This thesis studies the formation of mobile and surface-bound electric charges in nonpolar liquids. Unlike aqueous media with their natural abundance of charged species, liquids of low dielectric constant do not readily accommodate charges, but can do so in the presence of certain surfactant additives. Surfactant-mediated charging in nonpolar oils has long been exploited industrially, but the underlying charging mechanisms are far from understood. The present work seeks clarification by comparing the effect of ionic and nonionic surfactants on the conductivity of nonpolar solutions and the electrophoretically observable surface charge of suspended polymer particles. Both types of surfactant are found to generate mobile ions in solution as well as particle charge; and in the more surprising case of nonionic surfactants, the occurrence of particle charge and screening ions is confirmed independently by measurements of the electrostatic particle interaction energy. A systematic variation of the particle material and functionalization, the residual water content, and the surfactant concentration above and below the critical micelle concentration provides insights about the possible charging pathways. Reverse surfactant micelles are explored not only as charging agents, but also as reactors and templates for the synthesis of novel nanogels with promise for drug delivery. Synthesis via copper-free Click chemistry is shown to allow for better control of the particle size than a more conventional polymerization scheme, while avoiding metal catalysts and free radicals that are considered hazardous for most biomedical applications.

A miniature, ultra-low power, sensitive, microbridge gas sensor has been developed.The heat loss from the bridge is a function of the thermal conductivity of thegas ambient. Miniature thermal conductivity sensors have been developed for gaschromatography systems [1] and microhotplates have been built with MEMS technologywhich operates within the mW range of power [2]. In this work a lower power microbridgewas built which allowed for the amplification of the effect of gas thermalconductivity on heat loss from the heated microbridge due to the increase inthe surface-to-volume ratio of the sensing element. For the bridge fabrication,CMOS compatible technology, nanolithography, and polysilicon surfacemicromachining were employed. Eight microbridges were fabricated on each die,of varying lengths and widths, and with a thickness of 1 μm. A voltagewas applied to the sensor and the resistance was calculated based upon thecurrent flow. The response has been tested with air, carbon dioxide, helium,and nitrogen. The resistance and temperature change for carbon dioxide was thegreatest, while the corresponding change for helium was the least. Thus the selectivity of the sensor todifferent gases was shown, as well as the robustness of the sensor. Another aspect of the sensor is that it hasvery low power consumption. The measuredpower consumption at 4 Volts is that of 11.5 mJ for Nitrogen, and 16.1 mJ forHelium. Thesensor responds to ambient gas very rapidly. The time constant not only showsthe fast response of the sensor, but it also allows for more accuratedetection, given that each different gas produces a different correspondingtime constant from the sensor. The sensor is able to detect differentconcentrations of the same gas as well. Fromthe slopes that were calculated, the resistance change at 5 Volts operation wasfound to be 2.05mΩ/ppm, 1.14 mΩ/ppm at 4.5 Volts, and 0.7 mΩ/ppm at 4 Volts. Thehigher voltages yielded higher resistance changes for all of the gases thatwere tested. Theversatility of the microbridge has been studied as well. Experiments were donein order to research the ability of a deposited film on the microbridge, inthis case tin oxide, to act as a sensing element for specific gases. In thissetup, the microbridge no longer is the sensing element, but instead acts as aheating element, whose sole purpose is to keep a constant temperature at whichit can then activate the SnO film, making it able to sense methane. In conclusion,the microbridge was designed, fabricated, and tested for use as an electrothermalgas sensor. The sensor responds to ambient gas very rapidly with differentlevels of resistance change for different gases, purely due to the differencein thermal conductivity of each of the gases. Not only does it have a fastresponse, but it also operates at low power levels. Further research has beendone in the microbridge's ability to act as a heating element, in which the useof a SnO film as the sensing element, activated by the microbridge, was studied. REFERENCES: 1. D. Cruz,J.P. Chang, S.K. Showalter, F. Gelbard, R.P. Manginell, M.G. Blain," Microfabricated thermal conductivity detector for themicro-ChemLabTM," Sensors andActuators B, Vol. 121 pp. 414-422, (2007). 2. A. G. Shirke, R. E. Cavicchi, S. Semancik, R. H. Jackson, B.G. Frederick, M. C. Wheeler. "Femtomolar isothermal desorption usingmicrohotplate sensors," J Vac Sci TechnolA, Vol. 25, pp. 514-526 (2007).

<p>Ionic conductivity of metal oxides is critical for the function of a broad range of different components, such as electrolytes in solid oxide fuel cells and alloys designed for high temperature applications. In both cases the ionic conductivity can be studied by in situ impedance spectroscopy, which is also able to reveal information on the dielectric properties of the metal oxides, and in some cases the influence of their microstructure. The focus of this thesis is on impedance spectroscopy measurements of α-alumina in the temperature range 400-1000 °C. This metal oxide has found extensive use as the protective scale on heat resistant alloys. Some unpublished work on oxygen ion conductivity of yttria-stabilized zirconia is also included.</p><p>The low electrical conductivity of α-alumina can be a source for errors and misinterpretations during impedance spectroscopy measurements. A major disturbance originates from leakage currents that appear in the experimental setup. These leakage currents are due to conduction through the gas phase around the sample, conduction on the sample surface, or poor insulation in the sample holder. It was shown that below 700 °C, conduction on the sample surface could severely distort the measurement. The magnitude of the distortions appeared to be sensitive to the type of electrodes used. The use of a so-called guard electrode was shown to effectively block the surface conduction in the measurements.</p><p>Conductivity of metal oxides is known to be dependent on their microstructure. Generally it is believed that ionic conductivity is favoured along grain boundaries and dislocations. The influence of microstructure on conductivity was studied for α-alumina in the temperature range 400-1000 °C. The conductivity of a series of highly pure and dense samples with narrow grain size distributions was measured by impedance spectroscopy. It appeared that the activation energy for conduction increased with decreasing grain size.</p><p>Results based purely on impendence spectroscopy have some inherently weaknesses. For instance no information on the nature of the charge carrier can be found. Therefore the charge transport in single crystalline α-alumina was simulated by the molecular dynamics method. The results from the simulation were then compared to results from impedance measurements on single crystalline α-alumina. From the simulation it turned out that diffusion of aluminium ions had lower activation energy than diffusion of oxygen. The activation energy of oxygen was close to the measured activation energy, and the mobility of oxygen was higher than for aluminium. Therefore the dominating charge carrier was suggested to be oxygen ions.</p>

Biologging tools for investigating the study of fine-scale linkages between animal behavior and the physical microstructure of the marine habitat are technically limited by substantial size, high cost or low sensor resolution. However, recent advances in electronic technologies and process techniques present attractive alternatives to current tag designs. Motivated by the need for a low-cost, compact CTD biotag for medium-sized marine animals, the University of South Florida Center for Ocean Technology developed a multi-sensor biotag for quantitative measurements of ocean salinity. This dissertation describes the development and performance of a novel CTD biotag used for animal-borne measurements of the physical microstructure of marine ecosystems. Printed circuit board processes were used to fabricate a liquid crystal polymer- based conductivity, temperature and depth sensor board. Tests performed in the laboratory exhibited good sensor repeatability between the measured and the predicted variables indicating that the initial design and fabrication process is suitable for the construction of a CTD sensor board. The conductivity cells showed good sensor integrity for the entire conductivity range (0- 70 mS/cm), thus demonstrating the potential for a highly resolved salinity system. The CTD sensor board was integrated into two initial multi-sensor biologging systems that consisted of reconfigurable modular circuit boards. The design and initial performance of a 4-electrode conductivity cell circuit was discussed and preliminary tests showed a sensor accuracy of 0.0161 mS/cm. A potential packaging material was analyzed for use on the temperature and pressure sensors and initial tests showed good sensor sensitivities (-2.294 °C/kohms and 1.9192 mV/dbar, respectively). Underwater packaging of the biotag was presented in this work along with three different field observations. Vertical profiles of conductivity, temperature and depth in the Gulf of Mexico were obtained and compared to a commercial instrument. On the West Florida shelf, conductivity, temperature, depth and salinity data were obtained from loggerhead turtle deployments. Data collected showed that the tagged turtle encountered a highly variable salinity range (30.6- 35.3) while at depth (20 m). This data trend captured was in agreement with shelf characteristics (tidal fluxes and water mass features) and moored instruments. Finally, observations that were undertaken in Bayboro Harbor showed no biofouling to the conductivity electrodes during a 14 day deployment. This biotag is the first to use a PCB-based low-cost CTD to collect animal-borne salinity measurements.

As technology has scaled into nanometer regime, manufacturing variations have emerged as a major limiter of performance (timing) in VLSI circuits. Issues related to timing are addressed in the first part of the dissertation. Statistical Static Timing Analysis (SSTA) has been proposed to perform full-chip analysis of timing under uncertainty such as manufacturing variations. In this dissertation, we propose an efficient sparse-matrix framework for a path-based SSTA. In addition to an efficient framework for doing timing analysis, to improve the accuracy of the timing analysis one needs to address the accuracy of: waveform modeling, and gate delay modeling. We propose a technique based on Singular Value Decomposition (SVD) that accurately models the waveform in a timing analyzer. To improve the gate delay modeling, we propose a closed form expression based on the centroid of power dissipation. This new metric is inspired by our key observation that the Sakurai-Newton (SN) delay metric can be viewed as the centroid of current. In addition to accurately analyzing the timing of a chip, improving timing is another major concern. One way to improve timing is to scale down the threshold voltage (Vth). But scaling down increases the subthreshold leakage current exponentially. Sleep transistors have been proposed to reduce leakage current while maintaining performance. We propose a path-based algorithm to size the sleep transistor to reduce leakage while maintaining the required performance. In the second part of dissertation we address power grid and thermal issues that arise due to the scaling of integrated circuits. In the case of power grid simulation, we propose fast and efficient techniques to analyze the power grid with accurate modeling of the transistor network. The transistor is modeled as a switch in series with an RC and the switch itself is modeled behaviorally. This model allows more accurate prediction of voltage drop compared to the current source model. In the case of thermal simulation, we address the issue of ignoring the nonlinearity of thermal conductivity in silicon. We found that ignoring the nonlinearity of thermal conductivity may lead to a temperature profile that is off by 10° C.

Η συνεχώς αυξανόμενη χρήση σύνθετων υλικών στην αεροδιαστημική βιομηχανία στις κρίσιμες δομικές εφαρμογές έχει οδηγήσει στην ανάγκη ανάπτυξης μη καταστροφικών μεθόδων βλάβης. Οι έως τώρα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για την παρακολούθησης βλάβης όπως είναι η ενσωμάτωση πιεζο-κεραμικών αισθητήρων και οπτικών ινών σε σύνθετες κατασκευές έχουν ως αποτέλεσμα την συγκέντρωση υψηλών τάσεων και ροών στην κατασκευή. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια πρωτότυπη προσπάθεια στη ευρύτερη επιστημονική και τεχνολογική κατεύθυνση της ενσωμάτωσης της νάνο-τεχνολογίας στο τομέα σχεδιασμού και κατασκευής νέων συνθέτων υλικών. Πρωταρχικός στόχος είναι η επίτευξη αυξημένων δυνατοτήτων για αποτελεσματική παρακολούθηση της αναπτυσσόμενης βλάβης στο υλικό και κατά προέκταση ελέγχου της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών τους. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας προτείνεται η καινοτόμα ιδέα της αξιοποίησης των νάνο-σωληνίσκων άνθρακα ως εμποτισμένους αισθητήρες βλάβης μέσα σε συμβατικά ινώδη σύνθετα υλικά άνθρακα με απώτερο στόχο τον καλύτερο μη καταστροφικό έλεγχο της βλάβης με τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Οι εξαιρετικά αγώγιμοι ΝΣΑ όταν εμποτιστούν σε πολυμερή (κύρια υλικά μήτρας συνθέτων υλικών) δημιουργούν ένα ηλεκτρικό δίκτυο (percolation network) το οποίο παρέχει την δυνατότητα αγωγής ηλεκτρικού φορτίου αυξάνοντας πολλές τάξεις μεγέθους την αγωγιμότητα του πολυμερούς. Η παρουσία του προαναφερθέντος ηλεκτρικού δικτύου ταυτόχρονα με αυτό των αγώγιμων ινών άνθρακα σε σύνθετα υλικά όπου η μήτρα έχει εμποτιστεί με ΝΣΑ αναμένεται να αυξήσει άμεσα ή έμμεσα τη διακριτική ικανότητα ανίχνευσης της βλάβης μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης. Αρχικά έγινε η επιλογή των υλικών και της διαδικασίας παραγωγής με βάση την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Μια τυποποιημένη ρητίνη αεροδιαστημικών εφαρμογών επιλέχθηκε ως υλικό εποξικής μήτρας και χρησιμοποιήθηκε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας, όπως αντίστοιχα ο τύπος και οι προδιαγραφές των ανθρακονημάτων που αποτέλεσαν την ινώδη ενίσχυση άνθρακα. Επίσης από την υπάρχουσα βιβλιογραφία διερευνήθηκαν οι διαθέσιμοι τύποι και είδη νάνο-σωληνίσκων άνθρακα (ΝΣΑ) και έγινε η επιλογή τους βάση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Η ερευνητική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην συνέχεια για την επίτευξη του παραπάνω στόχου μπορεί να χωριστεί σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση έλαβε χώρα η διερεύνηση και ο προσδιορισμός των καταλληλότερων διαδικασιών/ μεθοδολογιών για ενσωμάτωση των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα, που αποτελεί σημαντικό παράγοντα της ποιότητας της διασποράς και ως εκ τούτου της επίτευξης βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Στο στάδιο αυτό, αναζητήθηκαν στη βιβλιογραφία όλες οι υπάρχουσες τεχνικές ανάμιξης και αναγνωρίστηκαν οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία. Πιο συγκεκριμένα το ιξώδες του συστήματος (ρητίνη+ΝΣΑ), ο χρόνος και η θερμοκρασία της ανάδευσης και η χημική τροποποίηση των ΝΣΑ αποτέλεσαν ορισμένες από τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Η αξιολόγηση της ποιότητας των μίξεων έγινε με κριτήριο την επίτευξη βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας μέσω μετρήσεων AC και DC σε συνδυασμό με την χρήση SEM. Μία από τις βέλτιστες τεχνικές ανάδευσης επιλέχθηκε στη συνέχεια για τη μελέτη της επίδρασης της περιεκτικότητας σε ΝΣΑ στην ηλεκτρική αγωγιμότητα της εποξικής ρητίνης σε ένα εύρος περιεκτικοτήτων από 0-1% κ.β. Μέσω αυτής της μεθόδου προσδιορίστηκαν το «κατώφλι διήθησης» ή αλλιώς η κρίσιμη περιεκτικότητα καθώς και η βέλτιστη περιεκτικότητα των ΝΣΑ σε εποξική ρητίνη. Η πρώτη φάση ολοκληρώθηκε με τον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των νάνο-ενισχυμένων με ΝΣΑ πολυμερών μέσω της μέτρησης της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης κατά την παραμόρφωσή τους υπό (α) την επίδραση μόνο-αξονικού ψευδό-στατικού εφελκυστικού φορτίου και (β) την υποβολή εναλλασσόμενου εφελκυστικού φορτίου ως Κυκλική Φόρτιση Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Η πειραματική μακροσκοπική συμπεριφορά κατέδειξε ενδιαφέρουσα συμπεριφορά που δεν απαντάται σε προγενέστερα αγώγιμα πολυμερή (πχ. Carbon Black, Carbon -Nano-Fibers κτλ.). Στην δεύτερη φάση η έρευνα επικεντρώθηκε στη παρασκευή και στον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των ινωδών συνθέτων υλικών, όπου η μήτρα είναι η προαναφερθείσα τροποποιημένη με ΝΣΑ. Πρώτο βήμα αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης της παρουσίας και ειδικότερα της περιεκτικότητας των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα στην ανισότροπη ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων υλικών. Αρχικά επιλέχθηκε ένας ισχυρά ανισότροπος τύπος, αυτός του πολύστρωτου συνθέτου μονής διεύθυνσης (unidirectional CFRP) [0]16. Στο πλαίσιο αναπτύχθηκαν με χρήση της με CFRPs [0]16 με μήτρα τριών διαφορετικών περιεκτικοτήτων σε ΝΣΑ 0% (υλικό αναφοράς), 0.5% και 1% κ.β. Τα δοκίμια που προέκυψαν υποβλήθηκαν σε ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό σε (α) μονο-αξονικό ψευδό-στατικό εφελκυσμό και σε (β) Κυκλική Εφελκυστική Φόρτιση-Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις αρχικές εκτιμήσεις και η παρουσία των ΝΣΑ αυξάνει την ευαισθησία της ηλεκτρικής απόκρισης με την εφαρμοζόμενη φόρτιση. Στη συνέχεια, έχοντας αποδείξει ότι η παρουσία των ΝΣΑ έχει θετική επίδραση στην ηλεκτρική παρακολούθηση της βλάβης ακολούθησε η μελέτη της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης σε συνθήκες κόπωσης, που αντιπροσωπεύει και τον πιο διαδεδομένο τύπο φόρτισης στις κατασκευές από σύνθετα υλικά. Επίσης για τα ίδια δοκίμια μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας AC και DC έδειξαν πως η παρουσία των ΝΣΑ στην μήτρα μειώνει την ανισοτροπία του υλικού ως προς αυτή την ιδιότητα. Συνέχεια της παραπάνω έρευνας αποτέλεσε η ανάπτυξη ψευδό- ισότροπων ινωδών σύνθετων υλικών CFRPs [0,+45,90,45]nS (τυπική σύνθετη δομή αεροπορικών κατασκευών) μήτρας εποξικής ρητίνης και εμποτισμένης εποξικής ρητίνης με ΝΣΑ περιεκτικότητας 0.5% κ.β. στην παρούσα φάση εκτός από τα προαναφερθέντα πειράματα κατά κύριο λόγω διερευνήθηκε η ηλεκτρομηχανική απόκριση του υλικού σε κόπωση. Η συχνότητα της κόπωσης παρέμεινε σταθερή, όπως και ο λόγος της ελάχιστης εφαρμοζόμενης τάσης προς την μέγιστη (λόγος R), ενώ εξετάστηκαν τρία (3) διαφορετικά επίπεδα φόρτισης (Stress levels) με σκοπό την μελέτη πιθανή εξάρτησης της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης. Παράλληλα καταγράφηκε και η θερμοκρασία του υλικού για την αφαίρεση τυχόν επιδράσεων της στη απόκριση της ηλεκτρικής αντίστασης. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιήθηκε σύστημα ακουστικής εκπομπής με απώτερο στόχο την συσχέτιση των μετρήσεων των 2 τεχνικών ΜΚΕ. Η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι η συμπεριφορά των ψευδους ισότροπων συνθέτων υλικών σε σχέση αυτής των μονής διεύθυνσης και αυτής των ορθότροπων υλικών εμπεριέχει πιο σύνθετη απόκριση λόγω της ύπαρξης των [45ο] στρώσεων. Παράλληλα, η ηλεκτρική απόκριση τους συσχετίστηκε με τις μετρήσεις της υποβάθμισης του μέτρου ελαστικότητας αλλά και τις μετρήσεις της ακουστικής εκπομπής επιβεβαιώνοντας «ηλεκτρικά» χαρακτηριστικές περιοχές βλάβης. Βάση αυτών των παρατηρήσεων έγινε μια απόπειρα μελέτης της δυνατότητας πρόγνωσης της τελικής αστοχίας μέσω της μετρούμενης ηλεκτρομηχανικής απόκρισης με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Προς σε αυτή τη κατεύθυνση, η παρουσία των ΝΣΑ έδειξε μια πιο ομαλή ηλεκτρομηχανική συμπεριφορά που βελτιστοποιεί την αξιοπιστία της πρόβλεψης, παρατήρηση που αποτελεί και την ολοκλήρωση του κύριου όγκου έρευνας της παρούσας διδακτορικής εργασίας. / The increasing usage of composite materials in the aerospace industry in critical structural applications has proved the need for health monitoring of those structures. In the past piezo-ceramic particles and optic fibres have been integrated into composite structures so as to serve as health monitoring sensors but they introduced flaws and high stress concentration to the structures. In the current PhD thesis a different approach was used; to use the material itself as an inherent structural monitoring sensor. In order to achieve that the matrix material of the epoxy reinforced composite has to be doped with Carbon Nanotubes (CNTs). Carbon nanotubes are reported to have excellent mechanical, thermal and electrical properties. The CNTs have to be dispersed into the epoxy matrix and above certain per weight percentage into the matrix where they form a conductive percolating network. By monitoring the changes of the electrical resistivity of this network is possible to track any load, strain or even damage stages of the material. In other words a step towards a multifunctional material is made since an enhancement also in the mechanical properties is expected from the presence of the CNTs. At the first chapters of the PhD an extensive evaluation of the dispersion method takes place. Different times and speeds of the high-shear mechanical device that was used for the dispersion of the Multi-Wall CNTs (MWCNTs) into the epoxy polymer are evaluated via electrical measurements (both DC and AC) along with SEM investigations. The next step involved the investigation on the % p.wt of the CNTs into the polymer matrix ranging from 0-1%. With this method both the optimum CNT concentration and the percolation network were established. Beside the aforementioned tests, tensile tests with on line Electrical Resistivity Changes Measurement (ERCM) along the loading axis, took place using a digital multimeter. The tensile tests were both quasi static and loading-unloading. It was proved that the load-strain variation can be tracked for the nano-doped polymers. The percolation threshold for the given system was calculated for both AC and DC to be above 0.3% p.wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The next chapter describes the work of using the conclusion of the previous chapter to manufacture unidirectional CFRPs with aerospace epoxy matrix with 0,0.1,0.5 and 1% p.wt CNT. The CFRP were manufactured by wet lay-up and autoclave methods. The specimens were subjected to both quasi static and loading-unloading tensile test with on-line ERCM. The nano-enhanced composites proved to have inherent sensing abilities and as the CNT content increased the more sensitive the load monitoring was. Moreover, for the loading-unloading tests (5 cycles) it was noted that the nano-composites were able to track the initial damage of the coupons by irreversible ERCM changes. The AC and DC conductivity was also measured and it was proved that the presence of the CNTs in the matrix reduce the electrical anisotropy of the composite. The 0.5 % p.wt CNTs into the epoxy matrix proved to be the optimised content for FRP manufacturing since not only proved to give very good all overall results but also it is easier to manufacture when compared with 1% (high viscosity). Further in the research two quasi-isotropic CFRPs were manufactured as above with 0 and 0.5% CNTs. The quasi lay-up was chosen so as to be representative of a typical aerospace structural component. Besides the aforementioned tensile tests with ERCM, the main investigation took place on tension-tension fatigue tests with ERCM. In this case due to the nature of the samples (many fiber contacts) the differences in the ERC measurements were not as obvious as before, but by further mathematically-statistically analyzing the results a model of estimation of fatigue life life is presented. The principal of health monitoring of composite structures enhanced with CNTs, was also proved for cross-ply Kevlar FRPs (KFRPs) with 1% p.wt in the matrix material and with the same amount of CNTs in gramms in as received form spread by hand at the mid-plane. Finally one can highlight the results of the current PhD thesis as follows: the principle of manufacturing and testing a multi-functional composite material with the use of CNTs has been proved. The dispersion of the nano-fillers took place using a high shear mixing device and the parameters were optimised. The percolation threshold was calculated above 0.3% p.wt and wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The nano-reinforced polymers became semi-conductors and showed the ability to track load-starin variation via ERCM. The nano-reinforced polymer was used as matrix materials for CFRPs. The optimum CNT contents was established at 0.5% p.wt. The presence of CNTs not olny improved the mechanical properties but also provided to the materials sensing abilities via ERCM on several load cases i.e.tensile and fatigue. The proof of concept was also demonstrated using KFRPs.

Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο ή περισσότερα υλικά συνδεδεμένα μακροσκοπικά, έτσι ώστε να προκύπτει ένα πολυφασικό σύστημα με φυσικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των αρχικών υλικών. Τα επιμέρους υλικά δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο και μπορούν να αναμιχθούν μεταξύ τους με ελεγχόμενο τρόπο και με καθορισμένες αναλογίες, ενώ είναι και μηχανικά διαχωρίσιμα. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο φάσεις, τη μητρική και τη φάση ενίσχυσης. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει στο σύνθετο την εξωτερική του μορφή. Ο ρόλος της είναι να μεταφέρει τις μηχανικές τάσεις μέσα στο σύνθετο υλικό, να τις κατανέμει ομοιόμορφα ανάμεσα στα εγκλείσματα αλλά και να τα προστατεύει από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα διάφορα εγκλείσματα αποτελούν την ενισχυτική φάση του σύνθετου συστήματος και ποικίλουν σε μέγεθος, γεωμετρία και σύσταση. Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το ZnO. Το ZnO είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος με μια μη κεντρική συμμετρική δομή κρυστάλλου Βουρτσίτη (Wurtzite) εξαγωνικού πλέγματος Bravais. Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους και η διηλεκτρική της σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα της δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές του ZnO. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός υλικών καθαρής ρητίνης και σύνθετων συστημάτων ρητίνης-κεραμικού ZnO σε διάφορες συγκεντρώσεις, από 10phr έως 70phr. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy) στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 Hz έως 1 ΜHz, με χρήση της γέφυρας εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρίας Novocontrol. Η κυψελίδα μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκε ήταν η BDS 1200 της ίδιας εταιρίας. Τα δείγματα μελετήθηκαν σε θερμοκρασίες από –100 ºC έως 150 ºC. Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται στην παρούσα εργασία περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Για την παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων διακρίνονται δυο περιοχές θερμοκρασιών. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών, από –100 ºC έως 20 ºC, καταγράφονται σε όλα τα δείγματα οι διεργασίες β-, γ-χαλάρωσης. Οι διεργασίες αυτές αποδίδονται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (γ-χαλάρωση) και σε επαναπροσανατολισμό πλευρικών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση). Στα σύνθετα δείγματα, σε θερμοκρασία πάνω από τους –30 ºC, εμφανίζεται και η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία αποδίδεται στην ύπαρξη του πληρωτικού μέσου. Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών, από +20 ºC έως +150 ºC, εμφανίζεται σε όλα τα δείγματα, στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων, η α-χαλάρωση. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, και μόνο στα σύνθετα δείγματα, καταγράφεται το φαινόμενο MWS το οποίο είναι ασθενές λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής ετερογένειας μεταξύ των φάσεων του συστήματος. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων παρουσιάζεται η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία γίνεται εντονότερη καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του πληρωτικού μέσου. Για όλες τις συγκεντρώσεις, παρατηρείται ότι η εξάρτηση της διεργασίας της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF) ενώ η διεργασία χαλάρωσης FDE, παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius. Για τις διεργασίες της α-χαλάρωσης και του FDE στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι ενέργειες ενεργοποίησης. Στην εξάρτηση του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , από τη συχνότητα, διακρίνονται τρεις περιοχές. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται σχεδόν γραμμικά συναρτήσει της συχνότητας ακολουθώντας τον νόμο της παγκόσμιας διηλεκτρικής απόκρισης ( ). Στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων παρατηρούνται μεταβολές στην τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας οι οποίες αποδίδονται στην ύπαρξη διάφορων διεργασιών χαλάρωσης. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα τείνει προς μια σταθερή τιμή. Αυτή αντιστοιχεί στην αγωγιμότητα συνεχούς ( ) και αυξάνεται συναρτήσει της θερμοκρασίας ακολουθώντας την εξίσωση Vogel-Tamman-Fulcher (VTF). / Polymer matrix – ZnO composites were prepared, in different filler concentrations. Polymer matrix samples were also prepared and investigated as reference. The dielectric response of all samples was studied by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS), over a wide temperature range from -100 ºC to 150 ºC and in the frequency range from 10-1 Hz to 1MHz. The results are discussed using the common formalism of ε΄(f), ε΄΄(f) and M΄(f), M΄΄(f). The recorded dielectric processes include contributions from both the polymeric matrix and the presence of the reinforcing phase. The dielectric spectrum exhibits distinct relaxation modes which are attributed (i) to the glass-rubber transition, associated with motions of main chain segments of the polymeric matrix, namely -relaxation, (ii) faster processes related to the local motion of polar side groups, namely -relaxations, (iii) interfacial polarization phenomena known as Maxwell – Wagner – Sillars effect and (iv) possible polarization related to the ferroelectric nature of ZnO. In order to investigate the influence of the reinforcing phase in the dielectric response of the composite materials, all dielectric processes as well as the electrical conductivity are analyzed and discussed as a function of filler concentration.

Thermal properties of pure methane hydrate, under conditions similar to naturally occurring hydrate-bearing sediments being considered for potential production, have been determined both by a new experimental technique and by advanced molecular dynamics simulation (MDS). A novel single-sided, Transient Plane Source (TPS) technique has been developed and used to measure thermal conductivity and thermal diffusivity values of low-porosity methane hydrate formed in the laboratory. The experimental thermal conductivity data are closely matched by results from an equilibrium MDS method using in-plane polarization of the water molecules. MDS was also performed using a non-equilibrium model with a fully polarizable force field for water. The calculated thermal conductivity values from this latter approach were similar to the experimental data. The impact of thermal conductivity on gas production from a hydrate-bearing reservoir was also evaluated using the Tough+/Hydrate reservoir simulator (Revised version of ICGH paper 5646).

The objectives of this research are to measure the aquifer properties (S, T, and K) of selected watersheds delineated to the U.S. Geological Survey gauging stations using streamflow recession and baseflow data and to describe the relations among the properties of shallow aquifers and the physical properties of the basins, such as slope, regolith type and thickness, and land use type. Geographic Information System (GIS) techniques are utilized to investigate critical physiographic controls on transmissivity and storage coefficients on a regional basis. Moreover, the effect of evapotranspiration on recession index is illustrated. Finally, a detailed quantitative comparison of results for the Piedmont and the Blue Ridge Physiographic Provinces in southeast of the U.S. is provided. Recession index, annual groundwater recharge, and annual baseflow data were obtained from 44 USGS-gauging stations with drainage areas larger than 2 (mi2) and less than 400 (mi2). These gauging stations are located in Georgia and North Carolina. Analyses of data focused on GIS techniques to estimate watershed parameters such as total stream length, drainage density, groundwater slope, and aquifer half-width. The hydraulic diffusivity, transmissivity, and storage coefficient of watersheds were computed using hydrograph techniques and the Olmsted and Hely, and Rorabaugh mathematical models. Median recession index values for the Blue Ridge and Piedmont Provinces are 87.8 and 74.5 (d/log cycle), respectively. Median areal diffusivity values for the Blue Ridge and Piedmont are 35,000 and 44,200 (ft2/d), respectively. Median basin-specific estimates of transmissivity for basins in the Blue Ridge and Piedmont are 150 and 410 (ft2/d), respectively. The large values of transmissivity obtained for the Piedmont regolith may be attributed to the thick regolith, low values of basin relief, and voids that develop as a result of fracturing, foliation, weathering, and fractured quartz veins in the saprolite. Median basin-specific estimates of storage coefficient for basins in the Blue Ridge and Piedmont are 0.005 and 0.009, respectively. In general, the results from this study reveal great differences in basin-specific hydraulic parameters of the regolith material within the Piedmont compared to that of the Blue Ridge Physiographic Province.

Issues of regulated streams naturalization were analyzed in the dissertation. Subject of the research was the streams regulated for drainage purposes in a hilly relief region of the Southeast Lithuania. Self-naturalization was researched only in plain relief. Since naturalization processes are running differently, it was decided to evaluate them in a hilly relief in the region of the Southern Lithuania. Researches of regulated streams are important due to the fact, that naturalization of regulated streams with growing woody vegetation on the slopes of a stream bed almost does not decrease its hydraulic conductivity but helps to restore regime of natural flows and restore damaged aqueous ecosystems at the same times. The main target of the research is to determine regularities of self-overgrowth of regulated streams with woody vegetation and assess influence of its distribution on bed’s hydraulic conductivity and flood dynamics. Following tasks are solved in the work: regularities of woody vegetation specie composition, frequency, density distribution, influence of woody and grass vegetation on regulated stream’s hydraulic conductivity. The dissertation is composed of introduction, five chapters, general conclusions, recommendations. Introduction describes relevance of the problem, aim of the work, tasks are introduced, scientific novelty of the work is described, presentations on scientific conferences and publications are introduced. Chapter one is dedicated for analysis of... [to full text] / Disertacijoje nagrinėjami reguliuotų upelių natūralizacijos klausimai. Tyrimo objektas yra Pietryčių Lietuvos sausinimo reikmėms reguliuoti upeliai, esantys kalvoto reljefo regione. Savaiminė natūralizacija tirta tik lyguminiame reljefe. Kadangi natūralizacijos procesai vyksta skirtingai, nuspręsta įvertinti juos kalvotame Pietryčių Lietuvos regione. Reguliuotų upelių tyrimai svarbūs tuo, kad reguliuotų upelių natūralizacija, sumedėjusiai augalijai augant ant upelio vagos šlaitų, beveik nemažina jų hidraulinio laidumo, tačiau padeda atkurti natūralių tėkmių režimą ir tuo pačiu atstatyti pažeistas vandens ekosistemas. Pagrindinis tyrimų tikslas – nustatyti reguliuotų upelių savaiminio apaugimo sumedėjusia augalija dėsningumus ir įvertinti jos pasiskirstymo įtaką vagos hidrauliniam laidumui bei potvynių dinamikai. Darbe sprendžiami šie uždaviniai: sumedėjusios augalijos rūšinės sudėties, dažnio, tankio pasiskirstymo dėsningumai, sumedėjusios ir žolinės augalijos poveikis reguliuotų upelių hidrauliniam laidumui. Disertaciją sudaro įvadas, penki skyriai, bendrosios išvados, rekomendacijos. Įvadiniame skyriuje nagrinėjamas problemos aktualumas, pateiktas darbo tikslas, uždaviniai, aprašomas mokslinis darbo naujumas, pristatomi mokslinių konferencijų pranešimai ir publikacijos. Pirmasis skyrius skirtas natūralių upelių reguliavimo tendencijoms analizuoti. Apibūdintas augalijos plitimas reguliuotuose upeliuose, jų įtaka hidrauliniam vagos laidumui. Antrajame skyriuje pateikta... [toliau žr. visą tekstą]