A phenomenological approach to the prediction of material behaviours during co-sintering

This work deals with the sintering of multi-material composites. It aims at the establishment of an alternative to the existing complex models for sintering. The development of the associated experimental procedure is also included in this work. The developed material model must be able to predict (i) the sintering kinetics and (ii) the viscous moduli of a material. An experimental approach with free sintering and hot-forging measurements is favoured in this work. The prediction of the sintering kinetics is addressed with the construction of a map of sintering kinetics data: the Master Sintering Diagram (MSD). The MSD is based on a generalized equation for solid-state diffusion, thus is suitable for any thermal activated diffusion. The MSD allows the prediction of sintering kinetics for a large range of temperatures and external loads. A novel approach to the determination of the viscous moduli is developed in this work: the cyclic unloading method. It is a hot-forging measurement (sintering under uniaxial compression) where the applied load is released for short periods. The measurements are carried out with continuous heating, so that the viscous moduli are determined over large ranges of temperatures and densities. The advantage of this method is the measurement of the viscous moduli in anisotropic microstructures. The material model is validated in two steps. Firstly, the predictions of sintering kinetics with the MSD are compared with experimental results: changes of thermal profile and changes of load are predicted with a maximum deviation of 10%. Secondly, the experimentally determined viscous moduli are used for the prediction of a bi-layer curvature using models for warpage from literature. The prediction is qualitatively good for a maximum deviation of 27%. The study of a sintering glass-ceramic tape on a rigid substrate is presented. It shows that this co-sintering problem can be qualitatively investigated with requirement of the material model. The formation of anisotropy intrinsic to the hot-forging experiments is also reported in this work. It appears to be a important point to address in the future for a better understanding of the cosintering.Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema Kosintern. Ziel ist, die bisher verwendeten komplexen Sintermodelle durch ein einfacheres Verfahren zu ersetzen. Zusätzlich wird ein Messverfahren entwickelt, um die zur Beschreibung des Kosinterns erforderlichen Messdaten zu erhalten. Der experimentelle Ansatz beinhaltet Sinterungen ohne Last sowie mit einachsiger Belastung. Das Verfahren ermöglicht die Vorhersage (i) der Sinterkinetik und (ii) der viskosen Moduli. Um den Sinterpfad von Grünkörpern vorhersagen zu können, wird ein Kennfeld verwendet: das Master Sintering Diagram (MSD). Das MSD wird durch eine allgemeine Gleichung für das Festphasensintern definiert und lässt sich damit für alle thermisch aktivierten Diffusionsmechanismen anwenden. Die Vorhersage gilt für breite Bereiche von Temperaturen und äußeren Lasten. Eine neuartige Messmethode für die Erfassung der viskosen Moduli wird in der Arbeit entwickelt: das cyclic unloading dilatometry. Sie besteht in Hot-forging Versuchen mit konstanter Last, bei denen die sinterenden Proben regelmäßig für kurz Zeit entlastet werden. Die Versuche werden mit konstanter Aufheizrampe durchgeführt, so dass die viskose Moduli für breite Bereiche von Temperaturen und Dichten erfasst werden. Ein Vorteil dieser Messmethode ist es, die viskosen Eigenschaften von anisotropen Materialien messen zu können. Das Vorhersageverfahren wird in zwei Schritten geprüft. Erstens werden Vorhersagen vom MSD mit experimentellen Daten verglichen: die maximale Abweichung bei Änderung der Temperaturrampe und der ¨außeren Last liegt bei 10%. Zweitens werden die viskose Moduli aus dem MSD zur Vorhersage der Krümmung eines Zweischicht-Systems verwendet. Dazu wird ein in der Literatur beschriebenes Modell verwendet. Die qualitative Vorhersage ist gut: die maximale Abweichung zur experimentellen Krümmung liegt bei 27%. Zusätzlich wird eine Studie über ein Zweischicht-System aus Glas und Keramik vorgestellt, bei dem die Keramik nicht sintert. Es wird gezeigt, dass dieser Fall ohne Hilfe des Sintermodells qualitativ verstanden werden kann. Die Entwicklung der Anisotropie in der Mikrostruktur der keramischen Grünkörper durch die anisotrope Last beim Sintern wird diskutiert. Das volle Verständnis der anisotropen Mikrostrukturentwicklung beim Sintern unter anisotropen Randbedingungen erfordert weitere Arbeiten