da­men­tal­nych zja­wisk za­cho­dzą­cych w skali ato­mo­wej (metody ab initio, MD, MC), po­przez mi­kro­skalę, w któ­rej de­cy­du­jącą rolę od­grywa mi­kro­struk­tura ma­te­riału (metody MD, MC, FEM, CA), aż do opisu ma­kro­sko­po­wego, do­ty­czą­cego za­cho­wa­nia ca­łych ele­men­tów kon­struk­cji pod­da­wa­nych dłu­go­trwa­łemu dzia­ła­niu czyn­ni­ków ze­wnętrz­nych (metody FEM, CECFD). Łą­cze­nie skal, po­le­ga­jące na wy­ko­rzy­sty­wa­niu wy­ni­ków ana­liz pro­wa­dzo­nych spe­cy­ficz­nymi me­to­dami w skali niż­szej do ana­liz w skali wyż­szej (ICME, Integrated Computational Materials Engineering), umoż­li­wia ca­ło­ściowy opis za­cho­wa­nia ma­te­riału – je­dy­nie w opar­ciu o związki kon­sty­tu­tywne i pa­ra­me­try ma­te­ria­łowe uzy­skane po­przez sy­mu­la­cje. Taka kon­cep­cja po­zwala na czę­ściowe unie­za­leż­nie­nie ba­dań pro­wa­dzo­nych w dzie­dzi­nie in­ży­nie­rii ma­te­ria­ło­wej od kosz­tow­nych, cza­so­chłon­nych i obar­czo­nych na­tu­ral­nymi nie­pew­no­ściami wy­ni­ków po­mia­rów eks­pe­ry­men­tal­nych. W przy­padku po­szu­ki­wa­nia no­wych two­rzyw, ta­kie wir­tu­alne la­bo­ra­to­rium, w któ­rym nie­ist­nie­jący jesz­cze ma­te­riał jest za­równo śyn­te­zo­wany” jak i ba­dany (ba­da­nia in silico), może sta­no­wić al­ter­na­tywę dla kla­sycz­nej ścieżki do­świad­czal­nej. Po­dej­ście to, po­zwala efek­tyw­nie oce­nić kie­runki pro­wa­dzo­nych po­szu­ki­wań i tym sa­mym zna­cząco ogra­ni­czyć koszty dal­szych ba­dań.

Skala
Rys.3: Skale i metody w komputerowej inżynierii materiałowej

Fun­da­men­tem dla eks­pe­ry­men­tów pro­wa­dzo­nych in silico jest cy­frowa re­pre­zen­ta­cja ma­te­riału (DMR, Digital Material Representation). Po­winna ona uwzględ­niać wszyst­kie istotne pa­ra­me­try i związki fi­zyczne umoż­li­wia­jące sy­mu­la­cje ana­li­zo­wa­nych wła­ści­wo­ści. Jed­nym z ele­men­tów wir­tu­al­nego ma­te­riału jest mo­del mi­kro­struk­tury. W przy­padku jedno- i wie­lo­fa­zo­wych ma­te­ria­łów ce­ra­micz­nych – które mają bu­dowę po­li­kry­sta­liczną – roz­miar, kształt, orien­ta­cja osi kry­sta­lo­gra­ficz­nych po­szcze­gól­nych kry­sta­li­tów, sil­nie wpływa na ma­kro­sko­powe wła­ści­wo­ści tych two­rzyw. Istotne jest więc uwzględ­nie­nie zmien­no­ści cech mi­kro­struk­tury w mo­delu ma­te­riału. Trój­wy­mia­rowy mo­del geo­me­tryczny, który opi­suje ana­li­zo­wany ma­te­riał, może być zbu­do­wany w opar­ciu o dane ze­brane w trak­cie po­mia­rów pro­wa­dzo­nych na rze­czy­wi­stym ma­te­riale (µ-CT, 3DXRD, FIB-SEM), albo może zo­stać wy­ge­ne­ro­wany me­to­dami sy­mu­la­cyj­nymi (MC, CA) bądź geo­me­trycz­nymi. Czę­sto, uży­wane w tym celu me­tody wza­jem­nie się uzu­peł­niają – pa­ra­me­try uzy­skane na pod­sta­wie po­mia­rów sta­no­wią dane wej­ściowe do me­tod sy­mu­la­cyj­nych czy geo­me­trycz­nych.

Taka trój­wy­mia­rowa re­kon­struk­cja mi­kro­struk­tury jest jed­nym z głów­nych ob­sza­rów mo­ich za­in­te­re­so­wań ba­daw­czych. Na pod­sta­wie ana­lizy ilo­ścio­wej, pro­wa­dzo­nej na ob­ra­zach lo­so­wych prze­kro­jów pró­bek, sto­su­jąc me­tody ste­reo­lo­giczne, sta­ram się po­zy­skać in­for­ma­cje o trój­wy­mia­ro­wej bu­do­wie we­wnętrz­nej. In­for­ma­cje te wy­ko­rzy­stuje na­stęp­nie do bu­dowy mo­deli geo­me­trycz­nych – wir­tu­al­nego ma­te­riału. Re­kon­struk­cje ta­kie, uzu­peł­nione in­for­ma­cjami o wła­ści­wo­ściach ciepl­nych i me­cha­nicz­nych faz skła­do­wych oraz o związki kon­sty­tu­tywne opi­su­jące od­dzia­ły­wa­nia we­wnętrzne, po­zwa­lają rów­nież na pro­wa­dze­nie sy­mu­la­cji mi­kro­me­cha­nicz­nych. Sta­nowi to ko­lejny ob­szar mo­jej ak­tyw­no­ści naukowo­badawczej. Wy­niki ta­kich sy­mu­la­cji uzu­peł­niają dane do­świad­czalne i tym sa­mym umoż­li­wiają głęb­sze zro­zu­mie­nie zja­wisk ob­ser­wo­wa­nych w mi­kro­skali, które de­cy­dują o ma­kro­sko­po­wych wła­ści­wo­ściach ma­te­ria­łów ce­ra­micz­nych.

Skala
Rys.4: Rekonstrukcja mikrostruktury polikryształu (Grabowski 2017 MCCM 69:3, s.252-257)
Si3N4-TiN
Rys.5: Naprężenia cieplne w kompozycie Si3N4-TiN (Dubiel i in. 2020 DOI:10.3390/ma13051092)

Ja­kość wy­ni­ków uzy­ski­wa­nych me­to­dami nu­me­rycz­nymi po­przez sy­mu­la­cje pro­wa­dzone na dwu- lub trój­wy­mia­ro­wych mo­de­lach mi­kro­struk­tury, za­leży jed­nak za­równo od pa­ra­me­trów opi­su­ją­cych ma­te­riał, za­sto­so­wa­nych rów­nań kon­sty­tu­tyw­nych (mo­delu ma­te­ria­ło­wego), jak rów­nież od roz­miaru ana­li­zo­wa­nej prze­strzeni. Po­dob­nie jak w przy­padku po­mia­rów do­świad­czal­nych, wy­ko­ny­wa­nych na rze­czy­wi­stych prób­kach ma­te­riału, istotna jest re­pre­zen­ta­tyw­ność. W me­to­dach ob­li­cze­nio­wych, roz­miar prze­strzeni za­pew­nia­jący uzy­ska­nie wła­ści­wo­ści efek­tyw­nych, czyli od­po­wia­da­ją­cych mie­rzo­nym pa­ra­me­trom ma­kro­sko­po­wym, okre­ślany jest jako re­pre­zen­ta­tywny ele­ment ob­ję­to­ściowy (RVE, Repre­sen­ta­tive Volume Element). W prak­tyce, dla ma­te­ria­łów po­li­kry­sta­licz­nych, któ­rych kry­sta­lity wy­ka­zują ani­zo­tro­pię wy­ni­ka­jącą z sy­me­trii sieci kry­sta­lo­gra­ficz­nej, roz­miar ta­kiego ele­mentu po­wi­nien być bar­dzo duży. Aby przy­spie­szyć ob­li­cze­nia i uła­twić ana­lizę uzy­ska­nych da­nych, RVE za­stę­puje się ze­sta­wem wielu mniej­szych ele­men­tów, które łącz­nie sta­no­wią sta­ty­stycz­nie rów­no­ważny ele­ment ob­ję­to­ści (SVE, Sta­ti­sti­cal Volume Element). Li­czeb­ność ta­kiego ze­stawu za­leży oczy­wi­ście od roz­miaru po­je­dyn­czej re­ali­za­cji (nie­za­leż­nego ele­mentu, na któ­rym pro­wa­dzona jest sy­mu­la­cja), ale rów­nież od wła­ści­wo­ści faz skła­do­wych, a w szcze­gól­no­ści ani­zo­tro­pii po­szcze­gól­nych kry­sta­li­tów skła­da­ją­cych się na po­je­dyn­czą re­ali­za­cję. Te­mat ten jest ak­tu­alny i istotny w dzie­dzi­nie ob­li­cze­nio­wej in­ży­nie­rii ma­te­ria­ło­wej. Skła­dają się na niego ele­menty sta­ty­styki, ana­lizy da­nych, ale też aspekty czy­sto prak­tyczne, zwią­zane z ogra­ni­cze­niami wy­ni­ka­ją­cymi z do­stęp­nej mocy ob­li­cze­nio­wej. Dla­tego jest to dla mnie ko­lejne in­te­re­su­jące za­gad­nie­nie, któ­rym zaj­muje się w ra­mach pracy na­uko­wej.

Skala
Rys.6: Rozrzut wartości CTE względem rozmiaru SVE (Grabowski 2019 DOI:10.1016/j.commatsci.2018.09.020)

Spe­cy­fika wła­ści­wo­ści ma­te­ria­łów ce­ra­micz­nych, wy­ni­ka­jąca cho­ciażby z ma­łej pla­stycz­no­ści, ni­skiego prze­wod­nic­twa ciepl­nego, czy obec­no­ści po­rów, spra­wia, że wy­stę­pu­jące w tej gru­pie ma­te­ria­łów zja­wi­ska są czę­sto trudne do ana­li­tycz­nego opisu. Kru­che pę­ka­nie, czy obec­ność reszt­ko­wych na­prę­żeń ciepl­nych, mo­gą­cych wy­wo­ły­wać w ma­te­riale mi­kro­spę­ka­nia, są za­leżne od lo­kal­nej kon­fi­gu­ra­cji – uło­że­nia kry­sta­li­tów i obec­no­ści wad kry­tycz­nych. Do­dat­kowo są zja­wi­skami sil­nie nie­li­nio­wymi. Ich sto­cha­styczna na­tura spra­wia, że na­dal po­szu­ki­wane są mo­dele mo­gące z za­do­wa­la­jącą do­kład­no­ścią i pre­cy­zją, po­zwo­lić na prze­wi­dy­wa­nie ma­kro­sko­po­wych wła­ści­wo­ści two­rzyw ce­ra­micz­nych. Z tego względu cie­kawe jest ob­ser­wo­wa­nie, ana­li­zo­wa­nie i uczest­nic­two w ba­da­niach pro­wa­dzo­nych dla lep­szego po­zna­nia tej grupy two­rzyw.

do góry

Publikacje:

do góry