Polycrystalline graphene and other two-dimensional materials

Graphene, a single atomic layer of graphitic carbon, has attracted intense attention due to its extraordinary properties that make it a suitable material for a wide range of technological applications. Large-area graphene films, which are necessary for industrial applications, are typically polycrystalline, that is, composed of single-crystalline grains of varying orientation joined by grain boundaries. Here, we present a review of the large body of research reported in the past few years on polycrystalline graphene. We discuss its growth and formation, the microscopic structure of grain boundaries and their relations to other types of topological defects such as dislocations. The review further covers electronic transport, optical and mechanical properties pertaining to the characterizations of grain boundaries, and applications of polycrystalline graphene. We also discuss research, still in its infancy, performed on other 2D materials such as transition metal dichalcogenides, and offer perspectives for future directions of research.Comment: review article; part of focus issue "Graphene applications

Aircraft engine hot section technology: An overview of the HOST Project

NASA sponsored the Turbine Engine Hot Section (HOST) project to address the need for improved durability in advanced aircraft engine combustors and turbines. Analytical and experimental activities aimed at more accurate prediction of the aerothermal environment, the thermomechanical loads, the material behavior and structural responses to loads, and life predictions for cyclic high temperature operation were conducted from 1980 to 1987. The project involved representatives from six engineering disciplines who are spread across three work disciplines - industry, academia, and NASA. The HOST project not only initiated and sponsored 70 major activities, but also was the keystone in joining the multiple disciplines and work sectors to focus on critical research needs. A broad overview of the project is given along with initial indications of the project's impact

Advanced methods for preparation and characterization of infrared detector materials

Differential thermal analysis data were obtained on mercury cadmium telluride alloys in order to establish the liquidus temperatures for the various alloy compositions. Preliminary theoretical analyses was performed to establish the ternary phase equilibrium parameters for the metal rich region of the phase diagram. Liquid-solid equilibrium parameters were determined for the pseudobinary alloy system. Phase equilibrium was calculated and Hg(l-x) Cd(x) Te alloys were directionally solidified from pseudobinary melts. Electrical resistivity and Hall coefficient measurements were obtained

Automated computation of materials properties

Materials informatics offers a promising pathway towards rational materials design, replacing the current trial-and-error approach and accelerating the development of new functional materials. Through the use of sophisticated data analysis techniques, underlying property trends can be identified, facilitating the formulation of new design rules. Such methods require large sets of consistently generated, programmatically accessible materials data. Computational materials design frameworks using standardized parameter sets are the ideal tools for producing such data. This work reviews the state-of-the-art in computational materials design, with a focus on these automated $\textit{ab-initio}$ frameworks. Features such as structural prototyping and automated error correction that enable rapid generation of large datasets are discussed, and the way in which integrated workflows can simplify the calculation of complex properties, such as thermal conductivity and mechanical stability, is demonstrated. The organization of large datasets composed of $\textit{ab-initio}$ calculations, and the tools that render them programmatically accessible for use in statistical learning applications, are also described. Finally, recent advances in leveraging existing data to predict novel functional materials, such as entropy stabilized ceramics, bulk metallic glasses, thermoelectrics, superalloys, and magnets, are surveyed.Comment: 25 pages, 7 figures, chapter in a boo

Innovative Method dedicated to the development of a ferrite-pearlite grade regarding its MAChinability (IMMAC): final report

Ferrite-pearlite (FP) steels are the most common material for engineering and automotive industries (gear box parts, crankshaft, connecting rods, injection parts…). Without any extensive research, considering the different morphology of ferrite-perlite possible to achieve, it may be assumed that the machining performances are highly dependent on the FP parameters. Nevertheless, even now, we observe larger tolerances on requirements specification on FP steels which cause variability on microstructure morphology not always perceptible with standard metallurgical characterizations. In some case, the technical specification causes complex customer complaints between steelmakers and their customers: the microstructure seems as expected but unacceptable variability in machinability is observed. IMMAC project aims to develop a numerical method to predict the machining performances of designed FP steels depending on their microstructural parameters; and to use this method as a flexible steel development strategy to better design the machinability-improved grades tailored according to the part and its machining range. Three cutting technologies were studied: turning, drilling and broaching. The figure below shows a scheme of the research approach with proposed work packages (WP) interrelation. D0, D1 and D2 are main deliverables of the project

Thermo-Mechanics of Pebble Beds in Fusion Blankets

Thermo-Mechanik von Schüttbetten in Fusionsreaktorblankets Heliumgekühlte Schüttbetten (HCPB: Helium Cooled Pebble Beds) werden in der Ummantelung von Fusionsreaktoren, dem sogenannten Blanket, zur Tritiumerzeugung und als Neutronenmultiplikator verwendet und unterliegen somit harten Einsatzbedingungen. Die Schüttbetten bestehen aus nahezu kugelförmigem Granulat und weisen aufgrund dieser diskreten Beschaffenheit ein komplexes Materialverhalten auf. Eines der wichtigsten Forschungsthemen bei HCPB-Blankets ist die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Druckspannung, die durch die thermische Ausdehnung der Schüttbetten im Betrieb hervorgerufen wird. Um den Anforderungen in Hinblick auf Design und Analyse eines HCPB-Blankets gerecht zu werden, wird ein Materialmodell benötigt, das die thermo-mechanische Antwort auf eine äußere Anregung vollständig gekoppelt beschreibt. In der vorliegenden Dissertation wurden ein numerisches Simulationsverfahren für Schüttbetten unter fusionstypischen Einsatzbedingungen entwickelt. Die Schüttbetten aus Brutkeramik und Beryllium werden dabei mittels der Diskrete-Elemente-Methode und phänomenologischer Ansätze modelliert. Darüber hinaus wird gezeigt, wie vorhandene experimentelle Ergebnisse im Rahmen dieser Vorgehensweise ausgenutzt werden können. Bei der Diskrete-Elemente-Methode werden die einzelnen Granulatkörner unter Gleichgewichtsbedingungen betrachtet. Hierbei wird neben der Anordnung der einzelnen Partikel auch das globale Bauteilverhalten unter Einwirkung makroskopischer Druckbelastung untersucht. Ausgehend von einer zufälligen Packungsdichte als Anfangsbedingung liefert die Simulation die Verteilung der Kontaktbelastung zwischen den einzelnen Partikeln. Die Simulation eines einachsigen Drucktests mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode ergab dabei eine quantitative Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Darüber hinaus wurden die Beziehungen zwischen mikroskopischen Größen, wie z.B. der maximalen Kontaktbelastung oder der Koordinationszahl im Bauteil zu makroskopischen Belastungsgrößen untersucht. In einem zweiten Ansatz wurde das globale Materialverhalten unter fusionsähnlichen Bedingungen durch ein phänomenologisches Modell beschrieben, welches die Schüttbetten als kontinuierliches Material betrachtet. Ziel ist die Entwicklung eines Materialgesetzes, das in eine Finite-Elemente-Simulation des Gesamtbauteils eingebunden werden kann. Das thermo-mechanische Materialverhalten wird dabei durch ein nichtlineares Elastizitätsgesetz abgebildet, welches ein modifiziertes Drucker-Prager-Cap Modell sowie eine dehnungsabhängige Wärmeleitfähigkeit beinhaltet. Die benötigten Materialparameter wurden aus vorhandenen experimentellen Ergebnissen abgeleitet. Dieses Vorgehen wurde anhand verschiedener Schüttbett-Varianten angewendet und für unterschiedliche Temperaturniveaus verifiziert. Darüber hinaus wurde das phänomenologische Modell in eine benutzerdefiniterte Materialroutine implementiert, um vollständig gekoppelte thermo-mechanische FE-Analysen durchführen zu können. Die Grenzfläche zwischen Granulat und Behälterwand wird durch ein Wärmeübergangsmodell dargestellt, welches die Wärmeleitung im Kontaktbereich bei unterschiedlichen Spannungen und Temperaturen berücksichtigt. In einer Vergleichsstudie wurden die Ergebnisse der Simulation auf Basis des phänomenologischen Modells mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass der vorliegende Modellierungsansatz für die thermo-mechanische Analyse eines Fusionsreaktorblankets geeignet ist. Abschließend wird gezeigt, dass die in der vorliegenden Dissertation entwickelten numerischen Methoden eine effiziente Analyse von HCPB-Blankets ermöglichen und somit ein wichtiges Werkzeug in Hinblick auf das Design derartiger Bauteile darstellen. Darüber hinaus liefert die vorliegende Arbeit die Grundlage, um weitere experimentelle Daten, wie z.B. zum Schwellen oder zur Degradation durch Bestrahlung in das vorhandene Materialmodell für Schüttbetten zu implementieren

Modeling of Thermoplastic Welding

Optimizing healing of welded thermoplastic material or matrix requires the understanding of physical mechanisms involved in welding processes, which are mainly surface rearrangement and surface approach, wetting of surfaces, macromolecular diffusion and even cocrystallization at interface of semi-crystalline polymers. Linear viscoelasticity (LVE) precisely reflects the distribution of relaxation times in a polymer and is therefore strongly correlated to the molecular structure, i.e. the molecular weight, molecular weight distribution and molecular architecture. Hence, LVE is a powerful tool, which provides fundamental insights about the link between dynamics and polymer structure. It is convenient to model the linear viscoelastic response of a polymer by rheological models. Continuous carbon fiber-reinforced tapes are used in the aircraft industry to build structural parts by welding them one to another to constitute the desired part. Among the different available welding techniques, ultrasonic welding is of particular interest because of its energy efficiency and rapidity