No description available.

No description available.

No description available.

<p>A series of bismaleimide and bisfuran monomers were synthesized and then combined to produce thermally reversible polymers. Reversibility was demonstrated through multiple heating and cooling cycles, and verified using ¹H NMR spectroscopy. Variation of the spacer chemistry in the monomers was found to profoundly influence the physical properties of the resulting polymers. A tripodal maleimide and furan system was then synthesized, but it was found that the incorporation of cross-linking into the polymer network did not significantly alter the mechanical properties of the resulting polymers.</p> <p>Dilute solutions of polystyrene (PS)/poly(methyl methacrylate) (PMMA) blends containing PS- or PMMA-functionalized single-walled carbon nanotubes (SWNT) were spin cast and annealed at 180°C for 12 h. Characterization of the annealed films by scanning Raman spectroscopy confirmed that the migration of the nanotubes in the films could be controlled using the appropriate functionality on the nanotubes, thus the PS-functionalized nanotubes were found to migrate to the PS domains, while the PMMA-functionalized nanotubes migrated to the PMMA domains.</p> <p>SWNTs were then functionalized using linear reversible polymers, resulting in significant solubilization of the nanotubes. Heating of this solution resulted in the collapse of the DA polymer, and precipitation of the dissolved nanotubes, illustrating the reversible nature of the polymers, and their influence on carbon nanotube solubilization.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

The main goal of this work is to determine values of elastic constants of orthotropic, transversely isotropic and cubic materials through indentation tests on thin layers bonded to rigid substrates. Accordingly, we first use the Stroh formalism to provide an analytical solution for generalized plane strain deformations of a linear elastic anisotropic layer bonded to a rigid substrate, and indented by a rigid cylindrical indenter. The mixed boundary-value problem is challenging since the deformed indented surface of the layer contacting the rigid cylinder is unknown a priori, and is to be determined as a part of the solution of the problem. For a rigid parabolic prismatic indenter contacting either an isotropic layer or an orthotropic layer, the computed solution is found to compare well with solutions available in the literature. Parametric studies have been conducted to delimit the length and the thickness of the layer for which the derived relation between the axial load and the indentation depth is valid. We then derive an expression relating the axial load, the indentation depth, and the elastic constants of an orthotropic material. This relation is specialized to a cubic material (e.g., an FCC single crystal). By using results of three virtual (i.e., numerical) indentation tests on the same specimen oriented differently, we compute values of the elastic moduli, and show that they agree well with their expected values. The technique can be extended to other anisotropic materials. We review the literature on relations between deformations at the atomic level and stresses and strains defined at the continuum level. These are then used to compare stress and strain distributions in mechanical tests performed on atomic systems and their equivalent continuum structures. Whereas averaged stresses and strains defined in terms of the overall deformations of the atomic system match well with those derived from the continuum description of the body, their local spatial distributions differ. / Ph. D.

Porous Wall Hollow Glass Microspheres (PWHGMs) were developed by the Savannah River National Laboratory. What makes these microspheres unique is the interconnected porosity spread throughout their wall allowing various materials to travel from the surface to the hollow interior. With their characteristic porosity, the PWHGMs are a great tool for encapsulating or filtrating different materials. Unfortunately, there is little information available on the mechanical properties of PWHGMs. The main goal of this research was to develop a method to crush individual microspheres and statistically analyze the results. One objective towards completing this goal was to measure the microsphere diameter distribution. Microsphere diameter is a major factor affecting strength as well as the Weibull parameters. Two different methods, microscopy counting and laser light scattering, used in the research yielded similar distributions. The main objective of this research was to analyze the crush strength of individual microspheres. Using nanoindentation, data were collected to analyze the crush strength of PWHGMs in uniaxial compression. Nanoindentation data were used to analyze how the strength of the PWHGMs changes through the different stages of production and at different diameter ranges. Data for 3M commercial microspheres were compared to ARC microspheres. Most data were analyzed using a statistical technique known as the two parameter Weibull analysis. The data indicated that the strength generally decreased as the microsphere diameter increased. Scattering in the data was nearly the same across all sample sets tested. Results indicated that the PWHGMs were weaker than the ARC hollow glass microspheres (HGMs). This is primarily due to the addition of wall porosity in the PWHGM. / Master of Science

L’indentation instrumentée (nanoindentation) est une technique d’analyse des données expérimentales utilisées pour atteindre les propriétés mécaniques de matériaux (dureté H, module de Young E) pour lesquels les techniques classiques sont difficilement applicables voire non envisageables. Ces paramètres mécaniques sont issus de l’exploitation de la seule courbe expérimentale charge-décharge. L’analyse de cette dernière repose sur des nombreux modèles reportés dans la littérature (Oliver et pharr, Field et Swain, Doener et Nix, Loubet et al.) qui considèrent la décharge purement élastique. De nombreuses expériences que nous avons menées, sur divers types de matériaux massifs (aciers inoxydables AISI304, AISI316, AISI430; aciers rapides HSS652; verre de silice SiO2) et revêtus de films minces de TiN et TiO2 ont montré que les propriétés mécaniques (E et H), déduites de la méthode de Oliver et Pharr, dépendent du pourcentage de la courbe de décharge considéré, de la charge appliquée et du rayon de la pointe. De plus, pour un système film-substrat, la technique est en général utilisée pour atteindre les propriétés in-situ du film ou du substrat, alors que la méthode de dépouillement fournit des paramètres composites qu’il faut ensuite déconvoluer. Dans la recherche d’une stratégie simple, permettant d’accéder au module élastique d’un film « dur » pour les applications mécaniques, nous avons fait appel à la simulation numérique. Le code de simulation numérique utilisé, est basé sur la méthode des éléments de frontière. Nos investigations numériques utilisant l’indentation sphérique nous ont permis de mettre en évidence un certain nombre de résultats utiles pour l’analyse des données expérimentales. Nous avons commencé par montrer que aussi bien pour un matériau massif homogène élastoplastique que pour un système film dur – substrat élastoplastique, la relation [delta]=a2/R demeure valable (R étant le rayon de l’indenteur, a le rayon de l’aire projetée de contact). Cela permet de représenter les résultats de l’essai d’indentation sphérique par la courbe pression moyenne F/[pi]a2- déformation a/R . Au début du chargement, la pente cette courbe est proportionnelle au module de Young du film tandis que la pente initiale de la courbe de décharge est proportionnelle au module d’élasticité du substrat. Une relation entre le déplacement de l’indenteur et [delta] , puis une méthode d’analyse d’indentation ont été établies. Enfin, la procédure a été validée numériquement et expérimentalement sur les données issues de l’indentation de divers combinaisons film-substrat (TiN/AISI430, TiN/HSS652 et TiO2/HSS652) avec succès / Depth sensing Indentation (nanoindentation) is an experimental technique increasing retained for the assessment of the mechanical properties of materials (hardness H, Young's modulus E) for which common homogeneous mechanical tests can not be performed or are extremely difficult to perform. The mechanical parameters are obtained from the indentation curve (the plot of the load vs penetration depth during both load and unload). Usually, some methodology reported in the literature (Oliver and pharr, Field and Swain, Doener and Nix, Loubet and al.) are used in order to assess E and H. We have performed a number of experiments on homogeneous materials (stainless steel AISI304, AISI316, AISI430; high-speed steel HSS652; glass SiO2) as well as a film-substrate system (TiN/AISI430, TiN/HSS652, TiO2/HSS652). Applying the Oliver and Pharr methodology, E end H vary with the applied load as well as the percentage of used unload curve retained for the analysis, as reported in the literature. Besides, in the case of the film-substrate system, only composite parameters are obtained instead of the in-situ films properties. In order to establish a simple strategy for the determination of the elastic modulus of a hard coating, we have carried out many simulations using a boundary element based numerical tool. Then a number of useful results have been identified. The well known elastic relation [delta]=a2/R between the relative approach [delta], the projected contact radius a and the punch radius R, remain valid in the plastic range for homogeneous as well as film-substrate specimens. This allows data indentation to be represented in term of mean pressure F/[pi]a2 vs indentation strain a/R . The initial slope of the loading part of the latter curve is proportional to the elastic modulus of the film, while the slope of the initial part of the unloading curve is proportional to the substrate elastic modulus. Our indentation procedure anlysis has been validated experimentally on a number of samples (TiN/AISI430, TiN/HSS652, TiO2/HSS652) after having established a relation between the punch displacement and the relative approach [delta]

Dans le domaine de l'électronique de puissance, la gestion thermique de l'intégration des puces en silicium au sein du système global constitue un problème clé. La chaleur dissipée par les composants électriques est évacuée vers l’extérieur à travers un drain thermique, généralement en cuivre, qui est brasé sur le substrat céramique. Cette étude est consacrée à l'élaboration de drains thermiques adaptatifs en matériaux composites cuivre allié/fibres de carbone (FC) qui combinent une bonne conductivité thermique et un CTE proche de celui du substrat. Dans ce type de matériau, la liaison interfaciale renfort/matrice doit être forte afin d'optimiser le transfert des propriétés entre les deux composants. Le couple cuivre/carbone étant non réactif, un élément d’addition carburigène (Cr ou B) est ajouté à la matrice de cuivre afin de créer cette liaison chimique forte. Un matériau modèle a été réalisé par pulvérisation cathodique afin d’étudier la diffusion de l’élément d’addition au sein de la couche de cuivre vers la zone interfaciale et la formation d’un carbure métallique. Une méthode de chimie des solutions a ensuite été utilisée pour élaborer des poudres de cuivre allié de stœchiométrie donnée. Enfin, les matériaux composites (Cu-B/FC et Cu-Cr/FC) ont été élaborés par métallurgie des poudres et leurs propriétés thermiques et mécaniques corrélées à la microstructure et à la chimie des zones interfaciales / In the field of power electronics, thermal management of silicon chips plays a key role in our ability to increase their performance. Heat generated by the electronic components is dissipated through the heat sink, generally made of Copper that is brazed on to a ceramic substrate. This study focuses on the elaboration of adaptive heat sink material using Copper alloys/Carbon fibers (CF) composite materials which have a good thermal conductivity and a CTE close to the ceramic substrate. In this kind of material, it is necessary to have a strong matrix/reinforcement link in order to optimize transfer properties. Since there is no reaction between Copper and Carbon, a carbide element (Cr or B) is added to the Copper matrix to create this strong chemical bond. A model material has been elaborated by cathode sputtering in order to study the diffusion of the alloying element in the Copper layer and the metallic carbide formation in the interfacial zone. Copper alloy powders, with a given stoichiometry, have also been synthesized by a chemical method. Lastly, composite materials (Cu-B/CF and Cu-Cr/CF) have been elaborated by a powder metallurgy process and their thermal and mechanical properties correlated to the microstructure and the chemistry of the interfacial zones.

L’objectif de cette thèse porte sur le développement de nouveaux moyens de caractérisation mécanique de matériaux poreux inorganiques. La technique de microindentation instrumentée avec indenteur sphérique a été utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques du plâtre pris, utilisé comme matériau modèle, à deux porosités différentes (30 et 60%vol). Les méthodes analytiques, développées initialement en nanoindentation, ont permis d’extraire la dureté et le module d’élasticité des deux matériaux, ainsi que les courbes contrainte-déformation d’indentation. Une méthodologie d’essai a été notamment détaillée afin de pouvoir appliquer cet essai d’indentation sphérique à l’étude de céramiques à forte porosité. Une approche numérique a permis de compléter les méthodes analytiques et d’identifier une loi de comportement élastoplastique pour le matériau modèle. Un modèle éléments finis 2D-axisymétrique a ainsi été développé pour simuler les essais d’indentation sphérique. Un module d’indentification inverse, MIC2M, a ensuite été utilisé pour identifier les paramètres associés au critère de Drücker-Prager (cohésion, frottement et dilatance) pour minimiser l’erreur entre la courbe expérimentale et numérique. La simulation de l’indentation Vickers, ainsi que des essais de compressions uniaxiaux et œdométriques ont permis de valider les paramètres matériaux identifiés par indentation sphérique. L’utilisation des techniques de tomographie aux rayons X et de microscopie électronique à balayage (MEB) a permis de mettre en évidence une densification du matériau au cours de l’indentation. Aucune fissure macroscopique fragile n’a par contre été observée, confirmant les différences de comportement mécanique entre des céramiques à fort taux de porosité et des céramiques denses. La méthodologie ainsi développée a ensuite été appliquée au cas d’une céramique biorésorbable à base de phosphate de calcium, famille de matériaux largement utilisée pour la substitution osseuse. Des cylindres de ciments brushitique ont subi un vieillissement in vitro d’une durée maximale de deux mois dans une solution de Phosphate Buffered Saline rafraichie. La méthode de microindentation a permis de suivre l’évolution des différents paramètres mécaniques au cours de la cinétique de dégradation des ciments. Les résultats ont montré une bonne corrélation entre les évolutions des propriétés mécaniques et physicochimiques des échantillons, suivies par diffraction des rayons X et MEB. Ainsi, après une dissolution initiale du ciment, la précipitation de nouvelles phases de phosphates de calcium plus stables a entraîné une augmentation des caractéristiques mécaniques en cours de vieillissement, mesurées par indentation. Cette méthode d’essai semble donc être un outil prometteur pour le suivi des propriétés d’explants biomédicaux et, plus généralement, des céramiques à fortes porosités. / The objective of this study is to develop a methodology to characterize the mechanical behaviour of porous inorganic materials. Spherical instrumented indentation tests were used to determine the mechanical properties of a model material, gypsum, with two different porosities (30 and 60% vol.). Classical analytical methods, initially developed for nano-indentation, were used to extract the hardness and the elastic modulus of both materials, as well as stress-strain indentation curves. A methodology has been detailed in order to apply spherical indentation test to study high porous ceramics. To complete this analytical analysis, a numerical approach is used to identify an elastoplastic constitutive law for the material model. A 2D axisymmetric finite element model was developed to simulate spherical indentation tests. An inverse identification module, MIC2M, was then used to identify parameters associated to Drücker-Prager criterion (cohesion, friction and dilatancy) by minimizing the error between the experimental and the simulated indentation curves. These parameters were validated through the numerical simulation of a Vickers indentation test. Uniaxial compression and oedometer tests were also carried out on cylindrical samples to estimate the accuracy of the identified parameters. The mechanisms occurring during indentation were investigated using RX tomography and SEM. A large densified zone was noted below the indented area, with extensive gypsum crystal fracture. No macroscopic brittle crack could be observed confirming the differences between the mechanical behaviour of high porous ceramics and dense ceramics. The methodology developed in this study was applied to calcium phosphate cements, widely used for bone substitution. In-vitro degradation tests were performed on cylindrical samples of cements during 2 months into a refreshed Phosphate Buffered Saline solution. The micro-indentation method was enabled to follow mechanical properties of degraded samples and was discriminant enough to monitor the degradation process and its kinetics. Results showed a good correlation between evolutions of mechanical and physico-chemical properties of the cement investigated by X-ray diffraction and SEM. Thus, after initial cement dissolution, precipitation of more stable phosphate calcium phases implied an increase of the mechanical properties during aging. This method seems to be a promising tool for monitoring biomedical explants properties and, more generally, high porous ceramics.

Die Anwendung des Verfahrens der inversen Parameteridentifikation auf die Nanoindentation mit einer neuen Materialklasse (amorphe Legierungen) ist Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Methode auf ihre Zuverlässigkeit hin zu überprüfen, werden darüber hinaus die drei Härtevergleichsplatten HV240, HV400 und HV720 sowie das oxidische Glas BK7, deren Nanoindentationsmessungen von Dipl.-Ing. André Clausner schon zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen wurden, zur Berechnung herangezogen. Die Auswahl der Materialien erfolgte so, dass diese einen möglichst großen Bereich von Y abdecken, von BK7 bis hin zu HV240. Damit soll gezeigt werden, dass das Verfahren der inversen Parameteridentifikation für einen großen Bereich von natürlich vorkommenden Materialien genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung des Fließverhaltens, das durch die Parameter Fließgrenze1 Y und Verfestigungsexponent n erfolgt. Ziel ist es, in Zukunft auf weitere Experimente, die bisher zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften genutzt wurden und häufig zur Zerstörung der Proben führten, verzichten zu können. Für viele Gläser, z.B. BK7, sind derartige zerstörende Versuche nicht anwendbar, weil spröde Materialien splittern statt plastisch zu fließen. Dieser Arbeit liegt die Methode der Finiten-Elemente zugrunde, um eine inverse Parameteridentifikation zu realisieren. Sie wird hier eingesetzt, weil es sich bei plastischer Verformung um einen nichtlinearen Prozess2 handelt, der analytisch nicht mehr geschlossen gelöst werden kann. Die Simulationssoftware ANSYS R und ein Optimierungsmodul (SPC-OPT) der Fakultät für Maschinenbau dienen zur Berechnung. Bei der Simulation werden dabei ein zweidimensionales Modell und ein realitätsnahes dreidimensionales Modell eingesetzt.