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 rynkowa wymusza stopniowe zastępowanie sprawdzonych tworzyw i technologii rozwiązaniami nowymi, umożliwiającymi obniżenie kosztów produkcji oraz poprawę jakości wytwarzanych wyrobów.
Wysoka wytrzymałość, twardość oraz odporność na działanie agresywnego środowiska to naturalne cechy materiałów ceramicznych. 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.
Również postęp w technologii chemicznej, w szczególności dotyczący syntezy nowych materiałów oraz rozwijania i optymalizacji metod i urządzeń stosowanych w produkcji, sprawia, że obecnie uzyskiwane 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. Wykorzystuje się fizykę, chemię, matematykę, a nawet biologię czy medycynę, aby lepiej poznać związki między budową wewnętrzną a makroskopowymi właściwościami materiałów. Takie podejście stanowi fundament inżynierii materiałowej. W zeszłym stuleciu zaczęto stosować takie całościowe podejście do opisu zjawisk zachodzących w materiałach w różnych skalach. Pozwoliło ono sformułować podstawowe związki oraz wyjaśnić ogólne zależności decydujące o właściwościach użytkowych. W praktyce umożliwiło to szerokie wykorzystanie materiałów kompozytowych w przemyśle. Kolejne prace badawcze, prowadzone w celu poprawy właściwości kompozytów, doprowadziły w efekcie do uzyskania i wprowadzenia na rynek nanomateriałów.
Rewolucja technologiczna, która dokonała się w ostatnim dwudziestoleciu, była możliwa poprzez zwiększenie mocy obliczeniowej komputerów, dostęp do wysokowydajnych stacji roboczych oraz możliwość błyskawicznego przesyłania dużych ilości danych przez Internet. Miała ona również istotny wpływ na metody stosowane w inżynierii materiałowej. Do klasycznych specjalności wykorzystywanych w badaniach materiałowych dołączyła informatyka, a metody numeryczne stały się bardziej efektywnym i powszechnym 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, CE i CFD).
Łączenie skal, polegające na wykorzystywaniu wyników analiz prowadzonych w skali niższej w analizach w skali wyższej (ICME, Integrated Computational Materials Engineering), umożliwia całościowy opis zachowania materiału – oparty wyłącznie na związkach konstytutywnych i parametrach materiałowych uzyskanych z symulacji. Taka koncepcja pozwala częściowo uniezależnić badania 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 „syntezowany”, jak i badany (badania in silico), może stanowić alternatywę dla klasycznej ścieżki doświadczalnej. Podejście to pozwala efektywnie ocenić kierunki poszukiwań i tym samym ograniczyć koszty dalszych badań.
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 i orientacja osi krystalograficznych poszczególnych krystalitów silnie wpływają 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 (µCT, 3DXRD, FIBSEM) 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 wykorzystuję 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.
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 i 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), a~także od właściwości faz składowych, w szczególności od anizotropii poszczególnych krystalitów wchodzących w skład pojedynczej realizacji. Temat ten jest aktualny i istotny w dziedzinie obliczeniowej inżynierii materiałowej. Składają się na niego elementy statystyki, analizy danych, a także aspekty praktyczne związane z ograniczeniami wynikającymi z dostępnej mocy obliczeniowej. Dlatego jest to dla mnie kolejne interesujące zagadnienie, którym zajmuję się w ramach pracy naukowej.
Specyfika właściwości materiałów ceramicznych, wynikająca chociażby z małej plastyczności, niskiego przewodnictwa cieplnego czy obecności porów, sprawia, że zjawiska występujące w tej grupie materiałów są często trudne do analitycznego opisu. Kruche pękanie czy obecność resztkowych naprężeń cieplnych, mogących wywoływać mikrospękania, zależą od lokalnej konfiguracji – ułożenia krystalitów i obecności wad krytycznych. Dodatkowo są to zjawiska silnie nieliniowe. Ich stochastyczna natura sprawia, że nadal poszukiwane są modele, które z zadowalającą dokładnością i precyzją pozwalają przewidywać makroskopowe właściwości tworzyw ceramicznych. Z tego względu ciekawe jest obserwowanie, analizowanie i uczestnictwo w badaniach prowadzonych w celu lepszego poznania tej grupy tworzyw.
