Electromechanical properties of engineered lead free potassium sodium niobate based materials

K0.5Na0.5NbO3 (KNN), is the most promising lead free material for substituting lead zirconate titanate (PZT) which is still the market leader used for sensors and actuators. To make KNN a real competitor, it is necessary to understand and to improve its properties. This goal is pursued in the present work via different approaches aiming to study KNN intrinsic properties and then to identify appropriate strategies like doping and texturing for designing better KNN materials for an intended application. Hence, polycrystalline KNN ceramics (undoped, non-stoichiometric; NST and doped), high-quality KNN single crystals and textured KNN based ceramics were successfully synthesized and characterized in this work. Polycrystalline undoped, non-stoichiometric (NST) and Mn doped KNN ceramics were prepared by conventional ceramic processing. Structure, microstructure and electrical properties were measured. It was observed that the window for mono-phasic compositions was very narrow for both NST ceramics and Mn doped ceramics. For NST ceramics the variation of A/B ratio influenced the polarization (P-E) hysteresis loop and better piezoelectric and dielectric responses could be found for small stoichiometry deviations (A/B = 0.97). Regarding Mn doping, as compared to undoped KNN which showed leaky polarization (P-E) hysteresis loops, B-site Mn doped ceramics showed a well saturated, less-leaky hysteresis loop and a significant properties improvement. Impedance spectroscopy was used to assess the role of Mn and a relation between charge transport – defects and ferroelectric response in K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Mn doped KNN ceramics could be established. At room temperature the conduction in KNN which is associated with holes transport is suppressed by Mn doping. Hence Mn addition increases the resistivity of the ceramic, which proved to be very helpful for improving the saturation of the P-E loop. At high temperatures the conduction is dominated by the motion of ionized oxygen vacancies whose concentration increases with Mn doping. Single crystals of potassium sodium niobate (KNN) were grown by a modified high temperature flux method. A boron-modified flux was used to obtain the crystals at a relatively low temperature. XRD, EDS and ICP analysis proved the chemical and crystallographic quality of the crystals. The grown KNN crystals exhibit higher dielectric permittivity (29,100) at the tetragonal-to-cubic phase transition temperature, higher remnant polarization (19.4 μC/cm2) and piezoelectric coefficient (160 pC/N) when compared with the standard KNN ceramics. KNN single crystals domain structure was characterized for the first time by piezoforce response microscopy. It could be observed that <001> - oriented potassium sodium niobate (KNN) single crystals reveal a long range ordered domain pattern of parallel 180° domains with zig-zag 90° domains. From the comparison of KNN Single crystals to ceramics, It is argued that the presence in KNN single crystal (and absence in KNN ceramics) of such a long range order specific domain pattern that is its fingerprint accounts for the improved properties of single crystals. These results have broad implications for the expanded use of KNN materials, by establishing a relation between the domain patterns and the dielectric and ferroelectric response of single crystals and ceramics and by indicating ways of achieving maximised properties in KNN materials. Polarized Raman analysis of ferroelectric potassium sodium niobate (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) single crystals was performed. For the first time, an evidence is provided that supports the assignment of KNN single crystals structure to the monoclinic symmetry at room temperature. Intensities of A′, A″ and mixed A′+A″ phonons have been theoretically calculated and compared with the experimental data in dependence of crystal rotation, which allowed the precise determination of the Raman tensor coefficients for (non-leaking) modes in monoclinic KNN. In relation to the previous literature, this study clarifies that assigning monoclinic phase is more suitable than the orthorhombic one. In addition, this study is the basis for non-destructive assessments of domain distribution by Raman spectroscopy in KNN-based lead-free ferroelectrics with complex structures. Searching a deeper understanding of the electrical behaviour of both KNN single crystal and polycrystalline materials for the sake of designing optimized KNN materials, a comparative study at the level of charge transport and point defects was carried out by impedance spectroscopy. KNN single crystals showed lower conductivity than polycrystals from room temperature up to 200 ºC, but above this temperature polycrystalline KNN displays lower conductivity. The low temperature (T < 200 ºC) behaviour reflects the different processing conditions of both ceramics and single crystals, which account for less defects prone to charge transport in the case of single crystals. As temperature increases (T > 200 ºC) single crystals become more conductive than polycrystalline samples, in which grain boundaries act as barriers to charge transport. For even higher temperatures the conductivity difference between both is increased due to the contribution of ionic conduction in single crystals. Indeed the values of activation energy calculated to the high temperature range (T > 300 ºC) were 1.60 and 0.97 eV, confirming the charge transport due to ionic conduction and ionized oxygen vacancies in single crystals and polycrystalline KNN, respectively. It is suggested that single crystals with low defects content and improved electromechanical properties could be a better choice for room temperature applications, though at high temperatures less conductive ceramics may be the choice, depending on the targeted use. Aiming at engineering the properties of KNN polycrystals towards the performance of single crystals, the preparation and properties study of (001) – oriented (K0.5Na0.5)0.98Li0.02NbO3 (KNNL) ceramics obtained by templated grain growth (TGG) using KNN single crystals as templates was undertaken. The choice of KNN single crystals templates is related with their better properties and to their unique domain structure which were envisaged as a tool for templating better properties in KNN ceramics too. X-ray diffraction analysis revealed for the templated ceramics a monoclinic structure at room temperature and a Lotgering factor (f) of 40% which confirmed texture development. These textured ceramics exhibit a long range ordered domain pattern consisting of 90º and 180º domains, similar to the one observed in the single crystals. Enhanced dielectric (13017 at TC), ferroelectric (2Pr = 42.8 μC/cm2) and piezoelectric (d33 = 280 pC/N) properties are observed for textured KNNL ceramics as compared to the randomly oriented ones. This behaviour is suggested to be due to the long range ordered domain patterns observed in the textured ceramics. The obtained results as compared with the data previously reported on texture KNN based ceramics confirm that superior properties were found due to ordered repeated domain pattern. This study provides an useful approach towards properties improvement of KNN-based piezoelectric ceramics. Overall, the present results bring a significant contribution to the pool of knowledge on the properties of sodium potassium niobate materials: a relation between the domain patterns and di-, ferro-, and piezo-electric response of single crystals and ceramics was demonstrated and ways of engineering maximised properties in KNN materials, for example by texturing were established. This contribution is envisaged to have broad implications for the expanded use of KNN over the alternative lead-based materials.

Conservação dos frutos de duas cultivares de framboesa (Sevillana e Maravilla) em fresco e em doce

Dissertação de mest., Tecnologia de Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2012

Efeitos da embalagem em ar, sob vácuo e em atmosfera modificada sobre a qualidade de filetes de peixe-porco Balistes capriscus

Dissertação de mest, Tecnologia de Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2013

O fruto de Monstera deliciosa: caracterização físico-química e potencial para produção de aguardente

Dissertação de mest., Tecnologia de Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2012

Estudo comparativo de géneros de nemátodes fitoparasitas nos greens dos campos de golfe da região Algarvia

Este trabalho teve como objectivos, identificar quais os métodos de extracção mais eficientes para representação da população de nemátodes em greens de campos de golfe; e identificar os géneros de nemátodes fitoparasitas existentes, associando-os às diferentes características dos campos: idade do campo, textura do solo, histórico de doenças, entre outros factores. Para tal foram escolhidos campos com base nos seguintes critérios: com e sem historial de nemátodes fitoparasitas; campos situados em zonas de maior ou menor concentração de turistas; campos pertencentes ao mesmo grupo financeiro e outros com outra gestão, campos com diferentes idades; e campos com diferentes variedades de relvas. Para os campos do mesmo grupo financeiro (Grupo Oceânico) - Laguna, Millennium, Victória, Old Course, Pinhal, Faldo e O´Connor, foram efectuadas três amostragens em diferentes datas (Julho e Setembro de 2010 e Abril de 2011); e para os restantes campos (de outros grupos) - Grupo Vale de Lobo – Royal/Ocean, Grupo CS – Álamos/Morgado do Reguengo, Quinta da Ria/Quinta de Cima, Alto Golfe e Benamor, foram realizadas duas amostragens (Março e Maio de 2011). Em todos os campos foram recolhidos 20 cores em 5 greens e foi feita a extracção utilizando três métodos diferentes - funil de Baermann, raízes maceradas e flutuação centrífuga. Durante a avalição do melhor método de extracção foi observado que apesar da variabilidade da amostra (tipo de solo, textura do solo, material e crivagem) o método mais eficaz foi o método de extracção por flutuação centrífuga. Este método não só apresentou maior variedade de géneros como maior quantidade de nemátodes fitoparasitas. Em todos os campos de golfe amostrados foram observados os seguintes géneros - Helicotylenchus, Meloidogyne e Tylenchorhynchus, pelo que se concluiu que se tratavam dos géneros mais comuns independentemente das características dos campos amostrados. Para os dois primeiros géneros foi frequentemente ultrapassado o limite de dano estipulado para a Europa e Estados Unidos e não foram visíveis danos nos relvados. Isto sugere que novos trabalhos deverão ser realizados na tentativa de adaptar esses limites de dano padronizados á realidade portuguesa mais concretamente á região algarvia. Foram também encontrados em menor número e nunca em todos os campos de golfe amostrados, os seguintes géneros: Xiphinema, Pratylenchus, Tylenchulus, Paratrichodorus, Hemicycliophora, Hemicriconemoides e Criconemoides.Por fim, não foi possível determinar se havia alguma ligação entre os diferentes campos do mesmo grupo e grupos diferentes uma vez que o número de indivíduos dos géneros encontrados foi pouco significativo.

Nutrition and farming practices as modulators of quality in gilthead seabream (Sparus aurata)

Gilthead seabream is the most important farmed species in the Mediterranean, and knowledge on how common farming practices impact its quality is limited. As such, this Thesis aimed to evaluate how gilthead seabream flesh quality is affected by some of these practices. In Chapter 2, the influence of nutritional factors was evaluated, specifically the high replacement of traditional marine-derived ingredients, both fishmeal and fish oil, with vegetable sources. We have seen that the vegetable-based diets tested did not greatly impact seabream flesh quality, although some alterations were seen in the fatty acid profile of the muscle. However, and despite having caused no alterations in flesh texture, vegetable ingredients reduced the amount of sulphated glycosaminoglycans in the extracellular matrix, affected muscle pH and reduced the activity of proteolytic enzymes. Throughout this Thesis, we measured for the first time the activity of proteolytic enzymes in seabream muscle, and cathepsin B was found to play a pivotal role in post-mortem muscle degradation. In Chapter 3, we evaluated the effect of harvesting and slaughter stress on seabream quality, and contrary to what is seen in most farmed species, our results show that gilthead seabream muscle structure is highly resistant to changes caused by stressful events. Nonetheless, considering that welfare is an increasingly important quality criterion, the use of a zero-withdrawal anaesthetic as a rested harvest technique or even slaughter method could prove valuable to the industry. In Chapter 4, we used maslinic acid as a dietary supplement, to modulate the muscle’s energetic status pre-mortem. As a finishing strategy, maslinic acid failed to increase levels of glycogen and ATP in the muscle. However, supplementation resulted in higher muscle fibre diameter and lower cathepsin B activity, and maslinic acid is likely to be useful to promote growth in this species. In general our Thesis has generated new knowledge to a major challenge facing the aquaculture industry, which is to find a compromise between the trends towards intensive rearing and consumer demand for healthy, high quality seafood being ethically acceptable and having a low impact on the environment.

Aplicação de embalagens ativas com agentes naturais na preservação de alimentos

Este trabalho teve como principal objetivo estudar o efeito de 3 tipos de filme compostos por quitosano, extrato de graínha de uva (EGU) e carvacrol em três matrizes alimentares. As amostras foram embaladas e armazenadas durante 15 dias a 10 ºC e 65% de umidade. A cor (parâmetros Lab), perfil de textura, pH, atividade da água e % de umidade foram avaliados. No salmão verificou-se que o filme com maior concentração de EGU (filme 1) mostrou ser mais eficaz na manutenção da cor laranja/avermelhada (a inicial fresco-9,6; a final filme 1-9,3). Os perfis de textura seguiram o mesmo comportamento para todas as amostras (p>0,05). O pHaumentou de 6,3 a 8,8 na amostra de salmão fresco. O filme 1 foi o que se destacou com valores depHde 7,10 nos dias 1, 2 e 4 (p<0,05). A umidade e atividade da água diminuíram (58-34,49)e aumentaram, respetivamente (0,957-0,974). No abacaxi os valores normalizados de luminosidade variaram entre 0,98 (dia 1) e 0,64 (15 dias de armazenamento). Os valores normalizados de pHforam semelhantes variando entre 0,84 e 1. O fruto perdeu a sua firmeza, contudo os filme 2 e 3 mantiveram as características mais próximas das iniciais. A umidade e a atividade da água não sofreram alterações significativas (p>0,05). No queijo, o filme 3 manteve a sua cor, com valores de ae bmuito próximos à amostra fresco do dia 0. O pHe a textura não apresentaram diferenças significativas (p>0,05) ao longo do tempo. A umidade e a atividade da água apresentaram valores muito próximos, com exceção do filme 2 que diminuiu ao fim dos 15 dias para 0,92. Em geral, verificou-se uma melhoria das amostras relativamente ao ao pH e à cor e uma perda de firmeza. Conclui-se que estes agentes naturais se apresentam, em alguns parâmetros com potencial para desenvolver embalagens ativas com vista ao aumento do tempo de vida útil dos alimentos.

Os processos de formação do registo arqueológico de Vale Boi: uma abordagem geoarqueológica

Dissertação de mestrado, Arqueologia, Faculdade de Ciências Humanas e Sociais, Universidade do Algarve, 2015

Genesis of the brecciated rocks from mid atlantic ridge hydrothermal systems : Lucky Strike (37º50’N) and Menez Gwen (37º50’N)

Tese de doutoramento, Geologia (Metalogenia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Nanoporous carbons from sisal residues and their application in hybrid TiO2/carbon photocatalysts for the removal and degradation of phenol in solution

Tese de doutoramento, Química (Química Tecnológica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Desenvolvimento de pastilha potencialmente probiótica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento do método de Índice de Qualidade ("QIM-Quality Index Method") para as lapas (Patella candei e Patella aspera) e estudo das suas condições de transporte

Dissertação de Mestrado, Estudos Integrados dos Oceanos, 15 de Março de 2016, Universidade dos Açores.

Sistema de reconhecimento de impressões digitais baseado em FPGA

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

Proposta metodológica para avaliação preliminar de jazigos de shale gas

O potencial de um reservatório de shale gas e influenciado por um grande número de fatores, tais como a sua mineralogia e textura, o seu tipo e maturação de querogénio, a saturação de fluidos, os mecanismos de armazenamento de gás, a profundidade do reservatório e a temperatura e pressão de poros. Nesse sentido, o principal objetivo desta tese foi estabelecer uma metodologia de avaliação preliminar de potenciais jazigos de shale gas (estudo de afloramentos com base numa litoestratigrafia de alta resolução), que foi posteriormente aplicada na Formação de Vale das Fontes (Bacia Lusitânica, Portugal). Esta tese tem a particularidade de contribuir, não só para o aprofundamento da informação a nível geoquímico do local, mas também na abordagem inovadora que permitiu a caracterização petrofísica da Formação de Vale das Fontes. Para a aplicação da metodologia estabelecida, foi necessária a realização dos seguintes ensaios laboratoriais: Rock-Eval 6, picnometria de gás hélio, ensaio de resistência a compressão simples, Darcypress e a difracção de raios-X, aplicando o método de Rietveld. Os resultados obtidos na análise petrofísica mostram uma formação rochosa de baixa porosidade que segundo a classificação ISRM, e classificada como ”Resistente”, para alem de revelar comportamento dúctil e elevado índice de fragilidade. A permeabilidade média obtida situa a Formação no intervalo correspondente as permeabilidades atribuídas aos jazigos de tigh gas, indicando a necessidade de fracturação hidráulica, no caso de uma eventual exploração de hidrocarbonetos, enquanto a difracção de raios-X destaca a calcite, o quartzo e os filossilicatos como os minerais mais presentes na Formação. Do ponto de vista geoquímico, os resultados obtidos mostram que apesar do considerável teor médio de carbono orgânico total, a natureza da matéria orgânica analisada e maioritariamente imatura, composta, principalmente, por querogénio do tipo IV, o que indica a incapacidade de a formação gerar hidrocarbonetos em quantidades economicamente exploráveis.

Desenvolvimento do Filme Plástico Paper Like

A indústria de transformação de material plástico contribui de forma relevante para o desenvolvimento da economia mundial. Com o objetivo de desenvolvimento dessa indústria, a empresa Pentaplast S. A., situada em Água Longa, Santo Tirso, desenvolve a conceção de novos produtos para novas aplicações. Esta empresa para continuar na posição de destaque que possui, tem que conduzir a sua existência na melhoria contínua e atualização fase ao mercado. Na indústria termoformadora existe uma procura constante de novos materiais, visto ser um mercado muito competitivo. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um filme plástico com o aspeto de papel para a indústria termoformadora, criando desta forma um impacto no consumidor para a preocupação ambiental. De forma a encontrar soluções para o problema mencionado, conduziu-se ao estudo e desenvolvimento de um novo produto – Paper Like, sendo este, um produto reciclável e adotado às necessidades da termoformação. Para isso, desenvolveu-se o projeto utilizando o processo de termolaminação, com a adição de um aditivo na camada externa, permitindo incorporar ao filme plástico, o aspeto e textura de papel. Foram testados, separadamente, dois aditivos, X e Y, base PET e PE, respetivamente, com diferentes percentagens de incorporação. O aditivo X foi desenvolvido especialmente para este projeto, tendo como base politereftalato de etileno, no entanto com a sua incorporação não se obteve os resultados esperados, somente dava um aspeto mate ao filme extrudidos. O aditivo Y, já existe no mercado mas nunca utilizado em extrusão plana, tem como base polietileno e a sua incorporação permitiu obter um filme com aspeto de papel, comprovando-se a sua compatibilidade com pigmentos, os quais dão diversas cores aos filmes, permitindo assim competir com os filmes tradicionais. Infelizmente a termolaminação do filme com o aditivo Y não foi possível, o que inviabiliza a selagem da embalagem.