Bonding Of Alumina And Metal Using Bulk Metallic Glass Forming Alloy

Metal-alumina joints have found various practical applications in electronic devices and high technology industry. However, making of sound metal ceramic brazed couple is still a challenge in terms of its direct application in the industry. In this work we successfully braze copper with Al2O3 ceramic using Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 bulk metallic glass forming alloy as filler alloy. The shear strength of the joints can reach 140 MPa, and the microstructrural analysis confirms a reliable chemical boning of the interface. The results show that the bulk metallic glass forming alloys with high concentration of active elements are prospective for using as filler alloy in metal-ceramic bonding.

Release of Sulfur and Chlorine During Cofiring Rdf and Coal In An Internally Circulating Fluidized Bed

An internally circulating fluidized bed (ICFB) was applied to investigate the behavior of chlorine and sulfur during cofiring RDF and coal. The pollutant emissions in the flue gas were measured by Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry (Gasmet DX-3000). In the tests, the concentrations of the species CO, CO2, HCl, and SO2 were measured online. Results indicated when cofiring RDF and char, due to the higher content of chlorine in RDF, the formation of HCl significantly increases. The concentration Of SO2 is relatively low because alkaline metal in the fuel ash can absorb SO2. The concentration of CO emission during firing pure RDF is relatively higher and fluctuates sharply. With the CaO addition, the sulfur absorption by calcium quickly increases, and the desulfuration ratio is bigger than the dechlorination ratio. The chemical equilibrium method is applied to predict the behavior of chlorine. Results show that gaseous HCl emission increases with increasing RDF fraction, and gaseous KCl and NaCl formation might occur.

Effects of anode temperature on working characteristics and performance of a low power arcjet thruster

An arc-heated thruster of 130–800 W input power is tested in a vacuum chamber at pressures lower than 20 Pa with argon or H2–N2 gas mixture as propellant. The time-dependent arc voltage-current curve, outside-surface temperature of the anode nozzle and the produced thrust of the firing arcjet thruster are measured in situ simultaneously, in order to analyze and evaluate the dependence of thruster working characteristics and output properties, such as specific impulse and thrust efficiency, on nozzle temperature.

Neural representation of auditory temporal structure

Neurons in the songbird forebrain nucleus HVc are highly sensitive to auditory temporal context and have some of the most complex auditory tuning properties yet discovered. HVc is crucial for learning, perceiving, and producing song, thus it is important to understand the neural circuitry and mechanisms that give rise to these remarkable auditory response properties. This thesis investigates these issues experimentally and computationally.

Extracellular studies reported here compare the auditory context sensitivity of neurons in HV c with neurons in the afferent areas of field L. These demonstrate that there is a substantial increase in the auditory temporal context sensitivity from the areas of field L to HVc. Whole-cell recordings of HVc neurons from acute brain slices are described which show that excitatory synaptic transmission between HVc neurons involve the release of glutamate and the activation of both AMPA/kainate and NMDA-type glutamate receptors. Additionally, widespread inhibitory interactions exist between HVc neurons that are mediated by postsynaptic GABA_A receptors. Intracellular recordings of HVc auditory neurons in vivo provides evidence that HV c neurons encode information about temporal structure using a variety of cellular and synaptic mechanisms including syllable-specific inhibition, excitatory post-synaptic potentials with a range of different time courses, and burst-firing, and song-specific hyperpolarization.

The final part of this thesis presents two computational approaches for representing and learning temporal structure. The first method utilizes comput ational elements that are analogous to temporal combination sensitive neurons in HVc. A network of these elements can learn using local information and lateral inhibition. The second method presents a more general framework which allows a network to discover mixtures of temporal features in a continuous stream of input.

Analysis of temporal structure in spike trains of visual cortical area MT

The temporal structure of neuronal spike trains in the visual cortex can provide detailed information about the stimulus and about the neuronal implementation of visual processing. Spike trains recorded from the macaque motion area MT in previous studies (Newsome et al., 1989a; Britten et al., 1992; Zohary et al., 1994) are analyzed here in the context of the dynamic random dot stimulus which was used to evoke them. If the stimulus is incoherent, the spike trains can be highly modulated and precisely locked in time to the stimulus. In contrast, the coherent motion stimulus creates little or no temporal modulation and allows us to study patterns in the spike train that may be intrinsic to the cortical circuitry in area MT. Long gaps in the spike train evoked by the preferred direction motion stimulus are found, and they appear to be symmetrical to bursts in the response to the anti-preferred direction of motion. A novel cross-correlation technique is used to establish that the gaps are correlated between pairs of neurons. Temporal modulation is also found in psychophysical experiments using a modified stimulus. A model is made that can account for the temporal modulation in terms of the computational theory of biological image motion processing. A frequency domain analysis of the stimulus reveals that it contains a repeated power spectrum that may account for psychophysical and electrophysiological observations.

Some neurons tend to fire bursts of action potentials while others avoid burst firing. Using numerical and analytical models of spike trains as Poisson processes with the addition of refractory periods and bursting, we are able to account for peaks in the power spectrum near 40 Hz without assuming the existence of an underlying oscillatory signal. A preliminary examination of the local field potential reveals that stimulus-locked oscillation appears briefly at the beginning of the trial.

Developing and characterizing bulk metallic glasses for extreme applications

Metallic glasses have typically been treated as a “one size fits all” type of material. Every alloy is considered to have high strength, high hardness, large elastic limits, corrosion resistance, etc. However, similar to traditional crystalline materials, properties are strongly dependent upon the constituent elements, how it was processed, and the conditions under which it will be used. An important distinction which can be made is between metallic glasses and their composites. Charpy impact toughness measurements are performed to determine the effect processing and microstructure have on bulk metallic glass matrix composites (BMGMCs). Samples are suction cast, machined from commercial plates, and semi-solidly forged (SSF). The SSF specimens have been found to have the highest impact toughness due to the coarsening of the dendrites, which occurs during the semi-solid processing stages. Ductile to brittle transition (DTBT) temperatures are measured for a BMGMC. While at room temperature the BMGMC is highly toughened compared to a fully glassy alloy, it undergoes a DTBT by 250 K. At this point, its impact toughness mirrors that of the constituent glassy matrix. In the following chapter, BMGMCs are shown to have the capability of being capacitively welded to form single, monolithic structures. Shear measurements are performed across welded samples, and, at sufficient weld energies, are found to retain the strength of the parent alloy. Cross-sections are inspected via SEM and no visible crystallization of the matrix occurs.

Next, metallic glasses and BMGMCs are formed into sheets and eggbox structures are tested in hypervelocity impacts. Metallic glasses are ideal candidates for protection against micrometeorite orbital debris due to their high hardness and relatively low density. A flat single layer, flat BMG is compared to a BMGMC eggbox and the latter creates a more diffuse projectile cloud after penetration. A three tiered eggbox structure is also tested by firing a 3.17 mm aluminum sphere at 2.7 km/s at it. The projectile penetrates the first two layers, but is successfully contained by the third.

A large series of metallic glass alloys are created and their wear loss is measured in a pin on disk test. Wear is found to vary dramatically among different metallic glasses, with some considerably outperforming the current state-of-the-art crystalline material (most notably Cu₄₃Zr₄₃Al₇Be₇). Others, on the other hand, suffered extensive wear loss. Commercially available Vitreloy 1 lost nearly three times as much mass in wear as alloy prepared in a laboratory setting. No conclusive correlations can be found between any set of mechanical properties (hardness, density, elastic, bulk, or shear modulus, Poisson’s ratio, frictional force, and run in time) and wear loss. Heat treatments are performed on Vitreloy 1 and Cu₄₃Zr₄₃Al₇Be₇. Anneals near the glass transition temperature are found to increase hardness slightly, but decrease wear loss significantly. Crystallization of both alloys leads to dramatic increases in wear resistance. Finally, wear tests under vacuum are performed on the two alloys above. Vitreloy 1 experiences a dramatic decrease in wear loss, while Cu₄₃Zr₄₃Al₇Be₇ has a moderate increase. Meanwhile, gears are fabricated through three techniques: electrical discharge machining of 1 cm by 3 mm cylinders, semisolid forging, and copper mold suction casting. Initial testing finds the pin on disk test to be an accurate predictor of wear performance in gears.

The final chapter explores an exciting technique in the field of additive manufacturing. Laser engineered net shaping (LENS) is a method whereby small amounts of metallic powders are melted by a laser such that shapes and designs can be built layer by layer into a final part. The technique is extended to mixing different powders during melting, so that compositional gradients can be created across a manufactured part. Two compositional gradients are fabricated and characterized. Ti 6Al¬ 4V to pure vanadium was chosen for its combination of high strength and light weight on one end, and high melting point on the other. It was inspected by cross-sectional x-ray diffraction, and only the anticipated phases were present. 304L stainless steel to Invar 36 was created in both pillar and as a radial gradient. It combines strength and weldability along with a zero coefficient of thermal expansion material. Only the austenite phase is found to be present via x-ray diffraction. Coefficient of thermal expansion is measured for four compositions, and it is found to be tunable depending on composition.

Biophysical and network mechanisms of high frequency extracellular potentials in the rat hippocampus

A fundamental question in neuroscience is how distributed networks of neurons communicate and coordinate dynamically and specifically. Several models propose that oscillating local networks can transiently couple to each other through phase-locked firing. Coherent local field potentials (LFP) between synaptically connected regions is often presented as evidence for such coupling. The physiological correlates of LFP signals depend on many anatomical and physiological factors, however, and how the underlying neural processes collectively generate features of different spatiotemporal scales is poorly understood. High frequency oscillations in the hippocampus, including gamma rhythms (30-100 Hz) that are organized by the theta oscillations (5-10 Hz) during active exploration and REM sleep, as well as sharp wave-ripples (SWRs, 140-200 Hz) during immobility or slow wave sleep, have each been associated with various aspects of learning and memory. Deciphering their physiology and functional consequences is crucial to understanding the operation of the hippocampal network.

We investigated the origins and coordination of high frequency LFPs in the hippocampo-entorhinal network using both biophysical models and analyses of large-scale recordings in behaving and sleeping rats. We found that the synchronization of pyramidal cell spikes substantially shapes, or even dominates, the electrical signature of SWRs in area CA1 of the hippocampus. The precise mechanisms coordinating this synchrony are still unresolved, but they appear to also affect CA1 activity during theta oscillations. The input to CA1, which often arrives in the form of gamma-frequency waves of activity from area CA3 and layer 3 of entorhinal cortex (EC3), did not strongly influence the timing of CA1 pyramidal cells. Rather, our data are more consistent with local network interactions governing pyramidal cells' spike timing during the integration of their inputs. Furthermore, the relative timing of input from EC3 and CA3 during the theta cycle matched that found in previous work to engage mechanisms for synapse modification and active dendritic processes. Our work demonstrates how local networks interact with upstream inputs to generate a coordinated hippocampal output during behavior and sleep, in the form of theta-gamma coupling and SWRs.

La cerámica de la Segunda Edad del Hierro en el País Vasco: Estudio tecnológico, funcional y social

670 p. Capítulos de introducción, metodología, discusión y conclusiones en castellano e inglés.

Efeito do selamento dentinário imediato na resistência de união de restaurações cerâmicas

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do selamento dentinário imediato na cimentação definitiva de restaurações cerâmicas (Empress2Ivoclar Vivadent), levando em consideração a influência de diferentes métodos de remoção dos restos de cimento provisório da superfície dentinária previamente selada. Para isso foram utilizados 72 molares, hígidos, conseguidos no banco de dentes da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Os dentes foram divididos em nove grupos, os três primeiros serviram como grupo controle, onde não houve contaminação com nenhum cimento provisório, sendo eles: G1, onde o selamento e a cimentação definitiva foram feitas 15 dias após a confecção dos preparos cavitários; G2, onde o selamento dentinário foi feito imediatamente após o preparo e a cimentação definitiva após 15 dias; G3, onde o preparo, selamento e cimentação definitiva foram feitos no mesmo momento. Os próximos grupos foram os do selamento tardio, onde o sistema adesivo foi aplicado somente no momento da cimentação. Nestes grupos, após o preparo foram cimentadas restaurações provisórias com um cimento livre de eugenol (Temp BondNE) e após 15 dias as restaurações provisórias foram removidas e os restos de cimento limpos com diferentes métodos: G4: remoção com instrumento manual; G5: remoção com jato de bicarbonato; G6: remoção com pontas de ultra-som; após esta limpeza o sistema adesivo foi aplicado e as restaurações cerâmicas cimentadas. Por último foram os grupos do selamento dentinário imediato, onde o sistema adesivo foi aplicado imediatamente após a confecção dos preparos cavitários e em seguida foi feita a cimentação das restaurações provisórias. Após 15 dias as restaurações provisórias foram removidas, os restos de cimento foram limpos com os diferentes métodos: G7: remoção com instrumento manual; G8: remoção com jato de bicarbonato; G9: remoção com pontas de ultra-som. Após a limpeza as restaurações cerâmicas foram cimentadas. Para todos os grupos o sistema adesivo utilizado foi o Optibond FL Kerr e o cimento resinoso foi o Rely X ARC3M/ESPE. Vinte e quatro horas após as cimentações cerâmicas os corpos de prova foram submetidos ao ensaio mecânico de push out em uma máquina de ensaios universais EMIC DL. Os valores de resistência de união foram obtidos em KgF, convertidos em MPa e analisados estatisticamente. O teste de ANOVA mostrou que houve diferença estatisticamente significante entre os grupos (p≤0,05) e em seguida o t-teste mostrou que a técnica do selamento imediato resultou nos melhores valores de resistência de união. Por último, o teste de comparações múltiplas Student-Newman-Keuls (Teste SNK) mostrou que o método de limpeza dos restos de cimento provisório da superfície dentinária apresenta influência na resistência de união das restaurações cerâmicas. Com base nos resultados pôde-se concluir que a técnica do selamento imediato promoveu maior resistência adesiva para as restaurações cerâmicas e quanto ao método de limpeza, o melhor resultado, independente da técnica adesiva utilizada, foi a remoção com as pontas de ultrasson.

Modifying Bulk Metallic Glasses: Composites and Configurational States

Bulk metallic glasses (BMGs) maybe be considered to share some of the same inherent trade-offs as engineering ceramics. While BMGs typically exhibit high yield strengths, and while some have surprising fracture toughness, they exhibiting little to no tensile ductility, and fail in a brittle manner under uniaxial loading. Speaking broadly, there are two complimentary approaches to improving on these shortcomings: 1) create bulk metallic glass matrix composites (BMGMCs) and 2) improve the properties of a monolithic BMG. The structure of this thesis mirrors this division, with chapters 2-7 focusing on creating and processing amorphous metal matrix composites, and chapter 8 focusing on modifying the properties of a monolithic BGM by altering its configurational state through irradiation.

Resistência à flexão e microestrutura de vidro-cerâmicas feldspáticas processadas por injeção em moldes à alta temperatura

Enquanto os métodos tradicionais de processamento de restaurações cerâmicas tornaram-se notórios por sua complexidade, as técnicas mais modernas vêm privilegiando a simplicidade de execução e a automação. Dentre estas, destaca-se a injeção em moldes, que recentemente, foi associada a métodos CAD-CAM. Estudos anteriores demonstraram a viabilidade de utilização de um vidro feldspático de baixa expansão térmica, Alpha (Vita Zahnfabrik), para injeção, porém, faltam informações quanto às propriedades mecânicas e a microestrutura deste material quando submetido à injeção. Os objetivos deste estudo são: produzir pastilhas vidrocerâmicas para injeção a quente a partir de Alpha e da mistura deste vidro com partículas de alumina e zircônia; avaliar a resistência à flexão dos materiais processados, e compará-la a um material compatível existente no mercado (PM9 - Vita Zahnfabrik); estudar a estrutura microscópica dos materiais e correlacioná-la com suas propriedades mecânicas; identificar por meio de difração de raios X a formação de fases cristalinas durante as diferentes etapas de processamento. A injeção aumentou a resistência do vidro Alpha devido à redução na quantidade e tamanho dos defeitos internos, principalmente porosidades. Apesar de ter sido observada nucleação de cristais nos dois materiais, durante o processamento, não foi possível determinar de que forma este fenômeno afetou as propriedades mecânicas dos materiais. Não foi detectada alteração no padrão de distribuição das fases cristalinas observadas em microscópio eletrônico de varredura antes e depois da injeção. Não foi verificada diferença estatística significante entre a resistência à flexão de Alpha injetado e PM9. A adição de partículas de alumina e zirconia ao vidro Alpha provocou redução da resistência, devido à formação de aglomerados durante a confecção das pastilhas e a incapacidade da injeção em dispersá-los. Tais aglomerados funcionaram como concentradores de tensões, enfraquecendo o material.

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.

A influência do corte com diferentes discos e velocidades na integridade dos espécimes e na resistência adesiva de uma cerâmica a um cimento resinoso dual em ensaio de microtração

Esta pesquisa estudou a influência de diferentes velocidades de corte e marcas de discos diamantados nos valores de resistência adesiva, durante a preparação dos espécimes a serem submetidos à microtração, e na integridade das amostras por meio do microscópio eletrônico de varredura (MEV). Vinte blocos da cerâmica à base de dissilicato de lítio (IPS e.max Press) foram unidos com cimento resinoso (Rely X ARC) a blocos de compósito (Z100), construídos incrementalmente. Foram seguidas as recomendações dos fabricantes no tratamento da superfície da cerâmica e aplicação do cimento resinoso. Após 24 horas em água destilada a 37C, os espécimes foram divididos em dois grupos de discos: marcas Buehler e Extec e subdivididos nas velocidades de 200rpm e 400rpm (B2; E2; B4 e E4, respectivamente). Cada espécime foi cortado em dois eixos perpendiculares para obtenção de palitos com área adesiva de 1,0mm. Para cada condição experimental, os palitos foram separados, aleatoriamente, 15 palitos para análise ao MEV e 30 palitos para serem submetidos à força de tração. As médias de resistência adesiva em MPa foram E4=20,312 ; B4= 24,2 11,3 ; B2= 25,2 9,0 e E2= 28,6 10,4. Na análise estatística, observou-se que os valores de resistência adesiva na velocidade de 200rpm foram significativamente maiores comparados a velocidade de 400rpm, independente do disco empregado. Ao MEV, observou-se melhor integridade dos palitos na velocidade de 200rpm com presença de trincas menos extensas nas bordas externas. Constatou-se também que o disco Extec na velocidade de 400rpm apresentou movimentos excêntricos ao corte e obteve-se maior número de perdas prematuras, uma diminuição significante na média da área total de união (p<0,05), além de diferença significativa nos valores de resistência comparada a velocidade de 200rpm. Concluiu-se que a utilização de diferentes velocidades e sua interação com o disco empregado interfere na integridade dos espécimes e nos valores de resistência adesiva, sendo mais acentuada ao se utilizar o disco da marca Extec.

Influência do acabamento e polimento na resistência à flexão de uma cerâmica odontológica

Avaliou-se a influência de dois sistemas de acabamento e polimento na resistência à flexão de uma cerâmica feldspática EX-3 (Noritake). Para isto, confeccionou-se blocos cerâmicos com medidas em conformidade com a ISO 6872/1995. Em seguida obteve-se o glaze natural. A padronização da rugosidade superficial foi conferida com auxílio de um rugosímetro, e os blocos foram então divididos em cinco grupos. O Grupo I (controle) foi testado com glaze. Para os testes realizados nos demais grupos, os blocos receberam um tratamento de asperização por meio de uma ponta diamantada 4137 (KG Sorensen). Em seguida foram polidos com diferentes protocolos. No grupo II, o sistema de polimento dura white (Shofu). No grupo III, o sistema de polimento dura white (shofu) associado a uma pasta diamantada aplicada com disco de feltro. No grupo IV o sistema de polimento Exa Cerapol (Edenta) e no grupo V, este mesmo sistema mais pasta diamantada aplicada com disco de feltro. Após os procedimentos de acabamento e polimento, foi avaliada a rugosidade conseguida (Ra), para se avaliar a eficácia dos métodos testados. A análise estatística por ANOVA (p ≤ 0,05) mostrou não haver diferença estatisticamente significante entre os grupos (G2=3,820,58; G3=3,550,61; G4=4,050,40; G5=3,950.47) . Feito isto, os corpos-de-prova foram submetidos a um ensaio mecânico de resistência à flexão em três pontos, e também neste caso, os resultados depois de tratados estatisticamente não demonstraram diferenças estatísticas entre os grupos glazeados e os grupos que receberam tratamento (G1=132,126,9 MPa; G2=123,317,4 MPa; G3=114,519,3 MPa; G4=104,211,9 MPa e G5=104,719,1 MPa) . Após a realização destas avaliações, tornou-se possível concluir que o uso dos sistemas de acabamento e polimento testados neste trabalho permite obter superfícies com rugosidade similar a obtida com o glaze natural e não interferem na resistência à flexão da cerâmica utilizada.