Multiscale Modeling and Fracture Behavior Analysis of Silicon Carbide Ceramics for High-Performance Applications

Resume:

This research project focuses on the microstructural modeling, homogenization, and fracture behavior analysis of silicon carbide (SiC) ceramics, a material widely used in high-performance applications due to its exceptional hardness, thermal stability, chemical inertness, and resistance to wear and thermal shock. The mechanical behavior of SiC is strongly influenced by its grain morphology, intergranular phases, and defect distribution, making it crucial to develop a detailed computational framework to accurately predict its mechanical properties. This study aims to generate realistic 3D microstructures of SiC using a statistical approach, capturing the bimodal grain size distribution and phase interactions that characterize its microstructure. A finite element method (FEM)-based homogenization approach will be used to extract the effective thermoelastic properties, including elastic moduli and thermal expansion coefficients, which are critical for engineering applications. Additionally, the research will investigate fracture mechanisms by simulating crack initiation, propagation, and toughening effects, employing cohesive zone modeling (CZM) and phase-field methods to analyze stress distribution and damage evolution at the microscale. The findings from this study will provide a comprehensive understanding of the structure-property relationships in SiC ceramics, contributing to the development of tailored microstructures that enhance fracture toughness, strength, and reliability. Ultimately, this work will support the optimization of SiC processing techniques and the design of next-generation ceramic materials for demanding applications in aerospace, nuclear energy, and industrial engineering.

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Resumé:

Ce projet de recherche porte sur la modélisation microstructurale, l'homogénéisation et l'analyse du comportement à la rupture des céramiques en carbure de silicium (SiC), un matériau largement utilisé dans les applications à haute performance en raison de sa dureté exceptionnelle, de sa stabilité thermique, de son inertie chimique et de sa résistance à l’usure et aux chocs thermiques. Le comportement mécanique du SiC est fortement influencé par sa morphologie granulaire, ses phases intergranulaires et la distribution de ses défauts, ce qui rend essentielle l’élaboration d’un cadre de modélisation numérique détaillé pour prédire avec précision ses propriétés mécaniques. Cette étude vise à générer des microstructures 3D réalistes du SiC en utilisant une approche statistique, permettant de capturer la distribution bimodale de la taille des grains ainsi que les interactions entre phases qui caractérisent sa microstructure. Une approche d’homogénéisation basée sur la méthode des éléments finis (FEM) sera utilisée pour déterminer les propriétés thermoélastiques effectives, notamment les modules d'élasticité et les coefficients de dilatation thermique, qui sont essentiels pour les applications en ingénierie. Par ailleurs, la recherche analysera les mécanismes de rupture en simulant l’initiation et la propagation des fissures ainsi que les effets de renforcement, en employant la modélisation des zones cohésives (CZM) et la méthode des champs de phase pour étudier la distribution des contraintes et l’évolution des dommages à l’échelle microscopique. Les résultats de cette étude permettront d’obtenir une compréhension approfondie des relations entre la structure et les propriétés des céramiques en SiC, contribuant au développement de microstructures optimisées visant à améliorer la ténacité à la rupture, la résistance mécanique et la fiabilité du matériau. Enfin, ces travaux soutiendront l’optimisation des procédés de fabrication du SiC et la conception de matériaux céramiques de nouvelle génération, adaptés aux applications exigeantes dans les domaines de l’aérospatiale, de l’énergie nucléaire et du génie industriel.

The Engineering science, computer science and imaging laboratoryCreated in 2013, the laboratory brings together researchers of the University of Strasbourg, the CNRS (French National Center for Scientific Research), the ENGEES and the INSA of Strasbourg in the fields of engineering science and computer science, with imaging as the unifying theme. With around 650 members, ICube is a major driving force for research in Strasbourg whose main areas of application are biomedical engineering and the sustainable development.

We are looking for a candidate with strong expertise in materials mechanics, multiscale modeling, and numerical simulation. This PhD project will focus on the development and application of advanced numerical methods (finite element method, homogenization, cohesive zone models, phase-field methods) to study the fracture behavior of silicon carbide (SiC) ceramics.

The candidate should hold a Master’s degree or an engineering diploma in mechanical engineering, computational mechanics, materials science, or a related field. Strong skills in scientific programming (Python, Matlab, or C/C++) and experience with simulation software (Abaqus, COMSOL, Ansys…) would be advantageous.

Familiarity with microstructure characterization and analysis tools (ImageJ, Avizo, EBSD…) and an interest in both numerical validation and experimental data interpretation would be beneficial.

The ideal candidate should demonstrate autonomy, analytical skills, and scientific rigor, with a good level of scientific English for writing and presenting research findings.