På grund av det rådande miljöhotet så bör fokus för forskning och utveckling i ämnet riktas åt att utnyttja så många förnybara energikällor som möjligt, samt även optimera dessa för största möjliga energiupptagning. Vind, vatten och solljus är välkända och väl utformade källor för energi. Huruvida vatten i form av regn kan utnyttjas och dess potential kommer studeras i det här arbetet. Materialval och konstruktionslösningar står i centrum för arbetet. Vidare så studeras dess bakgrunder för utvinningsmetoderna och dess grundläggande principer tas upp för att skapa en bättre förståelse för möjligheterna att utnyttja tekniken. Fortsättningsvis så har rådande potentiella användningsområden och kommande utmaningar diskuterats utförligt. / Because of the prevailing environmental threat, focus for research and development in the subject should aim towards taking advantage of as many renewable energy sources as possible aswell as optimizing them to convert as much energy as possible. All renewable energy must be utilized, but above all, also optimized. Wind, water and sunlight are well-known and well-designed sources of energy. Whether water in the form of rain can be utilized and its potential as a sustainable commercial method will be studied in this paper. Material selection and design solutions are at the heart of the work. Furthermore, its backgrounds for the extraction methods are studied and its basic principles are addressed to create a better understanding of the possibilities of utilizing the technology. Moreover, the current potential uses and future challenges have been discussed in detail.

Selon l’Eurocode 8 et la norme EN 1337-3, le comportement de l’Appareil d'Appui en Néoprène Fretté (AANF) est considéré comme élastique linéaire ou hystérétique linéaire. En réalité, les comportements mécaniques de l’AANF sont très complexes et sont essentiellement ceux du néoprène tels que l’élasticité non linéaire, la viscosité, la plasticité, l’effet Payne, l’effet Mullins, etc. Toutefois, très peu d’études de l’effet Mullins et de la piezo-dépendance existent, et aucun modèle par éléments finis ne permet de modéliser ces phénomènes dans l’AANF. L’objectif de cette thèse est donc l’étude de ces phénomènes sur le néoprène et sur l’AANF. Pour atteindre ces objectifs, la caractérisation de ces phénomènes sur le néoprène est tout d’abord réalisée avec différents types de chargements tels que la relaxation, la traction cyclique, la compression cyclique, le couplage compression statique – cisaillement cyclique. De plus, un dispositif biaxial original est fabriqué afin de caractériser l’AANF sous le chargement de compression statique couplé au cisaillement cyclique. Grâce à ces résultats expérimentaux, un nouveau modèle est développé, permettant de modéliser simultanément l’effet Mullins, la piezo-dépendance ainsi que la viscoélasticité non linéaire du néoprène. / High Damping Rubber Bearings (HDRB) composed of alternating thin horizontal layers of elastomer bonded to steel plates are used to support permanent static loading in compression and cyclic shear in case of earthquakes. The behaviour of HDRB is considered to be linear elastic or linear hysteretic according to The European Standard Eurocode 8 and The Standard EN 1337 - 3. The mechanical behaviour of HDRB under loading is actually very complex and essentially linked to the behaviour of elastomer such as nonlinear elasticity, viscosity, plasticity, Payne effect, and Mullins effect. However, the coupling of Mullins effect and nonlinear viscosity as well as influence of hydrostatic stress on viscoelasticity of elastomer or of HDRB has not been studied yet. The aim of this thesis is thus the study of these effects on elastomer and on HDRB. In order to reach these objectives, characterization of these effects on elastomer is firstly performed with different types of loading such as relaxation test, cyclic tensile test, cyclic compression test and combined static compression – cyclic shear test. Furthermore, an original biaxial device is designed and manufactured in order to characterize the behaviour of HDRB under combined static compression – cyclic shear. Based on these experiments a new finite model is developped to simulate simultaneously Mullins effect, nonlinear viscosity and influence of hydrostatic stress on viscoelasticity of elastomer. Subsequently, this model is used to simulate the response of the HDRB under combined static compression - cyclic shear.

En raison de leurs propriétés mécaniques, électriques et thermiques exceptionnelles, les nanotubes de carbone (NTC) ont reçu une importante attention mondiale. Les NTC ont un grand potentiel dans différents domaines d'applications tels que le stockage d'énergie et la microélectronique. Grâce à leur structure unidimensionnelle, leur important facteur d'aspect et leur faible densité, les NTC servent comme charges dans les composites. Par contre, en raison des fortes interactions entre eux, il est difficile de les disperser et de les aligner dans une matrice de polymère.Il est connu qu'une bonne conception d'hybrides, constitués de NTC verticalement lignés sur des substrats, améliore de manière significative la dispersion de ces derniers dans la matrice. Ces hybrides sont préparés par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Une fois, ces hybrides sont dispersés dans la matrice du composite cela conduit à une nette amélioration des propriétés multifonctionnelles de ce composite. Les substrats utilisés dans cette thèse sont les nanoplaquettes de graphite (NPG) pour donner des hybrides NPG-NTC que nous appellerons par la suite GCHs. Les GCHs ont l'avantage d'avoir une faible densité et une structure totalement conductrice qui améliore les propriétés diélectriques et électriques des composites.Dans l'état de l'art, les relations entre l'organisation des GCHs et les conditions de synthèse par CVD et entre l'ajout des GCHs dans les composites et les réseaux conducteur interne dans les composites n'ont jamais été étudiées. Pour cela, dans cette thèse, nous allons soigneusement étudier et discuter ces problèmes mentionnés.Dans le premier chapitre, nous présentons une revue générale de la structure, des propriétés, des applications et de la synthèse des NTC et des NPG. Nous présentons aussi les procédures de l'intégration des nanoparticules dans des matrices polymères et les méthodes de fonctionnalisation des NTC. Nous discutons aussi des états électriques et les caractéristiques (di)électriques des composites en fonction de la quantité de la charge conductrice.Le deuxième chapitre présente tout d'abord la synthèse des NTC sur les NPG par CVD. Ensuite, l'influence des paramètres de la CVD, la température, la composition du gaz et le temps de la réaction, ont été étudié. Les résultats qualitatifs et quantitatifs obtenus d'après les caractérisations des ces hybrides peuvent servir comme base de données pour l'intégration et l'influence des ces hybrides dans les composites.Le troisième chapitre présente les composites binaires polyvinylidene fluoride/GCHs et leurs propriétés diélectriques qui sont nettement améliorées par rapport aux composites ternaires composés de polyvinylidene fluoride/NPG/NTC. Les composites obtenus par dispersion des GCHs dans la matrice à l'aide du procédé d'extrusion-injection, présentent un seuil de percolation fortement réduit (5,53 vol%) et une stabilité thermique relativement élevée. Leurs propriétés diélectriques améliorées peuvent être attribuées à des réseaux sous forme de micro-condensateurs et le changement de la cristallinité de la matrice peut être attribué à la bonne conception des hybrides.Le quatrième chapitre étudie les composites GCHs/polydiméthylsiloxane (PDMS) avec la haute performance piézo-résistive dans une large gamme de température. Le composite présente un seuil de percolation ultra-bas et une grande sensibilité piézo-résistive. En particulier, les autres améliorations des propriétés électriques obtenues dans les composites GCHs/PDMS par rapport à celles des composites à base de NTC/PDMS, de NPG/PDMS ou encore de NTC-NPG/PDMS. Les légers mouvements des doigts peuvent être détectés grâce à l'usage de ces films composites en tant que capteurs de mouvement. / Due to the outstanding mechanical electrical and thermal properties, carbon nanotubes (CNTs) received worldwide attentions and intensive investigations in last decades. CNTs are greatly potential in applications such as energy storage and microelectronics. The one dimensional structure, high aspect ratio and low density, promote CNTs serving as the excellent fillers in composites field. However, due to the strong interactions, CNTs are usually difficult to be dispersed and aligned in a polymer matrix. Designing the CNTs construction reasonably is an effective way to ameliorate the dispersion states of CNTs in matrix. These specific hybrid constructions allowed CNTs arrays synthesized vertically onto the substrates through catalyst chemical vapor deposition method. These CNT arrays effectively overcome the problem of CNTs aggregation and promote the interconnection among CNTs, leading to a considerable improvement of multi-functional properties of composites. Graphite nanoplatelets (GNPs) served as substrate make their synthesizing products-GNP-CNTs hybrids (GCHs) possess distinct merits of all-carbon composition, totally-conductive coupling structure and the low intrinsic density. These GCHs constructions provide a great improvement in the dielectric and electrical properties of composites. However, the relationship between GCHs organization and synthesizing conditions during CVD process and the influence of the addition of GCHs to internal conductive networks have not been reported in detail. These mentioned issues will be investigated and discussed in this thesis, which is divided into four chapters:The first chapter makes a general review of the structure, properties, application and synthesis of CNTs and GNP substrates, and the main procedures of fabricating composites and surface functionalization of CNTs. Moreover, a short introduction of the development of micro-nano hybrids applied to the functional composites is made. Most importantly, the developing electrical states and (di) electrical characteristics of composites with ever-increasing conducting filler loading are reviewed in detail at the last part.The second chapter discusses firstly the synthesis process through the CCVD approach and the relationship between CVD parameters and the corresponding construction of GCHs, where the temperature, gas composition and reaction time were controlled. The constructions CNT arrays are dependent on the synthesis conditions. Furthermore, the results obtained from analysis can provide a structural foundation for the huge application potential of GCHs constructions. The third chapter introduces the poly(vinylidene fluoride)-based nanocomposites containing GCH particles, the dielectric properties of which are improved more greatly than the ternary composites loading equivalent mixture of GNPs and CNTs. The composites achieved by dispersing GCH particles into matrix using the mechanical melt-mixing process, showing a strongly reduced percolation threshold (5.53 vol %) and the relatively high thermal stability. Their improved dielectric properties can be attributed to the formed microcapacitor networks and the change of crystalline formation of matrix, caused by well-designed CNT arrays constructions. The fourth chapter investigates the advanced GCHs/ polydimethylsilicone (PDMS) composites with high piezo-resistive performance at wide temperature range. The synthesized GCHs can be well dispersed in the matrix through the mechanical blending process. The flexible composite shows an ultra-low percolation threshold (0.64 vol%) and high piezo-resistive sensitivity (gauge factor ~103 and pressure sensitivity ~ 0.6 kPa-1). Particularly, the much improvements of electrical properties achieved in GCHs/PDMS composites compared with composites filled with equivalent CNT, GNP or mixture of CNTs/GNPs. Slight motions of finger can be detected and distinguished accurately using the composites film as typical wearable sensor.

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Die Arbeit befasst sich mit der effizienten Simulation des funktionellen Verhaltens von Piezoverbundmodulen als Aktor oder Sensor zur Schwingungsbeeinflussung mechanischer Strukturen. Ausgehend von einem FE-Modell werden über den Ansatz energetischer Äquivalenz die effektiven elektro-mechanischen Materialparameter ermittelt. Zur Berücksichtigung im Inneren der Einheitszelle liegender Elektroden werden die elektrischen Randbedingungen der Homogenisierungslastfälle angepasst. Die Homogenisierungslastfälle werden auch genutzt, um Phasenkonzentrationen für die Beanspruchungen der Verbundkomponenten zu ermitteln. Diese Phasenkonzentrationen werden eingesetzt, um aus dem effektiven Gesamtmodell die Beanspruchungen der Komponenten zu extrahieren. Zur dynamischen Modellbildung wird die Zustandsraumbeschreibung verwendet. Die Überführung einer piezo-mechanischen FE-Diskretisierung in ein Zustandsraummodell gelingt mit der Betrachtung der mechanischen Freiheitsgrade als Zustandsvariablen. Zur Abbildung der elektrischen Impedanz im Zustandsraum muss die elektrische Kapazitätsmatrix als Durchgangsmatrix einbezogen werden. Die Reduktion des Zustandsraums basiert auf der modalen Superposition. Die modale Transformationsbasis wird um Moden ergänzt, die die Verformung bei statischer elektrischer Erregung charakterisieren. Die Zustandsraumbeschreibung wird sowohl für eine Potential- als auch für eine Ladungserregung ausgeführt. Das Zustandsraummodell wird unter Verwendung von Filtermatrizen um Ausgangssignale für die mechanischen und elektrischen Beanspruchungsgrößen erweitert. Dies gestattet eine Kopplung der Zustandsraummodelle mit den Beanspruchungsanalysen. Die Anwendung der Berechnungsmethode wird am Beispiel der im SFB/TRR PT-PIESA entwickelten Piezo-Metall-Module demonstriert, die durch direkte Integration von piezokeramischen Basiselementen in Blechstrukturen gekennzeichnet sind. / This thesis deals with the efficient simulation of the functional behaviour of piezo composite modules for applications as actuators or sensors to influence vibrations of machine structures. Based on a FE-discretisation the effective electro-mechanical material parameters of the piezo composite modules are determined with an ansatz of energetic equivalence. To consider electrodes which are located inside the representative volume element the electrical boundary conditions of the load cases for homogenisation are adapted. The load cases for homogenisation are also used to determine the phase concentrations (or fluctuation fields) of stress/strain and electric field/electric displacement field in the composite constituents. These phase concentrations are required to extract stress and strain of the composite components based on the overall model with effective material parameters. For dynamical modelling a state space representation is used. The transformation of a FE-discretisation of the piezo-mechanical system into a state space model is possible by choosing the mechanical degree of freedom as state variables. For consideration of the electrical impedance in the state space model the electrical stiffness respectively capacitance matrix has to incorporate as feedthrough matrix. The dynamical model reduction of the state space model is based on modal superposition. For the correct reproduction of the electrical impedance the modal transformation basis has to be amended by deformation modes which represent the deformation behaviour due to static electrical excitation at the electrodes. The state space representation is built for potential and charge excitation. The state space model is enhanced by filter matrices to incorporate output signals for stress/strain and also for electric field/electric displacement field. This allows the coupling of the state space models with the stress analyses. The application of the simulation method is demonstrated using the example of the piezo-metal-modules developed in the CRC/TR PT-PIESA (German: SFB/TRR PT-PIESA). These piezo-metal-modules are characterised by direct integration of piezoceramic base elements in sheet metal structures.

Um die Vortriebsleistung von Maschinen zur Festgesteinsgewinnung zu steigern, wird das Prinzip der Aktivierung seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wird der grundlegenden Arbeitsbewegung des eingreifenden Werkzeugs eine Schlag- oder Vibrationsbewegung überlagert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen im Eingriff in Festgestein untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die Besonderheiten beim Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein genauer zu definieren und zu klären, auf welchen Ursachen sie beruhen. Es werden konventionelle und hochfrequente Aktivierungsprinzipien beispielhaft vorgestellt und ein kurzer Einblick in das untersuchte Aktivierungsprinzip und dessen Besonderheiten gegeben. Eine Literaturrecherche gibt Informationen zu den Eigenschaften von Gesteinen mit besonderem Fokus auf dynamisch veränderlichen Kennwerten. Weiterhin wird Literatur zu den physikalischen Grundlagen des Werkzeugeingriffs und der Piezoaktorik vorgestellt. Eine theoretische Verarbeitung dieser Informationen in Form von Modellen wird neben praktischen Versuchen an einem Prüfstand vorgenommen.

Silicon magnetic sensors based on the Hall effect have proven to be an excellent sensor choice for many applications, such as position sensing, gear-tooth sensing, contact-less switching and linear sensing. Although a sensor can be trimmed over temperature before it is shipped to the customer, little can be done about the sensitivity's stability once the sensor has been installed in its final application. The goal of this project is to propose and implement mechanisms to stabilize the Hall sensor's sensitivity through the use of mechanical stress feedback and magnetic feedback.

Dans le cadre de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à deux pathologies fémoro-acétabulaires dont la pathogénie semble liée aux « conditions biomécaniques » locales. La première partie de cette thèse était consacrée à l’analyse de l’influence de l’anatomie osseuse sur l’apparition de l’ostéonécrose aseptique de la tête fémorale. Nous avons réalisé des analyses analytique de l’anatomie des patients souffrant d’ONA (notre hypothèse était que nous retrouverions un profil anatomique particulier chez les patients souffrant d’ONA par rapport à la population générale.Nos résultats démontrent que les patients souffrant d’ONA présentent fréquemment une anatomie particulière. Notre modèle en éléments finis de la hanche de dix patients souffrant d’ONAi, a permis de valider notre hypothèse puisqu’il existe un recouvrement quasi-parfait, entre la zone de nécrose osseuse et celle supportant les contraintes fémoro-acétabulaires. L’hypothèse selon laquelle une pathogénie mécanique puisse être responsable du développement l’ostéonécrose aseptique de la tête fémorale est vérifiée par nos travaux.Dans la seconde partie de cette thèse nous avons décrit le rôle mécanique du LA par une évaluation multimodale combinant analyse cinématique,de contraintes fémoro-labrales et enfin analyse en éléments finis. Les résultats de ces études ont permis de constater que le LA se déforme lors du mouvement reflétant une transmission de contraintes fémoro-labrales lors du mouvement d’abduction. Ces contraintes ont pu être enregistrées à l’aide de capteurs piezo-resistifs, elles augmentent lors du mouvement d’abduction. Ces éléments ont été confirmés par notre modèle en éléments finis. / As parts of this thesis we focused on two femoro-acetabular diseases whose pathogenesis appears to be related to "biomechanical local conditions". The first part of this thesis was devoted to analyze the influence of bony anatomy on the development of aseptic osteonecrosis of the femoral head. We thus aimed to analyze ONA patients’ anatomy in a matched-controlled fashioned study. Our results demonstrate that patients with ONA often present a particular anatomy. A finite element model of ten iONA hips validated our hypothesis since we found an overlap between bone necrosis area and femoro-acetabular strains bearing area. The assumption that a mechanical pathogenesis may be responsible for ONA development has been confirmed by our results.If the relationship between bony anatomy and bone disease is quite intuitive, acetabular labrum involvement (AL) in the regulation of femoro-acetabular mechanical conditions is unclear. The mechanical role of the AL is widely controversial, though some authors attributed, AL, a key role in hip joint’s mechanics, others advocated its complete resection in case of painful traumatic tears. We tried to demonstrate AL’s mechanical role in a multimodal analysis combining kinematic, strains and finite element analysis. The AL deforms during abduction movement reflecting femoro-labral strains’ transmission. Those strains have been recorded using piezo-resistive sensors, they increase during adduction to abduction movement. These elements were confirmed by our finite element model: labral resection changed the Femoro-acetabular strains to the detriment of cartilage surfaces.

Ultrasonic sensors are well known for various applications such as NDT, ultrasound imaging, and proximity sensing. Conventional ultrasound transducers are bulky, work at notoriously high voltages, and consume significant power. Microfabrication techniques are leading to a paradigm shift in the field of ultrasonics by enabling development of low power - small footprint ultrasound transducers. This work focuses on the development of piezoelectric type flexural mode micromachined ultrasound transducer also known as PMUTs. We start by establishing a system level analytical model of a PMUT and use it to offer insights into scaling of the performance of the transducer with respect to various design parameters. In this analysis we give special attention to residual stresses thus establishing a contrast between membrane type and plate type PMUTs. After going through various steps of material development and microfabrication, we obtain arrays of PMUTs with different designs. PZT thin films deposited by sol-gel method are used as the piezoelectric layer in the multilayer stack. Further, we present a thorough characterization of fabricated PMUTs which includes measurement of the piezoelectric properties of the embedded PZT thin film, electrical impedance of the electromechanical transducer, its vibrational charac-teristics and acoustic radiation from a single PMUT cell. We also develop a pre-amplifier circuit for a PMUT receiver and present its working as a simple proximity sensor. After establishing the repeatability and predictability of our PMUT sensors we delve into application development beyond ultrasound imaging. Experiments and analysis of PMUTs submerged in water show strong structural-acoustic coupling between the PMUT membrane and the surrounding fluid. We hypothesize the applicability of this feature to sense changes in the acoustic environment of a PMUT. To this end, we integrate an array of PMUTs with a micro-fluidic chip and study the changes in the vibrational behaviour of the PMUT in response to change in the air-water ratio in a closed cell around a PMUT membrane. We also present our preliminary results on presence of micro-bubbles in the closed cell around the PMUT.

Cette thèse porte sur l 'étude et le contrôle des caractéristiques de transition de phase dans les films magnétiques. Dans le cas des films pulvérisés par magnétron à base de FeRh, on a étudié l'influence de la composition et de la souche. La caractérisation magnétique, structurale et électrique a été effectuée en fonction de la position sur des films de composition graduelle. L'ajout d'un troisième élément (Pt ou Ni) a été utilisé pour décaler la température de transition. Nous avons établi qu'un changement dans les propriétés optiques se produit dans les films à base de FeRh en passant de l'état FM à l'état AFM. En étudiant la position dépendant de la température de la transition optique, nous avons pu construire un diagramme de phase du système Fe-Rh-Pt. Un tel diagramme de phase détaillé, basé sur une variation continue de composition, met en évidence une stabilité accrue (température de transition plus élevée) de la phase AFM pour une composition spécifique proche de celle équiatomique. Le contrôle de la souche du changement de phase dans les hétérostructures PMN-PT / FeRh a été étudié par des mesures de transport à l'aide des mises au point développées dans cette thèse. La température de transition pourrait être décalée de 22 K jusqu'à l'application d'un champ électrique faible (10 V ~ 0,32 kV / cm). Le changement de résistance induit par la déformation est important, ce qui est intéressant pour les applications. L'état AFM est stabilisé dans les films contraints. Le caractère anisotrope de la souche piézoélectrique joue un rôle important par rapport au changement de volume isotrope. Nous avons réussi à préparer des films de La (Fe, Si) 13 pour la première fois. Bien que les films optimaux présentent des valeurs de température de Curie, de constante de réseau, de variation d'entropie isotherme induite par le champ et d'aimantation spontanée comparables aux valeurs rapportées pour un matériau en vrac de composition similaire, elles présentent également des caractéristiques inhabituelles, c'est-à-dire des courbes M-T irréversibles et une hystérésis thermique inverse. L'élucidation de l'origine de ces effets nécessite une enquête plus approfondie / This thesis deals with the study and control of phase transition characteristics in magnetic films. In the case of FeRh-based magnetron sputtered films, the influence of both composition and strain were studied. Magnetic, structural and electrical characterization was made as a function of position on compositionally graded films. Addition of a third element (Pt or Ni) was used to shift the transition temperature. We established that a change in optical properties occurs in FeRh-based films on passing from the FM to AFM state. By studying the temperature dependent position of the optical transition, we were able to construct a phase diagram of the Fe-Rh-Pt system. Such a detailed phase diagram based on a continuous variation of composition, evidences an enhanced stability (higher transition temperature) of the AFM phase for a specific composition close to the equiatomic one. Strain control of the phase change in PMN-PT/FeRh heterostructures was investigated through transport measurements using set-ups developed in this thesis. The transition temperature could be shifted by up to 22 K upon application of a low electric field (10 V ~ 0.32 kV/cm). The strain-induced resistance change is large, which is attractive for applications. The AFM state is stabilized in strained films. The anisotropic character of the piezo-electric strain plays a significant role compared to the isotropic volume change. We succeeded in preparing films of La(Fe,Si)13 for the first time. While the optimal films show values of Curie temperature, lattice constant, field-induced isothermal entropy change and spontaneous magnetization comparable with values reported for bulk material of similar composition, they also display unusual features, i.e. irreversible M-T curves and an inverse thermal hysteresis. Elucidation of the origin of these effects requires further investigation.