Stress and Strain Distributions During Compressive Deformation of Titanium Alloy Affected by Microstructure

In the research of the microstructural influence on dynamic compression, an assumption that the α and the β phases in titanium alloys were linearly strengthened was proposed, and a two-dimensional model using ANSYS (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA) focusing on the role of microgeometrical structure was developed. By comparing the stress and strain distributions of different microstructures, the roles of cracks and phase boundaries in titanium compression were studied.

Microstructure and Mechanical Propertiesof a Nitride-Strengthened Reduced ActivationFerritic/Martensitic Steel

Nitride-strengthened reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steels are developed taking advantage of the high thermal stability of nitrides. In the current study, the microstructure and mechanical properties of a nitride-strengthened RAFM steel with improved composition were investigated. Fully martensitic microstructure with fine nitrides dispersion was achieved in the steel. In all, 1.4 pct Mn is sufficient to suppress delta ferrite and assure the steel of the full martensitic microstructure. Compared to Eurofer97, the steel showed similar strength at room temperature but higher strength at 873 K (600 °C). The steel exhibited very high impact toughness and a low ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) of 243 K (–30 °C), which could be further reduced by purification.

Characterisation of phase composition, microstructure and microhardness of electroless nickel composite coating co-deposited with SiC on casting aluminium LM24 alloy substrate

Electroless Ni-P (EN) and composite Ni-P-SiC (ENC) coatings were developed on cast aluminium alloy, LM24. The coating phase composition, microstructure and microhardness were investigated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and microhardness tester, respectively, on as-plated and heat-treated specimens. The original microstructure of the Ni-P matrix is not affected by the inclusion of the hard particles SiC. No formation of Ni-Si phase was observed upto 500°C of heat treatment. The microhardness is increased on incorporation of SiC in Ni-P matrix. The hardening mechanism is the formation of intermetallic phase Ni3P on annealing at elevated temperature. Overall, the composite coating (ENC) was found to be superior as compared to particles free (EN) coating in both as-deposited and heat-treated conditions.

One-dimensional porous La0.5Sr0.5CoO2.91 nanotubes as a highly efficient electrocatalyst for rechargeable lithium-oxygen batteries

The electrochemical performance of one-dimensional porous La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes as a cathode catalyst for rechargeable nonaqueous lithium-oxygen (Li-O₂) batteries is reported here for the first time. In this study, one-dimensional porous La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes were prepared by a simple and efficient electrospinning technique. These materials displayed an initial discharge capacity of 7205 mAh g^-1 with a plateau at around 2.66 V at a current density of 100 mA g^-1. It was found that the La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes promoted both oxygen reduction and oxygen evolution reactions in alkaline media and a nonaqueous electrolyte, thereby improving the energy and coulombic efficiency of the Li-O₂ batteries. The cyclability was maintained for 85 cycles without any sharp decay under a limited discharge depth of 1000 mAh g^-1, suggesting that such a bifunctional electrocatalyst is a promising candidate for the oxygen electrode in Li-O₂ batteries.

Predicting solvent effects on the structure of porous organic molecules

A computational approach for the prediction of the open, metastable, conformations of porous organic molecules in the presence of solvent is developed.

Multiple source quantum well model of porous silicon light emission

Based on photoluminescence, Fourier transform infrared spectroscopy, and atomic force microscopy results, a new light emitting model for porous silicon (multiple source quantum well model) is proposed.

Three-dimensional porous carbon nanofiber networks decorated with cobalt-based nanoparticles: A robust electrocatalyst for efficient water oxidation

Electrochemical water splitting used for generating hydrogen has attracted increasingly attention due to energy and environmental issues. It is a major challenge to design an efficient, robust and inexpensive electrocatalyst to achieve preferable catalytic performance. Herein, a novel three-dimensional (3D) electrocatalyst was prepared by decorating nanostructured biological material-derived carbon nanofibers with in situ generated cobalt-based nanospheres (denoted as CNF@Co) through a facile approach. The interconnected porous 3D networks of the resulting CNF@Co catalyst provide abundant channels and interfaces, which remarkably favor both mass transfer and oxygen evolution. The as-prepared CNF@Co shows excellent electrocatalytic activity towards the oxygen evolution reactions with an onset potential of about 0.445 V vs. Ag/AgCl. It only needs a low overpotential of 314 mV to achieve a current density of 10 mA/cm² in 1.0 M KOH. Furthermore, the CNF@Co catalyst exhibits excellent stability towards water oxidation, even outperforming commercial IrO<inf>2</inf> and RuO<inf>2</inf> catalysts.

Selective Hydrogenation of Halogenated Arenes using porous Manganese Oxide (OMS-2) and Platinum supported OMS-2 Catalysts

Porous manganese oxide (OMS-2) and platinum supported on OMS-2 catalysts have been shown to facilitate the hydrogenation of the nitro group on chloronitrobenzene to give chloroaniline with no dehalogenation. Complete conversion was obtained within 2 h at 25 [degree]C and, although the rate of reaction increased with increasing temperature up to 100 [degree]C, the selectivity to chloroaniline remained at 99.0%. Use of Pd/OMS-2 or Pt/Al2O3 resulted in significant dechlorination even at 25 [degree]C and 2 bar hydrogen pressure giving selectivity to chloroaniline of 34.5% and 77.8%, respectively, at complete conversion. This demonstrates the potential of using platinum group metal free catalysts for the selective hydrogenation of halogenated aromatics. Two pathways were observed for the analogous nitrobenzene hydrogenation depending on the catalyst used. The hydrogenation of nitrobenzene was found to follow a direct pathway to aniline and nitrosobenzene over Pd/OMS-2 in contrast to the OMS and Pt/OMS-2 catalysts which resulted in formation of nitrosobenzene, azoxybenzene and azobenzene/hydrazobenzene intermediates before complete conversion to aniline. These results indicate that for the Pt/OMS-2 the hydrogenation proceeds predominantly over the support with the metal acting to dissociate the hydrogen. In the case of the Pd/OMS-2 both the hydrogenation and the hydrogen adsorption occur on the metal sites.

Porous organic cages for sulfur hexafluoride separation

A series of porous organic cages is examined for the selective adsorption of sulphur hexafluoride (SF6) over nitrogen. Despite lacking any metal sites, a porous cage, CC3, shows the highest SF6/N2 selectivity reported for any material at ambient temperature and pressure, which translates to real separations in a gas breakthrough column. The SF6 uptake of these materials is considerably higher than would be expected from the static pore structures. The location of SF6 within these materials is elucidated by x-ray crystallography, and it is shown that cooperative diffusion and structural rearrangements in these molecular crystals can rationalize their superior SF6/N2 selectivity.

Effects of Poly (ε-caprolactone) Coating on the Properties of Three-Dimensional Printed Porous Structures

Powder-based inkjet three-dimensional printing (3DP) to fabricate pre-designed 3D structures has drawn increasing attention. However there are intrinsic limitations associated with 3DP technology due to the weak bonding within the printed structure, which significantly compromises its mechanical integrity. In this study, calcium sulphate ceramic structures demonstrating a porous architecture were manufactured using 3DP technology and subsequently post-processed with a poly (ε-caprolactone) (PCL) coating. PCL concentration, immersion time, and number of coating layers were the principal parameters investigated and improvement in compressive properties was the measure of success. Interparticle spacing within the 3DP structures were successfully filled with PCL material. Consequently the compressive properties, wettability, morphology, and in vitro resorption behaviour of 3DP components were significantly augmented. The average compressive strength, Young’s modulus, and toughness increased 217%, 250%, and 315%, following PCL coating. Addition of a PCL surface coating provided long-term structural support to the host ceramic material, extending the resorption period from less than 7 days to a minimum of 56 days. This study has demonstrated that application of a PCL coating onto a ceramic 3DP structure was a highly effective approach to addressing some of the limitations of 3DP manufacturing and allows this advanced technology to be potentially used in a wider range of applications.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Materiais à base de óxidos com estrutura do tipo perovskite e compósitos como ânodos de PCES

This work was focused on the analysis of transport, thermomechanical and electrochemical properties of a series of perovskite-like oxide materials and composites for potential applications as anodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) with lanthanum gallate and silicate solid electrolytes. The primary attention was centered on A(Mn,Nb)O3-δ (A = Sr, Ca) and (La,Sr)(Mn,Ti)O3-based systems, lanthanum chromite substituted with acceptor-type and variable-valence cations, and various Ni-containing cermets. Emphasis was given to phase stability of the materials, their crystal structure, microstructure of porous electrode layers and dense ceramics, electronic conductivity, Seebeck coefficient, oxygen permeability, thermal and chemical induced expansion, and anodic overpotentials of the electrodes deposited onto (La,Sr)(Ga,Mg)O3- and La10(Si,Al)6O27- based electrolyte membranes. In selected cases, roles of oxygen diffusivity, states of the transition metal cations relevant for the electronic transport, catalytically active additives and doped ceria protective interlayers introduced in the model electrochemical cells were assessed. The correlations between transport properties of the electrode materials and electrochemical behavior of porous electrodes showed that the principal factors governing anode performance include, in particular, electronic conduction of the anode compositions and cation interdiffusion between the electrodes and solid electrolytes. The latter is critically important for the silicatebased electrolyte membranes, leading to substantially worse anode properties compared to the electrochemical cells with lanthanum gallate solid electrolyte. The results made it possible to select several anode compositions exhibiting lower area-specific electrode resistivity compared to known analogues, such as (La,Sr)(Cr,Mn)O3-δ.

Microstructure, mechanical properties and chemical degradation of brazed AISI 316 stainless steel/alumina systems

The main aims of the present study are simultaneously to relate the brazing parameters with: (i) the correspondent interfacial microstructure, (ii) the resultant mechanical properties and (iii) the electrochemical degradation behaviour of AISI 316 stainless steel/alumina brazed joints. Filler metals on such as Ag–26.5Cu–3Ti and Ag–34.5Cu–1.5Ti were used to produce the joints. Three different brazing temperatures (850, 900 and 950 °C), keeping a constant holding time of 20 min, were tested. The objective was to understand the influence of the brazing temperature on the final microstructure and properties of the joints. The mechanical properties of the metal/ceramic (M/C) joints were assessed from bond strength tests carried out using a shear solicitation loading scheme. The fracture surfaces were studied both morphologically and structurally using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis (XRD). The degradation behaviour of the M/C joints was assessed by means of electrochemical techniques. It was found that using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C, produces the best results in terms of bond strength, 234 ± 18 MPa. The mechanical properties obtained could be explained on the basis of the different compounds identified on the fracture surfaces by XRD. On the other hand, the use of the Ag–34.5Cu–1.5Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C produces the best results in terms of corrosion rates (lower corrosion current density), 0.76 ± 0.21 μA cm−2. Nevertheless, the joints produced at 850 °C using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy present the best compromise between mechanical properties and degradation behaviour, 234 ± 18 MPa and 1.26 ± 0.58 μA cm−2, respectively. The role of Ti diffusion is fundamental in terms of the final value achieved for the M/C bond strength. On the contrary, the Ag and Cu distribution along the brazed interface seem to play the most relevant role in the metal/ceramic joints electrochemical performance.