Techniques for strength measurement at high pressures and strain-rates using transverse waves

The study of the strength of a material is relevant to a variety of applications including automobile collisions, armor penetration and inertial confinement fusion. Although dynamic behavior of materials at high pressures and strain-rates has been studied extensively using plate impact experiments, the results provide measurements in one direction only. Material behavior that is dependent on strength is unaccounted for. The research in this study proposes two novel configurations to mitigate this problem.

The first configuration introduced is the oblique wedge experiment, which is comprised of a driver material, an angled target of interest and a backing material used to measure in-situ velocities. Upon impact, a shock wave is generated in the driver material. As the shock encounters the angled target, it is reflected back into the driver and transmitted into the target. Due to the angle of obliquity of the incident wave, a transverse wave is generated that allows the target to be subjected to shear while being compressed by the initial longitudinal shock such that the material does not slip. Using numerical simulations, this study shows that a variety of oblique wedge configurations can be used to study the shear response of materials and this can be extended to strength measurement as well. Experiments were performed on an oblique wedge setup with a copper impactor, polymethylmethacrylate driver, aluminum 6061-t6 target, and a lithium fluoride window. Particle velocities were measured using laser interferometry and results agree well with the simulations.

The second novel configuration is the y-cut quartz sandwich design, which uses the anisotropic properties of y-cut quartz to generate a shear wave that is transmitted into a thin sample. By using an anvil material to back the thin sample, particle velocities measured at the rear surface of the backing plate can be implemented to calculate the shear stress in the material and subsequently the strength. Numerical simulations were conducted to show that this configuration has the ability to measure the strength for a variety of materials.

Adsorption of Pb(II) and Cu(II) on α-quartz from aqueous solutions: influence of pH, ionic strength, and complexing ligands

Adsorption of aqueous Pb(II) and Cu(II) on α-quartz was studied as a function of time, system surface area, and chemical speciation. Experimental systems contained sodium as a major cation, hydroxide, carbonate, and chloride as major anions, and covered the pH range 4 to 8. In some cases citrate and EDTA were added as representative organic complexing agents. The adsorption equilibria were reached quickly, regardless of the system surface area. The positions of the adsorption equilibria were found to be strongly dependent on pH, ionic strength and concentration of citrate and EDTA. The addition of these non-adsorbing ligands resulted in a competition between chelation and adsorption. The experimental work also included the examination of the adsorption behavior of the doubly charged major cations Ca(II) and Mg(II) as a function of pH.

The theoretical description of the experimental systems was obtained by means of chemical equilibrium-plus-adsorption computations using two adsorption models: one mainly electrostatic (the James-Healy Model), and the other mainly chemical (the Ion Exchange-Surface Complex Formation Model). Comparisons were made between these two models.

The main difficulty in the theoretical predictions of the adsorption behavior of Cu(II) was the lack of the reliable data for the second hydrolysis constant(*β_2) The choice of the constant was made on the basis of potentiometric titratlons of Cu^(2+)

The experimental data obtained and the resulting theoretical observations were applied in models of the chemical behavior of trace metals in fresh oxic waters, with emphasis on Pb(II) and Cu(II).

Magnetic alignment of high-aspect ratio microwires into vertical arrays

Fundamental studies of magnetic alignment of highly anisotropic mesostructures can enable the clean-room-free fabrication of flexible, array-based solar and electronic devices, in which preferential orientation of nano- or microwire-type objects is desired. In this study, ensembles of 100 micron long Si microwires with ferromagnetic Ni and Co coatings are oriented vertically in the presence of magnetic fields. The degree of vertical alignment and threshold field strength depend on geometric factors, such as microwire length and ferromagnetic coating thickness, as well as interfacial interactions, which are modulated by varying solvent and substrate surface chemistry. Microwire ensembles with vertical alignment over 97% within 10 degrees of normal, as measured by X-ray diffraction, are achieved over square cm scale areas and set into flexible polymer films. A force balance model has been developed as a predictive tool for magnetic alignment, incorporating magnetic torque and empirically derived surface adhesion parameters. As supported by these calculations, microwires are shown to detach from the surface and align vertically in the presence of magnetic fields on the order of 100 gauss. Microwires aligned in this manner are set into a polydimethylsiloxane film where they retain their vertical alignment after the field has been removed and can subsequently be used as a flexible solar absorber layer. Finally, these microwires arrays can be protected for use in electrochemical cells by the conformal deposition of a graphene layer.

A. An investigation of the relation between the tensile strength and (Brinell) hardness of non-ferrous alloys. B. A design of a fatigue testing machine for a college laboratory

[no abstract]

Adesão dos cimentos Epiphany SE e iRoot SP: Resistência à tração e mapeamento dentinário por microscopia digital

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da microestrutura dentinária na adesão de cimentos endodônticos modernos através: do desenvolvimento de uma metodologia para caracterizar microestruturalmente a dentina; da avaliação da resistência de união (através de ensaios de tração) dos cimentos endodônticos Epiphany SE, iRoot SP e AH Plus; da correlação dos dados obtidos da caracterização da microestrutura dentinária e dos ensaios de tração. Trinta terceiros molares inclusos, recém extraídos, foram embutidos em resina epóxi e seccionados 0,5mm abaixo da junção esmalte-dentina. Doze amostras foram eliminadas durante à preparação metalográfica devido à exposição da câmara pulpar. De cada dente, uma área de análise (AA) com 3,25 mm de diâmetro foi mapeada utilizando técnicas de microscopia ótica digital para: captura de ~400 imagens formando um mosaico; análise digital de imagens, obtendo os resultados de quantidade de túbulos (QT) e de fração de área de túbulos (FAT) do mosaico; conversão da imagem do mosaico em um mapa colorido em que as cores estão diretamente relacionadas à densidade de área tubular. As dezoito amostras restantes foram divididas em 3 grupos (N=6), de acordo com o cimento utilizado, para confecção dos corpos de prova para os ensaios de tração. Os valores de da resistência de união (RU) obtidos foram analisados estatisticamente com teste não-pareado t com correção de Welch e pelo teste F para comparar variâncias Os dados de FAT e de QT foram submetidos ao teste de D'Agostino & Pearson revelando-se não normais (P>0,05), o que indica grande variabilidade da amostragem. O cimento Epiphany SE apresentou uma resistência de união significativamente menor que o cimento AH Plus (P <0,05). Os corpos de prova do iRoot SP falharam prematuramente e não foram analisados. A aplicação do teste r de Spearman não demonstrou correlação significativa entre FAT e RU (P>0,05). O MEV de pressão variável foi utilizado para avaliar qualitativamente a superfície de fratura após os ensaios de tração. A análise revelou um padrão de fratura mista para o AH Plus e o Epiphany SE, além de diferenças no tamanho e na forma das partículas desses cimentos, o que pode influenciar no comportamento mecânico. Dentro da amostragem realizada, não se encontrou correlação significativa entre microestrutura dentinária e a resistência de união.

Strength of tantalum at high pressures through Richtmyer-Meshkov laser compression experiments and simulations

Strength at extreme pressures (>1 Mbar or 100 GPa) and high strain rates (106-108 s-1) of materials is not well characterized. The goal of the research outlined in this thesis is to study the strength of tantalum (Ta) at these conditions. The Omega Laser in the Laboratory for Laser Energetics in Rochester, New York is used to create such extreme conditions. Targets are designed with ripples or waves on the surface, and these samples are subjected to high pressures using Omega’s high energy laser beams. In these experiments, the observational parameter is the Richtmyer-Meshkov (RM) instability in the form of ripple growth on single-mode ripples. The experimental platform used for these experiments is the “ride-along” laser compression recovery experiments, which provide a way to recover the specimens having been subjected to high pressures. Six different experiments are performed on the Omega laser using single-mode tantalum targets at different laser energies. The energy indicates the amount of laser energy that impinges the target. For each target, values for growth factor are obtained by comparing the profile of ripples before and after the experiment. With increasing energy, the growth factor increased.

Engineering simulations are used to interpret and correlate the measurements of growth factor to a measure of strength. In order to validate the engineering constitutive model for tantalum, a series of simulations are performed using the code Eureka, based on the Optimal Transportation Meshfree (OTM) method. Two different configurations are studied in the simulations: RM instabilities in single and multimode ripples. Six different simulations are performed for the single ripple configuration of the RM instability experiment, with drives corresponding to laser energies used in the experiments. Each successive simulation is performed at higher drive energy, and it is observed that with increasing energy, the growth factor increases. Overall, there is favorable agreement between the data from the simulations and the experiments. The peak growth factors from the simulations and the experiments are within 10% agreement. For the multimode simulations, the goal is to assist in the design of the laser driven experiments using the Omega laser. A series of three-mode and four-mode patterns are simulated at various energies and the resulting growth of the RM instability is computed. Based on the results of the simulations, a configuration is selected for the multimode experiments. These simulations also serve as validation for the constitutive model and the material parameters for tantalum that are used in the simulations.

By designing samples with initial perturbations in the form of single-mode and multimode ripples and subjecting these samples to high pressures, the Richtmyer-Meshkov instability is investigated in both laser compression experiments and simulations. By correlating the growth of these ripples to measures of strength, a better understanding of the strength of tantalum at high pressures is achieved.

Influência da associação de catalisadores químicos na cimentação de pinos pré-fabricados de fibra de vidro

O objetivo deste estudo foi avaliar a Influência da associação de catalisadores químicos junto a diferentes sistemas adesivos autocondicionantes e cimentos resinosos de dupla polimerização, na cimentação de pinos pré-fabricados de fibra de vidro, quanto a sua resistência ao cisalhamento por extrusão - push out, seu grau de conversão e nanoinfiltração. Foram utilizadas trinta raízes bovinas extraídas, que tiveram seus canais obturados com guta-percha termoplastificada, divididas em três grupos: G1 - Adper SE Plus /Rely X ARC; G2- Adper SE Plus / Catalisador Scotchbond + Rely X ARC ; G3- Clearfil SE Bond / ED Primer + Panavia F. Após a cimentação dos pinos foram obtidas fatias das raízes, com 1mm de espessura, dos terços cervical (C), médio (M) e apical (A). O ensaio de resistência ao cisalhamento por extrusão foi realizado em máquina de ensaio universal EMIC D500 com carga de 100KN à velocidade de 1,0 mm/min, até o deslocamento do pino. Os dados obtidos no ensaio foram tabulados e submetidos à análise estatística. A análise de variância a dois critérios mostrou que apenas os fatores grupo e profundidade foram significativos, não sendo significativa a sua interação. O resultado do teste de Tukey (ρ≥0,05), para o fator grupo, mostrou que a menor média de resistência ao cisalhamento por extrusão foi obtida pelo grupo 3, que apresentou diferença estatística significativa para os grupos 1 e 2 que não diferiram entre si. Para o fator Profundidade a maior média foi obtida no terço cervical que apresentou diferença estatística significativa para os terços médio e apical que não diferiram entre si: A análise do grau de conversão foi feita após vinte e quatro horas e os fatores estudados foram os cimentos resinosos Panavia F e Rely X ARC e os catalisadores químicos ED Primer e Catalisador Scotchbond, na forma incorporada ou aplicada superficialmente aos cimentos, formando 10 grupos experimentais. Para o grau de conversão, o teste de Tukey mostrou que o catalisador químico não aumentou o grau de conversão do RelyX ARC, já para o Panavia F, este aumentou significativamente seu grau de conversão. Quanto a análise em MEV da nanoinfiltração para o fator grupo, o resultado do teste de Tukey (ρ≥0,05) mostrou que a maior média foi obtida pelo grupo 3 que apresentou diferença estatística significativa para os grupos 1 e 2, que não diferiram entre si. Para o fator Profundidade a maior média foi obtida no terço apical que apresentou diferença estatística significativa para o terço cervical, que não diferiu do terço médio. Conclusões: 1- A associação de catalisadores químicos não aumentou a resistência ao cisalhamento por extrusão dos pinos de fibra de vidro. 2- O cimento Panavia F é dependente de catalisador aumentar o grau de conversão. 3- A associação de catalisadores químicos não foi capaz de alterar o padrão da camada híbrida, representado pela nanoinfiltração. 4- A nanoinfiltração está associada inversamente ao grau de conversão dos sistemas de cimentação, o que contribui negativamente para a resistência adesiva de pinos de fibra de vidro.

Strength, Deformation and Fracture in Metallic Nanostructures

An understanding of the mechanics of nanoscale metals and semiconductors is necessary for the safe and prolonged operation of nanostructured devices from transistors to nanowire- based solar cells to miniaturized electrodes. This is a fascinating but challenging pursuit because mechanical properties that are size-invariant in conventional materials, such as strength, ductility and fracture behavior, can depend critically on sample size when materials are reduced to sub- micron dimensions. In this thesis, the effect of nanoscale sample size, microstructure and structural geometry on mechanical strength, deformation and fracture are explored for several classes of solid materials. Nanocrystalline platinum nano-cylinders with diameters of 60 nm to 1 μm and 12 nm sized grains are fabricated and tested in compression. We find that nano-sized metals containing few grains weaken as sample diameter is reduced relative to grain size due to a change from deformation governed by internal grains to surface grain governed deformation. Fracture at the nanoscale is explored by performing in-situ SEM tension tests on nanocrystalline platinum and amorphous, metallic glass nano-cylinders containing purposely introduced structural flaws. It is found that failure location, mechanism and strength are determined by the stress concentration with the highest local stress whether this is at the structural flaw or a microstructural feature. Principles of nano-mechanics are used to design and test mechanically robust hierarchical nanostructures with structural and electrochemical applications. 2-photon lithography and electroplating are used to fabricate 3D solid Cu octet meso-lattices with micron- scale features that exhibit strength higher than that of bulk Cu. An in-situ SEM lithiation stage is developed and used to simultaneously examine morphological and electrochemical changes in Si-coated Cu meso-lattices that are of interest as high energy capacity electrodes for Li-ion batteries.

Collective behavior of asperities as a model for friction and adhesion

Understanding friction and adhesion in static and sliding contact of surfaces is important in numerous physical phenomena and technological applications. Most surfaces are rough at the microscale, and thus the real area of contact is only a fraction of the nominal area. The macroscopic frictional and adhesive response is determined by the collective behavior of the population of evolving and interacting microscopic contacts. This collective behavior can be very different from the behavior of individual contacts. It is thus important to understand how the macroscopic response emerges from the microscopic one. In this thesis, we develop a theoretical and computational framework to study the collective behavior. Our philosophy is to assume a simple behavior of a single asperity and study the collective response of an ensemble. Our work bridges the existing well-developed studies of single asperities with phenomenological laws that describe macroscopic rate-and-state behavior of frictional interfaces. We find that many aspects of the macroscopic behavior are robust with respect to the microscopic response. This explains why qualitatively similar frictional features are seen for a diverse range of materials. We first show that the collective response of an ensemble of one-dimensional independent viscoelastic elements interacting through a mean field reproduces many qualitative features of static and sliding friction evolution. The resulting macroscopic behavior is different from the microscopic one: for example, even if each contact is velocity-strengthening, the macroscopic behavior can be velocity-weakening. The framework is then extended to incorporate three-dimensional rough surfaces, long- range elastic interactions between contacts, and time-dependent material behaviors such as viscoelasticity and viscoplasticity. Interestingly, the mean field behavior dominates and the elastic interactions, though important from a quantitative perspective, do not change the qualitative macroscopic response. Finally, we examine the effect of adhesion on the frictional response as well as develop a force threshold model for adhesion and mode I interfacial cracks.

Distribuição de tensões em próteses parciais fixas posteriores livres de metal com retentores intracoronários: análise em elementos finitos

Para reabilitar a ausência de um elemento dentário posterior, as próteses parciais fixas (PPF) com retentores intracoronários são uma alternativa aos implantes osseointegrados. O objetivo deste estudo foi avaliar a distribuição de tensões nessas próteses com três combinações de materiais: cerâmica de zircônia parcialmente estabilizada por ítria (ZPEI) revestida por cerâmica de fluorapatita (α), cerâmica de dissilicato de lítio (β) ou compósito fibrorreforçado (γ). Na composição α, foram analisadas a presença ou ausência da cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais e três variações na área total da seção transversal dos conectores (4 mm de largura x 3,2, 4,2 ou 5,2 mm de altura). Em 8 modelos bidimensionais de elementos finitos, uma carga vertical de 500 N foi aplicada na fossa central do pôntico e as tensões principais máximas (tração) e mínimas (compressão) foram apontadas em MPa. Inicialmente foram avaliados os 6 modelos com PPF de ZPEI e suas variações. Os maiores valores das tensões de tração foram encontrados no terço cervical dos conectores. Quando presente nestas regiões, a cerâmica de revestimento recebeu tensões acima do limite de sua resistência à flexão. Na comparação entre os modelos sem cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais, mesmo aquele com conectores de 3,2 x 4 mm, cuja infraestrutura apresentava 2,5 x 3 mm, poderia ser recomendado para uso clínico. Altos valores de tensões de compressão foram registrados entre o terço oclusal e médio dos conectores, correspondente à união entre as cerâmicas, o que poderia ocasionar, devido à flexão, falhas adesivas. Posteriormente, o modelo de ZPEI com a cerâmica de fluorapatita ausente da parede cervical das caixas proximais e área total dos conectores de 4,2 x 4 mm foi comparado aos dois outros materiais com conectores de mesma área. Na PPF de dissilicato de lítio, os valores representaram uma provável violação do limite de sua resistência à flexão. A PPF de compósito fibrorreforçado apresentou tensões bem abaixo do limite de resistência à flexão de sua infraestrutura, mas, como no modelo de ZPEI, tensões compressivas se concentraram com alto valor entre o terço oclusal e médio dos conectores, local de união entre a resina composta e a infraestrutura de fibras. Os resultados mostraram que a cerâmica de dissilicato de lítio e a presença da cerâmica de fluorapatita na parede cervical das caixas proximais deveriam ser contraindicadas para a condição proposta. Parece viável uma área de conectores na infraestrutura de ZPEI com no mínimo 2,5 x 3 mm. A PPF de compósito fibrorreforçado apresenta resistência estrutural para a situação estudada, mas, como também aquelas compostas de ZPEI, aparenta ter como pontos fracos a adesão entre a infraestrutura e o material de cobertura e a própria resistência deste último.