Icing severely affects society, especially in the Nordic countries. Iceaccumulation can result in critical performance problems and safetyconcerns for instance in road, air and sea transportation, transmissionlines, marine and offshore structures, wind turbines and heat exchangers.Present active ice-combating approaches possess environmental,efficiency and cost drawbacks. Thus, fabricating icephobic surfaces orcoatings impeding ice formation (anti-icing), but facilitating ice removal(de-icing) is desired. However, different conditions in the environmentduring ice formation and growth add to the complexity of the problem.An icephobic surface that works for a certain application might not be agood candidate for another. These surfaces and the challenges are infocus in this thesis.Wetting properties are important for ice formation on surfaces fromthe liquid phase (often supercooled water), where the water repellency ofthe surfaces could enhance their anti-icing effect. Considering this,different hydrophobic and superhydrophobic surfaces with differentchemistry, morphology and roughness scale were prepared. Since anyinduced wetting state hysteresis on hydrophobic surfaces could influencetheir performance, the wetting stability was investigated. In particulardynamic wetting studies of the hydrophobic surfaces revealed whatsurface characteristics benefit a stable wetting performance. Further, theeffect of temperature, particularly sub-zero temperatures, on the wettingstate of flat and nanostructured hydrophobic surfaces was investigated.This was complemented with studies of the wetting stability of sessilewater droplets on flat to micro- and multi-scale (micro-nano) roughhydrophobic samples in a freeze-thaw cycle. To be consistent with mostapplications, all temperature-controlled experiments were performed inan environmental condition facilitating frost formation. Further, antiicingproperties of hydrophobic surfaces with different topography butsimilar chemistry were studied by freezing delay measurements.A dynamic wetting study using hydrophobic samples with similarchemistry but different topography revealed that multi-scale roughnesscould benefit the wetting stability. However, when these surfaces areutilized at low temperatures the wetting hysteresis observed during acooling/heating cycle is significant. Such a temperature-inducedhysteresis is also significant on superhydrophobic surfaces. I attributethis to condensation followed by frost formation facilitating spreading of  the supercooled water droplet. The freezing delay measurementsdemonstrate no significant effect of surface topography on anti-icingproperties of hydrophobic surfaces, however the flat surfaces showed thelongest delay. These findings are in agreement with heterogeneous icenucleation theory, suggesting preferential ice nucleation in concave sites,provided they are wetted.In the second part of this thesis, I consider the findings from theprevious part illustrating the limitations of (super)hydrophobic surfaces.The de-icing properties of hydrophilic surfaces with a hydration waterlayer, hypothesized to lubricate the interface with ice, were studied. Heretemperature-controlled shear ice adhesion measurements, down to -25oC, were performed on an adsorbed layer of a polymer, either bottle-brushstructured poly(ethylene oxide) or linear poly(ethylene oxide). The iceadhesion strength was reduced significantly on the bottle-brushstructured polymer layer, specifically at temperatures above -15 oC,whereas less adhesion reduction was observed on the layer formed by thelinear polymer. These findings are consistent with differential scanningcalorimetry (DSC) data, demonstrating that the hydration water, boundto the bottle-brush structured polymer, is in the liquid state at thetemperatures where de-icing benefit is observed. Further, continuingwith the hypothesis of the advantage of surfaces with a natural lubricantlayer for de-icing targets, I studied shear ice adhesion on the molecularlyflat basal plane of hydrophilic mica down to -35 oC. Interestingly, ultralowice adhesion strength was measured on this surface. I relate this to theproposed distinct structure of the first ice-like but fluid water layer onmica, with no free OH groups, followed by more bulk liquid-like layers.This combined with the molecularly smooth nature of mica results in aperfect plane for ice sliding. / Isbildning har en stark inverkan på samhället, speciellt i de nordiskaländerna. Isuppbyggnad kan resultera i kritiska prestandaproblem ochsäkerhetsrisker inom t.ex. väg-, luft-, och sjötransport, kraftledningar,marina- och offshorestrukturer, vindkraftverk och värmeväxlare.Nuvarande aktiva isbekämpningsmetoder uppvisar brister i avseende påmiljö, effektivitet och kostnad. Det finns därmed ett behov av attframställa ytor eller ytbeläggningar som förhindrar isbildning (antiisning)eller underlättar borttagandet av redan bildad is (avisning). Dockkompliceras problemet av de många olika förhållanden under vilka is kanbildas. En beläggning som fungerar för en viss tillämpning behöver intenödvändigtvis vara en bra kandidat för en annan. Dessa ytor ochutmaningar relaterade till dem är i fokus i denna avhandling.Vätningsegenskaper är viktiga för isbildning på ytor från vätskefas(ofta underkylt vatten), och det har visats att vattenavstötande ytor i vissasammanhang kan motverka isbildning. Med detta i åtanke framställdesolika hydrofoba och superhydrofoba ytor, med varierande kemi,morfologi och ytråhet. Eftersom en förändring i de hydrofoba ytornasvätningsegenskaper kan påverka deras funktion studerades vätningsstabilitetenför dessa ytor. I synnerhet dynamiska vätningsstudier av dehydrofoba ytorna avslöjade vilka ytegenskaper som är fördelaktiga förvätningsstabiliteten. Vidare studerades hur temperaturen, särskilt undernoll grader, påverkar vätningstillståndet på släta och nanostruktureradehydrofoba ytor. Arbetet kompletterades med studier av vätningsstabilitetenför vattendroppar på släta samt mikro- och multistrukturerade(mikro-nano) hydrofoba ytor under flera frysningsupptiningscykler.För att vara i linje med de flesta tillämpningar, utfördesalla temperaturkontrollerade mätningar i en miljö där frost kunde bildaspå ytorna. Anti-isegenskaperna hos de hydrofoba ytorna med varierandetopografi men samma kemi studerades vidare genom att studera hur långtid det dröjde innan en vattendroppe på ytan fryste vid en visstemperatur.De dynamiska vätningsstudierna på hydrofoba ytor med samma kemimen olika topografi avslöjade att en ytråhet på flera längdskalor kan haen positiv inverkan på vätningsstabiliteten. När dessa ytor är exponeradeför låga temperaturer är dock vätningshysteresen under en nedkylnings-/uppvärmnings-cykel significant. Den temperatur-inducerade hysteresenär också betydande för superhydrofoba ytor. Detta tillskriver jag  kondensation på ytan som följs av frostbildning, vilket i sin tur möjliggörspridning av den underkylda vattendroppen på ytan. Mätning avfördröjningen i frysningsförloppet påvisade ingen betydande effekt avyttopografin för hydrofoba ytor, men släta hydrofoba ytor uppvisade denlängsta fördröjningen. Dessa resultat är i överensstämmelse med rådandeheterogen iskärnbildningsteori, som visar på fördelaktig iskärnbildningpå konkava delar av ytan, förutsatt att dessa väts.I den andra delen av avhandlingen utnyttjar jag observationerna frånden första delen vilka illustrerade begränsningarna för superhydrofobaytor, och söker en annan lösning. Avisningsegenskaper för hydrofilastarkt hydratiserade ytor studerades, med hypotesen att hydratiseringkan smörja gränsskiktet med is. Temperatur-kontrolleradeisadhesionsmätningar ned till -25 °C utfördes på adsorberade skikt av enpolymer med många sidokedjor av polyetylenoxid (”bottle-brush”), såvälsom på ett skikt av linjär polyetylenoxid. Isadhesionen blev kraftigtreducerad på ”bottle-brush”-polymeren, speciellt vid temperaturer högreän -15°C. Däremot kunde knappast ingen minskad isadhesion observerasför den linjära polymeren. Dessa observationer överensstämmer meddifferentialskanningskalorimetri (DSC) data, som visar att dethydratiserade vattenskiktet, vilket är bundet till ”bottle-brush”-polymeren, är i vätskeform vid de temperaturer där avisningsfördelar ärobserverade. För att vidare undersöka hypotesen att det vore fördelaktigtmed ett naturligt smörjande skikt på ytan för att uppnå godaavisningsegenskaper, utförde jag isadhesionsmätningar på molekylärtsläta glimmerytor ner till -35 °C. Intressant nog uppmättes extremt lågisadhesion på denna yta. Detta relaterar jag till den föreslagna utprägladehydratiseringsstrukturen, bestående av ett första is-liknande vattenskiktutan fria OH-grupper, följt av ett mer bulkliknande skikt. Detta ikombination med den molekylärt släta naturen hos glimmer resulterar iett perfekt plan för isen att glida på. / <p>QC 20160504</p> / TopNano

<p>Cemented carbides (WC-Co) are powder metallurgical products produced by liquid phase sintering. WC-Co is widely used for making a large variety of cutting tools, such as drills and inserts turning applications, due to its great mechanical properties, where the hardness of the WC grains is combined with the toughness of the of the Co binder. WC grain size and grain size distribution are the two most important factors to control the mechanical properties of the products.</p><p>This study examined the grain growth dependence of different milling and sintering times. The resulting grain size and grain size distribution were measured using image analysis on scanning electron microscopy images (SEM) and by using electron backscatter diffraction (EBSD). In addition, the correlation between hardness and coercivity, the most common indirect measures of grain size, and different methods of calculating average grain radius were investigated. An attempt was also made to study the contribution of defects to grain growth. This work also includes an overview of various grain growth equations and a numerical implementation of these.</p><p>Experimental results show that for shorter sintering times, powders milled for short times (15 min and 1 h) have larger average grain radii. There is a crossover after 6 to 8 h of sintering, where the powders milled for a long time (40 h and 200 h), have larger average radii. The measured hardness values correlate well with the average grain radius calculated from the grain surface area and the coercivity correlates with the established equations. EBSD measurements detected boundaries that could not be detected by image analysis, and that were not Sigma 2 boundaries. It is likely that these boundaries are either low energy boundaries or boundaries between grains that are very closely oriented. Comparing heat-treated powder with the untreated resulted in a lower average grain size after sintering for the heat-treated powder. None of the growth equations investigated in this work could fully describe the experimental grain growth.</p><p>Through increased understanding of the grain growth, the growth can be controlled and the end product can have the desired tool properties. The occurrence of abnormal grains in cutting tool applications can cause breakage, which is especially important to avoid in applications such as PCB drills. A correlation between hardness and grain size provides further means for cheap and fast indirect measures of the grain size in production.</p> / <p>Hårdmetall är ett pulvermetallurgiskt material som tillverkas genom smältfassintring och som kännetecknas av hårdhet, styvhet och god slitstyrka. Volframkarbidens (WC) kornstorlek och kornstorleksfördelning är två viktiga faktorer för att kontrollera de mekaniska egenskaperna i hårdmetall.</p><p>I den här studien har korntillväxtens beroende på malning och sintring undersökts. WC-Co maldes och sintrades fyra olika tider och kornstorleksfördelningen mättes med bildanalys på svepelektronmikroskopbilder samt med ``electron backscatter diffraction'' (EBSD). I arbetet har även korrelationen mellan hårdhet, koercivitet och olika sätt att beräkna medelkornstorleken undersökts. Ett försök har också genomförts för att studera hur defekterna i det malda pulvret påverkar korntillväxten. I arbetet har även ett flertal olika tillväxtekvationer modellerats numeriskt och för och nackdelar med de olika tillväxtekvationerna har vägts mot varandra.</p><p>En lång maltid (40 h och 200 h) visade sig ge liten kornstorlek för sintring kortare än 6 h, men för sintringar längre än 8 h gav istället kort malning (15 min och 1 h) den mindre kornstorleken. Det visade sig att uppmätt hårdhet korrelerar bäst med den medelkornstorleksradie som räknats fram från kornytan. I EBSD mätningarna kunde man observera ett flertal korngränser, utöver Sigma 2 korngränser, som inte hade detekterats med bildanalys. Värmebehandlingen av det malda pulvret minskade korntillväxten under efterföljande sintring. Ingen av de undersökta tillväxtekvationerna kunde beskriva de experimentella resultaten fullt ut.</p><p>Genom ökad förståelse för korntillväxt kan man kontrollera tillväxten och slutprodukten kan få önskade egenskaper. Förekomsten av abnorm korntillväxt i skärverktyg i hårdmetall är en av de vanligaste kritiska defekterna och det är speciellt viktigt är undvika korntillväxt i tillverkning av små verktyg, som till exempel kretskortsborrar. Hårdhet och koercivitet är de vanligaste indirekta mätmetoderna för att mäta kornstorlek i produktion. En bra korrelation mellan kornstorlek och indirekta mätmetoder ger utökade verktyg för snabba och billiga mätningar.</p>

Cemented carbides (WC-Co) are powder metallurgical products produced by liquid phase sintering. WC-Co is widely used for making a large variety of cutting tools, such as drills and inserts turning applications, due to its great mechanical properties, where the hardness of the WC grains is combined with the toughness of the of the Co binder. WC grain size and grain size distribution are the two most important factors to control the mechanical properties of the products. This study examined the grain growth dependence of different milling and sintering times. The resulting grain size and grain size distribution were measured using image analysis on scanning electron microscopy images (SEM) and by using electron backscatter diffraction (EBSD). In addition, the correlation between hardness and coercivity, the most common indirect measures of grain size, and different methods of calculating average grain radius were investigated. An attempt was also made to study the contribution of defects to grain growth. This work also includes an overview of various grain growth equations and a numerical implementation of these. Experimental results show that for shorter sintering times, powders milled for short times (15 min and 1 h) have larger average grain radii. There is a crossover after 6 to 8 h of sintering, where the powders milled for a long time (40 h and 200 h), have larger average radii. The measured hardness values correlate well with the average grain radius calculated from the grain surface area and the coercivity correlates with the established equations. EBSD measurements detected boundaries that could not be detected by image analysis, and that were not Sigma 2 boundaries. It is likely that these boundaries are either low energy boundaries or boundaries between grains that are very closely oriented. Comparing heat-treated powder with the untreated resulted in a lower average grain size after sintering for the heat-treated powder. None of the growth equations investigated in this work could fully describe the experimental grain growth. Through increased understanding of the grain growth, the growth can be controlled and the end product can have the desired tool properties. The occurrence of abnormal grains in cutting tool applications can cause breakage, which is especially important to avoid in applications such as PCB drills. A correlation between hardness and grain size provides further means for cheap and fast indirect measures of the grain size in production. / Hårdmetall är ett pulvermetallurgiskt material som tillverkas genom smältfassintring och som kännetecknas av hårdhet, styvhet och god slitstyrka. Volframkarbidens (WC) kornstorlek och kornstorleksfördelning är två viktiga faktorer för att kontrollera de mekaniska egenskaperna i hårdmetall. I den här studien har korntillväxtens beroende på malning och sintring undersökts. WC-Co maldes och sintrades fyra olika tider och kornstorleksfördelningen mättes med bildanalys på svepelektronmikroskopbilder samt med ``electron backscatter diffraction'' (EBSD). I arbetet har även korrelationen mellan hårdhet, koercivitet och olika sätt att beräkna medelkornstorleken undersökts. Ett försök har också genomförts för att studera hur defekterna i det malda pulvret påverkar korntillväxten. I arbetet har även ett flertal olika tillväxtekvationer modellerats numeriskt och för och nackdelar med de olika tillväxtekvationerna har vägts mot varandra. En lång maltid (40 h och 200 h) visade sig ge liten kornstorlek för sintring kortare än 6 h, men för sintringar längre än 8 h gav istället kort malning (15 min och 1 h) den mindre kornstorleken. Det visade sig att uppmätt hårdhet korrelerar bäst med den medelkornstorleksradie som räknats fram från kornytan. I EBSD mätningarna kunde man observera ett flertal korngränser, utöver Sigma 2 korngränser, som inte hade detekterats med bildanalys. Värmebehandlingen av det malda pulvret minskade korntillväxten under efterföljande sintring. Ingen av de undersökta tillväxtekvationerna kunde beskriva de experimentella resultaten fullt ut. Genom ökad förståelse för korntillväxt kan man kontrollera tillväxten och slutprodukten kan få önskade egenskaper. Förekomsten av abnorm korntillväxt i skärverktyg i hårdmetall är en av de vanligaste kritiska defekterna och det är speciellt viktigt är undvika korntillväxt i tillverkning av små verktyg, som till exempel kretskortsborrar. Hårdhet och koercivitet är de vanligaste indirekta mätmetoderna för att mäta kornstorlek i produktion. En bra korrelation mellan kornstorlek och indirekta mätmetoder ger utökade verktyg för snabba och billiga mätningar.