Search

Taimekudedest inspireeritud osmootsete süsteemide kasutamine robotite liigutamisel pakub mitmeid huvipakkuvaid omadusi: energiaefektiivsus, funktsioneerimine vesikeskkonnas ja pöörduvus, mis saavutatakse elektrisorptsiooni abil. Käesolevas töös töötati välja süsinikpolümeerkomposiidist elektroodidega osmootse pumba disain ja valmistamise metoodika. Seejärel karakteriseeriti selle elektrilisi ja elektrohüdraulilisi omadusi, mille käigus leiti, et pumbas osmoosi lõpuni kulgemise aeg on ligikaudu 2 minutit. Seega ületab valmistatud osmootses pumbas osmoosi kiirus varasemalt väljatöötatud pehmed osmootsed süsteemid. Sellise osmootse pumba ühendamisel pehme mõjuriga on võimalik valmistada pehme osmootne täitur, mis pakuks lahendust väikesemõõtmeliste ja elusorganismidega muganevate pehmerobotite valmistamiseks.

Rakenduskõrghariduse lõputöö Puidutöötlemise tehnoloogia õppekaval Muusikainstrumenti ümbritseva keskkonna temperatuuri ning niiskuse kõikumine põhjustab kuivamiskahanemist ning niiskuspaisumist kitarri kaela konstruktsioonis. Kasutuskeskkonna põhjustatud muutused mõjutavad instrumendi kasutamismugavust. Käesolevas töös on osaliselt kasutatud Ameerika Ühendriikides registreeritud US D630,676 S ja US 9,029,670 B2 patentidele sarnased põhimõtteid. Töö eesmärk on disainida elektrikitarri kael, mis on võimalikult resistentne keskkonnatingimuste muutustele ja dimensionaalselt stabiilne. Käsitletakse disainis kasutatavate materjalide omadusi ning tutvustatakse elektrikitarri kaela konstruktsioonielemente ja võimalikke disainlahendusi. Disainlahenduse väljatöötamiseks kasutatakse CAD (computer- aided design) ja CAM (Computer- aided manufacturing) arvutitarkvara. Töö tulemuseks on komposiitmaterjalist elektrikitarri kaela disainlahendus ning prototüübi teoreetiline valmistuskirjeldus. Töö jätkuuringuna on võimalik teostada komposiitmaterjalist elektrikitarri kaela tugevuskatsed. Fluctuations in the temperature and humidity surrounding the musical instrument cause shrinkage and expansion in the guitar neck structure. Changes caused by the surrounding operating environment affect ease of use of the instrument. The design of guitar neck construction partially uses principles similar to U.S. Pat. No. 6,630,676 S and U.S. Pat. No. 9,029,670 B2. The aim of this work is to develop an electric guitar neck design that is as resistant as possible to enviromental changes and therefore dimensionally stable. The properties of the materials used in the design are discussed. Structural elements of the electric guitar neck and possible design solutions are introduced. For development of the design CAD (computer- aided design) and CAM (computer- aided manufacturing) computer software is used. The result of the work is a design solution for the composite electric guitar neck and theoretical description of making process of the prototype. As a follow-up study, it is possible to perform strength tests for the composite electric guitar neck design.

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone, Käesoleva doktoritöö eesmärk oli valmistada ja uurida arüülkiledega modifitseeritud süsinik- ja metallelektroodide ning mitteväärismetallidel põhinevate katalüsaatormaterjalide pinna- ja elektrokeemilisi omadusi. Valmistatud elektroodide pinda iseloomustati erinevate füüsikaliste ja elektrokeemiliste meetoditega (röntgenfotoelektronspektroskoopia (XPS), aatomjõumikroskoopia (AFM), tsükliline voltamperomeetria ja pöörleva ketaselektroodi meetod (RDE)). Doktoritöö esimene ja teine osa kirjeldavad süsinik- ja metallelektroodide spontaanset ja ka elektrokeemilist modifitseerimist 9,10-antrakinooni (AQ) ja 4-nitrofenüülrühmadega (NP) diasooniumisoolade redutseerumise meetodil. Elektrokeemiliseks modifitseerimiseks kasutati nii „tavalist“, redokspookimise kui ka esmakordselt redokspookimise ja RDE kombineeritud meetodit. XPS ja AFM analüüsil tehti kindlaks arüülrühmade olemasolu elektroodidel ning lisaks uuriti nende mõju hapniku redutseerumisreaktsioonile ja elektroodi pinna blokeerumist arüülkile tõttu Fe(CN)63/4 redokspaari suhtes. Tehti kindlaks, et paksemate ja suurema elektroaktiivsete arüülrühmade hulgaga kilede valmistamiseks oli kõige sobivam redokspookimise ja RDE kombineeritud meetod. Antud meetodit kasutades valmistati suurima teadaoleva elektroaktiivsete AQ rühmade pindkontsentratsiooniga modifitseeritud klaassüsinik, Au ja Cu elektroodid ning samuti kõige paksem arüülkile käesolevas doktoritöös (47 nm), mis saadi NP kilega Cu elektroodi korral. Doktoritöö viimases osas uuriti elektrokedratud polümeeridel põhinevaid süsiniknanotorudega komposiitmaterjale ja ränioksükarbiidil põhinevaid materjale eesmärgiga kasutada neid mitteväärismetallkatalüsaatoritena hapniku redutseerumisreaktsioonil. Kõige aktiivsem katalüsaatormaterjal saadi ränioksükarbiidil põhinevate materjalide puhul, mis sisaldas siirdemetalli (Co) ja lämmastikku. Sellel katalüsaatoril toimus hapniku redutseerumine 4-elektronilise protsessina, mis on oluline kütuseelemendis rakendamise seisukohalt. Antud katalüsaatormaterjali hapniku redutseerumise aktiivsuse olulisimaks põhjuseks leiti olevat materjali struktuuri pürolüüsi käigus viidud aktiivsed lämmastikurühmad ja siirdemetall, The aim of the present PhD thesis was to prepare and characterise the aryl film modified carbon and metal electrodes and in addition, the nonprecious metal (NPM) catalysts. The surface of the prepared electrodes was investigated by several physical and electrochemical methods (e.g. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), cyclic voltammetry and the rotating disc electrode (RDE) method). The first and the second part of the PhD thesis describe the spontaneous and electrochemical modification of carbon and metal electrodes with 9,10-anthraquinone (AQ) and 4-nitrophenyl (NP) groups using the aryldiazonium salt reduction method. For the electrochemical functionalisation, the “normal” electrografting, redox grafting (RG) and the RG and RDE combined methods were used. The presence of the aryl groups on the electrodes was ascertained by the XPS and AFM experiments. Additionally, the influence of the aryl film on the oxygen reduction reaction (ORR) activity and towards the Fe(CN)63/4 redox probe was studied. It was found that for the preparation of thicker films with higher amount of electroactive aryl groups, the RG and RDE combined method was beneficial. Via latter method, the highest known amount of electroactive AQ groups was obtained in the aryl films on glassy carbon, Au and Cu electrodes and also, the thickest film of 47 nm was prepared by this method in case of NP film modified Cu electrode. In the last part of the PhD thesis, the ORR was studied on polymer based carbon nanotube containing composites and on the siliconoxycarbide based materials for the application as NPM catalysts. The highest ORR activity was obtained in case of transition metal (Co) and nitrogen containing siliconoxycarbide material. On the latter catalyst material the ORR proceeds via 4-electron pathway that is crucial for the fuel cell applications. The high ORR performance of the latter catalyst was attributed to the introduction of N-functionalities and transition metal into the material during the pyrolysis., https://www.ester.ee/record=b5242795

https://www.ester.ee/record=b5163525*est

https://www.ester.ee/record=b5163182*est

https://www.ester.ee/record=b5163695*est

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone, Käesolevas töös kasutati aatomkihtsadestamist koos teiste töövõtetega nano¬struk¬tuursete komposiitide valmistamiseks. Töö käigus valmistati kolme eri¬nevat tüüpi komposiite: kiud- või pulbertäitega ning laminaatsed komposiidid. Saadud materjalidel mõõdeti instrumentaalse nanoindenteerimisega elastsus¬moodulid ja kõvadused. Mõõtmistulemusi analüüsiti kasutades erinevaid teo¬reetilisi mudeleid. Katsed näitasid, et tõenäoliselt on kõige lihtsam valmistada laminaat¬struk¬tuuriga komposiite, mille korral ettevalmistused olid lihtsamad ja lisatöövõtteid kompaktse näidise saamiseks ei olnud vaja kasutada. Ülejäänud tüüpi struk¬tuuride korral on tõenäoliselt vaja lisauuringuid ja optimeerimist parimate tule¬muste saavutamiseks. Elastsusmoodulite mõõtmine näitas, et aatomkihtsadestatud kiled ei ole väga jäigad. Näiteks oli amorfse Al2O3 moodul umbes 3 korda väiksem korundi-tüüpi Al2O3-st (≈110 GPa vs ≈340 GPa). HfO2, Ta2O5, ZrO2 moodulid olid samuti väiksemad makroskoopiliste objektidega võrreldes. Komposiitsetel laminaatidel jäid elastsusmoodulid puhaste oksiidide moo¬dulite väärtuste vahepeale, välja arvatud ZrO2-Ta2O5 nanolaminaatide korral, milledel olid elastsumoodulid suuremad võrreldes puhaste koostisoksiididega. Nähtuse täpsed põhjused on veel välja selgitamata. Kõvaduse poolest olid puhtad Al2O3 ja HfO2 peaaegu 2 korda kõvemad klaasist alusest (vastavalt 11–12 GPa ja 6,7 GPa). Tsirkoonium- ja tantaaloksiid olid klaasile lähedase kõvadusega (≈7 GPa). Tulemustest saab järeldada, et ALD kiled on suhteliselt kõvad materjalid ja neid saaks sobitada erinevate materjalide elastsusmoodulitega kasutades erine¬vaid komposiitseid kooslusi. Viimane võib olla kasulik näiteks juhul, kui soovi¬takse kasutada ALD kilesid metallide või sulamite kaitsmiseks (nt korrosiooni¬kaitse). Samuti võimaldaks ALD kilede kasutamine muuta materjalide pindade mehaanilisi omadusi, mis võib olla vajalik näiteks mikro- või nanoelektor¬mehaaniliste seadmete (NEMS/MEMS) korral., In this study atomic layer deposition combined with several other techniques was used to produce nanostructured composites. Three structure types were realized: fiber or particle filled and laminated structures. Mechanical properties (modulus and hardness) of composites were tested using instrumented nanoindentation. The results were analyzed in the context of several theoretical models where reasonable. Tests have shown that it is probably the easiest to prepare ALD laminated composites, where preparations were simple and compact sample was obtained without additional work techniques. The remaining types of structures likely need further research and optimization for best results. The elastic modulus measurements showed that the ALD films were not very rigid. For example, an amorphous Al2O3 was about 3 times less than the modulus of corundum-type Al2O3 (i. e. about 110 GPa versus ≈340 GPa). HfO2, Ta2O5, ZrO2 modules were also lower compared to bulk objects in macroscale. Elastic moduli of the composite laminates were intermediate between the values of the pure oxides, with the exception of ZrO2-Ta2O5 nanolaminates, in which case the moduli were larger compared to pure oxides. The exact causes of the phenomenon are still unaccounted for. The hardness of pure Al2O3 and HfO2 were nearly two times harder than soda-lime-glass (11–12 GPa and 6.7 GPa, respectively). Zirconium, and tantalum oxide were close to the hardness of glass (≈7 GPa). Results suggest that ALD oxide films are relatively hard materials and they could be matched to the different elastic moduli of other materials using various composite structures. The latter may be useful, for example, if it is desired to use the ALD films on metals or alloys (e.g. for corrosion protection). ALD films also allow to change mechanical properties of material surfaces that may be necessary in, for example, micro- or nanoelectromechanical (NEMS/MEMS) devices.

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Polümeerelektrolüütmembraan (PEM) kütuseelement on seade, mis toodab elektrit kütuse ja oksüdeerija vahelise elektrokeemilise reaktsiooni käigus vabaneva energia arvelt. Kuna PEM kütuseelemendid töötavad võrdlemisi madalal temperatuuril (ca 80 °C), siis on seda võimalik kiiresti käivitada ning kasutada lisaks statsionaarsetele lahendustele ka portatiivsetes rakendustes nagu näiteks elektriauto. PEM kütuseelemendi efektiivsust piirab hapniku elektroredutseerumise reaktsiooni suur ülepinge katoodil, seega töötatakse tänapäeval välja palju uudseid katalüsaatorimaterjale, mis seda reaktsiooni kiirendavad. Enimkasutatud PEM kütuseelemendi elektroodimaterjal on plaatina nanoosakestega aktiveeritud suure eripinnaga süsinik. Antud töös uuriti erinevatest karbiididest sünteesitud süsinikmaterjalide sobivust PEM kütuseelemendi rakenduses ning võrreldi tulemusi kommertsiaalse süsinikmaterjaliga. Erinevate omadustega süsinikmaterjale sünteesiti karbiidide WC ja Mo2C kõrgtemperatuurse kloreerimise käigus kindlatel temperatuuridel vahemikus 600 kuni 1100 °C. Antud süsinikmaterjalid on kõik suure eripinnaga, kuid erinevad üksteisest kristallilisuse ning pooride suuruse jaotuse poolest. Süsinikmaterjalidele sadestati plaatina nanoosakesed naatrium-boorhüdriidiga redutseerimise meetodil. Erinevate füüsikaliste karakteriseerimise meetoditega määrati plaatinaosakeste suurus ning osakaal, materjali kristallilisus ning eripind ja pooride suuruse jaotus. Hapniku elektroredutseerumise kineetikat uuriti kolmeelektroodses süsteemis väävelhappe vesilahuses, kus klaassüsinikust elektroodile oli kantud kas süsinikust katalüsaatorikandja või plaatinaga aktiveeritud katalüsaatormaterjal. Leiti, et grafitiseerituse astmel (defektide hulgal) ning mikro- ja mesopooride ruumalade suhtel (st. pooride suurusjaotusel) on suur mõju hapniku elektroredutseerumise ülepingele. Kütuseelemendi membraanelektroodide süsteemi (membrane electrode assembly, lühend MEA) valmistamiseks kasutati Mo2C-st temperatuurivahemikus 600 kuni 1000 °C sünteesitud süsinikmaterjale ning kommertsiaalset süsinikku Vulcan XC72. Leiti, et Mo2C-st sünteesitud süsinikmaterjalid on sobivad katalüsaatori kandjad nii anoodi kui ka katoodi jaoks (sünteesitud vahemikus 600 kuni 850 °C), kuna just nendel materjalidel on lisaks kõrgele eripinnale ka sobilik poorijaotus ning grafitiseerituse aste. Võrreldes laialdaselt kasutatud kommertsiaalse süsinikmaterjaliga on karbiidsete süsinike baasil võimalik valmistada suurema efektiivsusega ning ajalise stabiilsusega PEM kütuseelemente, kuna nende materjalide füüsikalised ning elektrokeemilised omadused on antud rakenduses sobilikumad., Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are regarded as a promising alternative energy conversion devices for both mobile and stationary applications. These environmentally clean cells generate water, heat, and electricity via an electrochemical reaction with hydrogen as a fuel and oxygen in the air as an oxidant. Due to relatively high efficiency, low operating temperature and quick start-up time, PEMFCs are mostly used in automotive applications and in residential co-generation systems. Main problem hindering the wide-scale commercialization of PEMFCs is high overpotential for oxygen electroreduction reaction (ORR) at the porous cathode decreasing the efficiency of the fuel cell. Therefore, novel materials are being sought for PEMFC applications. Carbide-derived carbons (CDCs) have been synthesized from Mo2C and WC powders by high-temperature chlorination from 600 °C to 1100 °C to test suitability of catalyst supports in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) application. Carbon supports and Pt-activated catalyst materials were tested in the H2SO4 aqueous solution in the three-electrode configuration and thereafter catalyst materials were used in the single cell measurements. Experiments in the three-electrode cell indicate that graphitization level and pore size distribution have great impact on oxygen electroreduction reaction (ORR). The synthesized CDCs are more active for the ORR and demonstrate higher kinetic current density values than commercial carbon Vulcan XC72 due to the more optimal structure of the carbon supports. Fuel cell membrane electrode assemblies were prepared and tested in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) single cells using catalyst supports prepared from Mo2C derived carbons and commercial Vulcan XC72. Physical properties of the carbon supports like crystal structure, specific surface area and pore size distribution have great influence on the PEMFC parameters, especially on the maximum power density value. It was shown, that the mesopore volume of the cathode support material is a very important parameter due to the limitations of mass transport of O2 in the fuel cell working conditions. The results established for the Pt C(Mo2C) based electrodes were compared with those for commercial Vulcan XC72 based MEAs and more than 10% increase in power density was achieved due to the higher specific surface area and more suitable pore size distribution. Time stability test showed lower degradation for Pt-C(Mo2C)750 °C than Pt-C(Vulcan) based PEM single cell. Based on the information collected, it can be concluded that CDCs are promising catalysts support materials and Pt-nanoclusters activated CDCs can be used as the catalysts for PEMFC demonstrating suitable physical properties and therefore high efficiency and good durability.

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Jay Mondali doktoritöös uuriti grafeenoksiidi ja redutseeritud grafeenoksiidi nanoliistakute valmistamise tehnoloogiat ja valmistati nende ainete baasil lihtkatted, hübriidkatted koos elektrit juhtiva polümeeri polüpürrooliga ning komposiitkatted koos metalloksiidide Al2O3 ja TiO2 nanokiledega. Katted kanti roostevaba terase või Ti-sulamist valmistatud katseobjektide pindadele, kasutades vurrkatmise, elektrokeemilise sadestamise ja aatomkihtsadestamise meetodeid. Katete omaduste uurimiseks kasutades laia hulka tahkisobjektide karakteriseerimise vahendeid, mis on saadaval TÜ Füüsika ja Keemia instituutides. Samuti määrati elektrokeemiliste mõõtmiste ja standarttestidega nende katete võime kaitsta alusmaterjale korrosiooni eest. Töö tulemusena näidati ära, et kuigi nii valmistatud liht- kui hübriidkatted aitavad teatud määral pidurdada korrosiooniprotsesse metallalustel, ei suuda need katted tõhusalt pidurdada punktkorrosiooni nimetatud aluste pikaajalisel hoidmisel tugevasti korrodeeruvates soolalahustes. Seevastu uudsed, submikromeetrilise paksusega grafeeni baasil loodud komposiitkatted näitasid üles väga head korrosioonikaitset mõlema sulami pinnal, ületades paljude tänapäeva tööstuses kasutatavate kümneid kuni sadu kordi paksemate kaitsekatete näitajaid. Töö tulemused on avaldatud eriala juhtivates ajakirjades ja tutvustatud rahvusvahelistel konverentsidel. Antud doktoritöö valmis prof. Väino Sammelselja juhendamisel. Tööd oponeerima on kutsutud prof. M. Ferreira Aveiro Ülikoolist ja dr. M. Krunks TTÜ-st., In this thesis corrosion inhibition performance of graphene and graphene oxide based composite/hybrid coatings was studied. Graphene is a two-dimensional one-atom-thick sheet of carbon having hexagonal lattice, and it is a basic structural unit of graphite. Graphene has proven to be one of the most popular advanced materials in recent developments. This carbon material is widely studied for advanced applications starting from energy harvesting to nanoelectronics and finishing with drug delivery because of many extraordinary properties of it. Among all of the properties the atom/ion barrier property was one of the most interesting for this work. Some studies to use graphene or graphene-based materials as a barrier sheet were published before starting this work and some appeared during the run of this investigation. Lately, the development of graphene and graphene oxide based functionalized biocompatible barrier coatings attracts a great attention among scientists and probably industrialists as well. But the use of graphene oxide/reduced graphene oxide nanoplatelets for corrosion protection of metal alloys was practically not studied before this work, despite the facts that the ideas of preparation the materials were known already decades, and as row material relatively cheap powder of natural graphite can be used. In this thesis the barrier properties of graphene/graphene oxide based nanostructured coatings, including composite and hybrid coatings were investigated towards corrosion protection. Investigations were carried through using different strategies: for the preparation of thin protective coatings spin-coating, electrochemical deposition and atomic layer deposition (ALD) techniques were used. For the corrosion inhibition performance studies of synthesized graphene oxide and reduced graphene oxide the hybrid coatings of graphene oxide-polypyrrole and the composite coatings of graphene-metal oxide laminates were prepared. The extent of protection ability of the coatings deposited onto AISI type 304 stainless steel and Ti-6Al-4V alloy substrates was studied thoroughly by electrochemical methods, as open circuit potential and Tafel plots, voltammetry and electrochemical impedance spectrometry, and tested by standard ASTM G48 A and long-time immersion tests in salt solutions. The studies revealed that prepared graphene and graphene oxide based hybrid and especially composite coatings well inhibit corrosion of the metal substrates. This definitely increases lifetime and stability of the metal details and equipment made from these materials, helping to preserve the materials and energy, thus helping to develop also a more sustainable society.

http://www.ester.ee/record=b4613174*est

Käesolevas bakalaureusetöös uuritakse komposiitmaterjalidest detailide remonditehnoloogiat. Tehnoloogiat, mida uuritakse, kasutab uurimustöö koostööpartner igapäevaselt spordivahendite remontimiseks. Põhilised remonditavad detailid on jalgrattaraamid, mis on valmistatud süsinikkiud komposiitmaterjalist. Uurimustöö koostööpartner ongi spetsialiseerunud just süsinkkiud detailide remontimisele. Remonditehnoloogia uurimiseks ning hindamiseks remonditakse süsinikkiud kompsiitmaterjalist katseplaat, mis lõigatakse keskelt pooleks. Seejärel viiakse läbi katseplaadi remont, töös kirjeldatakse ükshaaval kõik remonditehnoloogias kasutatavad töövõtted. Remonditud katseplaadi mehaaniliste omaduste määramiseks ning võrdlemiseks valmistatakse remonditud ja remontimata plaadist tõmbeteimikud. Mõlemast katseplaadist freesitakse välja kolm tõmbeteimikut ning nendega viiakse läbi tõmbekatsed. Tõmbekatsete abil võrreldakse materjalide tõmbetugevusi, suhtelisi deformatsioone, elastsusmooduleid ja voolavuspiire. Katsete tulemustest selgus, et materjali mehaanilisi omadusi ei suudetud täielikult taastada. Küll aga suudeti osaliselt materjali mehaanilised omadused taastada ning remontimise otstarve ning mõistlikkus sõltub detailist, tema keerukusest ja hinnast. Remontida on mõistlik detaile, mille hind on kõrge ning remontimist vajab väiksemat sorti mõra, pragu või täke. Remontida ei ole mõistlik detaile, millel on kindlasti vaja suurt tõmbetugevust ning detaile, mille hind ei ole kõrge. The aim of this bachelor research is to study repair technology for details made of composite materials. Technology, examined in this exploration, is used by co-partner of this reasearch to repair sporting goods. Mainly repaired details are carbon fiber bicycle frames. Co-partner of this research is specialized in carbon fiber reparation. To investigate and judge repair technology used in current study, breakage of carbon fiber plate is imitated. Carbon fiber plate is cut into two pieces from the middle. After that, plate is repaired and technology used for that reparation, is described step by step in this study. To adjudge quality of reparation, mechanical qualities of unrepaired and repaired material are compared. The test of tensile will help us learn tensile strenght, tensile strain, elastic modul and yield point. Outcome of test showed, that investigated technology was not able to fully restore mechanical qualities of this material. Altough some of the mechanical qualities were able to restore partly. So the purpose of this repair technology is useful on expensive and complex details, which do not need the full tensile strenght. There is no point to repair details, which are not complicated and expensive.

http://www.ester.ee/record=b4610782*est

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Kosmose-, lennuki- ja energiatehnoloogia tormiline areng on tekitanud vajaduse uudsete nano-komposiitmaterjalide ning funktsionaalsete pinnakatete järele, mida kasutatakse kaasaegsete seadmete ja konstruktsioonide väljatöötamisel. Materjalid peavad vastu pidama ekstreemsetele oludele kaotamata seejuures oma funktsionaalsust. Selleks otstarbeks sobivad metallkarbiidide ja -oksiidide komposiidid ning pinnakatted, millel on äärmuslik kulumiskindlus ning mis kannatavad kõrgeid töötemperatuure, samas vastu pidades temperatuurikõikumistele. Sarnased nõuded materjalidele on järjest enam ka meie igapäevaellu jõudnud. Käesoleva töö eesmärgiks oli kõvade keraamiliste nano-komposiitmaterjalide ja funktsionaalsete katete väljatöötamine lähtudes sool-geel tehnoloogiast. Eesmärgi saavutamiseks läheneti probleemile mitmest aspektist: töö hõlmas sool-geel tehnoloogia kasutamist, materjalide töötlust ja katsetamist kõrgetel temperatuuridel, tulemi täppis-karakteriseerimist ja nano-osiste mehaaniliste omaduste selgitamist. Sool-geel meetodi kasutamise üheks peamiseks eeliseks alternatiivide ees on, et lähteained segatakse kokku vedelas faasis ehk molekulaarsel tasandil, mille tulemusena saadakse ühtlaselt jaotunud komposiitmaterjalid. Töös näidati, et väljatöötatud meetodiga valmistatud lähteainete kasutamisel on võimalik oluliselt vähendada karbiidsete komposiitmaterjalide karbotermilise taandamise temperatuuri. Erilist tähelepanu pöörati titaan-tsirkooniumkarbiidi segu (TiC-ZrC), titaankarbiidi/ süsiniknanotorude komposiidi (TiC/MWCNT) ja titaanoksiidiga kaetud hõbeda nanotraatide (TiO2/AgNW) sünteesile ning karakteriseerimisele. Ühedimensionaalsete nanoosakeste täpsemaks tundmaõppimiseks konstrueeriti kõrglahutusega elektronmikroskoobi sisse spetsiaalne seade osakeste mehaaniliste omaduste väljaselgitamiseks. Nanostruktuuride mehaaniliste omaduste määramine aitab mõista seoseid nende suuruse, geomeetria ja koostise vahel. Saadud teave aitab komposiitmaterjalidesse funktsionaalseks täitematerjaliks või tugevdavaks armatuuriks sobivaid nanostruktuure valida. Töös selgitati välja näiteks, kas üksikuid alumiiniumoksiid(Al2O3)fiibreid ja hõbeda nanotraate on võimalik painutada elastselt miljon tsüklit., The conventional industry is undergoing a dramatic change towards an innovative, high-technology, knowledge-based grounds. Increasing competition on the global market constantly demands for materials with advanced properties and producing technology. During recent decades researchers have paid great attention to new materials that are stable at extreme environmental conditions as candidates for technological applications like supersonic flights and rockets. Metal carbides and oxides are promising candidates for extreme environmental conditions due to their excellent and unique combination of high melting point, good thermal-shock resistance and high hardness. The development of nanocomposites and nanostructured coatings are more relevant and preferable research directions in modern material science. The particular aim of this thesis is related to elaboration of ceramic nanocomposites and functional coatings with desired properties by sol-gel method. It is chosen since in contrast to conventional ceramic materials synthesis methods, in sol-gel process reactants are mixed together in liquid state at molecular level, the synthesis conditions enable to decrease synthesis temperatures and prepare homogeneous and pure multi component systems. In particular, the thesis describes the synthesis of titanium / zirconium carbide blend (TiC-ZrC), titanium carbide / carbonnanotube composites (TiC/CNT) and titanium oxide / silver nanowires (AgNW/TiO2) nano-composites precursors. The problems of dispersion and thermal stability of filler material are treated. Moreover, the thesis reports mechanical characterisation of individual nanofillers like Al2O3 nanofibers and AgNW using advanced experimental set-up installed inside a scanning electron microscope. Development and construction of experimental equipment are also involved. As a part of the study, the thesis also includes development of experimental set-up, which was used for in situ SEM mechanical characterisation of individual one-dimensional nanostructures (1DNS) served as reinforcing phase or functional filler in the considered nanocomposites.

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Ioonjuhtivaid polümeer-metall komposiitmaterjale (edaspidi lühendatud IPMC ehk ionic polymer-metal composite) on uuritud juba vähemalt kaks aastakümmet nende huvipakkuvate omaduste tõttu. Võimalikeks kasutusaladeks on vaiksed aktuaatorid või sensorid. IPMC eelised teiste elektroaktiivsete polümeeride ees on töötamine madalal pingel (1...5V), suur paindeulatus, ja toimimine veekeskkonnas. Kuigi põhiliselt on uuritud materjalide omadusi aktuaatoritena, on hiljuti materjalide sensor-omadused rohkem tähelepanu saanud. Et materjali toimimisest aru saada ning seda kirjeldada erinevate rakenduste tarbeks, on vajalik füüsikal baseeruvat mudelit. Sellest lähtuvalt on välja töötatud Poisson-Nernst-Planck-Navier võrranditel baseeruva IPMC mudel. See baseerub füüsikalistel printsiipidest, ehk et saab kasutada võimalikult palju mõõdetavaid suurusi ääretingimustena (nagu materjali paindumine, rakendatud pinge jne). Lisaks on oluline, et meetod millel mudel baseerub, oleks efektiivne ning võimaldaks arvutusi väikese või vähemalt teadaoleva maksimaalse arvutusveaga. Käesoleva töö keskendub peamiselt just arvutusmeetodil ja annab ülevaate uudsest hp-FEM (finite element method) ehk hp lõplike elementide meetodist ja sellel baseeruvast IPMC mudelist. Kõigepealt on täielikult tuletatud võrrandid ja nende integraalne esitus Newtoni meetodi jaoks. Seejärel antakse lühike ülevaade hp-FEM meetodist adaptiivse väljapõhise võrguga ning kogu süsteemi Jakobiaani tuletus hp-FEM tarkvara Hermes jaoks. On näidatud kuidas automaatne adaptiivne hp-FEM võimaldab probleemi suuruse hoida väiksena (süsteemi vabadusastmeid ja kasutatud mälu silmas pidades). Kõige pealt on lahendatud Poisson-Nernst-Plancki võrrandisüsteem ja on käsitletud erinevaid adaptiivusalgoritme. Üks huvitav tulemus on, et adaptiivsed algoritmid võimaldavad lahendada probleemi tingimustel, kus Debye pikkus jääb nanomeetri suurusjärku – seda süsteemis mille mõõtmed on millimeetri skaalas. Nendest tulemustest lähtuvalt esitatakse lahendus terve Poisson-Nernst-Planck-Navier võrrandite süsteemile IPMC paindumise arvutustes. Taaskord on lõplikud võrrandid koos tuletuskäiguga esitatud. Lisaks on analüüsitud suur hulk simulatsiooni tulemusi arvutusprobleemi suurust ja kulutatud arvutusaega silmas pidades ja sellest lähtuvalt leitud parim adaptiivuse algoritm seda liiki probleemide jaoks. On ka näidatud kuidas meetod võimaldab arvutusdomeeni geomeetriat arvesse võtta – domeeni pikkuse ja laiuse suhtest tulenevad ääreefektid on automaatselt arvutustes käsitletud. Kokkuvõtteks, käesolevas töös on detailselt kirjeldatud kuidas kasutades uudne hp-FEM meetod koos adaptiivsete algoritmide ja väljapõhise võrguga võimaldab Nernst-Planck-Poisson-Navier probleemi lahendada efektiivselt, samal ajal hoides lahenduse arvutusvea etteseatud piirides., Ionic polymer-metal composites (IPMC) have been studied during the past two decades for their potential to serve as noiseless mechanoelectrical and electromechanical transducers. The advantages of IPMC over other electroactive polymer actuators are low voltage bending, high strains (>1%), and an ability to work in wet environments. The main focus has been on the electromechanical transduction property – the material’s ability to exhibit large bending deformation in response to a low (typically 1...5 V) applied voltage. However, lately research on the mechanoelectrical transduction properties of the material has gained more attention. In order to describe both deformation in response to applied voltage (electromechanical transduction) and induced voltage in response to applied deformation (mechanoelectrical transduction) properties of IPMC, an advanced physics based model of the material is necessary. Ongoing research has been focused on creating such model where real measurable quantities can be imposed as boundary conditions in order to reduce the number of unknown parameters required for calculations. In this dissertation, a physics based model that is based on novel hp-FEM (finite element method) is proposed. From the fundamental aspect, previously proposed and validated physics based model consisting of a system of Poisson-Nernst-Planck-Navier’s equations is described in detail and used in IPMC deformation calculations. From the mathematical aspect, a novel hp-FEM method was researched to model the equations efficiently. The main focus of this disseration is on the mathematical aspect. Full derivation of the equations with an in-depth study of the benefits of using higher order FEM with automatic adaptivity is presented. The explicit weak form of the Poisson-Nernst-Planck system for Newton’s method is presented. Thereafter, a brief overview of the adaptive multi-mesh hp-FEM is introduced and the residual vector and Jacobian matrix of the system is derived and implemented using hp-FEM library Hermes. It is shown how such problem benefits from using individual meshes with mutually independent adaptivity mechanisms. To begin with, a model consisting of only the Poisson-Nernst-Planck system is solved using different adaptivity algorithms. For instance, it is demonstrated that the problem with set of constants that results Debye’s length in the nanometer scale can be successfully solved. What makes it even more remarkable is the fact that the calculation domain size is in the millimeter scale. Based on those results, the complete Poisson-Nernst-Planck-Navier’s system of equations is studied for IPMC electromechanical transduction calculations. Again, the entire mathematical derivation including weak forms, the residual vector and Jacobian matrix are presented. Thereafter, a number of simulations are analyzed in terms of problem size and consumed CPU time. The best automatic adaptivity mode for such problem is determined. It is also shown how hp-FEM helps to keep the problem geometrically scalable. Additionally, it is demonstrated how employing a PID controller based time step adaptivity helps to reduce the total calculation time. Overall, by using hp-FEM with adaptive multi-mesh configuration the Nernst-Planck-Poisson-Navier’s problem size in IPMC deformation calculations is reduced significantly while a prescribed precision of the solution is maintained.

http://tartu.ester.ee/record=b2693102~S1*est

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Geel-klaas dispergeeritud vedelkristallid (GDLC) on elektrooptilised komposiitmaterjalid, mis koosnevad anorgaanilisest või orgaaniliselt modifitseeritud anorgaanilisest räni- või seguoksiidmaatriksist ja selle sees paiknevatest vedelkristalli mikrotilkadest. Materjali valmistatakse keemiliselt sool-geel protsessi abil ning seda tüüpi materjali valmistati esmakordselt 1991. aastal. Sellest ajast alates on GDLC materjale väga vähe uuritud – 20. aasta jookusul on ilmunud kõigest alla kahekümne teadusartikli. GDLC materjali on võimalik elektrivälja rakendamisel lülitada valgust hajutava ja valgust läbilaskva oleku vahel ning on seetõttu potentsiaalselt kasutatav muudetava läbilaskvusega aknaklaasina. Hoolimata suurest rakenduslikust potentsiaalist GDLC materjale senimaani tööstuslikult ei toodeta. Selle peamisteks põhjusteks on suure pindalaga GDLC kilede valmistamise metoodika puudumine ja kilede väike läbilaskvuse muutus elektrilise pinge rakendamisel. Antud töö üldine eesmärk on avardada arusaamist GDLC materjali formeerumise protsessidest, erinevate parameetrite mõju uurimine materjali omadustele, suure pindalaga kilede valmistamise metoodika väljatöötamine ning materjali elektrooptiline karakteriseerimine. Töös uuriti mitmete erinevate kilede sünteesi- ja sadestamismeetodite rakendatavust GDLC kilede valmistamiseks ning esmakordselt näidati pragudevabade, suure paksusega (11.98 μm) hübriidsete elektrooptiliste kilede valmistamise võimalikkust. Pragunemine kujutab endast sool-geel meetodil valmistatud kilede puhul fundamentaalset probleemi. Pragunemise puudumine on seletatav vedelkristalli tilkade kuju muutumisega kile kuivamisel toimuval kile kokkutõmbumisel, mis takistab mehaanilistel pingetel kasvamist üle kriitilise väärtuse. Valmistati kõrgkvaliteetsed elektrooptilsed kiled, mis omavad 75.9% läbilaskvuse muutust elektrilise pinge rakendamisel, mis on piisav prakilisteks rakendusteks. Konstrueeriti originaalne katseseade, mis võimaldab mõõta läbilaskvust sõltuvalt rakendatud pingest erinevatel temperatuuridel nähtavas- ja lähi-infrapunases spektriosas. Esmakordselt mõõdeti läbilaskvuse muutuse sõltuvus lainepikkusest laias temperatuuride vahemikus ning näidati funktsiooni ΔT vs. λ maksimumi langemist nähtava lainepikkuste piirkonna keskele, mis on materjali valmistamisprotsessi täpse optimeerimise tulemus. Töötati välja ning patenteeriti meetod suure pindalaga GDLC kilede valmistamiseks., Gel-glass dispersed liquid crystal (GDLC) is an electro-optical composite material that consists of liquid crystal microdroplets encapsulated in inorganic or organically modified silica or mixed oxide matrix and is prepared chemically by a sol-gel method. This type of material was first prepared in 1991 and is since then very little researched with less than 20 scientific papers published. The material can be switched from an opaque scattering state to a transparent non-scattering state by applying an electric field and is potentially applicable as a variable transmittance window. Despite the great commercial potential as a “smart window” technology, no commercial applications exist so far for GDLC. The main reasons behind that are the absence of method of preparation of large area films and poor electro-optical performance. The general goal of the present thesis is to expand the understanding of the formation processes of GDLC material, influence of different parameters on the properties of GDLC, elaboration of the method of preparation of large area GDLC films and electro-optical characterization of such composite materials. Several strategies for sol synthesis and film deposition were explored. It was demonstrated for the first time that crack-free thick (11.98 μm) GDLC films can be successfully prepared. The absence of cracking can be attributed to the deformability of the liquid phase that prevents stress buildup. Cracking is a fundamental problem in preparation of thick sol-gel films. High performance thick films that exhibit 75.9% change in transmittance as an electric field is applied were prepared. The achieved performance is sufficient for practical applications. An original setup was developed that enables measurement of transmittance dependence on applied voltage at different temperatures in full visible and near-IR spectral range. For the first time, function of change of transmittance vs. wavelength of light at different temperatures was measured for GDLC film, showing the distinct maxima in the mid-visible range which is the result of precise optimization of film preparation process. Method of preparation of large area GDLC films was elaborated and patented.

http://www.ester.ee/record=b4620985*est