Adaptive liquid-crystal phase-only passive devices

This PhD work is focused on liquid crystal based tunable phase devices with special emphasis on their design and manufacturing. In the course of the work a number of new manufacturing technologies have been implemented in the UPM clean room facilities, leading to an important improvement in the range of devices being manufactured in the laboratory. Furthermore, a number of novel phase devices have been developed, all of them including novel electrodes, and/or alignment layers. The most important manufacturing progress has been the introduction of reactive ion etching as a tool for achieving high resolution photolithography on indium-tin-oxide (ITO) coated glass and quartz substrates. Another important manufacturing result is the successful elaboration of a binding protocol of anisotropic conduction adhesives. These have been employed in high density interconnections between ITO-glass and flexible printed circuits. Regarding material characterization, the comparative study of nonstoichiometric silicon oxide (SiOx) and silica (SiO2) inorganic alignment layers, as well as the relationship between surface layer deposition, layer morphology and liquid crystal electrooptical response must be highlighted, together with the characterization of the degradation of liquid crystal devices in simulated space mission environment. A wide variety of phase devices have been developed, with special emphasis on beam steerers. One of these was developed within the framework of an ESA project, and consisted of a high density reconfigurable 1D blaze grating, with a spatial separation of the controlling microelectronics and the active, radiation exposed, area. The developed devices confirmed the assumption that liquid crystal devices with such a separation of components, are radiation hard, and can be designed to be both vibration and temperature sturdy. In parallel to the above, an evenly variable analog beam steering device was designed, manufactured and characterized, providing a narrow cone diffraction free beam steering. This steering device is characterized by a very limited number of electrodes necessary for the redirection of a light beam. As few as 4 different voltage levels were needed in order to redirect a light beam. Finally at the Wojskowa Akademia Techniczna (Military University of Technology) in Warsaw, Poland, a wedged analog tunable beam steering device was designed, manufactured and characterized. This beam steerer, like the former one, was designed to resist the harsh conditions both in space and in the context of the shuttle launch. Apart from the beam steering devices, reconfigurable vortices and modal lens devices have been manufactured and characterized. In summary, during this work a large number of liquid crystal devices and liquid crystal device manufacturing technologies have been developed. Besides their relevance in scientific publications and technical achievements, most of these new devices have demonstrated their usefulness in the actual work of the research group where this PhD has been completed. El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de nuevos dispositivos de fase basados en cristal líquido. Actualmente se están desarrollando dispositivos basados en cristal líquido para aplicaciones diferentes a su uso habitual como displays. Poseen la ventaja de que los dispositivos pueden ser controlados por bajas tensiones y no necesitan elementos mecánicos para su funcionamiento. La fabricación de todos los dispositivos del presente trabajo se ha realizado en la cámara limpia del grupo. La cámara limpia ha sido diseñada por el grupo de investigación, es de dimensiones reducidas pero muy versátil. Está dividida en distintas áreas de trabajo dependiendo del tipo de proceso que se lleva a cabo. La cámara limpia está completamente cubierta de un material libre de polvo. Todas las entradas de suministro de gas y agua están selladas. El aire filtrado es constantemente bombeado dentro de la zona limpia, a fin de crear una sobrepresión evitando así la entrada de aire sin filtrar. Las personas que trabajan en esta zona siempre deben de estar protegidas con un traje especial. Se utilizan trajes especiales que constan de: mono, máscara, guantes de látex, gorro, patucos y gafas de protección UV, cuando sea necesario. Para introducir material dentro de la cámara limpia se debe limpiar con alcohol y paños especiales y posteriormente secarlos con nitrógeno a presión. La fabricación debe seguir estrictamente unos pasos determinados, que pueden cambiar dependiendo de los requerimientos de cada dispositivo. Por ello, la fabricación de dispositivos requiere la formulación de varios protocolos de fabricación. Estos protocolos deben ser estrictamente respetados a fin de obtener repetitividad en los experimentos, lo que lleva siempre asociado un proceso de fabricación fiable. Una célula de cristal líquido está compuesta (de forma general) por dos vidrios ensamblados (sándwich) y colocados a una distancia determinada. Los vidrios se han sometido a una serie de procesos para acondicionar las superficies internas. La célula se llena con cristal líquido. De forma resumida, el proceso de fabricación general es el siguiente: inicialmente, se cortan los vidrios (cuya cara interna es conductora) y se limpian. Después se imprimen las pistas sobre el vidrio formando los píxeles. Estas pistas conductoras provienen del vidrio con la capa conductora de ITO (óxido de indio y estaño). Esto se hace a través de un proceso de fotolitografía con una resina fotosensible, y un desarrollo y ataque posterior del ITO sin protección. Más tarde, las caras internas de los vidrios se acondicionan depositando una capa, que puede ser orgánica o inorgánica (un polímero o un óxido). Esta etapa es crucial para el funcionamiento del dispositivo: induce la orientación de las moléculas de cristal líquido. Una vez que las superficies están acondicionadas, se depositan espaciadores en las mismas: son pequeñas esferas o cilindros de tamaño calibrado (pocos micrómetros) para garantizar un espesor homogéneo del dispositivo. Después en uno de los sustratos se deposita un adhesivo (gasket). A continuación, los sustratos se ensamblan teniendo en cuenta que el gasket debe dejar una boca libre para que el cristal líquido se introduzca posteriormente dentro de la célula. El llenado de la célula se realiza en una cámara de vacío y después la boca se sella. Por último, la conexión de los cables a la célula y el montaje de los polarizadores se realizan fuera de la sala limpia (Figura 1). Dependiendo de la aplicación, el cristal líquido empleado y los demás componentes de la célula tendrán unas características particulares. Para el diseño de los dispositivos de este trabajo se ha realizado un estudio de superficies inorgánicas de alineamiento del cristal líquido, que será de gran importancia para la preparación de los dispositivos de fase, dependiendo de las condiciones ambientales en las que vayan a trabajar. Los materiales inorgánicos que se han estudiado han sido en este caso SiOx y SiO2. El estudio ha comprendido tanto los factores de preparación influyentes en el alineamiento, el comportamiento del cristal líquido al variar estos factores y un estudio de la morfología de las superficies obtenidas.

Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).