Polymer-modified bitumen (PMB) is a high-performance material for road construction and maintenance. But its storage stability and phase separation behaviour are still not sufficiently understood and need to be studied toward a more successful and sustainable application of PMB. In this thesis, the equilibrium thermodynamics and phase separation dynamics of PMB are investigated with the aim at a fundamental understanding on PMB storage stability and phase separation behaviour. The development of polymer modifiers for paving bitumen is reviewed. The phase separation process in unstable PMBs is captured by fluorescence microscopy at the storage temperature (180 °C). A coupled phase-field model of diffusion and flow is developed to simulate and predict the PMB storage stability and phase separation behaviour. The temperature dependency of PMB phase separation behaviour is modelled by introducing temperature-dependent model parameters between 140 °C and 180 °C. This model is implemented in a finite element software package and calibrated with the experimental observations of real PMBs. The results indicate that storage stability and phase separation behaviour of PMB are strongly dependent on the specific combination of the base bitumen and polymer. An unstable PMB starts to separate into two phases by diffusion, because of the poor polymer-bitumen compatibility. Once the density difference between the two phases becomes sufficiently significant, gravity starts to drive the flow of the two phases and accelerates the separation in the vertical direction. The proposed model, based on the Cahn-Hilliard equation, Flory-Huggins theory and Navier-Stokes equations, is capable of capturing the stability differences among the investigated PMBs and their distinct microstructures at different temperatures. The various material parameters of the PMBs determine the differences in the phase separation behaviour in terms of stability and temperature dependency. The developed model is able to simulate and explain the resulting differences due to the material parameters. The outcome of this study may thus assist in future efforts of ensuring storage stability and sustainable application of PMB. / Polymermodifierade bitumen (PMB) är ett högpresterande material för väganläggning och underhåll. Men PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper är inte tillräckligt förstådda än och behöver studeras för en mer framgångsrik och hållbar användning av PMB. I denna avhandling studeras termodynamisk jämvikt och fasseparation av PMB med målsättning att uppnå en grundläggande förståelse av PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper. Utvecklingen av polymermodifierade bitumen sammanfattas. Fasseparationsprocessen av instabil PMB:s studeras med hjälp av fluorescens mikroskopi vid lagringstemperatur (180 °C). En kopplad fas-fälts modell som beskriver diffusion och flöde har utvecklats för att simulera och förutsäga PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper. Temperaturberoendet hos PMB:s fasseparation har beskrivits genom att införa temperaturberoende modellparametrar mellan 140 °C och 180 °C. Denna modell är införd i ett finit element program och kalibrerad med experimentella observationer på verkliga PMB. Resultaten indikerar att lagringsstabiliteten och fasseparationen hos PMB är starkt beroende av den specifika kombinationen av basbitumen och polymer. En instabil PMB börjar separera i två faser genom diffusion, beroende på dålig bitumen-polymer kompatibilitet. När skillnaden i densitet mellan de två faserna blir tillräckligt stor kommer gravitationen att driva flödet av de två faserna och accelerera separationen i vertikalled. Den föreslagna modellen, baserad på Cahn-Hilliards ekvation, Flory-Huggins teori och Navier-Stokes ekvation, kan beskriva stabilitetsskillnaderna mellan de undersökta PMB:erna och deras distinkta mikrostruktur vid olika temperaturer. De olika materialparametrarna hos PMB bestämmer skillnaden i fassepareringsegenskaper i termer av stabilitet och temperaturberoende. Den utvecklade modellen kan simulera och förklara de resulterande skillnaderna på grund av materialparametrarna. Resultatet av denna studie kan bidra till att säkerställa lagringsstabilitet och hållbara applikationer för PMB. / <p>QC 20161102</p>

Duplex stainless steels, DSS are stainless steels that consist of the two phases austenite and ferrite.  The DSS have superb properties and are widely used in industries such as nuclear power and in pressure vessels, pipes and in pipelines.  The use of DSS are limited due to embrittlement which occurs at temperatures from 250 to 550 oC. This imposes a general limited service temperature of 250 oC. The mechanism mainly responsible for the embrittlement is a phase separation occurring in the ferrite phase. Furthermore, there is a direct link between the phase separation and the mechanical properties:  the ferrite hardness increases whereas the toughness decreases under low temperature aging.  In this thesis, the low-temperature embrittlement of duplex stainless  steels  was  studied  through  machine learning  modelling  and  experimental hardness-  and  microscopy measurements.   The  resulting  model  describes  the  data with an accuracy, R-squared = 0.94.  In combination with the experimental results, nickel  was identified  as  an  important  parameter  for  the  hardness  evolution.   This work aims to provide a fundamental study for understanding the importance of alloying elements on the phase separation in DSS, and provides a new methodology via a combination of machine learning and key experiments for the material design. / Duplexa rostfria stål är rostfria stål som består av de båda faserna ferrit och austenit. De har extraordinära egenskaper och används brett inom industrin, t ex. i kärnkraftverk och  i  tryckkärl  och  pipelines.  Användningen av  duplexa  rostfria stål  är  begränsad p.g.a.  försprödning som uppstår i legeringarna vid temperaturer mellan 250-550 oC, vilket  medför  att  den  tillåtna  temperaturen  vid  användning  begränsas  till  under 250 oC.  Den  främsta  orsaken  till  försprödningen  är  en  fasseparation  i  den  ferrita fasen under åldring vid låg temperatur.  Vidare leder fasseparationen till mekaniska förändringar i ferritfasen: hårdheten  ökar  medan  segheten  minskar.   I  den här  rapporten  undersöks försprödningen  av  duplexa  rostfria  stål  vid  åldring  med hjälp av datormodellering med maskininlärning samt av experimentella hårdhets- och mikroskopiska  mätningar.   Modellen  hade  en  noggrannhet  (determinationsko- efficienten,  R2)  på  0.94.   Resultatet  från  modellen  visade  tillsammans  med de  experimentella  resultaten  att  nickel  är  ett  legeringsämne  som  har  stor betydelse  för hårdhetsökningen.  Detta  arbete  syftar  till  att  utgöra  en grundläggande  studie  för att förstå påverkan från olika legeringsämnen på fasseparationer i DSS, och bidrar med en ny metodik för materialdesign som kombinerar maskininlärning och utvaldaexperiment. / EIT RawMaterial Project ENDUREIT

Strukturella batterier är multifunktionella; de tillhandahåller lagring av elektrokemisk energi samtidigt som de bidrar med en lastbärande funktion. Tillsammans möjliggör detta att batteriet kan integreras i karossen hos ett elektriskt fordon eller apparat. Denna multifunktionalitet möjliggör således en avsevärd reducering i fordonets vikt. Kompositmaterialet är förstärkt av kolfiberelektroder, innesluten i en elektrolytstruktur. För att förverkliga detta koncept måste batteriets elektrolyt kunna motstå mekanisk belastning, samtidigt som den transporterar joner mellan batteriets elektroder. Denna studie syftar till att bygga vidare på konceptet av fas-separerade polymerelektrolyter, skapade från polymerisationsinducerad fasseparation via termisk härdning, vilket är en teknik utvecklad av Schneider et al. och Ihrner et al. Vidare undersöks effekten av att dels använda en elektrolytlösning baserad på EC:PC, men även att inkorporera tioler till polymernätverket. Tvärbindningsmolekylerna som användes i denna studie inkluderade trimetylolpropan tris(3-merkaptopropionat) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-merkaptopropionat) (4PER), och dipentaerythritol hexakis-(3-merkaptopropionat) (6DPER). Dessa skiljer sig i antal funktionella tiolgrupper. Konduktivitet, termo-mekanisk prestanda och strukturberoende egenskaper undersöktes genom tre laborativa faser. Den första fasen behandlade inverkan på elektrolytsystemet av ändrat lösningsmedel, tiol-funktionalitet samt tiolgruppförhållandet gentemot allyl gruppen på den primära monomeren. Sampolymeren innehållandes 6DPER uppvisade bäst multifunktionalitet, varpå denna utvecklades vidare i fas två där en optimal sammansättning fastställdes som bestod utav 45 viktprocent jonlösning. I den slutliga fasen konstruerades en halv-cell baserat på den tidigare optimerade elektrolytkompositionen; den uppmätta kapaciteten visar tydlig förbättring jämfört med tidigare forskning. Resultatet som erhölls i denna studie bidrar till förståendet av strukturella batteri-elektrolyter samt den forskning som en dag kan komma att förverkliga strukturella batterier och dess tillämpningskrav. / Structural batteries are multifunctional; providing electrochemical energy storage synergistically with a load-bearing function that enables their integration into the body panels of electric devices and vehicles. Thus, massless energy can be achieved. As a composite material, it is composed of reinforcing carbon fibre electrodes embedded in an electrolyte matrix. To realize this concept, the electrolyte must simultaneously transfer mechanical load and transport ions between electrodes. The following study builds on a phase-separated polymer electrolyte, created using polymerization-induced phase separation via thermal curing, formulated by Schneider et al. and Ihrner et al.. The impact of the incorporation of thiols for copolymerization and as cross-linking agents for the polymer network was researched along with use of an EC:PC-based solvent. The three thiols studied were: trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (3TMP), pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate) (4PER), and dipentaerythritol hexakis-(3-mercaptopropionate) (6DPER). These differed in regard to the amount of thiol functional groups present. Ionic conductivity, thermo-mechanical performance and structure-property relationships were studied across 3 laboratory phases. The first phase concerned the effect of thiol-functionality, the thiol functional group ratio relative to the allyl group present in the primary monomer, and the solvent interaction. 6DPER was concluded to be the most promising cross-linking agent. During the second phase, the effect of electrolyte content was evaluated with an optimum of 45 weight% determined. The third phase concluded the study, wherein a half-cell was assembled with the optimized electrolyte formulation showing improved capacity relative to previous studies. The results developed here contribute to the understanding of structural battery electrolyte systems and their continued research to meet application demands.