Modelling of mechanical properties of CRFC composites under flexure loading

Carbon Fibre Reinforced Carbon (CFRC) Composites are increasing their applications due to their high strength and Young’s Modulus at high temperatures in inert atmosphere. Although much work has been done on processing and structure and properties relationship, few studies have addressed the modelling of mechanical properties. This work is divided in two parts. In the first part, a modelling of mechanical properties was carried out for two bi-directional composites using a model based on the Bernoulli-Euler theory for symmetric laminated beams. In the second part, acoustic emission (AE) was used as an auxiliary technique for monitoring the failure process of the composites. Differences in fracture behaviour are reflected in patterns of AE.

Effect of particle morphology on the mechanical and thermo-mechanical behavior of polymer composites

Fiber reinforced polymer composites have been used in many applications, such as in automobile, aerospace and naval industries, due basically to their high strength-to-weight and modulus-to-weight, among other properties. Even though particles are usually not able to lead to the level of reinforcement of fibers, particle reinforced polymer composites have been proposed for many new applications due to their low cost, easy fabrication and isotropic properties. In this work, polymer composites were prepared by incorporating glass particles of different morphologies on poly(aryl sulfones) matrices. Particles with aspect ratios equal to 1, 2.5 and 10 were used. The prepared composites were characterized using electron microscopy and thermal analysis. Mechanical properties of the composites were evaluated using a four-point bending test. The thermo-mechanical behavior of the obtained composites was also investigated. The results showed that the morphology of the particles alter significantly the mechanical properties of composites. Particles with larger values of aspect ratio led to large elastic modulus but low levels of strain at failure. This result was explained by modeling the thermo-mechanical behavior of the composites using a viscoelastic model. Parameters of the model, obtained from a Cole-Cole type of plot, demonstrated that interactions at the polymer-reinforcing agent interface were higher for composites with large aspect ratio particles. Higher levels of interactions at interfaces can lead to higher degrees of stress transfer and, consequently, to composites with large elastic modulus, as experimentally observed.

UHPLC-epäpuhtausmenetelmän kehittäminen ja validointi inhalaatiovalmisteelle

Tämän diplomityön tarkoituksena on kehittää menetelmä, jolla voidaan seurata inhalaatiovalmisteen sisältämiä epäpuhtauksia. Menetelmä kehitetään erittäin korkean suorituskyvyn kromatografialaitteistolle (Ultra High Performance Liquid Chromatography, UHPLC) jo olemassa olevan HPLC-epäpuhtausmenetelmän pohjalta. Uusi menetelmä kehitetään analyysiajan lyhentämiseksi ja erotuksen resoluution parantamiseksi. Työn kirjallisuusosa esittelee lyhyesti inhalaatiovalmisteet sekä nestekromatografian perusteet. Korkean erotuskyvyn nestekromatografia ja analysoinnin apuna käytettävät parametrit selvitetään laskukaavoineen. Kirjallisuusosa keskittyy epäpuhtausmenetelmän kehittämisen kulkuun ja menetelmän validoinnissa suoritettaviin kokeisiin. Soveltavassa osassa Orion Oyj:n kehitteillä olevalle kahden vaikuttavan aineen inhalaatiovalmisteelle kehitetään UHPLC-epäpuhtausmenetelmä kirjallisuusosiossa esitellyn menetelmäkehitysrungon pohjalta. Menetelmäkehityksen kulku ja analyysin olosuhteiden valinta esitellään pääpiirteittäin, jonka jälkeen kehitetty menetelmä validoidaan sille tehdyn validointisuunnitelman mukaisesti. Kehitetystä UHPLC-epäpuhtausmenetelmästä saatiin 16 minuuttia lyhyempi kuin vastaava HPLC-epäpuhtausmenetelmä. Myös analyysin resoluutio parantui merkittävästi. Toistuvien injektioiden jälkeen kromatogrammissa esiintyi kuitenkin häntimistä, joka johti merkittävään resoluution heikkenemiseen. Häntimisen syyksi epäiltiin toisen vaikuttavan aineen kiinnittymistä kolonnimateriaaliin, mutta sen estämiseksi ehdotetut toimenpiteet eivät sopineet kehitettyyn menetelmään.

Suurlujuusteräksisen ruuviliitoksen fretting-väsyminen

Tässä kandidaatintyössä selvitetään suurlujuusteräksestä S960 valmistetun ruuviliitoksen alttiutta fretting-väsymiselle. Fretting on ilmiö, jossa syklinen ulkoinen kuorma aiheuttaa tiukasti puristuksissa olevien kontaktipintojen välille pientä suhteellista mikroliikettä. Fretting-väsymisessä mikroliike ja kontaktijännitykset aiheuttavat rakenteeseen särön muodostumisen. Tutkimuksessa käytettiin menetelmätriangulaatiota ja tutkimusmenetelmiksi valittiin kirjallisuusselvitys, FE-laskenta ja laboratoriokoe. Tutkimuksissa havaittiin, että matalalujuusteräksinen ruuviliitos kestää fretting-väsymistä erinomaisesti, kun taas suurlujuusteräksen kestävyys on huomattavasti heikompi. Tutkimuksessa havaittiin myös, että ruuviliitos aiheuttaa kontaktipintojen erkanemista, mikä muuttaa kontaktijännitysjakaumaa. Myös materiaalin kitkakertoimella on suuri merkitys rakenteen kontaktijännitysjakaumaan etenkin ruuvin reiän läheisyydessä.

Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

Lujien terästen laserhitsaus

Työn tavoitteena oli tarkastella lujien terästen laserhitsausta ja pohtia niiden yhteiskäytön mahdollisuuksia tulevaisuudessa. Tarkoituksena oli selvittää, miten nykyiset laserhitsauslaitteistot soveltuvat lujien terästen hitsaukseen ja mitä hyötyjä laserhitsauksella saavutetaan verrattuna perinteisimpiin hitsausmenetelmiiin.

Roll-to-roll atomic layer deposition process for flexible electronics applications

Atomic Layer Deposition (ALD) is the technology of choice where very thin and highquality films are required. Its advantage is its ability to deposit dense and pinhole-free coatings in a controllable manner. It has already shown promising results in a range of applications, e.g. diffusion barrier coatings for OLED displays, surface passivation layers for solar panels. Spatial Atomic Layer Deposition (SALD) is a concept that allows a dramatic increase in ALD throughput. During the SALD process, the substrate moves between spatially separated zones filled with the respective precursor gases and reagents in such a manner that the exposure sequence replicates the conventional ALD cycle. The present work describes the development of a high-throughput ALD process. Preliminary process studies were made using an SALD reactor designed especially for this purpose. The basic properties of the ALD process were demonstrated using the wellstudied Al2O3 trimethyl aluminium (TMA)+H2O process. It was shown that the SALD reactor is able to deposit uniform films in true ALD mode. The ALD nature of the process was proven by demonstrating self-limiting behaviour and linear film growth. The process behaviour and properties of synthesized films were in good agreement with previous ALD studies. Issues related to anomalous deposition at low temperatures were addressed as well. The quality of the coatings was demonstrated by applying 20 nm of the Al2O3 on to polymer substrate and measuring its moisture barrier properties. The results of tests confirmed the superior properties of the coatings and their suitability for flexible electronics encapsulation. Successful results led to the development of a pilot scale roll-to-roll coating system. It was demonstrated that the system is able to deposit superior quality films with a water transmission rate of 5x10-6 g/m2day at a web speed of 0.25 m/min. That is equivalent to a production rate of 180 m2/day and can be potentially increased by using wider webs. State-of-art film quality, high production rates and repeatable results make SALD the technology of choice for manufacturing ultra-high barrier coatings for flexible electronics.

Stresses of a boat trailer

In this thesis work, a strength analysis is made for a boat trailer. The studied trailer structure is manufactured from Ruukki’s structural steel S420. The main focus in this work is in the trailer’s frame. The investigation process consists two main stages. These stages are strain gage measurements and finite elements analysis. Strain gage measurements were performed to the current boat trailer in February 2015. Static durability and fatigue life of the trailer are analyzed with finite element analysis and with two different materials. These materials are the current trailer material Ruukki’s structural steel S420 and new option material high strength precision tube Form 800. The main target by using high strength steel in a trailer is weight reduction. The applied fatigue analysis methods are effective notch stress and structural hot spot stress approaches. The target of these strength analyses is to determine if it is reasonable to change the trailer material to high strength steel. The static strengths of the S420 and Form 800 trailers is sufficient. The fatigue strength of the Form 800 trailer is considerably lower than the fatigue strength of the S420 trailer. For future research, the effect of hot dip galvanization to the high strength steel has to be investigated. The effect of hot dip galvanization to the trailer is investigated by laboratory tests that are not included in this thesis.

The Role of Structural Imperfections in Sr2FeMoO6 Thin Films

In this work, Sr2FeMoO6 (SFMO) thin films were studied with the main focus on their magnetic and magneto-transport properties. The fabrication process of pulsed laser deposited SFMO films was first optimized. Then the effects of strain, film thickness and substrate were thoroughly investigated. In addition to these external factors, the effect of intrinsic defects on the magnetic properties of SFMO were also clarified. Secondly, the magnetoresistivity mechanims of SFMO films were studied and a semiempirical model of the temperature dependence of resistivity was introduced. The films were grown on single crystal substrates using a ceramic target made with sol-gel method. The structural characterization of the films were carried out with X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy and high kinetic energy photoelectron spectroscopy. The magnetic properties were measured with SQUID magnetometer and the magneto-transport properties by magnetometer with a resistivity option. SFMO films with the best combination of structural and magnetic properties were grown in Ar atmosphere at 1050 °C . Their magnetic properties could not be improved by the ex situ post-annealing treatments aside from the treatments in ultra-high vacuum conditions. The optimal film thickness was found to be around 150 nm and only small improvement in the magnetic properties with decreasing strain was observed. Instead, the magnetic properties were observed to be highly dependent on the choice of the substrate due to the lattice mismatch induced defects, which are best avoided by using the SrTiO3 substrate. The large difference in the Curie temperature and the saturation magnetization between the SFMO thin film and polycrystalline bulk samples was connected to the antisite disorder and oxygen vacancies. Thus, the Curie temperature of SFMO thin films could be improved by increasing the amount of oxygen vacancies for example with ultra-high vacuum treatments or improving the B-site ordering by further optimization of the deposition parameters. The magneto-transport properties of SFMO thin films do not follow any conventional models, but the temperature dependence of resistivity was succesfully described with a model of two spin channel system. Also, evidences that the resistivity-temperature behaviour of SFMO thin films is dominated by the structural defects, which reduce the band gap in the majority spin band were found. Moreover, the magnetic field response of the resistivity in SFMO thin films were found to be superposition of different mechanisms that seems to be related to the structural changes in the film.

Understanding the bioactivity of plant tannins: developments in analysis methods and structure-activity studies

Tannins, typically segregated into two major groups, the hydrolyzable tannins (HTs) and the proanthocyanidins (PAs), are plant polyphenolic secondary metabolites found throughout the plant kingdom. On one hand, tannins may cause harmful nutritional effects on herbivores, for example insects, and hence they work as plants’ defense against plant-eating animals. On the other hand, they may affect positively some herbivores, such as mammals, for example by their antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory or anticarcinogenic activities. This thesis focuses on understanding the bioactivity of plant tannins, their anthelmintic properties and the tools used for the qualitative and quantitative analysis of this endless source of structural diversity. The first part of the experimental work focused on the development of ultra-high performance liquid chromatography−tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) based methods for the rapid fingerprint analysis of bioactive polyphenols, especially tannins. In the second part of the experimental work the in vitro activity of isolated and purified HTs and their hydrolysis product, gallic acid, was tested against egg hatching and larval motility of two larval developmental stages, L1 and L2, of a common ruminant gastrointestinal parasite, Haemonchus contortus. The results indicated clear relationships between the HT structure and the anthelmintic activity. The activity of the studied compounds depended on many structural features, including size, functional groups present in the structure, and the structural rigidness. To further understand tannin bioactivity on a molecular level, the interaction between bovine serum albumin (BSA), and seven HTs and epigallocatechin gallate was examined. The objective was to define the effect of pH on the formation on tannin–protein complexes and to evaluate the stability of the formed complexes by gel electrophoresis and MALDI-TOF-MS. The results indicated that more basic pH values had a stabilizing effect on the tannin–protein complexes and that the tannin oxidative activity was directly linked with their tendency to form covalently stabilized complexes with BSA at increased pH.

The design of a reflectance spectrometer and its calibration using SrTiO3 /

A new Ultra-High Vacuum (UHV) reflectance spectrometer was successfully designed, making use of a Janis Industries ST-400 sample cryostat, IR Labs bolometer, and Briiker IFS 66 v/S spectrometer. Two of the noteworthy features include an in situ gold evaporator and internal reference path, both of which allow for the experiment to progress with a completely undisturbed sample position. As tested, the system was designed to operate between 4.2 K and 325 K over a frequency range of 60 - 670 cm~^. This frequency range can easily be extended through the addition of appUcable detectors. Tests were performed on SrTiOa, a highly ionic incipient ferroelectric insulator with a well known reflectance. The presence and temperatmre dependence of the lowest frequency "soft" mode were measured, as was the presence of the other two infrared modes. During the structural phase transition from cubic to tetragonal perovskite, the splitting of the second phonon mode was also observed. All of the collected data indicate good agreement with previous measurements, with a minor discrepency between the actual and recorded sample temperatures.

Évaluation in vitro de la stérilisation au peroxyde d'hydrogène sur les propriétés biologiques de prothèses utilisées lors de stabilisation du genou chez le chien

Objectif—Comparer les effets de la stérilisation au plasma de gaz de peroxyde d’hydrogène (HPGP) à l’oxyde d’éthylène (EO) et à la vapeur (ST) sur les propriétés physico-chimiques et d’adhésion bactérienne de fils de nylon et de polyéthylène. Design expérimental—Etude in vitro. Matériel—Des brins non stérilisés, stérilisés au HPGP, à l’EO et ST; de fil nylon leader (FNL), de fil de nylon pêche (FNP) et de fil de polyéthylène (PE) ont été utilisés. Méthodes—Une analyse de surface au spectroscope photo-électronique à rayons X (XPS), une mesure de l’angle de contact, une analyse par microscopie à force atomique (AFM) et l’adhésion bactérienne de Staphylococcus intermedius et d’Escherichia Coli ont été testés sur les brins. Résultats—Une oxydation de la surface de tous les échantillons stérilisés a été observée quelque soit la méthode de stérilisation. La stérilisation a augmenté significativement l’angle de contact pour tous les types de fil quelque soit la méthode. La rugosité n’a pas été affectée significativement par la méthode de stérilisation pour le FNL et FNP. L’adhésion bactérienne a été affectée significativement par la méthode de stérilisation. Le PE a un angle de contact, une rugosité et une adhésion bactérienne significativement plus élevée que le FNL et FNP, peu importe la méthode de stérilisation. Conclusion—La stérilisation au HPGP constitue une alternative intéressante à la vapeur et l’EO. Le PE n’est peut être pas un matériel idéal par sa capacité d’adhésion bactérienne. De futures études sont nécessaires pour déterminer la signification clinique de ces trouvailles.

Étude du continuum exposition-effet cancérogène du benzo[a]pyrène

Le benzo[a]pyrène (BaP) est un contaminant environnemental de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques ayant été classé cancérogène chez l’humain. Cependant, la relation entre l’exposition et les effets est toujours mal documentée. L’objectif de cette thèse était de mieux documenter la relation quantitative entre l’exposition au BaP, l’évolution temporelle des biomarqueurs d’exposition et l’apparition d’altérations biologiques précoces, à partir d’études expérimentales chez le rat. Dans un premier temps, nous avons déterminé l’effet de 4 doses de BaP (0.4, 4, 10 et 40 µmol/kg) sur plusieurs biomarqueurs d’exposition (3- et 7-OHBaP, 4,5- et 7,8-diolBaP, BaPtétrol et 1,6-, 3,6- et 7,8-diones-BaP), les adduits à l’ADN et l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du BaP, la réparation de l’ADN et le stress oxydatif. Le BaP et ses métabolites ont été mesurés dans le sang, les tissus et les excrétas, 8 h et 24 h après l’administration intraveineuse de BaP par chromatographie liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. Les adduits à l’ADN ont été quantifiés dans les poumons par immuno-essai en chémoluminescence. L’expression des gènes dans les poumons a été réalisée par PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR). Les résultats ont révélé une bonne relation dose-excrétion pour le 3-OHBaP, le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP et ils ont également renforcé l’utilité du 4,5-diolBaP comme potentiel biomarqueur du BaP en plus du 3-OHBaP. De plus, l’augmentation dose-dépendante de la formation des adduits et de l’expression de certains gènes impliqués dans le métabolisme et le stress oxydatif a suggéré l’intérêt de ces derniers comme biomarqueurs d’effet précoce. Dans un second temps, nous avons évaluer le profil cinétique des biomarqueurs en lien avec la modulation temporelle de la formation des adduits à l’ADN et de l’expression génique, en utilisant la dose de 40 µmol/kg de BaP telle qu’établie dans l’étude précédente, avec une série de mesures sur une durée de 72 h après l’injection intraveineuse de BaP. Il est apparu que le 3- et le 7-OHBaP ainsi que le 4,5- et le 7,8-diolBaP semblaient être de bons biomarqueurs d'exposition; les hydroxyBaP et diolBaP présentaient des cinétiques différentes, mais tous ces métabolites étaient corrélés de façon significative aux adduits BaPDE dans les poumons. L’expression de certains gènes et l’étude de leur profil cinétique a également permis de faire des liens avec la formation des adduits et de mieux comprendre le métabolisme du BaP. Après ces résultats, il semblait alors logique de s’intéresser à l’effet de la voie d’exposition dans un context d’exposition multiple de la population. Les données mesurées dans le sang et les excréta, après administration de 40 µmol/kg de BaP par voie intraveineuse, intratrachéale, orale, et cutanée, ont encore une fois montré l'intérêt de mesurer plusieurs métabolites pour l’évaluation de l’exposition en raison des différences en fonction de la voie d’administration du composé et des différences dans la cinétique de plusieurs biomarqueurs, notamment entre les hydroxy (3- et 7-OHBaP) et les diols-BaP (4,5- et 7,8-diolBaP). Les résultats suggèrent aussi que la mesure de ratios de concentrations de différents métabolites pourrait aider à indiquer le moment et la principale voie d’exposition. Ces données ont permis une meilleure compréhension du continuum entre l’exposition et les effets.

Étude de la cinétique de biomarqueurs d’exposition à la perméthrine dans des conditions d’exposition réelles chez les travailleurs agricoles au Québec

La perméthrine fait partie de la famille des pyréthrinoïdes qui sont abondamment utilisés en agriculture. Le but de cette étude était d'obtenir des données sur la cinétique des biomarqueurs d'exposition à la perméthrine en condition réelle d'exposition chez les travailleurs agricoles. Douze travailleurs (un applicateur, un superviseur et dix cueilleurs) exposés à la perméthrine dans le cadre de leur emploi ont été recrutés dans une ferme maraichère de la Montérégie (Québec). Ils ont fourni toutes leurs urines sur une période de trois jours suivant le début des travaux dans un champ traité. Les trois principaux métabolites de la perméthrine, l'acide cis-/trans-3-(2,2-dichlorovinyle)-2,2-diméthylecyclopropane carboxylique (cis-/trans-DCCA) et l'acide 3-phénoxybenzoïque (3-PBA) ont été analysés par chromatographie liquide à ultra-haute performance couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol. Pour l'applicateur, une augmentation progressive des valeurs d'excrétion a été observée avec un pic unique atteint environ 30 h après le début de l'exposition d'une durée de 3,5 h suivi d'une élimination avec une demi-vie de 8 h. Pour le superviseur et l'un des cueilleurs, les profils d'excrétion de trans-DCCA et de 3-PBA étaient compatibles avec de multiples entrées dans la zone traitée pendant la période d'échantillonnage accompagné d'une élimination rapide entre les épisodes d'exposition.L'applicateur aurait été exposé indirectement par contact main-bouche, alors que les autres travailleurs auraient été exposés par la voie cutanée. Pour une surveillance biologique adéquate, nous recommandons de mesurer deux biomarqueurs de la perméthrine, soit le trans-DCCA et le 3-PBA et de prendre un minimum de trois échantillons urinaires, un avant et deux pendant ou suivant la période d'exposition.

Scanning Electron Microscopy Studies on Tear and Wear Failure of Short Kevlar Fiber-Thermoplastic- Polyurethane Composite

Tear and wear properties of short kevlar fiber, thermoplastic polcurethane (TPU) composite with respect to fiber loading-and fiber onentation has been studied and the fracture surfaces were examined under scanning electron microscope (SEM). Tear strength first decreased up to 20 phr fiber loading and then gradually increased with increasing fiber loading. Anisotropy in tear strength was evident beyond a fiber loading of 20 phr. Tear fracture surface of unfilled TPU showed sinusoidal folding characteristics of high strength matrix. At low fiber loading the tear failure was mainly due to fibermatrix failure whereas at higher fiber loading the failure occurred by fiber breakage. Abrasion loss shows a continuous rise with increasing fiber loading, the loss in the transverse orientation of fibers being higher than that in the longitudinal orientation. The abraded surface showed lone cracks and ridges parallel to the direction of abrasion indicating an abrasive wear mechanism. In the presence of fber the abrasion loss was mainly due to fiber low.