Evaluation of hollow fiberoptic tips for the conduction of Er : YAG laser

Objective: The use of Er:YAG laser operating in the 3 μm range with adjustable power and pulses has become popular for dental and medical practice due to its high photoablative capacity, surgical precision and antimicrobial action. Background data: The existing fiberoptic tips irradiate lasers parallel to the long axes of the tooth limiting its efficiency in the root canal. Methods: We evaluated hollow fiberoptic tips obtained from silicate glass as a means of Er:YAG laser conduction in dental procedures. The fiber tips were molded from capillary tubes with different profiles so that their ends would have cylindric, conical or spherical shapes. The performance of the three fibers as a means of propagation of Er:YAG (λ = 2.94 μm) laser radiation was compared to that of a solid sapphire fiber at 10 Hz and 200 mJ and of 20 Hz and 500 mJ. The profiles of frontal and lateral burning were visualized on thermal paper. Results: Analysis of these profiles demonstrated that the sapphire tip and the hollow fiber of cylindric section did not differ significantly in the profiles of frontal burning, and no lateral burning was detected. The fibers of the conical and spherical sections, although presenting attenuation in the frontal output power, showed a larger burning area in the frontal profile, in addition to producing lateral burning. Conclusions: The results indicate that commercial hollow fiberoptics have advantages such as easy manufacture of the different tip shapes, great adaptability, low cost, and a low loss of transmission. © Mary Ann Liebert, Inc.

Estudo experimental do uso de rebolos convencionais na usinagem do aço VP-50 utilizado na retificação cilíndrica, por meio de diferentes métodos de lubri-refrigeração

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEB

Sinais de vibração no monitoramento do processo de retificação plana de cerâmicas avançadas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Avaliação da resistência de união de reparos em resinas compostas convencionais e bulkfill

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Usinagem do alumínio da classe 6005 com uso de ferramenta cerâmica

The machining process is so much important in the economic world. Many machining parameters have been studied to maximize results, in terms of cost and lifetime. (decrease of cutting tool wear, improved surface finish, among others). The objective of this study is to evaluate the wear of a ceramic tool in the machining of the aluminum alloy 6005 A. The analysis of the wear of the cutting tools is very important due to its big impact on the final finishing of the piece as a whole. The evaluation took place in two stages, first it was done a detailed study of the literature of the whole machining process, where the study of the formation and swarf classification were among the most important steps in this phase. The second step consisted in the machining of the piece of aluminum 6005 A with a ceramic cutting tool constituded of aluminum oxide and magnesium oxide with silicon carbide impregnation. The swarf generated in this process was then photographed with a Zeiss optical microscope and analyzed for its size and shape. Through this comparison it was concluded that the swarf are generated shear swarfs, shaped like a tangled, fragmented and arcs connected, thus classifying the material as medium difficulty machining. Through the image analysis tool it was concluded that the parameter of lower wear was the: Vc = 500m / min, f = 0.10mm / rev and ap = 0.5mm

Usinagem do alumínio da classe 6005 com uso de ferramenta cerâmica

The machining process is so much important in the economic world. Many machining parameters have been studied to maximize results, in terms of cost and lifetime. (decrease of cutting tool wear, improved surface finish, among others). The objective of this study is to evaluate the wear of a ceramic tool in the machining of the aluminum alloy 6005 A. The analysis of the wear of the cutting tools is very important due to its big impact on the final finishing of the piece as a whole. The evaluation took place in two stages, first it was done a detailed study of the literature of the whole machining process, where the study of the formation and swarf classification were among the most important steps in this phase. The second step consisted in the machining of the piece of aluminum 6005 A with a ceramic cutting tool constituded of aluminum oxide and magnesium oxide with silicon carbide impregnation. The swarf generated in this process was then photographed with a Zeiss optical microscope and analyzed for its size and shape. Through this comparison it was concluded that the swarf are generated shear swarfs, shaped like a tangled, fragmented and arcs connected, thus classifying the material as medium difficulty machining. Through the image analysis tool it was concluded that the parameter of lower wear was the: Vc = 500m / min, f = 0.10mm / rev and ap = 0.5mm

Electronic stopping cross sections for protons in Al2O3: an experimental and theoretical study

The electronic stopping cross section (SCS) of Al2O3 for proton beams is studied both experimentally and theoretically. The measurements are made for proton energies from 40 keV up to 1 MeV, which cover the maximum stopping region, using two experimental methods, the transmission technique at low energies (similar to 40-175 keV) and the Rutherford backscattering at high energies (approximate to 190-1000 keV). These new data reveal an increment of 16% in the SCS around the maximum stopping with respect to older measurements. The theoretical study includes electronic stopping power calculations based on the dielectric formalism and on the transport cross section (TCS) model to describe the electron excitations of Al2O3. The non-linear TCS calculations of the SCS for valence electrons together with the generalized oscillator strengths (GOS) model for the core electrons compare well with the experimental data in the whole range of energies considered.

Experimental study of the He stopping power into Al2O3 films

In the present work, we report experimental results of He stopping power into Al2O3 films by using both transmission and Rutherford backscattering techniques. We have performed measurements along a wide energy range, from 60 to 3000 key, covering the maximum stopping range. The results of this work are compared with previously published dap-, showing a good agreement for the high-energy range, but evidencing discrepancies in the low-energy region. The existing theories follow the same tendency: good theoretical-experimental agreement for higher energies, but they failed to reproduce previous and present results in the low energy regime. On the other hand it is interesting to note that the semi-empirical SRIM code reproduces quite well the present data. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sequential extraction of phosphorus in an Oxisol amended with biosolids in a long-term field experiment in Brazil

The continued growth of large cities is producing increasing volumes of urban sewage sludge. Disposing of this waste without damaging the environment requires careful management. The application of large quantities of biosolids (treated sewage sludge) to agricultural lands for many years may result in the excessive accumulation of nutrients like phosphorus (P) and thereby raise risks of eutrophication in nearby water bodies. We evaluated the fractionation of P in samples of an Oxisol collected as part of a field experiment in which biosolids were added at three rates to a maize (Zea mays L) plantation over four consecutive years. The biosolids treatments were equivalent to one, two and four times the recommended N rate for maize crops. In a fourth treatment, mineral fertilizer was applied at the rate recommended for maize. Inorganic P forms were extracted with ammonium chloride to remove soluble and loosely bound P; P bound to aluminum oxide (P-Al) was extracted with ammonium fluoride; P bound to iron oxide (P-Fe) was extracted with sodium hydroxide; and P bound to calcium (P-Ca) was extracted with sulfuric acid. Organic P was calculated as the difference between total P and inorganic P. The predominant fraction of P was P-Fe, followed by P-Al and P-Ca. P fractions were positively correlated to the amounts of P applied, except for P-Ca. The low values of P-Ca were due to the advanced weathering processes to which the Oxisol have been subjected, under which forms of P-Ca are converted to P-Fe and P-Al. The fertilization with P via biosolids increased P availability for maize plants even when a large portion of P was converted to more stable forms. Phosphorus content in maize leaves and grains was positively correlated with P fractions in soils. From these results it can be concluded that the application of biosolids in highly weathered tropical clayey soils for many years, even above the recommended rate based on N requirements for maize, tend to be less potentially hazardous to the environment than in less weathered sandy soils because the non-readily P fractions are predominant after the addition of biosolids. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of nanostructured material images using fractal descriptors

This work presents a methodology to the morphology analysis and characterization of nanostructured material images acquired from FEG-SEM (Field Emission Gun-Scanning Electron Microscopy) technique. The metrics were extracted from the image texture (mathematical surface) by the volumetric fractal descriptors, a methodology based on the Bouligand-Minkowski fractal dimension, which considers the properties of the Minkowski dilation of the surface points. An experiment with galvanostatic anodic titanium oxide samples prepared in oxalyc acid solution using different conditions of applied current, oxalyc acid concentration and solution temperature was performed. The results demonstrate that the approach is capable of characterizing complex morphology characteristics such as those present in the anodic titanium oxide.

Studio e sviluppo di tecniche per la produzione di nanocompositi a matrice di alluminio

Foundry aluminum alloys play a fundamental role in several industrial fields, as they are employed in the production of several components in a wide range of applications. Moreover, these alloys can be employed as matrix for the development of Metal Matrix Composites (MMC), whose reinforcing phases may have different composition, shape and dimension. Ceramic particle reinforced MMCs are particular interesting due to their isotropic properties and their high temperature resistance. For this kind of composites, usually, decreasing the size of the reinforcing phase leads to the increase of mechanical properties. For this reason, in the last 30 years, the research has developed micro-reinforced composites at first, characterized by low ductility, and more recently nano-reinforced ones (the so called metal matrix nanocomposite, MMNCs). The nanocomposites can be obtained through several production routes: they can be divided in in-situ techniques, where the reinforcing phase is generated during the composite production through appropriate chemical reactions, and ex situ techniques, where ceramic dispersoids are added to the matrix once already formed. The enhancement in mechanical properties of MMNCs is proved by several studies; nevertheless, it is necessary to address some issues related to each processing route, as the control of process parameters and the effort to obtain an effective dispersion of the nanoparticles in the matrix, which sometimes actually restrict the use of these materials at industrial level. In this work of thesis, a feasibility study and implementation of production processes for Aluminum and AlSi7Mg based-MMNCs was conducted. The attention was focused on the in-situ process of gas bubbling, with the aim to obtain an aluminum oxide reinforcing phase, generated by the chemical reaction between the molten matrix and industrial dry air injected in the melt. Moreover, for what concerns the ex-situ techniques, stir casting process was studied and applied to introduce alumina nanoparticles in the same matrix alloys. The obtained samples were characterized through optical and electronic microscopy, then by micro-hardness tests, in order to evaluate possible improvements in mechanical properties of the materials.

Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films

A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

Wet chemistry synthesis towards nanostructures of thermoelectric antimonides

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von nanostrukturierten Antimoniden, wobei die folgenden beiden Themen bearbeitet wurden: rnAus chemischer Sicht wurden neue Synthesewege entwickelt, um Nanopartikel der Verbindungen in den binären Systemen Zn-Sb und Fe-Sb herzustellen (Zn4Sb3, ZnSb, FeSb2, Fe1+xSb). Anders als in konventionellen Festkörperreaktionen, die auf die Synthese von Bulk-Materialien oder Einkristallen zielen, muss die Synthese von Nanopartikeln Agglomerate und Ostwald-Wachstum vermeiden. Daher benötigen annehmbare Reaktionszeiten und vergleichsweise tiefe Reaktionstemperaturen kurze Diffusionswege und tiefe Aktivierungsbarrieren. Demzufolge bedient sich die Synthese der Reaktion von Antimon-Nanopartikeln und geeigneten molekularen oder nanopartikulären Edukten der entsprechenden Übergangsmetalle. Zusätzlich wurden anisotrope ZnSb Strukturen synthetisiert, indem eine Templat-Synthese mit Hilfe von anodisierten Aluminiumoxid- oder Polycarbonat-Membranen angewandt wurde. rnDie erhaltenen Produkte wurden hauptsächlich durch Röntgen-Diffraktion und Elektronenmikroskopie untersucht. Die Auswertung der Pulver Röntgendiffraktions-Daten stellte eine Herausforderung dar, da die Nanostrukturierung und die Anwesenheit von mehreren Phasen zu verbreiterten und überlagernden Reflexen führen. Zusätzliche Fe-Mößbauer Messungen wurden im Falle der Fe-Sb Produkte vorgenommen, um detailliertere Informationen über die genaue Zusammensetzung zu erhalten. Die erstmals hergestellte Phase Zn1+xSb wurde einer detaillierten Kristallstrukturanalyse unterzogen, die mit Hilfe einer neuen Diffraktionsmethode, der automatisierten Elektronen Diffraktions Tomographie, durchgeführt wurde.rnrnAus physikalischer Sicht sind Zn4Sb3, ZnSb und FeSb2 interessante thermoelektrische Materialien, die aufgrund ihrer Fähigkeit thermische in elektrische Energie umzuwandeln, großes Interesse geweckt haben. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien zeigen dabei eine höhere Umwandlungseffizienz zu erhöhen, da deren thermische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Da thermoelektrische Bauteile aus dichten Bulk-Materialien gefertigt werden, spielte die Verfestigung der synthetisierten nanopartikulären Pulver eine große Rolle. Die als „Spark Plasma Sintering“ bezeichnete Methode wurde eingesetzt, um die Proben zu pressen. Dies ermöglicht schnelles Heizen und Abkühlen der Probe und kann so das bei klassischen Heißpress-Methoden unvermeidliche Kristallitwachstum verringern. Die optimalen Bedingungen für das Spark Plasma Sintern zu finden, ist Inhalt von bestehender und weiterführender Forschung. rnEin Problem stellt die Stabilität der Proben während des Sinterns dar. Trotz des schnellen Pressens wurde eine teilweise Zersetzung im Falle des Zn1+xSb beobachtet, wie mit Hilfe von Synchrotrondiffraktionsuntersuchungen aufgedeckt wurde. Morphologie und Dichte der verschiedenen verfestigten Materialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lasermikroskopie bestimmt. Die Gitterdynamik wurde mit Hilfe von Wärmekapazitätsmessungen- und inelastischer Kern-Streuung untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit der nanostrukturierten Materialien ist im Vergleich zu den Festkörpern ist drastisch reduziert - im Falle des FeSb2 um mehr als zwei Größenordnungen. Abhängig von der Zusammensetzung und mechanischen Härte wurden für einen Teil der verfestigten Nanomaterialien die thermoelektrische Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gemessen.rn

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.