Damage reduction of the laser drilling process on back contact solar cells by chemical treatment

Production of back contact solar cells requires holes generations on the wafers to keep both positive and negative contacts on the back side of the cell. This drilling process weakens the wafer mechanically due to the presence of the holes and the damage introduced during the process as microcracks. In this study, several chemical processes have been applied to drilled wafers in order to eliminate or reduce the damage generated during this fabrication step. The treatments analyzed are the followings: alkaline etching during 1, 3 and 5 minutes, acid etching for 2 and 4 minutes and texturisation. To determine mechanical strength of the samples a common mechanical study has been carried out testing the samples by the Ring on Ring bending test and obtaining the stress state in the moment of failure by FE simulation. Finally the results obtained for each treatment were fitted to a three parameter Weibull distribution

Laser Shock Processing influence on local properties and overall tensile behavior of friction stir welded joints

Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energy of several Joules and duration of nanoseconds, Laser Shock Processing (LSP) is capable of inducing a surface compressive residual stress field. The paper presents experimental results showing the ability of LSP to improve the mechanical strength and cracking resistance of AA2024-T351 friction stir welded (FSW) joints. After introducing the FSW and LSP procedures, the results of microstructural analysis and micro-hardness are discussed. Video Image Correlation was used to measure the displacement and strain fields produced during tensile testing of flat specimens; the local and overall tensile behavior of native FSW joints vs. LSP treated were analyzed. Further, results of slow strain rate tensile testing of the FSW joints, native and LSP treated, performed in 3.5% NaCl solution are presented. The ability of LSP to improve the structural behavior of the FSW joints is underscored.

Crack origin and detection in thin cristallyne solar cells in a production line

In order to reduce cost and make up for the rising price of silicon, silicon wafers are sliced thinner and wider,eading to weaker wafers and increased breakage rates during fabrication process. In this work we have analysed different cracks origins and their effect on wafer’s mechanical strength. To enhance wafer’s strength some etching methods have been tested. Also, we have analysed wafers from different points of an entire standard production process. Mechanical strength of the wafers has been obtained via the four line bending test and detection of cracks has been tested with Resonance Ultrasonic Vibration (RUV) system, developed by the University of South Florida.

Estudio de las propiedades mecánicas de obleas de silicio

En esta tesis se propone un procedimiento para evaluar la resistencia mecánica de obleas de silicio cristalino y se aplica en diferentes casos válidos para la industria. En el sector de la industria fotovoltaica predomina la tecnología basada en paneles de silicio cristalino. Estos paneles están compuestos por células solares conectadas en serie y estas células se forman a partir de obleas de silicio. Con el objetivo de disminuir el coste del panel, en los últimos años se ha observado una clara tendencia a la reducción del espesor de las obleas. Esta reducción del espesor modifica la rigidez de las obleas por lo que ha sido necesario modificar la manera tradicional de manipularlas con el objetivo de mantener un bajo ratio de rotura. Para ello, es necesario conocer la resistencia mecánica de las obleas. En la primera parte del trabajo se describen las obleas de silicio, desde su proceso de formación hasta sus propiedades mecánicas. Se muestra la influencia de la estructura cristalográfica en la resistencia y en el comportamiento ya que el cristal de silicio es anisótropo. Se propone también el método de caracterización de la resistencia. Se utiliza un criterio probabilista basado en los métodos de dimensionamiento de materiales frágiles en el que la resistencia queda determinada por los parámetros de la ley de Weibull triparamétrica. Se propone el procedimiento para obtener estos parámetros a partir de campañas de ensayos, modelización numérica por elementos finitos y un algoritmo iterativo de ajuste de los resultados. En la segunda parte de la tesis se describen los diferentes tipos de ensayos que se suelen llevar a cabo con este material. Se muestra además, para cada uno de los ensayos descritos, un estudio comparativo de diferentes modelos de elementos finitos simulando los ensayos. Se comparan tanto los resultados aportados por cada modelo como los tiempos de cálculo. Por último, se presentan tres aplicaciones diferentes donde se ha aplicado este procedimiento de estudio. La primera aplicación consiste en la comparación de la resistencia mecánica de obleas de silicio en función del método de crecimiento del lingote. La resistencia de las tradicionales obleas monocristalinas obtenidas por el método Czochralski y obleas multicristalinas es comparada con las novedosas obleas quasi-monocristalinas obtenidas por métodos de fundición. En la segunda aplicación se evalúa la profundidad de las grietas generadas en el proceso de corte del lingote en obleas. Este estudio se realiza de manera indirecta: caracterizando la resistencia de grupos de obleas sometidas a baños químicos de diferente duración. El baño químico reduce el espesor de las obleas eliminando las capas más dañadas. La resistencia de cada grupo es analizada y la comparación permite obtener la profundidad de las grietas generadas en el proceso de corte. Por último, se aplica este procedimiento a un grupo de obleas con características muy especiales: obleas preparadas para formar células de contacto posterior EWT. Estas obleas presentan miles de agujeros que las debilitan considerablemente. Se aplica el procedimiento de estudio propuesto con un grupo de estas obleas y se compara la resistencia obtenida con un grupo de referencia. Además, se propone un método simplificado de estudio basado en la aplicación de una superficie de intensificación de tensiones. ABSTRACT In this thesis, a procedure to evaluate the mechanical strength of crystalline silicon wafers is proposed and applied in different studies. The photovoltaic industry is mainly based on crystalline silicon modules. These modules are composed of solar cells which are based on silicon wafers. Regarding the cost reduction of solar modules, a clear tendency to use thinner wafers has been observed during last years. Since the stiffness varies with thickness, the manipulation techniques need to be modified in order to guarantee a low breakage rate. To this end, the mechanical strength has to be characterized correctly. In the first part of the thesis, silicon wafers are described including the different ways to produce them and the mechanical properties of interest. The influence of the crystallographic structure in the strength and the behaviour (the anisotropy of the silicon crystal) is shown. In addition, a method to characterize the mechanical strength is proposed. This probabilistic procedure is based on methods to characterize brittle materials. The strength is characterized by the values of the three parameters of the Weibull cumulative distribution function (cdf). The proposed method requires carrying out several tests, to simulate them through Finite Element models and an iterative algorithm in order to estimate the parameters of the Weibull cdf. In the second part of the thesis, the different types of test that are usually employed with these samples are described. Moreover, different Finite Element models for the simulation of each test are compared regarding the information supplied by each model and the calculation times. Finally, the method of characterization is applied to three examples of practical applications. The first application consists in the comparison of the mechanical strength of silicon wafers depending on the ingot growth method. The conventional monocrystalline wafers based on the Czochralski method and the multicrystalline ones are compared with the new quasi-monocrystalline substrates. The second application is related to the estimation of the crack length caused by the drilling process. An indirect way is used to this end: several sets of silicon wafers are subjected to chemical etchings of different duration. The etching procedure reduces the thickness of the wafers removing the most damaged layers. The strength of each set is obtained by means of the proposed method and the comparison permits to estimate the crack length. At last, the procedure is applied to determine the strength of wafers used for the design of back-contact cells of type ETW. These samples are drilled in a first step resulting in silicon wafers with thousands of tiny holes. The strength of the drilled wafers is obtained and compared with the one of a standard set without holes. Moreover, a simplified approach based on a stress intensification surface is proposed.

Caracterización probabilística de vidrio mediante diferentes tipos de ensayos

El vidrio no puede ser tratado como un material estructural convencional desde el punto de vista de la resistencia mecánica. Su naturaleza, como material frágil, junto con la inevitable presencia de microfisuras en su superficie y las consecuencias de accidentes por posibles fallos, exigen métodos rigurosos que garanticen un cálculo seguro de los elementos estructurales de vidrio, cuya resistencia a rotura depende en gran medida del tamaño del elemento y del tipo de carga a la que está sometido. Por lo tanto, su cálculo debe basarse en conceptos probabilísticos y en criterios de mecánica de la fractura, en sustitución de un cálculo convencional de vidrio según tablas deducidas de programas experimentales y posterior aplicación del concepto de tensiones admisibles. Con el fin de analizar y comparar las características mecánicas de vidrios templados, termoendurecidos y recocidos, se realizó un amplio programa experimental de ensayos de flexión a cuatro puntos y de anillos concéntricos de pequeña superficie, seguido de un ajuste de los resultados mediante una función de distribución triparamétrica de Weibull. Glass cannot be handled as a conventional structural material from the point of view of the mechanical strength. Its nature as brittle material, together with the inevitable presence of micro-cracks on its surface and the consequences of eventual failures, demand rigorous methods to achieve a safe design for glass elements, whose stress resistance is very much dependent on the integrity of its surface, element size and loading pattern. Thus, its design must rely on probabilistic concepts and fracture mechanics criteria, substitutive of the conventional glass design based on charts derived from experimental programs and subsequent application of the admissible stress concept. In order to analyze and compare the strength characteristics of tempered, heat-strengthened and annealed glass, a large experimental programme based on four-point bending and coaxial double ring tests was performed and the results were fitted using a three-parameter Weibull cumulative distribution function.

Estudio de los materiales que componen el sistema constructivo de las viviendas del casco histórico de Maracaibo (Venezuela)

En este trabajo de investigación que se presenta para optar al grado de Doctor, se analizan y estudian los materiales que conforman las viviendas de mampostería de arenisca “Piedra de Ojo” del casco histórico de Maracaibo, Venezuela, construidas en el siglo XIX. No existe una bibliografía descriptiva técnico-constructiva del sistema constructivo, por lo que esta tesis complementa la escasa descripción estilística existente donde apenas se mencionan algunos materiales de construcción. Definido el marco histórico y las manzanas del área en donde se encontraban las viviendas preseleccionadas a estudiar, en la visita de campo se seleccionaron 12 que se encontraban en estado de deterioro, y que permitieron recolectar las muestras más fácilmente. Para realizar la caracterización y comportamientos de los diferentes materiales utilizados: piedra y morteros en los cerramientos, maderas en armaduras de tejados, techos y carpintería de puertas y ventanas, cerámicos en muros y acabados, etc. Para complementar lo antes dicho se ha dividido esta tesis en seis capítulos: En el capítulo I se desarrolla el estado del arte a nivel nacional e internacional de trabajos de investigación, similares. Se aborda la memoria histórica, que es una reseña de la evolución de la vivienda en la ciudad de Maracaibo. En el capítulo II se describe la metodología empleada en la tesis, de acuerdo a los objetivos, tanto generales como específicos de la investigación. Que ha cubierto diferentes frentes: consulta bibliográfica, levantamiento planimétrico, toma de muestras, análisis de visu, caracterización físico-química y correlación de resultados. Se ha desarrollado el trabajo tanto in situ como en laboratorio y despacho. El capítulo III presenta la caracterización de la arenisca “Piedra de Ojo”, se desarrolla: la descripción geológica y caracterización petrológica. Se reseñan los ensayos realizados en laboratorio como: caracterización de visu, caracterización petrográfica, estudio petrográfico por microcopia óptica de trasmisión, estudio petrográfico por microcopia electrónica de barrido, microscopia electrónica de barrido en modo electrones secundarios (SSE) y microscopia electrónica de barrido en modo electrones retrodispersados. También las propiedades escalares de los mampuestos y los siguientes valores: densidades, porosidades y resistencia mecánicas, entre otros. En el capítulo IV se analizan las características de los morteros aplicados en las viviendas, y la patología o lesiones que presentan. Se clasifican en tres tipos: mortero de junta o asiento, de enfoscado y revoco. Se documenta la realización de los ensayos físicos y químicos, resistencia mecánica y de granulometría; se explican sus componentes principales: conglomerante de cal, áridos y aditivos y la tecnología de fabricación, así como las características físicas, hídricas, químicas y granulométricas. El capítulo V, contiene las aplicaciones constructivas de los materiales de albañilería, Se describen otros elementos de la vivienda como; cimentaciones, muros mixtos, molduras, apliques y pinturas y finalmente pavimentos. Y en el capítulo VI se analizan las especies de madera más representativas usadas en las armaduras de las cubiertas, así como los elementos de cubrición. De igual forma se describe la carpintería de puertas y ventanas, así como sus dinteles o cargaderos de madera y se realiza la identificación anatómica, las propiedades físicas y mecánicas de las utilizadas. Entre los resultados y conclusiones se determinó que el 90% de los materiales utilizados en su construcción proceden de zonas cercanas a la construcción de la vivienda, como la formación El Milagro convertida en cantera de piedra y que el resto de los materiales provenían de la Isla de Toas y de la exportación de las islas del Caribe y de Europa como el cemento. El principal aporte de esta investigación es el análisis técnico constructivo y la caracterización física, mecánica y química de los materiales de la vivienda, con el fin de que dicha información sea usada para definir los materiales nuevos a utilizar en las restauraciones de las viviendas y en futuras líneas de investigación. ABSTRACT In this research paper submitted to opt to the degree of Doctor, the materials that make the “Piedra de Ojo” sandstone masonry houses of the historical center of Maracaibo, Venezuela, built in the XIX century, are analyzed and studied. There exists no technical-constructive descriptive literature of the constructive system, so this thesis complements the very limited existing stylistic description, where barely some construction materials are mentioned. With the historical context and the blocks of the area where the preselected houses to be studied being defined, 12 of these houses that were in a state of decay (deterioration) were selected and this condition allowed to collect samples more easily, in order to carry out the characterization and behavior of the different materials used: stone and mortars in the walls, wood trusses in roofs, ceilings and woodwork of doors and windows, walls and ceramic finishes, etc. To complement the foregoing, this thesis has been divided in six chapters: In Chapter I, the state of art at national and international levels of similar research is developed, which is a review of the evolution of housing in the city of Maracaibo. In Chapter II, the methodology used in the thesis is described, according to the research’s objectives, general and specific ones, which have covered several fronts: literature survey, planimetric survey, sampling, visu analysis, physical-chemical characterization and correlation of results. Chapter III presents the characterization of the “Piedra de Ojo” sandstone; geological description and petrologic characterization are developed. Essays performed in the laboratory are reviewed, such as: visu characterization, petrographic characaterization, petrographic study by optical microscopy of transmission, petrographic study by electronic scanning microscopy in secondary electron mode (SSE) and electron microscopy scaning by backscattered electron mode. Also scalar properties of the masonry and the following: density, porosity and mechanical resistance, among others. In Chapter IV, characteristics of the mortars used in the houses are analyzed and pathology or damages are presented. They are classified into three types: grout, cement render and plaster. Physical and chemical testing, mechanical strength and grain size (granulometric) is documented; its main components are explained: lime binder, aggregates and additives and manufacturing technology as well as the physical, water, chemical and granulometric characteristics. Chapter V contains the constructive applications of masonry materials. Other housing elements are described, such as; foundations, mixed walls, moldings, wall paintings and finally floorings (pavements). And in chapter VI the most representative species of wood used in the overhead fixtures and cover elements are analyzed. Likewise, woodwork of doors and windows and their wooden lintels or landings are described; anatomical identification and physical and mechanical properties of the ones used is made. The results and conclusions determined that 90% of the materials used in its construction came from areas near the construction of housing, such as El Milagro formation, converted into stone quarry and other materials came from the Toas Island and from the export of the Caribbean islands and Europe, such as cement. The main contribution of this research is the constructive technical analysis and physical, mechanical and chemical characterization of the materials of the houses, in order that such information is used to define the new materials to be used in the housing restoration and future research lines.

Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado

La tesis doctoral “Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado” realizada dentro del programa de doctorado de la Universidad Politécnica de Madrid “Máster en técnicas experimentales avanzadas en la ingeniería civil”, investiga la sustitución de áridos gruesos naturales por reciclados en hormigones autocompactantes, para demostrar la posibilidad de utilización de este tipo de árido en la fabricación de hormigones autocompactantes. En cuanto a la línea experimental adoptada, la primera fase corresponde a la caracterización de los cementos y de los áridos naturales y reciclados. En ella se han obtenido las principales características físicas y mecánicas. Una vez validadas las características de todos los materiales y adoptada una dosificación de hormigón autocompactante, se han elaborado cuatro dosificaciones con cuatro grados de incorporación de árido reciclado cada una, y una dosificación con seis grados de incorporación de árido reciclado. Fabricándose un total de 22 tipos de hormigón diferentes, sin contar todas las amasadas iniciales hasta la consecución de un hormigón autocompactante. Las cinco dosificaciones se han dividido en dos grupos para poder analizar con mayor grado de definición las características de cada uno. El primer grupo es aquel que contienen los hormigones con diferentes relaciones a/c, que incluye a la muestra A (a/c=0.55), muestra D (a/c=0.50) y muestra E (a/c=0.45). Por el contrario, el segundo grupo dispone de una relación fija de a/c=0.45 pero diferentes relaciones a/c efectivas, ya que algunas de las muestras disponen de un contenido de agua que permite contrarrestar la mayor absorción del árido reciclado. Estando en este grupo la muestra E (sin agua adicional), la muestra H (con presaturación de los áridos) y la muestra I (con un aporte de agua junto con el agua de amasado. Una vez fabricados los hormigones, se pasa a la segunda fase del estudio correspondiente a la caracterización del hormigón en estado fresco. En esta fase se han llevado a cabo los ensayos de escurrimiento, escurrimiento con anillo japonés, ensayo embudo en V y embudo V a los 5 minutos. Todos estos ensayos permiten evaluar la autocompactabilidad del hormigón según el anejo 17 de la EHE-08. La tercera fase del estudio se centra en la caracterización de los hormigones en estado endurecido, evaluando las características resistentes del hormigón. Para ello, se han realizado los ensayos de resistencia a compresión, a tracción, módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson. En la cuarta y última fase, se han analizado la durabilidad de los hormigones, debido que a pesar de ofrecer una adecuada autocompactabilidad y resistencia mecánica, se debe de obtener un hormigón con una correcta durabilidad. Para tal fin, se ha determinado la resistencia a la penetración de agua bajo presión y carbonatación de las probetas. Este último ensayo se ha realizado teniendo en cuenta las condiciones del denominado método natural, con una exposición al ambiente de 90 días y 365 días. Con todos estos resultados se elaboraron las conclusiones derivadas de la investigación, demostrándose la posibilidad de fabricación de hormigones autocompactantes con árido reciclado (HACR) con sustituciones de hasta un 40%, e incluso dependiendo de la relación a/c con sustituciones del 60% y el 80%. ABSTRACT The doctoral thesis titled Analysis of self-compacting concrete with recycled aggregates, has been developed in accordance with the doctoral program: Master degree in advanced experimental techniques in civil engineering, at UPM. It investigates the possibility of replacing natural coarse aggregates with recycled coarse aggregates, in the field of self-compacting concrete. The aim of this dissertation is to analyze the possibility of using recycled coarse aggregates in the manufacture process of self-compacting concretes. Regarding the experimental part, the first phase refers to mechanical and physical characterization of some materials such as cement, natural aggregates and recycled aggregates. Once the characteristics of all materials have been validated and the mixing proportions have been adopted, four different mixes are elaborated by using four dosage rates of recycled aggregates in each one of the samples. Moreover, an additional sample consisting of six different dosages of recycled aggregates is considered. A total number of 22 concrete specimens have been manufactured, without including all the initial kneading samples used to obtain this type of self-compacting concrete. The aforementioned mixes have been divided in two different groups to be able to analyze with more definition. The first group is the one in which the concrete contains different values of the water - cement ratio. It includes the next samples: A (w/c=0.55), D (w/c=0.50) and E (w/c=0.45). The second group has a fixed water -cement ratio, w/c=0.45, but a different effective water - cement ratio, since some of the samples have a water content that enables to offset the major absorption of the recycled aggregates, being in this group the mixing E (without additional water), the mixing H (with saturated recycled aggregate) and the mixing I (with an additional water content to the existing kneading water). Once the concrete samples have been manufactured, the following section deals with the characterization of the concrete in fresh conditions. To accomplish this, several characterization tests are carried out such as the slump-flow test, test slump flow with Japanese ring, test V-funnel and V-funnel to 5 minutes. These tests are used to assess the self-compacting conditions according to the annex 17 of the EHE-08 The third phase of the study focuses on the mechanical characterization, the assessment of the strength properties of the concrete such as compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity and Poisson´s ratio. Within the fourth and last phase, durability of the concrete is evaluated. This fact is motivated by the need to obtain not only good self-compacting and mechanical strength properties, but also adequate durability conditions. To accomplish the aforementioned durability, resistance of the samples under certain conditions such as water penetration pressure and carbonation, has been obtained. The latter test has been carried out taking into account the natural method, with an exhibition period to the environment of 90 days and 365 days. Through the results coming from this research work, it has been possible to obtain the main conclusions. It has been demonstrated the possibility to manufacture self-compacting concrete by using recycled aggregates with replacement rates up to 40% or, depending on the w/c ratio, rates of 60% and 80% might be reached.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyección térmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes sólidos son requeridos para reducir la fricción y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vacío (vehículos espaciales, industria química, motores diésel, turbinas aeronáuticas y de generación de energía…). Los lubricantes líquidos pierden sus características cuando las condiciones de presión, temperatura o ambientales son severas (oxidación, inestabilidad térmica, volatilidad,…), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas próximas a 200 ºC. Por tanto, la única manera de poder conseguir una adecuada lubricación a temperaturas extremas es por medio de sólidos, que cada vez más, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podrían ser empleados en componentes de vehículos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atmósfera, temperaturas de 700 ºC (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos también deberían ser capaces de proporcionar una lubricación efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en frío, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendrían que satisfacer las capas tribológicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aquéllas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados térmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes sólidos pueden ser una buena solución desde el punto de vista tribológico. El “Lewis Research Centre” de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinación de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes sólidos como plata o la eutéctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyección térmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribológico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan características muy atractivas: alta dureza, baja fricción, alto límite elástico de compresión... Son muy frágiles como materiales másicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyección térmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilatación próximos al de los materiales metálicos, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eutéctica de BaF2-CaF2, como lubricantes sólidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) mediante distintos procesos de proyección térmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presión (LPPS) y combustión a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleación base níquel, endurecible por precipitación, con muy buena resistencia mecánica y a la oxidación hasta temperaturas de 870 ºC y, además, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribológicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en tribómetro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricción y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribológicamente a alta temperatura en INTA y en vacío en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribución uniforme de fases…) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vacío. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribológico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyección térmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretendía y, además, como ocurre en cualquier trabajo de investigación, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas líneas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtención de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ºC are reached during re-entry into the Earth’s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since “cold start” operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA‘s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ºC and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.

High-temperature mechanical properties of aluminium alloys reinforced with titanium diboride (TiB2) particles

The physical and mechanical properties of metal matrix composites were improved by the addition of reinforcements. The mechanical properties of particulate-reinforced metal-matrix composites based on aluminium alloys (6061 and 7015) at high temperatures were studied. Titanium diboride (TiB2) particles were used as the reinforcement. All the composites were produced by hot extrusion. The tensile properties and fracture characteristics of these materials were investigated at room temperature and at high temperatures to determine their ultimate strength and strain to failure. The fracture surface was analysed by scanning electron microscopy. TiB2 particles provide high stability of the aluminium alloys (6061 and 7015) in the fabrication process. An improvement in the mechanical behaviour was achieved by adding TiB2 particles as reinforcement in both the aluminium alloys. Adding TiB2 particles reduces the ductility of the aluminium alloys but does not change the microscopic mode of failure, and the fracture surface exhibits a ductile appearance with dimples formed by coalescence.

Hydrogen embrittlement risk of high strength galvanized steel in contact with alkaline media

The critical conditions for hydrogenembrittlement (HE) risk of highstrengthgalvanizedsteel (HSGS) wires and tendons exposed to alkaline concrete pore solutions have been evaluated by means of electrochemical and mechanical testing. There is a relationship between the hydrogenembrittlementrisk in HSGS and the length of hydrogen evolution process in alkalinemedia. The galvanizedsteel suffers anodic dissolution simultaneously to the hydrogen evolution which does not stop until the passivation process is completed. HSGS wires exposed to a very highalkalinemedia have showed HE risk with loss in mechanical properties only if long periods with hydrogen evolution process take place with a simultaneous intensive galvanized coating reduction.

Influence of cement properties in the reaction rate and mechanical behavior of concrete with high fl y ash content

The use of fly ash (FA) as an admixture to concrete is broadly extended for two main reasons: the reduction of costs that supposes the substitution of cement and the micro structural changes motivated by the mineral admixture. Regarding this second point, there is a consensus that considers that the ash generates a more compact concrete and a reduction in the size of the pore. However, the measure in which this contributes to the pozzolanic activity or as filler is not well defined. There is also no justification to the influence of the physical parameters, fineness of the grain and free water, in its behavior. This work studies the use of FA as a partial substitute of the cement in concretes of different workability (dry and wet) and the influence in the reactivity of the ash. The concrete of dry consistency which serves as reference uses a cement dose of 250 Kg/m 3 and the concrete of fluid consistency utilized a dose of cement of 350 Kg/m 3 . Two trademark of Portland Cement Type 1 were used. The first reached the resistant class for its fineness of grain and the second one for its composition. Moreover, three doses of FA have been used, and the water/binder ratio was constant in all the mixtures. We have studied the mechanical properties and the micro-structure of the concretes by means of compressive strength tests, mercury intrusion porosimetry (MIP) and thermal analysis (TA). The results of compressive strength tests allow us to observe that concrete mixtures with cements of the same classification and similar dosage of binder do not present the same mechanical behavior. These results show that the effective water/binder ratio has a major role in the development of the mechanical properties of concrete. The study of different dosages using TA, thermo-gravimetry and differential thermal analysis, revealed that the portlandite content is not restrictive in any of the dosages studied. Again, this proves that the rheology of the material influences the reaction rate and content of hydrated cement products. We conclude that the available free water is determinant in the efficiency of pozzolanic reaction. It is so that in accordance to the availability of free water, the ashes can react as an active admixture or simply change the porous distribution. The MIP shows concretes that do not exhibit significant changes in their mechanical behavior, but have suffered significant variation in their porous structure

Laser Shock Processing: An Emerging Technique for the Enhancement of Surface Properties and Fatigue Life of High Strength Metal Alloys

Profiting by the increasing availability of laser sources delivering intensities above 10 9 W/cm 2 with pulse energies in the range of several Joules and pulse widths in the range of nanoseconds, laser shock processing (LSP) is being consolidating as an effective technology for the improvement of surface mechanical and corrosion resistance properties of metals and is being developed as a practical process amenable to production engineering. The main acknowledged advantage of the laser shock processing technique consists on its capability of inducing a relatively deep compression residual stresses field into metallic alloy pieces allowing an improved mechanical behaviour, explicitly, the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Following a short description of the theoretical/computational and experimental methods developed by the authors for the predictive assessment and experimental implementation of LSP treatments, experimental results on the residual stress profiles and associated surface properties modification successfully reached in typical materials (specifically steels and Al and Ti alloys) under different LSP irradiation conditions are presented

Application of high-intensity short-pulse lasers to the mechanical and surface properties improvement of high reliability metallic components by shock processing

Outline: • Introduction • Process Experimental Setup • Experimental Procedure • Experimental Results for Al2024-T351 and Ti6Al4V - Residual stresses - Tensile Strength - Fatigue Life • Discussion and Outlook - Prospects for technological applications of LSP

Effects of hydrogen assisted stress corrosion on damage tolerance of a high-strength duplex stainless steel wire for prestressing concrete

The study brings new insights on the hydrogen assisted stress corrosion on damage tolerance of a high-strength duplex stainless steel wire which concerns its potential use as active reinforcement for concrete prestressing. The adopted procedure was to experimentally state the effect of hydrogen on the damage tolerance of cylindrical smooth and precracked wire specimens exposed to stress corrosion cracking using the aggressive medium of the standard test developed by FIP (International Prestressing Federation). Stress corrosion testing, mechanical fracture tests and scanning electron microscopy analysis allowed the damage assessment, and explain the synergy between mechanical loading and environment action on the failure sequence of the wire. In presence of previous damage, hydrogen affects the wire behavior in a qualitative sense, consistently to the fracture anisotropy attributable to cold drawing, but it does not produce quantitative changes since the steel fully preserves its damage tolerance.