<p> Approximately 80 percent of all synthetic polymers used are cross-linked polymers, unfortunately the characterization of cross-linked polymers has not kept up with their use. This study tries to help in the characterization of cross-linked polymer systems. More specifically the interactions of cross-linked polymer systems with solvents will be probed. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometric techniques will be used to characterize solvent-polymer interactions.</p> <p> The cross-linked polymer system studied was the polymer ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) with methylmethacrylate (MMA). A splitting of the solvent signals was observed in the NMR spectrum which can be used to understand these solvent-polymer interactions. Several NMR parameters and swelling of the polymers were measured in order to understand these interactions. The chemical shift differences between the solvent types and the peak linewidths were measured. As the polymer becomes more highly cross-linked the chemical shift differences and the linewidths increases. This compactness can be monitored by measuring the degree of swelling of the polymer. In addition the possibility of an isotope effect was explored by monitored by placing the polymer in solvent mixture of CHCl3/JCDCl3 and varying the temperature. No isotope dependence was found to exist for chloroform over the temperature range analyzed. The degree of splitting and the occurrence of splitting was found to be dependent on the solvent system. In general, solvent splitting is present for solvents that are able to cause the polymer to swell appreciably. For 4.8 weight percent EGDMA in EGDMA/MMA polymer a splitting is usually observed for a solvent that is able to swell the polymer to twice its dry size. The association between the solvents and the polymers can be best explained by breaking the interactions into a number of components.</p> <p> The explanation is based on the presence of three interactions. A weak chemical interaction exists between the solvent and the polymer to account for the field dependent linewidths. A second chemical interaction that results is a binding between the solvent and the polymer and causes the solvent splitting to occur. The third interaction is a result of the increased rigidity and compactness of the polymer as the weight percent EGDMA in EGDMA/MMA polymer increases. Alternatively as the polymer becomes more compact the chemical shift difference between the two types of solvents increases.</p> <p> Ultimately, it is shown that NMR is a useful aid in understanding solvent-polymer interactions.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Untersuchungen der Hochtemperaturbenetzung und Grenzfächeninteraktionen in Flüssigmetall/Übergangsmetall-Diborid-Systemen werden durch die technologische Nachfrage nach qualitative hochwertigen Metall-Matrix-Kompositen und verläßlichen Verbindungen von Ultrahochtemperaturkeramiken für aggressive chemische und/oder thermische Umgebungen angetrieben. Die physikalischen und chemischen Charakteristika der Metall/Keramik-Grenzflächen (z.B. die Benetzungskinetik, Grenzflächenreaktionen und die Phasenbildung) sind unerläßlich um die fundamentalen Mechanismen, die kontrollierenden technologischen Parameter, sowie die definierenden Eigenschaften und die Qualität des Endprodukts zu verstehen. Die Methode des liegenden Tropfens (engl. sessile drop method) ist die am häufigsten verwendete Verfahren für die quantitative Charakterisierung der Benetzungseigenschaften und für die direkte Untersuchung von Grenzflächeninteraktionen zwischen Flüssigmetall und festen Substraten unter Zuhilfenahme von Mikroskopie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Hochtemperaturbenetzung und den Grenzflächeninteraktionen von geschmolzenen reinem Al und Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Schmelzen mit der TiB2 Ultrahochtemperaturkeramik. Die über die Methode des liegenden Tropfens hergestellten Metall/Keramik Verbunde werden hauptsächlich mittels Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie sowie Röntgenbeugung untersucht. Die temperatur- und zeitabhängige Benetzung von flüssigem Al auf der TiB2 Keramik wurde mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens und der sogenannten dispensed drop technique (engl.) über einen weiten Temperaturbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit ansteigender Temperatur die Benetzung bedeutend schneller abläuft. Die beiden Methoden liefern einen Unterschied in der Benetzungstemperatur von etwa 300°C aufgrund der nativen Oxidschicht auf der Al-Oberfläche bei dem klassischen Sessile-drop Versuch. Beginnend bei 1000°C füllt das flüssige Al entweder die intergranularen Poren auf oder dringt entlang der Korngrenzen in das TiB2 Substrat ein. Es wurde keine Reaktion im Al/TiB2 System beobachtet. Die Grenzflächeninteraktionen zwischen Ti-Al Schmelzen und der TiB2 Keramik wurden mit der klassischen Technik des liegenden Tropfens untersucht, da ein passender Tiegel für flüssiges Ti und Ti-haltige Schmelzen nicht vorhanden war. Für reines Ti auf TiB2 setzt das Schmelzen bei etwa 120 °C unter seinem Schmelzpunkt ein, wie aus Untersuchungen der Form und Struktur der erstarrten Ti/TiB2 Proben hervorgeht. Dies wird durch Festkörperdiffusion von B aus dem Substrat in die Ti Probe hinein und einer Verschiebung der Zusammensetzung von reinem Ti zu einer Ti-B Legierung in der substratnahen Region verursacht. Die Rolle von Al scheint für das Eindringen von Ti-Al Schmelzen entlang von Krongrenzen in das Keramiksubstrat von größerer Bedeutung zu sein als die Rolle der Temperatur. Die Benetzung und Grenzflächeninteraktionen zwischen Ni-Al Schmelzen und TiB2 wurden mit dem dispensed drop Verfahren untersucht. Flüssige Ni-Al Legierungen zeigen deutlich unterschiedliche Benetzungsverhalten auf dem TiB2 Substrat in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung und Testbedingungen. Das Verhalten von Ni-Al Schmelzen auf TiB2 Keramik verändert sich von einem auflösenden, reaktiven Benetzen (engl. dissolutive, reactive wetting) auf der Ni-reichen Seite zu einem nicht-reaktiven Benetzen auf der Al-reichen Seite. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ni-Gehalt in Ni-Al Legierungen eine Hauptursache für die Veränderungen der Substratauflösung und der geometrischen Konfiguration an der Metall/Keramik Grenzfläche ist. Um den Einfluss des Ni-Gehalts auf die Auflösung von TiB2 zu verstehen wurde das Schmelzen und Benetzen von Ni83B17 und Ni50B50 Legierungen auf der TiB2 Keramik mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens im Hinblick auf mögliches fügen von TiB2 Keramiken untersucht. Basierend auf den Benetzungstest wurden Zwischenschichten der Ni50B50 Legierung verwendet um TiB2 Keramiken zu Verbinden. In dieser Arbeit wurde die Technik des liegenden Tropfens erfolgreich angewandt um die Hochtemperaturbenetzung und die Grenzflächeninteraktionen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und keramischem TiB2 zu untersuchen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständis der Interaktionsmechanismen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und TiB2 keramik in diesen Systemen ermöglichen und Erstellung von Richtlinien für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbunden und/oder Keramik-Matrix-Verbunden sowie für die Verbindung von keramischen TiB2 Teilen für strukturelle Hochtemperaturanwendungen dar. / Investigations of high-temperature wetting and interfacial interactions in liquid metal/transition-metal diboride systems are driven by technological demand in obtaining high-quality metal matrix composites and reliable joining of ultrahigh-temperature ceramics for aggressive chemical and/or thermal environments. The physical and chemical characteristics of metal/ceramic interface (e.g. wetting kinetics, interfacial reactions and phase formation) are indispensable for understanding the fundamental mechanisms, controlling technological parameters, and defining the properties and quality of final products. The sessile drop method is the most commonly used for quantitative characterization of the wetting properties and direct investigations of the interfacial interactions between a liquid metal and a solid substrate with the help of microscopy. This thesis is focused on the high-temperature wetting and interfacial interactions of molten pure Al and Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys with TiB2 ultra-high-temperature ceramic. The metal/ceramic couples after the sessile drop tests are mainly characterized using scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction. The temperature- and time-dependent wetting between the liquid Al and TiB2 ceramic over a wide temperature range was investigated using the classical sessile drop and dispensed drop techniques. The results showed that the wetting was significantly accelerated with increasing temperature. A difference of the wetting temperature by these two techniques was about 300 °C, due to the native oxide film present on the Al surface in the classical sessile drop tests. Starting from 1000 °C, liquid Al either filled the inter-grain pores or penetrated along the grain boundaries of the TiB2 substrate but there was no reaction observed in the Al/TiB2 system. The interfacial interactions between Ti-Al melts and TiB2 ceramic were studied by the classical sessile drop technique due to the absence of appropriate crucible for liquid Ti and Ti-containing melts. Pure Ti on TiB2 exhibited an incipient melting at about 120 °C below its melting point in view of the shape and structure of the solidified Ti/TiB2 couple. It was caused by the solid state diffusion of boron from the substrate into the Ti sample and a composition shift from pure Ti to a Ti-B alloy in the near-substrate region. In comparison to pure Ti, the role of Al in the penetration of Ti-Al melts penetration along the grain boundaries in the ceramic seemed to be more important than that of temperature in this study. The wetting and interfacial interactions between Ni-Al molten alloys and TiB2 were investigated using the dispensed drop technique. Liquid Ni-Al alloys showed a strong dependence of the wetting behavior on the TiB2 substrates, both on the alloy composition and testing conditions. It changed from a dissolutive, reactive wetting on the Ni-rich side to a non-reactive wetting on the Al-rich side. The results suggest that Ni content in Ni-Al alloys plays a major role in the changes of substrate dissolution and geometrical configuration at the metal/ceramic interface. To understand the effect of the Ni content on TiB2 dissolution, the melting and wetting of Ni83B17 and Ni50B50 alloys on TiB2 ceramic were investigated using the classical sessile drop technique in view of possible joining of TiB2 ceramics. Based on the wetting tests, TiB2 ceramics have been joined using Ni50B50 melt-spun ribbon as an interlayer. The results obtained in this work provide a better understanding of the interaction mechanisms in between liquid Al, Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys and TiB2 ceramic and make basis for development of guidelines for the preparation of metal matrix composites and/or ceramic matrix composites and joining of TiB2 ceramic parts for high-temperature structural applications.

Untersuchungen der Hochtemperaturbenetzung und Grenzfächeninteraktionen in Flüssigmetall/Übergangsmetall-Diborid-Systemen werden durch die technologische Nachfrage nach qualitative hochwertigen Metall-Matrix-Kompositen und verläßlichen Verbindungen von Ultrahochtemperaturkeramiken für aggressive chemische und/oder thermische Umgebungen angetrieben. Die physikalischen und chemischen Charakteristika der Metall/Keramik-Grenzflächen (z.B. die Benetzungskinetik, Grenzflächenreaktionen und die Phasenbildung) sind unerläßlich um die fundamentalen Mechanismen, die kontrollierenden technologischen Parameter, sowie die definierenden Eigenschaften und die Qualität des Endprodukts zu verstehen. Die Methode des liegenden Tropfens (engl. sessile drop method) ist die am häufigsten verwendete Verfahren für die quantitative Charakterisierung der Benetzungseigenschaften und für die direkte Untersuchung von Grenzflächeninteraktionen zwischen Flüssigmetall und festen Substraten unter Zuhilfenahme von Mikroskopie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Hochtemperaturbenetzung und den Grenzflächeninteraktionen von geschmolzenen reinem Al und Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Schmelzen mit der TiB2 Ultrahochtemperaturkeramik. Die über die Methode des liegenden Tropfens hergestellten Metall/Keramik Verbunde werden hauptsächlich mittels Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie sowie Röntgenbeugung untersucht. Die temperatur- und zeitabhängige Benetzung von flüssigem Al auf der TiB2 Keramik wurde mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens und der sogenannten dispensed drop technique (engl.) über einen weiten Temperaturbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit ansteigender Temperatur die Benetzung bedeutend schneller abläuft. Die beiden Methoden liefern einen Unterschied in der Benetzungstemperatur von etwa 300°C aufgrund der nativen Oxidschicht auf der Al-Oberfläche bei dem klassischen Sessile-drop Versuch. Beginnend bei 1000°C füllt das flüssige Al entweder die intergranularen Poren auf oder dringt entlang der Korngrenzen in das TiB2 Substrat ein. Es wurde keine Reaktion im Al/TiB2 System beobachtet. Die Grenzflächeninteraktionen zwischen Ti-Al Schmelzen und der TiB2 Keramik wurden mit der klassischen Technik des liegenden Tropfens untersucht, da ein passender Tiegel für flüssiges Ti und Ti-haltige Schmelzen nicht vorhanden war. Für reines Ti auf TiB2 setzt das Schmelzen bei etwa 120 °C unter seinem Schmelzpunkt ein, wie aus Untersuchungen der Form und Struktur der erstarrten Ti/TiB2 Proben hervorgeht. Dies wird durch Festkörperdiffusion von B aus dem Substrat in die Ti Probe hinein und einer Verschiebung der Zusammensetzung von reinem Ti zu einer Ti-B Legierung in der substratnahen Region verursacht. Die Rolle von Al scheint für das Eindringen von Ti-Al Schmelzen entlang von Krongrenzen in das Keramiksubstrat von größerer Bedeutung zu sein als die Rolle der Temperatur. Die Benetzung und Grenzflächeninteraktionen zwischen Ni-Al Schmelzen und TiB2 wurden mit dem dispensed drop Verfahren untersucht. Flüssige Ni-Al Legierungen zeigen deutlich unterschiedliche Benetzungsverhalten auf dem TiB2 Substrat in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung und Testbedingungen. Das Verhalten von Ni-Al Schmelzen auf TiB2 Keramik verändert sich von einem auflösenden, reaktiven Benetzen (engl. dissolutive, reactive wetting) auf der Ni-reichen Seite zu einem nicht-reaktiven Benetzen auf der Al-reichen Seite. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ni-Gehalt in Ni-Al Legierungen eine Hauptursache für die Veränderungen der Substratauflösung und der geometrischen Konfiguration an der Metall/Keramik Grenzfläche ist. Um den Einfluss des Ni-Gehalts auf die Auflösung von TiB2 zu verstehen wurde das Schmelzen und Benetzen von Ni83B17 und Ni50B50 Legierungen auf der TiB2 Keramik mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens im Hinblick auf mögliches fügen von TiB2 Keramiken untersucht. Basierend auf den Benetzungstest wurden Zwischenschichten der Ni50B50 Legierung verwendet um TiB2 Keramiken zu Verbinden. In dieser Arbeit wurde die Technik des liegenden Tropfens erfolgreich angewandt um die Hochtemperaturbenetzung und die Grenzflächeninteraktionen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und keramischem TiB2 zu untersuchen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständis der Interaktionsmechanismen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und TiB2 keramik in diesen Systemen ermöglichen und Erstellung von Richtlinien für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbunden und/oder Keramik-Matrix-Verbunden sowie für die Verbindung von keramischen TiB2 Teilen für strukturelle Hochtemperaturanwendungen dar. / Investigations of high-temperature wetting and interfacial interactions in liquid metal/transition-metal diboride systems are driven by technological demand in obtaining high-quality metal matrix composites and reliable joining of ultrahigh-temperature ceramics for aggressive chemical and/or thermal environments. The physical and chemical characteristics of metal/ceramic interface (e.g. wetting kinetics, interfacial reactions and phase formation) are indispensable for understanding the fundamental mechanisms, controlling technological parameters, and defining the properties and quality of final products. The sessile drop method is the most commonly used for quantitative characterization of the wetting properties and direct investigations of the interfacial interactions between a liquid metal and a solid substrate with the help of microscopy. This thesis is focused on the high-temperature wetting and interfacial interactions of molten pure Al and Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys with TiB2 ultra-high-temperature ceramic. The metal/ceramic couples after the sessile drop tests are mainly characterized using scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction. The temperature- and time-dependent wetting between the liquid Al and TiB2 ceramic over a wide temperature range was investigated using the classical sessile drop and dispensed drop techniques. The results showed that the wetting was significantly accelerated with increasing temperature. A difference of the wetting temperature by these two techniques was about 300 °C, due to the native oxide film present on the Al surface in the classical sessile drop tests. Starting from 1000 °C, liquid Al either filled the inter-grain pores or penetrated along the grain boundaries of the TiB2 substrate but there was no reaction observed in the Al/TiB2 system. The interfacial interactions between Ti-Al melts and TiB2 ceramic were studied by the classical sessile drop technique due to the absence of appropriate crucible for liquid Ti and Ti-containing melts. Pure Ti on TiB2 exhibited an incipient melting at about 120 °C below its melting point in view of the shape and structure of the solidified Ti/TiB2 couple. It was caused by the solid state diffusion of boron from the substrate into the Ti sample and a composition shift from pure Ti to a Ti-B alloy in the near-substrate region. In comparison to pure Ti, the role of Al in the penetration of Ti-Al melts penetration along the grain boundaries in the ceramic seemed to be more important than that of temperature in this study. The wetting and interfacial interactions between Ni-Al molten alloys and TiB2 were investigated using the dispensed drop technique. Liquid Ni-Al alloys showed a strong dependence of the wetting behavior on the TiB2 substrates, both on the alloy composition and testing conditions. It changed from a dissolutive, reactive wetting on the Ni-rich side to a non-reactive wetting on the Al-rich side. The results suggest that Ni content in Ni-Al alloys plays a major role in the changes of substrate dissolution and geometrical configuration at the metal/ceramic interface. To understand the effect of the Ni content on TiB2 dissolution, the melting and wetting of Ni83B17 and Ni50B50 alloys on TiB2 ceramic were investigated using the classical sessile drop technique in view of possible joining of TiB2 ceramics. Based on the wetting tests, TiB2 ceramics have been joined using Ni50B50 melt-spun ribbon as an interlayer. The results obtained in this work provide a better understanding of the interaction mechanisms in between liquid Al, Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys and TiB2 ceramic and make basis for development of guidelines for the preparation of metal matrix composites and/or ceramic matrix composites and joining of TiB2 ceramic parts for high-temperature structural applications.

At the moment, in the daily health care for horses there is a lack of technical aids for private use. As a horse owner you need to physically palpate the horse’s limbs to detect signs of injury and lameness. It is difficult and the signs are usually vague and hard to distinguish. Technology and interaction design could be the solution to this problem. The related research this paper builds on are: clinical complementary diagnostic methods for lameness diagnosis, wearable health monitor systems for humans and smart textiles on horses. The question this paper tries to answer is: How to develop and design a prototype of a product that is an aid for horse owners to document and better understand changes in surface temperature of the horse’s fetlock? To answer this question a user-centered design process was used. A survey, expert domain interview, design and development of a prototype, two different user testings’ and a design workshop. The result is a prototype of a palpating aid called EquumTemp. It is used by the horse owner as a second opinion on the status of their horse fetlock temperature. EquumTemp measures, stores and documents surface temperature of the fetlock. The prototype was tested by the author for 2 weeks and by three different potential users. The knowledge gained from the project resulted in defined product requirements. / Just nu, i den dagliga vården för hästar finns det en brist på tekniska hjälpmedel för privat bruk. Som hästägare måste du fysiskt palpera hästens ben för att upptäcka tecken på skador och hälta. Det är svårt och tecknen är oftast vaga och svåra att urskilja. Teknik och interaktionsdesign kan vara lösningen på detta problem. Relaterad forskning som denna rapport bygger på är: kliniska diagnostiska metoder för att diagnostisera hälta, monitorsystem för att övervaka människors hälsa och smarta textilier på hästar. Frågan denna rapport försöker besvara är: Hur man utvecklar och designar en prototyp av en produkt som är ett hjälpmedel för hästägare att dokumentera och bättre förstå förändringar i yttemperatur av hästens kotled? För att besvara denna fråga användes en användarcentrerad designprocess. En användarundersökning, expert domän intervju, design och utveckling av en prototyp, två olika användartestningar och en designworkshop. Resultatet är en prototyp av ett palperingshjälpmedel som kallas EquumTemp. Den används av hästägaren för att mäta hästens hud temperatur runt kotan. EquumTemp mäter, lagrar och dokument yttemperaturen runt kotan. Prototypen testades av författaren i 2 veckor och av tre olika potentiella användare. Kunskapen från projektet resulterade i definierade produktkrav.

A model was created to predict the thermo-mechanical fatigue crack growth rates under typical engine spectrum loading conditions. This model serves as both a crack growth analysis tool to determine residual lifetime of ageing turbine components and as a design tool to assess the effects of temperature and loading variables on crack propagation. The material used in the development of this model was a polycrystalline superalloy, Inconel 100 (IN-100). The first step in creating a reliable model was to define the first order effects that influence TMF crack growth in a typical engine spectrum. Load interaction effects were determined to be major contributors to lifetime estimates by influencing crack growth rates based upon previous load histories. A yield zone model was modified to include temperature dependent properties that controlled the effects of crack growth retardation and acceleration based upon overloads and underloads, respectively. Multiple overload effects were included in the model to create enhanced retardation compared to single overload tests. Temperature interaction effects were also considered very important due to the wide temperature ranges of turbine engine components. Oxidation and changing temperature effects were accounted for by accelerating crack growth in regions that had been affected by higher temperatures. Constant amplitude crack growth rates were used as a baseline, upon which load and temperature interaction effects were applied. Experimental data of isolated first order effects was used to calibrate and verify the model. Experimental data provided the means to verify that the model was a good fit to experimental results. The load interaction effects were described by a yield zone model, which included temperature dependent properties. These properties were determined experimentally and were essential in the model's development to include load and temperature contributions. Other interesting factors became apparent through testing. It was seen that specific combinations of strain rate and temperature would lead to serrated yielding, discovered to be the Portevin-Le Chatelier effect. This effect manifested itself as enhanced hardening, leading to unstable strain bursts in specimens that cyclically yielded while changing temperature.