Os autores gostariam de agradecer Tim Krantz da NASA Glenn e Duane Detwiler da Honda R &amp; D para o seu apoio técnico e contribuições em espécie. O apoio financeiro para esta pesquisa foi fornecido pelas organizações membros da Conceitos Centro Inteligente de Veículos (www.SmartVehicleCenter.org), um Science Foundation Indústria / Universidade Cooperativa Centro Nacional de Pesquisa (I / UCRC). SD é suportado por um Smart Veículos Conceitos Graduate Fellowship e uma bolsa de estudo da Universidade de The Graduate School da Universidade Estadual de Ohio.

1. Desenvolvimento do tribômetro Modificado <ol><li> Instale subsistema chuck-motor. <ol><li> Nível mesa de isolamento de vibração. Coloque motor DC sobre a mesa; nivelar o motor com calços e corrigi-lo com suportes e parafusos. Coloque estrutura de suporte em torno do motor. </li><li> Conecte eixo estriado ao eixo do motor usando uma chave. Colocar a placa de suporte na estrutura com o eixo estriado indo através do orifício na placa. Set empurrou rolamento de agulha-rolo na placa de apoio e em torno do eixo estriado. Lubrificar o rolamento com fluidos de corte. </li><li> Ligue o eixo estriado ao mandril por meio de uma placa de adaptação, que tem um eixo estriado de acoplamento de um lado e do padrão de parafuso do mandril, por outro lado. Neste ponto, o mandril é suportada pelo quadro através do rolamento de impulso e ligado ao motor através da placa de adaptador. </li></ol></li><li> Instale o conjunto gymbal. <ol><li> Construir a estrutura de suporte usando struts U-canal, suportes, eparafusos. Use quatro struts longas como pilares, e utilizar três mais curtos como vigas transversais. </li><li> Prenda os quatro pilares para a tabela de isolamento de vibração usando suportes e parafusos. Conecte o conjunto gymbal à travessa meio usando parafusos e porcas. </li><li> Instalar uma célula de carga orientada a horizontalmente na montagem gymbal; rigidamente ligar um lado da célula de carga para a estrutura de montagem gymbal, quando se ligar o outro lado para o braço gymbal com um fio. </li></ol></li><li> Monte o atuador piezoelétrico. <ol><li> Insira 3 em haste longa, totalmente-threaded através do furo da pilha piezoelétrico; colocar uma lavadora e uma porca em cada extremidade da pilha; deixar cerca de 1/8 de segmento em que sobressai da extremidade de uma porca. </li><li> Apertar as porcas em ambas as extremidades para criar uma pré-carga na pilha. Ligue os longos, roscas expostas ao braço gymbal usando porcas e anilhas. Porca de bolota rosca na outra extremidade do disco piezo-actuador e inserção no mandril (esta porca bolotae disco são utilizados para fins de set-up, não para o teste). </li><li> Ajustar a altura do conjunto gymbal de modo que a porca de bolota está em contacto com a parte superior do disco e o braço é gymbal nível. </li><li> Ajustar a posição do conjunto gymbal de modo que o ponto de contacto entre a porca de bolota e o disco é cerca de 25 mm de distância do centro de rotação do disco. Aperte todos os parafusos no set-up para garantir a estabilidade. </li></ol></li><li> Configure geração de sinal, amplificação de sinal, e os subsistemas de aquisição de dados. <ol><li> Conecte sistema de aquisição de dados para um computador do laboratório. Ligue a saída do gerador de sinal para a entrada de um amplificador eléctrico. Ligar a saída do amplificador de entrada com os fios de a pilha piezoeléctrica. Ligue os monitores amplificadores para o sistema de aquisição de dados. </li><li> Conecte-se a célula de carga para um condicionador de sinal, e em seguida, conecte a saída do condicionador de sinal para o sistema de aquisição de dados. </li></ol></li><li> Set-up adicional.<ol><li> Ligue a mangueira de ar do ar para fazer compras. Fixar a extremidade da mangueira para o quadro de tal modo que os seus pontos de saída do actuador piezo. Tape o ponta do termopar ao actuador piezo. Conecte os cabos de termopares para leitor; pendurar o leitor sobre o quadro. </li></ol></li></ol> 2. Preparação de Pré-ensaio <ol><li> Calibrar a velocidade de rotação do motor. <ol><li> Anexar íman para a borda do mandril. Lugar sonda de efeito Hall perto do chuck. Ligue a saída da sonda de efeito de Hall para gaussmeter que está ligado ao sistema de aquisição de dados. </li><li> Abra o software de aquisição de dados e começar a aquisição de dados. Ligue o motor; gire o botão de velocidade do controlador do motor a 10 (a mais baixa velocidade de rotação do motor fornece). Depois que o motor gira em 10 rotações, desligue o motor. Termine de aquisição de dados. </li><li> Analisar os dados guardados; o tempo entre dois picos do sinal de saída a partir do gaussmeter é o tempo para o motor a apodrecerComeram uma revolução completa. </li><li> Rode o botão de 10 a 100 (a mais alta velocidade de rotação do motor fornece) em incrementos de 10; repita os passos 2.1.2 a 2.1.3. </li></ol></li><li> Coloque almofada sensor de carga entre a porca de bolota e o disco para medir a força normal na interface. Máquina finamente superfície de discos de teste usando um torno mecânico. </li><li> Limpe a porca de bolota e do disco a ser testado imediatamente antes do teste. <ol><li> Colocar luvas de plástico e enfrentar mask.Prepare peças de toalhetes de laboratório; dobrá-los em 1 polegada quadrada. Spray de etanol sobre os quadrados de tecido; limpe a superfície da porca de bolota e disco com eles. </li></ol></li><li> Instale a porca bolota limpo e disco. <ol><li> Passe a porca de bolota para o piezo-atuador, aperte-a com uma chave de boca. Insira o disco no mandril; ajustar a posição para assegurar que a ponta da porca de bolota está em contacto com a superfície do disco. </li><li> Alinhar a superfície superior do disco e o braço gymbal. Aperte o mandril de modoque o disco é mantido firmemente. </li></ol></li><li> Meça a excentricidade da rotação do disco. <ol><li> Instale sensor de deslocamento a laser em um dispositivo elétrico, e coloque a fixação junto à tribômetro. Ajustar a altura e o ângulo do sensor, de modo que o disco está dentro do alcance do sensor e o feixe de raios laser é perpendicular ao disco. </li><li> Ligue a saída do sensor para o sistema de aquisição de dados. Iniciar a aquisição de dados. Ligue o motor e rode o disco de 10 rotações; desligar o motor. Termine de aquisição de dados. </li></ol></li></ol> 3. Execute Testing <ol><li> Testes com vibrações ultra-sônicas. <ol><li> Cair 2 N em peso de um gancho que se conecta ao braço gymbal através do fio e duas polias. O peso é utilizada para aplicar uma carga normal entre a porca de bolota e o disco. </li><li> Pendurar outra peso 2 N no outro gancho que se conecta ao braço gymbal para fornecer uma pretensão horizontal para a célula de carga. </li><li> Defina o sinalgerador para fornecer um sinal sinusoidal contínuo com DC offset, de 3 V, amplitude de 3 V, e frequência de 22 kHz (a frequência de ressonância do piezo-atuador). Note-se que o 3 V de deslocamento é utilizado para evitar a tensão no actuador piezo. </li><li> Comece aquisição de dados (reduzida força de atrito). Ligue o amplificador e gire o botão de ganho para 15, o que corresponde a um ganho real de 4,67 (os números sobre o botão de ganho são arbitrários). </li><li> Ligue o motor; definir a velocidade de rotação de 6,67 rpm, para proporcionar uma velocidade linear de 20,3 mm / seg. Executar o ensaio durante 4 h. </li><li> Desligue o motor e amplificador, e, em seguida, parar a aquisição de dados. Remova a porca de bolota testado e disco a partir do set-up; Repita os passos 2.3 a 2.5 para instalar a nova porca de bolota e disco. </li><li> Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6. No passo 3.1.5, ajustar a velocidade de rotação de 13.3 rpm e 28,7 rpm para proporcionar velocidades lineares de 40,6 mm / s e 87 mm / s, respectivamente; executar os testes para 2 e 0,94 hr correspondingly. </li></ol></li><li> Ensaios sem vibrações ultra-sônicas. <ol><li> Repita o passo 3.1.6 para mudar porcas de bolota e discos. Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6 com o amplificador e gerador de sinal de sinal de desligado (o atrito é medido atrito intrínseco). </li></ol></li></ol> 4. Medidas Optical profilômetro <ol><li> Preparação de Medição <ol><li> Limpe os discos imediatamente antes de uma medição com o passo 2.3. Faça oito marcas distribuídas uniformemente ao redor da borda do disco. Abra o software profilometer. </li><li> Elevar o cristalino, de modo que há uma folga suficiente entre a plataforma e lentes amostra. Nivelar a plataforma amostra. Coloque um pedaço de laboratório limpe na plataforma. </li><li> Com cuidado, colocar a amostra no topo do tecido com uma das oito marcas voltados para a frente do perfilómetro. </li></ol></li><li> Configurações de medição. <ol><li> Escolha VSI (Vertical-Scanning Interferometria) como o tipo de processamento. Selecione lente 5X paragrande campo de visão e forma global. Escolha 0.55X ampliação para uma área de digitalização de 1,8 mm por 2,4 mm. </li><li> Escolha 1X velocidade de verificação. Definir faixa de varredura para -100 m para 100 m. Traga a lente para baixo em direcção a amostra até que haja uma imagem desfocada na tela. Ajuste a altura da lente até que a imagem é clara. </li><li> Escolha 2 como o número de varrimentos para calcular a média para cada medição. Clique no botão de medição. </li></ol></li><li> Procedimentos pós-medição. <ol><li> Use a receita visão que definido no software para corrigir a imagem crua para a inclinação de toda a amostra. Abrir a caixa de ferramentas de análise no software. </li><li> Obter os valores de rugosidade medidos a partir do &quot;Estatísticas Básicas&quot; item. Obter a perda de volume medido da marca de desgaste dentro da área de digitalização a partir do item &quot;Volume&quot;. </li><li> Guardar as imagens dos perfis 1D em X e Y instruções, o perfil 2D, o perfil 3D, bem como a tabela de valores de rugosidade. Rode o amostra até the próxima marca voltada para a frente do profilometer. </li></ol></li><li> Repita os passos de 4,2-4,3 para os restantes 7 marcas. </li><li> Repita os passos 4.1. para 4,4 em todos os seis discos. </li></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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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. 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The authors have nothing to disclose.

As experiências foram realizadas usando este protocolo para estudar o efeito da velocidade linear na redução de atrito e desgaste de ultra-sons. As medições mostram que vibrações ultra-sônicas efetivamente reduzir o atrito eo desgaste em três velocidades lineares. Consistente com as observações anteriores, a quantidade de redução de atrito diminui de 62,2% a 20,3 mm / s a ​​29,3% a 87 mm / seg. Redução do desgaste é desprezível com a mudança de velocidade linear (45,8% para 48,6%). <p class="jo...

Existe atrito na interface de duas superfícies de contacto quando elas deslizam ou rolo em relação à outra. Friction geralmente ocorre junto com o desgaste abrasivo ou adesivo. 1 Ultrasonics é a ciência por trás dos fenômenos de alta freqüência, ou seja, as ondas viajando em frequências superiores a faixa acústica (20 kHz). O campo de ultra-som abrange dois regimes fundamentalmente diferentes. Um regime envolve ondas de baixa intensidade, como os utilizados em processos de imagem, como ultra-som médico ou inspeção não destrutiva de estruturas. O outro é um regime de alta energia em que as ondas de alta energia são utilizados para executar ou auxiliar processos de engenharia, tais como solda de plásticos e metais. Tem sido demonstrado que a aplicação deste último tipo de vibrações ultra-sónicas na interface das duas superfícies em contacto deslizante reduz a força de atrito na interface eficaz. Este fenômeno é conhecido como lubrificação de ultra-som. Alcançarlubrificação de ultra-som entre dois objetos de correr, de vibração em relação a freqüências ultra-sônicas deve ser estabelecida entre eles. As vibrações são tipicamente aplicados a um dos dois objectos, quer nas direcções longitudinal, transversal, ou direcção perpendicular em relação à velocidade de deslizamento. Neste estudo, um pino de tribômetro está equipado com um actuador piezoeléctrico, de modo que a sua ponta vibra na direcção perpendicular ao disco rotativo da tribômetro. Materiais piezoelétricos são uma classe de materiais &quot;inteligentes&quot; que deformam quando expostos a campos elétricos, vibrando na mesma freqüência que o campo de excitação. Materiais piezoelétricos podem vibrar em frequências bem para a faixa de MHz. Sendo sobreposta à velocidade macroscópica, vibrações ultra-sónicas têm o efeito de alternando o sentido da força de atrito e instantânea do contacto entre as superfícies que, em combinação conduz a uma redução da força de atrito e de desgaste de superfície efectiva. </p&gt; Redução de atrito de ultra-sons tem sido demonstrada em sistemas de fabrico práticas. Por exemplo, esta tecnologia tem sido utilizada para diminuir a força entre a ferramenta ea peça de trabalho em metais e processos tais como a perfuração, prensagem, a folha de laminação, e de trefilação de arame de formação. Os benefícios incluem melhor acabamento de superfície 2 e uma menor necessidade de detergentes caros e ambientalmente prejudiciais para remover lubrificantes a partir do produto final. Há potenciais aplicações de lubrificação de ultra-sons em outras áreas também. Por exemplo, lubrificação de ultra-som pode melhorar substancialmente a experiência do usuário em produtos de cuidados de saúde pessoais, eliminando a necessidade de lubrificantes ou revestimentos. Em aplicações automotivas, a modulação atrito pode melhorar o desempenho das juntas de bola que a redução de atrito entre assentos de veículos e trilhos facilita o movimento do assento, economizando espaço e massa que poderiam ser ocupados por componentes e meca tradicionaisSMS. Lubrificação ultra-som pode também ajudar a melhorar a eficiência do combustível, reduzindo o atrito no sistema de motorização e de suspensão. 3 em aplicações espaciais, onde os lubrificantes tradicionais não podem ser utilizados, de lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados para reduzir o desgaste e dramaticamente prolongar a vida de componentes críticos. Demonstrações laboratoriais de redução de atrito através de lubrificação de ultra-som são numerosos. Redução de atrito é quantificada como a diferença entre a força de atrito medido sem lubrificação de ultra-sons e a força de atrito, com vibraes ultra-sicas aplicadas. Em ambos os casos, a força de atrito é medido directamente com sensores de força. Littmann et al. 4-5 ligado um atuador piezoelectricamente-driven a um slider, em que um sensor de força e um quadro foram instalados para medir forças de atrito e aplicação de cargas normais. Um actuador pneumático foi empregado para empurrar o cursor em conjunto com o actuador ao longo de um trilho de guia. Ultrasonaresvibrações c foram aplicada no sentido longitudinal para a velocidade de deslizamento. Bharadwaj Dapino 6-7 e realizou experiências semelhantes usando um actuador piezoeléctrico pilha ligada a um guia de ondas cónica em cada extremidade da pilha. Contactos entre as extremidades esféricas dos cones e a superfície do carril de guia. Foram estudados os efeitos de parâmetros do sistema, tais como contato rigidez, carga normal, e rigidez global. Kumar e Hutchings 8 instalado um pino em um sonotrode que foi energizado por um transdutor de ultra-som. Vibrações ultra-sónicas foram gerados e transmitidos para o pino, que foi colocado em contacto com uma superfície de aço da ferramenta. Força normal foi aplicada por um cilindro pneumático e medidos por uma célula de carga. O movimento relativo entre o pino e o disco foi criado por uma mesa de movimento alternativo. Pohlman e Lehfeldt 9 também implementou um experimento pin-on-disco. Ao contrário de outros estudos, empregaram um magnetostrictive transdutor para gerar vibrações ultra-sônicas. Para estudar a direcção óptima para redução de atrito de ultra-sons, o transdutor foi cuidadosamente alinhados de modo que a direcção de vibração foi longitudinal, transversal e vertical para a velocidade macroscópica. Eles estudaram redução de atrito ultra-som em ambas as superfícies secas e lubrificadas. Popov et al. 10 utilizaram um actuador com guias de onda cônicos. O actuador foi colocado em contacto com uma placa de base rotativa. Foram adotadas cones feitos de nove materiais com diferentes durezas para estudar a influência da dureza do material em redução de atrito ultra-sônica. Dong e Dapino 11-13 utilizado um transdutor piezoeléctrico para gerar e transmitir vibrações ultra-sónicas a uma guia de onda prismático com bordos arredondados. A vibração longitudinal provoca vibração vertical devido ao efeito de Poisson. Um controle deslizante com um topo curvo foi colocado sob e em contacto guia de ondas. Um quadro foi construído para aplicar forças normais na interface de contato. Tele deslizante foi puxada manualmente em torno da área central da guia de onda; a força de atrito foi medido por uma célula de carga que foi conectado ao cursor. Redução desgaste induzido por ultra-sons também foi investigado e demonstrado. Perda de volume, perda de peso, e a rugosidade da superfície mudanças são utilizadas para quantificar a gravidade da wear.Chowdhury e Helali 14 vibrado um disco rotativo numa configuração de pino-no-disco. As vibrações foram gerados por uma estrutura de suporte de duas placas paralelas localizadas sob o disco rotativo. A placa de topo tem uma bola esférica instalada fora do centro na superfície inferior, que desliza numa ranhura que foi gravada na superfície superior da placa de fundo. A ranhura foi maquinada com uma profundidade variável periodicamente de modo que a placa de topo move-se verticalmente durante a rotação. As freqüências variou em torno de 100 Hz de acordo com a velocidade de rotação. Bryant e Iorque 15-16 estudaram o efeito de micro-vibrações em wredução da orelha. Eles inserido um cilindro de carbono através de um suporte com uma extremidade repousava sobre um disco de aço de fiação e a outra extremidade ligada a uma mola em espiral. Em um caso, o cilindro foi confortável montado no suporte de modo que não há espaço para vibração. Em outros casos, as folgas foram deixados para permitir que as micro-vibrações do cilindro, enquanto o cilindro foi em contacto com o disco rotativo. A perda de peso do cilindro foi medida para calcular a taxa de desgaste. Foi demonstrado que as auto-gerado micro-vibrações ajudou a reduzir o desgaste em até 50%. Goto e Ashida 17-18 aprovou também um experimento de pin-on-disco. Eles conectado amostras pino com um transdutor através de um cone cônico e um chifre. O pino vibrado na direcção perpendicular à superfície do disco. A massa foi ligado ao transdutor na sua parte superior para a aplicação de cargas normais. Forças de fricção foram traduzidas a partir dos binários que foi aplicado para rodar o disco. Desgaste foi identificado como adesivo, porque ambospin e disco foram feitas de aço carbono. Taxas de desgaste foram calculados a partir de medições de perda de volume. Demonstrou-se que a velocidade linear desempenha um papel importante na lubrificação de ultra-sons. O componente experimental desta pesquisa centra-se na dependência de redução de atrito e desgaste em velocidade linear.

<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

Atrito e desgaste são prejudiciais para sistemas de engenharia. Lubrificação ultra-som é conseguido quando a interface entre duas superfícies de deslizamento é feito vibrar a uma frequência acima da gama acústica (20 kHz). Como uma tecnologia de estado sólido, a lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados onde os lubrificantes convencionais são impraticáveis ​​ou indesejável. Além disso, a lubrificação de ultra-sons permite a modulação eléctrica do coeficiente de atrito eficaz entre duas superfícies deslizantes. Esta propriedade permite que os sistemas adaptativos que modificam seu estado de atrito e resposta dinâmica associada como a mudança condições de funcionamento. Desgaste da superfície pode também ser reduzido através de lubrificação de ultra-som. Nós desenvolvemos um protocolo para investigar a dependência da redução da força de atrito e desgaste redução na velocidade de deslizamento linear entre superfícies ultra-som lubrificadas. Tribï¿½etro pino-no-disco foi construído a partir de unidades que difere comerciais em que uma pilha piezoeléctrica é utilizado para vibrar o pino a 22kHz normal à superfície do disco rotativo. O atrito eo desgaste métricas incluindo a força efectiva de atrito, perda de volume, e a rugosidade da superfície são medidos com e sem vibrações ultra-sónicas a uma pressão constante de 1 a 4 MPa e três velocidades de deslizamento diferentes: 20.3, 40.6, e 87 mm / seg. Um perfilometria óptica é utilizada para caracterizar as superfícies de desgaste. A força de atrito eficaz é reduzida em 62% a 20,3 mm / seg. De forma consistente com as teorias existentes para lubrificação de ultra-som, a redução percentual na força de atrito diminui com o aumento da velocidade, até 29% de redução de força de atrito a 87 mm / sec. Redução do desgaste permanece essencialmente constante (49%) com as três velocidades consideradas.

As medições representativas aqui apresentados foram obtidos a partir do tribômetro modificado, apresentado na Figura 1. O actuador piezoeléctrico gera vibrações com amplitude de 2,5 um a uma frequência de 22 kHz. Para estudar a dependência de atrito e desgaste redução na velocidade linear, três velocidades diferentes (20,3, 40,6, e 87 mm / seg) foram aplicados ao disco, alterando a velocidade de rotação do motor. Para todos os três grupos, o número de rotações do disco e a distância do...

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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.

Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

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 visualizações.  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. 

Vídeo: 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.

Construção e Teste de Pilhas da moeda de baterias de lítio

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

Engenharia

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.

Os metamateriais usando o método de fabricação Desenho de 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.

Captura óptica de nanopartículas

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.

Caracterização de modificações superficiais por interferometria de luz branca: Aplicações em Ion Sputtering, ablação por laser, e as experiências 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.

Experimentos chama na fonte luminosa avançada: novos insights sobre processos de formação de fuligem

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.

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

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.

Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

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.

Escrevendo redes de Bragg em fibras 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.

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização

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.

Fadiga ultra-sônico de teste no modo de tensão-compressão

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 ...