A magneto-acustografia ou, em uma nova terminologia mais abrangente, vibromagneto-acustografia (VMA) é uma técnica que combina técnicas magnéticas e acústicas, a fim de observar o comportamento visco-elástico de um meio material marcado com partículas magnéticas (alvo). A força magnética oscilatória de frequência () provoca, dentro do alvo, movimento das partículas e do meio material com frequência (2). O feixe acústico pulso-eco utilizado para detectar o movimento das estruturas, tem uma frequência de repetição de pulso (PRF), no mínimo, cinco vezes maior que a frequência do movimento do alvo. Assim, a proposta deste projeto foi desenvolver um protocolo de aquisição, processamento e análise da técnica VMA, por meio da implementação de uma plataforma automatizada de aquisição, que forneça dados estruturados para posteriormente através de uma plataforma de processamento analisar diferentes aplicações da técnica VMA em fantomas e in vivo. A primeira etapa foi desenvolver a plataforma de aquisição utilizando um equipamento de ultrassom diagnóstico por imagem. Nesta etapa foi desenvolvido um software, com interface gráfica de usuário, escrito em C++ e Qt com a função de automatizar a excitação magnética e a aquisição acústica de alta resolução temporal, foram definidos os protocolos padrão dos modos de excitação magnética e de aquisição acústica em termos da taxa de aquisição dos frames ultrassônicos para gerar movimentos oscilatórios ou ondas de cisalhamento. Em seguida, os dados provenientes das aquisições foram estruturados por meio de um cabeçalho para transferência para outros computadores através do protocolo TCP/IP. Depois foi desenvolvida um software, com interface gráfica de usuário, para a fase de processamento e análise. O processamento dos frames adquiridos em modo radiofrequência (RF) consistiu em obter mapas de deslocamentos ou velocidades das estruturas internas do meio material utilizado como alvo. Nesta etapa adaptamos o algoritmo de correlação cruzada normalizada com correção de pico de máxima correlação x e obtivemos mapas otimizados para a técnica VMA. A avaliação da otimização destes mapas foi baseada na avaliação entre a resolução espacial e tempo computacional. A partir do uso destes softwares em experimentos com fantomas e in vivo foram desenvolvidos métodos de análise da frequência dos deslocamentos e segmentação/caracterização de ondas de cisalhamento em termos da sua velocidade e atenuação. Por fim, foi implementado um sistema VMA automatizado composto, por uma plataforma de aquisição embarcada em equipamento de diagnóstico por ultrassom para aquisição de mapas de RF e, que posteriormente eram transferidos para um computador com hardware superior para geração de mapas de deslocamento do meio material. Os mapas foram analisados para determinação de parâmetros visco-elásticos. Além disso, através da implementação da técnica VMA, viabilizou-se estudos clínicos de maneira rápida e eficiente, por exemplo, análises gástricas após a digestão de alimentos marcados com partículas magnéticas e produção de ondas de cisalhamento para caracterização viscoelástica. / The magneto motive ultrasound (MMUs) is a novel technique, which combines magnetism and acoustics, in order to observe viscoelastic behavior of medium labeled with inserted magnetic particles. The magnetic force with modulation frequency () creates a mechanical disturbance in the object of study with twice the modulation frequency (2). Was applied a pulse-echo ultrasonic beamforming with pulse repetition frequency (PRF) at least five times greater than frequency of internal structure movement. The aim of this study was to develop an acquisition, processing and analysis protocol for MMUs through implementation of an automated platform for acquisition, which provides structured datasets for further processing and analysis of different applications (tissue mimicking phantoms or in vivo) of MMUs. First step was to develop the acquisition platform using an ultrasound research interface (URI). At this stage was developed a software with graphical user interface (GUI) written using C++ and Qt. This software automates magnetic excitation and acoustic acquisition, which has high frame rate. In addition, were defined default presets to provide oscillatory movement or shear waves. Then was created datasets acquired were structured and a header and transferred to an external personal computer through TCP/IP network. Second, the processing software with graphical user interface for processing and analyzing was developed. The frames acquired in radiofrequency (RF) mode were processed into displacement or velocity maps of medium internal structures. In this stage, we adapted a cross correlation algorithm to optimize for MMUs datasets. The evaluation of these maps was based on tradeoff between spatial resolution and computation time. Protocols for analysis of motion frequency and segmentation/characterization of shear waves, extracting velocity and attenuation for experiments performed with phantoms or in vivo were developed . In this work, it was implemented an automated MMUs system integrated with a software framework running on an ultrasound research interface (URI), which is used for acquisition of RF maps, further transferred for a PC with robust hardware to process into displacement maps. These maps were analyzed to obtain viscoelastic parameters of the medium. Moreover, this implementation of MMUs enables clinical fast and efficient trials for gastric evaluation of meals with magnetic particles and shear wave production for viscoelastic characterization.

[pt] O processo de revestimento por extrusão é usado na manufatura de diversos produtos. A espessura da camada de líquido depositada é determinada pela vazão de líquido e pela velocidade do substrato, e independe das outras variáveis de operação do processo. Um importante limite de operação deste processo é a espessura mínima que pode ser depositada sobre um substrato a uma determinada velocidade, geralmente chamado de limite de vazão mínima. Para líquidos Newtonianos, o mecanismo que define este limite é o balanço de forças viscosas, de capilaridade e inerciais no escoamento. A pesar da maioria dos líquidos usados em processos de revestimento industriais serem soluções poliméricas ou dispersões que possuem comportamento não Newtoniano, a maioria das análises de limites de operação do processo de revestimento por extrusão são restritas à líquidos Newtonianos. No caso particular de soluções poliméricas as tensões elásticas podem alterar o balanço de forças em diversas regiões do escoamento e consequentemente os limites de operação do processo. Neste trabalho o limite de vazão mínima no caso de líquidos não Newtonianos é analisado teoricamente e experimentalmente. Os modelos constitutivos de Oldroyd-B e Giesekus, que descrevem o comportamento de soluções poliméricas diluídas, em conjunto com as equações de conservação de massa e quantidade de movimento são usados para descrever o escoamento bidimensional que ocorre no processo de revestimento por extrusão. O sistema de equações diferenciais foi resolvido usando o método de elementos finitos. Os resultados mostram como as propriedades viscoelásticas influenciam a distribuição de tensão no escoamento e o balanço de forças nas proximidades da superfície livre à jusante da região de deposição. / [en] Slot coating is a common method in the manufacture of a wide variety of products. The thickness of the coated liquid layer is set by the flow rate fed to the coating die and the speed of the substrate, and is independent of other process variables. An important operating limit of slot coating is the minimum thickness that can be coated at a given substrate speed,generally referred to as the low- flow limit. For Newtonian liquids, the mechanism that defines this limit balances the viscous, capillary and inertial forces in the flow. Although most of the liquids coated industrially are polymeric solutions and dispersions that are not Newtonian, most of the previous analyses of operability limits in slot coating dealt only with Newtonian liquids. In the case of liquids made non- Newtonian by polymer viscoelasticity, stresses can alter the force balance in various parts of the coating bead and consequently the onset of instability. In this work, the low-flow limit in cases of non-Newtonian liquids is examined by both theory and experiment. The Oldroyd-B and Giesekus constitutive equations that approximate viscoelastic behavior of polymer solutions were used, together with momentum and continuity equations, to model two-dimensional flow in the downstream part of a slot coating bead. The equation system was solved with the Finite Element Method. The results show how the viscoelastic properties can affect the stress field in the liquid and the force balance near and at the downstream meniscus, thereby illustrating how non-Newtonian behavior can alter the flow instabilities that determine the coating window of slot coating. The flows themselves were visualized by video microscopy and the low-flow limit was found by observing, at given substrate speed, the feed rate at which the flow becomes unstable. Different solutions of low molecular weight polyethylene glycol and high molecular weight polyethylene oxide in water were used in order to evaluate the effect of mildly viscoelastic behavior on the process.

Les modèles d'endommagement à gradient, aussi dénommés modèles à champs de phases, sont désormais largement utilisés pour modéliser la rupture fragile et ductile, depuis l'initiation de l'endommagement jusqu'à la propagation d'une fissure. Cependant, la majorité des études disponibles dans la littérature ne concerne que le cadre des petites déformations, et très peu d'études poussées ont été menées afin d'étudier leur pertinence dans un contexte de grandes déformations. Ce serait pourtant d'un intérêt primordial, notamment pour l'industrie pneumatique, qui deviendrait alors capable de prédire plus précisément l'initiation de l'endommagement dans ses structures.Dans la première partie de ce travail, nous établissons des solutions analytiques d'évolution de l'endommagement (homogène et localisée) pour des matériaux visqueux, en petites et en grandes déformations. En petites déformations, les modèles rhéologiques de Maxwell et Poynting-Thomson sont étudiés, et en grandes déformations, les modèles de Maxwell et Zener sont choisis. Une étude sur l'évolution de l'endommagement dans un cas purement hyperélastique est aussi menée.A cette première partie analytique succède une partie numérique, qui détaille l'implémentation des modèles d'endommagement à gradient dans des codes éléments finis en grandes déformations. De même qu'en petites déformations, une stratégie de minimisation alternée est adoptée pour résoudre successivement les problèmes d'endommagement et de déplacement. Le matériau suit une loi de Mooney-Rivlin quasi-incompressible, et une méthode mixte en déplacement-pression est utilisée. Des tests en 2D et 3D sont effectués, qui mettent en évidence la capacité des modèles à initier de l'endommagement en grandes déformations.Les modèles d'endommagement utilisés pour la seconde partie ne sont cependant capables d'initier de l'endommagement que dans les zones où la déformation est importante, c'est-à-dire dans les zones de forte contrainte déviatorique. Il a toutefois été montré que certains matériaux polymères, quasi-incompressibles, s'endommagent dans les zones de forte pression hydrostatique. Par conséquent, la recherche et l'étude d'un modèle d'endommagement capable d'initier de l'endommagement dans les zones de forte pression, pour des matériaux quasi-incompressibles lorsqu'ils sont sains, fait l'objet d'une troisième partie.Enfin, la croissance brusque de cavités dans un matériau hyperélastique, appelée phénomène de cavitation, est étudiée, ainsi que son interaction avec l'endommagement. Dans un premier temps, nous considérons la cavitation comme une simple bifurcation hyperélastique d'un matériau néo-hookéen compressible isotrope, et déterminons l'expression analytique de l'élongation critique pour laquelle la cavitation fait son apparition. Dans un second temps, nous montrons qu'il y a une compétition entre la cavitation et l'endommagement, et qu'en fonction de la valeur du ratio des élongations critiques respectives pour chaque phénomène, deux types de rupture apparaissent. / Gradient damage models, also known as phase-field models, are now widely used to model brittle and ductile fracture, from the onset of damage to the propagation of a crack in various materials. Yet, they have been mainly studied in the framework of small deformation, and very few studies aims at proving their relevance in a finite deformation framework. This would be more helpful for the tyre industry that deals with very large deformation problems, and has to gain insight into the prediction of the initiation of damage in its structures.The first part of this work places emphasis on finding analytical solutions to unidimensional problems of damaging viscous materials in small and large deformation.In all the cases, the evolution of damage is studied, both in the homogeneous and localised cases. Having such solutions gives a suitable basis to implement these models and validate the numerical results.A numerical part naturally follows the first one, that details the specificities of the numerical implementation of these non local models in large deformation. In order to solve the displacement and damage problems, the strategy of alternate minimisation (or staggered algorithm) is used. When solved on the reference configuration, the damage problem is the same as in small deformation, and consists in a bound constraint minimisation. The displacement problem is non linear, and a mixed finite element method is used to solve a displacement-pressure problem. A quasi-incompressible Mooney-Rivlin law is used to model the behaviour of the hyperelastic material. Various tests in 2D and 3D are performed to show that gradient damage models are perfectly able to initiate damage in sound, quasi-incompressible structures, in large deformation.In the simulations depicted above, it should be noted that the damage laws combined to the hyperelastic potential results in an initiation of damage that takes place in zones of high deformation, or in other words, in zones of high deviatoric stress. However, in some polymer materials, that are known to be quasi-incompressible, it has been shown that the initiation of damage can take place in zones of high hydrostatic pressure. This is why an important aspect of the work consists in establishing a damage law such that the material be incompressible when there is no damage, and the pressure play a role in the damage criterion. Such a model is exposed in the third part.Finally, the last part focuses on the cavitation phenomenon, that can be understood as the sudden growth of a cavity. We first study it as a purely hyperelastic bifurcation, in order to get the analytical value of the critical elongation for which cavitation occurs, in the case of a compressible isotropic neo-hookean material submitted to a radial displacement. We show that there is a competition between the cavitation phenomenon and the damage, and that depending on the ratio of the critical elongation for damage and the critical elongation for cavitation, different rupture patterns can appear.

Este trabalho tem como objetivo caracterizar experimentalmente a difusão anômala de microesferas em células com alta resolução temporal. As microesferas são cobertas com um peptídeo para que elas fiquem aderidas ao citoesqueleto celular (CSK), de forma que quando o CSK se movimenta, as microesferas se movimentam junto. A grande parte dos trabalhos na literatura usa técnicas ativas, que consistem em aplicar uma perturbação na célula, para estudar a movimentação das microesferas, diferente da técnica usada neste trabalho, que é passiva. A vantagem de usar a técnica passiva é que é possível olhar a difusão das microesferas, sem haver fatores externos ativos atuando, porque o CSK já é um ambiente sujeito a forças dos próprios motores celulares, o que está relacionado com o comportamento anômalo. Ao calcular o deslocamento quadrático médio (MSD) das microesferas, os regimes aos quais as microesferas estão sujeitas, são o subdifusivo e o superdifusivo, e ambos possuem características que podem ser consideradas comportamento anômalo. Neste trabalho focamos em estudar a difusão anômala a altas frequências, usando uma câmera que pode chegar a 1000 frames por segundo (fps) para observações curtas, ou em torno de 200 fps, sustentável por longos tempos, a fim de evidenciar o comportamento anômalo. Conseguimos mostrar que a movimentação das microesferas segue uma lei de potência para deslocamentos normalizados |Z| > 3, o que indica que o fenômeno é livre de escala, corroborando com a hipótese de o citoplasma celular ter um comportamento do tipo mole. Além disso, como a análise do movimento é baseada na análise de imagem da posição das microesferas, propusemos um estudo para estimar o erro na posição das microesferas. / The aim of this master\'s thesis is to characterize experimentally anomalous diffusion of microbeads in cells with high temporal resolution. The microbeads are coated with a peptide, such that they can bound to integrins, which is a specific cell surface receptor, thus when the cytoskeleton moves the microbeads move together. The majority of works in scientific literature deals with active techniques, that consists of applying a disturbance on the cell, in order to investigate the movement of the beads, differently from the passive technique used in this work. The advantage of using the passive technique is that it makes possible to look to diffusion without having external active factors, because the cell cytoskeleton itself is an environment subjected to forces, provided by cell motors, which has been related to the anomalous behavior in the mean squared displacement. When calculating the microbeads mean squared displacement (MSD), they are subjected to the subdiffusive and supperdifusive regimes, and both have characteristics that can be considered anomalous behavior. Our goal was to study anomalous diffusion at high frequencies by using a camera that reaches up to 1000 frames per second (fps), for shorter observation times, or around 200 fps, sustainable for longer observation times, having the purpose of evidencing the anomalous behavior. We were able to show that the microbeads movement follows a power law for normalized displacements |Z| > 3, indicating that the phenomenon is scale-free, agreeing with the hypothesis that the cellular cytoplasm has a soft glassy behavior. Besides, since the movement analysis is based on the microbeads position image analysis, we have proposed a way to estimate the error in the microbeads position.

A ocorrência de elevados índices de perdas por vazamentos em sistemas de abastecimento de água é frequentemente ligada às inúmeras quebras de tubulações originadas em decorrência de elevados níveis de pressão atuantes. O controle efetivo de tais perdas requer a detecção e localização dos vazamentos para uma rápida reparação do sistema. Neste sentido, a consideração de análises hidráulicas no escoamento transitório tem se revelado especialmente útil aos propósitos de calibração e detecção de vazamentos. Tal análise pode revelar substancial quantidade de informações sobre as propriedades físicas e o nível de integridade do sistema, pois as ondas de pressão resultantes são afetadas pelos diversos dispositivos e fenômenos, incluindo os vazamentos. Assim, o presente trabalho visa o estudo dos transitórios hidráulicos para a calibração e detecção de vazamentos em modelos de sistemas de distribuição de água. Para tanto, são utilizados dados de redes hipotéticas e de laboratório, e modelos inversos resolvidos por métodos de busca global e local. Devido o emprego de tubos plásticos no circuito de laboratório, o clássico modelo da coluna elástica demonstrou-se ineficiente na reprodução do comportamento hidráulico de tal sistema. Resultados satisfatórios foram obtidos somente com um modelo hidráulico que considere o comportamento viscoelástico dos materiais dos tubos do circuito experimental. / The occurrence of large leakage losses in water supply systems has been frequently linked with pipe breaks resulting from high pressures levels in pipes. Efficient location of leakages is required in order to effectively control water losses and quickly repair the system. Analysis of hydraulic transients has been particularly useful for calibration and leak detection purposes. System observation for such analysis can reveal a substantial amount of information concerning physical properties and the integrity of the system, since water hammer waves are affected by different features and phenomena, including leaks. Thus, this research focuses on hydraulic transients for leak detection and calibration of water distribution system models. These objectives are achieved using data obtained from experiments performed on an experimental facility and numerical experiments on hypothetical networks. Inverse methods were based on both global and local search methods. Classic water hammer theory proved to be imprecise in describing the observed behavior of the hydraulic system composed of plastic pipes. Satisfactorily results were obtained with a hydraulic transient solver considering viscoelastic behavior of the pipe material.

A caracterização das propriedades visco-elástico-plásticas dos materiais asfálticos são importantes para uma melhor compreensão do comportamento mecânico e performance de pavimentos. O módulo complexo visa caracterizar as propriedades viscoelásticas lineares do material presente no campo das pequenas deformações. O ensaio para obtenção do módulo dinâmico pode ser realizado a partir de um carregamento senoidal uniaxial de compressão com frequências que podem variar de 0,1Hz a 25Hz e com temperaturas de -10°C a 54°C. O valor absoluto do módulo complexo é conhecido como módulo dinâmico |E*|, que pode ser definido como uma relação entre a amplitude de tensão e a amplitude de deformação. Já, a defasagem entre a tensão e a deformação é conhecida como ângulo de fase, que é um indicador das propriedades viscosas do material. Esta dissertação possuiu como objetivo caracterizar as propriedades viscoelásticas das misturas asfálticas quentes e mornas comumente utilizadas no Rio Grande do Sul, utilizando um aditivo surfactante para as misturas mornas. Para tanto foram dosadas 4 misturas asfálticas com agregados basálticos e os ligantes CAP 50/70, AMP 60/85, AB8 e CAP TLA e obtidos os parâmetros de adesividade e resistência dessas misturas quentes e mornas. Para a realização do ensaio de módulo dinâmico foi realizado uma revisão bibliográfica sobre os procedimentos de ensaio e análise de dados, posteriormente, foi adotada a metodologia adequada para os ensaios. Os mesmos foram realizados utilizando uma prensa universal MTS e a análise dos dados foi realizada com o auxílio das ferramentas do Microsoft Excel. Através do estudo foi possível concluir que as misturas com ligante convencional possuem um comportamento similar entre a mistura convencional e a morna. O mesmo não ocorre nas misturas com ligante modificado, onde ocorre uma alteração tanto da fase viscosa como da elástica, sendo esse efeito mais predominante nas misturas modificadas por polímero. / The characterization of the viscoelastic-plastic properties of asphaltic materials are important for a better understanding of the pavements’ mechanical behavior and performance. The complex module aims to characterize as linear viscoelastic properties of the material present in the field of small deformations. The assay for obtaining the dynamic modulus can be performed from a compression uniaxial sinusoidal loading with frequencies ranging from 0.1Hz to 25Hz and temperatures from -10 °C to 54 °C. The absolute value of the complex modulus is known as dynamic module | E * |, which is defined as a relation between a stress amplitude and a strain amplitude. Already, a discrepancy between stress and strain is known as phase angle, which is an indicator of the viscous properties of the material. This dissertation aimed to characterize as viscoelastic properties of hot and warm asphalt mixtures commonly used in Rio Grande do Sul, using a surfactant additive for warm mixtures. In order to do so, four asphalt concrete mixes - composed with the basalt aggregates and binders CAP 50/70, AMP 60/85, AB 8 and CAP TLA – were designed. In addition, the parameters of adhesiveness and resistance to hot and warm mixtures were obtained. For a dynamic modulus test, a literature review was performed about the data analysis and test procedure, and a suitable methodology for testing was subsequently adopted. The tests were realized with an universal testing machine of MTS and the data analysis were performed by means of the Microsoft Excel tools. Through the study it was possible to conclude that mixtures with conventional binder presented similar behavior between a conventional and a warm mixture. The same does not occur in mixtures with modified binder, where a change in both the viscous and the elastic phases occurs, and this effect is more predominant in the polymer modified mixtures.

A medição das propriedades viscoelásticas de líquidos por ultrassom tem sido um tema de pesquisa importante desde meados do século XX, principalmente, pela possibilidade de realizar medições em tempo real da viscosidade. O método de medição baseia-se na determinação do coeficiente de reflexão complexo (magnitude e fase) de ondas de cisalhamento refletidas da interface definida entre um sólido e uma amostra líquida. Enquanto a medição da magnitude é relativamente simples e precisa, a medição da fase é muito difícil devido à forte dependência da temperatura, que gera uma incerteza muito grande. No entanto, na medição da viscosidade em regime newtoniano somente a magnitude é requerida. Ocorre que os resultados experimentais reportados até o momento na literatura não coincidem quantitativamente com a teoria. Neste trabalho, uma nova técnica que permite determinar com boa precisão a magnitude do coeficiente de reflexão e, por conseguinte, a viscosidade de líquidos em regime newtoniano foi desenvolvida. Foi mostrado que a maioria dos líquidos testados apresentam comportamento newtoniano à frequência de trabalho de 1MHz, com exceção de alguns óleos automotivos de alta viscosidade, que possuem claramente comportamento viscoelástico. Desvios menores que 12,5% nas medições da viscosidade dinâmica de substâncias com moléculas relativamente simples, como glicerina e glicose, mostram a viabilidade da técnica. Também é proposto um novo método que permite calibrar o dispositivo de medição para monitorar a viscosidade de um líquido ou grupo de líquidos. Além disso, uma aplicação na monitoração da contaminação da água por substâncias oleosas é apresentada. / The ultrasonic measurement of viscoelastic properties of liquids has been an important research topic since the mid-twentieth century mainly due to the possibility of real-time viscosity measurements. The measurement technique is based on the determination of the complex reflection coefficient (magnitude and phase) of shear waves reflected from the solid-liquid interface. While magnitude measurement is relatively simple and precise, phase measurement is a difficult task due to strong temperature dependence that induces large errors. However, when the measurement is carried out under Newtonian regimen only the magnitude is required. Nonetheless, experimental results reported in literature until now do not agree quantitatively with the theory. In this work, it was developed a novel technique that accurately and precisely determines the reflection coefficient magnitude and, consequently, the Newtonian viscosity. Most tested liquids showed Newtonian behavior at the working frequency of 1 MHz except for some automotive oils of high viscosity, which showed an evident viscoelastic behavior. Deviations up to 12.5% in the dynamic viscosity measurement of substances with relatively simple molecules, such as glycerin and corn syrup, show the technique suitability. A calibration method of the measurement cell allowing the indirect viscosity measurement of a liquid or group of liquids is proposed. Moreover, a new application to oil-in-water contamination monitoring is presented.

O presente trabalho trata da formulação de modelos constitutivos viscoelásticos e elasto-viscoplásticos nos apectos relativos à verificação da consistência termodinâmica, pela aplicação do Método do Estado Local, e de verificação da resposta numérica decorrente da utilização de um procedimento implícito de integração. No contexto da verificação da consistência termodinâmica, são revistos alguns arranjos unidimensionais de elementos reológicos básicos, analisando-se, com maior destaque, um arranjo misto denominado modelo elasto-viscoplástico completo. Nas análises numéricas em campo unidimensional e multiaxial, realiza-se um confronto entre as respostas obtidas com procedimentos de integração Explícito e Implícito, bem como um estudo para a definição do passo de tempo, de modo a garantir precisão nas respostas. / The present work treats of the formulation of viscoelastics and elastoviscoplastics constitutive models, on the aspects related to verification of the thermodynamic consistency, by the Method of Local State, and of numerical responses of a implicit integration scheme. In the context of the thermodynamic consistency, some unidimensional arrangements of basics rheological elements are reviewed, where a named elasto-viscoplastic extended model is enhanced. On what concerns to unidimensional and multiaxial numerical analysis, confront is showed between the results obtained from the explicit and implicit integration algorithms, and a study for time step definition aiming a good precision of the responses is presented as well.

Viscoelastic polymer materials are being actively considered as a novel material for semiconductor packaging applications as a result of their ability to develop strong adhesive bonds at lower temperatures. Viscoelastic thermoset materials are impacted by the stresses generated during the curing process, which is also accompanied by a dissipation of thermal energy. There is a need to develop a generic modeling formulation that is applicable to any material of interest in order to enable the study of different bonding materials and develop optimized curing cycles. This study reports a numerical formulation to evaluate the stress generated and energy dissipated during the cure of viscoelastic polymers. A generalized method to define the transient variation of degree of cure was developed using a 4th order Runge Kutta approximation. The mathematical formulation was implemented using a novel evaluation methodology that helped reduce the computational power requirement. The commercially-available 3501-6 resin was simulated as a characteristic material in this study. The numerical model was validated against analytically derived solutions for both a single Maxwell model, and a Generalized Maxwell Model (GMM) for cases of constant-strain inputs, and subsequently for sinusoidal strain inputs, wherein, material properties were considered to be constant or varying linearly with degree of cure. A good agreement was obtained between the present model and analytical solutions.

The recently developed Shear-Force Acoustic Near-Field Microscope (SANM) is used to investigate the viscoelastic properties of a mesoscopic fluid layer confined between two trapping boundaries, one being a stationary substrate and the other the apex of a laterally oscillating tapered probe. Hardware improvements and evaluation of the SANM-probe robustness will be a major focus of this thesis. The investigation first discusses characterization and recent developments made to the microscope, including: modifications to the sensor head, conditioning of the Nano positioners electrical drive signal, and the assessment of the probe against eventual plastic deformation or compliance against interactions with samples (the latter comprising a solid substrate and its adhered fluid layer which is typically a few monolayers thick). Furthermore, this study includes an analysis of the adsorbed mesoscopic fluid's viscoelastic properties. This inquiry aims to better understand probe-sample interactions with the mesoscopic fluid. This includes adhesion, wetting, and to inquire the nature of the hydrophobic interaction, which is relevant in many areas of study such a protein folding, and interfacial friction which has wide ranging applications including desalination. This analysis will be performed using a Sheer force microscopy (implemented with quartz tuning fork QTF), and another recently introduced technique Whispering Gallery Acoustic Sensor (WGAS). The latter allows more direct monitoring of the QTF's mechanical displacement. These measurements will be supplemented by simultaneously monitoring the acoustic emission from the mesoscopic fluid under confinement between the probe and the substrate, which will be monitored using the SANM sensor positioned beneath the substrate.