This study investigated the influence of the attainable region technique to ball milling as applied in reactor technology. Flow rate, ball filling, mill speed, ball size and mill density were varied. When each was varied, the rest of the parameters were kept constant in-order to determine the influence of each parameter on the process of milling. Selection function and breakage function parameters were selected for the mill model. These were kept constant for all four circuit configurations: open milling circuit, normal closed circuit, reverse closed circuit, and combined closed circuit. Flow rate was varied from 10 tph to 150 tph. It was observed that in all circuit configurations the optimum results were obtained from 90 tph upwards. When ball filling was varied, the optimum results were obtained between 30 % and 40 % of ball filling. At this range the mill is neither experiencing under-filling nor over-filling. When the mill speed was varied, at 60 – 80 % of critical speed the product specification was achieved and for grinding balls, sizes of between 60 mm and 90 mm yielded the optimum results. Varying the mill density resulted in insignificant changes. From the results, the combined closed circuit produced more of the product specification. / School of Engineering / M. Tech. (Engineering: Chemical)

Une étude en deux parties a été effectuée sur la préparation et la caractérisation de céramiques de ZnSe et de verres de phosphate à des fins optiques. Pour préparer des poudres de ZnSe, deux voies de synthèse ont été utilisées: i) hydrothermales; ii) le broyage à billes. La taille des particules ainsi que leur morphologie a été analysée par différentes techniques (DRX, MEB…). Ensuite, deux technologies de frittage, pressage à chaud (HP) et frittage flash (SPS), ont été mises en œuvre pour obtenir des échantillons massifs de ZnSe optiquement transparents. La meilleure transmission obtenue dans le domaine du moyen infrarouge, pour les échantillons HP et SPS, est supérieure à 50% et 40% respectivement. Pour obtenir des verres de phosphate avec une grande durabilité chimique, des cations avec une intensité de champ élevée tels que Nb5+ et Ti4+ ont été incorporés dans un verre de phosphate. La transparence dans le domaine du visible a été obtenue en utilisant de petites quantités d'agents d'oxydation tels que les sulfates ou les nitrates. L’utilisation de la spectroscopie par réflectance diffuse a permis de déterminer les coordonnées chromatiques afin d’évaluer le bénéfice de ces ajouts. / A two-part study was conducted on the preparation and characterization of ZnSe ceramic and phosphate glasses for optical applications in the visible and infrared range. To prepare ZnSe powders, two synthetic routes were used: i) hydrothermal; ii) ball milling. The size and morphology of synthesized powders were analyzed using different techniques (XRD, SEM…). Then two sintering technologies, hot pressing (HP) sintering and spark plasma sintering (SPS) sintering have been implemented to obtain optically transparent ZnSe bulk samples. The best transmission obtained in the mid-infrared range, using HP and SPS, is greater than 50% and 40% respectively. To synthesize phosphate glasses with a high chemical durability, cations with high field strength such as Nb5+ and Ti4+ were incorporated into a phosphate matrix. The transparency in the visible range was obtained using small amounts of oxidation agents such as sulfates or nitrates. The use of diffuse reflectance spectroscopy led to determination of the chromaticity coordinates to evaluate the benefit of these additions.

The research work in this thesis has been devoted to understand the formation mechanism of single-crystalline and textured polycrystalline nanoparticles and nanoflakes of SmCo5 and Nd2Fe14B prepared by surfactant-assisted (SA) ball milling and to study their microstructural and magnetic properties. The nanoparticles and nanoflakes are promising candidates to be used as hard magnetic phase for the fabrication of high-energy-density exchange-coupled nanocomposite magnets. The influence of a range of different surfactants, solvents and milling parameters on the characteristics of ball-milled powder has been systematically investigated. Small fraction (~10 wt.%) of SmCo5 nanoparticles of average diameter 15 nm along with textured polycrystalline nanoflakes of average diameter 1 µm and average thickness of 100 nm were obtained after SA – ball milling of SmCo5 powder. Isolated single-crystalline particles (200-500 nm) and textured polycrystalline flakes (0.2-1.0 µm) of Nd2Fe14B have been prepared in bulk amount (tens of grams), after SA – ball milling of dynamic-hydrogen-disproportionation-desorption-recombination (d-HDDR) processed Nd2Fe14B powder. These single-crystalline Nd2Fe14B particles are promising for their microstructure for the fabrication of exchange-coupled nanocomposite permanent magnets. The SmCo5 and Nd2Fe14B flakes and particles were well aligned in magnetic field: the former showed [001] out-of-plane orientation while the latter showed [001] in-plane orientation. A maximum degree of texture values of 93 % and 88 % have been obtained for the magnetically-oriented SmCo5 flakes and Nd2Fe14B single-crystalline particles, respectively. SA – ball milling resulted in an increase of coercivity of SmCo5 particles from 0.45 T for un-milled powder to a maximum value of 2.3 T after 1 h of milling, further milling resulted in a decrease of the coercivity. The coercivity of SA – ball-milled Nd2Fe14B particles decreased drastically from 1.4 T for un-milled d-HDDR powder to 0.44 T after 0.5 h of milling, isolated single-crystalline particles (200-500 nm size) obtained after 4 h of SA – ball milling showed a coercivity of 0.34 T. The drastic decrease in coercivity of ball-milled Nd2Fe14B particles is attributed to the morphological change because the demagnetization in Nd2Fe14B magnets is governed by nucleation mechanism. A remarkable enhancement in coercivity from 0.26 T to 0.70 T for ethanol-milled sample and from 0.51 T to 0.71 T for oleic-acid-milled samples has been obtained after an optimum heat-treatment at 400 0C. An increase of α-Fe and Nd2O3 phase contents and a sharp change of lattice parameter c of Nd2Fe14B was observed when heat-treating above 400 0C. The change in lattice parameter at higher temperature is thought to be due to partial substitution of carbon atoms present in the surfactant or solvent, for boron atoms. / Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Mechanismus der Herstellung von einkristallinen und texturierten polykristallinen Nanopartikeln und Nanoflakes aus SmCo5 und Nd2Fe14B durch Tensid-gestütztes Kugelmahlen zu verstehen. Des Weiteren soll deren Gefüge und magnetische Eigenschaften untersucht werden. Die Nanopartikel sind vielversprechende Kandidaten zur Verwendung als hartmagnetische Phase in hochentwickelten, austauschgekoppelten Nanokomposit-Magneten. Der Einfluß der Art der verwendeten Tensid, Lösungsmittel sowie Mahlparameter auf die Eigenschaften der kugelgemahlenen Pulver wurde systematisch untersucht. Ein kleiner Anteil (~10 m.%) von SmCo5 Nanopartikeln mit mittlerem Durchmesser von 15 nm zusammen mit texturierten polykristallinen Plättchen mit mittlerem Durchmesser von 1 µm und mittlerer Dicke von 100 nm wurden nach Tensid-gestütztes Kugelmahlen erzeugt. Alleinstehende einkristalline Partikel (200-500 nm) und texturierte polykristalline Plättchen (0,2-1,0 µm) aus Nd2Fe14B wurden in größeren Mengen (einige 10 g) hergestellt. Das verwendete Ausgangspulver wurde hierbei durch dynamisches-Hydrierung-Disproportionierung-Desorption-Rekombination (d-HDDR) hergestellt und anschließend Tensid-gestütztes Kugelmahlen. Die genannten einkristallinen Nd2Fe14B Partikel sind ebenfalls vielversprechend als hartmagnetischer Bestandteil von austauschgekoppelten Nanokomposit-Magneten. Die SmCo5- und Nd2Fe14B-Plättchen und -Partikel wurden alle in einem Magnetfeld ausgerichtet: erstere zeigten aus der Ebende herauszeigende und letztere in der Ebene liegende [001]-Orientierung. Ein maximaler Texturgrad von 93% wurde für im Magnetfeld ausgerichtete SmCo5 flakes bzw. 88% für einkristalline Nd2Fe14B Partikel erzielt. Tensid-gestütztes Kugelmahlen führte zu einem Anstieg der Koerzitivfeldstärke von SmCo5 Partikeln von 0,45 T für ungemahlenes Pulver auf 2,3 T nach einer Mahldauer von 1 h. Weiteres Mahlen führte zu einem Abfall der Koerzitivfeldstärke. Die Koerzitivfeldstärke von Tensid-gestütztes Kugelmahlen Nd2Fe14B Partikeln verringerte sich stark von 1,4 T von ungemahlenem d-HDDR Pulver auf 0,44 T nach 0,5 h Mahlen. Freistehende einkristalline Partikel (200-500 nm groß), welche nach 4 h Tensid-gestütztes Kugelmahlen erhalten wurden, zeigten eine Koerzitivfeldstärke von 0,34 T. Der starke Abfall der Koerzitivfeldstärke von gemahlenen Nd2Fe14B Partikeln wird die morphologischen Veränderungen zurückgeführt, da die Ummagnetisierung nukleationsgesteuert ist. Ein bemerkenswerter Anstieg der Koerzitivfeldstärke von 0,26 T auf 0,70 T wurde für eine in Ethanol gemahlene Probe verzeichnet, sowie ein Anstieg von 0,51 auf 0,71 T für eine Probe, welche mit einer Zugabe von Oleinsäure gemahlen wurde. Beide Proben wurden einer optimierten Wärmebehandlung bei 400°C unterzogen. Bei höheren Temperaturen wurde für Nd2Fe14B ein Anstieg der Menge an α-Fe und Nd2O3 gefunden und eine sprungartige Veränderung des Gitterparameters c der Nd2Fe14B Phase. Die Veränderung des Gitterparameters wird auf die partielle Substitution von Kohlenstoffatomen des Tensid oder Lösungsmittels gegen Boratome zurückgeführt.

In this study, the effect of speed was investigated on the breakage rate of UG2 platinum ore in a batch mill of 5 dm3 and 175 mm internal diameter. One size fraction method was carried out to perform the experiment. Five mono-sized fractions in the range of 1.180 mm to 0.212 mm separated by √2 series interval were prepared. The fractions were milled at different grinding times (0.5, 2, 4, 15 and 30 min) and three fractions of mill critical speed were considered (20%, 30%, and 40%). The target of critical speed below 50% was due to the need of lower energy consumption in milling processes. The selection and breakage function parameters were determined and compared for fractions of critical speed. First the grinding kinetics of the ore was determined and it was found that the material breaks in non-first order manner. Thereafter, effective mean rate of breakage was determined. It was found that the rate of breakage increased with increase of mill speed and optimum speed was not reached in the range of chosen mill speed fractions. Again the rate of breakage was plotted as a function of particle size, the optimum size was 0.8 mm when milling at 30% critical speed. As for 20% and 30% optimum size was not reached. The selection function parameters estimated at 30% critical speed were 𝑎0 = 0.04 min−1 , 𝛼 = 1.36, 𝜇 = 0.9 mm, and Λ = 3. Breakage function parameters were determined and was noticed that the material UG2 platinum ore is non-normalised, i.e. Φ value was changing from 0.25 to 0.90 depending on feed size and mill speed. The parameters 𝛽 and 𝛾 were constant at 7.3 and 1.17 respectively. / College of Science, Engineering and Technology / M. Tech. (Chemical Engineering)

Planetary ball milling (PBM) is a well-known technique for efficient size reduction and homogenization of materials that has been used for many decades in various engineering and industrial processes. More recently, it has emerged as a unique top-down nanofabrication approach for nanomaterials based on nanoscale grinding. However, its potential application in nanostructured thin film fabrication has not been fully explored, as only a limited number of studies have been carried out. In this work, the effects of different grinding parameters (speed, time and solvents) were used to create previously unstudied nanoscale grinding conditions for nanostructured thin film materials via PBM with distinct and novel properties: Nanoparticles of silicon, titanium disilicide (TiSi2) and zinc oxide (ZnO) ground in different solvents (deionized (DI) water/ ethylene glycol (EG)/isopropyl alcohol) resulted in colloidal suspensions (or nanoinks) that could be used to coat various substrates (wafers, glass, flexible substrates, etc.) via drop casting, doctor blading or dip coating. Thin film properties such as wettability, electrical conductivity and gas sensing behavior are studied. The fabricated thin film coating properties could be tuned depending on the combination of starting powder materials, grinding parameters and resulting nanoparticle size/geometry: The influence of surface chemistry, solvent type, particle geometry, surface roughness and defects was shown to alter the conductivity and surface wettability of the resultant films. Thus, thin films formed using PBM nanoinks allow varied and tunable properties for advanced multi-functional coatings and devices. To demonstrate the feasibility of PBM nanoinks for thin film device applications, ZnO nanoinks were used to create chemiresistive gas sensors that operate at room temperature. By varying grinding parameters (speed, time and solvent) thin film sensors with differing particle sizes and porosity were produced and tested with air/oxygen against hydrogen, argon and methane target gas species, in addition to relative humidity. Grinding speeds of up to 1000 rpm produced particle sizes and RMS thin film roughness below 100 nm, as measured by atomic force microscopy and scanning electron microscopy. Raman spectroscopy, photoluminescence and x-ray analysis confirmed the purity and structure of resulting films. The peak gas sensor response was found for grinding parameters of 400 rpm (average particle size 275 nm) and 30 minutes (average particle size 225 nm) in EG and DI water, respectively, which could be correlated to an increased film porosity and an enhanced electron concentration resulting from adsorption/desorption of oxygen ions on the surface of ZnO nanoparticles. Similarly, gas response and dynamic behavior were found to improve as the operating temperature was increased between 100 and 150 °C. These results demonstrate the use of low-cost PBM nanoinks to optimize the active materials for solution-processed thin film gas/humidity sensors that can operate at room temperature for use in environmental, medical, food packaging, laboratory, and industrial applications. Overall, the nanogrinding technique can produce large amounts of nanoparticle suspension with variable particle sizes for creating thin films with tunable properties. By adjusting grinding parameters, the nanoparticle shape/size and properties can be varied resulting in nanoparticle inks for inexpensive coatings on various substrates and for use in different applications. / Graduate

Die Verstärkung von Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen kann durch die Integration von Hartphasenpartikeln in die Matrix erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung der Komposite ist abhängig davon, wie die Verstärkungsphase die einwirkenden Kräfte aufnehmen kann und zudem von den Auswirkungen der Verstärkungsphase auf das Werkstoffgefüge. Die Verfestigung wird zurückgeführt auf Versetzungsmultiplikation, Matrixpartitionierung und Orowan-Verstärkungseffekte. Die Festigkeit steigt durch Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungsphase sowie durch die Reduktion der Größe der Verstärkungsphase. Darüber hinaus kann die Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen durch eine Gefügemodifikation verbunden mit einer Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung kann auch durch die Schaffung harmonischer Strukturen, d.h. durch ein bimodales Gefüge, erfolgen. Dieses wird erzeugt durch kontrolliertes Mahlen der partikelförmigen Precursor-Phase, die dann aus grobkörnigen Kerngebieten bestehen, eingebettet in eine kontinuierliche feinkörnige Matrix. In dieser Arbeit werden Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis durch Hochenergiemahlen und anschließender Konsolidierung durch Heißpressen hergestellt. Ausgehend von der in-situ Herstellung intermetallischer Verstärkungsphasen in Al-Mg-Verbundwerkstoffen werden außerdem in-situ Gefügemodifikationen in Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffen betrachtet. Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffe mit harmonischer Struktur konnten dabei erfolgreich hergestellt werden. Anschließend wurde der Einfluss der mikrostrukturellen Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften analysiert. Al-Mg-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden aus den Pulvergemischen von elementarem Aluminium und Magnesium durch druckunterstütztes reaktives Sintern hergestellt. Das Ziel ist es, den Einfluss des anfänglichen Volumenanteils von Magnesium auf die mikrostrukturellen Veränderungen und die Entstehung der in-situ intermetallischen Verstärkungsphase zu analysieren. Zudem wird der Einfluss der Reaktion zwischen Aluminium und Magnesium und die damit verbundene Bildung der intermetallischen Phasen β-Al3Mg2 und γ-Al12Mg17 auf die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersucht. Die Bildung der intermetallischen Phasen verbraucht zunehmend Aluminium und Magnesium und bewirkt eine Verfestigung der Verbundwerkstoffe: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit steigen mit zunehmendem Gehalt an intermetallischer Verstärkungsphase auf Kosten der plastischen Verformung. In der nächsten Phase wird im Al-Fe3Al-System die Wirksamkeit der Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase als festigkeitssteigernde Maßnahme zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden transformierte und nicht-transformierte Verbundwerkstoffe durch Heißpressen bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellt. Phasenanalyse und mikrostrukturelle Charakterisierung der transformierten Verbundwerkstoffe zeigten die Bildung der intermetallischen Phasen Al5Fe2 und Al13Fe4, die als Verstärkungsphase mantelförmig um die die Fe3Al-Phase angeordnet sind. Die Al-Matrix wird dabei mit steigendem Anteil an Verstärkungsphase zunehmend verbraucht. Um die durch die Al-Fe3Al-Reaktion induzierte Phasenfolge zu analysieren, wurden Verbundwerkstoffe, bestehend aus Al-Matrix und einem einzigen mm-großen Fe3Al-Partikel durch Heißpressen bei 823, 873 und 903 K synthetisiert. Die Gefüge- und Phasenanalyse deuten darauf hin, dass die In-situ-Phasenumwandlung durch atomare Diffusion von Aluminium in Fe3Al erfolgt und die Bildung von in-situ intermetallischen Phasen (Al5Fe2 und Al13Fe4) ausschließlich innerhalb der ursprünglichen Fe3Al-Partikel stattfindet. Die Phasenumwandlung beim Heißpressen führt zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit erhöhen sich von 70-360 MPa und 200-500 MPa für die nicht umgewandelten Verbundwerkstoffe auf 400-1800 MPa und 550-1800 MPa für die umgewandelten Materialien. Damit verbunden ist jedoch auch eine verringerte plastische Verformbarkeit in den umgewandelten Kompositen. Die Streckgrenze von transformierten und nicht transformierten Verbundwerkstoffen folgt dem Iso-Stress-Modell, wenn die charakteristischen strukturellen Merkmale (d.h. Verstärkungsphasen und Matrix) berücksichtigt werden. Schließlich wird das Konzept der harmonischen Strukturen für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erweitert, indem die Wirksamkeit solcher bimodaler Gefüge als Verstärkungsmethode für Verbundwerkstoffe aus einer reinen Al-Matrix verstärkt mit Fe3Al-Partikeln betrachtet wird. Ziel der Studie ist es, die Gefügeveränderungen zu untersuchen, die durch das Hochenergiemahlen der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen induziert werden. Weiterhin soll der Einfluss des so veränderten Gefüges auf das mechanische Verhalten der durch Heißpressen synthetisierten Verbundproben charakterisiert werden. Die beabsichtigte Kornfeinung beschränkt sich auf die Oberfläche der Partikel, wo die Fe3Al-Phase während der Kugelmahlung der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen nach und nach fragmentiert wird. In den bei der anschließenden Pulverkonsolidierung erzeugten harmonisierten Kompositen wird die feinkörnige Oberfläche zur kontinuierlichen feinkörnigen Matrix, die Makroregionen mit grobkörnigen Verstärkungspartikeln umschließt. Die Erzeugung der bimodalen Gefüge hat einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe, die die des konventionellen Materials um den Faktor 2 übertrifft, ohne die plastische Verformbarkeit zu beeinträchtigen. Zudem zeigt die Modellierung der mechanischen Eigenschaften, dass die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe genau beschrieben werden kann, indem sowohl der Volumenanteil der Verstärkungsphase als auch die charakteristischen Gefügemerkmale der harmonischen Struktur berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Pulvermetallurgie (d.h. Hochenergiemahlen mit anschließendem Heißpressen) erfolgreich eingesetzt werden kann, um hochfeste Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis mit intermetallischer Verstärkungsphase herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Phasenumwandlung und durch die Anordnung von Verstärkungsphasen hervorgerufene Gefügeveränderungen die Festigkeit der Verbundwerkstoffe signifikant erhöht werden kann. Die Festigkeit und Verformbarkeit der so erzeugten Komposite hängt vom Volumenanteil und der Anordnung der Verstärkungsphase sowie der Grenzflächenreaktion zwischen den Ausgangskomponenten ab. / The strengthening of aluminum matrix composites can be achieved by incorporating hard phase particles in the matrix. The strengthening of the composites depends on the ability of the reinforcement to bear the load and on the microstructural changes induced by the reinforcement addition. The microstructural strengthening is mainly associated with dislocation multiplication, matrix partitioning and Orowan strengthening effects. The strength increases by increasing the reinforcement volume fraction as well as by reducing the size of the reinforcing particles. Additionally, strengthening of composites can be achieved by microstructural modifications through the proper reaction between matrix and reinforcement. Strengthening can also be efficiently attained by the creation of harmonic structures: bimodal microstructures generated by controlled milling of the particulate precursors, which consist of coarse-grained cores embedded in a continuous fine-grained matrix. In this thesis, aluminum based composites are synthesized using ball milling followed by consolidation through hot pressing. Starting from the in-situ creation of intermetallic reinforcements in Al-Mg composites, the research proceeds towards the in-situ microstructural modification in Al-Fe3Al composites. Finally, Al-Fe3Al composites with harmonic structure are successfully produced. The consolidated composites are characterized to analyze the effect of the microstructural changes on the mechanical properties. Lightweight Al-Mg metal matrix composites are synthesized from elemental powder mixtures of aluminum and magnesium using pressure-assisted reactive sintering. The aim is to analyze the effect of the initial volume percent of magnesium on the microstructural modifications and development of the in-situ intermetallic reinforcements. The effect of the reaction between aluminum and magnesium on the mechanical properties of the composites due to the formation of β-Al3Mg2 and γ-Al12Mg17 intermetallics is also investigated. The formation of the intermetallic compounds progressively consumes aluminum and magnesium and induces strengthening of the composites: the yield and compressive strengths increase with increasing the content of intermetallic reinforcement at the expense of the plastic deformation. In the next stage, the effectiveness of the reaction between matrix and reinforcement as a strengthening method for further improving the mechanical performance composites is investigated for the Al-Fe3Al system. To achieve this aim, transformed and non-transformed composites are produced by hot pressing at different temperatures. Phase analysis and microstructural characterization of the transformed composites reveal the formation of a double-shell-reinforcement with Al5Fe2 and Al13Fe4 intermetallics surrounding the Fe3Al phase, while the Al matrix is progressively consumed with increasing the reinforcement content. In order to analyze the phase sequence induced by the Al-Fe3Al reaction, composites consisting of Al matrix and a single mm-sized Fe3Al particle were synthesized through hot pressing at 823, 873 and 903 K. The microstructural investigations and phase identifications suggest that in-situ phase transformation occurs through atomic diffusion of aluminum in Fe3Al and the formation of in-situ intermetallics (Al5Fe2 and Al13Fe4) takes place exclusively within the original Fe3Al particles. The phase transformation during hot pressing induces significant strengthening: the ranges of yield and compressive strengths increase from 70-360 MPa and 200-500 MPa for the non-transformed composites to 400-1800 MPa and 550-1800 MPa for the transformed materials. This occurs at the expense of the plastic deformation, which is generally reduced in the transformed composites. The yield strength of both transformed and non-transformed composites follows the iso-stress model when the characteristic structural features (i.e. strengthening phases and matrix) are taken into account. At the end, the concept of harmonic structures is extended to metal matrix composites by analyzing the effectiveness of such bimodal microstructures as a strengthening method for composites consisting of a pure Al matrix reinforced with Fe3Al particles. The purpose of the study is to examine the microstructural variations induced by ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures and how such variations influence the resulting microstructure and mechanical response of the bulk composite specimens synthesized by hot-pressing. Preferential microstructural refinement limited to the surface of the particles, where the Fe3Al phase is progressively fragmented, occurs during ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures. The refined surface becomes the continuous fine-grained matrix that encloses macro-regions with coarser reinforcing particles in the harmonic composites synthesized during subsequent powder consolidation. The generation of the bimodal microstructure has a significant influence on the strength of the harmonic composites, which exceeds that of the conventional material by a factor of 2 while retaining considerable plastic deformation. Finally, modeling of the mechanical properties indicates that the strength of the harmonic composites can be accurately described by taking into account both the volume fraction of reinforcement and the characteristic microstructural features describing the harmonic structure. The results of the current research work demonstrate that powder metallurgy (i.e. ball milling followed by hot consolidation) can be successfully used to produce high strength aluminum based composites reinforced by intermetallics. The findings indicate that phase transformation and reinforcement arrangement based microstructural modifications can significantly enhance the strength of the composites. The strength and deformability of the composites depends on the volume fraction and arrangement of the reinforcement along with the interfacial reaction between the initial components.

Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien sind insbesondere von der hohen spezifischen Kapazität ihrer Elektrodenmaterialien abhängig. Intermetallische Phasen sind vielversprechende Kandidaten für alternative Anodenmaterialien mit verbesserten spezifischen Kapazitäten (LiAl: 993 Ah/kg; Li22Si5: 4191 Ah/kg) gegenüber den derzeit vielfach verwendeten Kohlenstoff-Materialien (LiC6: 372 Ah/kg). Nachteilig ist jedoch, dass die kristallinen Phasenumwandlungen während der Lade-Entlade-Prozesse Volumenänderungen von 100-300% verursachen. Durch die Sprödigkeit der intermetallischen Phasen führt dies zum Zerbrechen des Elektrodenmaterials und damit zum Kontaktverlust. Um Lithiierungs- und Delithiierunsprozesse ohne kristalline Phasenumwandlungen zu realisieren und somit große Volumenänderungen zu vermeiden, wurden amorphe Al-Legierungen untersucht. In amorphe, mittels Schmelzspinnen hergestellte Legierungen (Al86Ni8La6 und Al86Ni8Y6) kann beim galvanostatischen Zyklieren nur sehr wenig Li eingelagert werden. Da kristalline Phasenumwandlungen im amorphen Zustand nicht möglich sind, wird für die Diffusion und Einlagerung von Li-Ionen ein ausreichendes freies Volumen im amorphen Atomgerüst benötigt. Die Dichtemessung der Legierungen zeigt, dass dieses freie Volumen für eine signifikante Lithiierung nicht ausreichend ist. Wird Li bereits in die amorphe Ausgangslegierung integriert, können Li-Ionen auf elektrochemischem Wege aus ihr entfernt und auch wieder eingebaut werden. Die neuartige Legierung Al43Li43Ni8Y6, die Li bereits im Ausgangszustand enthält, konnte mittels Hochenergiemahlung als amorphes Pulver hergestellt werden. Verglichen mit den Li-freien amorphen Legierungen Al86Ni8La6 bzw. Al86Ni8Y6 und ihren kristallisierten Pendants zeigt diese neu entwickelte, amorphe Legierung eine signifikant höhere Lithiierungsfähigkeit und erreicht damit eine spezifische Kapazität von ca. 800 Ah/kg bezogen auf den Al-Anteil. Durch den Abrieb des Stahlmahlbechers enthält das Pulver Al43Li43Ni8Y6 einen Fe-Anteil von ca. 15 Masse%. Dieses mit Fe verunreinigte Material zeigt besonders bei niedrigen Laderaten eine bessere Zyklenstabilität als ein im abriebfesten Siliziumnitrid-Becher gemahlenes Pulver der gleichen Zusammensetzung. Mittels Mössbauerspektroskopie wurde nachgewiesen, dass das Pulver z.T. oxidisches Fe enthält. Dieses kann über Konversionsmechanismen einen Beitrag zur spezifischen Kapazität leisten. / High-energy Li-ion batteries exceedingly depend on the high specific capacity of electrode materials. Intermetallic alloys are promising candidates to be alternative anode materials with enhanced specific capacities (LiAl: 993 Ah/kg; Li22Si5: 4191 Ah/kg) in contrast to state-of-the-art techniques, dominated by carbon materials (LiC6: 372 Ah/kg). Disadvantageously the phase transitions during the charge-discharge processes, induced by the lithiation process, cause volume changes of 100-300 %. Due to the brittleness of intermetallic phases, the fracturing of the electrode material leads to the loss of the electrical contact. In order to overcome the huge volume changes amorphous Al-based alloys were investigated with the intension to realize the lithiation process without a phase transformation. Amorphous powders (Al86Ni8La6 and Al86Ni8Y6) produced via melt spinning and subsequent ball milling only show a minor lithiation during the electrochemical cycling process. This is mainly caused by the insufficient free volume, which is necessary to transfer and store Li-ions, since phase transitions are impossible in the amorphous state. If Li is already integrated into the amorphous alloy, Li-ions can easily be removed and inserted electrochemically. The new alloy Al43Li43Ni8Y6 contains Li already in its initial state and could be prepared by high energy milling as an amorphous powder. Compared with the Li-free amorphous alloys Al86Ni8La6 or Al86Ni8Y6 and their crystalline counterparts, this newly developed amorphous alloy achieves a significantly higher lithiation and therefore reaches a specific capacity of 800 Ah/kg, based on the Al-content. By the abrasion of the steel milling vials the powder contains a wear debris of 15 mass% Fe. This contaminated material shows a better cycling stability than a powder of the same composition, milled in a non-abrasive silicon nitride vial. By means of Mössbauer spectroscopy has been shown that the wear debris contains Fe oxides. This may contribute to the enhancement of the specific capacity about conversion mechanisms.

Exploring the use of seedless blackcurrant pomace, a fibre-rich by-product of juice pressing, in foods is favourable due to its nutritional profile but also for economic and sustainability aspects. Current applications are limited to products in which rapid fibre swelling, high water solubility or low sedimentation is not essential. In this study, functional properties of seedless blackcurrant pomace were modified by thermo-mechanical treatments using extrusion cooking or micronization in a planetary ball mill. A full factorial design showed that low pomace moisture (11 g/100 g) had the highest impact on swelling capacity (+ 20.6%) and water solubility index (+ 23.2%), whereas variation in extrusion temperature exhibited only minor effects. After milling for 4 h, the median particle size was reduced by 98% to 4 µm and the specific surface area increased from 0.1 to 2.5 m2/mL. Swelling capacity was highest after this time with 7.6 mL/g pomace and, although the amount of extractable sugars was reduced, water solubility increased to 7.6 g/100 g. In contrast to extruded samples, the red colour of the pomace was intensified after milling. Both treatments appear as promising to extend the applicability of fruit by-products in foods, as micronized pomace may counteract sedimentation in liquids, whereas increased swelling capacity after extrusion may have stabilizing effects on yoghurt-like systems.

This work focuses on understanding the impact-initiated combustion of aluminum powder compacts. Aluminum is typically one of the components of intermetallic-forming structural energetic materials (SEMs), which have the desirable combination of rapid release of thermal energy and high yield strength. Aluminum powders of various sizes and different levels of mechanical pre-activation are investigated to determine their reactivity under uniaxial stress rod-on-anvil impact conditions, using a 7.62 mm gas gun. The compacts reveal light emission due to combustion upon impact at velocities greater than 170 m/s. Particle size and mechanical pre-activation influence the initiation of aluminum combustion reaction through particle-level processes such as localized friction, strain, and heating, as well as continuum-scale effects controlling the amount of energy required for compaction and deformation of the powder compact during uniaxial stress loading. Compacts composed of larger diameter aluminum particles (~70µm) are more sensitive to impact initiated combustion than those composed of smaller diameter particles. Additionally, mechanical pre-activation by high energy ball milling (HEBM) increases the propensity for reaction initiation. Direct imaging using high-speed framing and IR cameras reveals light emission and temperature rise during the compaction and deformation processes. Correlations of these images to meso-scale CTH simulations reveal that initiation of combustion reactions in aluminum powder compacts is closely tied to mesoscale processes, such as particle-particle interactions, pore collapse, and particle-level deformation. These particle level processes cannot be measured directly because traditional pressure and velocity sensors provide spatially averaged responses. In order to address this issue, quantum dots (QDs) are investigated as possible meso-scale pressure sensors for probing the shock response of heterogeneous materials directly. Impact experiments were conducted on a QD-polymer film using a laser driven flyer setup at the University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC). Time-resolved spectroscopy was used to monitor the energy shift and intensity loss as a function of pressure over nanosecond time scales. Shock compression of a QD-PVA film results in an upward shift in energy (or a blueshift in the emission spectra) and a decrease in emission intensity. The magnitude of the shift in energy and the drop in intensity are a function of the shock pressure and can be used to track the particle scale differences in the shock pressure. The encouraging results illustrate the possible use of quantum dots as mesoscale diagnostics to probe the mechanisms involved in the impact initiation of combustion or intermetallic reactions.

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