Les auteurs tiennent à remercier Tim Krantz de la NASA Glenn et Duane Detwiler de Honda R &amp; D pour leur soutien technique et des contributions en nature. Le soutien financier pour cette recherche a été assuré par les organisations membres de l&#39;Concepts Centre Smart Vehicle (www.SmartVehicleCenter.org), une Science Foundation Industrie / Université Coopérative Centre national de recherche (I / CRCU). SD est soutenu par un véhicule Smart Concepts Graduate Fellowship et une bourse de l&#39;Université de l&#39;Université Ohio State Graduate School.

1. Développement de la modification Tribomètre <ol><li> Installez chuck-moteur sous-système. <ol><li> Niveau table d&#39;isolation contre les vibrations. Placez moteur à courant continu sur la table; niveler le moteur avec des cales et le fixer avec entretoises et les boulons. Placez cadre de support autour du moteur. </li><li> Connecter arbre cannelé de l&#39;arbre du moteur à l&#39;aide d&#39;une clé. Mettre la plaque de support sur le châssis avec l&#39;arbre cannelé traversant le trou de la plaque. Ensemble palier de butée aiguille rouleau sur la plaque de support et autour de l&#39;arbre cannelé. Graisser le roulement avec les fluides de coupe. </li><li> Branchez l&#39;arbre cannelé sur le mandrin à travers une plaque de l&#39;adaptateur, qui a un accouplement d&#39;arbre cannelé sur un côté et le modèle de boulon de la pince de l&#39;autre côté. À ce stade, le mandrin est supporté par le châssis par l&#39;intermédiaire du palier de butée et reliée au moteur par l&#39;intermédiaire de la plaque adaptatrice. </li></ol></li><li> Installez l&#39;ensemble gymbal. <ol><li> Construire le cadre de support à l&#39;aide des entretoises U-canaux, supports, etboulons. Utilisez quatre longues jambes comme des colonnes, et utiliser trois plus courts que des poutres transversales. </li><li> Fixez les quatre piliers à la table d&#39;isolation des vibrations à l&#39;aide de crochets et boulons. Branchez l&#39;Assemblée gymbal au faisceau de croisement du milieu en utilisant des boulons et écrous. </li><li> Installez une cellule orienté horizontalement charge dans l&#39;ensemble gymbal; relier rigidement un côté de la cellule de charge au cadre de l&#39;assemblée gymbal, lors de la connexion de l&#39;autre côté du bras gymbal avec un fil. </li></ol></li><li> Assembler l&#39;actionneur piézoélectrique. <ol><li> Insérez 3 à longue tige entièrement filetée à travers le trou de la pile piézoélectrique; mettre une rondelle et un écrou à chaque extrémité de la pile; laisser environ 1/8 po de fil dépassant de la fin d&#39;un écrou. </li><li> Serrer les écrous aux deux extrémités pour créer une précontrainte dans la pile. Connecter les longues discussions, exposés au bras gymbal utilisant les écrous et les rondelles. Gland de fil écrou sur l&#39;autre extrémité de l&#39;actionneur piézo-électrique et insert disque dans le mandrin (cet écrou glandet le disque sont utilisés à des fins de mise en place, pas pour les tests). </li><li> Réglez la hauteur de l&#39;ensemble gymbal sorte que l&#39;écrou gland est en contact avec le haut du disque et le bras gymbal est de niveau. </li><li> Ajustez la position de l&#39;ensemble gymbal sorte que le point entre l&#39;écrou borgne et le disque de contact est d&#39;environ 25 mm du centre de rotation du disque. Serrez tous les boulons dans le set-up pour assurer la stabilité. </li></ol></li><li> Mettre en place la génération du signal, l&#39;amplification du signal, et les sous-systèmes d&#39;acquisition de données. <ol><li> Raccorder système d&#39;acquisition de données à un ordinateur de laboratoire. Connecter la sortie du générateur de signal à l&#39;entrée d&#39;un amplificateur électrique. Connectez la sortie de l&#39;amplificateur avec les fils d&#39;entrée de l&#39;empilement piézoélectrique. Raccorder les moniteurs de l&#39;amplificateur au système d&#39;acquisition de données. </li><li> Branchez la cellule de charge à un conditionneur de signal, puis connectez la sortie du conditionneur de signal au système d&#39;acquisition de données. </li></ol></li><li> Supplémentaires set-up.<ol><li> Raccorder le tuyau d&#39;air de magasiner air. Fixer l&#39;extrémité du tuyau sur le bâti de telle sorte que ses points de sortie à l&#39;actionneur piézoélectrique. Collez le bout du thermocouple à la actionneur piézo-électrique. Connectez les fils de thermocouple au lecteur; accrocher le lecteur sur le châssis. </li></ol></li></ol> Préparation 2. pré-test <ol><li> Calibrer la vitesse de rotation du moteur. <ol><li> Attacher aimant sur le rebord du mandrin. Sonde à effet Hall lieu à proximité du mandrin. Connecter la sortie de la sonde à effet Hall à Gaussmètre qui est relié au système d&#39;acquisition de données. </li><li> Ouvrez le logiciel d&#39;acquisition de données et commencer à l&#39;acquisition de données. Allumez le moteur; tournez le bouton de vitesse du contrôleur de moteur à 10 (la plus basse vitesse de rotation du moteur fournit). Après que le moteur tourne pour 10 tours, couper le moteur. Fin acquisition de données. </li><li> Analyser les données enregistrées; le temps entre deux pics du signal de sortie provenant du gaussmètre est le temps pour que le moteur rotmangé une révolution complète. </li><li> Tourner la manette de 10 à 100 (la plus haute vitesse de rotation du moteur fournit) par incréments de 10; répétez les étapes 2.1.2 à 2.1.3. </li></ol></li><li> Placez pad capteur de charge entre l&#39;écrou borgne et le disque de mesurer la force normale à l&#39;interface. Machine finement la surface de test à l&#39;aide de disques d&#39;un tour. </li><li> Nettoyez l&#39;écrou borgne et le disque à tester immédiatement avant test. <ol><li> Mettez des gants en plastique et faire face morceaux mask.Prepare de lingettes de laboratoire; pliez-les en carrés de 1 pouce. Vaporiser de l&#39;éthanol sur les carrés de tissus; essuyez délicatement la surface de l&#39;écrou borgne et le disque avec eux. </li></ol></li><li> Installez l&#39;écrou de gland propre et disque. <ol><li> Enfilez l&#39;écrou borgne sur la actionneur piézo-électrique, le serrer avec une clé à fourche. Insérez le disque dans le mandrin; ajuster la position pour vous assurer que la pointe de l&#39;écrou borgne est en contact avec la surface du disque. </li><li> Aligner la surface supérieure du disque et le bras gymbal. Serrer le mandrin de sortece que le disque est maintenu fermement. </li></ol></li><li> Mesurer le faux-rond de la rotation du disque. <ol><li> Installez capteur de déplacement laser dans un appareil, et placez l&#39;appareil à côté de la tribomètre. Ajuster la hauteur et l&#39;angle du capteur de sorte que le disque est à l&#39;intérieur de la gamme de la sonde et le faisceau laser est normal au disque. </li><li> Se connecter la sortie du détecteur au système d&#39;acquisition de données. Lancement de l&#39;acquisition de données. Allumez le moteur et faire tourner le disque 10 tours; éteindre le moteur. Fin acquisition de données. </li></ol></li></ol> 3. Effectuer des tests <ol><li> Tests avec des vibrations ultrasonores. <ol><li> Accrochez 2 N poids sur un crochet qui se connecte à travers le bras gymbal fil et deux poulies. Le poids est utilisé pour appliquer une charge normale entre l&#39;écrou borgne et le disque. </li><li> Accrocher un autre poids de N 2 sur l&#39;autre crochet qui se connecte à la gymbal bras pour fournir une précontrainte horizontale de la cellule de charge. </li><li> Réglez le signalfournir un générateur de signal sinusoïdal continu de décalage de courant continu de 3 V, l&#39;amplitude de 3 V, et une fréquence de 22 kHz (la fréquence de résonance du piézo-actionneur). Notez que les 3 V décalage est utilisé pour prévenir la tension dans l&#39;actionneur piézo-électrique. </li><li> Commencez acquisition de données (force de frottement réduit). Allumez l&#39;amplificateur et tournez le bouton de gain à 15, ce qui correspond à un gain réel de 4,67 (les chiffres sur le bouton de gain sont arbitraires). </li><li> Allumez le moteur; régler la vitesse de rotation de 6,67 tours par minute pour fournir une vitesse linéaire de 20,3 mm / s. Exécutez le test pendant 4 heures. </li><li> Éteignez le moteur et le variateur, puis arrêtez l&#39;acquisition de données. Retirer l&#39;écrou borgne testé et disque du set-up; Répétez les étapes 2.3 à 2.5 pour installer le nouveau écrou borgne et le disque. </li><li> Répétez les étapes 3.1.1 à 3.1.6. Dans l&#39;étape 3.1.5, régler la vitesse de rotation à 13,3 min et 28,7 min pour fournir des vitesses linéaires de 40,6 mm / s et 87 mm / s, respectivement; exécuter les tests pour 2 et 0,94 h correspondingly. </li></ol></li><li> Tests sans vibrations ultrasonores. <ol><li> Répétez l&#39;étape 3.1.6 pour changer les noix et les disques gland. Répétez les étapes 3.1.1 à 3.1.6 avec le générateur de signal et le signal amplificateur hors tension (le frottement est mesurée frottement intrinsèque). </li></ol></li></ol> 4. mesures optiques profilomètre <ol><li> Mesure préparation <ol><li> Nettoyez les disques immédiatement avant des mesures en utilisant l&#39;étape 2.3. Faire huit points uniformément répartis sur le pourtour du disque. Ouvrez le logiciel de profilomètre. </li><li> Soulevez la lentille de sorte qu&#39;il ya suffisamment d&#39;espace entre la lentille et l&#39;échantillon plate-forme. Niveler la plate-forme de l&#39;échantillon. Placez un morceau de laboratoire essuyer sur la plate-forme. </li><li> Placez délicatement l&#39;échantillon sur le dessus du tissu avec l&#39;un des huit points face à l&#39;avant de l&#39;profilomètre. </li></ol></li><li> Paramètres de mesure. <ol><li> Choisissez VSI (Vertical-numérisation interférométrie) comme type de traitement. Sélectionnez 5x pourgrand champ de vision et la forme globale. Choisissez 0.55X grossissement pour une zone de numérisation de 1,8 mm par 2,4 mm. </li><li> Choisissez 1X vitesse de balayage. Réglez la plage de balayage à -100 m à 100 m. Apportez la lentille vers le bas vers l&#39;échantillon jusqu&#39;à ce qu&#39;il y est une image floue sur l&#39;écran. Réglez la hauteur de l&#39;objectif jusqu&#39;à ce que l&#39;image soit nette. </li><li> Choisissez 2 comme le nombre de balayages de la moyenne pour chaque mesure. Cliquez sur le bouton de mesure. </li></ol></li><li> Procédures post-mesure. <ol><li> Utilisez la recette de la vision que défini dans le logiciel pour corriger l&#39;image brute pour l&#39;inclinaison de l&#39;ensemble de l&#39;échantillon. Ouvrez la boîte à outils d&#39;analyse dans le logiciel. </li><li> Procurez-vous les valeurs de rugosité mesurées à partir de la rubrique &quot;Statistiques de base&quot;. Obtenir la perte de volume mesuré de la marque d&#39;usure dans la zone de balayage de l&#39;élément &quot;Volume&quot;. </li><li> Enregistrez les images de profils 1D en x et y, le profil 2D, le profil 3D, ainsi que la table des valeurs de rugosité. Tournez l&#39;échantillon sens horaire jusqu&#39;à èmee marque suivante face à l&#39;avant de l&#39;profilomètre. </li></ol></li><li> Répétez les étapes 04/02 au 04/03 pour les 7 marques restantes. </li><li> Répétez les étapes 4.1. à 4,4 sur les six disques. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Expériences ont été menées en utilisant ce protocole pour étudier l&#39;effet de la vitesse linéaire sur la friction ultrasons et la réduction de l&#39;usure. Les mesures montrent que les vibrations ultrasoniques de réduire efficacement le frottement et l&#39;usure à trois vitesses linéaires. Conformément aux observations antérieures, le montant de la réduction de frottement diminue de 62,2% à 20,3 mm / s à 29,3% au 87 mm / sec. Réduction de l&#39;usure est négligeable avec changement de vitesse linéai...

Le frottement existe à l&#39;interface de deux surfaces en contact quand ils glissent ou rouleau par rapport à l&#39;autre. Friction se produit habituellement avec l&#39;usure par abrasion ou de la colle. 1 Ultrasons est la science derrière les phénomènes de haute fréquence, qui est, les vagues se déplaçant à des fréquences supérieures à la gamme acoustique (20 kHz). Le domaine des ultrasons comprend deux régimes fondamentalement différents. Un régime consiste à ondes de faible intensité comme ceux utilisés dans les procédés d&#39;imagerie tels que les ultrasons médicale ou de contrôle non destructif de structures. L&#39;autre est un régime de forte puissance dans lequel les ondes à haute énergie sont utilisés pour exécuter ou aider les processus d&#39;ingénierie tels que le soudage des matières plastiques et des métaux. Il a été démontré que l&#39;application de ce dernier type de vibrations ultrasonores à l&#39;interface des deux surfaces en contact de glissement réduit la force de frottement efficace à l&#39;interface. Ce phénomène est connu en tant que lubrification ultrasons. Atteindrelubrification par ultrasons entre deux objets de coulissement, par rapport aux vibrations à des fréquences ultrasoniques doit être établi entre elles. Les vibrations sont généralement appliqués à l&#39;un des deux objets, que ce soit dans le sens longitudinal, transversal, ou direction perpendiculaire par rapport à la vitesse de glissement. Dans cette étude, la broche d&#39;un tribomètre est équipée d&#39;un actionneur piézoélectrique de sorte que sa pointe vibre dans la direction perpendiculaire au disque rotatif du tribomètre. Les matériaux piézoélectriques sont une classe de matériaux «intelligents» qui se déforment lorsqu&#39;ils sont exposés à des champs électriques, vibrant à la même fréquence que le champ d&#39;excitation. Les matériaux piézoélectriques peuvent vibrer à des fréquences bien dans la gamme MHz. Étant superposée à la vitesse macroscopique, des vibrations ultrasonores ont pour effet d&#39;alternance de la direction de la force de frottement instantané et le contact entre les surfaces, qui, en combinaison conduit à une réduction de la force de frottement et l&#39;usure surface efficace. </p&gt; La réduction de la friction par ultrasons a été démontré dans des systèmes pratiques de fabrication. Par exemple, cette technologie a été utilisée pour réduire la force entre l&#39;outil et la pièce de travail dans l&#39;usinage des métaux et des processus tels que le forage, le pressage, la feuille de laminage, tréfilage et la formation. Avantages comprennent l&#39;amélioration de l&#39;état de surface 2 et un besoin réduit pour les détergents coûteux et nuisibles à l&#39;environnement pour éliminer les lubrifiants du produit final. Il ya des applications potentielles de la lubrification ultrasons dans d&#39;autres domaines aussi. Par exemple, la lubrification ultrasons peut sensiblement améliorer l&#39;expérience de l&#39;utilisateur dans les produits de soins de santé personnels en éliminant la nécessité pour les lubrifiants ou des revêtements. Dans les applications automobiles, la modulation de friction peut améliorer les performances des joints à rotule tandis que la réduction de la friction entre les sièges du véhicule et facilite le déplacement des rails de siège, un gain de place et de masse qui serait autrement occupé par les composants et les méca traditionnelsSMS. Lubrification ultrasons peut aussi aider à améliorer l&#39;efficacité énergétique en réduisant la friction dans les systèmes du groupe motopropulseur et de la suspension. 3 dans les applications spatiales, où les lubrifiants traditionnels ne peuvent pas être utilisés, la lubrification ultrasons peut être utilisé pour réduire l&#39;usure et considérablement prolonger la vie des composants critiques. Démonstrations en laboratoire de la réduction de la friction à travers la lubrification ultrasons sont nombreux. La réduction de la friction est quantifiée comme étant la différence entre la force de frottement mesurée sans lubrification par ultrasons et la force de frottement par des vibrations ultrasoniques appliquées. Dans les deux cas, la force de frottement est directement mesuré avec des capteurs de force. Littmann et al. 05.04 actionneur piézoélectrique relié un conduit pour-un coulisseau, sur lequel un capteur de force et un cadre ont été installés pour la mesure de forces de frottement et d&#39;application des charges normales. Actionneur pneumatique a été utilisé pour pousser le curseur en même temps que l&#39;actionneur le long d&#39;un rail de guidage. Ultrasonore duc vibrations sont appliquées dans la direction longitudinale de la vitesse de glissement. Bharadwaj et Dapino 7/6 ont effectué des expériences similaires en utilisant un actionneur à empilement piézoélectrique relié à un guide d&#39;onde conique à chaque extrémité de la pile. Des contacts ont eu lieu entre les bords sphériques des cônes et la surface du rail de guidage. Les effets des paramètres du système, tels que la rigidité de contact, charge normale, et la rigidité globale ont été étudiés. Kumar et Hutchings 8 installés une broche sur une sonotrode qui a été alimenté par un transducteur à ultrasons. Des vibrations ultrasonores sont générées et transmises à la broche, qui a été mis en contact avec une surface d&#39;acier à outils. Force normale est appliquée par un vérin pneumatique et mesurée par une cellule de charge. Le mouvement relatif entre l&#39;axe et le disque a été créé par une table alternatif. Pohlman et Lehfeldt 9 également mis en œuvre une expérience pion-disque. Contrairement à d&#39;autres études, ils ont utilisé un magnetostrictive transducteur pour générer des vibrations ultrasonores. Pour étudier la direction optimale pour la réduction de la friction à ultrasons, le transducteur a été soigneusement aligné de sorte que la direction de vibration est longitudinal, transversal, vertical et à la vitesse macroscopique. Ils ont étudié la réduction de frottement à ultrasons sur les deux surfaces sèches et lubrifiés. Popov et al. 10 utilisé avec un actionneur de guides d&#39;ondes coniques. L&#39;actionneur a été placée en contact avec une plaque de base en rotation. Cônes en neuf matériaux avec divers duretés ont été adoptées pour étudier l&#39;influence de la dureté du matériau sur la réduction de frottement à ultrasons. Dong et Dapino 11 à 13 ont utilisé un transducteur piézo-électrique pour générer et transmettre des vibrations ultrasonores à un guide d&#39;ondes prismatique avec des bords arrondis. La vibration longitudinale provoque des vibrations verticales en raison de l&#39;effet de Poisson. Un curseur avec une courbe supérieure a été placé sous et en contact le guide d&#39;ondes. Un cadre a été construite pour appliquer des forces normales à l&#39;interface de contact. Til a été tiré manuellement curseur autour de la zone centrale du guide d&#39;ondes; la force de frottement a été mesuré par une cellule de charge qui a été relié à la glissière. Réduction de l&#39;usure induite par ultrasons a également été étudiée et démontrée. Perte de volume, perte de poids, et la rugosité de surface changements sont employés pour quantifier la sévérité de wear.Chowdhury Helali et 14 en vibration d&#39;un disque rotatif dans une configuration pion-disque. Les vibrations ont été générés par une structure de support de deux plaques parallèles situés sous le disque rotatif. La plaque supérieure a une boule sphérique installé décentré sur la surface inférieure, qui coulisse dans une fente qui a été gravé sur la surface supérieure de la plaque inférieure. La fente a été usinée avec une profondeur variable de sorte que périodiquement la plaque supérieure se déplace verticalement pendant la rotation. Les fréquences varient autour de 100 Hz en fonction de la vitesse de rotation. Bryant et York 15-16 ont étudié l&#39;effet des micro-vibrations sur wréduction de l&#39;oreille. Ils ont inséré un cylindre de carbone à travers un support avec une extrémité repose sur un disque en acier en rotation et l&#39;autre extrémité reliée à un ressort hélicoïdal. Dans un cas, le cylindre est monté serré dans le support de sorte qu&#39;il n&#39;y avait pas de place pour les vibrations. Dans d&#39;autres cas, les dégagements ont été laissés à permettre les micro-vibrations du cylindre tandis que le cylindre était en contact avec le disque en rotation. La perte de poids de la bouteille a été mesurée pour calculer le taux d&#39;usure. Il a été montré que les micro-vibrations auto-générés ont permis de réduire l&#39;usure près de 50%. Goto et Ashida 17-18 ont également adopté une expérience pion-disque. Ils reliés échantillons de broches avec un transducteur via un cône effilé et une corne. La broche en vibration dans la direction perpendiculaire à la surface du disque. Une masse est relié au transducteur sur sa partie supérieure pour l&#39;application de charges normales. Les forces de frottement ont été convertis à partir du couple qui a été appliquée pour faire tourner le disque. Porter a été identifié comme adhésif parce que les deuxbroche et le disque sont faites d&#39;acier au carbone. Taux d&#39;usure ont été calculées à partir de mesures de perte de volume. Il a été démontré que la vitesse linéaire joue un rôle important dans la lubrification par ultrasons. La composante expérimentale de cette recherche se concentre sur la dépendance de la réduction de la friction et de l&#39;usure sur la vitesse linéaire.

<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

Frottement et l&#39;usure sont préjudiciables aux systèmes d&#39;ingénierie. Lubrification par ultrasons est obtenu lorsque l&#39;interface entre les deux surfaces de glissement est mis en vibration à une fréquence au-dessus de la gamme acoustique (20 kHz). Comme une technologie à semi-conducteurs, la lubrification ultrasons peut être utilisé là où les lubrifiants classiques sont irréalisable ou indésirable. En outre, la lubrification par ultrasons permet de modulation électrique du coefficient de frottement effective entre les deux surfaces de glissement. Cette propriété permet de systèmes adaptatifs qui modifient leur état de frottement et la réponse dynamique associée que les conditions de fonctionnement changent. Surface d&#39;usure peut également être réduite par lubrification par ultrasons. Nous avons développé un protocole d&#39;enquêter sur la dépendance de la réduction de la force de frottement et d&#39;usure réduction sur la vitesse de glissement linéaire entre les surfaces lubrifiées par ultrasons. Un tribomètre pion-disque a été construit qui diffère de unités commerciales en ce qu &#39;un empilement piézo-électrique est utilisé pour faire vibrer la tige à 22kHz normale à la surface du disque en rotation. Frottement et l&#39;usure des paramètres y compris la force efficace de frottement, la perte de volume, et la rugosité de surface sont mesurées sans et avec des vibrations ultrasonores à une pression constante de 1 à 4 MPa et trois vitesses de glissement différentes: 20,3, 40,6 et 87 mm / sec. Un profilomètre optique est utilisé pour caractériser les surfaces d&#39;usure. La force de frottement efficace est réduite de 62% à 20,3 mm / s. En cohérence avec les théories existantes pour la lubrification à ultrasons, la réduction de pour cent de la force de friction diminue avec l&#39;augmentation de la vitesse, jusqu&#39;à 29% de réduction de la force de frottement à 87 mm / sec. Réduction de l&#39;usure reste sensiblement constante (49%) à trois vitesses considérées.

Les mesures représentatives présentées ici ont été obtenues à partir du tribomètre modifié représenté sur la figure 1. L&#39;actionneur piézo-électrique génère des vibrations avec une amplitude de 2,5 um à une fréquence de 22 kHz. Pour étudier la fonction de réduction de frottement et l&#39;usure de la vitesse linéaire, trois vitesses différentes (20,3, 40,6 et 87 mm / sec) ont été appliqués sur le disque en modifiant la vitesse de rotation du moteur. Pour les tro...

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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.

Les expériences sur les ultrasons lubrification aide d&#39;un Tribomètre piézoélectriquement-assistée et Profilomètre optique

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 vues.  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. 

Vidéo: 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.

Construction et d&#39;essai des Piles de batteries lithium-ion

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

Recherche

Ingénierie

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.

Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

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.

Le piégeage optique de nanoparticules

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.

Caractérisation des modifications de surface par interférométrie en lumière blanche: Applications de pulvérisation ionique, ablation laser, tribologie et expériences

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.

Les expériences de la flamme à l&#39;Advanced Light Source: nouvelles perspectives sur les processus d&#39;établissement de la suie

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.

Fabrication et fonctionnement d&#39;un Convoyeur Nano-optique

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.

Visualisation hyporhéique Flow Through bedforms utilisant des expériences de colorant et 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.

Rédaction de Bragg dans les fibres multipaires

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 numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

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.

Ultrasons Fatigue Testing dans le Mode de traction-Compression

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 ...