Hiilinanojohteiden makroskooppinen johtavuus

Hiilinanojohteet ovat sähkönjohteita, joiden valmistuksessa on käytetty hiilinanoputkia, eli yhden atomikerroksen paksuisesta hiiliatomiverkosta koostuvia rakenteita. Hiilinanoputket ovat viime vuosina keränneet suurta mielenkiintoa erinomaisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta. Tämän työn tavoitteena on selvittää, voitaisiinko hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus saada riittävälle tasolle, jotta niillä saatettaisiin korvata nykyisiä kuparista valmistettuja johteita. Vaikka kuparilla on erinomainen johtavuus, sen käytöllä on omat heikkoutensa, kuten korkea hinta, virran ahtautuminen, suuri tiheys ja heikko mekaaninen kestävyys. Hiilinanojohteet voisivat olla yksi osa-alue kehitettäessä uusia energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä laitteita nyky-yhteiskunnan tarpeisiin. Työn tulosten perusteella voidaan todeta, että nykyisten hiilinanojohteiden sähkönjohtavuus on yhä liian pieni laajamittaiseen käyttöön. Johtavuus on kuitenkin lisääntynyt jatkuvasti viime vuosina. Kehitystyön avulla hiilimateriaalin potentiaalia saadaan hyödynnettyä koko ajan enemmän, ja ajan myötä hiilijohteista voi tulla varteenotettava kilpailija perinteisille johdemateriaaleille. Hiilinanojohteet tulevat luultavasti aluksi yleistymään käyttökohteissa, joissa niiden muut ominaisuudet täydentävät hyvin sähkönjohtavuutta.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Determination of the thermal parameters of high-power batteries by local heat

A new approach to the determination of the thermal parameters of high-power batteries is introduced here. Application of local heat flux measurement with a gradient heat flux sensor (GHFS) allows determination of the cell thermal parameters in di_erent surface points of the cell. The suggested methodology is not cell destructive as it does not require deep discharge of the cell or application of any charge/discharge cycles during measurements of the thermal parameters of the cell. The complete procedure is demonstrated on a high-power Li-ion pouch cell, and it is verified on a sample with well-known thermal parameters. A comparison of the experimental results with conventional thermal characterization methods shows an acceptably low error. The dependence of the cell thermal parameters on state of charge (SoC) and measurement points on the surface was studied by the proposed measurement approach.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Cage de résonance à base de films minces transparents et conducteurs de nanotubes de carbone

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Étude du potentiel cytotoxique des nanotubes de carbone simple-paroi chez les cellules épithéliales alvéolaires humaines A549

Il existe un grand intérêt pour le développement et les applications des nanotubes de carbone (NTC) car ils ont un énorme potentiel dans diverses applications industrielles. Cependant, leur dimension nanométrique et leur composition chimique peuvent constituer un risque sur la santé humaine. Les mécanismes responsables de la toxicité des NTC restent encore à définir. L’objectif de ce projet était de déterminer la toxicité potentielle de deux types de nanotubes de carbone simple-paroi (NTCSP): RN 000 et RN 003 chez une lignée cellulaire de pneumocytes de type II, les cellules A549. Méthodologie: Les essais MTS et PrestoBlue®, le test d’exclusion au bleu de trypan, la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs ont été utilisés pour déterminer la toxicité potentielle de ces NTCSP. Résultats: Suite à une exposition de courte durée (24h), l’essai MTS a montré une diminution de la viabilité cellulaire significative de 20% pour [NTCSP] à 50 et 100 µg/ml et 74% pour [NTCSP] à 1000 µg/mL. Le PrestoBlue® a indiqué une mortalité cellulaire d’environ 45% et de 85% pour des concentration de 500 et 1000 µg/ml de NTCSP. Cependant, les données de l’essai d’exclusion du bleu de trypan ont montré que les NTCSP n’altèrent pas la viabilité cellulaire. L’absence d’une altération de la viabilité cellulaire a été confirmée avec la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs. Cependant, l’interaction des NTCSP avec les cellules A549 a induit un changement de la morphologie cellulaire ; une diminution de la taille ainsi une augmentation de la structure interne des cellules A549. À une exposition à longue durée (72h), les données ont confirmé les résultats d’exposition à 24h. En effet, il n’y a de pas de mortalité cellulaire, mais une diminution de la prolifération cellulaire. En conclusion, notre étude indique que le RN 000 et le RN 003 interagissent avec les cellules A549 sans altérer leur viabilité, mais en induisant une dysfonction mitochondriale qui pourrait avoir plusieurs conséquences sur la fonction cellulaire.

Effets des nanoparticules manufacturées sur les cellules pulmonaires humaines

La détection et la caractérisation des nanoparticules manufacturées (NPM) est l’une des premières étapes pour contrôler et diminuer leurs risques potentiels sur la santé humaine et l’environnement. Différents systèmes d’échantillonnage dans l’air existent pour l’évaluation d’une exposition aux NPM. Cependant, ils ne mesurent pas le risque potentiel de cette exposition à la santé humaine ni les mécanismes cellulaires qui en seraient responsables. Nos objectifs de recherche sont 1) Évaluer les effets de différents types de nanoparticules sur des cellules pulmonaires humaines et 2) Identifier de nouveaux mécanismes intracellulaires activés lors de l’exposition à divers types de NPM. Méthodologie: La lignée de cellules A549 a été utilisée. Trois types de NPM ont été étudiés (différentes concentrations et temps d’exposition): les nanoparticules de dioxyde de titane de type anatase (TiO2), les nanotubes de carbone simple paroi (NTCSP) et les nanoparticules de noir de carbone (NC). La viabilité cellulaire a été mesurée par le test MTS, le test PrestoBlue et le test d’exclusion du bleu de Trypan (uniquement pour les NTCSP). La mesure du stress oxydatif a été déterminée par la mesure des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) en utilisant l’essai DCFH-DA. L’activation d’une réponse anti-oxydative a été déterminée par la mesure de la forme réduite (GSH) et oxydée (GSSG) du glutathion, ainsi que du ratio GSH/GSSG (seulement avec NTCSP et TiO2). Résultats: Les trois nanoparticules ne semblent pas être toxiques pour les cellules A549 car il y a une diminution significative mais minime de la viabilité cellulaire. Cependant, elles induisent une augmentation du contenu intracellulaire en ROS qui est à la fois dépendante du temps et de la concentration. Aucun changement dans les concentrations de GSH et GSSG n’a été observé. En conclusion, nos données indiquent que la mesure de la viabilité n’est pas un critère suffisant pour conclure à la toxicité des NPM. La production de ROS est un critère intéressant, cependant il faudra démontrer l’activation de systèmes anti-oxydatifs pour expliquer l’absence de mortalité cellulaire suite à l’exposition aux NPM.

Conducting Polyaniline Composites as Microwave Absorbers

Conducting polymers are excellent microwave absorbers and they show technological advantage when compared with inorganic electromagnetic absorbing materials, being light weight , easily processable, and the ability of changing the electromagnetic properties with nature and amount of dopants, synthesis conditions, etc. In this paper we report the synthesis, dielectric properties, and expected application of conducting composites based on polyaniline (PAN). Cyclohexanone soluble conducting PAN composites of microwave conductivity 12.5 S/m was synthesized by the in situ polymerization of aniline in the presence of emulsion grade polyvinyl chloride. The dielectric properties of the composites, especially the dielectric loss, conductivity, dielectric heating coefficient , absorption coefficient, and penetration depth, were studied using a HP8510 vector network analyzer. The microwave absorption of the composites were studied at different frequency bands i.e, S, C, and X bands (2-12 GHz). The absorption coefficient was found to be higher than 200 m -' and it can be used for making microwave absorbers in space applications .

Conducting Polyaniline Composites as Microwave Absorbers

Conducting polymers are excellent microwave absorbers and they show technological advantage when compared with inorganic electromagnetic absorbing materials, being light weight , easily processable, and the ability of changing the electromagnetic properties with nature and amount of dopants, synthesis conditions, etc. In this paper we report the synthesis, dielectric properties, and expected application of conducting composites based on polyaniline (PAN). Cyclohexanone soluble conducting PAN composites of microwave conductivity 12.5 S/m was synthesized by the in situ polymerization of aniline in the presence of emulsion grade polyvinyl chloride. The dielectric properties of the composites, especially the dielectric loss, conductivity, dielectric heating coefficient , absorption coefficient, and penetration depth, were studied using a HP8510 vector network analyzer. The microwave absorption of the composites were studied at different frequency bands i.e, S, C, and X bands (2-12 GHz). The absorption coefficient was found to be higher than 200 m -' and it can be used for making microwave absorbers in space applications

Thermal Degradation of Short Nylon -6 Fiber-Reinforced Styrene Butadiene Rubber Composite

The thermal properties of short Nylon-6 fiber-reinforced Styrene butadiene rubber (SBR) composites were studied by Thermogravimetric Analysis (TGA). The effect of epoxy-based bonding agent on thermal degradation of the gum and the composites was also studied. The thermal stability of the SBR was enhanced in the presence of Nylon-6 fibers and the stability of the composites increased in the presence of bonding agent. The epoxy resin did not significantly change the thermal stability of SBR gum vulcanizate. Results of kinetic studies showed that the degradation of SBR and the short nylon fiber-reinforced composites with and without bonding agents followed first-order kinetics.

Short Isora Fibre Reinforced Natural Rubber Composites

The present study deals with the short isora fibre reinforced natural rubber composites. In recent years there has been a tremendous advancement in the field of science and technology of short fibre reinforced polymer composites. The low density, high strength, high stiffness to weight ratio, excellent durability and design flexibility are the primary reasons for their use in many diversified fields such as air crafts, automobiles, marine industry etc. Compared to the various natural and synthetic fibres used as reinforcement for elastomer composites isora fibre is superior in many aspects. `Isora' is a natural lignocellulosic fibre which is easily available in South India especially in Kerala. The fibre is separated from the bark of the Helicteres isora plant by retting process. This fibre has excellent mechanical properties and is easily amenable to physical and chemical modifications. The study shows that composites with poor interfacial bonding tend to dissipate more energy than that with to interfacial bonding. The mechanical loss also can be related to interfacial bonding. The effect of chemical treatment of isora fibre on damping was also studied. Both in the low and high temperature region which indicates that this composite posseses low damping and hence good interfacial bonding characteristics. Hence these composites are better candidates for high damping applications. Composites with longitudinally oriented fibres showed high storage modulus than transversely oriented ones due to the effective stress transfer between fibre and matrix.

Use of an open photoacoustic cell for the thermal characterisation of liquid crystals

In this paper, we describe the use of an open cell photoacoustic configuration for the evaluation of the thermal effusivity of liquid crystals. The feasibility, precision and reliability of the method are initially established by measuring the thermal effusivities of water and glycerol, for which the effusivity values are known accurately. In order to demonstrate the use of the present method in the thermal characterization of liquid crystals, we have measured the thermal effusivity values in various mesophases of 4-cyano-4 - octyloxybiphenyl (8OCB) and 4-cyano-4 -heptyloxybiphenyl (7OCB) liquid crystals using a variable temperature open photoacoustic cell. A comparison of the measured values for the two liquid crystals shows that the thermal effusivities of 7OCB in the nematic and isotropic phases are slightly less than those of 8OCB in the corresponding phases

Use of an open photoacoustic cell for the thermal characterisation of liquid crystals

In this paper, we describe the use of an open cell photoacoustic configuration for the evaluation of the thermal effusivity of liquid crystals. The feasibility, precision and reliability of the method are initially established by measuring the thermal effusivities of water and glycerol, for which the effusivity values are known accurately. In order to demonstrate the use of the present method in the thermal characterization of liquid crystals, we have measured the thermal effusivity values in various mesophases of 4-cyano-4 - octyloxybiphenyl (8OCB) and 4-cyano-4 -heptyloxybiphenyl (7OCB) liquid crystals using a variable temperature open photoacoustic cell. A comparison of the measured values for the two liquid crystals shows that the thermal effusivities of 7OCB in the nematic and isotropic phases are slightly less than those of 8OCB in the corresponding phases

Use of an open photoacoustic cell for the thermal characterisation of liquid crystals

In this paper, we describe the use of an open cell photoacoustic configuration for the evaluation of the thermal effusivity of liquid crystals. The feasibility, precision and reliability of the method are initially established by measuring the thermal effusivities of water and glycerol, for which the effusivity values are known accurately. In order to demonstrate the use of the present method in the thermal characterization of liquid crystals, we have measured the thermal effusivity values in various mesophases of 4-cyano-4 - octyloxybiphenyl (8OCB) and 4-cyano-4 -heptyloxybiphenyl (7OCB) liquid crystals using a variable temperature open photoacoustic cell. A comparison of the measured values for the two liquid crystals shows that the thermal effusivities of 7OCB in the nematic and isotropic phases are slightly less than those of 8OCB in the corresponding phases