The @lab is a group dedicated to the research and development of electronic textiles for architectural applications; this thesis presents the structural analyses performed by the author to improve the @lab’s projects. Also included are three investigations performed by the author that pertain to smart material applications in responsive architecture and textiles. The first investigation evaluated the feasibility of using piezoelectric materials to harvest power from human foot traffic; overall, it was determined to not be feasible. The second investigation experimentally tested how six parameters of shape memory alloy spring actuators affect their reaction times and stroke; all six parameters affected the reaction times and/or stroke. The third investigation experimentally tested how three parameters of superelastic SMA springs influence their stiffness and resonant frequencies; overall, it was found that traditional spring mechanics can be used to predict their behavior providing the internal stress does not reach the upper plateau stress.

NiTi is the most commonly used shape memory alloy (SMA) and has been widely used for bio-medical, electrical and mechanical applications. Nickel rich NiTi shape memory alloys are coming into prominence due to their distinct superelasticity and shape memory properties as compared to near equi-atomic NiTi shape memory alloys. Besides, their lower density and higher work output than steels makes these alloys an excellent candidate for aerospace and automotive industry. Shape memory properties and phase transformation behavior of high Ni-rich Ni54Ti46 (at.%) polycrystals and Ni-rich Ni51Ti49 (at.%) single-crystals are determined. Their properties are sensitive to heat treatments that affect the phase transformation behavior of these alloys. Phase transformation properties and microstructure were investigated in aged Ni54Ti46 alloys with differential scanning calorimetry (DSC) and transmission electron microscopy (TEM) to reveal the precipitation characteristics and R-phase formation. It was found that Ni54Ti46 has the ability to exhibit perfect superelasticity under high stress levels (~2 GPa) with 4% total strain after 550°C-3h aging. Stress independent R-phase transformation was found to be responsible for the change in shape memory behavior with stress. The shape memory responses of [001], [011] and [111] oriented Ni51Ti49 single-crystals alloy were reported under compression to reveal the orientation dependence of their shape memory behavior. It has been found that transformation strain, temperatures and hysteresis, Classius-Clapeyron slopes, critical stress for plastic deformation are highly orientation dependent. The effects of precipitation formation and compressive loading at selected temperatures on the two-way shape memory effect (TWSME) properties of a [111]-oriented Ni51Ti49 shape memory alloy were revealed. Additionally, aligned Ni4Ti3 precipitates were formed in a single crystal of Ni51Ti49 alloy by aging under applied compression stress along the [111] direction. Formation of a single family of Ni4Ti3 precipitates were exhibited significant TWSME without any training or deformation. When the homogenized and aged specimens were loaded in martensite, positive TWSME was observed. After loading at high temperature in austenite, the homogenized specimen did not show TWSME while the aged specimen revealed negative TWSME.

The objective of this work is to understand the structure-property relationships in a pseudoelastic composition of polycrystalline NiTiPt (Ti-42.7 at% Ni-7.5 at% Pt). Structural characterization of the alloy includes grain size determination and texture analysis while the thermo-mechanical properties are explored using tensile testing. Variation in heat treatment is used as a vehicle to modify microstructure. The results are compared to experiments on Ni-rich NiTi alloy wires (Ti-51.0 at% Ni), which are in commercial use in various biomedical applications. With regards to microstructure, both alloys exhibit a <111> fiber texture along the wire drawing axis, however the NiTiPt alloy's grain size is smaller than that of the Ni-rich NiTi wires, while the latter materials contain second phase precipitates. Given the nanometer scale grain size in NiTiPt and the dispersed, nanometer scale precipitate size in NiTi, the overall strength and ductility of the alloys are essentially identical when given appropriate heat treatments. Property differences include a much smaller stress hysteresis and smaller temperature dependence of the transformation stress for NiTiPt alloys compared to NiTi alloys. Potential benefits and implications for use in vascular stent applications are discussed.

Since NiTi shape memory alloy (SMA) was discovered in the early 1960s, great progress has been made in understanding the properties and mechanisms of NiTi SMA and in developing associated products. For several decades, most of the scientific research and industrial interests on NiTi SMA has focused on its superelastic applications in the biomedical field and shape memory based “smart” devices, which involves the low strain rate (around 0.001 s^-1) response of NiTi SMA. Due to either stress-induced martensite phase transformation or stress induced martensite variant reorientation under the applied load, NiTi SMA has exhibited a high damping capacity in both austenitic and martensitic phase. Recently, there has been an increasing interest in exploitation of the high damping capacity of NiTi SMA to develop high strain rate related applications such as seismic damping elements and energy absorbing devices. However, a systematic study on the influence of strain, strain rate and temperature on the mechanical properties, phase transformation, microstructure and crystal structure is still limited, which leads to the difficulties in the design of products being subjected to high strain rate loading conditions. The four main objectives of the current research are: (1) achieve the single loading and the control of strain, constant strain rate and temperature in high strain rate compression tests of NiTi SMA specimens using Kolsky (split Hopkinson) compression bar; (2) explore the high strain rate compressive responses of NiTi SMA specimens as a function of strain (1.4%, 1.8%, 3.0%, 4.8%, and 9.6%), strain rate (400, 800 and 1200 s^-1), and temperature (room temperature (294 K) and 373 K); (3) characterize and compare the microstructure, phase transformation and crystal structure of NiTi SMAs before and after high strain rate compression; and (4) correlate high strain rate deformation with the changes of microstructure, phase transformation characteristics and crystal structure. Based on the results from this study, it was found that: (1) the compressive stress strain curves of martensitic NiTi SMAs under quasi-static loading conditions are different from those under high strain rate loading conditions, where higher strain hardening was observed; (2) the critical stress and stress plateau of martensitic NiTi SMAs are sensitive to the strain rate and temperature, especially at 373K, which results from the interplay between strain hardening and thermal softening; (3) the microstructure of martensitic NiTi SMA has changed with increasing strain rate at room temperature (294 K), resulting in the reduction in the area of ordered martensite region, while that area increases after deformation at elevated temperature (373K); (4) the phase transformation characteristic temperatures are more sensitive to deformation strain than strain rate; (5) the preferred crystal plane of martensitic NiTi SMA has changed from (11 ̅1)M before compression to (111)M after compression at room temperature (294 K), while the preferred plane remains exactly the same for martensitic NiTi SMA before and after compression at 373 K. Lastly, dynamic recovery and recrystallization are also observed after deformation of martensitic NiTi SMA at 373K.

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Au cours des dernières décennies, le concept de « matériaux intelligents » a suscité un intérêt en croissance rapide en raison de l'apparition de plusieurs nouveaux types de matériaux polymères qui sont capables d'accomplir une fonction désirée en réponse à un stimulus spécifique de façon prédéterminée et contrôlée. Deux exemples représentatifs sont les polymères à mémoire de forme (SMPs) et les polymères autoréparables or réparables par un stimulus (SHPs). Ils sont sujets de cette thèse. D'une part, les SMPs sont des matériaux qui ont la capacité de mémoriser une forme spécifique. Après avoir été déformés et fixés à une forme temporaire, ils peuvent récupérer la forme originale et permanente sous l'effet d'un signal stimulant comme la chaleur, la lumière ou un champ électrique. Bénéficiant de la mise en œuvre relativement facile, les SMPs sont une alternative intéressante aux alliages à mémoire de forme bien établis; et ils ont trouvé un large éventail d'applications potentielles allant des implants pour la chirurgie non-invasive aux actionneurs sensibles aux environnements. D'autre part, les SHPs sont des matériaux qui sont capables de réparer des dommages mécaniques (fissures ou fractures) par eux-mêmes ou avec l'aide d’un stimulus externe. Leur développement a un grand intérêt pour améliorer la sécurité, prolonger la durée de vie et réduire le coût de l'entretien des matériaux. Sauf quelques matériaux souples (certains gels et élastomères) qui sont guérissables de façon vraiment autonome, la plupart des SHPs nécessitent l'intervention d'un stimulus comme c’est le cas pour les SMPs. L'objectif principal de cette thèse est de développer de nouveaux SMPs et SHPs contrôlables par un rayonnement lumineux. La stratégie que nous avons utilisée est basée sur l'ajout d'une petite quantité de nanoparticules d'or (AuNPs ) ou de nanotiges d'or (AuNRs) dans un SMP ou SHP pour absorber la lumière visible ou proche infrarouge. L’idée est d’utiliser la chaleur dégagée par les nanoparticules lors de l’absorption de la lumière due à la résonance plasmonique de surface (SPR) pour contrôler les transitions de phase dans les polymères et, par conséquent, de dicter leurs processus de mémoire de forme ou de guérison. Bien qu’un effet photothermique est à l'origine de ces processus, tous les avantages de l'utilisation de la lumière comme stimulus sont conservés, tels que l'activation à distance et le contrôle spatiotemporel. Plusieurs travaux de recherche ont été réalisés au cours de cette thèse, dont les résultats, nous l'espérons, peuvent constituer une contribution de base faisant l'utilisation d’AuNPs et AuNRs une technologie de plate-forme pour le développement des SMPs et SHPs contrôlables par la lumière. En ce qui concerne les SMPs, nous avons d’abord préparé un nouveau matériau nanocomposite AuNP-polymère à base d’oligo(ε-caprolactone) ramifié et réticulé. En faisant usage de chauffage localisé induit par la lumière, nous avons prouvé que la lumière visible peut être utilisée pour activer un processus de récupération de forme de manière sélective spatialement, et pour réaliser plusieurs formes intermédiaires sur-demande. En outre, nous avons constaté qu'en ajustant l'intensité de la lumière laser ou la quantité d’AuNPs, l'élévation locale de la température dans le matériau peut être importante et atteindre une amplitude prédéterminée sans influence défavorable sur ses environs. Cette caractéristique intéressante permet d'utiliser le même SMP pour des applications couvrant un large domaine de températures environnantes. De plus, dans cette étude, nous avons démontré comment l'énergie libérée dans un processus de récupération de forme contrôlé par la lumière peut être utilisée pour accomplir un travail mécanique. Sur la base du projet précédent, nous avons ensuite fait la première démonstration que la polarisation de la lumière peut également être utilisée pour contrôler l'effet de mémoire de forme ainsi que le processus de récupération de forme. À cette fin, nous avons conçu et préparé un SMP anisotrope contenant des AuNRs orientés par étirage de films de poly(alcool de vinyle) (PVA). L'idée est que la quantité de chaleur dégagée par les nanotiges d’or lors de l'exposition à la lumière proche infrarouge, est déterminée par l’absorption de photons qui, pour un matériau anisotrope, est dépendante de la polarisation de la lumière incidente. Nous avons montré qu’en effet, changeant la direction de polarisation du laser incident par rapport à la direction d'étirage du film tout en conservant toutes les autres conditions inchangées, permet de contrôler le degré d'élévation de température dans le matériau, ce qui détermine le processus de récupération de forme. En découvrant ce nouveau moyen de control, cette étude a élargi la boîte à outils pour les SMPs contrôlables par voie optique. Sur le côté SHPs, notre motivation d’exploiter l'approche photothermique est d'aborder la question difficile de la guérison de matériaux mécaniquement forts et dues. En général, une force mécanique élevée (ou une grande dureté) d'un matériau entrave sa capacité d’auto-guérison ou guérison induite par des stimuli en raison du manque de mobilité de chaînes du polymère, sachant que cette mobilité est cruciale pour la diffusion du polymère dans une région fracturée conduisant à la cicatrisation. Nous avons proposé la stratégie consistant à utiliser l'effet photothermique pour provoquer la transition de phase « fusion – cristallisation » pour la réparation. Dans une première étude, par le chargement d'une très petite quantité d’AuNPs dans deux polymères cristallins, le poly(oxyde d' éthylène ) (PEO, T[indice inférieur m~]63 °C) et le polyéthylène de basse densité (LDPE , T[indice inférieur m~]103 °C), nous avons réussi une guérison optique très rapide et efficace, fusionnant deux morceaux de polymère en contact en un seul avec des propriétés mécaniques bien récupérées. Nous avons confirmé le mécanisme de guérison basé sur la fusion des chaînes cristallisées lors de l’exposition à la lumière, suivie de la cristallisation lors du refroidissement après l'extinction du laser. Cette cristallisation des chaines ayant diffusé à travers les surfaces de coupe a pour effet de les fusionner pour la guérison. En plus de l'activation à distance et la capacité de cicatrisation rapide, nous avons aussi démontré le control spatial de la guérison optique car elle a lieu uniquement dans les régions fracturées exposées au laser. Après avoir appris comment utiliser l'effet photothermique découlant de la SPR d’AuNPs pour réaliser le control des processus de mémoire de forme et de guérison dans des polymères séparés, nous avons continué notre effort pour développer des matériaux qui possèdent les deux fonctions de mémoire de forme et de guérison commandées par la lumière. La réalisation d’un tel matériau est aussi une tâche difficile en raison de l'incompatibilité structurelle entre les SMPs et SHPs, puisque la structure de réseau réticulé nécessaire pour le mémoire de forme réduit généralement la mobilité de chaînes requise pour la guérison. Grâce aux connaissances générées par nos recherches, nous avons proposé un design de matériau consistant à réticuler chimiquement un polymère cristallin (PEO) chargé d’une petite quantité d’AuNPs. Notre étude a montré que ce matériau polymère acquise l’effet de mémoire de forme contrôlable par la lumière et la guérison optique rapide dus au même effet de chauffage localisé induit par un laser. En effet, l'effet photothermique peut activer le processus de récupération de la forme du matériau en élevant sa température au-dessus de la T[indice inférieur m] de la phase cristalline et, dans le même temps, permet la cicatrisation de fissures par l'intermédiaire de fusion des chaînes cristallisées sous exposition au laser et la cristallisation ultérieure lors du refroidissement après l’éteinte du laser. De plus, nous avons démontré que ces deux fonctions peuvent être exécutées de manière séquentielle sur le même matériau, sans interférence entre elles. La mise en œuvre simultanée des deux fonctions distinctes dans un seul matériau peut élargir les applications possibles de SMPs et SHPs. Par la suite, nous avons appliqué la stratégie établie avec des polymères cristallins aux hydrogels polymères. Il est connu depuis longtemps qu’il est très difficile d’obtenir des hydrogels mécaniquement robustes pouvant être réparés par effets de stimuli. Nous avons conçu et préparé un hydrogel hybride en chargeant une petite quantité d’AuNPs dans un hydrogel formé par copolymérisation du N, N-diméthylacrylamide (DMA), de l'acrylate de stéaryle (SA) et du N, N'- méthylène bisacrylamide (MBA). La force mécanique de cet hydrogel est donnée par une réticulation chimique qui coexiste avec une réticulation physique due aux chaînes latérales d’alkyles hydrophobes cristallisées. Encore une fois, par le contrôle de la transition de phase de « fusion-cristallisation » des chaînes SA à l'aide d'un laser, l'hydrogel hybride montre à la fois la fonction de mémoire de forme contrôlé par la lumière et la fonction de guérison optique efficace. Une grande contrainte à la rupture supérieure à 2 MPa a été obtenue pour un hydrogel coupé en deux et puis réparé par la lumièr. La dernière, mais non la moindre, contribution portée par l’étude dans cette thèse est une découverte que nous avons faite sur les SHPs. Nous avons observé que l’hydrogel de PVA physiquement réticulé, étant préparé par la méthode de congélation/décongélation, peut s’auto-guérir à la température ambiante sans l’utilisation d’un stimulus ou d'un agent de guérison. Cette découverte est importante étant donné que cet hydrogel est biocompatible et un matériau largement utilisé pour des applications. Notre étude a montré que la clé pour obtenir une guérison autonome efficace de l'hydrogel de PVA ayant une force mécanique relativement élevée est d'avoir une quantité suffisante de groupements hydroxyle libres sur les chaînes de PVA pour ponts-hydrogène et une bonne mobilité de chaîne assurant la diffusion du polymère à travers les surfaces de coupe.

published_or_final_version / abstract / Orthopaedics and Traumatology / Master / Master of Philosophy

Approved for public release; distribution is unlimited / Solder joints provide both electrical and mechanical interconnections between a silicon chip and the packaging substrate in an electronic application. The thermomechanical cycling (TMC) in the solder due to the mismatch of the coefficient of thermal expansion (CTE) between the silicon chip and the substrate causes numerous reliability challenges. This situation is aggravated by the ongoing transition to lead-free solders worldwide, and the trend towards larger, hotter-running chips. Therefore, improved solder joints, with higher resistance to creep and low-cycle fatigue, are necessary for future generations of microelectronics. This study reports in the development a process to fabricate solder joints with a fine distribution of shape memory alloys (SMA) NiTi particulates. The microstructure and interface zone of the as-reflowed solder-SMA composite has been characterized. / Lieutenant, United States Navy

4 Title: Mathematical modeling of magnetostrictive materials Author: Lukáš Vermach Department: Mathematical Institute of Charles University Advisor: Priv.-Doz. Dr. habil. RNDr. Martin Kružík Ph.D., Institute of Information Theory and Automation, Academy of Sciences of the Czech Republic Advisor's e-mail address: kruzik@utia.cas.cz Abstract In the present work we introduce an isotermic mathematical model of ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs). FSMAs are a special class of magnetostrictive materials, i.e. materials which deform their shape on account of external magnetic field or which change magnetization as a consequence of strain. This property originates from phase transformations that occur within the material when being exposed to external loading. First, the stationary model of FSMA is formulated. The thermodynamical potential is composed (Helmholz free energy) and its non-quasiconvexity is discussed. The quasicon- vexification is performed via the relaxation theory, i.e. quasiconvex envelope construction. For such a model the existence theory is built. Then, taking advantage of the stationary case the evolutionary model is developed. The attention is drawn to hysteresis, which arises from energy dissipation. The time discretization leads to a sequence of hysteresis-modified stationary problems (the...

The overarching goal of this research was to generate a menu of shape memory alloys (SMAs) actuator materials capable of meeting the demands of aerospace applications. Material requirements were recognized to meet the demand for high temperature SMAs with actuating temperatures above 85 °C and provide material options capable of performing over 100K actuation cycles. The first study is a preliminary characterization for the down selection of Ni-rich NiTiHf15 compositions chosen for a more in-depth examination of the nano-precipitation and evolution of the H-phase. To make this selection, the effect of Ni content in Ni-rich NiTiHf high temperature shape memory alloys (HTSMAs) on processability, microstructure, and hardness was analyzed for three compositions (Ni50.1TiHf15, Ni50.3TiHf15, Ni50.5TiHf15). Each composition was characterized under three conditions: homogenized, 25%, and 50% thickness reduction through hot-rolling. The second study emphasized the processing and aging response of an industrially produced, hot-extruded Ni50.3Ti29.7Hf20 (at%) HTSMA. The samples were sectioned into two halves with half remaining as-extruded and the other half hot-rolled to a 25% reduction in thickness. A portion of both conditions underwent conventional aging for 3 hours at various temperatures ranging from 450-750 °C, and the other portion was pre-aged for 12 hours at 300 °C followed by conventional aging treatments. After processing, the samples were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), Vickers hardness (HV) testing, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and synchrotron radiation X-ray diffraction (SR-XRD). The relationship between the introduction of texturing, pre-aging, and aging on Ni-rich and high Hf-content compositions was investigated.