The increasing demand for energy and the necessity to overcome the depletion of fossil fuel supplies requires that alternative energy sources be developed. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are one of the alternative technologies to minimise our dependence on fossil fuel due to their numerous advantages including high efficiency, long-term stability, fuel flexibility and low emissions. However, the development of reliable sealing techniques remains a crucial challenge to overcome to allow usable efficiency and facilitate commercialization. Sealing technology has been object of research for several years. Nevertheless, the optimal solution is yet to be found. The use of a glass composite approach is attractive as it allows the possibility of engineering the properties of the seal, by independently adjusting the particle size distribution and volume fraction of the additives. In the present work, the interaction between various SiO2 based glasses with nickel and B2O3 based glasses with silver were studied. Results as a function of additive particle size distribution (7-100 microns) and volume fraction (0-18%) will be presented. Micrographs, X-ray patterns and CTE measurements showed that the proposed systems have adequate characteristics for usage as seal for fuel cells due to the inertness of the additive particles with the respective glass matrix and predictable long-term chemical and thermal stability. The use of DTMA as a technique to calculate the onset of residual stresses, explores the influence of the additive and its interfacial interactions on the dissipation of energy during deformation. The multi-frequency test lead to an activation energy for stress relaxation between 400 and 600 kJ/mol depending on the different additive content. Furthermore, the temperature difference between de Tg and the onset of residual stresses was calculated showing that increments on the additive content results on a larger temperature range that allows stress relaxation. The mechanical response under compression test was also investigated to identify the potential deformation of a stack during service. The results showed that the glass composites can experience large deformations during the entire service cycle and not only during the isothermal service hold. Moreover, the microstructure in terms of crystalline phase evolves with the test temperature and the applied force, showing an increase of the crystals volume fraction when either the temperature of the applied load increase. The microstructures showed that the additive is getting aligned during deformation, providing an increased resistance to compression against flow of the viscous glass composite. Finally the measurement of the residual stresses as function of cooling rate and additive content revealed that the residual stresses development is minimised for a combination of service conditions including cooling rate under 20 °C/min and glass composite containing a minimum of 12 %vol. Such operating conditions should contribute to maximise the service life of a SOFC stack. / La demande croissante en énergie et la nécessité de surmonter les défis d'épuisement des réserves de combustibles fossiles exigent que des sources d'énergies alternatives soient développées. Les piles à combustible à électrolyte solide sont l'une des technologies alternatives pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles en raison de leurs nombreux avantages, y compris leur haute efficacité, stabilité à long terme, flexibilité dans le choix du carburant et leurs faibles émissions. Cependant, le développement de techniques fiables pour joindre les composantes demeure un défi important à relever pour obtenir une efficacité utilisable et pour faciliter la commercialisation. Les technologies de jointage ont été l'objet de recherches depuis plusieurs années. Néanmoins, la solution optimale demeure encore à être trouvée. L'approche du composite de verre est intéressante car elle permet la possibilité d'optimiser les propriétés du joint en ajustant de façon indépendante la distribution de la taille des particules et la fraction volumique des additifs. Dans le présent travail, l'interaction entre des différents verres composites SiO2 avec nickel, et des verres composite B2O3 avec de l'argent ont été étudiés. Les résultats, en fonction de la distribution de la taille des particules (7-100 microns) et la fraction volumique des additifs (0-18%) seront présentés. Les micrographies, la diffraction des rayons X et les calculs du coefficient d'expansion thermique ont démontré que les systèmes proposés ont les caractéristiques adéquates pour leur utilisation en tant que joint pour les piles à combustible, en raison de l'inertie des particules d'additif avec la matrice de verre, et en raison de la prévisibilité à long terme de la stabilité chimique et thermique. L'utilisation de l'analyse thermomécanique dynamique comme technique pour calculer l'apparition de contraintes résiduelles, explore l'influence de l'additif et ses interactions relatives à l'égard de la dissipation de l'énergie pendant la déformation. Les tests à multifréquences a mené à une énergie d'activation variant entre 400 et 600 kJ/mole pour la relaxation des contraintes, er ce en fonction des différentes quantités d'additifs. De plus, la différence de température entre Tg et l'apparition de contraintes résiduelles a été calculée, et démontre que des incréments de quantités d'additif résultent en un augmentation de l'interval de températures pouvant permettre la relaxation des contraintes. Les résultats du point de vue mécanique, pour des tests de compression ont également été étudiés afin d'identifier les déformations potentielles des assemblages durant l'opération. Les résultats ont montré que les composites de verre peuvent subir de grandes déformations au cours du cycle entier d'opération et non pas seulement pendant la période isotherme. De plus, la microstructure, en termes de phases cristallines, évolue avec la température d'essai et la force appliquée, montrant une augmentation de la fraction volumique des cristaux avec l'augmentation de la température et de la charge appliquée. Les microstructures ont démontré que les particules s'alignent pendant la déformation, offrant une résistance accrue contre la compression, résultant de l'écoulement du composite de verre visqueux. Enfin, le calcul des contraintes résiduelles en fonction de la vitesse de refroidissement et de la fraction volumique d'additifs a révélé que le développement des contraintes résiduel est minimisé dans quelques combinaisons de conditions d'opération, incluant un taux de refroidissement en dessous de 20 °C/min et une fraction volumique minimum de 12% en additif. Ces conditions d'opérations devraient contribuer à maximiser la durée de vie des assemblages de piles à combustible à électrolyte solide.

When bone is damaged, a scaffold can temporarily replace it in the site of injury and incite bone tissue to repair itself. A biodegradable scaffold resorbs into the body, generating non-toxic degradation products as new tissue reforms; a bioactive scaffold encourages the surrounding tissue to regenerate. In the present study, we make composite biodegradable and bioactive scaffolds using poly-DL-lactide (PDLLA), a biodegradable polymer, and incorporate Bioglass 45S5 (BG) to stimulate scaffold bioactivity. BG has an interesting trait when immersed in body fluid, a layer of hydroxycarbonate apatite, similar to the inorganic component of bone, forms on its surface. It is of utmost importance to understand the fate of BG throughout the scaffold's processing in order to assess the scaffold's bioactivity. In this study, the established different stages of BG reactivity have been verified by monitoring pH during BG dissolution experiments and by conducting an elemental analysis using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). The composite scaffolds are synthesized by the solvent casting and particulate leaching technique and their morphology assessed by scanning electron microscopy (SEM). To understand the transformations occurred in BG during scaffold synthesis, BG as received, as well BG treated in acetone and water (the fluids involved in scaffold processing) are characterized by Fourier transform infrared (FTIR), and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results are then compared with BG extracted from scaffolds after processing. BG has been determined to start reacting during the scaffold processing. In addition, its reactivity is influenced by BG particle size. The study suggests that the presence of the polymer provides a reactive environment for BG due to pH effects.Teflon molds in scaffold fabrication are inert and biocompatibile, but their stiffness presents a challenge during de-molding. Silicone-based and polyurethane molds are attractive because they are flexible. However, there is a possibility that silicone leaches either from the material itself or the agents used to enhance their performance onto the scaffold. The second study in this thesis focuses on different types of such flexible substrates (Sil940, polyurethane, polyether, polydimethylsiloxane). The presence of Si in PDLLA films prepared on each material is inspected using XPS. Films made on all four materials are found to contain Si, indicative of the dissolution of part of the substrate in the film. However, silicon in the Si-containing catalysts used in the synthesis of polyethers is not transferred to samples, when the polyether substrate is plasma coated. / Quand l'os est endommagé, une matrice synthétique peut le substituer temporairement et encourager la reconstruction du tissu osseux. Une matrice biodégradable résorbe dans le corps, engendrant des produits de dégradation non toxique alors que de le nouveau tissu se réforme. Dans la présente étude, on fabrique un composé biodégradable et bioactifs en utilisant poly(D,L-acide lactique) (PDLLA), un polymère biodégradable, et en incorporant Bioglass 45S5 (BG) pour stimuler la bioactivité. BG est un verre à base de silice qui lors du contact avec les fluides corporels, se dissout et libère des ions de silice, phosphate, calcium et sodium. Les ions de calcium et phosphate reprécipitent et forment une couche d'hydroxycarbonate apatite sur la surface du BG, qui ressemble le composant inorganiques de l'os. Puis, la couche d'hydroxycarbonate apatite s'intègre avec le collagène fibrillaire des tissus environnants, le composant organique de l'os, pour former une matrice qui attire les ostéoblastes et stimule l'accroissement du tissu osseux. Ce composite biosynthétique est développé avec la méthode de fusion du sel et sa morphologie est déterminée avec la microscopie électronique à balayage (MEB). Pour évaluer la bioactivité de l'échafaudage, il est important de comprendre le sort du BG durant la production de la matrice. Les différents stages de la réactivité du BG ont été vérifiés en surveillant le pH durant la dissolution du BG et conduisant une analyse élémentaire par la spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES). Pour comprendre les transformations du BG lors de la synthèse des matrices, le BG tel que reçu avec le BG traités dans l'acétone et l'eau (les fluides impliqués dans la procédure de la synthèse) sont caractérisées avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la spectrométrie photoélectronique X (XPS). Les résultats sont par la suite comparés aves ceux du BG extrait des matrices. Nous avons déterminées que BG réagit durant la préparation de la matrice. De plus, la réactivité du BG est influencée par la grandeur ses particules. La présence du polymère crée un milieu réactif pour le BG, ce qui est due à l'effet du pH. La moule en Teflon utilisée dans la fabrication des matrices biosynthétique est inerte et biocompatible, mais aussi rigide, ce qui peut être problématique durant l'extraction. Ceci engendre une autre investigation qui implique la recherche d'une moule malléable pour faciliter l'enlèvement de la matrice. Les moules à base de silicone et polyuréthane sont attirantes parce qu'elles sont flexibles. Pourtant, il y a une possibilité que la silicone qui fait partie du matériel ou présent dans les produits utilisées pour augmenter sa performance se retrouve sur le produit final. Une deuxième étude dans la présente thèse est donc consacrée sur différents substrats flexibles (Sil940, polyuréthane, polyéther, polydimethylsiloxane). Le XPS est utilisé pour inspecter des films de PDLLA produit sur chaque matériel. La silicone est présente dans les films préparés sur tous les quatre matériaux. Cependant, lorsque le plasma est appliqué pour recouvrir le polyéther, la silicone présente dans les catalyses utilisées pour sa fabrication n'est pas transmises sur celui-ci. Donc le polyéther traité avec le plasma est convenable pour la fabrication des matrices biosynthétiques extracellulaires.

With the invention of the coronary stent, which is a wire metal mesh tube designed to keep the arteries open in the treatment of heart diseases, promising clinical outcomes were generated. However, the long term successes of stents have been delayed by significant in-stent restenosis (blockages) and stent fracture. In this research work, it has been proposed to use Cold Gas Dynamic Spraying (CGDS) coating material as an alternative choice to manufacture metallic stent. In CGDS, fine particles are accelerated to a high velocity and undergo solid-state plastic deformation upon impact on the substrate, which leads to particle-particle bonding. The feature of CGDS distinct from other thermal spray techniques is that the processing gas temperature is below the melting point of the feedstock. Therefore, unwanted effects of high temperatures, such as oxidation, grain growth and thermal stresses, are absent. In response to the fact that the majority of stents are made from stainless steel (316L) or Co-Cr alloy (L605), this study specifically addresses the development and characterization of 316L and 316L mixed with L605 coatings produced by the CGDS process. Scanning electron microscopy and electron backscatter diffraction were used to investigate the microstructural changes of these coatings before and after annealing. The effect of gas type on the microstructure of 316L coatings and the role of post-heat treatment in the microstructure and properties are also studied. Of particular interest are grain refinement, heat treatment, mechanical properties and corrosion behavior of the cold sprayed material. / L'invention du stent coronaire, est un tube en treillis métallique conçu pour maintenir les artères ouvertes dans le traitement des maladies cardiovasculaires. Des résultats cliniques prometteurs ont été rapportés. Cependant, le succès à long terme des stents est problématique à cause des resténoses intra-stent et des fractures de stent par fatigue. Dans ce travail de recherche, il est proposé d'utiliser la technologie de pulvérisation dynamique des gaz à froid (CGDS) comme une alternative pour la fabrication de stents métalliques. En CGDS, de fines particules sont accélérées avec une vitesse élevée et subissent une déformation plastique à l'impact sur un substrat. La particularité du CGDS parmi les autres techniques de pulvérisation thermique est que la température des gaz dans le processus est bien en dessous du point de fusion de la matière. Par conséquent, les effets indésirables des températures élevées, telles que l'oxydation, la croissance du grain et les contraintes thermiques, sont absents. Comme la majorité des stents sont faits en acier inoxydable 316L et en alliage Co-Cr, cette étude porte spécifiquement sur le développement et la caractérisation de l'acier inoxydable et l'acier inoxydable 316L mélangé avec revêtements d'alliages Co-Cr produite par le procédé CGDS. Les techniques de microscopie électronique à balayage et à diffraction d'électrons rétrodiffusés ont été utilisées pour étudier les changements de microstructures de ces revêtements avant et après recuit. L'effet du type de gaz sur la microstructure des revêtements 316L et le rôle du post-traitement thermique à froid par pulvérisation dans la microstructure et les propriétés mécaniques et électrochimiques ont été également étudiées.

The scope of this thesis is to investigate the upconversion properties of NaYF₄:Yb,Er nanomaterials and to optimize their integration into dye sensitized solar cells (DSSCs), a promising new photovoltaic technology. NaYF₄:Yb,Er converts near infrared light, normally not absorbed by DSSCs, to visible light, therefore potentially increasing the efficiency of the solar cells.This thesis is manuscript-based, with two primary studies. The first study focuses on optimization and maximization of the upconversion properties of NaYF₄:Yb,Er micro and nanophosphors through annealing. As these materials are intended for integration into DSSCs, small particle sizes are preferable; however, small sized upconversion phosphors generally suffer from lower upconversion. Through optimization, different sized (300 nm, 700 nm, and 2.3 μm) NaYF₄:Yb,Er crystals were produced and successfully annealed without particle size and shape loss while simultaneously maximizing their upconversion luminescence by several orders of magnitude. Quantum yields were achieved (2.5%) that approach that of similar bulk materials.The second study focuses on integration of the 300 nm UC crystals into DSSCs as an internal scattering layer, aiming to serve the dual purpose of increasing light absorption through scattering and upconversion. Nanocomposite NaYF₄:Yb,Er@TiO₂ ("core-shell" type) materials were synthesized for this purpose. When integrated as an internal layer in the DSSC, the influence of the TiO₂ shell on the normal electrical functioning of the cells is important. Integration of pure NaYF₄:Yb,Er materials severely interferes with the cell's normal operation, decreasing overall performance, however when the fraction of TiO₂ in the upconversion material is appropriate, a relative increase of 16% in power conversion is accomplished. This increase was attributed entirely to scattering with negligible contribution from upconversion under standard solar illumination. / Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés de conversion ascendante des nanomatériaux NaYF₄:Yb, Er et d'optimiser leur intégration dans des cellules à pigment photosensible (DSSC), une nouvelle technologie photovoltaïque prometteuse. NaYF₄:Yb, Er convertit la lumière infrarouge, qui normalement n'est pas absorbée par les DSSCs, en lumière visible, donc elle a le potentiel d'augmenter l'efficacité des cellules solaires. Ce manuscrit décrit deux études principales. La première étude se concentre sur l'optimisation et la maximisation par recuit des propriétés de conversion ascendante des NaYF4:Yb, Er micro et nanophosphors. Comme ces matériaux sont destinés à l'intégration dans les DSSCs, des petites tailles sont préférable, cependant les phosphores de petite taille souffrent généralement d'une faible conversion ascendante. Grâce à l'optimisation, des particules NaYF4:Yb, Er avec des tailles de 300 nm ont été produites. Par recuit, la taille des particules et leur forme ont été maintenus et la conversion ascendante a été augmentée de plusieurs ordres de grandeur, pour atteindre une efficacité de 2,5%, proche de l'efficacité obtenue par des matériaux massifs de composition similaire.La deuxième étude se concentre sur l'intégration de ces matériaux comme couche de diffusion interne dans les DSSCs, pour augmenter l'absorption de la lumière par diffusion et conversion ascendante de celle-ci. Des matériaux nanocomposites NaYF₄:Yb,Er@TiO₂ ont été synthétisés. Comprendre l'influence de celle-ci sur le fonctionnement électrique normale des cellules est important. L'intégration des matériaux NaYF₄:Yb,Er purs interfère grandement avec le fonctionnement normal de la cellule, ce qui diminue la performance. Cependant, quand la fraction de TiO₂ dans le matériau de conversion ascendante est appropriée, une augmentation relative de 16% dans la conversion d'énergie est obtenue. Cette augmentation est entièrement attribuable à la diffusion avec une contribution négligeable de la conversion ascendante.

The knowledge of phase equilibria and thermodynamic properties of liquid and solid oxides can help us better understand metallurgical, ceramic or geological processes. The main aim of the present study is the critical evaluation and thermodynamic optimization of solid and liquid (MnO-Al2O3 based) oxides which are of interest to the steelmaking and ferro-Mn industries. These newly developed databases coupled with the previous databases can be used along with any software for Gibbs energy minimization to predict the phase relationships and the thermodynamic properties of any relevant system. Usually, thermodynamic databases can save both cost and time, which, otherwise would have been spent to optimize the existing process and develop any new process. The production of steels with higher amounts of manganese and aluminum has gained considerable importance in the recent past. Steels with high concentration of manganese and aluminum like TWIP steel and TRIP steel have exceptional properties which classify them as special steels; needless to say the various range of applications they can cater to. Ferromanganese, which contains a large amount of manganese, is also a very useful product required in the production of high manganese steels. The production of these alloys results in the generation of slags which are rich in MnO and Al2O3. Hence, knowledge of the phase relations between these two components is of utmost importance in order to maximize the efficiency of the production process. Only a very good knowledge of Gibbs energy of all the phases present in the binary system MnO-Al2O3 can allow us to predict the correct equilibrium conditions during the production process. The critical evaluation and thermodynamic optimization of all the available phase diagram data and thermodynamic properties of the system Mn-Al-O have been carried out in the first part of the present work. Thermodynamic modeling for different phases such as slag, spinel (cubic and tetragonal) and bixbyite has been performed using Modified Quasichemical Model, Compound Energy Formalism and random mixing model, respectively. The sublattice structure of solid solution phases were properly taken into account in the thermodynamic modeling and their thermodynamic properties and structural data were reproduced using the physically meaningful model parameters. All the reliable experimental data of the Mn-Al-O system were reproduced within error limits from room temperature to above the liquidus temperatures at all compositions and oxygen partial pressure ranging from metal saturation to air. The present MnAl2O4-Mn3O4 spinel solutions can be integrated with all the other spinel solutions developed earlier to obtain an extensive spinel solution database. This database along with the software for Gibbs energy minimization can be utilized to perform various calculations and predict the phase relations at any given condition. In the next part of the present work, the binary MnO-Al2O3 system was extended to the higher order systems like MnO-Al2O3-SiO2, CaO-MnO-Al2O3, FeO-MnO-Al2O3, MgO-MnO-Al2O3 and CaO-MnO-Al2O3-SiO2. Other calculations related to inclusion engineering in steelmaking were also carried out. This was done to check the accuracy of the database developed for the binary MnO-Al2O3 system. The database of model parameters can be used with thermodynamic software like Factsage for thermodynamic modeling of various industrial and natural processes. Calculations pertaining to prediction of thermodynamic properties of phases, cation distribution in spinel solutions, phase equilibria at any temperature, composition and oxygen partial pressure where no experimental data are available can also be performed. / La connaissance des équilibres de phase et des propriétés thermodynamiques des oxydes solides et liquides peut aider à mieux comprendre les processus métallurgiques, céramiques et géologiques. Le but de cette étude est l'évaluation critique et l'optimisation thermodynamique des oxydes solides et liquides impliquant MnO-Al2O3 qui sont utiles pour les industries de l'acier et du ferromanganèse. Les bases de données développées, couplées avec d'anciennes bases de données, peuvent être utilisées avec n'importe quel logiciel de minimisation de l'énergie de Gibbs pour prédire les équilibres de phase et les propriétés thermodynamiques de tout système. Souvent, les bases de données permettent de sauver temps et argent qui, autrement, auraient pu être utilisés pour optimiser des processus existant ou en développer de nouveaux. La production d'aciers à teneur élevé en Mn et Al a acquis une importance considérable. Les aciers à teneur élevé en Mn et Al, comme les aciers TWIP et TRIP, ont des propriétés exceptionnelles qui les classifient comme aciers spéciaux; inutile de mentionner toutes les applications auxquels ils peuvent répondre. Le ferromanganèse, qui contient de grandes quantités de Mn, est aussi un produit très utile dans la production d'aciers à haute teneur en Mn. La production de tels aciers génère des scories riches en MnO et Al2O3. Par conséquent, la connaissance des relations de phases entre ces deux composés est d'une importance capitale pour maximiser l'efficacité de la production. Seule une bonne connaissance de l'énergie de Gibbs de toutes les phases du système MnO-Al2O3 peut nous permettre de prédire les conditions d'équilibre lors de la production. L'évaluation critique et l'optimisation de toutes les données disponibles de diagrammes de phase et de propriétés thermodynamiques du système Mn-Al-O ont été réalisées dans la première partie de ce travail. La modélisation thermodynamique des différentes phases telles que le laitier, le spinelle (cubique et tétragonal) et la bixbyite a été effectuée, respectivement, à l'aide du Modèle Quasichimique Modifié, du Formalisme de l'Énergie des Composés et du modèle de mélange aléatoire. La structure du sous-réseau des solutions solides fut correctement prise en compte dans la modélisation et les propriétés thermodynamiques et données structurales furent reproduites en utilisant des paramètres ayant une signification physique. Toutes les données expérimentales fiables du système Mn-Al-O ont été reproduites à l'intérieur des limites d'erreur de la température ambiante jusqu'au-dessus du liquidus pour toutes les compositions et à des pressions partielles d'oxygène allant de la saturation en métal jusqu'à l'air. Les solutions de spinelle MnAl2O4-Mn3O4 peuvent être intégrées à toutes les autres solutions de spinelle développées antérieurement pour obtenir une base de données étendue pour le spinelle. Celle-ci, combinée à un logiciel de minimisation de l'énergie de Gibbs, peut être utilisée pour effectuer divers calculs et prédire les relations de phase dans n'importe quelles conditions données. Dans la seconde partie de ce travail, le système MnO-Al2O3 a été ajouté aux systèmes d'ordre supérieur tels que MnO-Al2O3-SiO2, CaO-MnO-Al2O3, FeO-MnO-Al2O3, MgO-MnO-Al2O3 et CaO-MnO-Al2O3-SiO2. Des calculs liés à l'ingénierie des inclusions impliquées dans la fabrication de l'acier ont également été réalisées. Ceci a été fait pour vérifier l'exactitude de la base de données du système MnO-Al2O3. Les paramètres du modèle peuvent être utilisés avec un logiciel comme FactSage pour la modélisation de divers procédés industriels et naturels. Les calculs relatifs à la prédiction des propriétés thermodynamiques des phases, la distribution des cations dans les solutions spinelle et les équilibres entre phases à n'importe quelle température, composition et pression partielle d'oxygène où aucune donné expérimentale n'existe, peuvent également être effectuées.

Three austenitic 316LSS alloys containing 0, 2 and 6wt% Al were prepared by cryomilling and Spark Plasma Sintering (SPS). It was shown that aluminum influences the FCC to BCC strain induced phase transformation that occurs during milling and also the FCC recovery during heat treatment and SPS consolidation. The Al-containing SS had accelerated strain induced transformation in the early stage of milling, while the rate of transformation became similar thereafter for all systems. The degree to which the induced BCC structure reverted to FCC was found dependent upon the Al content. Complete recovery of the FCC during heat treatment was achieved between 565 to 594 °C for nSS6Al and 605 to 618 °C for nSS2Al, depending on the heating rate. However, heat treatment of nSS0Al up to 1000 °C resulted in incomplete reversion of the strain induced structure. The SPS process was found to minimally influence the FCC recovery compared to conventional powder consolidation heat treatments. The energy supplied by the SPS process was insufficient to overcome the activation energy governing the rearrangement of dislocations required to complete the FCC recovery. The modification of the composition of 316LSS combined with a grain refinement to the nanometer level was investigated to determine the potential gain in oxidation resistance on coatings produced using the SPS technique. For the base alloy, the increased number of diffusion paths present in nanostructured materials yielded a thicker oxide scale, when compared to conventional SS, and this independently on the tested oxidation temperature (500 °C, 800 °C and 1000 °C). For the nanostructured SS, the scale had an enriched Cr-content which improves the resistance to static and cyclic oxidation, and adherence to the substrate. Aluminum was also added at concentrations of 2 and 6 wt% to the base SS, which caused the scale composition to change to a continuous double layer consisting of an inner Al2O3 and an outer Cr2O3 for bo / Trois alliages austénitiques 316LSS contenant entre 0,2 et 6 % massique d'aluminium ont été préparé par broyage à froid et frittage à plasma d'étincelles (Spark Plasma Sintering : SPS). Il a été montré que l'aluminium influence la transformation, induite par tension, Cubique Face Centré (CFC) à Cubique Centré (CC) qui a lieu durant le broyage et aussi le rétablissement de la phase CFC durant le chauffage et la consolidation par SPS. L'alliage SS contenant de l'aluminium à une transformation induite par tension accélérée dans les premières étapes de broyage, tandis que le taux de transformation devient similaire ensuite pour tous les systèmes. Le degré auquel la structure CC retourne en CFC a été trouvé dépendant du pourcentage d'aluminium contenu. La récupération complète de la phase CFC pendant le traitement thermique a été achevé entre 565 et 594 °C pour nSS6Al et entre 605 et 618 °C pour nSS2Al, dépendamment de la vitesse de chauffage. Par contre, un traitement thermique de nSS0Al à plus de 1000 °C résulte en un retour incomplet de la structure induite par tension. Il a été montre que le procédé par SPS influence très peu la récupération de la phase CFC comparé aux traitements thermiques de consolidations de poudres conventionnels. L'énergie apporte par le procédé SPS n est pas assez importante pour dépasser l'énergie d'activation, qui gouverne le réarrangement des dislocations, requit pour la récupération de la phase CFC. Pour déterminé le gain potentiel en résistance à l'oxydation des revêtements produits par SPS, la modification de la composition de 316LSS combinée à une réduction de la taille de grain à l'échelle du nanomètre ont été étudié. Pour l'alliage de base, le nombre accru de voies de diffusion présent dans les matériaux nanostructuré produit un dépôt plus épais d'oxyde, comparé aux SS conventionnels, et ce indépendamment des températures d'oxydations testées (500 °C

<p> Since its discovery, the carbon nanotube (CNT) has been proposed as one of the ultimate materials for its electrical, thermal and mechanical properties due to its incredibly strong <i>sp</i>² bonds, low defect density, and large aspect ratio. Many experimental results on individual CNTs have confirmed these outstanding theoretically predicted properties. However, scaling these properties to the macroscopic regime has proved to be challenging. This work focused on the synthesis and measurement of highly conducting, macroscopic, CNT assemblies. Scaling up the synthesis of vertically aligned multiwalled CNT (MWNT) forests was investigated through the development of a large, 100mm, wafer scale, cold wall chemical vapor deposition chamber. In addition to the synthesis, two distinct CNT assemblies have been investigated. A linear morphology where CNTs are strung in series for electrical transport (CNT wires) and a massively parallel 2D array of vertically aligned CNTs for Thermal Interface Material (TIM) applications. </p><p> Poymer-CNT wire composites have been fabricated by developing a coaxial CNT core-polymer shell electrospinning technique. The core-shell interactions in this system have been studied by way of Hansen's solubility parameters. The most well defined CNT core was achieved using a core solvent that is semi-immiscible with the shell solution, yet still a solvent of the shell polymer. Electrical characterization of the resulting CNT core has shown a two orders of magnitude increase in conductivity over traditional, homogeneously mixed, electrospun CNT wires. </p><p> A number of vertically aligned MWNT assemblies were studied for their thermal interface properties. Double-sided Silicon substrate (MWNT-Si-MWNT) TIM assemblies were characterized using a DC, 1D reference bar, thermal measurement technique. While attempts to control MWNT density via a micelle template technique produced only 'spaghetti like' CNTs, sputter deposited catalyst provided stark variations in array density. Relevant array morphologies such as density, height, and crystallinity were studied in conjunction with their thermal performance. A Euler buckling model was used to identify the transition between increasing and decreasing resistance with density over array height, these two regimes are explained by way of contact analysis. </p><p> Self catalyzing Fecralloy substrate MWNT TIMs were studied in a similar vein to the Silicon based assemblies. This substrate was investigated because of its malleability, ease of CNT synthesis and increased CNT adhesion. The growth behavior was studied with respect to the array morphologies, i.e. array height, density, crystallinity, and diameter, while the contact resistance was evaluated using a DC, 1D reference bar technique. The best performing samples were found to have a factor of two increase over their Si counterparts. Temperature dependent thermal measurements offer insight into the interfacial phonon conduction physics and are found to agree with other temperature dependent studies, suggesting inelastic scattering at the MWNT-Cu interface. Due to the challenges associated with deliberately controlling a single array morphology, a statistical approach was used for identifying the influences of the multivariate array morphology on contact resistance. Showing the strongest correlation with array height, following a <i>R ~ L</i>^&minus;0.5. Several models were investigated to help explain this behavior, although little insight is gained over the empirical relations. </p><p> To better characterize these MWNT TIM assemblies two experimental techniques were developed. A transient 3&omega; thermal measurement technique was adapted to characterize the thermal performance of CNT TIMs, offering insight into the limiting resistance in a mulilayer material stack. The MWNT-growth substrate interface was found to dominate in the Si samples while the MWNT-opposing substrate interface dominated in the Fecralloy samples. These measurements strongly supported the DC thermal measurements and the qualitative observations of substrate adhesion. Additionally, a new technique for observing nano sized contacts was established by viewing contact loading through an electron transparent membrane, imaged under an SEM. The contrast mechanism is explained by a voltage contrast phenomenon developed by trapped charges at the interface. The resolution limits have been studied by way of electron beam interactions and the use of Monte Carlo simulations, showing nanometer resolution with appropriate experimental conditions. The real MWNT contact area was found to be less than 1/100<i>^th</i> the apparent contact area even at moderate pressures and the number of contacting CNTs is approximately 1/10<i>^th</i> the total number of CNTs. These results confirm experimental measurement values for van der Waals adhesion strengths and thermal interface resistance.</p>

<p> There have been enormous advances in technologies for thermal spray over the past few decades. One such application is the replacement of electroplated hard chrome for aerospace and automotive industries. Hard chrome electroplating has been a valuable surface treatment for parts in corrosion and wear applications due to its high hardness, ability to passivate, as well as its low coefficient of friction. In the past two decades, there have been concerns due to limitations in hard chrome's performance as well as environmental effects due to hexavalent chromium produced during processing. High velocity oxy-fuel (HVOF) spray processing has been developed to produce exceptional coating quality due to the very dense microstructures formed with limited porosity. </p><p> Cr₃C₂-NiCr has been shown to be a viable replacement to electroplated hard chrome when deposited by HVOF spray techniques. In order to produce optimized coatings with this technology, a process mapping methodology was implemented to understand the relationship between process variables. The variations of oxygen to fuel ratios as well as total volume flows of gases were examined to interrelate process variables with the particle state, stress evolution during deposition, and properties of the coatings. The performance of the coatings in aqueous corrosion and sliding wear environments were correlated back to the properties of the coatings. It has been demonstrated that monitoring the in-flight particles and evolution of stress can be directly correlated to the properties of the coating and in-directly to the coating performance. </p><p> Cr₃C₂-NiCr property and performance was also compared to hard chrome and WC-CoCr coatings. It was shown that the optimized coatings of Cr₃C₂-NiCr outperformed hard chrome in both aqueous corrosion as well as sliding wear environments. Cr₃C₂-NiCr was outperformed by WC-CoCr in sliding wear applications due to its lower hardness, but outperformed WC-CoCr in aqueous corrosion due to the denser microstructures that were produced.</p>

<p> As gas turbine engines are driven to operate at higher temperatures to maximize efficiency, components become susceptible to attack by deposits of calcium magnesium alumino-silicate (CMAS) ingested with the intake air. Of particular interest to this work is the degradation of thermal barrier coatings (TBCs) by CMAS. Molten CMAS is known to interact with TBCs both thermochemically, by dissolving the ceramic and reprecipitating it as a new or modified phase, and thermomechanically, by infiltrating the porosity and degrading the strain tolerance. </p><p> The thermochemical degradation of TBCs was investigated using primarily differential scanning calorimetry (DSC) by comparing the endotherms and exotherms recorded for pure, model silicates to those observed for silicates mixed with various TBC materials including YSZ and GZO. The five ternary silicates studied (CaO-AlO_1.5-SiO₂) began melting over a relatively narrow range (&sim;1125-1145&deg;C). Introducing magnesium to the ternary results in higher melting temperatures and only minor changes to the crystallization behavior. Iron decreases the melting temperature, and markedly improves the crystallization kinetics of pure silicate systems, especially absent magnesium. </p><p> Modification of the crystallization behavior of pure silicates has been proposed in the literature as a mitigation strategy for CMAS. This work utilizes DSC to look for characteristic changes as described above to probe potentially effective TBCs. The addition of YSZ to a quaternary CMAS results in little change to the melting or crystallization in the DSC, despite the dissolution of YSZ into the silicate. In stark contrast, GZO with CMAS generates a significant crystallization exotherm that appears in the DSC immediately after the silicate melts. As the fraction of GZO is increased, the melting endotherm begins to shrink due to the thermal overlap of the melting and crystallization processes. This signifies a rapid reaction, and a potentially useful TBC material for CMAS mitigation. Several additional TBC materials are tested and discussed including Y₂Zr₂O₇, La₂Zr₂O₇, La₂Ce₂O₇, and GdAlO₃. Stemming from these results, isothermal exposures of silicates on GZO TBCs demonstrated the influence of CMAS loading and exposure time on both penetration and the recession front depth, as well as the importance of silicate viscosity on the competition between infiltration time and reaction kinetics. </p><p> Furthermore, the present study illuminates several factors relevant to the mechanical degradation of both yttria stablizaed zirconia (YSZ) and gadolinium zirconate (GZO) by molten CMAS through the use of a laser gradient test (LGT) designed following the mechanical model of Evans and Hutchinson. Number of cycles, CMAS loading, CTE mismatch, and most of all, for the LGT, coating toughness influenced the location and extent of cracking within the TBC exposed to CMAS. Both the chemical and mechanical considerations and experimental protocol developed in this investigation lay the groundwork for assessing the CMAS resistance of next generation TBCs.</p>

The Debye theta for both KI and LiF had been measured over a wide range of temperatures, but as yet there was no clear indication that the theta as a function of T had leveled off. There was also no certain estimate of the value that theta would assume near T = 0. The present experiment was set up to find these values. Moreover, the findings were to be used to verify determinations of the theta by other means, and thereby help to tie together more tightly an extensive body of theory. Further, just such measurements as these are needed to shed light on recent attempts to extend the simple Debye theory.