|
|
Extremely fast sintering of advanced ceramic materials
Tan, Hua ; Chlup,, Zdeněk (referee) ; Sedláček,, Jaroslav (referee) ; Salamon, David (advisor)
Techniky rychlého slinování jako „Spark Plasma Sintering (SPS)“, „Flash Sintering“ (FS), „Selective Laser Sintering“ (SLS), „Induction Sintering“ (IS) a „Microwave Sintering“ (MS) jsou navrženy tak, aby účinně a předvídatelně kontrolovaly mikrostrukturu během slinovací proces. Spark Plasma Sintering jako jedna z nejmodernějších technik rychlého slinování a byla studována po celá desetiletí. V SPS má tři hlavní rysy: přímý ohřev elektrickým proudem, pulzní stejnosměrný elektrický proud a mechanický tlak. Mechanismy působení faktorů během SPS procesu však nejsou zatím jasně objasněny. Tato práce byla inspirována zvýšeným zájmem o techniky rychlého slinování a snahou o objasnění působení hlavních faktorů. Tato studie je rozdělena do čtyř částí: efekt elektromagnetického pole, efekt pulzního vzoru, tlakový efekt a přímý Joulův ohřev. Výsledky ukázaly, že elektromagnetické pole v SPS může být ignorováno, jak ukázaly simulace, a rovněž během experimentů nebyl nalezen žádný „efekt pole“. Na druhou stranu účinek pulzního vzoru byl významný, prášek TiO2 byl slinován pulzními vzory 12:2 a 10:9 s konstantním příkonem. Po aplikaci pulzního vzoru 10:9 došlo ke zvýšení velikosti zrna o jeden řád a ke zvýšení hustoty o 8%, zatímco množství spotřebované energie zůstalo konstantní. Při zahřátí s různými vzory pulzů se mění účinný výkon a kontaktní odpor indukovaný mechanickým pulsem, což jsou dva hlavní důvody, které vysvětlují měnící se energetickou účinnost. Vliv tlaku byl také významný, výsledky ukázaly, že použití tlaku při 900 ° C přineslo vysokou hustotu a malou velikost zrn, což vedlo k nejvyšší tvrdosti měřenou podle Vickerse. Interakce mezi tlakem a parami, vedoucí k rozdílné rychlosti přenosu páry v prvním slinovacím stupni, je považována za důvod pro rozdíly v mikrostruktuře, jako jsou mikropóry. Načasování mechanického tlaku může také podporovat difúzní mechanismy zhutňování během druhého slinovacího stupně, jako je difúze na hranicích zrn a mřížková difúze. Přímý ohřev, kdy se vede elektrický proud přímo skrz vzorek, vede k nízké měřené teplotě při slinování karbidu boru a jeho kompozitů, avšak teplota uvnitř vzorku je podstatně vyšší. Přidání slitiny titanu a křemíku do B4C významně zvýšilo finální hustotu, což byl hlavní důvod ovlivnění mechanických vlastností. Vzorek B4C + 1.0Ti (1 obj. % Ti slitiny) dosáhl nejvyšší tvrdosti 3628.5 ± 452.6 HV1 (16.2% vyšší než čistý B4C) s lomovou houževnatostí 2.11 ± 0.25 MPa m0.5. Zatímco při dopování křemíkem dosáhl vzorek B4C + 0.5Si (0.5 obj. % křemíku) nejvyšší tvrdosti 3524.6 ± 207.8 HV1 (o 13.0% vyšší než čistý B4C), vzorek B4C + 1.0Si dosáhl nejvyšší lomové houževnatosti 2.97 ± 0.03 MPa m0.5 (o 15.6% vyšší než čistý B4C). Velikost zrn kompozitů dotovaných titanem se oproti čistému karbidu boru byla o něco větší a mikrostruktura více nehomogenní. Naproti tomu se velikost zrn vzorků dotovaných křemíkem příliš nezměnila ve srovnání s velikostí zrn čistého karbidu boru. Sekundární fáze karbid křemíku byla dobře spojena s matricí karbidu boru a vykazovala pozitivní účinek jak na tvrdost, tak na lomovou houževnatost. Tato práce zkoumala vliv různých kontroverzních a nepopsaných aspektů na slinování keramických materiálů metodou Spark Plasma Sintering, což vedlo k lepšímu pochopení této techniky slinování.
|
|
|
Investigation of Functional Properties of Thin NiTi Filaments for Applications in Smart Structures and Hybrid Textiles
Pilch, Jan ; Dlouhý, Antonín (referee) ; Heczko,, Oleg (referee) ; Pokluda, Jaroslav (advisor)
PhD thesis focuses the field of textile application of modern functional materials, namely metallic shape memory alloys with unique thermomechanical properties deriving from martensitic transformation in solid state. Particularly, it deals with the development of a nonconventional thermomechanical treatment of thin NiTi filaments via Joule heating by electric current and related basic research involving thermomechanical testing and modeling of functional properties of the filaments, investigation of martensitic transformations and deformation processes in NiTi and investigation of the fast recovery and recrystallization processes in metals heated by short pulses of controlled electric power. The method was developed and called FTMT-EC. In contrast to conventional heat treatment of metallic filaments in environmental furnaces, this method allows for precise control of the raise of the filament temperature and filament stress during the fast heating (rate ~50 000 °C/s). As a consequence, it is possible to precisely control the progress of the fast recovery and recrystallization processes in heat treated filaments. In this way it is possible to prepare filaments with desired nanostructured microstructure and related functional properties. A prototype equipment for application of the method for heat treatment of continuous SMA filaments during respooling in textile processing was designed and built. Comparing to the conventional heat treatment of SMA filaments in tubular environmental furnaces, this approach is faster, saves energy and allows for preparation of filaments with special functional properties. International patent application was filed on the method. It is currently utilized in the research and development of smart textiles for medical applications.
|
|
|
Thermoelectric properties of alkali activated aluminosilicates
Filipská, Kristýna ; Fiala,, Lukáš (referee) ; Zmeškal, Oldřich (advisor)
This work focuses on the potential usage of alkali-activated aluminosilicates (AAA) in relation to energy harvesting. It sets a goal of familiarizing the reader with thermoelectrical conversion itself and its existence within those materials. Based on this knowledge, the measurement of thermoelectrical voltage has been conducted in chosen mixtures of AAA; more specifically a slag geopolymer with carbon black admixture, a slag geopolymer with graphite powder admixture and a metashale geopolymer with graphite powder admixture. This experiment was executed by repeated heating of the surface area of the sample on one side using a resistor, while the other side was kept at reference temperature. The response in the form of voltage generated in the sample as well as on the electrodes was recorded. The measured values were then used to calculate the Seebeck coefficient. The best response was provided by a slag geopolymer sample with carbon black admixture at 4 % concentration (|| = 1904 V/K). The second goal was to measure thermal properties of those samples, specifically the specific heat capacity, the thermal conductivity coefficient and thermal diffusivity. This goal has been reached by capturing the samples with a thermal camera while heating them on a hot-plate. The highest values of specific heat capacity and the thermal conductivity coefficient were provided by a sample of metashale geopolymer with graphite powder admixture at 8 % concentration (c = 2086 J/kg/K; = 1,815 W/m/K). Thermal diffusivity proved to be almost identical in all samples, 610-7 m2/s on average. Based on the results, we conclude that the thermoelectrical conversion in these materials is not enough to be significant in bigger scale energy harvesting yet. However, we also believe that it’s possible to reach better results with further research.
|
|
|
Exotic heat sources in exoEarths
Verkinová, Natália ; Běhounková, Marie (advisor) ; Kalousová, Klára (referee)
This thesis focuses on the comparison between the tidal heating and Joule hea- ting representing an unusual heat source. First, a parametric study was performed on a model planet orbiting a low-mass star where the effects of the most impor- tant physical parameters were studied. Then, the possible planetary structure with known radius and total mass was determined for the assumed composition. Application to the TRAPPIST-1b and c planets shows that they undergo intense tidal deformation. If the stellar rotation and magnetic dipole axes are inclined with respect to each other, then Joule heating also applies to them. For a simple structure of planets composed of the mantle and the core, the study shows that energy dissipation from stellar tides dominates in both planets. The extreme he- ating that we observe could lead to rapid overheating of the planet or large-scale melting within the planet. 1
|
|
|
Extremely fast sintering of advanced ceramic materials
Tan, Hua ; Chlup,, Zdeněk (referee) ; Sedláček,, Jaroslav (referee) ; Salamon, David (advisor)
Techniky rychlého slinování jako „Spark Plasma Sintering (SPS)“, „Flash Sintering“ (FS), „Selective Laser Sintering“ (SLS), „Induction Sintering“ (IS) a „Microwave Sintering“ (MS) jsou navrženy tak, aby účinně a předvídatelně kontrolovaly mikrostrukturu během slinovací proces. Spark Plasma Sintering jako jedna z nejmodernějších technik rychlého slinování a byla studována po celá desetiletí. V SPS má tři hlavní rysy: přímý ohřev elektrickým proudem, pulzní stejnosměrný elektrický proud a mechanický tlak. Mechanismy působení faktorů během SPS procesu však nejsou zatím jasně objasněny. Tato práce byla inspirována zvýšeným zájmem o techniky rychlého slinování a snahou o objasnění působení hlavních faktorů. Tato studie je rozdělena do čtyř částí: efekt elektromagnetického pole, efekt pulzního vzoru, tlakový efekt a přímý Joulův ohřev. Výsledky ukázaly, že elektromagnetické pole v SPS může být ignorováno, jak ukázaly simulace, a rovněž během experimentů nebyl nalezen žádný „efekt pole“. Na druhou stranu účinek pulzního vzoru byl významný, prášek TiO2 byl slinován pulzními vzory 12:2 a 10:9 s konstantním příkonem. Po aplikaci pulzního vzoru 10:9 došlo ke zvýšení velikosti zrna o jeden řád a ke zvýšení hustoty o 8%, zatímco množství spotřebované energie zůstalo konstantní. Při zahřátí s různými vzory pulzů se mění účinný výkon a kontaktní odpor indukovaný mechanickým pulsem, což jsou dva hlavní důvody, které vysvětlují měnící se energetickou účinnost. Vliv tlaku byl také významný, výsledky ukázaly, že použití tlaku při 900 ° C přineslo vysokou hustotu a malou velikost zrn, což vedlo k nejvyšší tvrdosti měřenou podle Vickerse. Interakce mezi tlakem a parami, vedoucí k rozdílné rychlosti přenosu páry v prvním slinovacím stupni, je považována za důvod pro rozdíly v mikrostruktuře, jako jsou mikropóry. Načasování mechanického tlaku může také podporovat difúzní mechanismy zhutňování během druhého slinovacího stupně, jako je difúze na hranicích zrn a mřížková difúze. Přímý ohřev, kdy se vede elektrický proud přímo skrz vzorek, vede k nízké měřené teplotě při slinování karbidu boru a jeho kompozitů, avšak teplota uvnitř vzorku je podstatně vyšší. Přidání slitiny titanu a křemíku do B4C významně zvýšilo finální hustotu, což byl hlavní důvod ovlivnění mechanických vlastností. Vzorek B4C + 1.0Ti (1 obj. % Ti slitiny) dosáhl nejvyšší tvrdosti 3628.5 ± 452.6 HV1 (16.2% vyšší než čistý B4C) s lomovou houževnatostí 2.11 ± 0.25 MPa m0.5. Zatímco při dopování křemíkem dosáhl vzorek B4C + 0.5Si (0.5 obj. % křemíku) nejvyšší tvrdosti 3524.6 ± 207.8 HV1 (o 13.0% vyšší než čistý B4C), vzorek B4C + 1.0Si dosáhl nejvyšší lomové houževnatosti 2.97 ± 0.03 MPa m0.5 (o 15.6% vyšší než čistý B4C). Velikost zrn kompozitů dotovaných titanem se oproti čistému karbidu boru byla o něco větší a mikrostruktura více nehomogenní. Naproti tomu se velikost zrn vzorků dotovaných křemíkem příliš nezměnila ve srovnání s velikostí zrn čistého karbidu boru. Sekundární fáze karbid křemíku byla dobře spojena s matricí karbidu boru a vykazovala pozitivní účinek jak na tvrdost, tak na lomovou houževnatost. Tato práce zkoumala vliv různých kontroverzních a nepopsaných aspektů na slinování keramických materiálů metodou Spark Plasma Sintering, což vedlo k lepšímu pochopení této techniky slinování.
|
|
|
Investigation of Functional Properties of Thin NiTi Filaments for Applications in Smart Structures and Hybrid Textiles
Pilch, Jan ; Pokluda, Jaroslav (advisor)
PhD thesis focuses the field of textile application of modern functional materials, namely metallic shape memory alloys with unique thermomechanical properties deriving from martensitic transformation in solid state. Particularly, it deals with the development of a nonconventional thermomechanical treatment of thin NiTi filaments via Joule heating by electric current and related basic research involving thermomechanical testing and modeling of functional properties of the filaments, investigation of martensitic transformations and deformation processes in NiTi and investigation of the fast recovery and recrystallization processes in metals heated by short pulses of controlled electric power. The method was developed and called FTMT-EC. In contrast to conventional heat treatment of metallic filaments in environmental furnaces, this method allows for precise control of the raise of the filament temperature and filament stress during the fast heating (rate ~50 000 °C/s). As a consequence, it is possible to precisely control the progress of the fast recovery and recrystallization processes in heat treated filaments. In this way it is possible to prepare filaments with desired nanostructured microstructure and related functional properties. A prototype equipment for application of the method for heat treatment of continuous SMA filaments during respooling in textile processing was designed and built. Comparing to the conventional heat treatment of SMA filaments in tubular environmental furnaces, this approach is faster, saves energy and allows for preparation of filaments with special functional properties. International patent application was filed on the method. It is currently utilized in the research and development of smart textiles for medical applications.
|
|
|
Investigation of Functional Properties of Thin NiTi Filaments for Applications in Smart Structures and Hybrid Textiles
Pilch, Jan ; Dlouhý, Antonín (referee) ; Heczko,, Oleg (referee) ; Pokluda, Jaroslav (advisor)
PhD thesis focuses the field of textile application of modern functional materials, namely metallic shape memory alloys with unique thermomechanical properties deriving from martensitic transformation in solid state. Particularly, it deals with the development of a nonconventional thermomechanical treatment of thin NiTi filaments via Joule heating by electric current and related basic research involving thermomechanical testing and modeling of functional properties of the filaments, investigation of martensitic transformations and deformation processes in NiTi and investigation of the fast recovery and recrystallization processes in metals heated by short pulses of controlled electric power. The method was developed and called FTMT-EC. In contrast to conventional heat treatment of metallic filaments in environmental furnaces, this method allows for precise control of the raise of the filament temperature and filament stress during the fast heating (rate ~50 000 °C/s). As a consequence, it is possible to precisely control the progress of the fast recovery and recrystallization processes in heat treated filaments. In this way it is possible to prepare filaments with desired nanostructured microstructure and related functional properties. A prototype equipment for application of the method for heat treatment of continuous SMA filaments during respooling in textile processing was designed and built. Comparing to the conventional heat treatment of SMA filaments in tubular environmental furnaces, this approach is faster, saves energy and allows for preparation of filaments with special functional properties. International patent application was filed on the method. It is currently utilized in the research and development of smart textiles for medical applications.
|
guest ::
