Modelowanie rozkładu temperatury w toroidalnej komorze Bridgmana

• Autorzy: Grabowski G. , Klimczyk P.

Warianty tytułu

EN

Modelling of temperature distribution in the Bridgman type toroidal apparatus

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeprowadzona symulacja miała na celu określenie rozkładu temperatury w toroidalnej komorze Bridgmana w początkowym etapie procesu spiekania. Obliczenia wykonano metodą elementów skończonych (MES) i wykorzystano w nich model geometryczny, odwzorowujący grafitowy element grzejny, w którym umieszczony był spiekany materiał oraz otaczające go kształtki mineralno–polimerowe, pełniące równocześnie rolę medium przenoszącego ciśnienie, izolatora elektrycznego i cieplnego. Nagrzewanie w modelu jest realizowane przepływem prądu elektrycznego, którego zmiany napięcia i natężenia w funkcji czasu odpowiadały rzeczywistym wartościom występującym podczas procesu spiekania z wykorzystaniem aparatury wysokociśnieniowo-wysokotemperaturowej - HPHT (ang. high pressure high temperature). Weryfikacji wyników, a w szczególności poprawności zastosowanych w obliczeniach stałych materiałowych, dokonano na podstawie porównania wartości napięcia i natężenia przepływającego prądu oraz temperatury - obliczonych na podstawie modelu - z wartościami zarejestrowanymi podczas pomiarów kontrolnych. Uzyskana dobra zgodność wartości porównawczych dla prezentowanego modelu pozwala na jego dalszą rozbudowę, uwzględniającą kolejne etapy procesu HPHT.

EN

The simulation was aimed to determine the temperature distribution in the Bridgman-type toroidal apparatus in the initial stage of the sintering process. Calculations were performed using the finite element method (FEM). A geometric model, which mapped a graphite heating element, sintered material and mineral-polymer gaskets, fulfilling also the role of a medium for pressure transmission, and both electrical and thermal insulator, was used. Heating in the model was realized by the flow of electric current whose changes as a function of time correspond to actual values, which occur during the sintering process in a high-pressure high-temperature apparatus (HPHT). Verification of the results was made on the basis of comparison of the calculated values of current voltage, current flow, and temperature to the values recorded in the control measurements. The resulting good agreement between calculated and measured values allows further development of the presented model, including next stages of the HPHT process.

Słowa kluczowe

PL

rozkład temperatury; modelowanie; MES; toroidalna komora Bridgmana; HPHT

EN

temperature distribution; simulation; FEM; Bridgman type toroidal anvil; HPHT

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 66, nr 4
• Strony: 446--450
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Grabowski G.

• Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Centrum Inżynierii Materiałowej i Technik Spiekania, ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków

autor

Klimczyk P.

• Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Centrum Inżynierii Materiałowej i Technik Spiekania, ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków

Bibliografia

• [1] Bridgman, P. W.: Collected Experimental Papers: Papers 1-199, Harvard University Press, 1964.
• [2] Hall, H. T.: Ultra-High-Pressure, High-Temperature Apparatus: the “Belt”, Rev. Sci. Instrum., 31, (1960), 125-131.
• [3] Khvostantsev, L. G., Slesarev, V. N., Brazhkin, V. V.: Toroid type high-pressure device: history and prospects, High Press. Res., 24, (2004), 371-383. doi:10.1080/08957950412331298761.
• [4] Prikhna, A.: High-pressure apparatuses in production of synthetic diamonds (Review), J. Superhard Mater., 30, (2008), 1–15. doi:10.3103/S1063457608010012.
• [5] Eremets, M. I.: High Pressure Experimental Methods, Oxford University Press, 1996.
• [6] Klimczyk, P.: SiC-Based Composites Sintered with High Pressure Method, Silicon Carbide - Materials, Processing and Applications in Electronic Devices, InTech, 2011. doi:10.5772/852.
• [7] Yagi, T., Akimoto, S.: Pressure fixed points between 100 and 200 kbar based on the compression of NaCl, J. Appl. Phys., 47, (1976), 3350. doi:10.1063/1.323090.
• [8] Onodera, A., Ohtani, A.: Fixed points for pressure calibration above 100 kbars related to semiconductor-metal transitions, J. Appl. Phys., 51, (1980), 2581. doi:10.1063/1.327984.
• [9] Turkin, A.: Lead selenide as a continuous internal indicator of pressure in solid-media cells of high-pressure apparatus in the range of 4 - 6.8 GPa, High Temp. Press., 35/36, (2003), 371-376. doi:10.1068/htjr112.
• [10] Novikov, N. V., Levitas, V. I., Polotnyak, S. B., Potemkin, M. M.: Numerical method for optimizing the design of a high-pressure apparatus with diamond anvils, Strength Mater., 26, (1994), 294-302.
• [11] Idesman, A. V., Levitas, V. I.: Finite element procedure for solving contact thermoelastoplastic problems at large strains, normal and high pressures, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 126, (1995), 39-66. doi:10.1016/0045-7825(95)00757-R.
• [12] Debord, R., Leguillon, D., Syfosse, G., Fischer, M.: A finite element study of a high-pressure/high-temperature cell for simultaneous X-ray and ultrasonic measurement, High Press. Res., 23, (2003), 451-463. doi:10.1080/08957950310001609421.
• [13] Zhilyaev, A. P., Gálvez, F., Sharafutdinov, A., Pérez-Prado, M. T.: Influence of the high pressure torsion die geometry on the allotropic phase transformations in pure Zr, Mater. Sci. Eng. A. 527, (2010), 3918-3928. doi:10.1016/j.msea.2010.02.066.
• [14] Leshchuk, A. A., Novikov, N. V., Levitas, V. I.: Computer Simulation of Physical and Mechanical Processes Running in the Reaction Cells of High-Pressure Installations in the Course of Synthesis of Diamonds, Strength Mater., 33, (2001) ,277–292. doi:10.1023/A:1010472414042.
• [15] de A. Rangel, J. J., Monteiro, S. N., Bobrovnitchii, G. S.: Mathematical Modeling for Computational Simulation of the Temperature Distribution during the Synthesis of Polycrystal¬line Diamond, Rev. Matéria., 11, (2006), 48-59.
• [16] Li, Z. C., Jia, X. P., Huang, G. F., Hu, M. H., Li, Y., Yan, B. M., i in.: FEM simulations and experimental studies of the temperature field in a large diamond crystal growth cell, Chinese Phys. B. 22, (2013), 014701. doi:10.1088/1674- 1056/22/1/014701.
• [17] Pawley, A. R., Clark, S. M., Chinnery, N. J.: Equation of state measurements of chlorite, pyrophyllite, and talc, Am. Min¬eral., 87, (2002), 1172-1182.
• [18] Fontanari, V., Bellin, F., Visintainer, M., Ischia, G.: Study of Pressure Sensitive Plastic Flow Behaviour of Gasket Materi¬als, Exp. Mech., 46, (2006), 313-323. doi:10.1007/s11340- 006-7105-1.
• [19] Li, R., Ma, H. A., Han, Q. G., Liang, Z. Z., Yin, B. H., Liu, W. Q., i in.: Simulation of pressure distribution in a pyrophyllite high-pressure cell by finite-element analysis, High Press. Res., 27, (2007), 249-257. doi:10.1080/08957950701385819.
• [20] Berg, S., Jonsén, P., Häggblad, H. Å.: Experimental charac¬terization of CaCO3 powder for use in compressible gaskets up to ultra-high pressure, Powder Technol., 215-216, (2012), 124-131. doi:10.1016/j.powtec.2011.09.035.
• [21] Brinckmann, S., Gao, G., Siegmund, T.: A combined experi¬mental–numerical study of the compaction behavior of NaCl, Powder Technol., 194, (2009), 197-206. doi:10.1016/j.pow¬tec.2009.04.008.
• [22] Jonsén, P., Häggblad, H., Berg, S.: Modelling Ultra High Pressure Compaction of Powder, Tech. Mech., 32, (2012), 287–302.
• [23] Pierson, H. O.: Handbook of Carbon, Graphite, Diamonds and Fullerenes, Elsevier, Oxford, 1993. doi:http://dx.doi. org/10.1016/B978-0-8155-1339-1.50001-3.
• [24] Pierson, H. O.: Handbook of refractory carbides and nitrides, William Andrew Publishing, Westwood, NJ, 1996.
• [25] Fatigue Data at zero mean stress comes from 1998 ASME BPV Code, Section 8, Div 2, Table 5-110.1.