Amplitudenvariation als neue sensorische Dimension in der akustischen Analytik

König, Rebekka

Verschleiß und Reibung an Kontakten zwischen rauen Oberflächen (Multi- Kontakt-Grenzflächen) spielen in der Technik eine wichtige Rolle. An di esen Grenzflächen hat man es mit einer Vielzahl von Kontakten zu tun, welche nicht elastisch unabhäng ig voneinander sind und welc he weiterhin in Größe und Festigkeit variieren. Diese Komplikatione n machen die Untersuchung von Multi-Kontakt- Grenzflächen zu einer Herausforderung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Schwingquarzmikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM) als akustisches Messgerät für tribologische sowie mikr ofluidische Untersuchungen genutzt. Der Fokus lag auf der Variation der Scheramplitude. Durch ei ne Weiterentwicklung des Messaufbaus konnte die Scheramplitude um das Fünffache und die Normalkr aft bzw. der Druck um das Zehnfache gesteigert werden. Die betreffenden Entwicklungen ermögliche n Messungen auf verschiedenen Obertönen. Die auftretenden nicht-linearen Effekte konnten beobachte t und quantifiziert werden; Kontaktsteifigkeit und Reibungskoeffizient wurden bestim mt. Bezüglich des Reibungskoeffizienten wurden charakteristische Unterschiede zwischen Multi-Kont akt-Grenzflächen und Einzelkontakten gefunden. Für Multi-Kontakt- Grenzflächen steigt der Reibungskoeffizient mit stei gender vertikaler Last, während bei Einzelkontakten das gegenteilige Verhalten beobachtet wird. Der für den Einzelkontakt schon bekannte Partial-S lip-Mechanismus unter oszillatorischer Belastung wurde auch bei Multi-Kontakt-Grenzflächen ge funden. Die verwendeten Testkörper waren aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt und wiesen Raui gkeiten auf der Mikrometer-Skala auf. Unter kleinen Scherauslenkungen findet im Ra ndbereich eines Kontakts der soge nannte „Partial Slip“ statt. Die Scheramplitude kann solange erhöht werden, bis ein vollständiges Abgleiten eintritt („Gross Slip“). Zusätzlich konnte an rauen Oberflächen ei n Reibverschleiß aufgezeigt werden. In einem zweiten Teil der Arbeit konnte nachgewi esen werden, dass sich Quarzresonatoren in Flüssigkeiten unter hohen Scheramplituden aufg rund der auftretenden Biegemoden als Pumpe verwenden lassen. Die stetige tangentiale Strömung ge ht auf den nicht-linearen Term der Navier-Stokes- Gleichung zurück. Diese Strömung spielt vermutliche eine entscheidende Rolle bei den in der Literatur berichteten Ablösevorgängen von Bioa dsorbaten bei hohen Scheramplituden.

The contact stiffness and c ontact strength at in terfaces between rough surfaces are of outstanding relevance in many different fiel ds, including mechanical engineering, bio- lubrication, and tech nical tribology. Individual sphere-plate contac ts have been previously inve stigated with a QCM and it was found that the contact stiffness can be inferred from the frequency shift, which is positive because the contact increases the overall stiffness of the composite resonator. At elevated amplitudes of oscillation, the apparent contact stiffness decreases because of partial slip. Partial slip (also: “microslip”) describes the s ituation, where a contact pa rtly sticks and partly slips. Sticking mostly is observe d in the center. Slip is found at the edges, where the local stress is large. This work describes the extension of this work to multicontact interfaces as well as new results which were found for single contacts . Generally speaking, multicontact interfaces differ from individual contacts by a broad distri bution of contact sizes and contact strengths and an elastic coupling between neig hboring load-bearing asperities. Different materials (aluminum, PMMA) and different characterist ic scales of roughness (all in the range of many microns) were studied. The main focus is on polymer surfaces, which were treated with abrasive paper. A novel geometr y, where the resonator is symmetrically loaded with the same type of sample from both sides, allowed to increase normal forces by a factor of 10 compared to previous experiments. The second part was the study of steady flows of liquids above the surface of a quartz crystal microbalance (QCM), while the oscillation amplitude exceeded 10 nanometers. The flow occurs parallel to the displacement vector and is directed towards the center of the plate. These novel results can be applied in acousti c sensing, microfluidics and micromechanics.

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König, Rebekka: Amplitudenvariation als neue sensorische Dimension in der akustischen Analytik. 2015.

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