Inkjet printing of resistively loaded FSS for microwave absorbers

Inkjet printing is proposed as a means to create the resistively loaded elements of a frequency selective surface (FSS) which suppresses radar backscatter when placed above a metal ground plane. Spectral transmission and reflection measurements from 9 to 18 GHz show that the dot density of the printed features and the volume ratio of an aqueous vehicle and nano-silver (Ag) ink mixture can be selected to obtain surface resistances in the range 1.2-200 Ω/sq.

Co-tape casting fabrication, field assistant sintering and evaluation of a coke resistant La0.2Sr0.7TiO3-Ni/YSZ functional gradient anode supported solid oxide fuel cell

The ability to directly utilize hydrocarbons and other renewable liquid fuels is one of the most important issues affecting the large scale deployment of solid oxide fuel cells (SOFCs). Herein we designed La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ functional gradient anode (FGA) supported SOFCs, prepared with a co-tape casting method and sintered using the field assisted sintering technique (FAST). Through SEM observations, it was confirmed that the FGA structure was achieved and well maintained after the FAST process. Distortion and delamination which usually results after conventional sintering was successfully avoided. The La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs showed a maximum power density of 600mWcm^-2 at 750°C, and was stable for 70h in CH₄. No carbon deposition was detected using Raman spectroscopy. These results confirm the potential coke resistance of La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs.

Understanding the Flash Sintering of Rare-Earth-Doped Ceria for Solid Oxide Fuel Cell

A novel electrical current applied technique known as flash sintering has been applied to rapidly (within 10 min) densify electrolytes including Ce_0.8Gd_0.2O_1.9 (GDC20), Ce_0.9Gd_0.1O_1.95 (GDC10), and Ce_0.8Sm_0.2O_1.9 (SDC20) for application in Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). The densification temperature for the three electrolytes was 554°C, 635°C, and 667°C, respectively, which is far below conventional sintering temperatures. All specimens after flash sintering maintained the pure fluorite structure and exhibited a well-densified microstructure. To investigate the flash-sintering mechanism, we have applied Joule heating effect with blackbody radiation theory, and found that this theory could reasonably interpret the flash-sintering phenomenon by matching theoretically calculated temperature with the real temperature. More importantly, one of the materials inherent properties, the electronic conductivity, has been found correlated with the onset of flash sintering, which indicates that the electrons and holes are the primary current carriers during the start of flash-sintering process. As a result, potential densification mechanisms have been discussed in terms of spark plasma discharge.

Accounting for clean, fast and high yielding reactions under microwave conditions

Thermal reactions proceed optimally when they are rapidly heated to the highest tolerable temperature, held there for the shortest possible time and then quenched. This is explained through assessments of reaction kinetics in literature examples and models. Although presently available microwave equipment is better suited to rapid heating than resistance-heated systems, the findings do not depend upon the method of heating. Claims that microwave heated reactions proceed faster and more cleanly than their conventionally heated counterparts are valid only when comparably rapid heating and cooling cannot be obtained by conventional heating. These findings suggest that rigid adherence to the sixth principle of green chemistry, relating to the use of ambient temperature and pressure, may not always afford optimal results. © 2010 The Royal Society of Chemistry.

Industrial scale microwave processing of tomato juice using a novel continuous microwave system

This study evaluated the effect of an industrial scale continuous flow microwave volumetric heating system in comparison to conventional commercial scale pasteurisation for the processing of tomato juice in terms of physicochemical properties, microbial characteristics and antioxidant capacity. The effect against oxidative stress in Caco-2 cells, after in vitro digestion was also investigated. Physicochemical and colour characteristics of juices were very similar between technologies and during storage. Both conventional and microwave pasteurisation inactivated microorganisms and kept them in low levels throughout storage. ABTS⁺ values, but not ORAC, were higher for the microwave pasteurised juice at day 0 however no significant differences between juices were observed during storage. Juice processed with the microwave system showed an increased cytoprotective effect against H₂O₂ induced oxidation in Caco-2 cells. Organoleptic analysis revealed that the two tomato juices were very similar. The continuous microwave volumetric heating system appears to be a viable alternative to conventional pasteurisation.

High-Resolution Microwave Near-Field Imaging Using Resonance Probes

A novel microwave high-resolution near-field imaging technique is proposed and experimentally evaluated in reflectometry imaging scenarios involving planar metal-dielectric structures. Two types of resonance near field probes-a small helix antenna and a loaded subwavelength slot aperture are studied in this paper. These probes enable very tight spatial field localization with the full width at half maximum around one tenth of a wavelength, λ, at λ/100-λ/10 standoff distance. Importantly, the proposed probes permit resonance electromagnetic coupling to dielectric or printed conductive patterns, which leads to the possibility of very high raw image resolution with imaged feature-to-background contrast greater than 10-dB amplitude and 50° phase. In addition, high-resolution characterization of target geometries based on the cross correlation image processing technique is proposed and assessed using experimental data. It is shown that printed elements features with subwavelength size ~λ/15 or smaller can be characterized with at least 10-dB resolution contrast.

229 GHz FSS for the MetOp Second Generation Microwave Sounder Instrument

This paper describes the design of a frequency selective surface (FSS) which provides transmission of 228 - 230 GHz radiation and rejection from 164 – 191.3 GHz with insertion losses under 0.25 dB for TE wave polarization at 45 incidence. This state-of-the art filter consists of two air spaced freestanding perforated screens, comprising unit cell elements of resonant slots folded for the purpose of miniaturisation to enhance angular stability. The reported geometry enhances the angular stability (45 ± 10) of the FSS beyond what is possible with canonical linear slots and satisfies the stringent electromagnetic performance requirements for signal demultiplexing in the quasi-optical feed train of the Microwave Sounder (MWS) instrument.

Helium line intensity ratio in microwave-generated plasmas

The line intensity ratio method provides a nonintrusive diagnostic for the measurement of electron temperature in microwave-generated plasmas. For optically thin plasmas of low density, a line intensity method using He I lines can often be used, and is based on the fact that the electron impact excitation rate coefficients for helium singlet and triplet states are insensitive to electron density but differ as a function of the electron temperature. Line intensity measurements are presented from microwave-generated helium plasmas. Both steady-state corona and collision-radiative theoretical models are used to evaluate the ground and excited state populations. The line ratio versus electron temperature obtained from both of these methods are compared with the results from measurements. However, it is not possible to diagnose the electron temperature from the line ratios alone due to the presence of significant opacity and nonnegligible 1s2s S-3 metastable fraction in the plasma. (C) 2004 American Institute of Physics.

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.

Mechanical behaviour of AISiC nano composites produced by Ball Milling and Spark Plasma Sintering

Neste trabalho foram produzidos nanocompósitos de AlSiC misturando alumínio puro com nano partículas de SiC com diâmetro de 45 – 55 nm, usando, de forma sequencial, a técnica da metalurgia do pó e a compactação por “ Spark Plasma Sintering”. O compósito obtido apresentava grãos com 100 nm de diâmetro, encontrandose as partículas de SiC localizadas, principalmente, nas fronteiras de grão. O nanocompósito sob a forma de provetes cilíndricos foi submetido a testes de compressão uniaxial e a testes de nanoindentação para analisar a influência das nanopartículas de SiC, da fração volúmica de ácido esteárico e do tempo de moagem, nas propriedades mecânicas do material. Para efeitos de comparação, utilizouse o comportamento mecânico do Al puro processado em condições similares e da liga de alumínio AA1050O. A tensão limite de elasticidade do nanocompósito com 1% Vol./Vol. de SiC é dez vezes superior à do AA1050. O refinamento de grão à escala nano constitui o principal mecanismo de aumento de resistência mecânica. Na realidade, o Al nanocristalino sem reforço de partículas de SiC, apresenta uma tensão limite de elasticidade sete vezes superior à da liga AA1050O. A adição de 0,5 % Vol./Vol. e de 1 % Vol./Vol. de SiC conduzem, respetivamente, ao aumento da tensão limite de elasticidade em 47 % e 50%. O aumento do tempo de moagem e a adição de ácido esteárico ao pó durante a moagem conduzem apenas a um pequeno aumento da tensão de escoamento. A dureza do material medida através de testes de nanoindentação confirmaram os dados anteriores. A estabilidade das microestruturas do alumínio puro e do nanocompósito AlSiC, foi testada através de recozimento de restauração realizado às temperaturas de 150 °C e 250 °C durante 2 horas. Aparentemente, o tratamento térmico não influenciou as propriedades mecânicas dos materiais, excepto do nanocompósito com 1 % Vol./Vol. de SiC restaurado à temperatura de 250 °C, para o qual se observou uma redução da tensão limite de elasticidade na ordem dos 13 %. No alumínio nanocristalino, a tensão de escoamento é controlada pelo efeito de HallPetch. As partículas de SiC, são segregadas pelas fronteiras do grão e não contribuem para o aumento de resistência mecânica segundo o mecanismo de Orowan. Alternativamente, as nanopartículas de SiC constituem um reforço das fronteiras do grão, impedindo o seu escorregamento e estabilizando a nanoestrutura. Deste modo, as propriedades mecânicas do alumínio nanocristalino e do nanocompósito de AlSiC poderão estar relacionadas com a facilidade ou dificuldade do escorregamento das fronteiras de grão, embora não seja apresentada prova explícita deste mecanismo à temperatura ambiente.

Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in fish: optimisation and validation of microwave-assisted extraction

An accurate and sensitive method for determination of 18 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (16 PAHs considered by USEPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) in fish samples was validated. Analysis was performed by microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array and fluorescence detection. Response surface methodology was used to find the optimal extraction parameters. Validation of the overall methodology was performed by spiking assays at four levels and using SRM 2977. Quantification limits ranging from 0.15–27.16 ng/g wet weight were obtained. The established method was applied in edible tissues of three commonly consumed and commercially valuable fish species (sardine, chub mackerel and horse mackerel) originated from Atlantic Ocean. Variable levels of naphthalene (1.03–2.95 ng/g wet weight), fluorene (0.34–1.09 ng/g wet weight) and phenanthrene (0.34–3.54 ng/g wet weight) were detected in the analysed samples. None of the samples contained detectable amounts of benzo[a]pyrene, the marker used for evaluating the occurrence and carcinogenic effects of PAHs in food.