Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Conception mécaniste-empirique des chaussées non revêtues

Dans le contexte où les routes non revêtues sont susceptibles de subir des charges importantes, une méthode rigoureuse pour la conception de ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement mécanique des sols support est souhaitable. La conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement permet l’optimisation des structures de chaussées non revêtues ainsi que la réduction des coûts de construction et d’entretien. Le but de ce projet est donc la mise au point d’une méthode de conception mécaniste-empirique adaptée aux chaussées non revêtues. Il a été question tout d’abord de mettre au point un code de calcul pour la détermination des contraintes et des déformations dans la chaussée. Ensuite, des lois d’endommagement empiriques pour les chaussées non revêtues ont été développées. Enfin, les méthodes de calcul ont permis la création d’abaques de conception. Le développement du code de calcul a consisté en une modélisation de la chaussée par un système élastique multi-couches. La modélisation a été faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de Boussinesq pour le calcul des déformations sous la charge. L’élaboration des fonctions de transfert empiriques adaptées aux chaussées non revêtues a également été effectuée. Le développement des fonctions de transfert s’est fait en deux étapes. Tout d’abord, l’établissement de valeurs seuil d’orniérage considérant des niveaux jugés raisonnables de conditions fonctionnelle et structurale de la chaussée. Ensuite, le développement de critères de déformation admissible en associant les déformations théoriques calculées à l’aide du code de calcul à l’endommagement observé sur plusieurs routes en service. Les essais ont eu lieu sur des chaussées typiques reconstituées en laboratoire et soumises à un chargement répété par simulateur de charge. Les chaussées ont été instrumentées pour mesurer la déformation au sommet du sol d’infrastructure et les taux d’endommagements ont été mesurés au cours des essais.

Threat analysis of IoT networks using artificial neural network intrusion detection system

The Internet of things (IoT) is still in its infancy and has attracted much interest in many industrial sectors including medical fields, logistics tracking, smart cities and automobiles. However, as a paradigm, it is susceptible to a range of significant intrusion threats. This paper presents a threat analysis of the IoT and uses an Artificial Neural Network (ANN) to combat these threats. A multi-level perceptron, a type of supervised ANN, is trained using internet packet traces, then is assessed on its ability to thwart Distributed Denial of Service (DDoS/DoS) attacks. This paper focuses on the classification of normal and threat patterns on an IoT Network. The ANN procedure is validated against a simulated IoT network. The experimental results demonstrate 99.4% accuracy and can successfully detect various DDoS/DoS attacks.

SPACE-DEPLOYED, THIN-WALLED ENCLOSURE FOR A CRYOGENICALLY-COOLED HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING COIL

The interaction of magnetic fields generated by large superconducting coils has multiple applications in space, including actuation of spacecraft or spacecraft components, wireless power transfer, and shielding of spacecraft from radiation and high energy particles. These applications require coils with major diameters as large as 20 meters and a thermal management system to maintain the superconducting material of the coil below its critical temperature. Since a rigid thermal management system, such as a heat pipe, is unsuitable for compact stowage inside a 5 meter payload fairing, a thin-walled thermal enclosure is proposed. A 1.85 meter diameter test article consisting of a bladder layer for containing chilled nitrogen vapor, a restraint layer, and multilayer insulation was tested in a custom toroidal vacuum chamber. The material properties found during laboratory testing are used to predict the performance of the test article in low Earth orbit. Deployment motion of the same test article was measured using a motion capture system and the results are used to predict the deployment in space. A 20 meter major diameter and coil current of 6.7 MA is selected as a point design case. This design point represents a single coil in a high energy particle shielding system. Sizing of the thermal and structural components of the enclosure is completed. The thermal and deployment performance is predicted.

Advanced Adhesion Strength Testing Methods of Thin Film Multilayers in Electronic Packaging Systems

With the continued miniaturization and increasing performance of electronic devices, new technical challenges have arisen. One such issue is delamination occurring at critical interfaces inside the device. This major reliability issue can occur during the manufacturing process or during normal use of the device. Proper evaluation of the adhesion strength of critical interfaces early in the product development cycle can help reduce reliability issues and time-to-market of the product. However, conventional adhesion strength testing is inherently limited in the face of package miniaturization, which brings about further technical challenges to quantify design integrity and reliability. Although there are many different interfaces in today's advanced electronic packages, they can be generalized into two main categories: 1) rigid to rigid connections with a thin flexible polymeric layer in between, or 2) a thin film membrane on a rigid structure. Knowing that every technique has its own advantages and disadvantages, multiple testing methods must be enhanced and developed to be able to accommodate all the interfaces encountered for emerging electronic packaging technologies. For evaluating the adhesion strength of high adhesion strength interfaces in thin multilayer structures a novel adhesion test configuration called “single cantilever adhesion test (SCAT)” is proposed and implemented for an epoxy molding compound (EMC) and photo solder resist (PSR) interface. The test method is then shown to be capable of comparing and selecting the stronger of two potential EMC/PSR material sets. Additionally, a theoretical approach for establishing the applicable testing domain for a four-point bending test method was presented. For evaluating polymeric films on rigid substrates, major testing challenges are encountered for reducing testing scatter and for factoring in the potentially degrading effect of environmental conditioning on the material properties of the film. An advanced blister test with predefined area test method was developed that considers an elasto-plastic analytical solution and implemented for a conformal coating used to prevent tin whisker growth. The advanced blister testing with predefined area test method was then extended by employing a numerical method for evaluating the adhesion strength when the polymer’s film properties are unknown.

Size effects on self-assembly and melting of silver-alkanethiolate on inert surfaces

Self-assembled materials produced in the reaction between alkanethiol and Ag are characterized and compared. It is revealed that the size of the Ag substrate has a significant role in the self-assembly process and determines the reaction products. Alkanethiol adsorbs on the surface of Ag continuous planar thin films and only forms self-assembled monolayers (SAMs), while the reaction between alkanethiol and Ag clusters on inert surfaces is more aggressive and generates a significantly larger amount of alkanethiolate. Two dissimilar products are yielded depending on the size of the clusters. Small Ag clusters are more likely to be converted into multilayer silver-alkanethiolate (AgSR, R = CnH2n+1) crystals, while larger Ag clusters form monolayer-protected clusters (MPCs). The AgSR crystals are initially small and can ripen into large lamellae during thermal annealing. The crystals have facets and flat terraces with extended area, and have a strong preferred orientation in parallel with the substrate surface. The MPCs move laterally upon annealing and reorganize into a single-layer network with their separation distance approximately equal to the length of an extended alkyl chain. AgSR lamellar crystals grown on inert surfaces provide an excellent platform to study the melting characteristics of crystalline lamellae of polymeric materials with the thickness in the nanometer scale. This system is also unique in that each crystal has integer number of layers – magic-number size (thickness). The size of the crystals is controlled by adjusting the amount of Ag and the annealing temperature. X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) are combined to accurately determine the size (number of layers) of the lamellar crystals. The melting characteristics are measured with nanocalorimetry and show discrete melting transitions which are attributed to the magic-number sizes of the lamellar crystals. The discrete melting temperatures are intrinsic properties of the crystals with particular sizes. Smaller lamellar crystals with less number of layers melt at lower temperatures. The melting point depression is inversely proportional to the total thickness of the lamellae – the product of the number of layers and the layer thickness.

Numerical encoding to tame SQL injection attacks.

Recent years have seen an astronomical rise in SQL Injection Attacks (SQLIAs) used to compromise the confidentiality, authentication and integrity of organisations’ databases. Intruders becoming smarter in obfuscating web requests to evade detection combined with increasing volumes of web traffic from the Internet of Things (IoT), cloud-hosted and on-premise business applications have made it evident that the existing approaches of mostly static signature lack the ability to cope with novel signatures. A SQLIA detection and prevention solution can be achieved through exploring an alternative bio-inspired supervised learning approach that uses input of labelled dataset of numerical attributes in classifying true positives and negatives. We present in this paper a Numerical Encoding to Tame SQLIA (NETSQLIA) that implements a proof of concept for scalable numerical encoding of features to a dataset attributes with labelled class obtained from deep web traffic analysis. In the numerical attributes encoding: the model leverages proxy in the interception and decryption of web traffic. The intercepted web requests are then assembled for front-end SQL parsing and pattern matching by applying traditional Non-Deterministic Finite Automaton (NFA). This paper is intended for a technique of numerical attributes extraction of any size primed as an input dataset to an Artificial Neural Network (ANN) and statistical Machine Learning (ML) algorithms implemented using Two-Class Averaged Perceptron (TCAP) and Two-Class Logistic Regression (TCLR) respectively. This methodology then forms the subject of the empirical evaluation of the suitability of this model in the accurate classification of both legitimate web requests and SQLIA payloads.

A deformation model of flexible, high area-to-mass ratio debris under perturbations and validation method

A new type of space debris was recently discovered by Schildknecht in near -geosynchronous orbit (GEO). These objects were later identified as exhibiting properties associated with High Area-to-Mass ratio (HAMR) objects. According to their brightness magnitudes (light curve), high rotation rates and composition properties (albedo, amount of specular and diffuse reflection, colour, etc), it is thought that these objects are multilayer insulation (MLI). Observations have shown that this debris type is very sensitive to environmental disturbances, particularly solar radiation pressure, due to the fact that their shapes are easily deformed leading to changes in the Area-to-Mass ratio (AMR) over time. This thesis proposes a simple effective flexible model of the thin, deformable membrane with two different methods. Firstly, this debris is modelled with Finite Element Analysis (FEA) by using Bernoulli-Euler theory called “Bernoulli model”. The Bernoulli model is constructed with beam elements consisting 2 nodes and each node has six degrees of freedom (DoF). The mass of membrane is distributed in beam elements. Secondly, the debris based on multibody dynamics theory call “Multibody model” is modelled as a series of lump masses, connected through flexible joints, representing the flexibility of the membrane itself. The mass of the membrane, albeit low, is taken into account with lump masses in the joints. The dynamic equations for the masses, including the constraints defined by the connecting rigid rod, are derived using fundamental Newtonian mechanics. The physical properties of both flexible models required by the models (membrane density, reflectivity, composition, etc.), are assumed to be those of multilayer insulation. Both flexible membrane models are then propagated together with classical orbital and attitude equations of motion near GEO region to predict the orbital evolution under the perturbations of solar radiation pressure, Earth’s gravity field, luni-solar gravitational fields and self-shadowing effect. These results are then compared to two rigid body models (cannonball and flat rigid plate). In this investigation, when comparing with a rigid model, the evolutions of orbital elements of the flexible models indicate the difference of inclination and secular eccentricity evolutions, rapid irregular attitude motion and unstable cross-section area due to a deformation over time. Then, the Monte Carlo simulations by varying initial attitude dynamics and deformed angle are investigated and compared with rigid models over 100 days. As the results of the simulations, the different initial conditions provide unique orbital motions, which is significantly different in term of orbital motions of both rigid models. Furthermore, this thesis presents a methodology to determine the material dynamic properties of thin membranes and validates the deformation of the multibody model with real MLI materials. Experiments are performed in a high vacuum chamber (10-4 mbar) replicating space environment. A thin membrane is hinged at one end but free at the other. The free motion experiment, the first experiment, is a free vibration test to determine the damping coefficient and natural frequency of the thin membrane. In this test, the membrane is allowed to fall freely in the chamber with the motion tracked and captured through high velocity video frames. A Kalman filter technique is implemented in the tracking algorithm to reduce noise and increase the tracking accuracy of the oscillating motion. The forced motion experiment, the last test, is performed to determine the deformation characteristics of the object. A high power spotlight (500-2000W) is used to illuminate the MLI and the displacements are measured by means of a high resolution laser sensor. Finite Element Analysis (FEA) and multibody dynamics of the experimental setups are used for the validation of the flexible model by comparing with the experimental results of displacements and natural frequencies.

High Precision Plasma Etch for Pattern Transfer: Towards Fluorocarbon Based Atomic Layer Etching

A basic requirement of a plasma etching process is fidelity of the patterned organic materials. In photolithography, a He plasma pretreatment (PPT) based on high ultraviolet and vacuum ultraviolet (UV/VUV) exposure was shown to be successful for roughness reduction of 193nm photoresist (PR). Typical multilayer masks consist of many other organic masking materials in addition to 193nm PR. These materials vary significantly in UV/VUV sensitivity and show, therefore, a different response to the He PPT. A delamination of the nanometer-thin, ion-induced dense amorphous carbon (DAC) layer was observed. Extensive He PPT exposure produces volatile species through UV/VUV induced scissioning. These species are trapped underneath the DAC layer in a subsequent plasma etch (PE), causing a loss of adhesion. Next to stabilizing organic materials, the major goals of this work included to establish and evaluate a cyclic fluorocarbon (FC) based approach for atomic layer etching (ALE) of SiO2 and Si; to characterize the mechanisms involved; and to evaluate the impact of processing parameters. Periodic, short precursor injections allow precise deposition of thin FC films. These films limit the amount of available chemical etchant during subsequent low energy, plasma-based Ar+ ion bombardment, resulting in strongly time-dependent etch rates. In situ ellipsometry showcased the self-limited etching. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms FC film deposition and mixing with the substrate. The cyclic ALE approach is also able to precisely etch Si substrates. A reduced time-dependent etching is seen for Si, likely based on a lower physical sputtering energy threshold. A fluorinated, oxidized surface layer is present during ALE of Si and greatly influences the etch behavior. A reaction of the precursor with the fluorinated substrate upon precursor injection was observed and characterized. The cyclic ALE approach is transferred to a manufacturing scale reactor at IBM Research. Ensuring the transferability to industrial device patterning is crucial for the application of ALE. In addition to device patterning, the cyclic ALE process is employed for oxide removal from Si and SiGe surfaces with the goal of minimal substrate damage and surface residues. The ALE process developed for SiO2 and Si etching did not remove native oxide at the level required. Optimizing the process enabled strong O removal from the surface. Subsequent 90% H2/Ar plasma allow for removal of C and F residues.

Detecção do mal-posicionamento rotacional de dedos em dispositivos de captura de impressões digitais multivista sem toque utilizando redes neurais artificiais

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016.

Predictive models of buildings energy consumption

Dissertação de Mestrado, Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Fonctionnalité in vivo d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de cellules endothéliales cornéennes dans la chambre antérieure d’un modèle félin

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées.

Planar solid oxide fuel cell modeling and optimization targeting the stack's temperature gradient minimization

Minimization of undesirable temperature gradients in all dimensions of a planar solid oxide fuel cell (SOFC) is central to the thermal management and commercialization of this electrochemical reactor. This article explores the effective operating variables on the temperature gradient in a multilayer SOFC stack and presents a trade-off optimization. Three promising approaches are numerically tested via a model-based sensitivity analysis. The numerically efficient thermo-chemical model that had already been developed by the authors for the cell scale investigations (Tang et al. Chem. Eng. J. 2016, 290, 252-262) is integrated and extended in this work to allow further thermal studies at commercial scales. Initially, the most common approach for the minimization of stack's thermal inhomogeneity, i.e., usage of the excess air, is critically assessed. Subsequently, the adjustment of inlet gas temperatures is introduced as a complementary methodology to reduce the efficiency loss due to application of excess air. As another practical approach, regulation of the oxygen fraction in the cathode coolant stream is examined from both technical and economic viewpoints. Finally, a multiobjective optimization calculation is conducted to find an operating condition in which stack's efficiency and temperature gradient are maximum and minimum, respectively.

Fonctionnalité in vivo d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de cellules endothéliales cornéennes dans la chambre antérieure d’un modèle félin

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées.

A eficácia terapêutica da fisioterapia no linfedema pós cirurgia de cancro da mama

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciada em Fisioterapia