著者は彼らの技術サポートと現物での寄付のためのホンダR＆DからNASAグレンとデュアンデトワイラーからティム・クランツを承認したいと思います。この研究のための財政支援は、スマート車の概念センター（www.SmartVehicleCenter.org）、国立科学財団産業/大学共同研究センター（I / UCRC）の会員団体から提供されました。 SDはスマート車の概念大学院フェローシップとオハイオ州立大学大学院から大学フェローシップによってサポートされています。

変更された摩擦計の開発1。 <ol><li>チャック・モーター・サブシステムをインストールします。 <ol><li>レベル防振テーブル。テーブルの上に、DCモータを配置します。シム付モータを水平にし、支柱とボルトで固定します。モーターの周りの支持フレームを配置します。 </li><li>キーを使用してモータ軸にスプラインシャフトを接続します。スプライン軸は、プレートの穴を通過してフレームに支持板を置きます。セットは、支持板上とスプライン軸を中心にニードルころ軸受スラスト。切削液とのベアリングに注油。 </li><li>スプライン片側の軸継手と反対側のチャックのボルトパターンを有するアダプタプレートを介して、チャックにスプラインシャフトを接続します。この時点で、チャックは、スラスト軸受を介してフレームに支持されており、アダプタプレートを介してモータに接続されています。 </li></ol></li><li> gymbalアセンブリを取り付けます。 <ol><li> Uチャンネルストラット、ブラケットを使用して、支持フレームを構築し、ボルト。柱の4つの長いストラットを使用し、クロスビームとして3短いものを使用しています。 </li><li>ブラケットとボルトを使用して、防振テーブルに4つの柱を固定します。ボルトとナットを使用して中間クロスビームにgymbalアセンブリを接続します。 </li><li> gymbalアセンブリに横長のロードセルを取り付けます。ワイヤーでgymbalアームに反対側を接続している間堅く、gymbalアセンブリのフレームにロードセルの一方の側を接続します。 </li></ol></li><li>圧電アクチュエータを組み立てます。 <ol><li>圧電スタックの穴を通って長い、完全にネジ棒3を挿入します。 1洗濯機とスタックの両端に1つずつのナットを入れて。 1ナットの端から突出したスレッドの約1/8を残します。 </li><li>スタック内のプリロードを作成するために、両端にナットを締めます。ナットとワッシャを使用してgymbalアームへの長い露出のスレッドを接続します。チャックでピエゾアクチュエータ、挿入ディスクのもう一方の端の上にスレッドドングリナット（このドングリナットディスク）をセット・アップの目的ではなく、試験のために使用されます。 </li><li>ドングリナットがディスクの上に接しているとgymbalアームが水平になるようにgymbalアセンブリの高さを調整します。 </li><li>ドングリナットとディスクとの間の接触点が離れてディスクの回転中心から約25mmになるようにgymbalアセンブリの位置を調整します。安定性を確保するために、セットアップ内のすべてのボルトを締めます。 </li></ol></li><li>信号生成、信号増幅、及びデータ収集サブシステムをセットアップします。 <ol><li>ラボのコンピュータにデータ収集システムを接続します。電気増幅器の入力に信号発生器の出力を接続します。圧電スタックの入力線でアンプ出力を接続します。データ収集システムにアンプのモニターを接続します。 </li><li>信号調整にロードセルを接続し、データ収集システムに信号コンディショナの出力を接続してください。 </li></ol></li><li>追加のセットアップ。<ol><li>空気を店にエアーホースを接続します。その出口は、ピエゾアクチュエータを指していることを、このようなフレームにホースの端を固定します。ピエゾアクチュエータに熱電対の先端をテープで固定します。読者に熱電対のリード線を接続します。フレームにリーダーを掛けます。 </li></ol></li></ol> 2.試験前の準備<ol><li>モータの回転速度を調整します。 <ol><li>チャックのリムに磁石を取り付けます。チャックの近くに配置し、ホール効果プローブ。それがデータ収集システムに接続されてガウスメータするホール効果プローブの出力を接続します。 </li><li>データ収集ソフトを開いて、データ収集を開始します。モーターをオンにします。 10（モータが提供する最低の回転数）にモータコントローラのスピードノブを回します。モータは10回転の回転の後、モーターをオフにします。データ収集を終了します。 </li><li>保存したデータを分析します。ガウスメーターからの出力信号の2つのピークの間の時間は、腐敗に対するモータのための時間です1回転を食べました。 </li><li> 10刻みで10〜100（最高回転速度、モータが提供）からノブを回して、繰り返しは、2.1.3に2.1.2を繰り返します。 </li></ol></li><li>ドングリナットとの界面に垂直力を測定するためのディスク間の負荷センサパッドを配置します。細かく機械旋盤を使用してテストディスクの表面。 </li><li>試験の直前にテストされるドングリナット、ディスクを清掃してください。 <ol><li>プラスチック手袋の上に置き、ラボワイプのmask.Prepare片に直面しています。 1インチの正方形にそれらを折ります。組織の正方形にエタノールを噴霧。優しく彼らとドングリナットとディスクの表面を拭いてください。 </li></ol></li><li>クリーンドングリナット、ディスクをインストールします。 <ol><li>オープンエンドレンチで締め、ピエゾアクチュエータにドングリナットを通します。チャックにディスクを挿入します。ドングリナットの先端がディスク表面に接触していることを確認するために位置を調整します。 </li><li>ディスクとgymbalアームの上面の位置を合わせます。そうチャックを締めディスクがしっかりと保持されます。 </li></ol></li><li>ディスクの回転の振れを測定します。 <ol><li>固定具にレーザー変位センサーをインストールし、摩擦計の隣に固定具を配置します。ディスクがセンサーの範囲内にあり、レーザー光がディスクに垂直になるように、センサの高さと角度を調整します。 </li><li>データ収集システムにセンサーの出力を接続します。データ収集を開始します。モーターの電源を入れて、10回転するディスクを回転させます。モーターをオフにします。データ収集を終了します。 </li></ol></li></ol> 3.テストを実行<ol><li>超音波振動を用いた試験。 <ol><li>ワイヤと両プーリを介してgymbalアームに接続する1つのフックにハング2 N個の重量。重みはドングリナットとディスクとの間の垂直荷重を適用するために使用されます。 </li><li>ロードセルに水平予張力を提供するために、gymbalアームに接続されている他のフックに別の2 N個の重みを掛けます。 </li><li>信号を設定します。DCとの連続的な正弦波信号を提供するために、発電機は、V 3の振幅、および22 kHzの（圧電アクチュエータの共振周波数）の周波数、3 Vのオフセット。オフセット3 Vはピエゾアクチュエータの張力を防ぐために使用されることに注意してください。 </li><li>データ集録（低減された摩擦力）を起動します。アンプの電源をオンにし、4.67の実際の利得（ゲインつまみの数字は任意である）に相当する15のゲインつまみを回します。 </li><li>モーターをオンにします。 20.3ミリメートル/秒の線速度を提供するために、6.67回転数に回転数を設定します。 4時間のテストを実行します。 </li><li>モータ・アンプの電源を切り、データ収集を停止します。セットアップからテストドングリナットとディスクを削除します。繰り返し新しいドングリナット、ディスクをインストールするには、2.5から2.3を繰り返します。 </li><li>繰り返して、3.1.6に3.1.1を繰り返します。ステップ3.1.5では、それぞれ、40.6ミリメートル/秒と87ミリメートル/秒の線速度を提供するために、13.3 RPMと28.7のrpmに回転速度を設定します。 2および0.94時間のテストを実行しcorrespondingly。 </li></ol></li><li>超音波振動のないテスト。 <ol><li>ドングリナッツやディスクを変更する手順を繰り返し3.1.6。繰り返し（測定摩擦が固有の摩擦である）信号発生器と信号増幅器をオフにして3.1.6に3.1.1を繰り返します。 </li></ol></li></ol> 4.光学プロフィル測定<ol><li>測定準備<ol><li>ステップ2.3を使用して測定する直前にディスクを清掃してください。ディスクのリムの周りに8均等に分散マークを作成します。プロフィルソフトウェアを開きます。 </li><li>レンズと試料台との間に十分な隙間があるように、レンズを上げます。サンプルプラットフォームをレベルです。プラットフォームにワイプラボの作品を配置します。 </li><li>ゆっくりプロフィルの正面を向い8マークのいずれかの組織の上にサンプルを置きます。 </li></ol></li><li>測定設定。 <ol><li>処理タイプとしてVSI（副走査干渉）を選択します。以下のための5倍のレンズを選択ビューと全体の形状の大規模なフィールド。 2.4ミリメートル1.8ミリのスキャン領域に対して0.55X倍率を選択してください。 </li><li> 1Xスキャン速度を選択してください。 -100メートルから100メートルにスキャン範囲を設定します。画面上のぼやけた画像があるまで、サンプルに向かって下方にレンズを持参してください。画像がクリアされるまで、レンズの高さを調整します。 </li><li>測定毎に平均するスキャンの数として2を選択してください。測定ボタンをクリックします。 </li></ol></li><li>ポスト測定手順。 <ol><li>サンプル全体の傾きの生画像を補正するために、ソフトウェアで定義されたビジョンのレシピを使用してください。ソフトウェアで解析ツールボックスを開きます。 </li><li> 「基本統計」の項目から測定粗さの値を取得します。 「音量」の項目から、スキャンエリア内の摩耗痕の測定した体積の損失を取得します。 </li><li> x、y方向に1次元プロファイルのイメージを保存し、2次元プロファイル、3D形状、ならびに粗さ値のテーブル。番目までのサンプルを時計回りに回しE次のマークは、プロフィルの前に直面しています。 </li></ol></li><li>繰り返して、残り7マークのために4.2〜4.3を繰り返します。 </li><li>繰り返し4.1を繰り返します。すべての6つのディスクに4.4へ。 </li></ol>

<ol>
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SPIE. 7290, 7290G (2010).</li><li>Kumar, V., Hutchings, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduction+of+the+sliding+friction+of+metals+by+the+application+of+longitudinal+or+transverse+ultrasonic+vibration.">Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration.</a> Tribol. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wear+Reduction+Through+Piezoelectrically-Assisted+Ultrasonic+Lubrication.">Wear Reduction Through Piezoelectrically-Assisted Ultrasonic Lubrication.</a> Smart. Mater. Struct. 23 (10), 104005 (2014).</li><li>Chowdhury, M., Helali, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+frequency+of+vibration+and+humidity+on+the+wear+rate.">The effect of frequency of vibration and humidity on the wear rate.</a> Wear. 262 (1-2), 198-203 (2014).</li><li>Bryant, M., Tewari, A., York, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Micro+(rocking)+vibrations+and+surface+waviness+on+wear+and+wear+debris.">Effect of Micro (rocking) vibrations and surface waviness on wear and wear debris.</a> Wear. 216 (1), 60-69 (1998).</li><li>Bryant, M., York, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+and+correlations+of+slider+vibrations+and+wear.">Measurements and correlations of slider vibrations and wear.</a> J. Tribol. 122 (1), 374-380 (2000).</li><li>Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+ultrasonic+vibration+on+the+wear+characteristics+of+a+carbon+steel:+analysis+of+the+wear+mechanism.">Effect of ultrasonic vibration on the wear characteristics of a carbon steel: analysis of the wear mechanism.</a> Wear. 94, 13-27 (1984).</li><li>Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wear+behaviour+of+a+carbon+steel+subjected+to+an+ultrasonic+vibration+effect+superimposed+on+a+static+contact+load.">Wear behaviour of a carbon steel subjected to an ultrasonic vibration effect superimposed on a static contact load.</a> Wear. 110 (2), 169-181 (1986).</li><li>Robinowicz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The friction and wear of materials. , (1965).</li><li>Bowden, F., Freitag, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+friction+of+solids+at+very+high+speeds.">The friction of solids at very high speeds.</a> Proc. R. Soc. A. 248 (1254), 350-367 (1985).</li><li>Burwell, J., Rabinowicz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+nature+of+the+coefficient+of+friction.">The nature of the coefficient of friction.</a> J. Appl. Phys. 24 (2), 136-139 (1953).</li><li>Cocks, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interaction+of+sliding+metal+surfaces.">Interaction of sliding metal surfaces.</a> J. Appl. Phys. 33 (7), 2152-2161 (1962).</li><li>Rusinko, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ultrasound and Irrecoverable Deformation in Metals. , (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

実験は、超音波、摩擦や摩耗の低減に線速度の影響を研究するためにこのプロトコルを使用して行きました。測定は、超音波振動を効果的に摩擦を低減し、3つの線形速度で着用することを示しています。前の観察と一致し、摩擦低減の量は、87ミリメートル/秒で29.3％に20.3ミリメートル/秒で62.2パーセントから減少。摩耗の減少は線速度（48.6パーセントに45.8パーセント）を変更するとごくわ...

彼らはお互いにロールに対してスライド時や摩擦は2接触面の界面に存在します。摩擦は、通常、研磨剤または接着剤の摩耗に伴って起こる。1超音波、高周波現象の背後にある科学である、すなわち、音響範囲（20キロヘルツ）以上の周波数で進行波です。超音波の分野は根本的に異なる二つの体制を包含する。一つのレジームは、医療用超音波や構造物の非破壊検査などの画像形成プロセスで利用されるもののような低強度の波を含みます。他の高エネルギー波は、例​​えば、プラスチックや金属の溶接などのエンジニアリングプロセスを実行または支援するために利用される高パワーレジームです。これは、滑り接触における2つの表面の界面における超音波振動の後者の種類のアプリケーションは、界面での効果的な摩擦力を低減することが示されています。この現象は、超音波潤滑として知られています。 達成するために2スライドのオブジェクト間の超音波の潤滑は、超音波周波数での相対的な振動は、それらの間に確立されなければなりません。振動は、典型的には、縦、横、または滑り速度に対して垂直方向のいずれか2つのオブジェクトのいずれかに適用されます。その先端が摩擦計の回転円板に垂直な方向に振動するように、この研究では、摩擦計のピンは、ピエゾアクチュエータが取り付けられています。圧電材料は、励起場と同じ周波数で振動し、電界に曝されたときに変形する「スマート」材料のクラスです。圧電材料は、よくMHzの範囲内の周波数で振動することができます。巨視的速度に重畳されて、超音波振動を併用して効果的な摩擦力及び表面摩耗の低減につながる瞬間摩擦力との間の接触面の方向を交互にする効果を有します。 </p&gt; 超音波摩擦低減が実際の製造システムで実証されています。例えば、この技術は、金属加工や、穴あけ、押す、シート圧延、及び伸線などの形成プロセスにおける工具とワークピースとの間の力を減少させるために利用されています。利点は、改善された表面仕上げ2、最終製品から潤滑剤を除去するために高価であり、環境に有害な洗剤の必要性の減少が含まれます。他の分野での超音波潤滑の潜在的な用途は、同様にあります。例えば、超音波潤滑は、実質的に潤滑剤又はコーティングの必要性を排除することによって、パーソナルヘルスケア製品におけるユーザー体験を向上させることができます。車両シートとレールとの間の摩擦低減が他の従来の成分とmechaniによって占有される空間及び質量を節約する、シートの動きを容易にする一方で、自動車用途では、摩擦調節は、ボールジョイントの性能を向上させることができSMS。超音波潤滑もパワートレインとサスペンションシステムで摩擦を低減することにより、燃費を向上させるのに役立つことができる。従来の潤滑剤を使用することができない宇宙用途、3に、超音波潤滑摩耗を低減し、大幅に重要なコンポーネントの寿命を延長するために使用することができます。 超音波潤滑を通して摩擦低減の実験室でのデモは非常に多いです。摩擦低減が適用超音波振動と超音波潤滑摩擦力なしで測定された摩擦力との差として定量化されます。いずれの場合においても、摩擦力が直接力センサで測定されます。リットマンら4-5力センサとフレームが摩擦力を測定し、通常の負荷を適用するために設置されたのスライダに圧電駆動アクチュエータを接続します。空気圧アクチュエータは、ガイドレールに沿ってアクチュエータとともに、スライダをプッシュするために使用されました。 UltrasoniC振動は、縦すべり速度の方向に適用しました。 BharadwajとDapino 6-7は、スタックの両端に円錐状の導波路に接続された圧電スタックアクチュエータを用いて同様の実験を行いました。連絡先は、コーンの球状端部とガイドレールの表面との間に起こりました。このような接触剛性、通常の負荷、およびグローバル剛性などのシステムパラメータの影響を検討しました。クマーとハッチング8は、超音波トランスデューサによって励起されたソノトロードのピンを設置しました。超音波振動が発生し、工具鋼の表面と接触するように配置されたピンに伝達されました。垂直力は、空気圧シリンダによって塗布し、ロードセルによって測定しました。ピンとディスクとの間の相対運動は、往復テーブルで作成されました。 PohlmanとLehfeldt 9もピンオンディスク実験を実施しました。他の研究とは異なり、彼らはmagnetostrictを採用しました超音波振動を発生するようにIVEトランスデューサ。振動方向は、縦方向、横方向、および巨視的な速度に垂直になるように超音波摩擦低減のための最適な方向性を検討するために、変換器は、慎重に整列させました。彼らは、乾燥した潤滑面の両方に超音波摩擦低減を検討しました。ポポフら10は、円錐状の導波路とのアクチュエータを利用しました。アクチュエータは回転するベースプレートと接触させて配置しました。様々な硬度を持つ9材料で作られたコーンは、超音波摩擦低減の材料硬度の影響を研究するために採用されました。ドンとDapino 11-13は、丸い縁を有する角柱状の導波路に超音波振動を発生し、送信するために圧電変換器を使用していました。縦振動は、ポアソン効果による上下方向の振動が発生します。湾曲したトップとスライダーは、導波管の下と接触させて配置しました。フレームは接触界面での垂直力を適用するために建てられました。 T彼は、スライダは、導波路の中心領域の周囲に手動で引っ張りました。摩擦力がスライダに接続されたロードセルにより測定しました。 超音波によって誘発される摩耗の低減も調査し、実証されました。容積減少、体重減少、及び表面粗さの変化は、wear.Chowdhuryの重症度を定量化するために使用されるとHelali 14は、ピンオンディスクセットアップで回転ディスクの振動しました。振動は、回転ディスクの下に位置する二つの平行板の支持構造体によって生成されました。天板、底板の上面に刻まれたスロットにスライドオフセンター底面に設置球状のボールを持っています。天板が回転中に垂直方向に移動するようにスロットを定期的に可変の深さで加工しました。周波数は、回転速度に応じて約100ヘルツの範囲でした。 ブライアント、ヨーク15〜16は、W上のマイクロ振動の影響を研究し耳の削減。彼らは、紡績スチールディスクとコイルスプリングに接続されているもう一方の端に載置一端とホルダーを介してカーボン筒を挿入しました。振動のためのスペースがありませんでしたように、一つのケースでは、シリンダはぴったりホルダーに取り付けました。シリンダが回転ディスクと接触していた間に、他の例では、隙間は、シリンダの微小振動を可能にするために放置しました。シリンダーの重量損失は、摩耗率を計算するために測定されました。これは、自己生成微小振動は最大50％の摩耗を低減する助けたことが示されました。 後藤と芦田17-18もピンオンディスク実験を採用しました。彼らは、テーパーコーンとホーンを経由して変換器を備えたピンのサンプルを接続します。ピンは、ディスク面に垂直な方向に振動します。質量は、通常の負荷を適用するため、その上に変換器に接続しました。摩擦力は、ディスクを回転させるために適用されたトルクから変換されました。摩耗は、両方のための接着剤として同定されましたピン及びディスクは炭素鋼で作られていました。摩耗率は、体積減少の測定値から計算しました。 これは、線速度が超音波潤滑に重要な役割を果たしていることが示されています。本研究の実験的構成要素は、線速度の摩擦と摩耗の減少の依存性に焦点を当てています。

<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

摩擦や摩耗が設計システムに有害です。 2摺動面間のインタフェースは音響範囲（20 kHzの）以上の周波数で振動されたときに超音波潤滑が達成されます。従来の潤滑剤が不可能または望ましくない場合に固体技術として、超音波潤滑を使用することができます。さらに、超音波潤滑が2摺動面間の効果的な摩擦係数の電気変調を可能にします。このプロパティは、動作条件の変化として、その摩擦状態と関連した動的応答を変更する適応システムを可能にします。表面の摩耗は、また、超音波潤滑によって低減することができます。私たちは、摩擦力低減の依存性を調査し、超音波で潤滑面との間の線形滑り速度の低下を着用するためのプロトコルを開発しました。ピンオンディスク摩擦計は、圧電スタック22にピンを振動させるために使用されるという点で商業的ユニットと異なる構築されました回転ディスク表面の法線キロヘルツ。 20.3、40.6、および87ミリメートル/秒：効果的な摩擦力、体積減少、および表面粗さなどの摩擦や摩耗メトリックはなく、かつ4 MPaの3つの異なる滑り速度へ1の一定の圧力で超音波振動を用いて測定されています。光学的プロフィルは、摩耗表面を特徴付けるために使用されます。効果的な摩擦力は、20.3 mm /秒で62％減少します。一貫して超音波潤滑のための既存の理論で、摩擦力の減少率（％）は、87ミリメートル/秒でダウン29％の摩擦力低減のために、速度を向上させると共に減少します。摩耗の減少は考え3速度で（49％）は、本質的に一定のままです。

ここに提示された代表測定値は、図1に示す変形摩擦計から得た。圧電アクチュエータ22キロヘルツの周波数で2.5ミクロンの振幅で振動を発生させます。摩擦の依存性を研究し、線速度の低下を着用するために、3つの異なる速度（20.3、40.6、および87ミリメートル/秒）は、モータの回転速度を変更することにより、ディスクに適用しました。すべての3つのグループの場合、ディス?...

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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.

圧電支援摩擦計と光プロフィルを用いた超音波潤滑の実験

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 ビュー.  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. 

ビデオ: 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.

リチウムイオン電池のコイン細胞の構築とテスト

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

工学

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.

ファイバー描画法を用いたメタマテリアルの作製

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.

ナノ粒子の光トラッピング

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.

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

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.

先進ライトソースで難実験：すす生成プロセスに新たな洞察

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.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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.

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

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.

マルチコアファイバーブラッググレーティングを書きます

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.

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

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.

超音波疲労引張圧縮モードでのテスト

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 ...