Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που δημιουργούνται μέσα σε μια ασύγχρονη ηλεκτρική μηχανή, ειδικότερα των ακτινικών δυνάμεων, καθώς και η μηχανική συμπεριφορά της μηχανής λόγω των δυνάμεων αυτών. Χρησιμοποιήθηκε ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα, ισχύος 4 kW, συνδεσμολογίας τριγώνου. Η προσομοίωση και η μελέτη έγινε με τη χρήση του προγράμματος Opera 2-D της εταιρείας Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση των μερικών διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη ηλεκτρομαγνητική λειτουργία της μηχανής. Πρώτα γίνεται η ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των μοντέλων της μηχανής στη μόνιμη κατάσταση. Μετά χρησιμοποιώντας τα μοντέλα αυτά, υπολογίστηκαν οι ηλεκτρομαγνητικές πιέσεις που ασκούνται σε δόντια του δρομέα και του στάτη και η συνολική ακτινική και εφαπτομενική δύναμη που ασκείται πάνω στον δρομέα. Όταν οι ιδιοσυχνότητες ταλάντωσης της μηχανής είναι κοντά στις συχνότητες που υπάρχουν στο φάσμα συχνοτήτων της ακτινικής δύναμης, δημιουργείται συντονισμός και προκαλεί θορύβους και ταλαντώσεις στη μηχανή. Για να αποφευχθούν τέτοιου είδους θόρυβοι και ταλαντώσεις υπολογίζονται τα πλάτη και οι συχνότητες της ακτινικής δύναμης καθώς και οι ιδιοσυχνότητες της μηχανής. Οι ίδιες μετρήσεις έγιναν και σε μοντέλο μηχανής με μια σπασμένη μπάρα του κλωβού. Απεικονίσθηκαν οι ακτινικές δυνάμεις και συγκρίθηκαν με αυτές του υγιούς μοντέλου στο πεδίο του χώρου, του χρόνου και της συχνότητας. Επίσης παρουσιάζεται μια μέθοδος για την ανίχνευση «υπογραφών» ηλεκτρικών σφαλμάτων, μέσω ανάλυσης Fourier της ακτινικής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και πίεσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι μια καλή παράμετρος με τη χρήση της οποίας μπορεί να ανιχνευτεί το σφάλμα της σπασμένης μπάρας. / The aim of this thesis was to study the electromagnetic forces generated in an asynchronous electric machine, especially the radial forces and the mechanical behavior of the machine due to these forces. A three-phase squirrel cage asynchronous motor, 4 kW power, was used. The simulation and the study was performed using the program Opera 2-D of Vector Fields, which uses the finite element method to solve partial differential equations describing the operation of the electromagnetic machine. First of all, the electromagnetic analysis of models of the machine in steady state was performed. Using these models, the electromagnetic pressure on teeth of the rotor and stator was calculated and the total radial and tangential force exerted on the rotor was estimated. When the natural frequencies of oscillation of the machine are close to the frequencies of the radial force, coordination is generated and causes noise and vibrations in the machine. To avoid such noises and vibrations, the amplitudes and frequencies of the radial force and the natural frequencies of the machine must be calculated. The same measurements were made on a model engine with a broken bar. The radial forces were plotted and compared with those of the healthy model, in the field of space, time and frequency. Also, a method for the detection of "signatures" electrical fault, through Fourier analysis of the radial electromagnetic force and pressure is disclosed. The results showed that the electromagnetic force is a good parameter to use for the detection of the broken bar fault.

In the current PhD thesis a thorough study is performed on the design, fabrication and analysis of microstructures created by use of laser methods. The work comprises the design and fabrication of organic, inorganic and hybrid microstructures for use in photonics applications. In addition, several techniques are applied for the fabrication and replication of photonic diffractive microstructures. Fabricated structures are tested as potential functional photonic sensors for humidity, ammonia and temperature detection. Furthermore, a detailed study on polymer-based microstructures creation by laser radiation forces is attempted both theoretically and experimentally. The created 2D and 3D free-standing micro/nanostructures are optically characterized. / Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια ενδελεχής μελέτη στην σχεδίαση, κατασκευή και ανάλυση μικροδομών που δημιουργούνται με τη χρήση δέσμης λέιζερ. Η εργασία περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την κατασκευή οργανικών, ανόργανων και υβριδικών μικροδομών για χρήση τους σε εφαρμογές φωτονικής. Επιπρόσθετα, εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές για την κατασκευή και αναπαραγωγή φωτονικών περιθλαστικών μικροδομών. Οι δομές ελέγχονται ως λειτουργικοί φωτονικοί αισθητήρες για την ανίχνευση υγρασίας, αμμωνίας και θερμοκρασίας. Ακόμα, πραγματοποιείται μια λεπτομερής μελέτη πάνω στη δημιουργία μικροδομών βασισμένων σε πολυμερή με χρήση δυνάμεων ακτινοβολίας λέιζερ τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Οι δημιουργούμενες δισδιάστατες και τρισδιάστατες μικρο/νανοδομές ελεύθερου χώρου χαρακτηρίζονται οπτικά.

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς προσροφημένων πολυηλεκτρολυτών. Συγκεκριμένα έγιναν μετρήσεις των δυνάμεων αλληλεπίδρασης μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων. Από τις μετρήσεις αυτές είναι δυνατή η εξαγωγή συμπερασμάτων για το πάχος του προσροφημένου πολυμερικού στρώματος, όπως και για το ποσοστό προσρόφησης των πολυμερών. Τα πολυμερή που μετρήθηκαν είναι αμφίφυλα δυσυσταδικά συμπολυμερή, αποτελούνται από ένα υδρόφοβο τμήμα που προσροφάται σε επιφάνειες και από ένα υδρόφιλο τμήμα. Κατά μήκος της αλυσίδας τους τα πολυμερή μας φέρουν φορτία (είναι σουλφονομένα) και για αυτό τον λόγο αποκαλούνται πολυηλεκτρολύτες. Εξετάζουμε τέσσερα διαφορετικά Μ.Β. (90Κ. 120Κ, 150Κ, 400Κ).Τα δείγματα υπό εξέταση είναι αραιά υδατικά διαλύματα (1/10000) των πολυμερών με την παρουσία ηλεκτρολύτη (άλατος) σε διάφορες συγκεντρώσεις. Τα αιωρήματα αυτά διοχετεύονται εντός κελίου στο οποίο βρίσκονται εμβαπτισμένες οι επιφάνειες προσρόφησης (μίκα). Αυτές με την σειρά τους είναι προσαρμοσμένες σε ημικυλινδρικούς φακούς που βρίσκονται σε διάταξη σταυρού. Δια μέσου των φακών διέρχεται εστιασμένη δέσμη φωτός, που οδηγείται σε φασματοσκόπιο. Εκεί αναλύεται και παρατηρούνται κροσσοί συμβολής. Με την βοήθεια της συμβολομετρίας μπορούμε να παρατηρήσουμε την μετακίνηση που υφίστανται οι φακοί , αλλά και την παρεμπόδιση που εμφανίζεται όταν αναπτύσσονται οι δυνάμεις. Οι δυνάμεις γίνονται μετρήσιμες από την κάμψη ενός ελάσματος που φέρει πάνω του προσαρμοσμένο τον ένα φακό. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων μας δίνουν πολύτιμες πληροφορίες για την συμπεριφορά των πολυμερών. Στα κυριότερα αποτελέσματα, που μπορεί κανείς να αναφερθεί είναι η παρατηρούμενη εξάρτηση του πάχους του πολυμερικού στρώματος από το Μ.Β. των πολυμερών.(αύξηση του πάχους με ελάττωση του Μ.Β.) Επίσης παρατηρείται μία εξάρτηση του πάχους του πολυμερικού στρώματος από την μεταβολή της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη στα διαλύματά μας. Για μεγάλα μοριακά βάρη παρατηρούμε ελάττωση του πάχους με την ελάττωση της συγκέντρωσης του άλατος. Ένα αξιοσημείωτο συμπέρασμα είναι το γεγονός ότι από την επεξεργασία των μετρήσεών μας φαίνεται να σχηματίζεται ένα πυκνό στρώμα κοντά στην επιφάνεια προσρόφησης από το οποίο προεξέχουν με μορφή ακροτενών πολυμερών οι αλυσίδες με μορφολογία βούρτσας. Η έλλειψη υστέρησης από τις μετρήσεις μας, επιβεβαιώνει το συμπέρασμα ότι έχουμε ακροτενή πολυμερή (πολυμερικές βούρτσες). Τέλος παρατηρούμε μονότονα απωστικές δυνάμεις μεταξύ των πολυηλεκτρολυτικών αλυσίδων. / The forces between adsorbed charged diblock copolymers were measured, by the use of the Surface Force Apparatus. Diblock copolymers forming a polymer brush structure were investigated in order to measure the adsorbed layer thickness and their behavior in salt solutions with different concentrations. As we investigate there is an interesting conformation related with the adsorbed layer. It seems to consist by two sections, an anchoring layer and a solvated brush in solution. The anchoring layer is formed from the hydrophobic blocks of the diblock polyelectrolytes. The hydrophilic blocks form a brush in solution. Positive counter ions that are found in conjunction with the negative charges on the polyelectrolyte disassociate in solution. There are as many counter ions as charges on the chain. The presence of salt in the solution means more disassociated ions in the solution. Changes to the salt concentration leads to changes to the forces as well as to the adsorbed layer. We investigate four different molecular weights of the sulfonated polyelectrolyte PtBS-NaPSS (90K, 120K, 150K, 400K) by changing the salt concentration. We find out that the adsorbed layer thickness decreases while the molecular weight increases. We also detect reduce to the layer thickness with salt concentration reduction. The adsorbed amount seems to reduce by increasing the molecular weight and increases by salt concentration reduction. Although the most important conclusion is the anchoring layer which forms a stiff layer very close to the substrate. Finally these polymeric systems can be used in numerous industrial applications as colloid stabilization, biocompatibilization, adhesion, and water treatment e.t.c.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε μελέτη πολυμερικών βουρτσών που διαμορφώνονται από συμπολυμερή πολυστυρενίου-πολυβουταδιενίου που φέρουν στην άκρη τους ομάδες ικανές να προσροφηθούν (PS-PB-Zw) Η μελέτη έγινε κυρίως με την τεχνικής της μέτρησης δυνάμεων (SFA) και της ανάκλασης νετρονίων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι γραμμικές πολυμερικές αλυσίδες όπου ένα μεγάλου μοριακού βάρους πολυμερές φέρει στην άκρη του μια μόνο ακραία ομάδα. Τα γραμμικά αυτά συμπολυμερή είχαν μελετηθεί και στο παρελθόν. Το ζητούμενο όμως ήταν να μεταβάλλουμε την αρχιτεκτονική αυτή και να παρατηρήσουμε τις πιθανές μεταβολές στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των προσροφημένων πολυμερικών στρωμάτων που διαμορφώνουν. Ως μέτρο σύγκρισης μελετήσαμε αρχικά τις ήδη μελετημένες γραμμικές αλυσίδες και στη συνέχεια προχωρήσαμε στη μελέτη των νέων δειγμάτων. Προσθέσαμε δύο και τρεις ακραίες ομάδες στο άκρο της πολυμερικής αλυσίδας μεγάλου μοριακού βάρους και αναμέναμε σύμφωνα με θεωρητικές προβλέψεις αύξηση στο προσροφημένο ποσό. Η αύξηση αυτή θα ήταν εμφανής μέσω της αύξησης του πάχους του πολυμερικού στρώματος που εύκολα μπορεί να μετρηθεί με την τεχνική της μέτρησης των δυνάμεων αλληλεπίδρασης. Επίσης μετρήσαμε άμεσα το προσροφημένο ποσό και με την τεχνική της ανάκλασης νετρονίων για πολυμερή τριών διαφορετικών μοριακών βαρών (25000, 70000 και 150000). Το σημαντικότερο αποτέλεσμά μας είναι ότι δεν παρατηρήσαμε αύξηση στο προσροφημένο ποσό σε σχέση με τις γραμμικές αλυσίδες και σε χρόνους ενός τυπικού πειράματος. Υπήρχε ωστόσο η υποψία ότι σε βάθος χρόνου μπορεί να αυξάνεται το προσροφημένο ποσό. Για το λόγο αυτό διεξαγάγαμε μια σειρά από μετρήσεις «κινητικής» με την τεχνική της ανάκλασης νετρονίων, αλλά και με συμπληρωματικές τεχνικές (διέγερση επιφανειακών πλασμονίων). Καμία μεταβολή δεν παρατηρήσαμε στο προσροφημένο ποσό, ούτε σε βάθος χρόνου αλλά ούτε και με την προσθήκη επιπλέον ακραίων ομάδων ικανών να προσροφώνται σε επιφάνειες. Στη συνέχεια επεκτείναμε τη μελέτη μας στην «αντίστροφη» αρχιτεκτονική. Διατηρήσαμε μια ακραία ομάδα και προσθέσαμε δύο και τρεις πολυμερικές αλυσίδες μεγάλου μοριακού βάρους (Μr=70000). Η αρχιτεκτονική που διαμορφώσαμε με τον τρόπο αυτό ήταν ουσιαστικά αρχιτεκτονική αστεροειδών πολυμερών με μικρό αριθμό πλοκαμιών. Στη περίπτωση αυτή παρατηρήσαμε μια σταδιακή μείωση του προσροφημένου ποσού με την προσθήκη επιπλέον βραχιόνων στο αστέρι. Η μείωση αύτη έχει παρατηρηθεί τόσο από μετρήσεις δυνάμεων, όσο και από μετρήσεις με ανάκλαση νετρονίων. Στα προφίλ δυνάμεων παρατηρούμε διαφοροποιήσεις σε σχέση με την γενική εικόνα που εμφανίζουν οι πολυμερικές βούρτσες. Αυτές οι διαφοροποιήσεις μπορούν να ερμηνευτούν με τη βοήθεια θεωρητικών προβλέψεων για τη συμπεριφορά των αστεροειδών πολυμερών. Η μείωση του προσροφημένου ποσού με αύξηση του αριθμού των πλοκαμιών μπορεί να αποδοθεί είτε σε λόγους κινητικής, είτε σε λόγους αλληλεπίδρασης μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων και μεταξύ των πλοκαμιών ενός μακρομορίου. Επίσης στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήσαμε τη συμπεριφορά προσροφημένων ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών. Οι πολυ-ηλεκτρολύτες συγκεντρώνουν σταδιακά την προσοχή όλο και περισσότερων ερευνητών καθώς εμφανίζουν αρκετές σημαντικές εφαρμογές και είναι συμβατοί με βιολογικά συστήματα. Μέχρι πριν λίγο καιρό οι ασθενείς πολυ-ηλεκτρολύτες, όπως είναι το πολυακρυλικό οξύ που μελετούμε στη παρούσα εργασία, δεν είχαν μελετηθεί εκτενώς. Η μελέτη τους παρουσιάζει δυσκολίες, λόγω της πολυπλοκότητας στη συμπεριφορά τους. Αυτή εξαρτάται τόσο από τη συγκέντρωση άλατος του διαλύματος, όσο και από το pH. Μεταβάλλαμε τόσο τη συγκέντρωση άλατος του διαλύματος, όσο και το pH του διαλύματος εξετάζοντας πως αυτά επηρεάζουν το πάχος του προσροφημένου στρώματος και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των πολυ-ηλεκτρολυτικών προσροφημένων στρωμάτων. Παρατηρήσαμε λοιπόν μείωση του πάχους της πολυ-ηλεκτρολυτικής βούρτσας με αύξηση της συγκέντρωσης άλατος. Το αποτέλεσμα αυτό είναι πλήρως συμβατό με θεωρητικές προβλέψεις. Στη συνέχεια εξετάσαμε τη συμπεριφορά των ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών μεταβάλλοντας το pH του διαλύματος. Παρατηρήσαμε ότι με αύξηση του pH οι πολυμερικές αλυσίδες εκτείνονταν αυξάνοντας το πάχος της πολυμερικής βούρτσας. Αυτή η συμπεριφορά είναι άμεσο αποτέλεσμα της αύξησης του βαθμού διάστασης των πολυμερικών αλυσίδων. Αυξάνοντας το pH περισσότερα φορτία αποσπώνται από την πολυμερική αλυσίδα φορτίζοντάς την έτσι ισχυρότερα. Οι απωστικές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φορτίων εξαναγκάζουν την αλυσίδα σε έκταση επιμηκύνοντας την πολυμερική βούρτσα. Τα αποτελέσματα αυτά είναι επίσης σε πλήρη συμφωνία με θεωρητικές προβλέψεις. / Flexible polymer chains end-tethered to a surface in good solvent tend to extend away from the surface due to excluded volume interactions. At sufficiently high grafting densities the chains become elongated normal to the surface, this extension being opposed by an elastic restoring force of entropic origin to form a layer of stretched chains referred to as a “polymer brush”. These systems have been studied extensively in recent years by numerous experimental techniques and theoretical methods. In the present investigation we have studied asymmetric star-shaped polymers whereby the different arms are either non-adsorbing PS chains or short PB chains terminating in a zwitterionic end-group known to adsorb strongly on surfaces such as mica or quartz. In this manner, it is possible on the one hand to form brushes with a single PS chain, but multiple zwitterionic stickers, and on the other to study the reverse case of multiple non-adsorbing arms attached to a surface via a single zwitterions. We have used the surface force balance technique to determine the interaction between such brush-layers formed on mica and neutron scattering to determine the absorbed amount and interanchor distance. Interactions between polymer brushes formed by highly asymmetric star-like polymers with a long PS arm and one, two or three short PB arms each terminating in a zwitterionic end-group were studied in order to explore the effect of the sticking energy on the brush structure. Polystyrene stars with two and three tails bearing a single end group were also studied to investigate how the height of the adsorbed layer and the grafting density are affected. Our measurements show no significant differences between PS with 1, 2 and 3 end groups. This may be due to kinetic reasons since additional polymer chains are hindered from attaching to a brush-bearing surface. The behavior of two PS chains with one end-group ((PS)2-PB-X) seems not to differ appreciably from that of PS-PB-X copolymer. On the other hand three PS chains with one end-group ((PS)3-PB-X) appeared to form layers with smaller brush height and greater interanchoring distance, relative to PS-PB-X layers. We can attribute this to the extra stretching that the three-chain architecture imposes on the adsorbed brush. In the present investigation we have also studied weak polyelectrolytes. Polyelectrolytes (charged polymer chains) remain among the least understood materials despite their importance in biology (proteins, DNA) and materials science. Their behavior and characteristics are not yet fully understood because of complicated correlations due to their charged nature that gives rise to long-range interactions. The counterplay of their properties as polymers and electrolytes with counterions around polyelectrolyte chains imposes additional difficulties on explaining their behavior. The association of counterions around polyelectrolytes and the pH of the solution are two parameters than can affect the properties of such systems. Especially weak polyelectrolytes (like poly-acrylic acid) are even sensitive to pH changes because of the alterable degree of dissociation. We measured forces between two charged polymer layers of Poly (isoprene-acrylic acid) diblock copolymers adsorbed on mica surfaces. Poly (isoprene-acrylic acid) diblock copolymers can be adsorbed from one end (poly-isoprene) which is sorter than the poly-(acrylic acid) part. The properties of the polymer layer at various salt concentrations and different pH of the solutions were measured by Surface Forces Apparatus. Information about the height of the polymer layer, and the adsorbed amount were extrapolated. The extracted results were compared with theoretical predictions showing well fit.