Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Rapport M/L de disques de galaxies issus de modèles CSPE et contrôle des contraintes mécaniques dans la conception de revêtements optiques

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques.

Thermo-Structural Analysis of 3D Composites

Three dimensional (3D) composites are strong contenders for the structural applications in situations like aerospace,aircraft and automotive industries where multidirectional thermal and mechanical stresses exist. The presence of reinforcement along the thickness direction in 3D composites,increases the through the thickness stiffness and strength properties.The 3D preforms can be manufactured with numerous complex architecture variations to meet the needs of specific applications.For hot structure applications Carbon-Carbon(C-C) composites are generally used,whose property variation with respect to temperature is essential for carrying out the design of hot structures.The thermomechanical behavior of 3D composites is not fully understood and reported.The methodology to find the thermomechanical properties using analytical modelling of 3D woven,3D 4-axes braided and 3D 5-axes braided composites from Representative Unit Cells(RUC's) based on constitutive equations for 3D composites has been dealt in the present study.High Temperature Unidirectional (UD) Carbon-Carbon material properties have been evaluated using analytical methods,viz.,Composite cylinder assemblage Model and Method of Cells based on experiments carried out on Carbon-Carbon fabric composite for a temparature range of 300 degreeK to 2800degreeK.These properties have been used for evaluating the 3D composite properties.From among the existing methods of solution sequences for 3D composites,"3D composite Strength Model" has been identified as the most suitable method.For thegeneration of material properies of RUC's od 3D composites,software has been developed using MATLAB.Correlaton of the analytically determined properties with test results available in literature has been established.Parametric studies on the variation of all the thermomechanical constants for different 3D performs of Carbon-Carbon material have been studied and selection criteria have been formulated for their applications for the hot structures.Procedure for the structural design of hot structures made of 3D Carbon-Carbon composites has been established through the numerical investigations on a Nosecap.Nonlinear transient thermal and nonlinear transient thermo-structural analysis on the Nosecap have been carried out using finite element software NASTRAN.Failure indices have been established for the identified performs,identification of suitable 3D composite based on parametric studies on strength properties and recommendation of this material for Nosecap of RLV based on structural performance have been carried out in this Study.Based on the 3D failure theory the best perform for the Nosecap has been identified as 4-axis 15degree braided composite.

Design of gas filled solar collectors

With a suitable gas filling used between cover glass and absorber in a flat plate solar collector, it is possible achieving better thermal performance at the same time as the distance betweenabsorber and glass can be reduced. Though, even if there is no vacuum inside the box, there will be potential risks for exhaustion due to stresses depending on the gas volume varies as the temperature varies. This study found out that it is possible build such a collector with less material in the absorber and the tubes and still getting better performance, without risks for exhaustion.

Gas-filled, flat plate solar collectors

This work treats the thermal and mechanical performances of gas-filled, flat plate solar collectors in order to achieve a better performance than that of air filled collectors. The gases examined are argon, krypton and xenon which all have lower thermal conductivity than air. The absorber is formed as a tray connected to the glass. The pressure of the gas inside is near to the ambient and since the gas volume will vary as the temperature changes, there are potential risks for fatigue in the material. One heat transfer model and one mechanical model were built. The mechanical model gave stresses and information on the movements. The factors of safety were calculated from the stresses, and the movements were used as input for the heat transfer model where the thermal performance was calculated. It is shown that gas-filled, flat plate solar collectors can be designed to achieve good thermal performance at a competitive cost. The best yield is achieved with a xenon gas filling together with a normal thick absorber, where normal thick means a 0.25 mm copper absorber. However, a great deal of energy is needed to produce the xenon gas, and if this aspect is taken into account, the krypton filling is better. Good thermal performance can also be achieved using less material; a collector with a 0.1 mm thick copper absorber and the third best gas, which is argon, still gives a better operating performance than a common, commercially produced, air filled collector with a 0.25 mm absorber. When manufacturing gas-filled flat plate solar collectors, one way of decreasing the total material costs significantly, is by changing absorber material from copper to aluminium. Best yield per monetary outlay is given by a thin (0.3 mm) alu-minium absorber with an argon filling. A high factor of safety is achieved with thin absorbers, large absorber areas, rectangular constructions with long tubes and short distances between glass and absorber. The latter will also give a thin layer of gas which gives good thermal performance. The only doubtii ful construction is an argon filled collector with a normal thick (> 0.50 mm) aluminium absorber. In general, an assessment of the stresses for the proposed construction together with appropriate tests are recommended before manufacturing, since it is hard to predict the factor of safety; if one part is reinforced, some other parts can experience more stress and the factor of safety actually drops.

Thermal losses in sealed, gas-filled flat plate solar collectors

A sealed space between absorber and cover glass makes it possible reducing the influence of humidity condensate and dust at the same time as the enclosed space can be filled with a suitable gas for lowering the losses. This paper is about the size of the losses in these collectors. A calculating model of a gas-filled flat plate solar collector was built in Matlab with standard heat transfer formulas. It showed that the total loss can be reduced up to 20% when changing to an inert gas. It is also possible using a much shorter distance and still achieve low losses at the same time as the mechanical stresses in the material is reduce.

The Effect of Residence Time on the Tensile Properties of Superelastic and Thermal Activated Ni-Ti Orthodontic Wires

Since the 1980s, different devices based on superelastic alloys have been developed to fulfill orthodontic applications. Particularly in the last decades several researches have been carried out to evaluate the mechanical behavior of Ni-Ti alloys, including their tensile, torsion and fatigue properties. However, studies regarding the dependence of elastic properties on residence time of Ni-Ti wires in the oral cavity are scarce. Such approach is essential since metallic alloys are submitted to mechanical stresses during orthodontic treatment as well as pH and temperature fluctuations. The goal of the present contribution is to provide elastic stress-strain results to guide the orthodontic choice between martensitic thermal activated and austenitic superelastic Ni-Ti alloys. From the point of view of an orthodontist, the selection of appropriate materials and the correct maintenance of the orthodontic apparatus are essential needs during clinical treatment. The present work evaluated the elastic behavior of Ni-Ti alloy wires with diameters varying from 0.014 to 0.020 inches, submitted to hysteresis tensile tests with 8% strain. Tensile tests were performed after periods of use of 1, 2 and 3 months in the oral cavity of patients submitted to orthodontic treatment. The results from the hysteresis tests allowed to exam the strain range covered by isostress lines upon loading and unloading, as well as the residual strain after unloading for both superelastic and thermal activated Ni-Ti wires. Superelastic Ni-Ti wires exhibited higher load isostress values compared to thermal activated wires. It was found that such differences in the load isostress values can increase with increasing residence time.

Formulação de pastas cimentícias com adição de suspensões de quitosana para cimentação de poços de petróleo

Primary cementing is one of the main operations in well drilling responsible for the mechanical stability and zonal isolation during the production of oil. However, the cement sheath is constantly under mechanical stresses and temperature variations caused by the recovery of heavy oil. In order to minimize fracture and wear of the cement sheath, new admixtures are developed to improve the properties of Portland cement slurries and avoid environmental contamination caused by leaking gas and oil. Polymers with the ability to form polymeric films are candidates to improve the properties of hardened cement slurries, especially their fracture energy. The present study aimed at evaluating the effect of the addition of a chitosan suspension on cement slurries in order to improve the properties of the cement and increase its performance on heavy oil recovery. Chitosan was dissolved in acetic ac id (0.25 M and 2 M) and added to the formulation of the slurries in different concentrations. SEM analyses confirmed the formation of polymeric films in the cementitious matrix. Strength tests showed higher fracture energy compared to slurries without the addition of chitosan. The formation of the polymeric films also reduced the permeability of the slurry. Therefore, chitosan suspensions can be potentially used as cementing admixtures for heavy oil well applications

Agricultura familiar: uma perspectiva da qualidade de vida do produtor rural orgânico da Paraíba

Knowledge of quality of life is a very complex and rich in cultural and subjective dimensions, understood in a broad sense and multivariate theme. Considering the rural areas from agriculture, it is observed that the production standard defines significant changes in the environmental context and the quality of life of rural workers. To explain the relationship between quality of life and Family Organic Agriculture, we sought to analyze the quality of life of the organic family farmer, after change in agricultural management. The research, based on a procedure exploratory study supported the articulation theoretically constructed, showed their relevance and allowed to delimit with greater security, the central question of work. The WHOQOL - 100 treated the instrument of research on quality of life that directed the field study with organic farmers from the town of Lagoa Seca / PB. Farmers and family members are from rural regions Almeida, Alvinho, Lagoa de Barro, Lagoa Gravatá, Oiti and Pau Ferro. The average time is 39 years farming and organic family farm is 16 years. In the analysis work was found that the process of production of vegetables and fruits is divided into 08 steps and with respect to workloads observations showed the presence of: physical loads, mechanical stresses, psychological burden and ergonomic factors. Most farmers reported symptoms were fatigue and cramps in the legs . Regarding the quality of life was noticed that the Psychological Domain contributed positively to the quality of life with mean and standard deviation (17.83 ± 12.78) and Domain Environment negatively contributing to the quality of life of this group (9.00 ± 6.82). We conclude that the practice of Family Organic Agriculture should be seen as an effective strategy in promoting quality of life and social values in between, since it presents environmental sustainability with regard to life and socio-cultural diversity of populations

Histological and histomorphometrical alterations of the periodontal ligament in gerbils submitted to teeth extraction

This study verified the effect of unilateral teeth extraction on the periodontal ligament in gerbils (Meriones unguiculatus). Ten adult male gerbils weighing about 50 g had induced occlusal alterations by upper left molar extractions while the other ten animals, only submitted to surgical stress, were considered as controls. The periodontal ligament was characterized by qualitative and quantitative analysis, histological description and histomorphometric quantification. Significant alterations were observed on the left side of the experimental group (P < 0.05), the hypofunctional region, when it was compared with the contralateral side and the corresponding region of the control group. Two months after occlusal alterations induced by unilateral teeth extraction, atrophic histological alterations and a decrease in the periodontal space on the ipsilateral side characterized the periodontal ligament. In this study it was possible to conclude that the gerbil can be used in experimental models attempting to correlate the periodontium's biological response to various mechanical stresses, as the periodontal ligament was shown to be highly sensitive to occlusal alterations. © 2008 The Authors.

Análise comparativa da distribuição de tensões em incisivo central superior, restaurado com diferentes sistemas de pinos intra-radiculares

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Efeito do reembasamento da ciclagem mecânica e da desinfecção por microondas sobre a força máxima de fratura, deformação, energia de ruptura e estabilidade dimensional de bases de prótese

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Corrosão e tribocorrosão de novas ligas Ti35Nb5Zr e Ti35Nb10Zr em saliva artificial

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação do comportamento mecânico de três diferentes tipos de osteossíntese em fratura de côndilo mandibular: análise por elementos finitos 3D

Pós-graduação em Odontologia - FOAR

Cálculo em elementos finitos das frequências naturais dos modos de flexão de uma linha de eixo de unidade geradora hidráulica em escala

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG