On the magnetic, mechanical and rheological properties of rubber–nickel nanocomposites

Rubber–nickel nanocomposites were synthesized by incorporating freshly prepared nanometric nickel particles in two different matrices namely natural rubber and neoprene rubber according to specific recipes for various loadings of nano nickel and the cure characteristics of these composites were evaluated. The maximum torque values register an increase with the increase in loading of nickel in both composites and this is attributed to the non-interacting nature of nickel nanoparticles with rubber matrices. The cure time of natural rubber composites decreases with increase in the content of nickel, and in neoprene rubber cure, time increases with increase in filler content. In natural rubber, the curing reaction seems to be activated by the presence of nickel particles. The magnetization studies of the composites reveal that the magnetic properties of nickel are retained in the composite samples. The elastic modulus of natural rubber and neoprene rubber are largely improved by the incorporation of nickel particles

A microwave absorber based on strontium ferrite–carbon black–nitrile rubber for S and X-band applications

Flexible and thin single layer microwave absorbers based on strontium ferrite–carbon black–nitrile rubber composites have been fabricated employing a specific recipe and their reflection loss characteristics were studied in the S (2–4 GHz) and X-bands (8–12 GHz). The incorporation of carbon black not only reinforces the rubber by improving the mechanical properties of the composite but also modifies the dielectric permittivity of the composite. Strontium ferrite when impregnated into a rubber matrix imparts the required magnetic permeability to the composite. The combination of strontium ferrite and carbon black can then be employed to tune the microwave absorption characteristics of the resulting composite. The complex dielectric permittivity and permeability were measured by employing a cavity perturbation technique. The microwave absorption characteristics of composites were modelled in that an electromagnetic wave incident normally on the metal terminated single layer absorber. The influence of filler volume fraction, frequency, absorber thickness on the bandwidth of absorption are discussed and correlated

Cure Characteristics and Mechanical Properties of Rubber Ferrite Composites Based on Nano-Nickel Ferrites

Ultra fine nickel ferrite have been synthesized by the sol-gel method. By heat treating different portions of the prepared powder separately at different temperatures, nano-sized particles of nickel ferrite with varying particle sizes were obtained. These powders were characterised by the X-ray diffraction and then incorporated in the nitrile rubber matrix according to a specific recipe for various loadings. The cure characteristics and the mechanical properties of these rubber ferrite composites (RFCs) were evaluated. The effect of loading and the grain size of the filler on the cure characteristics and tensile properties were also evaluated. It is found that the grain size and porosity of the filler plays a vital role in determining the mechanical properties of the RFCs

Flexible microwave absorbers based on barium hexaferrite, carbon black, and nitrile rubber for 2–12 GHz applications

Flexile single layer electromagnetic wave absorbers were designed by incorporating appropriate amounts of carbon black in a nitrile butadiene rubber matrix along with an optimized amount of magnetic counterpart, namely, barium hexaferrite for applications in S, C, and X-bands. Effective dielectric permittivity and magnetic permeability were measured using cavity perturbation method in the frequency range of 2–12 GHz. The microwave absorbing characteristics of the composites were studied in the S, C, and X-bands employing a model in which an electromagnetic wave is incident normally on a metal terminated single layer. Reflection loss exceeding 20 dB is obtained for all the samples in a wide frequency range of 2–12 GHz when an appropriate absorber thickness between 5 and 9mm is chosen. The impact of carbon black is clearly observed in the optimized composites on the mechanical strength, thickness, band width of absorption, dielectric properties,

Mechanical Properties of Steel Fiber-Reinforced Concrete

This paper presents the results from an experimental program and an analytical assessment of the influence of addition of fibers on mechanical properties of concrete. Models derived based on the regression analysis of 60 test data for various mechanical properties of steel fiber-reinforced concrete have been presented. The various strength properties studied are cube and cylinder compressive strength, split tensile strength, modulus of rupture and postcracking performance, modulus of elasticity, Poisson’s ratio, and strain corresponding to peak compressive stress. The variables considered are grade of concrete, namely, normal strength 35 MPa , moderately high strength 65 MPa , and high-strength concrete 85 MPa , and the volume fraction of the fiber Vf =0.0, 0.5, 1.0, and 1.5% . The strength of steel fiber-reinforced concrete predicted using the proposed models have been compared with the test data from the present study and with various other test data reported in the literature. The proposed model predicted the test data quite accurately. The study indicates that the fiber matrix interaction contributes significantly to enhancement of mechanical properties caused by the introduction of fibers, which is at variance with both existing models and formulations based on the law of mixtures

Mechanical Properties of Rice Husk Ash (RHA) - High strength Concrete

High strength and high performance concrete are being widely used all over the world. Most of the applications of high strength concrete have been found in high rise buildings, long span bridges etc. The potential of rice husk ash as a cement replacement material is well established .Earlier researches showed an improvement in mechanical properties of high strength concrete with finely ground RHA as a partial cement replacement material. A review of literature urges the need for optimizing the replacement level of cement with RHA for improved mechanical properties at optimum water binder ratio. This paper discusses the mechanical properties of RHA- High strength concrete at optimized conditions

Studies on scattering and thermodynamics of black holes in f(R) theory and Einstein's theory

One of the interesting consequences of Einstein's General Theory of Relativity is the black hole solutions. Until the observation made by Hawking in 1970s, it was believed that black holes are perfectly black. The General Theory of Relativity says that black holes are objects which absorb both matter and radiation crossing the event horizon. The event horizon is a surface through which even light is not able to escape. It acts as a one sided membrane that allows the passage of particles only in one direction i.e. towards the center of black holes. All the particles that are absorbed by black hole increases the mass of the black hole and thus the size of event horizon also increases. Hawking showed in 1970s that when applying quantum mechanical laws to black holes they are not perfectly black but they can emit radiation. Thus the black hole can have temperature known as Hawking temperature. In the thesis we have studied some aspects of black holes in f(R) theory of gravity and Einstein's General Theory of Relativity. The scattering of scalar field in this background space time studied in the first chapter shows that the extended black hole will scatter scalar waves and have a scattering cross section and applying tunneling mechanism we have obtained the Hawking temperature of this black hole. In the following chapter we have investigated the quasinormal properties of the extended black hole. We have studied the electromagnetic and scalar perturbations in this space-time and find that the black hole frequencies are complex and show exponential damping indicating the black hole is stable against the perturbations. In the present study we show that not only the black holes exist in modified gravities but also they have similar properties of black hole space times in General Theory of Relativity. 2 + 1 black holes or three dimensional black holes are simplified examples of more complicated four dimensional black holes. Thus these models of black holes are known as toy models of black holes in four dimensional black holes in General theory of Relativity. We have studied some properties of these types of black holes in Einstein model (General Theory of Relativity). A three dimensional black hole known as MSW is taken for our study. The thermodynamics and spectroscopy of MSW black hole are studied and obtained the area spectrum which is equispaced and different thermo dynamical properties are studied. The Dirac perturbation of this three dimensional black hole is studied and the resulting quasinormal spectrum of this three dimensional black hole is obtained. The different quasinormal frequencies are tabulated in tables and these values show an exponential damping of oscillations indicating the black hole is stable against the mass less Dirac perturbation. In General Theory of Relativity almost all solutions contain singularities. The cosmological solution and different black hole solutions of Einstein's field equation contain singularities. The regular black hole solutions are those which are solutions of Einstein's equation and have no singularity at the origin. These solutions possess event horizon but have no central singularity. Such a solution was first put forward by Bardeen. Hayward proposed a similar regular black hole solution. We have studied the thermodynamics and spectroscopy of Hay-ward regular black holes. We have also obtained the different thermodynamic properties and the area spectrum. The area spectrum is a function of the horizon radius. The entropy-heat capacity curve has a discontinuity at some value of entropy showing a phase transition.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Thermal Impacts on Building Integrated Photovoltaic (BIPV) (Electrical, Thermal and Mechanical Characteristics)

Ein Drittel des weltweiten gesamten Energiebedarfs wird durch Gebäude verbraucht. Um diesen Energiebedarf teilweise zu decken, den erheblichen Energieverbrauch zu reduzieren und weiterhin andere Gebäudefunktionen beizubehalten, ist Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eine der am besten geeigneten Lösungen für die Gebäudenanwendung. Im Bezug auf eine Vielzahl von Gestalltungsmöglichkeiten, sind die Randbedingungen der BIPV-Anwendungen eindeutig anders im Vergleich zu Standard-PV-Anwendungen, insbesondere bezüglich der Betriebstemperatur. Bisher gab es nicht viele Informationen zu den relevanten thermischen Auswirkungen auf die entsprechenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit thermischen und mechanischen relevanten Gebäudenfunktionen. Die meisten Hersteller übernehmen diese Eigenschaften von entsprechenden PV-Modulen und konventionellen Bauprodukten Normen, die zur ungenauen System- und Gebäudeplanungen führen. Deshalb ist die Untersuchung des thermischen Einflusses auf elektrische, thermische sowie mechanische Eigenschaften das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird das Temperatur-Model mit dem Power-Balance-Konzept erstellt. Unter Berücksichtigung der variablen Installationsmöglichkeiten und Konfigurationen des Moduls wird das Model auf Basis dynamischer und stationär Eigenschaften entwickelt. Im Hinblick auf die dynamische Simulation können der Energieertrag und Leistung zusammen mit der thermischen Gebäudesimulation in Echtzeit simuliert werden. Für stationäre Simulationen können die relevanten Gebäudefunktionen von BIPV-Modulen sowohl im Sommer als auch im Winter simuliert werden. Basierend auf unterschiedlichen thermischen und mechanischen Last-Szenarien wurde darüber hinaus das mechanische Model zusammen mit Variationen von Belastungsdauer, Montagesystem und Verkapselungsmaterialien entwickelt. Um die Temperatur- und Mechanik-Modelle zu validieren, wurden die verschiedenen Prüfeinrichtungen zusammen mit neuen Testmethoden entwickelt. Bei Verwendung der Prüfanlage „PV variable mounting system“ und „mechanical testing equipment“ werden zudem die verschiedenen Szenarien von Montagesystemen, Modul-Konfigurationen und mechanischen Belastungen emuliert. Mit der neuen Testmethode „back-bias current concept“ können zum einen die solare Einstrahlung und bestimmte Betriebstemperaturen eingestellt werden. Darüber hinaus wurden mit den eingangs erwähnten validierten Modellen das jeweilige elektrische, thermische und mechanische Verhalten auf andere Konfigurationen bewertet. Zum Abschluss wird die Anwendung von Software-Tools bei PV-Herstellern im Hinblick auf die entsprechenden Modellentwicklungen thematisiert.

Development of mechanical methods for cell-tray propagation and field transplanting of dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.)

Since dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.) must be propagated vegetatively due to lack of viable seeds, root splitting and stem cuttings are generally used to obtain true-to-type plant populations. These ordinary methods are laborious and costly, and are the greatest barriers for expanding the cultivation area of this crop. The objectives of this research were to develop nursery production of dwarf napiergrass in cell trays and to compare the efficiency of mechanical versus manual methods for cell-tray propagation and field transplanting. After defoliation of herbage either by a sickle (manually) or hand-mowing machine, every potential aerial tiller bud was cut to a single one for transplanting into cell trays as stem cuttings and placed in a glasshouse over winter. The following June, nursery plants were trimmed to a 25–cm length and transplanted in an experimental field (sandy soil) with 20,000 plants ha^(−1) either by shovel (manually) or Welsh onion planter. Labour time was recorded for each process. The manual defoliation of plants required 44% more labour time for preparing the stem cuttings (0.73 person-min. stemcutting^(−1)) compared to using hand-mowing machinery (0.51 person-min. stem-cutting^(−1)). In contrast, labour time for transplanting required an extra 0.30 person-min. m^(−2) (14%) using the machinery compared to manual transplanting, possibly due to the limited plot size for machinery operation. The transplanting method had no significant effect on plant establishment or plant growth, except for herbage yield 110 days after planting. Defoliation of herbage by machinery, production using a cell-tray nursery and mechanical transplanting reduced the labour intensity of dwarf napiergrass propagation.

A Theory of Quantitative Inference Applied to a Mechanical Design Compiler

This thesis presents the ideas underlying a computer program that takes as input a schematic of a mechanical or hydraulic power transmission system, plus specifications and a utility function, and returns catalog numbers from predefined catalogs for the optimal selection of components implementing the design. Unlike programs for designing single components or systems, the program provides the designer with a high level "language" in which to compose new designs. It then performs some of the detailed design process. The process of "compilation" is based on a formalization of quantitative inferences about hierarchically organized sets of artifacts and operating conditions. This allows the design compilation without the exhaustive enumeration of alternatives.

The Control of Human Arm Movement Models and Mechanical Constraints

A serial-link manipulator may form a mobile closed kinematic chain when interacting with the environment, if it is redundant with respect to the task degrees of freedom (DOFs) at the endpoint. If the mobile closed chain assumes a number of configurations, then loop consistency equations permit the manipulator and task kinematics to be calibrated simultaneously using only the joint angle readings; endpoint sensing is not required. Example tasks include a fixed endpoint (0 DOF task), the opening of a door (1 DOF task), and point contact (3 DOF task). Identifiability conditions are derived for these various tasks.