Gli autori desiderano ringraziare Tim Krantz dalla NASA Glenn e Duane Detwiler da Honda R &amp; S per il loro supporto tecnico e contributi in natura. Il sostegno finanziario per questa ricerca è stato fornito dalle organizzazioni membri della Concetti smart center Vehicle (www.SmartVehicleCenter.org), un National Science Foundation Industria / Università Cooperative Research Center (I / UCRC). SD è supportata da una smart veicolo Concetti Graduate Fellowship e una Università Fellowship presso la Ohio State University Graduate School.

1. Sviluppo della Tribometro Modified <ol><li> Installare sottosistema chuck-motore. <ol><li> Livello tavolo isolamento dalle vibrazioni. Posizionare motore CC sul tavolo; livellare il motore con spessori e fissarlo con puntoni e bulloni. Posizionare il supporto telaio attorno al motore. </li><li> Collegare albero scanalato all&#39;albero motore utilizzando una chiave. Mettere piastra di supporto sul telaio con l&#39;albero scanalato passa attraverso il foro della piastra. Set reggispinta rullini sulla piastra di supporto e intorno all&#39;albero scanalato. Lubrificare il cuscinetto con fluidi da taglio. </li><li> Collegare l&#39;albero scanalato al mandrino attraverso una piastra di adattamento, che ha un accoppiamento albero scanalato su un lato e modello del bullone del mandrino sull&#39;altro lato. A questo punto, il mandrino è supportato dal telaio attraverso il cuscinetto reggispinta e collegato al motore attraverso la piastra dell&#39;adattatore. </li></ol></li><li> Installare il gruppo gymbal. <ol><li> Costruire il telaio di supporto con montanti a U, staffe, ebulloni. Utilizzare quattro lunghi montanti come pilastri, e utilizzare tre più brevi come traverse. </li><li> Fissare i quattro pilastri al tavolo isolamento dalle vibrazioni utilizzando staffe e bulloni. Collegare il gruppo gymbal alla traversa centrale con bulloni e dadi. </li><li> Installare una cella di carico orizzontale orientata nell&#39;assemblea gymbal; collegare rigidamente un lato della cella di carico al telaio del gruppo gymbal, mentre l&#39;altro lato collega al braccio gymbal con un filo. </li></ol></li><li> Montare l&#39;attuatore piezoelettrico. <ol><li> Inserire 3 in lungo, asta completamente filettata attraverso il foro della pila piezoelettrica; mettere una rondella e un dado ad ogni estremità della pila; lasciare circa 1/8 in di filo sporgenti dalla fine di un dado. </li><li> Serrare i dadi ad entrambe le estremità per creare un precarico nella pila. Collegare le lunghe, fili a vista al braccio gymbal usando dadi e rondelle. Acorn madrevite sull&#39;altra estremità del disco piezoattuatore e inserto nel mandrino (questo dado ciecoe disco vengono utilizzati per scopi di set-up, non per la prova). </li><li> Regolare l&#39;altezza del gruppo gymbal modo che il dado cieco è in contatto con la parte superiore del disco e il braccio è gymbal livello. </li><li> Regolare la posizione del gruppo gymbal modo che il punto di contatto tra il dado cieco e il disco è di circa 25 mm dal centro di rotazione del disco. Serrare tutti i bulloni nel set-up per garantire la stabilità. </li></ol></li><li> Impostare generazione del segnale, amplificazione del segnale, e sottosistemi di acquisizione dati. <ol><li> Collegare il sistema di acquisizione dati ad un computer di laboratorio. Collegare l&#39;uscita del generatore di segnale all&#39;ingresso di un amplificatore elettrico. Collegare l&#39;uscita dell&#39;amplificatore con i fili di ingresso della pila piezoelettrica. Collegare i monitor dell&#39;amplificatore al sistema di acquisizione dati. </li><li> Collegare la cella di carico di un condizionatore di segnale, e poi collegare l&#39;uscita del condizionatore segnale al sistema di acquisizione dati. </li></ol></li><li> Ulteriori set-up.<ol><li> Collegare il tubo dell&#39;aria al negozio d&#39;aria. Fissare l&#39;estremità del tubo al telaio in modo tale che i suoi punti di uscita al piezoattuatore. Nastro il punta della termocoppia al piezoattuatore. Collegare i cavi della termocoppia per il lettore; appendere il lettore sul telaio. </li></ol></li></ol> 2. Pre-Test Preparation <ol><li> Calibrare la velocità di rotazione del motore. <ol><li> Attaccare magnete al bordo del mandrino. Posto ad effetto Hall sonda vicino al mandrino. Collegare l&#39;uscita della sonda ad effetto Hall a Gaussmetro che è collegato al sistema di acquisizione dati. </li><li> Aprire il software di acquisizione dati e iniziare l&#39;acquisizione dei dati. Accendere il motore; ruotare la manopola velocità del regolatore del motore a 10 (la velocità di rotazione più bassa del motore fornisce). Dopo ruotare il motore per 10 giri, spegnere il motore. Fine di acquisizione dati. </li><li> Analizzare i dati salvati; il tempo tra due picchi del segnale in uscita dal gaussmeter è il tempo per il motore a marciremangiato un giro completo. </li><li> Ruotare la manopola da 10 a 100 (la più alta velocità di rotazione del motore fornisce) in incrementi di 10; ripetere i passaggi da 2.1.2 a 2.1.3. </li></ol></li><li> Posizionare sensore pad carico tra il dado cieco e il disco per misurare la forza normale all&#39;interfaccia. Macchina finemente superficie dei dischi di prova utilizzando un tornio. </li><li> Pulire il dado cieco e disco da testare immediatamente prima della prova. <ol><li> Indossare guanti di plastica e affrontare mask.Prepare pezzi di salviette di laboratorio; piegarli in 1 pollice quadrato. Spruzzare etanolo sui quadrati di tessuto; pulire delicatamente la superficie del dado ghianda e disco con loro. </li></ol></li><li> Installare il dado ghianda pulito e disco. <ol><li> Infilare il dado cieco sul piezoattuatore, stringerlo con una chiave fissa. Inserire il disco nel mandrino; regolare la posizione per assicurarsi che la punta del dado cieco è in contatto con la superficie del disco. </li><li> Allineare la superficie superiore del disco e il braccio gymbal. Stringere il mandrino cosìche il disco è tenuto saldamente. </li></ol></li><li> Misurare la scentratura della rotazione del disco. <ol><li> Montare il sensore di spostamento laser in un dispositivo, e posizionare il dispositivo vicino al tribometro. Regolare l&#39;altezza e l&#39;angolo del sensore in modo che il disco si trova nel campo del sensore e il raggio laser è normale al disco. </li><li> Collegare l&#39;uscita del sensore per il sistema di acquisizione dati. Avviare l&#39;acquisizione dei dati. Accendere il motore e ruotare il disco per circa 10 giri; spegnere il motore. Fine di acquisizione dati. </li></ol></li></ol> 3. Eseguire il test <ol><li> Prove con vibrazioni ultrasoniche. <ol><li> Appendere 2 N peso su un gancio che collega al braccio gymbal attraverso il filo e due pulegge. Il peso viene utilizzato per applicare un carico normale tra il dado cieco e il disco. </li><li> Appendere un&#39;altra peso 2 N dall&#39;altro gancio che collega al braccio gymbal di fornire una pretensione orizzontale alla cella di carico. </li><li> Impostare il segnalegeneratore per fornire un segnale sinusoidale continuo con offset DC di 3 V, l&#39;ampiezza di 3 V, e la frequenza di 22 kHz (la frequenza di risonanza del piezoattuatore). Si noti che il 3 V di offset è usato per prevenire tensione piezoattuatore. </li><li> Inizia acquisizione dati (ridotta forza di attrito). Accendere l&#39;amplificatore e ruotare la manopola di guadagno a 15, che corrisponde a un guadagno effettivo di 4.67 (i numeri sul manopola di guadagno sono arbitrarie). </li><li> Accendere il motore; impostare la velocità di rotazione a 6,67 rpm per fornire una velocità lineare di 20.3 mm / sec. Eseguire il test per 4 ore. </li><li> Spegnere il motore e l&#39;amplificatore, e quindi arrestare l&#39;acquisizione dei dati. Rimuovere il dado ghianda testato e il disco dal set-up; Ripetere i passaggi 2,3-2,5 per installare il nuovo dado cieco e disco. </li><li> Ripetere i passaggi da 3.1.1 a 3.1.6. Al punto 3.1.5, impostare la velocità di rotazione di 13.3 rpm e 28.7 rpm per fornire velocità lineari del 40,6 mm / sec e 87 millimetri / sec, rispettivamente; eseguire i test per 2 e 0,94 ore corrispondingly. </li></ol></li><li> Prove senza vibrazioni ultrasoniche. <ol><li> Ripetere il punto 3.1.6 per cambiare dadi ciechi e dischi. Ripetere i passaggi da 3.1.1 a 3.1.6 con l&#39;amplificatore di segnale e il segnale generatore fuori (l&#39;attrito misurato è attrito intrinseca). </li></ol></li></ol> 4. Misure Profilometro ottico <ol><li> Preparazione di misura <ol><li> Pulire immediatamente i dischi prima di misurazioni utilizzando passo 2.3. Effettuare otto segni uniformemente distribuiti lungo il bordo del disco. Aprire il software profilometro. </li><li> Sollevare la lente in modo che ci sia spazio sufficiente tra la piattaforma obiettivo e campione. Livellare la piattaforma di esempio. Posizionare un pezzo di laboratorio pulire sulla piattaforma. </li><li> Posizionare delicatamente il campione sulla parte superiore del tessuto con una delle otto tacche contrapposte parte anteriore del profilometro. </li></ol></li><li> Impostazioni di misurazione. <ol><li> Scegli VSI (Vertical-Scanning Interferometria) come tipo di lavorazione. Selezionare lente 5X perampio campo di vista e forma complessiva. Scegli 0.55X ingrandimento per una area di scansione di 1,8 mm da 2,4 mm. </li><li> Scegli velocità di scansione 1X. Imposta intervallo di scansione a -100 m 100 m. Portare la lente verso il basso verso il campione fino a quando vi è una immagine sfocata sullo schermo. Regolare l&#39;altezza della lente fino a quando l&#39;immagine è chiara. </li><li> Scegliere 2 come numero di scansioni per la media per ogni misurazione. Fare clic sul pulsante di misurazione. </li></ol></li><li> Procedure post-misura. <ol><li> Utilizzare la ricetta visione che ha definito nel software per correggere l&#39;immagine prima per inclinazione dell&#39;intero campione. Aprire la casella degli strumenti di analisi del software. </li><li> Ottenere i valori di rugosità misurati dalla voce &quot;Statistiche di base&quot;. Ottenere la perdita di volume misurato della cicatrice usura all&#39;interno dell&#39;area di scansione dalla voce &quot;Volume&quot;. </li><li> Salvare le immagini dei profili 1D in direzioni X e Y, il profilo 2D, 3D il profilo, così come la tabella di valori di rugosità. Ruotare il campione in senso orario fino the successiva tacca affronta la parte anteriore del profilometro. </li></ol></li><li> Ripetere i passaggi 4,2-4,3 per i rimanenti 7 marchi. </li><li> Ripetere i punti 4.1. a 4.4 in tutti e sei i dischi. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando questo protocollo per studiare l&#39;effetto della velocità lineare sull&#39;attrito ultrasuoni e riduzione dell&#39;usura. Le misurazioni mostrano che vibrazioni ultrasoniche ridurre efficacemente l&#39;attrito e usura a tre velocità lineari. Coerentemente con le osservazioni precedenti, la quantità di riduzione dell&#39;attrito diminuisce dal 62,2% al 20,3 mm / sec al 29,3% a 87 mm / sec. Riduzione dell&#39;usura è trascurabile con il cambiamento della velocità line...

Attrito esiste all&#39;interfaccia tra due superfici a contatto quando scorrono o ruotano una rispetto all&#39;altra. Attrito solito avviene lungo con usura abrasiva o adesivo. 1 Ultrasonics è la scienza dietro fenomeni ad alta frequenza, cioè, onde viaggiano a frequenze superiori gamma acustica (20 kHz). Il campo di ultrasuoni comprende due regimi fondamentalmente diverse. Un regime comporta onde di bassa intensità, come quelli utilizzati nei processi di imaging come l&#39;ecografia medica o controllo non distruttivo delle strutture. L&#39;altro è un regime di alta potenza in cui le onde ad alta energia sono utilizzati per eseguire o assistere processi di progettazione quali saldatura di materie plastiche e metalli. E &#39;stato dimostrato che l&#39;applicazione del secondo tipo di vibrazioni ultrasoniche all&#39;interfaccia tra due superfici in contatto strisciante riduce la forza di attrito efficace all&#39;interfaccia. Questo fenomeno è noto come la lubrificazione ad ultrasuoni. Ottenerelubrificazione ultrasuoni tra due oggetti scorrevoli, vibrazioni a frequenze ultrasoniche relativa deve essere stabilito tra loro. Le vibrazioni sono tipicamente applicati ad uno dei due oggetti, sia in senso longitudinale, trasversale, o direzione perpendicolare rispetto alla velocità di scorrimento. In questo studio, perno di un tribometro è dotata di un attuatore piezoelettrico in modo che la sua punta vibra in direzione perpendicolare al disco rotante del tribometro. I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali &quot;intelligenti&quot; che deformano quando esposti a campi elettrici, vibrare alla stessa frequenza del campo di eccitazione. Materiali piezoelettrici possono vibrare a frequenze ben nella gamma MHz. Essendo sovrapposto alla velocità macroscopica, vibrazioni ultrasoniche hanno l&#39;effetto di alternare la direzione della forza di attrito istantaneo e il contatto tra le superfici, che in combinazione porta ad una riduzione della forza di attrito e usura superficie effettiva. </p&gt; Riduzione dell&#39;attrito ultrasonica è stata dimostrata in sistemi di produzione pratici. Ad esempio, questa tecnologia è stata utilizzata per ridurre la forza tra utensile e pezzo in lavorazione dei metalli e formando processi come la perforazione, premendo, foglio di laminazione e trafilatura. I vantaggi includono una migliore finitura superficiale 2 e una ridotta necessità di detergenti costosi e dannosi per l&#39;ambiente per rimuovere i lubrificanti dal prodotto finale. Ci sono potenziali applicazioni di lubrificazione ad ultrasuoni in altre zone pure. Ad esempio, la lubrificazione a ultrasuoni può migliorare notevolmente l&#39;esperienza degli utenti di prodotti per la cura della salute personale, eliminando la necessità di lubrificanti o rivestimenti. Nelle applicazioni automobilistiche, modulazione attrito può migliorare le prestazioni dei giunti sferici che la riduzione dell&#39;attrito tra i sedili e rotaie veicoli facilita il movimento del sedile, risparmiando spazio e di massa che altrimenti sarebbe occupato da componenti e mec tradizionalisms. Lubrificazione Ultrasuoni può anche contribuire a migliorare l&#39;efficienza del carburante riducendo l&#39;attrito nei sistemi powertrain e sospensione. 3 Nelle applicazioni spaziali, dove non possono essere utilizzati lubrificanti tradizionali, la lubrificazione a ultrasuoni può essere impiegato per ridurre l&#39;usura e drammaticamente estendere la vita dei componenti critici. Dimostrazioni di laboratorio di riduzione dell&#39;attrito con lubrificazione ad ultrasuoni sono numerosi. Riduzione dell&#39;attrito è quantificato come la differenza tra la forza di attrito misurato senza lubrificazione ultrasuoni e la forza di attrito con vibrazioni ultrasoniche applicate. In entrambi i casi, la forza di attrito viene misurata direttamente con sensori di forza. Littmann et al. 4-5 collegato un attuatore piezoelettrico guidato ad un cursore, sul quale sono stati installati un sensore di forza ed un telaio per misurare forze di attrito e applicare carichi normali. Un attuatore pneumatico è stato impiegato per spingere il cursore insieme con l&#39;attuatore lungo una rotaia di guida. Ultrasonivibrazioni c sono stati applicati in senso longitudinale alla velocità di scorrimento. Bharadwaj e Dapino 6-7 condotto esperimenti simili utilizzando un attuatore piezoelettrico pila collegata ad una guida d&#39;onda conica alle estremità della pila. Contatti avuto luogo tra i bordi sferiche dei coni e la superficie della guida. Gli effetti di parametri di sistema come il contatto rigidità, carico normale, e la rigidità globale sono stati studiati. Kumar e Hutchings 8 installato un perno su un sonotrodo che è stato alimentato da un trasduttore ultrasonico. Vibrazioni ultrasoniche sono stati generati e trasmessi al perno, che è stata posta in contatto con una superficie acciaio per utensili. Forza normale è stato applicato da un cilindro pneumatico e misurata da una cella di carico. Il movimento relativo tra il perno e il disco è stato creato da un tavolo alternativo. Pohlman e Lehfeldt 9 anche implementato un esperimento di pin-on-disco. A differenza di altri studi, hanno impiegato un magnetostrictive trasduttore di generare vibrazioni ultrasoniche. Per studiare la direzione ottimale per la riduzione dell&#39;attrito ultrasuoni, il trasduttore è stato accuratamente allineato in modo che la direzione vibrazionale era longitudinale, trasversale e verticale alla velocità macroscopica. Hanno studiato riduzione dell&#39;attrito ultrasuoni sia su superfici asciutte e lubrificate. Popov et al. 10 utilizzato un attuatore con guide d&#39;onda coniche. L&#39;attuatore è stato messo in contatto con una piastra di base rotante. Coni in nove materiali con varie durezze sono stati adottati per studiare l&#39;influenza della durezza del materiale sulla riduzione dell&#39;attrito ultrasuoni. Dong e Dapino 11-13 usati un trasduttore piezoelettrico per generare e trasmettere vibrazioni ultrasoniche per una guida d&#39;onda prismatica con bordi arrotondati. La vibrazione longitudinale provoca vibrazioni verticali a causa dell&#39;effetto di Poisson. Un cursore con una parte superiore curva è stata posta sotto ed in contatto la guida d&#39;onda. Un telaio è stato costruito per applicare forze normali a livello di interfaccia di contatto. Tegli cursore è stato tirato manualmente intorno alla zona centrale della guida d&#39;onda; la forza di attrito è stata misurata con una cella di carico che era collegata al cursore. Riduzione dell&#39;usura ultrasuoni-indotta è stato inoltre studiato e dimostrato. Perdita di volume, perdita di peso, e rugosità superficiale modifiche sono impiegati per quantificare la gravità della wear.Chowdhury e Helali 14 vibrato un disco rotante in una configurazione pin-on-disco. Le vibrazioni sono stati generati da una struttura di supporto di due piastre parallele poste sotto il disco rotante. La piastra superiore ha una palla sferica installata fuori centro sulla superficie inferiore, che scorre in una scanalatura che è stata incisa sulla superficie superiore della piastra inferiore. Lo slot è stata lavorata con una profondità variabile periodicamente in modo che la piastra superiore si muove verticalmente durante la rotazione. Le frequenze variavano circa 100 Hz in funzione della velocità di rotazione. Bryant e York 15-16 studiato l&#39;effetto di micro-vibrazioni su wriduzione orecchio. Hanno inserito un cilindro di carbonio attraverso un supporto con una estremità basava su un disco in acciaio di filatura e l&#39;altra estremità collegata ad una molla elicoidale. In un caso, il cilindro è stato aderente montato nel supporto così che non c&#39;era spazio per vibrazione. In altri casi, le distanze sono stati lasciati per consentire microvibrazioni del cilindro mentre il cilindro era in contatto con il disco rotante. La perdita di peso del cilindro è stato misurato per calcolare il tasso di usura. E &#39;stato dimostrato che l&#39;auto-generato micro-vibrazioni contribuito a ridurre l&#39;usura fino al 50%. Goto e Ashida 17-18 anche adottato un esperimento di pin-on-disco. Essi collegati campioni pin con un trasduttore tramite un cono conico e un corno. Il perno vibrare nella direzione perpendicolare alla superficie del disco. Una massa è collegato al trasduttore sulla sua sommità per applicare carichi normali. Le forze di attrito sono stati tradotti dalla coppia che è stato applicato per ruotare il disco. Usura è stato identificato come adesivo perché entrambipin e dischi erano fatti di acciaio al carbonio. Tassi di usura sono stati calcolati da misure di perdita di volume. E &#39;stato dimostrato che la velocità lineare svolge un ruolo importante nella lubrificazione ultrasuoni. Il componente sperimentale di questa ricerca si concentra sulla dipendenza di riduzione dell&#39;attrito e dell&#39;usura velocità lineare.

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			<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

Attrito e l&#39;usura sono dannose per sistemi ingegnerizzati. Lubrificazione ultrasuoni si ottiene quando l&#39;interfaccia tra due superfici di scorrimento viene fatto vibrare ad una frequenza al di sopra della gamma acustica (20 kHz). Come tecnologia a stato solido, la lubrificazione a ultrasuoni può essere utilizzato dove i lubrificanti convenzionali sono irrealizzabili o indesiderabile. Inoltre, la lubrificazione ad ultrasuoni consente la modulazione elettrica del coefficiente di attrito efficace tra due superfici di scorrimento. Questa proprietà consente sistemi adattativi che modificano il loro stato di attrito e la risposta dinamica associata al variare delle condizioni operative. Usura superficiale può essere ridotto attraverso la lubrificazione a ultrasuoni. Abbiamo sviluppato un protocollo per indagare la dipendenza della riduzione della forza di attrito e usura riduzione della velocità di scorrimento lineare tra superfici lubrificate ultrasuoni. Un tribometro pin-on-disc è stato costruito che differisce dalle unità commerciali in cui una pila piezoelettrico è utilizzato per vibrare il perno a 22kHz normale alla superficie del disco rotante. Attrito e usura metriche compresa un&#39;efficace forza di attrito, perdita di volume, e rugosità superficiale sono misurate con e senza vibrazioni ultrasoniche ad una pressione costante di 1 a 4 MPa e tre differenti velocità di scorrimento: 20.3, 40.6, e 87 mm / sec. Un profilometro ottico è utilizzato per caratterizzare le superfici di usura. La forza di attrito efficace è ridotto del 62% a 20.3 mm / sec. Coerentemente con le teorie esistenti per la lubrificazione ad ultrasuoni, la riduzione percentuale in forza di attrito diminuisce con l&#39;aumentare della velocità, fino al 29% di riduzione forza d&#39;attrito a 87 mm / sec. Riduzione dell&#39;usura rimane essenzialmente costante (49%) alle tre velocità considerati.

Le misurazioni rappresentative presentati sono stati ottenuti dalla tribometro modificato illustrato nella figura 1. L&#39;attuatore piezoelettrico genera vibrazioni di ampiezza di 2,5 micron ad una frequenza di 22 kHz. Per studiare la dipendenza di attrito e usura riduzione velocità lineare, tre diverse velocità (20.3, 40.6, e 87 mm / sec) sono stati applicati al disco cambiando la velocità di rotazione del motore. Per tutti e tre i gruppi, il numero di giri del disco e la distanza ...

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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.

Esperimenti su ultrasuoni lubrificazione Utilizzando un tribometro piezoelettrico-assistita e Profilometro ottico

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 Views.  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. 

Video: 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.

Costruzione e collaudo di Pile Batterie agli ioni di litio

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

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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.

Metamateriali Realizzazione tramite il metodo di disegno fibra

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.

Trapping ottica di nanoparticelle

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.

Caratterizzazione delle modificazioni superficiali di White Interferometria Luce: Applicazioni in Ion Sputtering, ablazione laser, ed esperimenti Tribologia

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.

Esperimenti di fiamma alla Advanced Light Source: nuove informazioni sui processi fuliggine Formazione

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.

Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

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.

Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

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.

Scrivendo di Bragg in fibra Multicore

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.

Lens-meno compatta digitale olografico microscopio per MEMS di ispezione e caratterizzazione

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.

Prova in modalità trazione-compressione ad ultrasuoni di fatica

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 ...