The objective of this thesis project was to compare the stress behaviour in thermal barrier coatings (TBCs) with FE analyses in both 2D and 3D. The main focus was to analyse the vertical stresses in the topcoat (TC) and how they varied in relation to different thicknesses of the thermally grown oxide (TGO), spraying methods of the bondcoat (BC) and the topography of the BC. For the 2D simulations six samples were used; three with BCs sprayed with high-velocity oxy-fuel spraying and three sprayed with atmospheric plasma spraying. The samples had been exposed to isothermal heat treatment at 1150 °C for 0, 100 and 200 hours. Five images of each sample were taken with a scanning electron microscope, resulting in a total of 30 images. FE simulations based on these 30 images were done simulating a cooling from 1100 °C to 100 °C. The 3D simulations were based on surfaces created from coordinates measured with stripe projection technique on three samples consisting of only substrate and BC. Three domains of each sample had been measured and three CAD models based on randomly selected surfaces of each domain were made, resulting in 27 CAD models. The CAD models were used in the 3D FE simulations also simulating a cooling from 1100 °C to 100 °C. The results showed that the 2D simulations corresponds to published assertions about a stress inversion after TGO growth and that cracking will propagate from one peak to another, presuming the roughness of the TGO can be expressed as a wave. No conclusions of differences between spraying methods of the BC could be drawn. The stress inversion phenomenon was also found in the 3D simulations. By inspecting the TGO/TC-interface profile in different sections of a 3D model, difficulties in predicting the stress behaviour in a TBC with 2D were explained. No differences in stresses in relation to the BC roughness could be stated.

Dans les systèmes anaérobies de traitement d'eaux usées, la biomasse microbienne complexe incluant archées et bactéries peut être maintenue au sein du procédé par l'adhésion aux supports solides sous forme de biofilm. Le but de ce travail est d'évaluer l'impact des propriétés des matériaux supports sur l'adhésion et la colonisation du consortium méthanogène. Différents matériaux (le polyéthylène, le polypropylène, le chlorure de polyvinyle, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polycarbonate, le verre borosilicaté, l'acier inoxydable 304L et Bioflow 30 ®) sont décrits en termes de topographie par la détermination de rugosité et en termes d'énergie de surface par la mesure d'angle de contact. Le biofilm est évalué quantitativement et les structures communautaires bactériennes et archéennes sont observées grâce à l'analyse moléculaire à différents stades de sa mise en place. L'adhésion d'un consortium méthanogène sur les matériaux après deux heures de contact dans un réacteur annulaire rotatif révèle que les communautés adhérées diffèrent de l'inoculum, y compris en termes de proportion archées/bactéries. Ce résultat a un impact significatif sur le démarrage de digesteurs anaérobie car les tendances observées sont confirmées pendant l'établissement du biofilm actif. La mise en oeuvre de différents matériaux dans des réacteurs à lit fixe a permis de montrer que les populations d'archées des biofilms sont spécifiques au matériau et indépendantes de l'inoculum. / In anaerobic wastewater treatment systems, the complex microbial biomass including Archeae and Bacteria may be retained as a biofilm by attachment to solid supports. The aim of this study is to evaluate the impact of support material properties on adhesion and colonization. Various substrata (polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene, polycarbonate, borosilicate glass, stainless steel 304L and Bioflow 30®) are described in terms of topography by determinating of roughness and in terms of surface energy by contact angle measurement. Adhesion is quantified and the bacterial and archaeal community structure are assessed by molecular analysis in various stages of the biofilm development. Adhesion of a methanogenic consortium on these substrata Is measured after two hours of contact in a rotating annular reactor. The result reveals that the adhered communities were different from the parent inocula, including the Archeae/Bacteria ratio. This result has a significant impact on the start-up of anaerobic digesters because the observed tendencies are confirmed during the establishment of the active biofilm. Start-up of anaerobic fixed-bed reactors using different substrata showed that Archeae populations in the biofilms are specific to each of the material and independent of the inoculum.

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη και την αλγοριθμική υλοποίηση των κλασσικών θεωριών Ενεργού Μέσου που αναπτύχθηκαν από τους Maxwell-Garnett και Bruggeman, μεταγενέστερες επεκτάσεις τους καθώς επίσης και ενός μοντέλου βασισμένο στη «θεωρία Mie», με σκοπό να διερευνηθεί εάν και σε ποιόν βαθμό, μπορούν να συμβάλλουν στην προσομοίωση του φαινομένου της τραχύτητας των διεπιφανειών μιας πολυστρωματικής δομής. Στόχος ακόμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη φιλικού προς το χρήστη λογισμικού σε περιβάλλον Matlab, το οποίο να ενσωματώνει όλες τις υλοποιήσεις των ανωτέρω θεωριών Ενεργού Μέσου αλλά και εν μέρει να αυτοματοποιεί μέσω αυτών, τη αντιμετώπιση του φαινομένου της τραχύτητας. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε συνδυάστηκε με υφιστάμενο λογισμικό της θεωρίας Χαρακτηριστικού Πίνακα για την συνολική αποτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων σύνθετων επιστρώσεων. Στο πειραματικό σκέλος της εργασίας, αναπτύχθηκαν με τις μεθόδους Doctor Blade και εξάχνωσης με πυροβόλο δέσμης ηλεκτρονίων, δείγματα μονής επίστρωσης (διηλεκτρικών 𝑇𝑇𝑇2,𝑍𝑛𝑇), διπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό-μέταλλο» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) και τριπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό–μέταλλο-διηλεκτρικό» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). Για την ασφαλή αξιολόγηση των διαφόρων θεωρητικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν, διενεργήθηκαν πολλαπλές μετρήσεις μορφολογίας, πάχους, τραχύτητας και οπτικής συμπεριφοράς (AFM, SEM, XRR, Προφιλομετρία ακίδας, UV-Vis φασματομετρία) Έτσι, τα πεδία σύγκρισης των μοντέλων με τα πειραματικά δεδομένα ήταν τα διαγράμματα φασματικής διαπερατότητας/ανακλαστικότητας και τα επιμέρους πάχη των συμπαγών στρωμάτων και των διεπιφανειών. Από τις απόπειρες προσομοίωσης των παραπάνω επιστρώσεων προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα αναφορικά με την εγκυρότητα των θεωρητικών μοντέλων ως προς την ικανότητα περιγραφής της οπτικής συμπεριφοράς. Το μοντέλο “Mie” περιγράφει εξαιρετικά την οπτική συμπεριφορά απλών υμενίων με έντονη παρουσία αέρα στο εσωτερικό τους, ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας που παρουσιάζουν. Αντίθετα, η εγκυρότητα των θεωριών Ενεργού Μέσου σε αυτές τις περιπτώσεις εξαρτάται αυστηρά από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες Ενεργού Μέσου και ιδιαίτερα η περίπτωση Bruggeman, επιτυγχάνουν μια ιδιαίτερα σημαντική βελτίωση στην πρόβλεψη της οπτικής συμπεριφοράς πολυστρωματικών επιστρώσεων – όπου η θεωρία Mie αποτυγχάνει - με την ενσωμάτωσης της τραχύτητας επιφάνειας και διεπαφών. Τέλος δίνονται κατευθύνσεις για την περεταίρω βελτίωση των μοντέλων εξομοίωσης της τραχύτητας αλλά και για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου προγράμματος που θα αντιμετωπίζει συνολικά το θέμα της θεωρητικής σχεδίασης επιστρώσεων λεπτών υμενίων. Αποτελέσματα της παρούσας, χρησιμοποιήθηκαν στην δημοσιευθείσα εργασία: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics. / This work focuses on the study and algorithmic implementation of the classical Effective Medium theories developed by Maxwell-Garnett and Bruggeman, subsequently extended versions of them as well as a “Mie Theory” based model, in order to investigate whether - and to which extend - they can be exploited for the simulation of surface and interface roughness of a multilayer structure. It also aims in the development of user-friendly software (Matlab graphical user interface), which will integrate the implementations of all the above theories, in order to easily attain different approaches to the composite medium and to deal with the phenomenon of roughness. The overall assessment of the optical properties of composite, multilayer coatings was achieved by the combination of the software described above with an existing Transfer Matrix program. The experimental part of this work included the development, through Doctor Blade and E-gun Vapor Deposition techniques, of single-layer coatings (𝑇𝑇𝑇2, ZnO dielectrics), double-layer coatings of the "dielectric-metal" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) and triple-layer coatings of the "dielectric-metal-dielectric" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). For the safe evaluation of the developed theoretical models, multiple experimental techniques (AFM, SEM, XRR, Step Profilometry, and UV-Vis Spectrometry) were used for the measurement of the morphology, thickness, roughness and optical performance of the coatings. Thus, the evaluation of the theoretical models was based upon the comparison to the experimental data, using criteria such as the spectral transmittance/reflectance response and the thickness of the individual compact layers and interfaces of the coatings. The simulations of the above coatings yielded important conclusions regarding the validity of the theoretical models in the description of optical behavior. "Mie" model is found to describe extremely well the optical properties of simple thin-films containing significant amounts of air, regardless of the roughness characteristics that they present. On the contrary, the validity of Effective Medium theories in such cases is strongly dependent on the characteristics of roughness. Nevertheless Effective Medium theories and particularly the case of Bruggeman are proved to significantly contribute in the forecasting of multilayer coatings’ optical behavior - where Mie theory fails – by the incorporation of surface and interfaces roughness. Finally, directions are given for further improvement for the roughness simulation models as well as for the development of a complete program that would holistically account for the theoretical design/simulation of thin-film coatings. Results of the present work were used in the following published paper: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics.