Silicon Germanium, SiGe, is an important emerging semiconductor material. In order to optimize growth techniques for SiGe production, such as Liquid Phase Diffusion, LPD, or Melt Replenishment Czochralski, a good understanding of the transport phenomena in the melt is required. In the context of the Liquid Phase Diffusion growth technique, the transport phenomena of silicon in a silicon-germanium melt has been explored. Experiments isolating the dissolution and transport of silicon into a germanium melt have been conducted under a variety of flow conditions. Preliminary modeling of these experiments has also been conducted and agreement with experiments has been shown. In addition, full LPD experiments have also been conducted under varying flow conditions. Altered flow conditions were achieved through the application of a variety of magnetic fields. Through the experimental and modeling work better understanding of the transport mechanisms at work in a silicon-germanium melt has been achieved. / Graduate

Wide cracks in land-based Ni- or Co-base superalloy turbine components are difficult to repair successfully using conventional welding or brazing techniques. This project examined the feasibility of liquid phase diffusion brazing using novel Ni- and Co-base braze alloys containing Hf or Zr as melt point depressant for the repair of wide cracks in turbine components. An optimized braze cycle was developed and the joints were evaluated using various metallographic techniques and mechanical tests (elevated temperature tensile tests, creep rupture tests and low cycle fatigue tests). Microstructural examination revealed the presence of Hf- or Zr-rich intermetallic phases (most likely Ni7Hf2 or Ni5Zr) in Ni-base braze joints. These intermetallic compounds were, however, observed to be significantly softer than the boride phases routinely found in commercially available braze alloys with boron as melt point depressant. As a result, the novel wide gap brazed joints displayed excellent mechanical properties (ranging from 80% to 100% of the base metal’s properties). The low cycle fatigue properties of wide gap braze joints performed using a combination of MarM247 superalloy powder and Ni-Cr-Hf or Ni-Cr-Zr braze filler metals were found to be superior to those of the widely used Ni-Cr-B braze filler metals. Wide gap braze repair of FSX-414 Co-base superalloy using novel MarM509/MarM509B and MarM509/Co-Hf braze alloys resulted in high temperature tensile properties equivalent to those of weld repairs in the same parent material (using Nozzalloy filler metal). The creep rupture and low cycle fatigue (LCF) properties of the braze joints were superior to those of welds performed using MarM918 filler metal. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2008. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

Yes / Diffusion brazing has gained much popularity as a technique capable of joining dissimilar lightweight metal alloys and has the potential for a wide range of applications in aerospace and transportation industries, where microstructural changes that will determine the mechanical and chemical properties of the final joint must be controlled. This study explores the effect of Al2O3 nanoparticles on the mechanical and microstructural properties of diffusion brazed magnesium (AZ31) and aluminium (Al-1100) joints. The results showed that the addition of Al2O3 nanoparticle to the electrodeposited Cu coating increased the volume of eutectic liquid formed at the interface which caused a change to the bonding mechanism and accelerated the bonding process. When the Cu/Al2O3 nanocomposite coatings were used as the interlayer, a maximum bond strength of 46 MPa was achieved after 2 min bonding time while samples bonded using pure-Cu interlayers achieved maximum strength after 10 min bonding time. Chemical analysis of the bond region confirmed that when short bonding times are used, the intermetallic compounds formed at the interface are limited to the compounds consumed in the eutectic reaction.

In the present dissertation paper we study problems related to synchronization phenomena in the presence of noise which unavoidably appears in real systems. One part of the work is aimed at investigation of utilizing delayed feedback to control properties of diverse chaotic dynamic and stochastic systems, with emphasis on the ones determining predisposition to synchronization. Other part deals with a constructive role of noise, i.e. its ability to synchronize identical self-sustained oscillators. First, we demonstrate that the coherence of a noisy or chaotic self-sustained oscillator can be efficiently controlled by the delayed feedback. We develop the analytical theory of this effect, considering noisy systems in the Gaussian approximation. Possible applications of the effect for the synchronization control are also discussed. Second, we consider synchrony of limit cycle systems (in other words, self-sustained oscillators) driven by identical noise. For weak noise and smooth systems we proof the purely synchronizing effect of noise. For slightly different oscillators and/or slightly nonidentical driving, synchrony becomes imperfect, and this subject is also studied. Then, with numerics we show moderate noise to be able to lead to desynchronization of some systems under certain circumstances. For neurons the last effect means “antireliability” (the “reliability” property of neurons is treated to be important from the viewpoint of information transmission functions), and we extend our investigation to neural oscillators which are not always limit cycle ones. Third, we develop a weakly nonlinear theory of the Kuramoto transition (a transition to collective synchrony) in an ensemble of globally coupled oscillators in presence of additional time-delayed coupling terms. We show that a linear delayed feedback not only controls the transition point, but effectively changes the nonlinear terms near the transition. A purely nonlinear delayed coupling does not affect the transition point, but can reduce or enhance the amplitude of collective oscillations. / In dieser Dissertation werden Synchronisationsphänomene im Vorhandensein von Rauschen studiert. Ein Ziel dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Anwendbarkeit verzögerter Rückkopplung zur Kontrolle von bestimmten Eigenschaften chaotischer oder stochastischer Systeme. Der andere Teil beschäftigt sich mit den konstruktiven Eigenschaften von Rauschen. Insbesondere wird die Möglichkeit, identische selbsterregte Oszillatoren zu synchronisieren untersucht. Als erstes wird gezeigt, dass Kohärenz verrauschter oder chaotischer Oszillatoren durch verzögertes Rückkoppeln kontrolliert werden kann. Es wird eine analytische Beschreibung dieses Phänomens in verrauschten Systemen entwickelt. Außerdem werden mögliche Anwendungen im Zusammenhang mit Synchronisationskontrolle vorgestellt und diskutiert. Als zweites werden Oszillatoren unter dem Einfluss von identischem Rauschen betrachtet. Für schwaches Rauschen und genügend glatte Systeme wird bewiesen, das Rauschen zu Synchronisation führt. Für leicht unterschiedliche Oszillatoren und leicht unterschiedliches Rauschen wird die Synchronisation unvollständig. Dieser Effekt wird auch untersucht. Dann wird mit Hilfe von Numerik gezeigt, dass moderates Rauschen zur Desynchronisierung von bestimmten Systemen führen kann. Dieser Effekt wird auch in neuronalen Oszillatoren untersucht, welche nicht unbedingt Grenzzyklen besitzen müssen. Im dritten Teil wird eine schwache nichtlineare Theorie des Kuramoto-Übergangs, dem Übergang zur kollektiven Synchronisation, in einem Ensemble von global gekoppelten Oszillatoren mit zusätzlichen zeitverzögerten Kopplungstermen entwickelt. Es wird gezeigt, dass lineare Rückkopplung nicht nur den Übergangspunkt bestimmt, sondern auch die nichtlinearen Terme in der Nähe des Übergangs entscheidend verändert. Eine rein nichtlineare Rückkopplung verändert den Übergang nicht, kann aber die Amplitude der kollektiven Oszillationen vergrößern oder verringern.

SixGe1-x is a promising alloy semiconductor material that is gaining importance in the semiconductor industry primarily due to the fact that silicon and germanium form a binary isomorphous system and hence its properties can be adapted to suit the needs of a particular application. Liquid phase diffusion (LPD) is a solution growth technique which has been successfully used to grow single crystals of SixGe1-x. The first part of this thesis discusses the development of a fixed grid solver to simulate the LPD growth under zero gravity condition. Initial melting is modeled in order to compute the shape of the initial growth interface along with temperature and concentration distribution. This information is then used by the solidification solver which in turn predicts the onset of solidification, evolution of the growth interface, and temperature and concentration fields as the solidification proceeds. The results are compared with the previous numerical study conducted using the dynamic grid approach as well as with the earth based experimental results. The predicted results are found to be in good qualitative agreement although certain noticeable differences are also observed owing to the absence of convective effects in the fixed grid model. The second part investigates the effects of crucible translation on the LPD technique using the dynamic grid approach. The case of constant pulling is examined first and compared with the available experimental results. Then a dynamic pulling profile obtained as a part of simulation process is used to achieve the goal of nearly uniform composition crystal. The effect of crucible translation on the interface shape, growth rate, and on the transport process is investigated. Finally, the effect of magnetic field on the LPD growth is examined. / Graduate

<p> This dissertation is concerned with establishing the conditions under which planar phase interfaces are morphologically unstable during phase transformations in isothermal ternary systems. First, linear perturbation methods are employed in a detailed treatment of precipitatematrix interface stability for dilute ternary systems. Following this, the stability of the planar interface in a two-phase ternary diffusion couple is examined with the aid of perturbation theory. An experimental investigation into the stability of <alpha>-<beta> phase interfaces in the Cu-Zn-Ni system at 775°C is described. The results of this experimental study are shown to be in good agreement with the earlier theoretical predictions. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Il est aujourd'hui avéré que la composition chimique de l'atmosphère des régions enneigées – et notamment des régions polaires – est sensiblement affectée par les échanges d'espèces chimiques réactives entre l'air et la neige. En effet, le manteau neigeux constitue un véritable réacteur photochimique multiphasique, mais les mécanismes physico-chimiques à l'œuvre en son sein sont encore mal connus. Une compréhension détaillée des processus s'y déroulant est indispensable pour modéliser correctement la composition et la réactivité de l'atmosphère au-dessus des régions enneigées. De plus, la reconstitution de l'évolution post-dépôt des composés chimiques stables de la neige est également un préalable indispensable pour permettre l'interprétation paléoclimatique de leurs profils de concentration enregistrés dans les carottes de glace.Le nitrate (NO3-) présent dans la neige joue un rôle fondamental, car sa photolyse induit notamment l'émission d'oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) par le manteau neigeux, qui modifient la capacité oxydante de l'atmosphère via la production d'ozone. L'objet de cette thèse a donc été d'étudier par modélisations les processus physico-chimiques intervenants dans l'évolution de la concentration du nitrate dans la neige.Une première approche, prolongeant des études préexistantes, a visé à identifier un mécanisme réactionnel pour la photochimie du nitrate dans la neige, en postulant notamment l'existence d'une couche quasi-liquide à la surface des grains de neige. Néanmoins, les propriétés exactes de l'interface air – glace sont, à l'heure actuelle, encore mal caractérisées, et il est apparu que cette démarche présentait de trop larges incertitudes pour être poursuivie.Une discussion approfondie a alors été menée afin d'évaluer les tentatives actuelles de modélisation de la chimie de la neige, et dans le but de proposer une nouvelle approche plus réaliste au regard du niveau de connaissance actuel.Ainsi, dans une seconde partie, l'ensemble des processus d'échange physico-chimiques du nitrate entre l'air et la neige ont été étudiés puis modélisés : adsorption à la surface, diffusion en phase solide et co-condensation. Parmi les résultats obtenus, il est apparu que les paramétrisations actuelles de la couverture surfacique en nitrate étaient incapables de reproduire les concentrations mesurées, dans le cas de la neige de surface à Dome C, et révèlent d'importantes surestimations. A contratio, la prise en compte conjointe de la diffusion en phase solide ainsi que d'un processus de co-condensation permet de bien reproduire qualitativement les séries temporelles de plus d'un an, couvrant donc à la fois l'été et l'hiver austral, qui présentent chacun des caractéristiques distinctes en terme de concentration mesurées.Cette étude révèle ainsi l'importance de ces processus physico-chimiques d'échange dans la modélisation de la chimie de la neige, et pose les bases des mécanismes à prendre en compte dans le cadre de développements futurs. / It is increasingly recognized that the atmosphere composition of snow covered regions – especially polar regions – is noticeably affected by air-snow interactions. Indeed, the snowpack is a multiphase reactor, but physico-chemical processes which take place inside are still poorly understood. A detailled understanding of snow-atmosphere interactions is essential for understanding and modeling properly the composition and reactivity of the atmosphere above snow covered regions. Reconstructions of past trends in atmospheric composition using ice cores also require to understand snowpack processes that affected the composition of interstitial air and burried snow after its deposition.Nitrate (NO3-) present in the snowpack plays an important role as it photochemically produces nitrogen oxides (NOx=NO+NO2), which affect the oxidative capacity of the atmosphere through ozone production.This thesis thus aimed at studying physico-chemical processes which take place inside the snowpack and modify nitrate concentration.In a first part, a reaction mechanism to reproduce nitrate photochemistry in snow were developed, based on previous studies. The main hypothesis was that chemical reactions take place in a quasi-liquid layer located on the surface of snow cristals. However, the properties of this ice-air interface are poorly known, and it appeared that this approach had too many uncertainties to be continued.Then, a thorough discussion were carried out to assess current attempts in snow chemistry modeling, and to propose another approach which could prevail given current knowledge on this topic.In a second part, physico-chemical exchange processes between air and snow were studied and modeled. This concerned adsorption, solid phase diffusion and co-condensation. Among the results that arise, it appeared that current parameterizations of nitrate surface coverage are unable to reproduce measured concentrations, in the studied case of Dome C surface snow, and further reveal sizeable overestimations. On the contrary, simultaneous modeling of solid phase diffusion and co-condensation allows a qualitatively good reproduction of measurements, which cover more than a year, thus including both austral summer and winter with their specific features.This study reveals the importance of exchange processes for snow chemistry modeling, and give basis for future work on this topic.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung der für dicke Proben schon mit Erfolg eingesetzten Werkstoffanalytischen Methode Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) mittels Peak/Untergrund-Verhältnissen auf die Analyse von dünnen Schichten (unter 1 μm) zur qualitative und quantitativen Elementanalyse sowie zur Ermittlung von Schichtdicken. Weiterhin wird auf der Basis von einer ESMA-Methode für zwei dünne Schichten auf einem Substrat wird ein Modell zur Ermittlung des Phasenwachstumskoeffizienten für eine intermetallische Phase die sich bei der Diffusion zwischen einer dünnen Schicht und einem Substrat bildet, mittels ESMA-Messungen bei gleichzeitiger Erwärmung der Probe dargestellt. / The paper deals with the application of the materials analysis method EPMA by peak-to-background ratios, which is currently being used for the analysis of thick samples successfully, to thin layers (less than 1 μm) for the quantitative element analysis as well as for thickness prediction. In addition a model has been established on the Basis of an EPMA method for two films on a substrate for deriving the phase growth coefficient of an inter-metallic phase which grows during the diffusion between a thin layer and a substrate from EPMA measurements while simultaneously heating the sample.

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour objectif d'étudier le processus de la pénétration d'eau dans les composites en carbone/époxyde dans un premier temps, et dans un deuxième temps, d'étudier l'effet de la prise en eau par ces matériaux sur les performances mécaniques des composites et leur joints collés. L'intégration de ces phénomènes physiques dans la modélisation numérique est d'une grande importance dans la prédiction de la durabilité d'une structure en composite subissant un vieillissement hygrothermique. Par conséquent, ce travail consiste non seulement en des observations expérimentales, mais aussi en des simulations numériques. Des corrélations entre les résultats obtenus permettent d'une part de mieux comprendre ce qui se passe dans un système composite avec l'assemblage collé soumis à des charges mécaniques, de l'initiation d'endommagement jusqu'à la rupture finale ; d'autre part, de valider un modèle numérique robuste dans le but de la conception et de l'optimisation. Les originalités de ce travail se situent à différents niveaux en proposant : 1. un nouveau modèle de diffusion à deux-phases permettant de mieux décrire l'effet de l'épaisseur des stratifiés sur la pénétration de l'eau; 2. un nouveau modèle RPM " Residual Property Model " afin de prévoir la dégradation des propriétés mécaniques due à la prise en eau ; 3. une nouvelle loi de traction-séparation linéaire-exponentiel pour décrire la courbe-R observée dans les essais DCB en mode I pur sur les composites stratifiés afin de les intégrer plus facilement dans les modèles numériques

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour objectif d’étudier le processus de la pénétration d'eau dans les composites en carbone/époxyde dans un premier temps, et dans un deuxième temps, d’étudier l’effet de la prise en eau par ces matériaux sur les performances mécaniques des composites et leur joints collés. L'intégration de ces phénomènes physiques dans la modélisation numérique est d'une grande importance dans la prédiction de la durabilité d’une structure en composite subissant un vieillissement hygrothermique. Par conséquent, ce travail consiste non seulement en des observations expérimentales, mais aussi en des simulations numériques. Des corrélations entre les résultats obtenus permettent d’une part de mieux comprendre ce qui se passe dans un système composite avec l’assemblage collé soumis à des charges mécaniques, de l’initiation d’endommagement jusqu’à la rupture finale ; d'autre part, de valider un modèle numérique robuste dans le but de la conception et de l’optimisation. Les originalités de ce travail se situent à différents niveaux en proposant : 1. un nouveau modèle de diffusion à deux-phases permettant de mieux décrire l’effet de l’épaisseur des stratifiés sur la pénétration de l’eau; 2. un nouveau modèle RPM « Residual Property Model » afin de prévoir la dégradation des propriétés mécaniques due à la prise en eau ; 3. une nouvelle loi de traction-séparation linéaire-exponentiel pour décrire la courbe-R observée dans les essais DCB en mode I pur sur les composites stratifiés afin de les intégrer plus facilement dans les modèles numériques / Le travail présenté dans ce mémoire avait pour objectif d’étudier le processus de la pénétration d'eau dans les composites en carbone/époxyde dans un premier temps, et dans un deuxième temps, d’étudier l’effet de la prise en eau par ces matériaux sur les performances mécaniques des composites et leur joints collés. L'intégration de ces phénomènes physiques dans la modélisation numérique est d'une grande importance dans la prédiction de la durabilité d’une structure en composite subissant un vieillissement hygrothermique. Par conséquent, ce travail consiste non seulement en des observations expérimentales, mais aussi en des simulations numériques. Des corrélations entre les résultats obtenus permettent d’une part de mieux comprendre ce qui se passe dans un système composite avec l’assemblage collé soumis à des charges mécaniques, de l’initiation d’endommagement jusqu’à la rupture finale ; d'autre part, de valider un modèle numérique robuste dans le but de la conception et de l’optimisation. Les originalités de ce travail se situent à différents niveaux en proposant : 1. un nouveau modèle de diffusion à deux-phases permettant de mieux décrire l’effet de l’épaisseur des stratifiés sur la pénétration de l’eau; 2. un nouveau modèle RPM « Residual Property Model » afin de prévoir la dégradation des propriétés mécaniques due à la prise en eau ; 3. une nouvelle loi de traction-séparation linéaire-exponentiel pour décrire la courbe-R observée dans les essais DCB en mode I pur sur les composites stratifiés afin de les intégrer plus facilement dans les modèles numériques