Thesis--Wisconsin. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 144-146).

A static electrochemical discharge machining (ECDM) tester, where the tungsten needle is used as the cathode and the platinum as the anode and the glass as the specimen, and the depth of electrode is set to be 1mm in the aqueous electrolyte of 30wt% KOH at the test time of 10s, is employed to investigate the influence of geometry and size of the electrode, supply voltage and gap on the characteristic of electrochemical discharge machining. According to the current/voltage measurements combined with the photographs of the bubble layer on the cathode and the behavior of discharge under different geometry and size of the electrode during the ECDM process, three regimes have been identified as: (I): non-machining. (II): glow discharge. (III): spark discharge. From the observation on the surface of machined glass specimen by using SEM, the experimental result show that damage of the glass increases with the increase of supply voltage.

From past experiments conducted with high intensity lasers, it has been known for some time that laser matter interactions result in the emission of short, transient electromagnetic pulses. Previous investigations into laser generated electromagnetic pulses provide basic information regarding frequencies where such pulses may be present, along with the time duration of the pulses. Such investigations have also demonstrated a number of measurement techniques in which basic information on the pulses may be obtained. The purpose of this current investigation is to obtain a more thorough description and understands of electromagnetic pulses generated for laser matter interaction. To this end, spatial radiation patterns emanating from various laser excited matter sources was predicted using antenna theory for far field radiators. Experimentally, it is the intention of this investigation to gather comprehensive time and frequency domain data on laser matter generated electromagnetic pulses using a number of specific laser targets. Radiation detection techniques using broadband, calibrated EMC horn antennas were devised. A unique measurement system known as an inverse superhetereodyne receiver was designed, tested and demonstrated. An experimental setup using such instrumentation was established. Using the above instrumentation and experimental setup should yield comprehensive time and frequency domain data over a spectra range of 1-40 GHz and with a time resolution of 50 ps. Because the experimental system employed is calibrated, measurements can be corresponded to incident electromagnetic fields. Several tests were conducted to ensure the proper operation of experimental apparatus. A modulation test was conducted on the inverse superhetereodyne receiver to ensure that the experimentally observed signals appeared when and where predicted within the receiver's bandwidth. The experimental setup was used to measure radiation emitted from an electrostatic discharge source of known distance and discharge voltage. Frequency domain data from the discharges were collected and compiled using a Matlab application ultimately intended to measure laser matter interaction generated electromagnetic pulses, resulting in a compiled frequency domain description comprising 1-17 GHz. The inverse Fourier transform was used to retrieve the time domain response from the compiled data. The discharge gaps characteristics where systematically altered as to allow a parametric study of the compiled data. The discharge measurements demonstrate the measurement system's ability to analyze unknown, short duration; broadband microwave signals.

La production de nanoparticules (NPs) par des décharges spark en phase liquide permet d’atteindre des rendements jusqu’à présent inégalés de l’ordre de quelques centièmes de milligramme par joule. Même si l’essentiel de l’énergie est dissipé dans la formation de la décharge, l’érosion des électrodes métalliques permet la production efficace de NPs. La nature des NPs formées est largement tributaire du liquide diélectrique dans lequel la décharge est réalisée. Il est ainsi possible de contrôler les nanoparticules produites en choisissant de manière ad hoc les électrodes et le liquide. Nous cherchons dans ce travail à comprendre les mécanismes qui ont lieu durant la décharge en étudiant différents cas d’élaboration de NPs soit d’alliages soit de composites. Les NPs synthétisées auront des applications dans divers domaines selon le(s) matériau(x) choisi(s). À l’aide d’un générateur d’impulsions nanosecondes, les décharges ont été créées en appliquant une impulsion de haute tension (10 kV- 200ns- 10 Hz) entre deux électrodes immergées dans de l’azote liquide. Trois systèmes principaux ont été étudiés : Si-Sn, Cu-Zn et Cu-Ag. Les tests ont été réalisés avec des électrodes pures ou avec des alliages contenant les 2 éléments en proportions variables pour améliorer notre compréhension sur la manière dont les nanoparticules sont formées. Des analyses en microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), en spectroscopie des rayons X à dispersion d'énergie (EDX), en spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et des analyses de micro-diffraction ont été menées pour caractériser les NPs synthétisées (morphologie, cristallinité, composition chimique, etc.). Enfin, des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues dans le temps ont été réalisées pour disposer d’informations sur l’évolution temporelle des raies émises au cours de la décharge et ainsi sur les conditions qui prévalent dans le plasma / Discharges in liquids offer a simple way to synthesize nanoparticles at high rate and low cost. When spark discharges are ignited in a dielectric liquid, a strong heating of the electrode material occurs, producing a metallic vapor from which nanoparticles grow by condensation. Even if most of the energy is dissipated in the formation of the discharge, the erosion of the metal electrodes allows the efficient production of NPs. The nature of the NPs formed is largely dependent on the dielectric liquid in which the discharge is performed. It is thus possible to control the nanoparticles produced by choosing the electrodes and the liquid in an appropriate manner. We seek in this work to understand the mechanisms that take place during the discharge by studying different cases of elaboration of NPs either alloys or composites. The synthesized NPs will have applications in various fields depending on the material(s) chosen. Using a nanosecond pulse generator, the discharges were created by applying a high voltage pulse (10 kV-200ns-10 Hz) between two electrodes immersed in liquid nitrogen. Three main systems have been studied: Si-Sn, Cu-Zn and Cu-Ag. The tests were performed with pure electrodes or alloys containing the 2 elements in varying proportions to improve our understanding of how nanoparticles are formed. High resolution transmission electron microscopy (HRTEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), electron energy loss spectroscopy (EELS) and micro-diffraction analyzes were carried out to characterize the synthesized NPs (morphology, crystallinity, chemical composition, etc.). Finally, time-resolved optical emission spectroscopy measurements were performed to obtain information on the temporal evolution of the lines emitted during the discharge and thus on the conditions that prevail in the plasma

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules métalliques ont trouvé de nombreuses applications dans divers domaines tels que l'optique, la photonique, la catalyse, la fabrication de matériaux, les énergies renouvelables, l'électronique, la médecine et même les cosmétiques. Les nouveaux développements de ces applications nécessitent des méthodes de synthèse de nanoparticules fiables donnant une grande quantité de nanoparticules aux propriétés spécifiques. Les méthodes à base de plasma, tels que des décharges d'étincelles et d’arcs sont parmi les plus prometteuses car elles permettent une augmentation considérable de la vitesse de production et une diminution des coûts. Le contrôle de ces processus est cependant toujours difficile et nécessite de nombreuses études détaillées, à la fois expérimentales et théoriques. Dans cette thèse, les décharges d'étincelles sont étudiées numériquement. L'objectif principal est de mieux comprendre les principaux mécanismes impliqués dans la décharge d'étincelle avec un faible écartement d’électrodes et sous pression atmosphérique. Ensuite, sur la base de la modélisation détaillée proposée, la quantité de nanoparticules produites ainsi que leur distribution en taille est prédite et est comparée avec les résultats expérimentaux correspondants. Dans le modèle proposé, seules les conditions initiales, la géométrie du système et les propriétés du matériau sont utilisés comme paramètres d'entrée. Une décharge d’étincelle unique est divisée en plusieurs unités selon les échelles spatiales et temporelles des processus physiques comme suit: modèles de (i) flux plasma, (ii) décharge, (iii) hydrodynamique, (iv) couche cathodique, (v) érosion d’électrode et (vi) formation de nanoparticules. Les résultats du modèle combiné sont ensuite comparés à la fois avec d'autres résultats théoriques et à des résultats expérimentaux. Enfin, les possibilités d'optimisation de la production de nanoparticules par décharge d'étincelles sont proposées sur la base de la variation des paramètres expérimentaux et sur l'analyse de la quantité de particules produites et de leur taille moyenne / During last decade, metal nanoparticles have found many applications in various areas, such as optics, photonics, catalysis, material manufacturing, renewable energy, electronics, medicine and even cosmetics. Further development of these applications requires reliable nanoparticle synthesis methods providing a large amount of nanoparticle with required properties. Plasma-based methods, such as spark and arc discharges are among the most promising since they allow a considerable increase in the production rate and a decrease in costs. The control over these processes is, however, still challenging and requires many detailed studies, both experimental and theoretical. In this thesis, spark discharge is investigated numerically. The main objective is to better understand main mechanisms involved in spark discharge with a short gap under atmospheric pressure. Then, based on the proposed detailed modeling, the amount of the produced nanoparticles, their size distribution should be predicted and compared with the corresponding experimental results. In the proposed model, only initial conditions, geometry of the system and material properties are used as input parameters. A single spark event is divided into several units according to localization and time scales of physical processes as follows: (i) streamer model, (ii) discharging model, (iii) hydrodynamic model, (iv) cathode layer model, (v) electrode erosion model and (vi) nanoparticle formation model. The results of the combined model are then compared both with other theoretical and experimental results. Finally, possibilities of optimization the nanoparticle production by spark discharge are proposed based on the variation of the experimental parameters and on the analysis of the resulted particle yield and mean size

Die vorliegende Arbeit enthält neuartige Ergebnisse festkörperanalytischer Untersuchungen zu Synthese, Struktur und Eigenschaften von anodischen Konversionsschichten auf Vanadium und Zirkonium. Schwerpunkte sind die Darstellung anodischer Oxidschichten auf den Metallen Vanadium und Zirkonium sowie ihre Charakterisierung mit ausgewählten Methoden der Festkörperanalytik. Am Beispiel des Vanadiums wird die anodische Schichtbildung in Essigsäurebasiselektrolyten untersucht. Unter anderem wird anhand von Strom-Spannungs-Kennlinien das unterschiedliche anodische Verhalten der physikalisch ähnlichen Metalle Vanadium und Zirkonium diskutiert. Neben den Methoden der Röntgenbeugung, Infrarotspektroskopie, Photoelektronenspektroskopie und Elektronenmikroskopie wird die Ramanspektroskopie als ein geeignetes Mittel zur Unterscheidung der Oxidphasen verwendet. Die amorphen VOx-Schichten und kristallinen ZrO2- bzw. modifizierten Schichten wurden sowohl unter anodischen als auch unter elektrochemischen Plasmabedingungen erzeugt. Die Korrelation zwischen Schichtstruktur und Syntheseverfahren wird herausgearbeitet.

Ce mémoire est la conclusion d'une maîtrise en double diplomation internationale entre l'université Toulouse 3 Paul Sabatier en France et l'université de Montréal au Canada. Le but de cette collaboration est la meilleure compréhension des décharges Sparks dans les liquides diélectriques, ainsi que des phénomènes qui y sont liés. La première partie du projet de recherche, effectuée à Toulouse au laboratoire LAPLACE, s'est concentrée sur l’influence du matériau des électrodes sur le comportement de la décharge, en particulier les caractéristiques courant-tension et la dynamique de la bulle de cavitation via imagerie rapide. Cette partie de travail est incluse dans ce mémoire sous forme d’une Annexe, et nous focalisons l’attention du lecteur uniquement sur les travaux réalisés dans la deuxième partie. En effet, en utilisant une source impulsionnelle de tension, nous avons étudié l’évolution statistique des caractéristiques électriques des décharges Sparks dans différents liquides diélectriques et sous différentes conditions expérimentales, qu'elles soient électriques, géométriques, ou bien liées aux matériaux utilisés. Après une préparation minutieuse des conditions d’une expérience donnée, les impulsions de haute tension ont été appliquées et les caractéristiques des décharges ont été enregistrées. Les enregistrements des caractéristiques électriques, dès la première dé- charge jusqu’à un moment où il n’est plus possible d’avoir des décharges, ont été analysés à l’aide d’un algorithme afin de remonter aux propriétés de chaque décharge, soient la probabilité que la décharge ait eu lieu, la tension de claquage, le courant de décharge, la charge injectée, l’énergie injectée, etc. L’évolution temporelle de ces paramètres ont révélé certaines informations extrê- mement utiles pour les considérer dans les procédés qui utilisent les décharges Sparks dans les liquides à haute répétition, en particulier dans la synthèse de nanomatériaux. / This thesis is the conclusion of a master's degree in an international double graduation between Université Toulouse Paul Sabatier in France and Université de Montréal in Canada. The aim of this collaboration is to better understand the operation of Spark discharges in dielectric liquids, as well as other phenomena linked to it. The first part of this research project, conducted at Toulouse, LAPLACE laboratory, was focused on the influence of the electrode material on the discharge behaviour, in particular the current and voltage waveform and the dynamic of a cavitation bubble monitored with fast imaging technique. This part of the work is included in the thesis as an Annex to focus the reader’s attention only on the work realized in Montréal. Indeed, using a high voltage pulser, we studied the statistical evolution of the electrical characteristics of Sparks discharges in different dielectric liquids and under various experimental conditions, whether they are electrical, geometrical, or related to the material of utilized electrode. After a fine preparation of the conditions for one experience, the high voltage pulses were applied, and discharges were occurred. The acquisition of the discharge electrical characteristics, from the first one to the last one, were analyzed using a home-made algorithm to access the properties of every discharge, i.e. the probability of discharge occurrence, the breakdown voltage, the discharge current, the injected charge, the injected energy, etc. The temporal evolution of those parameters revealed some extremely useful trends to be considered in the processes utilizing in-liquid Spark discharges at high repetition rate, such as in nanomaterial synthesis.

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.

Ce projet de recherche s’inscrit dans le parcours international de la maitrise de Physique (option plasma) de l’Université de Montréal en collaboration avec l’Université Paul Sabatier de Toulouse (France). Il concerne la caractérisation des décharges électriques (Sparks) dans les liquides diélectriques et ses applications dans la synthèse de nanoparticules. L’objectif est d’amélioré la connaissance des conditions de formation des nanoparticules. Cela implique de caractériser l’ensemble du système expérimental et de développer sa métrologie d’une part, et d’autre part d’obtenir l’évolution des paramètres plasma lors de la synthèse. Dans un premier temps, sur le site du LAPLACE (UMR5213), Toulouse, il a fallu développer une alimentation électrique impulsionnelle destinée à réaliser des décharges dans les liquides. En se basant sur un dispositif existant qui fût amélioré, le fonctionnement a été caractérisé du point de vue électrique (courant - tension). L’application à la synthèse de nanoparticules a été ensuite abordée pour différentes conditions expérimentales, en considérant l’aspect énergétique (bilan d’énergie, caractéristiques de la décharge…). Les travaux se sont poursuivis à l’Université de Montréal, où un circuit électrique équivalent du système expérimental est réalisé afin de visualiser l’évolution temporelle des paramètres plasma (température et densité électronique) en fonction des paramètres électriques choisis. Aussi, la synthèse de nanoparticules de Co et Ni par la décharge a été évaluée et les nanoparticules formées sont caractérisées à l’aide du microscope électronique à Transmission de Polytechnique Montréal. / This research project is part of the international master's program in Physics (plasma option) between Université de Montréal and Université Paul Sabatier - Toulouse (France). It concerns the synthesis of nanoparticles by pulsed electrical discharges in liquids. The objective is to develop the synthesis process while improving the knowledge of the formation conditions of nanoparticles. This involves characterizing the entire experimental system and developing its metrology on the one hand, and on the other hand obtaining the evolution of plasma parameters during synthesis. Initially, at the LAPLACE lab (UMR5213), Toulouse, it was necessary to develop a pulsed electrical supply to produce discharges in liquids. Based on an existing device that, after being improved, the discharge process is characterized from the electrical point of view (current, voltage). The application of the device in the synthesis of nanoparticles was tested under different experimental conditions, considering the energy aspect (energy balance, characteristics of the discharge, etc.). The second part was conducted at Université de Montréal, where the synthesized nanoparticles are characterized using the transmission electron microscope of Polytechnique Montreal. Also, the electrical circuit equivalent to the experimental system was determined to visualize the time evolution of the plasma parameters (Temperature and Electron Density) based on the electrical characteristics.

Die vorliegende Arbeit enthält neuartige Ergebnisse festkörperanalytischer Untersuchungen zu Synthese, Struktur und Eigenschaften von anodischen Konversionsschichten auf Vanadium und Zirkonium. Schwerpunkte sind die Darstellung anodischer Oxidschichten auf den Metallen Vanadium und Zirkonium sowie ihre Charakterisierung mit ausgewählten Methoden der Festkörperanalytik. Am Beispiel des Vanadiums wird die anodische Schichtbildung in Essigsäurebasiselektrolyten untersucht. Unter anderem wird anhand von Strom-Spannungs-Kennlinien das unterschiedliche anodische Verhalten der physikalisch ähnlichen Metalle Vanadium und Zirkonium diskutiert. Neben den Methoden der Röntgenbeugung, Infrarotspektroskopie, Photoelektronenspektroskopie und Elektronenmikroskopie wird die Ramanspektroskopie als ein geeignetes Mittel zur Unterscheidung der Oxidphasen verwendet. Die amorphen VOx-Schichten und kristallinen ZrO2- bzw. modifizierten Schichten wurden sowohl unter anodischen als auch unter elektrochemischen Plasmabedingungen erzeugt. Die Korrelation zwischen Schichtstruktur und Syntheseverfahren wird herausgearbeitet.