Abstract This work presents a method for the fabrication of Li₂MoO₄ ceramics at room-temperature based on utilizing a small amount of water with Li₂MoO₄ powder. The densification of the ceramic takes place during pressing. Thus the shape and size of the final ceramic compact can easily be managed by controlling the mould dimensions and the amount of material. Post-processing at 120 °C is applied to remove residual water from the compact. This post-processing temperature can be chosen to be suitable to the other materials integrated, such as the substrate or electrodes, as long as the post-processing time is adequate to remove the residual water. The dielectric properties (relative permittivity of 5.1 and a loss tangent value of 0.00035 at 9.6 GHz) after optimization of the powder particle size, sample pressing pressure, and post-processing time were similar to those achieved for Li₂MoO₄ ceramics fabricated by sintering at 540 °C. The dielectric properties of Li₂MoO₄ ceramics were also modified using composite methods. For example, an addition of 10 volume-% of BaTiO₃ increased the relative permittivity from 6.4 to 9.7 and the loss tangent value from 0.0006 to 0.011 at 1 GHz. To investigate the thermal dependence of the permittivity, different amounts of rutile TiO₂ were incorporated into a Li₂MoO₄ ceramic matrix fabricated with the method described in this work. As the amount of TiO₂ increased from 10 to 30 volume-%, the thermal coefficient of permittivity decreased from 180 ppm/°C to -170 ppm/°C. The low processing temperature made the fabrication approach introduced here feasible for silver electrode integration without the formation of extra phases, which were observed in sintered samples with similar compositions in another study. A patch antenna was realized utilizing a Li₂MoO₄ ceramic disk fabricated by the room-temperature method. The antenna operating at ~4 GHz showed reasonably good performance. A relative humidity of 80% lowered the resonant frequency by 3.25% from the initial value, and reduced the total and radiation efficiencies of the antenna by ~2 dB. The changes were slowly reversible. Use of a silicone conformal coating reduced the shift of the resonant frequency to 1.26% from the initial value and also reduced the effect on efficiencies to ~1 dB. The use of the coating also speeded up the reversibility of the changes when the humidity was decreased. / Tiivistelmä Tässä työssä esitellään menetelmä, jolla Li₂MoO₄-keraameja voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa. Menetelmä hyödyntää pientä määrää Li₂MoO₄-vesiliuosta ja sen kiteytymistä. Keraami tiivistyy kappaletta puristettaessa, joten sen koko ja muoto ovat sama kuin muotilla riippuen vain keraamin määrästä. Kappaleeseen jäänyt vesi poistetaan lämpökäsittelyllä yleensä 120 celsiusasteessa. Jälkikäsittelylämpötila voidaan valita muiden integroitavien materiaalien mukaan, kuten alusta- tai elektrodimateriaalin, kunhan jälkikäsittelyaikaa muokataan vastaavasti, jotta kaikki vesi poistuu. Optimoimalla Li₂MoO₄-jauheen partikkelikokoa, puristuspainetta ja jälkikäsittelyaikaa saavutettiin samankaltaiset dielektriset ominaisuudet taajuudella 9,6 GHz (suhteellinen permittiivisyys 5,1 ja häviötangentti 0,00035) kuin Li₂MoO₄-keraameilla, jotka on sintrattu 540 celsiusasteessa. Li₂MoO₄-keraamien dielektrisiä ominaisuuksia muokattiin myös lisäaineilla. Esimerkiksi 10 tilavuus-% BaTiO₃-jauhetta kasvatti suhteellista permittiivisyyttä taajuudella 1 GHz arvosta 6,4 arvoon 9,7 ja häviötangenttia arvosta 0,0006 arvoon 0,011. Myös eri määriä TiO₂-jauhetta (rutiili) lisättiin Li₂MoO₄-matriisiin permittiivisyyden lämpötilariippuvuuden tutkimiseksi. TiO₂-jauheen määrän kasvaessa 10 tilavuusprosentista 30 tilavuusprosenttiin laski permittiivisyyden lämpötilariippuvuus arvosta 180 ppm/°C arvoon -170 ppm/°C. Matalan käsittelylämpötilan ansiosta työssä esitelty valmistusmenetelmä soveltui käytettäväksi hopeaelektrodien kanssa. Aiemman tutkimuksen mukaan nämä komposiittimateriaalit muodostivat ei-toivottuja faaseja sintrattaessa hopean kanssa. Menetelmällä valmistettua Li₂MoO₄-keraamikiekkoa käytettiin mikroliuska-antennin valmistuksessa. Taajuudella 4 GHz toimivan antennin suorituskyky oli suunnitellun kaltainen. 80 prosentin suhteellinen ilmankosteus laski resonanssitaajuutta 3,25 % alkuperäisestä arvosta ja vähensi antennin kokonais- ja säteilytehokkuutta noin 2 dB. Muutokset palautuivat hitaasti. Silikonisuojalakan käyttö vähensi taajuuden laskua 1,26 prosenttiin alkuperäisestä arvosta ja tehokkuudet laskivat vain noin 1 dB. Suojalakan käyttö nopeutti muutosten palautuvuutta ilmankosteuden laskiessa.

Abstract The dielectric properties of material are of importance in various industrial and scientific applications of measurement technology. These properties are usually measured by microwave sensors, methods that provide an average result of the entire sample volume. However, the need to know the dielectric properties of single particles has increased in various segments. Dielectrophoresis (DEP) as a method provides a way to determine dielectric properties, such as permittivity and conductivity, of single particles with good precision by using a sufficiently simple system. In this thesis the DEP platform consists of four electrodes with hyperbolic edge geometry. Geometry produces a linear electric field gradient which leads to a constant DEP force in the active region and ensures fairly straightforward determination of particle properties by means of their DEP mobility. Particle mobility is dependent on particle size, the slope of the electric field gradient, the conductivity of the carrier fluid and the frequency of the electric field. For this thesis has been studied particle characterization on a 2D platform, particle 3D behavior, simultaneous multiphenomena observation and the applicability of transparent indium-tin-oxide (ITO) electrode material to DEP platforms. Experiments were made with polystyrene particles, using carrier fluids of varying conductivity. Electrode transparency enabled holographic 3D imaging and thus also the observation of particle behavior in the depth direction. This 3D imaging revealed the restricted working distance from the electrode plane, as well as the mobility of particles in the depth dimension under the DEP force. It was also observed that there was only a marginal difference between 3D mobility and 2D mobility inside the active region. The dielectric properties of the polystyrene particles were determined and found to differ from those of solid polystyrene, and thus the properties of the carrier fluid have a distinctive effect on particle properties. The measurement achieved good precision in a single particle measurement and thus the total particle consistency could be very low. The main restrictions of the DEP method are the limited working distance and restricted range of particle sizes: based on the results of this thesis, with a fixed size platform the particle size may not vary by more than tenfold. / Tiivistelmä Materiaalin dielektriset ominaisuudet ovat merkittäviä monissa teollisissa sekä tieteellisissä mittausteknisissä sovelluksissa. Yleensä nämä ominaisuudet mitataan mikroaaltosensoreilla, joilla mitataan näytetilavuuden keskiarvo. Tarve tietää yksittäisen partikkelin dielektriset ominaisuudet on kuitenkin lisääntynyt useilla segmenteillä. Dielektroforeesi (DEP) on menetelmä, jolla voidaan toistettavasti mitata yksittäisen partikkelin permittiivisyys ja johtavuus suhteellisen yksinkertaisella mittaussysteemillä. Tässä työssä DEP-alusta koostuu neljästä elektrodista, joilla on hyperbelin muotoinen elektrodin reunan muoto. Geometria tuottaa lineaarisen sähkökentän gradientin, mikä johtaa vakio DEP-voimaan alustan aktiivisella alueella. Niinpä partikkelin ominaisuuksien määrittely niiden liikkuvuuden perusteellä on suoraviivaista. Liikkuvuus on riippuvainen partikkelin koosta, sähkökentän gradientin kulmakertoimesta, kantajaliuoksen johtavuudesta sekä käytetyn sähkökentän taajuudesta. Työssä on tutkittu partikkelin karakterisointia 2D-alustalla, partikkelin 3D-käyttäytymistä, samanaikaista moni-ilmiötarkkailua sekä indium-tina-oksidi (ITO) elektrodimateriaalin soveltuvuutta DEP-alustoihin. Kokeet tehtiin polystyreenipartikkeleilla käyttäen eri johtavuuksisia kaliumkloridi-kantajaliuoksia. Elektrodien läpinäkyvyys mahdollisti holografisen 3D-kuvantamisen, jonka avulla havaittiin alustan rajallinen toimintaetäisyys sekä partikkelin syvyyssuuntainen liike DEP-voiman vaikutuksesta. Kuitenkin 3D- ja 2D-liikkeen välillä havaittiin vain vähäinen ero. Määritellyt partikkelin dielektriset ominaisuudet eroavat kiinteän polystyreenin arvoista, jolloin kantajaliuoksen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus määriteltyihin partikkelin ominaisuuksiin. Mittauksilla saavutettiin hyvä toistettavuus jopa yksittäisen partikkelin mittauksista, niinpä näytteen partikkelipitoisuus voi olla erittäin pieni. DEP-menetelmän merkittävimpiä rajoitteita ovat rajallinen toimintaetäisyys sekä rajallinen partikkelikoon variaatio, mikä voi olla yhdellä DEP-alustalla noin kymmenkertainen.

Abstract When producing ferrochrome, a submerged arc furnace (SAF) is used. The charge of an SAF consists of chromite pellets, coke, lumpy ore and quartzite as a slag modifier. The charge is pre-heated before it descends into the SAF where the charge eventually reduces and melts. The electrical conductivity of the charge is important because, among other things, it affects the productivity of the furnace. The electrical conductivity of the charge should ideally be low on the higher parts of the furnace and high near the electrode tip. This is to ensure that the electric current path travels through the metal bath via arcing, which provides the most effective heat transfer. Another option for the current path would be through the solid feed material via ohmic conduction, but since this zone is less reactive, the heat energy would be mostly wasted. This work brings forth new information about the electrical behaviour of coke and chromite pellet is produced. The electrical conductivity was measured at room temperature for different simulated process conditions (different coke textures, different reduction degrees of chromite pellets, sulphur in atmosphere and replacing the coke used in chromite pellet production with charcoal). It was found out that unlike gasification with a CO/CO2 mixture, heat treatment at 950°C increased the degree of graphitization and changed the electrical behaviour of coke. Furthermore, it was observed that increasing the chromite pellets’ reduction degree reduced the electrical conductivity measured at room temperature. In the case of chromite pellets and sulphur in the atmosphere it was found that sulphur has an effect on the pellets’ electrical behavior and structure during reduction, which - in turn - has an effect on the SAF performance when raw materials with varying sulphur contents are used. Lastly, it was found that substituting coke with charcoal when producing chromite pellets affects the sintering behaviour, cold compression strength, and electrical conductivity of the chromite pellets. / Tiivistelmä Uppokaariuuni on osa ferrokromin valmistusprosessia. Uppokaariuuniin panostetaan kromiittipellejä, koksia, palarikastetta ja kvartsiittia. Etukuumennusuunista panos laskeutuu uppokaariuuniin, jossa se pelkistyy ja lopulta sulaa. Uppokaariuunin panoksen sähkönjohtavuus on tärkeää uunin toiminnan kannalta, koska se vaikuttaa suoraan esimerkiksi tuottavuuteen. Jotta virran kulku tapahtuisi optimaalisesti sulan metallin kautta, panoksen sähkönjohtavuuden tulee olla pieni uunin yläosissa ja suuri alaosassa lähellä elektrodien päitä. Mikäli virran kulku tapahtuu uunin yläosassa, hukataan lämpöenergiaa ja uunin toiminta hankaloituu. Tässä työssä on selvitetty koksin ja kromiittipellettien sähköisiä ominaisuuksia. Sähkönjohtavuutta on tutkittu useilla simuloiduilla prosessiolosuhteilla (koksin eri tekstuurit, kromiittipellettien eri pelkistysasteet, rikin pitoisuus atmosfäärissä ja kromiittipellettien valmistuksessa on korvattu koksi puuhiilellä). Nämä mittaukset on tehty huonelämpötilassa. Huomattiin, että toisin kuin koksin kaasutus, koksin lämpökäsittely (950°C) nosti grafitoitumisastetta ja vaikutti sähköisiin ominaisuuksiin. Kromiittipelletin pelkistymisasteen noustessa huonelämpötilassa mitattu sähkönjohtavuus laski. Kun kromiittipelletit altistetaan atmosfäärille, jossa on rikkiä, pellettien sähköiset ominaisuudet muuttuvat samoin kuin rakenne pelkistyksen aikana. Tämä vaikuttaa uppokaariuunin toimintaan, kun käytetään raaka-aineita, joissa rikkipitoisuus vaihtelee. Kun kromiittipellettien valmistuksessa käytettävä koksi korvataan puuhiilellä, tämä vaikuttaa sintrausprosessiin, kylmälujuuteen ja sähköisiin ominaisuuksiin.

Abstract The main objective of this thesis was to research and develop a sensitive characterization method for dielectric powdery substances which could be utilized in various industrial and research fields. With modern electromagnetic simulation tools and the presented experimental measurements, the characterization of dielectric powders using an indirectly coupled open-ended coaxial cavity resonator operating in TEM mode at 4.5 GHz was found to have potential. The modelling and the experimental measurement results of commonly used dielectric powders revealed that, from the nine classical mixing rules, it was possible to derive reliable inclusion permittivity values when using the properties of the perturbed resonator and the Bruggeman symmetric and the Looyenga mixing theories. In addition, the determination accuracy of the inclusion permittivity was found to be greatly improved with the correction factor included into the previously presented permittivity equation of the quarter wave coaxial resonator. Determination of the dielectric losses was found to be reliable when using the differences between the perturbed and unperturbed resonator and the general mixing model equation. The sensitivity of the characterization method was researched with both humidity exposed and surfactant treated modified SiO2, Al2O3 and ZrO2 powders. Experimental results showed that the effect of adsorbed water on the particles was most pronounced when measuring the dielectric losses of the inclusions. Furthermore, a clear correlation with the theory of the general mixing model was found. Thus, in addition to the changed dielectric properties between dry and humidity exposed powders, it was also possible to determine the moisture content with reasonable accuracy. This correlated well with the traditional, mass based, determination. Stearic acid coating of the particles induced only a small change in inclusion permittivity but a notable change in dielectric losses. Unlike the cases with the larger particle sized SiO2 and Al2O3, the dielectric loss of ZrO2 inclusions, with stearic acid coating, was decreased significantly from 6.2 × 10-3 to 3.8 × 10-3. When characterizing magnesium and calcium titanate composite powders, with CaTiO3 molar ratios of 0.0, 0.02, 0.05 and 0.1, the method was found to have good sensitivity and accuracy. Additions of CaTiO3 exhibited a clear increase in net inclusion permittivities from 13.4 up to 14.9 and in dielectric loss tangents from 7.1 × 10-3 up to 8.5 × 10-3. In addition, a good correlation was found in the theoretical determination of the CaTiO3 molar ratios using the resonator measurement results and the general mixing model. The characterization method was proved to be capable of measuring the dielectric properties and detecting even very slight changes in the powders. Thus, the method could be utilized in various types of powdery material characterization, for example, in the analysis and quality control of different composite powders. / Tiivistelmä Väitöstyön päätavoitteena oli tutkia ja kehittää herkkä jauhemaisten eristemateriaalien karakterisointimenetelmä, jota voitaisiin hyödyntää usealla teollisuuden ja tutkimuksen alueella. Hyödyntäen nykyaikaisia sähkömagnetiikan simulointityökaluja sekä kokeellisia mittauksia, havaittiin TEM -moodissa 4,5 GHz taajuudella toimivan avoimen epäsuorasti kytketyn koaksiaalionteloresonaattorin soveltuvan karakterisoimaan eristejauheita. Sähkömagneettinenmallinnus yhdessä yleisesti käytettyjen eristejauheiden kokeellisten mittausten kanssa osoitti, että partikkelin permittiivisyysarvot voitiin johtaa luotettavasti. Tällöin käytettiin näytemateriaalilla täytetyn resonaattorin ominaisuuksia, sekä yhdeksästä vertaillusta klassisesta sekoitusyhtälöstä Bruggeman symmetristä ja Looyengan sekoitusteorioita. Tämän lisäksi tarkkuutta voitiin parantaa huomattavasti lisäämällä korjauskerroin aikaisemmin julkaistuun neljännesaalto-koaksiaaliresonaattorin permittiivisyyden määrittävään yhtälöön. Eristehäviöiden määrittäminen havaittiin luotettavaksi, kun käytettiin mitattavalla materiaalilla muutetun ja tyhjän resonaattorin ominaisuuksien eroja, sekä general mixing model -yhtälöä. Karakterisointimenetelmän herkkyys tutkittiin ilmankosteudelle altistetuilla, sekä pintakäsittelyllä muutetuilla SiO2, Al2O3 ja ZrO2 -jauheilla. Mittaustulokset osoittivat, että partikkelin pinnalle adsorpoituneen veden vaikutus oli kaikkein korostunein, kun mitattiin partikkelien eristehäviöitä. Tämän lisäksi havaittiin myös selkeä korrelaatio general mixing model -teorian kanssa. Näin ollen muuttuneiden eristeominaisuuksien määritysten lisäksi voitiin määrittää jauheen kosteussisältö riittävällä tarkkuudella. Tulokset korreloivat hyvin perinteisen massaeroihin perustuvan määrittämisen kanssa. Partikkelien pinnoitus steariinihapolla aiheutti ainoastaan pienen muutoksen permittiivisyyteen mutta merkittävän muutoksen eristehäviöihin. Toisin kuin suuremman partikkelikoon SiO2:lla ja Al2O3:lla ZrO2 -partikkelin eristehäviö laski huomattavasti steariinihappopinnoituksen jälkeen, 6,2 × 10-3:sta 3,8 × 10-3:een. Karakterisoitaessa magnesium- ja kalsiumtitanaattikomposiittijauheita käyttämällä CaTiO3 -moolisuhteita 0,0, 0,02, 0,05 ja 0,1 menetelmällä havaittiin olevan hyvä herkkyys ja tarkkuus mitattavan materiaalin muutoksille. CaTiO3 -määrän lisäykset aiheuttivat selkeän nousun partikkelien kokonaispermittiivisyyksissä, joka kasvoi 13,4:sta 14,9:ään, sekä häviötangentissa, joka kasvoi 7,1 × 10-3:sta aina 8,5 × 10-3:een. Tämän lisäksi resonaattorin mitattuihin ominaisuuksiin sekä general mixing model -yhtälöön perustuvan teoreettisen määrityksen havaittin korreloivan hyvin CaTiO3 -moolisuhteisiin. Karakterisointimenetelmän osoitettiin soveltuvan eristeominaisuuksien mittaukseen sekä havaitsemaan jopa erittäin pienet muutokset jauheiden eristeominaisuuksissa. Menetelmää voitaisiin hyödyntää usean tyyppisissä jauhemateriaalien ominaisuuksien määrityksissä, kuten esimerkiksi erilaisten komposiittijauheiden analysoinnissa ja laaduntarkkailussa.