Die Autoren bedanken sich bei Tim Krantz vom NASA Glenn und Duane Detwiler von Honda R &amp; D für ihre technische Unterstützung und Sachleistungen anzuerkennen. Finanzielle Unterstützung für diese Forschung wurde von den Mitgliedsorganisationen des Smart Fahrzeugkonzepte Center (www.SmartVehicleCenter.org) vorgesehen ist, ein National Science Foundation Industrie / Universität Cooperative Research Center (I / UCRC). SD wird durch eine intelligente Fahrzeugkonzepte Graduate Fellowship und eine Universität Stipendium von der Ohio State University Graduate School unterstützt.

1. Entwicklung der modifizierten Tribometer <ol><li> Installieren chuck-Motor-Subsystem. <ol><li> Stufe Schwingungsisolation Tisch. Platzieren Gleichstrommotor auf dem Tisch; Ebene den Motor mit Ausgleichsscheiben anbringen und mit Streben und Bolzen. Platzieren Stützrahmen den Motor umgibt. </li><li> Verbinden Keilwelle mit der Motorwelle mit Hilfe eines Schlüssels. Setzen Trägerplatte auf dem Rahmen mit der Keilwelle durch das Loch in der Platte gehen. Set Drucknadelrollenlager auf der Tragplatte und in der Nähe der Keilwelle. Schmieren Sie die Lager mit Kühlschmierstoffen. </li><li> Schließen Sie die Keilwelle, um das Spannfutter durch eine Adapterplatte, die eine Keilwellenkupplung auf der einen Seite und des Futters Lochkreis auf der anderen Seite hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Spannfutter von dem Rahmen durch das Drucklager abgestützt und mit dem Motor über der Adapterplatte verbunden ist. </li></ol></li><li> Installieren Sie die gymbal Montage. <ol><li> Erstellen Sie den Tragrahmen mit U-Profil Streben, Halterungen undSchrauben. Verwenden Sie vier langen Streben als Säulen, und verwenden Sie drei kürzeren als Querbalken. </li><li> Sichern Sie sich die vier Säulen auf die Schwingungsisolierung Tabelle mit Klammern und Schrauben. Schließen Sie das gymbal Montage bis zur Mitte Querträger mit Schrauben und Muttern. </li><li> Installieren Sie eine horizontal ausgerichtete Wägezelle im gymbal Montage; starr zu verbinden eine Seite der Wägezelle an die gymbal Versammlung Rahmen, während Anschluss der anderen Seite mit dem gymbal Arm mit einem Draht. </li></ol></li><li> Montieren Sie den piezoelektrischen Aktor. <ol><li> Einsatz 3 in lange, voll Gewindestange durch die Bohrung des piezoelektrischen Stapels; legte eine Unterlegscheibe und eine Mutter, die an jedem Ende des Stapels; lassen Sie etwa 1/8 in der Faden von dem Ende einer Mutter vorsteht. </li><li> Ziehen Sie die Muttern an beiden Enden, um eine Vorspannung in dem Stapel zu erstellen. Schließen Sie die langen, freiliegende Gewinde an den gymbal Arm mit Muttern und Unterlegscheiben. Faden Hutmutter auf das andere Ende des Piezo-Aktors und Einsatzscheibe in der Spannvorrichtung (diese Hutmutterund Disc für Set-up Zwecken verwendet werden, nicht zum Testen). </li><li> Stellen Sie die Höhe des gymbal Montage, so dass die Hutmutter ist in Kontakt mit der Oberseite der Scheibe und der gymbal Arm waagerecht steht. </li><li> Stellen Sie die Position des gymbal Montage, so dass der Kontaktpunkt zwischen der Hutmutter und Disc ist etwa 25 mm entfernt von dem Drehzentrum der Scheibe. Alle Schrauben im Set-up, um die Stabilität zu gewährleisten. </li></ol></li><li> Einrichten Signalerzeugung, Signalverstärkung, und Datenerfassungssysteme. <ol><li> Verbinden Datenerfassungssystem zu einem Labor-Computer. Den Ausgang des Signalgenerators mit dem Eingang eines elektrischen Verstärkers. Verbinden Sie den Verstärkerausgang mit den Eingangsleitungen des piezoelektrischen Stapels. Schließen Sie den Verstärker-Monitore an die Datenerfassungssystem. </li><li> Schließen Sie die Lastzelle mit einer Signalanlage, und verbinden Sie dann den Ausgang der Signalanlage an das Datenerfassungssystem. </li></ol></li><li> Zusätzliche Set-up.<ol><li> Verbinden Sie Luftschlauch zum Einkaufen Luft. Fixierung des Endes des Schlauches mit dem Rahmen, so dass ihre Austrittsstellen am Piezoaktor. Kleben Sie die Spitze des Thermoelements an den Piezo-Aktor. Schließen Sie die Thermoelement-Leitungen für den Leser; hängen Sie den Leser auf dem Rahmen. </li></ol></li></ol> 2. Pre-Test-Vorbereitung <ol><li> Kalibrieren der Drehzahl des Motors. <ol><li> Befestigen Magneten an dem Rand des Futters. Platz Hall-Effekt-Sonde in der Nähe des Spannfutters. Den Ausgang des Hall-Effekt-Sonde Gauss daß mit dem Datenerfassungssystem verbunden ist. </li><li> Öffnen Sie die Datenerfassungssoftware und starten Sie die Datenerfassung. Einschalten des Motors; Drehen Sie den Fahrregler der Motorsteuerung 10 (die niedrigste Drehzahl der Motor bietet). Nachdem der Motor dreht sich für 10 Umdrehungen, schalten Sie den Motor ab. End-Datenerfassung. </li><li> Analysieren Sie die gespeicherten Daten; die Zeit zwischen zwei Spitzen des Ausgangssignals von der Gaussmeter ist die Zeit für den Motor zu verrottenaßen eine volle Umdrehung. </li><li> Drehen Sie den Knopf von 10 bis 100 (die höchste Drehzahl des Motors stellt) in Schritten von 10; wiederholen Sie die Schritte 2.1.2 bis 2.1.3. </li></ol></li><li> Zeigen Lastsensor Polster zwischen der Hutmutter und der Scheibe, um die Normalkraft an der Grenzfläche zu messen. Fein Maschine die Oberfläche der Testplatten mit einer Drehbank. </li><li> Reinigen Sie die Hutmutter und Disc unmittelbar vor Prüfung unterzogen werden. <ol><li> Setzen Sie auf Plastikhandschuhe und Gesichts mask.Prepare Stücke von Laborwischtücher; falten Sie sie in 1-Zoll-Quadrate. Spray Ethanol auf die Gewebequadrate; wischen Sie die Oberfläche der Hutmutter und Disc mit ihnen. </li></ol></li><li> Installieren Sie die saubere Hutmutter und Scheibe. <ol><li> Schrauben Sie die Hutmutter auf den Piezo-Aktor, ziehen Sie sie mit einem Gabelschlüssel. Legen Sie die Disc in das Spannfutter; passen Sie die Position um sicherzustellen, dass die Spitze des Hutmutter in Kontakt mit der Plattenoberfläche. </li><li> Richten Sie die obere Oberfläche der Scheibe und dem gymbal Arm. Ziehen Sie das Spannfutter sodass die Scheibe festgehalten wird. </li></ol></li><li> Messung der Unrundheit der Scheibenrotation. <ol><li> Installieren Laser-Wegmessung in einer Halterung, und legen Sie die Halterung neben dem Tribometer. Die Höhe und den Winkel des Sensors so, daß die Platte innerhalb des Sensorbereichs und der Laserstrahl senkrecht zu der Scheibe. </li><li> Verbinden den Ausgang des Sensors mit dem Datenerfassungssystem. Starten Sie die Datenerfassung. Schalten Sie den Motor und drehen Sie die Disk auf 10 Umdrehungen; Ausschalten des Motors. End-Datenerfassung. </li></ol></li></ol> 3. Führen Sie Testing <ol><li> Tests mit Ultraschallschwingungen. <ol><li> Hang 2 N Gewicht auf der einen Haken, der an die gymbal Arm durch Draht und zwei Riemenscheiben verbindet. Das Gewicht wird verwendet, um eine Normalkraft zwischen der Hutmutter und der Scheibe an. </li><li> Hängen weitere 2 N Gewicht auf der anderen Haken, der an den gymbal Arm verbindet, um eine horizontale Vorspannung auf die Lastzelle ist. </li><li> Stellen Sie die SignalGenerator, um eine kontinuierliche Sinussignal mit DC liefern Offset von 3 V, die Amplitude von 3 V und einer Frequenz von 22 kHz (die Eigenfrequenz des Piezo-Aktors). Man beachte, dass die 3 V-Offset wird dazu verwendet, die Spannung in dem Piezoaktor zu verhindern. </li><li> Starten Sie die Datenerfassung (reduzierte Reibungskraft). Schalten Sie den Verstärker und drehen Sie den Gain-Regler bis 15, die auf einen tatsächlichen Gewinn von 4,67 (die Zahlen auf der Gain-Regler sind willkürlich) entspricht. </li><li> Einschalten des Motors; Set der Drehgeschwindigkeit auf 6,67 rpm, um eine Lineargeschwindigkeit von 20,3 mm / s bereitzustellen. Führen Sie den Test für 4 Stunden. </li><li> Schalten Sie den Motor und Regler, und beenden Sie dann die Datenerfassung. Entfernen Sie die getesteten Hutmutter und Disc aus dem Set-up; Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2,5, um neue Hutmutter und CD installieren. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1 bis 3.1.6. In Schritt 3.1.5, setzen die Drehzahl 13,3 min und 28,7 min, um eine lineare Geschwindigkeit von 40,6 mm / sec und 87 mm / sec, jeweils bereitzustellen; führen Sie die Tests für 2 und 0,94 h entsprondingly. </li></ol></li><li> Tests ohne Ultraschallschwingungen. <ol><li> Wiederholen Sie Schritt 3.1.6 zu Hutmuttern und Scheiben zu ändern. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1 mit dem Signalgenerator und Signalverstärker aus (die Reibung gemessene Eigenreibung) 3.1.6. </li></ol></li></ol> 4. Optische Profilometer-Messungen <ol><li> Messvorbereitung <ol><li> Die Scheiben reinigen unmittelbar vor Messungen mit Schritt 2.3. Stellen acht gleichmäßig verteilte Markierungen um die Kante der Scheibe. Öffnen Sie das Profilometer Software. </li><li> Heben Sie die Linse, so dass ein ausreichender Abstand zwischen der Linse und Probenplattform. Richten Sie die Probenplattform. Legen Sie ein Stück Laborwischtuch auf der Plattform. </li><li> Platzieren Sie leicht die Probe auf der Oberseite des Gewebes mit einer der acht Marken mit Blick auf den vor dem Profilometer. </li></ol></li><li> Messeinstellungen. <ol><li> Wählen VSI (Vertical-Scanning Interferometry) als den Verarbeitungstyp. Wählen 5X Objektiv fürgroßes Sehfeld und Gesamtform. Wählen 0.55X Vergrößerung für einen Scanbereich von 1,8 mm bis 2,4 mm. </li><li> Wählen 1X Scan-Geschwindigkeit. Set Scanbereich bis -100 m bis 100 m. Bringen die Linse nach unten in Richtung auf die Probe, bis ein verschwommenes Bild auf dem Bildschirm. Stellen Sie die Höhe der Linse, bis das Bild klar ist. </li><li> Wählen 2 als die Anzahl von Abtastungen für jede Messung Durchschnitt. Klicken Sie auf die Messtaste. </li></ol></li><li> Post-Messverfahren. <ol><li> Verwenden Sie die Vision Rezept, das in der Software, um die rohen Bild zur Neigung der gesamten Probe zu korrigieren definiert. Öffnen Sie die Analyse-Toolbox in der Software. </li><li> Besorgen Sie sich die gemessenen Rauheitswerte aus der &quot;Grund Stats&quot; Einzelteil. Besorgen Sie sich die gemessene Volumenverlust der Verschleißnarbe im Scan-Bereich aus dem &quot;Volume&quot; aus. </li><li> Speichern der Bilder der 1D Profile in der x- und y-Richtungen, die 2D-Profil, das 3D-Profil, als auch die Tabelle der Rauhigkeitswerte. Drehen Sie die Probe im Uhrzeigersinn, bis the nächste Marke steht vor der Vorderseite der Profilometer. </li></ol></li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,2-4,3 für die restlichen 7 Mark. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.1. bis 4.4 auf allen sechs Discs. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Experimente wurden unter Verwendung dieses Protokolls, um die Wirkung der linearen Geschwindigkeit auf Ultraschall Reibungs- und Verschleißreduzierung Studie durchgeführt. Die Messungen zeigen, dass Ultraschallschwingungen effektiv Reibung und Verschleiß an drei Lineargeschwindigkeiten. Im Einklang mit früheren Beobachtungen, die Höhe der Reibungsminderung nimmt von 62,2% auf 20,3 mm / s bis 29,3% bei 87 mm / sec. Verschleißminderung ist vernachlässigbar mit wechselnden linearen Geschwindigkeit (45,8% auf 48,6%)....

Reibung existiert an der Grenzfläche von zwei sich berührenden Oberflächen, wenn sie Walze relativ zueinander gleiten oder. Reibung tritt in der Regel zusammen mit abrasiven oder adhäsiven Verschleiß. 1 Ultrasonics ist die Wissenschaft hinter der Hochfrequenz-Phänomene, das heißt, Wellen bei Frequenzen oberhalb der akustischen Bereich (20 kHz). Das Feld von Ultraschall umfasst zwei grundsätzlich verschiedene Regimes. Ein Regime beinhaltet geringer Intensität Wellen, wie sie in bildgebenden Verfahren wie der medizinischen Ultraschall oder zerstörungsfreien Prüfung von Strukturen genutzt. Das andere ist eine Hochleistungsregelung in dem Hochenergie-Wellen werden verwendet, um durchzuführen oder zu unterstützen Engineering Verfahren wie Schweißen von Kunststoffen und Metallen. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung der letzteren Art von Ultraschallvibrationen an der Schnittstelle von zwei Oberflächen in Gleitkontakt verringert die effektive Reibungskraft an der Grenzfläche. Dieses Phänomen wird als Ultraschallschmierung bekannt. ErreichenUltraschall Schmierung zwischen zwei Schiebe Objekten, muss relativ Schwingung bei Ultraschallfrequenzen zwischen ihnen hergestellt werden. Vibrationen werden typischerweise an einem der beiden Objekte angewendet, entweder in der Längs-, Quer- oder senkrechten Richtung relativ zu der Gleitgeschwindigkeit. In dieser Studie wird ein Tribometer Stift mit einem piezoelektrischen Aktuator angebracht, so dass seine Spitze schwingt in der Richtung senkrecht zu der Tribometer der rotierenden Scheibe. Piezoelektrische Materialien sind eine Klasse von &quot;intelligenten&quot; Materialien, die, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt ist, schwingt mit derselben Frequenz wie das Anregungsfeld zu deformieren. Piezoelektrische Materialien können bei Frequenzen bis in den MHz-Bereich zu vibrieren. Wobei auf die makroskopische Geschwindigkeit überlagert ist, haben Ultraschallschwingungen die Wirkung der abwechselnd die Richtung des momentanen Reibungskraft und der Kontakt zwischen den Oberflächen, die in Kombination führt zu einer Reduzierung des effektiven Reibungskraft und Verschleiß. </p&gt; Ultraschall Reibungsreduzierung hat in der praktischen Fertigungssystemen nachgewiesen. Beispielsweise wurde diese Technologie verwendet, um die Kraft zwischen Werkzeug und Werkstück in der Metallbearbeitung und Bildungsprozesse wie Bohren, Pressen, Blechwalz und Drahtziehen zu verringern. Vorteile sind die verbesserte Oberflächenqualität 2 und einen reduzierten Bedarf an teuren und umweltbelastenden Reinigungsmitteln Schmierstoffe aus dem Endprodukt zu entfernen. Es potenzielle Anwendungen von Ultraschall Schmierung in anderen Bereichen. Beispielsweise können Ultraschallschmier wesentlichen die Benutzererfahrung in Körperpflege-Produkte zu verbessern, indem die Notwendigkeit für Schmiermittel oder Beschichtungen. In Automobilanwendungen, kann die Reibung Modulation die Leistung der Kugelgelenke Verbesserung der Erwägung, dass Reibungsminderung zwischen Fahrzeugsitze und Schienen ermöglicht die Sitzbewegung, spart Platz und Masse, die sonst von der traditionellen Komponenten und mechani besetzt werden würdeSMS. Ultraschall-Schmierung kann auch helfen, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, indem die Reibungsminimierung im Antriebsstrang und Federungssysteme. 3 in Raumfahrtanwendungen, in denen traditionelle Schmierstoffe kann nicht verwendet werden, können Ultraschallschmierung eingesetzt werden, um den Verschleiß zu reduzieren und dramatisch verlängern die Lebensdauer kritischer Komponenten. Labordemonstrationen Reibungsreduktion durch Ultraschall-Schmierung sind zahlreich. Reibungsverringerung wird als die Differenz zwischen der Reibungskraft, gemessen ohne Ultraschall Schmierung und die Reibungskraft, mit Ultraschallschwingungen angewendet quantifiziert. In jedem Fall wird die Reibungskraft direkt mit der Kraftsensoren gemessen. Littmann et al. 4-5 verbunden ist ein piezoelektrisch angetriebenen Stellantrieb mit einem Schieber, auf dem ein Kraftsensor und einen Rahmen für die Messung wurden die Reibungskräfte und die Anwendung normalen Belastungen installiert. Ein pneumatisches Stellglied verwendet wurde, um den Schieber zusammen mit dem Stellglied entlang einer Führungsschiene zu drücken. Ultrasonic Schwingungen in der Richtung längs zur Gleitgeschwindigkeit aufgetragen. Bharadwaj und Dapino 6-7 geführt ähnliche Experimente unter Verwendung eines piezoelektrischen Stapels Antrieb in einer konischen Wellenleiters an jedem Ende des Stapels verbunden. Kontakte zwischen den sphärischen Kanten der Zapfen und der Oberfläche der Führungsschiene. Die Wirkungen der Systemparameter, wie Kontaktsteifigkeit normaler Last und globale Steifigkeit untersucht. Kumar und Hutchings 8 installiert auf einer Sonotrode, die durch einen Ultraschallwandler mit Energie versorgt wurde ein Stift. Ultraschallschwingungen wurden erzeugt und dem Stift, der in Kontakt mit einer Werkzeugstahloberfläche platziert wurde übertragen. Normalkraft durch einen pneumatischen Zylinder aufgebracht und durch eine Meßdose gemessen wird. Die Relativbewegung zwischen dem Stift und der Scheibe wurde durch eine Hin- Tabelle erstellt. Pohlman und Lehfeldt 9 auch einen Pin-on-Disc-Experiment durchgeführt. Im Gegensatz zu anderen Studien eine magnetostrict beschäftigte sieive Wandler, um Ultraschallschwingungen zu erzeugen. Die optimale Richtung für die Ultraschallreibungsreduzierung zu untersuchen, wurde der Wandler sorgfältig ausgerichtet, so dass die Schwingungsrichtung betrug längs, quer und vertikal zur makroskopischen Geschwindigkeit. Sie untersuchten Ultraschall Reibungsreduzierung auf trockenen und geschmierten Oberflächen. Popov et al. 10 verwendet ein Stellglied mit konischen Wellenleitern. Das Stellglied in Kontakt mit einer rotierenden Grundplatte platziert. Cones von neun Materialien mit verschiedenen Härtegraden für die Annahme, den Einfluss der Materialhärte auf Ultraschall Reibungsreduzierung zu studieren. Dong und Dapino 11-13 verwendet einen piezoelektrischen Wandler zum Erzeugen und Übertragen von Ultraschallschwingungen auf einen prismatischen Hohlleiter mit abgerundeten Kanten. Die Längsschwingung verursacht vertikalen Vibrationen durch Poisson-Effekt. Ein Schieberegler mit einer gekrümmten oberen wurde unter und bei Berührung des Wellenleiters platziert. Es wurde ein Rahmen gebaut, um Normalkräfte an der Kontaktfläche an. Ter Schieber wurde manuell um den Mittelbereich des Wellenleiters gezogen wird; die Reibungskraft durch eine Lastzelle, die mit dem Gleitstück verbunden ist, wurde gemessen. Ultraschallinduzierte Verschleißminderung wurde ebenfalls untersucht und demonstriert. Volumenverlust, Gewichtsverlust, und die Oberflächenrauhigkeit Änderungen werden eingesetzt, um die Schwere der wear.Chowdhury quantifizieren und Helali 14 vibriert eine rotierende Scheibe in einem Stift-Scheibe-Setup. Die Schwingungen wurden durch eine Stützstruktur aus zwei parallelen Platten unter der rotierenden Scheibe befindet, erzeugt wird. Die obere Platte hat eine sphärische Kugel außermittig an der Bodenoberfläche installiert ist, der in einem Schlitz, die an der oberen Oberfläche der Bodenplatte graviert wurde gleitet. Der Schlitz wurde mit periodisch variabler Tiefe maschinell bearbeitet, so dass die obere Platte während der Drehung bewegt sich vertikal. Die Frequenzen lag um 100 Hz entsprechend der Drehgeschwindigkeit. Bryant und York 15-16 suchten die Wirkung von Mikrovibrationen auf wOhrreduktion. Sie eingefügt eine Kohlenstoffzylinder durch einen Halter mit einem Ende ruhte auf einer Spinnstahlscheibe und das andere Ende an einer Schraubenfeder verbunden ist. In einem Fall wurde der Zylinder eng in den Halter eingepaßt, so daß es keinen Platz für Vibrationen. In anderen Fällen wurden die Zwischenräume gelassen Mikrovibrationen des Zylinders zu ermöglichen, während der Zylinder in Kontakt mit der sich drehenden Scheibe. Der Gewichtsverlust des Zylinders gemessen, um die Verschleißrate zu berechnen. Es wurde gezeigt, dass die selbst erzeugte Mikrovibrationen half Verschleißminderung bis zu 50%. Goto und Ashida 17-18 nahm ferner einen Pin-on-Disc-Experiments. Sie verbanden Stift Proben mit einem Wandler über einen sich verjüngenden Konus und einem Horn. Der Stift vibriert in der Richtung senkrecht zu der Plattenoberfläche. Eine Masse wurde an seiner Oberseite zum Anlegen normalen Belastungen an den Wandler angeschlossen ist. Reibungskräfte wurden aus dem Drehmoment, das aufgebracht wurde, um die Scheibe zu drehen rechnet. Tragen Sie wurde als Klebstoff, da sowohl identifiziertStift und Scheibe wurden aus Kohlenstoffstahl. Verschleißraten wurden von Volumenverlust Messungen berechnet. Es wurde gezeigt, daß eine lineare Geschwindigkeit eine wichtige Rolle bei der Ultraschall Schmierung spielt. Die experimentelle Komponente dieser Forschung konzentriert sich auf die Abhängigkeit der Reibung und Verschleißminderung auf lineare Geschwindigkeit.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>DC Motor&#160;</td>
			<td>Minarik&#160;</td>
			<td>SL14</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical amplifier</td>
			<td>AE Techron</td>
			<td>LVC5050</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal conditioner&#160;</td>
			<td>Vishay Measurements Group</td>
			<td>2310</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal generator</td>
			<td>Agilent&#160;</td>
			<td>33120A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piezoelectric stack</td>
			<td>EDO corporation</td>
			<td>EP200-62</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load cell</td>
			<td>Transducer Techniques</td>
			<td>MLP-50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load sensor pad</td>
			<td>FlexiForce</td>
			<td>A201</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser meter</td>
			<td>Keyence corporation&#160;</td>
			<td>LK-G32</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hall-effect probe and gaussmeter</td>
			<td>Walker Scientific, Inc.</td>
			<td>MG-4D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition module</td>
			<td>Data Physics</td>
			<td>Quattro</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition software</td>
			<td>Data Physics</td>
			<td>SignalCalc Ace</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouple reader</td>
			<td>Omega</td>
			<td>HH22</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical profilometer</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Contour GT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Profilometer operation software</td>
			<td>Bruker&#160;</td>
			<td>Vision 64</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experiments on ultrasonic lubrication using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer

Reibung und Verschleiß sind schädlich für technische Systeme. Ultraschall Schmierung wird erreicht, wenn die Grenzfläche zwischen beiden Gleitflächen mit einer Frequenz über dem akustischen Bereich (20 kHz) in Schwingung versetzt. Als Festkörper-Technologie können Ultraschall Schmierung verwendet werden, wo herkömmliche Schmierstoffe sind nicht machbar oder unerwünscht. Ferner ermöglicht die elektrische Modulation des effektiven Reibungskoeffizienten zwischen beiden Gleitflächen Ultraschall Schmierung. Diese Eigenschaft ermöglicht adaptive Systeme, die ihre Reibungszustand und die damit verbundenen Dynamik als Betriebsbedingungen ändern ändern. Oberflächenverschleiß kann auch durch Ultraschall Schmierung verringert werden. Wir entwickelten ein Protokoll, um die Abhängigkeit der Reibungskraft Reduktion zu untersuchen und Verschleißreduzierung auf der linearen Gleitgeschwindigkeit zwischen Ultraschall geschmierten Oberflächen. Ein Stift-Scheibe-Tribometer wurde gebaut, die von Gewerbeeinheiten unterscheidet, dass ein Piezostapel wird verwendet, um den Stift 22 zu vibrierenkHz normal zu der rotierenden Plattenoberfläche. 20,3, 40,6 und 87 mm / sec: Reibung und Verschleiß Metriken einschließlich wirksamer Reibungskraft, den Volumenverlust und die Oberflächenrauhigkeit sind ohne und mit Ultraschallschwingungen auf einem konstanten Druck von 1 bis 4 MPa und drei unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten gemessen. Ein optisches Profilometer verwendet, um die Verschleißoberflächen zu charakterisieren. Die effektive Reibungskraft um 62% auf 20,3 mm / s reduziert. Im Einklang mit bestehenden Theorien zur Ultraschall-Schmierung, die prozentuale Verringerung der Reibungskraft verringert sich mit zunehmender Geschwindigkeit, bis zu 29% Reibungskraft Reduktion bei 87 mm / sec. Verschleißminderung im wesentlichen konstant bleibt (49%) bei den drei Geschwindigkeiten berücksichtigt.

Die repräsentativen hier vorgestellten Messungen wurden von dem modifizierten Tribometer in Figur 1 gezeigt ist, erhalten. Der piezoelektrische Aktuator erzeugt Schwingungen mit einer Amplitude von 2,5 um bei einer Frequenz von 22 kHz. Um die Abhängigkeit der Reibung studieren und Verschleißminderung von der Lineargeschwindigkeit, wurden mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten (20.3, 40.6 und 87 mm / sec) auf der Scheibe durch Änderung der Drehzahl des Motors aufgetragen. Für alle drei Gruppen wur...

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Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

experiments-on-ultrasonic-lubrication-using-piezoelectrically

Research

JoVE Journal

Engineering

12.5K Aufrufe.  The Ohio State University. We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties. 

Serie: Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Optical Trapping von Nanopartikeln

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. From the measured surface, 3D topographic maps can be subsequently analyzed using a variety of software packages to extract the information that is needed.
In this article we describe how white light interferometry, and optical profilometry (OP) in general, combined with generic surface analysis software, can be used for materials science and engineering tasks. In this article, a number of applications of white light interferometry for investigation of surface modifications in mass spectrometry, and wear phenomena in tribology and lubrication are demonstrated. We characterize the products of the interaction of semiconductors and metals with energetic ions (sputtering), and laser irradiation (ablation), as well as ex situ measurements of wear of tribological test specimens.
Specifically, we will discuss:
<ol class="lroman">
	<li>Aspects of traditional ion sputtering-based mass spectrometry such as sputtering rates/yields measurements on Si and Cu and subsequent time-to-depth conversion.</li>
	<li>Results of quantitative characterization of the interaction of femtosecond laser irradiation with a semiconductor surface. These results are important for applications such as ablation mass spectrometry, where the quantities of evaporated material can be studied and controlled via pulse duration and energy per pulse. Thus, by determining the crater geometry one can define depth and lateral resolution versus experimental setup conditions.</li>
	<li>Measurements of surface roughness parameters in two dimensions, and quantitative measurements of the surface wear that occur as a result of friction and wear tests.</li>
</ol>
Some inherent drawbacks, possible artifacts, and uncertainty assessments of the white light interferometry approach will be discussed and explained.

White light microscope interferometry is an optical, noncontact and quick method for measuring the topography of surfaces. It is shown how the method can be applied toward mechanical wear analysis, where wear scars on tribological test samples are analyzed; and in materials science to determine ion beam sputtering or laser ablation volumes and depths.

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute transport in rivers and many important biogeochemical processes. To improve understanding of these processes through visual demonstration, we created a hyporheic flow simulation in the multi-agent computer modeling platform NetLogo. The simulation shows virtual tracer flowing through a streambed covered with two-dimensional bedforms. Sediment, flow, and bedform characteristics are used as input variables for the model. We illustrate how these simulations match experimental observations from laboratory flume experiments based on measured input parameters. Dye is injected into the flume sediments to visualize the porewater flow. For comparison virtual tracer particles are placed at the same locations in the simulation. This coupled simulation and lab experiment has been used successfully in undergraduate and graduate laboratories to directly visualize river-porewater interactions and show how physically-based flow simulations can reproduce environmental phenomena. Students took photographs of the bed through the transparent flume walls and compared them to shapes of the dye at the same times in the simulation. This resulted in very similar trends, which allowed the students to better understand both the flow patterns and the mathematical model. The simulations also allow the user to quickly visualize the impact of each input parameter by running multiple simulations. This process can also be used in research applications to illustrate basic processes, relate interfacial fluxes and porewater transport, and support quantitative process-based modeling.

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Schreiben-Bragg-Gitter in Multicore- Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on exposing the specimen to longitudinal vibrations on its resonance frequency close to 20 kHz. With use of this method, it is possible to significantly decrease the time required for the test, when compared to conventional testing devices usually working at frequencies under 200 Hz. It is also used to simulate loading of material during operation in high speed conditions, such as those experienced by components of jet engines or car turbo pumps. It is necessary to operate only in the high and ultra-high cycle region, due to the possibility of extremely high deformation rates, which can have a significant influence on the test results. Specimen shape and dimensions have to be carefully selected and calculated to fulfill the resonance condition of the ultrasonic system; thus, it is not possible to test the full components or specimens of arbitrary shape. Before each test, it is necessary to harmonize the specimen with the frequency of the ultrasonic system to compensate for deviations of the real shape from the ideal one. It is not possible to run a test until a total fracture of the specimen, since the test is automatically terminated after initiation and propagation of the crack to a certain length, when the stiffness of the system changes enough to shift the system out of the resonance frequency. This manuscript describes the process of evaluation of materials' fatigue properties at high-frequency ultrasonic fatigue loading with use of mechanical resonance at a frequency close to 20 kHz. The protocol includes a detailed description of all steps required for a correct test, including specimen design, stress calculation, harmonizing with the resonance frequency, performing the test, and final static fracture.

A protocol for ultrasonic fatigue testing in the high and ultra-high cycle region in axial tension-compression loading mode.

Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...