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Cold Gas Dynamic Spray Additive Manufacturing of Moisture-Electric Energy Transformation DevicesDaoud, Amir 10 January 2020 (has links)
The ever-growing Internet of Things is promoting more data acquisition, data exchange and fewer human interactions, engendering a higher demand for sensors and therefore power. While in most cases it is possible to directly connect these sensors to the power grid, it will not always be feasible with emerging technologies, especially in remote areas where human access is limited.
Moisture-Electric Energy Transformation (MEET) devices are components that use moisture as a “fuel” to generate electrical power. Upon contact with moisture, a potential difference results from a diffusion mechanism, allowing charge to be stored locally in capacitors or rechargeable batteries to be utilized for useful work.
The focus of the present work was to investigate the potential of Cold Gas Dynamic Spray (CGDS) as an additive manufacturing (AM) process for the fabrication of MEET devices. Following a layer-by-layer approach, MEET devices were successfully built by CGDS, by combining aluminum (electrode material) and an in-situ composite of polyether ether ketone (PEEK) and alumina (diffusion medium).
The main challenges of this work were the determination of the spray parameters of PEEK and the investigation of the MEET capability of the manufactured devices. On the other hand, the main contributions of this work were the demonstration of the viability of CGDS in the deposition of PEEK/Al2O3 on aluminum 6061-T6 substrates, as well as the potential of PEEK as a MEET-capable material. The diffusion mechanisms that govern power generation were also hypothesized, explained and summarized.
Initial tests of a MEET device of 66 mm x 34 mm indicate an uninterrupted power generation cycle of over 30 hours, and a maximum output voltage of 268 mV with a 6.8 MΩ load. The output power and power per unit area of the device were computed to be 10.63 nW and 4.736 µW/m2 respectively. The output current and current density were evaluated to 39.53 nA and 17.62 µA/m2.
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SCALABLE SPRAY DEPOSITION OF MICRO-AND NANOPARTICLES AND FABRICATION OF FUNCTIONAL COATINGSSemih Akin (14193272) 01 December 2022 (has links)
<p>Micro- and nanoparticles (MNP) attract much attention owing to their unique properties, structural tunability, and wide range of practical applications. To deposit these important materials on surfaces for generating functional coatings, a variety of special delivery systems and coating/printing techniques have been explored. Herein, spray coating technique is a promising candidate to advance the field of nanotechnology due to its low-cost, high-deposition rate, manufacturing flexibility, and compatibility with roll-to-roll processing. Despite great advances, direct scalable spray writing of functional materials at high-spatial resolution through fine patterning without a need of vacuum and mask equipment still remains challenging. Addressing these limitations requires the development of efficient spray deposition techniques and novel manufacturing approaches to effectively fabricate functional coatings. To this end, this dissertation employs three different spray coating methods of (1) cold spray; (2) atomization-assisted supersonic spray, and (3) dual velocity regime spray to address the aforementioned limitations. A comprehensive set of coating materials, design principles, and operational settings for each spray system are tailored for rapid, direct, and sustainable deposition of MNP on various substrates. Besides, through the two-phase flow modeling, droplets dispersion and deposition characteristics were investigated under both subsonic and supersonic flow conditions to uncover the process-structure-property relationships of the established spray systems. Moreover, novel spray-based manufacturing approaches are developed to fabricate functional coatings in various applications, including (i) functional polymer metallization, (ii) printed flexible electronics, (iii) advanced thin-film nanocoating, (iv) laser direct writing, and (v) electronic textiles.</p>
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Haftmechanismen kaltgasgespritzter Aluminiumschichten auf keramischen OberflächenDrehmann, Rico 17 October 2017 (has links) (PDF)
Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.
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Haftmechanismen kaltgasgespritzter Aluminiumschichten auf keramischen OberflächenDrehmann, Rico 17 October 2017 (has links)
Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.
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