Electrochemical Properties of Pristine and Vanadium Doped LiFePO4 Nanocrystallized Glasses

In our recent papers, it was shown that the thermal nanocrystallization of glassy analogs of selected cathode materials led to a substantial increase in electrical conductivity. The advantage of this technique is the lack of carbon additive during synthesis. In this paper, the electrochemical performance of nanocrystalline LiFePO4 (LFP) and LiFe0.88V0.08PO4 (LFVP) cathode materials was studied and compared with commercially purchased high-performance LiFePO4 (C-LFP). The structure of the nanocrystalline materials was confirmed using X-ray diffractometry. The laboratory cells were tested at a wide variety of loads ranging from 0.1 to 3 C-rate. Their performance is discussed with reference to their microstructure and electrical conductivity. LFP exhibited a modest electrochemical performance, while the gravimetric capacity of LFVP reached ca. 100 mAh/g. This value is lower than the theoretical capacity, probably due to the residual glassy matrix in which the nanocrystallites are embedded, and thus does not play a significant role in the electrochemistry of the material. The relative capacity fade at high loads was, however, comparable to that of the commercially purchased high-performance LFP. Further optimization of the crystallites-to-matrix ratio could possibly result in further improvement of the electrochemical performance of nanocrystallized LFVP glasses.

Twinning-Induced Abnormal Strain Rate Sensitivity and Indentation Creep Behavior in Nanocrystalline Mg Alloy

Nanocrystalline materials exhibit many unique physical and chemical properties with respect to their coarse-grained counterparts due to the high volume fraction of grain boundaries. Research interests on nanocrystalline materials around the world have been lasting over the past decades. In this study, we explored the room temperature strain rate sensitivity and creep behavior of the nanocrystalline Mg–Gd–Y–Zr alloy by using a nanoindentation technique. Results showed that the hardness and creep displacements of the nanocrystalline Mg–Gd–Y–Zr alloy decreased with increasing loading strain rate. That is, the nanocrystalline Mg–Gd–Y–Zr alloy showed negative strain rate sensitivity and its creep behavior also exhibited negative rate dependence. It was revealed that the enhanced twinning activities at higher loading strain rates resulted in reduced hardness and creep displacements. The dominant creep mechanism of the nanocrystalline Mg–Gd–Y–Zr alloy is discussed based on a work-of-indentation theory in this paper.

Twinning-assisted dynamic adjustment of grain boundary mobility

Grain boundary (GB) plasticity dominates the mechanical behaviours of nanocrystalline materials. Under mechanical loading, GB configuration and its local deformation geometry change dynamically with the deformation; the dynamic variation of GB deformability, however, remains largely elusive, especially regarding its relation with the frequently-observed GB-associated deformation twins in nanocrystalline materials. Attention here is focused on the GB dynamics in metallic nanocrystals, by means of well-designed in situ nanomechanical testing integrated with molecular dynamics simulations. GBs with low mobility are found to dynamically adjust their configurations and local deformation geometries via crystallographic twinning, which instantly changes the GB dynamics and enhances the GB mobility. This self-adjust twin-assisted GB dynamics is found common in a wide range of face-centred cubic nanocrystalline metals under different deformation conditions. These findings enrich our understanding of GB-mediated plasticity, especially the dynamic behaviour of GBs, and bear practical implication for developing high performance nanocrystalline materials through interface engineering.

Mechanical Characterization of Nanocrystalline Materials via a Finite Element Nanoindentation Model

The difficulty of producing sufficient quantities of nanocrystalline materials for test specimens has led to an effort to explore alternative means for the mechanical characterization of small material volumes. In the present work, a numerical model simulating a nanoindentation test was developed using Abaqus software. In order to implement the model, the principal material properties were used. The numerical nanoindentation results were converted to stress–strain curves through an inverse algorithm in order to obtain the macroscopic mechanical properties. For the validation of the developed model, nanoindentation tests were carried out in accordance with the ISO 14577. The composition of 75% wt. tungsten and 25% wt. copper was investigated by producing two batches of specimens with a coarse-grain microstructure with an average grain size of 150 nm and a nanocrystalline microstructure with a grain diameter of 100 nm, respectively. The porosity of both batches was derived to range between 9% and 10% based on X-ray diffraction analyses. The experimental nanoidentation results in terms of load–displacement curves show a good agreement with the numerical nanoindentation results. The proposed numerical technique combined with the inverse algorithm predicts the material properties of a fully dense, nanocrystalline material with very good accuracy, but it shows an appreciable deviation with the corresponding compression results, leading to the finding that the porosity effect is a crucial parameter which needs to be taken into account in the multiscale numerical methodology.

Effect of nanoscale amorphization on dislocation emission from a semi-elliptical surface crack tip in nanocrystalline materials

An impact analysis model is built to describe the effect of nanoscale amorphization on dislocation emission from a surface semi-elliptical crack tip in nanocrystalline materials. The nanoscale amorphization is formed by the splitting transformation of grain boundary(GB)disclinations caused by the motion of GBs. The analytical solution of the model is obtained by using the complex method, and the influence of nanoscale amorphization, dislocation emission angle, crack length, and curvature radius of surface crack tip on the critical stress intensity factor (SIF) of the first dislocation emission is investigated through numerical analysis. The numerical analysis shows that the impact of nanoscale amorphization on the critical SIF corresponding to dislocation emission depends on the dislocation emission angle, the position and the size of the nanoscale amorphous, the curvature radius, and the length of surface crack. As the curvature radius of surface crack tip and the crack length increase, the normalized critical SIF increases. When the nanoscale amorphization size is small, it has a great impact on the critical SIF for dislocation, but when the size is relatively large, the effect becomes small. The effect of the increasing strength of the nanoscale amorphization on dislocation emission from the surface crack tip is related to the distance between the nanoscale amorphization and the crack tip, and there is a critical crack-junction for which the increase of dislocation strength has little effect on dislocation emission.

Zinc Oxide Nanoparticles Synthesis Methods and its Effect on Morphology: A Review

Zinc oxide is an important material with numerous applications due to its unique properties. Due to their thermal and chemical stability are used in wide applications such as LEDs, sensors, catalysts, and photodetectors. Different chemical, physical, and biological methods have been adopted to achieve the intended result, as enumerated in many pieces of literature. Therefore, selecting an efficient synthesis process is essential, which is a key factor that significantly influences the efficacy of the synthesized nanocrystalline materials. The chemical synthesis of nanoparticles (NPs) via hydrothermal, solvothermal, and sol-gel routes is considered effective as high-quality crystalline structures are produced. Control of parameters of processes yields excellent morphological features of the synthesized samples. This review explored the different parameters of processes and their effect on the morphology of ZnO nanostructures via hydrothermal, solvothermal, and sol-gel techniques. Finally, some ZnO nanocomposites molecules are reviewed as per the dopant used and its effect on the sample compound synthesized.

Numerical simulation and experimental verification of the mechanical behavior of nanocrystalline materials under nanoindentation and compression uniaxial loading

Τα νανοκρυσταλλικά υλικά (ΝΚ) έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον τα τελευταία είκοσι χρόνια λόγω των επιθυμητών ιδιοτήτων τους. Ένα από τα πιο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των νανοκρυσταλλικών υλικών είναι η μηχανική τους απόκριση. Είναι γενικά γνωστό ότι, σε σύγκριση με τα μικροκρυσταλλικά υλικά, τα νανοκρυσταλλικά υλικά παρουσιάζουν βελτιωμένες τιμές όσον αφορά το όριο διαρροής, την αντοχή σε εφελκυσμό (UTS) και την σκληρότητας. Από την άλλη μεριά, η πλαστική παραμόρφωση και η δυσθραυστότητα παρουσιάζουν μειωμένες τιμές. Ωστόσο, το ζήτημα του προσδιορισμού και της πρόβλεψης της μηχανικής συμπεριφοράς των ΝΚ υλικών εξακολουθεί να είναι δύσκολο, παρόλο που έχουν γίνει πολλές υπολογιστικές προσπάθειες ανάπτυξης μοντέλων και τεχνολογική πρόοδος με στόχο την μαζική παραγωγή τέτοιων υλικών. Προσδιορίζοντας τις δυσκολίες και τα υπόλοιπα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν, στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκε η μηχανική συμπεριφορά καινοτόμων πορωδών διφασικών νανοκρυσταλλικών υλικών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, γνωρίζοντας ότι τα προαναφερθέντα υλικά επηρεάζονται από ατέλειες (πόροι που βρίσκονται κυρίως στην περιοχή των ορίων των κόκκων) λόγω της διαδικασίας παραγωγής και της επίδρασής τους στη συνολική μηχανική απόκριση, αναπτύχθηκε μια αριθμητική μεθοδολογία πολλαπλών κλιμάκων για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς πορώδων νανοκρυσταλλικών υλικών που αποτελείται από τρία επίπεδα προσομοίωσης. Στο πρώτο επίπεδο προσομοίωσης, θεωρήθηκε ότι το νανοκρυσταλλικό υλικό δεν έχει καμία ατέλεια (πόρους) ώστε να διερευνηθεί η συμπεριφορά θλίψης των ιδανικών νανοκρυσταλλικών κραμάτων πλήρους πυκνότητας. Στο δεύτερο επίπεδο προσομοίωσης, ένα πορώδες αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου έχει μοντελοποιηθεί και θεωρείται ότι οι πόροι κατανέμονται τυχαία στην φάση των ορίων του κόκκου και δεν συσσωματώνονται. Το κλάσμα όγκου των κραματικών στοιχείων και των ορίων των κόκκων τους, καθώς και η πυκνότητα και το μέγεθος των τυχαία κατανεμημένων πόρων έχει αναπτυχθεί μέσω της αριθμητικής μεθόδου. Οι παραπάνω παράμετροι του μοντέλου (μέγεθος κόκκων και πόρων, κλάσματα όγκου κόκκων και πόρων) έχουν βαθμονομηθεί και επικυρωθεί μέσω μετρήσεων της μικροδομής (SEM, TEM και XRD αναλύσεις). Η μεθοδολογία έχει εφαρμοστεί για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε θλίψη των νανοκρυσταλλικών υλικών που περιέχουν εκτεταμένο πορώδες. Στο τρίτο επίπεδο προσομοίωσης, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο νανοδιείσδυσης. Το αριθμητικό μοντέλο, σε συνδυασμό με μια αντίστροφη ανάλυση δεδομένων, επιτρέπει τη δημιουργία της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης του υλικού στη βάση των αποτελεσμάτων της δοκιμής νανοδιείσδυσης. Όσον αφορά τα νανοκρυσταλλικά υλικά, πραγματοποιήθηκαν μηχανικές δοκιμές και πιο συγκεκριμένα, δοκιμές θλίψης, σκληρότητας και νανοδιείσδυσης σύμφωνα με τα πρότυπα ISO και ASTM. Για την προαναφερθείσα σειρά μηχανικών δοκιμών, 4 διαφορετικές κραματικές σειρές έχουν διερευνηθεί στην παρούσα διδακτορική διατριβή και παρατίθενται παρακάτω: • Χονδρόκοκκο κράμα Βολφραμίου-Χαλκού (cW-Cu) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Βολφραμίου-Χαλκού (W-Cu) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Βολφραμίου-Αλουμινίου (W-Al) • Νανοκρυσταλλικό κράμα Τιτανίου-Αλουμινίου (Ti-Al) Όσον αφορά τα νανοκρυσταλλικά δείγματα Βολφραμίου-Χαλκού, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική βελτίωση του ορίου διαρροής συγκριτικά με τα αντίστοιχα μικροκρυσταλλικά υλικά, αλλά το Μέτρο Ελαστικότητας υποβαθμίστηκε λόγω της εκτεταμένης ύπαρξης πορώδους. Επιπλέον, οι άλλες δύο παρτίδες νανοκρυσταλλικών υλικών (Βολφραμίου-Αλουμινίου και Τιτανίου-Αλουμινίου) έχουν αξιολογηθεί με τα αντίστοιχα μικροκρυσταλλικά κράματα συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους με αυτά της βιβλιογραφίας. Και πάλι, τα νανοκρυσταλλικά δείγματα W-Al και Ti-Al παρουσίασαν παρόμοια συμπεριφορά σε σύγκριση με τα νανοκρυσταλλικά δείγματα W-Cu ακολουθώντας το φαινόμενο Hall-Petch που είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός στα νανοκρυσταλλικά υλικά. Τα αριθμητικά αποτελέσματα, όσον αφορά τις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης και οι μηχανικές ιδιότητες (Μέτρο Ελαστικότητας και όριο διαρροής), συσχετίζονται καλά με τα πειραματικά αποτελέσματα. Τόσο το μοντέλο όσο και οι δοκιμές αποκαλύπτουν ότι οι πόροι υποβαθμίζουν την θλιπτική συμπεριφορά των νανοκρυσταλλικών υλικών. Πιο συγκεκριμένα, καθώς το κλάσμα όγκου των πόρων αυξάνεται, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση του Μέτρου Ελαστικότητας. Από την άλλη πλευρά, το όριο διαρροής ακολουθεί το φαινόμενο Hall-Petch, καθώς όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των κόκκων τόσο μεγαλύτερο είναι το όριο διαρροής. Το πορώδες φαίνεται να έχει μικρή επίδραση στο όριο διαρροής. Η αριθμητική μεθοδολογία που ακολουθείται σε αυτό το επίπεδο προσομοίωσης είναι πιο ρεαλιστική βάσει της μικροδομής των παραγόμενων δειγμάτων και τα αριθμητικά της αποτελέσματα ταιριάζουν καλά σε σύγκριση με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα λόγω του γεγονότος ότι λαμβάνει υπόψη την επίδραση του πορώδους στη συνολική μηχανική απόκριση. Η προτεινόμενη αριθμητική μεθοδολογία πολλαπλών κλιμάκων μπορεί να θεωρηθεί ως μια συνεισφορά προς την ανάπτυξη ενός αριθμητικού μοντέλου για τη διερεύνηση της μηχανικής απόκρισης των πολυφασικών πορωδών νανο-κρυσταλλικών υλικών μεταβάλλοντας το κλάσμα όγκου των κραματικών στοιχείων, το κλάσμα όγκου των τυχαία κατανεμημένων πόρων και το μέγεθός τους και μπορεί να εξυπηρετήσει ως βάση για την ανάπτυξη μακροσκοπικών μοντέλων που θα εφαρμοστούν στον έλεγχο ποιότητας των συστημάτων μαζικής παραγωγής των προαναφερθέντων υλικών. Επίσης αποκαλύπτει την προοπτική για μια εκτεταμένη χρήση νανοκρυσταλλικών υλικών στην αεροναυτική και την αεροδιαστημική βιομηχανία στο εγγύς μέλλον.