Electromechanical properties of engineered lead free potassium sodium niobate based materials

K0.5Na0.5NbO3 (KNN), is the most promising lead free material for substituting lead zirconate titanate (PZT) which is still the market leader used for sensors and actuators. To make KNN a real competitor, it is necessary to understand and to improve its properties. This goal is pursued in the present work via different approaches aiming to study KNN intrinsic properties and then to identify appropriate strategies like doping and texturing for designing better KNN materials for an intended application. Hence, polycrystalline KNN ceramics (undoped, non-stoichiometric; NST and doped), high-quality KNN single crystals and textured KNN based ceramics were successfully synthesized and characterized in this work. Polycrystalline undoped, non-stoichiometric (NST) and Mn doped KNN ceramics were prepared by conventional ceramic processing. Structure, microstructure and electrical properties were measured. It was observed that the window for mono-phasic compositions was very narrow for both NST ceramics and Mn doped ceramics. For NST ceramics the variation of A/B ratio influenced the polarization (P-E) hysteresis loop and better piezoelectric and dielectric responses could be found for small stoichiometry deviations (A/B = 0.97). Regarding Mn doping, as compared to undoped KNN which showed leaky polarization (P-E) hysteresis loops, B-site Mn doped ceramics showed a well saturated, less-leaky hysteresis loop and a significant properties improvement. Impedance spectroscopy was used to assess the role of Mn and a relation between charge transport – defects and ferroelectric response in K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Mn doped KNN ceramics could be established. At room temperature the conduction in KNN which is associated with holes transport is suppressed by Mn doping. Hence Mn addition increases the resistivity of the ceramic, which proved to be very helpful for improving the saturation of the P-E loop. At high temperatures the conduction is dominated by the motion of ionized oxygen vacancies whose concentration increases with Mn doping. Single crystals of potassium sodium niobate (KNN) were grown by a modified high temperature flux method. A boron-modified flux was used to obtain the crystals at a relatively low temperature. XRD, EDS and ICP analysis proved the chemical and crystallographic quality of the crystals. The grown KNN crystals exhibit higher dielectric permittivity (29,100) at the tetragonal-to-cubic phase transition temperature, higher remnant polarization (19.4 μC/cm2) and piezoelectric coefficient (160 pC/N) when compared with the standard KNN ceramics. KNN single crystals domain structure was characterized for the first time by piezoforce response microscopy. It could be observed that <001> - oriented potassium sodium niobate (KNN) single crystals reveal a long range ordered domain pattern of parallel 180° domains with zig-zag 90° domains. From the comparison of KNN Single crystals to ceramics, It is argued that the presence in KNN single crystal (and absence in KNN ceramics) of such a long range order specific domain pattern that is its fingerprint accounts for the improved properties of single crystals. These results have broad implications for the expanded use of KNN materials, by establishing a relation between the domain patterns and the dielectric and ferroelectric response of single crystals and ceramics and by indicating ways of achieving maximised properties in KNN materials. Polarized Raman analysis of ferroelectric potassium sodium niobate (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) single crystals was performed. For the first time, an evidence is provided that supports the assignment of KNN single crystals structure to the monoclinic symmetry at room temperature. Intensities of A′, A″ and mixed A′+A″ phonons have been theoretically calculated and compared with the experimental data in dependence of crystal rotation, which allowed the precise determination of the Raman tensor coefficients for (non-leaking) modes in monoclinic KNN. In relation to the previous literature, this study clarifies that assigning monoclinic phase is more suitable than the orthorhombic one. In addition, this study is the basis for non-destructive assessments of domain distribution by Raman spectroscopy in KNN-based lead-free ferroelectrics with complex structures. Searching a deeper understanding of the electrical behaviour of both KNN single crystal and polycrystalline materials for the sake of designing optimized KNN materials, a comparative study at the level of charge transport and point defects was carried out by impedance spectroscopy. KNN single crystals showed lower conductivity than polycrystals from room temperature up to 200 ºC, but above this temperature polycrystalline KNN displays lower conductivity. The low temperature (T < 200 ºC) behaviour reflects the different processing conditions of both ceramics and single crystals, which account for less defects prone to charge transport in the case of single crystals. As temperature increases (T > 200 ºC) single crystals become more conductive than polycrystalline samples, in which grain boundaries act as barriers to charge transport. For even higher temperatures the conductivity difference between both is increased due to the contribution of ionic conduction in single crystals. Indeed the values of activation energy calculated to the high temperature range (T > 300 ºC) were 1.60 and 0.97 eV, confirming the charge transport due to ionic conduction and ionized oxygen vacancies in single crystals and polycrystalline KNN, respectively. It is suggested that single crystals with low defects content and improved electromechanical properties could be a better choice for room temperature applications, though at high temperatures less conductive ceramics may be the choice, depending on the targeted use. Aiming at engineering the properties of KNN polycrystals towards the performance of single crystals, the preparation and properties study of (001) – oriented (K0.5Na0.5)0.98Li0.02NbO3 (KNNL) ceramics obtained by templated grain growth (TGG) using KNN single crystals as templates was undertaken. The choice of KNN single crystals templates is related with their better properties and to their unique domain structure which were envisaged as a tool for templating better properties in KNN ceramics too. X-ray diffraction analysis revealed for the templated ceramics a monoclinic structure at room temperature and a Lotgering factor (f) of 40% which confirmed texture development. These textured ceramics exhibit a long range ordered domain pattern consisting of 90º and 180º domains, similar to the one observed in the single crystals. Enhanced dielectric (13017 at TC), ferroelectric (2Pr = 42.8 μC/cm2) and piezoelectric (d33 = 280 pC/N) properties are observed for textured KNNL ceramics as compared to the randomly oriented ones. This behaviour is suggested to be due to the long range ordered domain patterns observed in the textured ceramics. The obtained results as compared with the data previously reported on texture KNN based ceramics confirm that superior properties were found due to ordered repeated domain pattern. This study provides an useful approach towards properties improvement of KNN-based piezoelectric ceramics. Overall, the present results bring a significant contribution to the pool of knowledge on the properties of sodium potassium niobate materials: a relation between the domain patterns and di-, ferro-, and piezo-electric response of single crystals and ceramics was demonstrated and ways of engineering maximised properties in KNN materials, for example by texturing were established. This contribution is envisaged to have broad implications for the expanded use of KNN over the alternative lead-based materials.

Modelação do crescimento de Sardina pilchardus (Walbaum, 1792) em duas zonas (oceanograficamente distintas) da costa portuguesa

Dissertação mest., Biologia Marinha, Universidade do Algarve, 2009

Calibração e validação do modelo espectral de previsão da agitação marítima SWAN em zonas costeiras

Dissertação mest., Oceanografia, Universidade do Algarve, 2009

Modelação morfodinâmica a longa escala temporal: aplicabilidade de um modelo baseado em processos

Disssertação de mest., Estudos Marinhos e Costeiros, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Desenvolvimento de um modelo conceptual para monitorização de planos regionais de ordenamento do território: aplicação à região do Algarve

Dissertação de mest., Engenharia do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2010

Um modelo em simulink para sintonia automática de controladores PID usando redes neuronais

The PID controllers are widely used in industry. Whether because the plant is time-varying, or because of components ageing, these controllers need to be regularly retuned. During the last years, several methods have been proposed for PID autotuning.

Dissection of the early steps in the assembly of the 20S proteasome in Saccharomyces cerevisiae

Tese de dout., Bioquímica (Biologia Celular e Molecular), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Modelo pedagógico virtual da Universidade Aberta: para uma universidade do futuro

Adoptando a definição de modelo pedagógico como uma construção que procura representar as situações educativas, assume-se a necessidade de traçar um quadro de actuação pedagógica coerente com os novos desenvolvimentos no ensino a distância, no contexto da missão estratégica da instituição e da reafirmação da sua identidade. Nesta perspectiva, este documento explicita um modelo pedagógico entendido como um quadro geral de referência das actividades educativas e, simultanea- mente, como um instrumento organizador das práticas de ensino e de aprendizagem na Universidade Aberta.

Um modelo distribuído de precipitação/escoamento superficial. Aplicação à Ribeira de Alportel em condições de cheia

Este artigo apresenta um modelo de precipitação/escoamento superficial que toma em consideração o fenómeno distribuído em toda a área da bacia. A metodologia é válida para todos os pontos da bacia, encosta ou linha de água, pelo que o modelo apresentado é uma ferramenta de análise adequada para a previsão das modificações induzidas na relação precipitação/escoamento superficial devido a modificações antrópicas ou não na bacia hidrográfica. Além disso, este modelo possibilita uma abordagem do controlo de cheias não só pela intervenção no leito como é usual, mas também pelo reordenamento da bacia, práticas de conservação do solo e alteração do seu uso. O modelo desenvolvido é aplicado à bacia hidrográfica da Ribeira de Alportel, exemplo que serve para aferir os dados por retro-análise, comparando os caudais obtidos pela simulação com os caudais medidos na estação hidrométrica de Bodega. Deste modo, é possível prever para possíveis cenários de alteração das condições da bacia hidrográfica qual a futura resposta da bacia hidrográfica a eventos pluviométricos.

Listeria monocytogenes em condições de simulação do sistema gastrointestinal e a infecção no modelo de Galleria mellonella

Dissertação de mest., Biologia Molecular e Microbiana, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Observação e análise da utilização da mini-linguagem Karel the robot num modelo de ensino para aprendizagem de programação no 10º ano do Curso Tecnológico de Informática

O grande objectivo deste estudo foi contribuir para a melhoria do ensino da programação de computadores para aluno principiantes, através de um processo de observação da relação pedagógica estabelecida em sala de aula.

Estudo de alterações na função salivar de um modelo de ratos pré-diabéticos

A Diabetes Mellitus é uma doença metabólica com uma distribuição mundial cada vez mais acentuada, acarretando consigo, elevada morbilidade e mortalidade. Deste modo, é de suma importância a compreensão e estudo em fases precoces desta doença. Nos últimos anos a saliva tem sido usada como fonte de biomarcadores para detecção e monitorização de doenças. Para além disso, há referencia a alterações na secreção salivar e percepção dos alimentos em indivíduos diabéticos, tornando-se importante um maior conhecimento da função salivar associada a esta patologia. O objectivo geral deste trabalho é estudar a função salivar num modelo de roedores intolerantes à glicose, avaliando-se a concentração proteica total da saliva, morfologia e morfometria das glândulas salivares maiores e expressão da amilase na saliva e glândulas salivares. Não se observam diferenças entre os grupos, para a concentração em proteína total, nem para a expressão de α-amilase, na saliva. Na análise histológica das glândulas salivares maiores é possível observar dimensões significativamente maiores dos ácinos das glândulas analisadas (parótida, submandibular e sublingual), em relação aos animais normoglicémicos, sugerindo o que pode ser o início de uma patologia comum em diabéticos, a sialose (hipertrofia e hiperplasia das glândulas salivares). Através de imunomarcação para a actina observa-se um aumento da expressão de células mioepiteliais na seguinte ordem: parótida, submandibular e sublingual. Não se observam diferenças entre os grupos. A imunomarcação para a α-amilase é mais intensa nos ácinos da parótida, nos ductos granulares da submandibular e nas meias luas serosas da sublingual, em ambos os grupos. Verifica-se uma sobre-expressão nos ductos intralobulares da parótida e nos ductos granulares da sumandibular, nos animais pré-diabéticos, sugerindo alguma endocitose da enzima por parte das células dos ductos. Os resultados obtidos sugerem alterações na função salivar, numa fase prévia ao desenvolvimento da Diabetes Mellitus, as quais merecem ser exploradas.

Modelo de contabilidade de gestão aplicado às piscinas municipais de Olhão

Este trabalho tem como objetivo desenhar e simular um modelo de apoio à gestão, baseado na técnica contemporânea designada de custeio baseado nas atividades (ABC), de aplicação aos complexos de piscinas. A informação e os dados necessários à concessão do desenho e à sua simulação, foram recolhidos através de entrevistas aos responsáveis de alguns dos complexos existentes no Algarve. Após a elaboração do modelo teórico, simulou-se o modelo ao caso concreto da exploração do Complexo de Piscina Municipais de Olhão, estrutura cujo funcionamento também inspirou o desenho do modelo, dado compreender um conjunto de atividades que são comuns à generalidade dos complexos desportivos e de lazer deste tipo.

Calibração de um modelo hidrológico SWAT para a bacia hidrográfica da Ribeira de Quarteira

O Algarve é uma região que apresenta algumas particularidades no que toca às necessidades hídricas e respetiva disponibilidade. O consumo de água é relativamente elevado e as necessidades hídricas são mais elevadas nos meses de Verão quando a precipitação é escassa. Deste modo é de grande importância a realização de uma boa gestão dos recursos hídricos de modo a garantir a sustentabilidade dos recursos naturais. Neste âmbito surge a aplicação de softwares de modelação hidrológica que permitem realizar prognósticos simulando as condições a que o meio está sujeito. Na presente dissertação pretende-se aplicar o modelo SWAT para modelar as condições atuais registadas na bacia hidrográfica da Ribeira de Quarteira. Pretende-se também realizar a modelação de cenários de alterações climáticas previstas para dois períodos futuros: 2020-2050 e 2069-2099. A construção do modelo foi realizada em ArcSWAT, a análise de outputs foi feita em SWAT_Check e para a calibração e validação do modelo utilizou-se o software SWAT-CUP4. Os resultados obtidos na calibração e validação são relativamente satisfatórios tendo em conta a fraca qualidade e quantidade dos dados de entrada disponíveis e considerando-se o meio geológico cársico onde se pretendeu realizar a modelação. Os cenários simulados tiveram como base dois modelos climáticos realizados no âmbito do projeto CLIMWAT (ICTP-REGCM3 e CNRM-RM5.1). Os resultados de ambos modelos apontam para um aumento de temperatura e diminuição generalizada de precipitação que têm como consequência um aumento significativo de evapotranspiração real e uma diminuição muito grande de recarga profunda e do caudal instantâneo. Um dos modelos aponta para, no período 2020-2050, um aumento de eventos extremos (secas e cheias). Estas previsões vêm reforçar a grande necessidade de uma boa gestão dos recursos hídricos.

Aplicação de um modelo de dimensionamento e simulação de redes de rega sob pressão em ArcMap

No âmbito da unidade curricular “Dissertação, Projeto ou Estágio” do mestrado em Geomática, é desenvolvido um estágio curricular com a duração de 86 dias (645 horas) na Empresa de Desenvolvimento e Infra-estruturas do Alqueva, SA (EDIA). Este estágio tem como objetivo principal fornecer a primeira experiência profissional na área dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permitindo desenvolver e consolidar as competências adquiridas ao longo do curso. Este relatório de estágio tem como finalidade dar a conhecer as atividades desenvolvidas pela aluna, e também servir como complemento ao manual da aplicação utilizada, o SIGOPRAM uma vez que o respetivo manual não reúne toda a informação necessária para que o utilizador menos experiente consiga desenvolver uma simulação na aplicação. O trabalho realizado incide na utilização de dois modelos distintos, o de dimensionamento e o de simulação, permitindo analisar o desempenho da aplicação, uma vez que esta nunca tinha sido utilizada na EDIA. Opta-se por aplicar os dois modelos para uma rede de rega pequena, tendo em consideração o tempo de duração do estágio e o facto de, no início do estágio, a aluna não estar familiarizada com a área de Hidráulica. O modelo de dimensionamento é aplicado a uma rede de rega do sub-bloco Cuba Este 1, de forma a analisar o comportamento do software DIOPRAM e a validar os seus resultados, através de uma comparação entre os resultados obtidos pela aplicação do modelo e os resultados de dimensionamento obtidos pela equipa projetista externa. Com a aplicação do modelo de dimensionamento obtêm-se resultados sobre o caudal, pressão dinâmica, velocidade, diâmetro e tipo de material aplicado em cada troço, otimizados de forma a obter a rede mais barata possível. Com a aplicação do modelo de simulação, são analisados possíveis problemas operacionais que a rede possa apresentar, ao nível da pressão e de velocidade de circulação da água nas condutas, através do software EPANET.