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Hochfrequenz-Kontaktmechanik mit der Schwingquarz-Mikrowaage

Die Schwingquarz-Mikrowaage wird normalerweise zum Studium von dünnen Schichten und Adsorbaten aus der flüssigen Phase eingesetzt.  Wenn statt dünner Schichten Punkt-Kontakte vorliegen (Abb. 1), verhalten sich Schwingquarze anders als unter Schicht-Beladung.  Erstens ist die Frequenz-Verschiebung positiv.  Zweitens kommt es an der Kontakt-Stelle zu einer Spannungs­konzentration und in der Folge zu nicht-linearen Kraft-Verschiebungs-Relationen.  Am einfachsten kann man diese Nichtlinearitäten über eine Amplituden-Abhängigkeit der Frequenz-Verschiebung nachweisen und studieren.1  Einige der Ergebnisse kann man als einen graduellen Übergang von Haft-Reibung zu Gleit-Reibung verstehen.

In einem DFG-Projekt werden diese Ansätze vertieft.  Arbeits-Schwerpunkte sind:

  • Untersuchung von Third-Harmonic-Generation2 zur Quantifizierung von Nichtlinearitäten auf der Nanosekunden-Skala.
  • Studium von Nichtlinearitäten auf der Millisekunden-Skala mittels Intermodulations-Spektroskopie3.
  • Identifikation der verschiedenen Beiträge zu den Nichtlinearitäten
    (Mikroschlupf, Erwärmung, Verschleiß, Rollreibung/Gleitreibung, …).
  • Eine Untersuchung, ob „shake-down“4 (also eine Abnahme der Energie-Dissipation im Laufe der Zeit) auch bei oszillatorischer reibender Belastung beobachtet wird.
  • Etablierung dieser Methodik, um auch weiche Schichten (wie z.B. Bio-Adsorbate) nichtlinear zu charakterisieren (Abb. 1).
Abb. 1: Wenn man einen weichen Film von der anderen Seite mit der Kugel belastet, wird er damit zum Schmiermittel. Man erzeugt sekundär einen Punktkontakt. Die tribologischen Eigenschaften des Films geben Aufschluss über seine Struktur und Funktionalität.
  1. Hanke, S.; Petri, J.; Johannsmann, D., Partial slip in mesoscale contacts: Dependence on contact size. Physical Review E 2013, 88, (3), 032408.
  2. Ghosh, S. K.; Ostanin, V. P.; Johnson, C. L.; Lowe, C. R.; Seshia, A. A., Probing biomolecular interaction forces using an anharmonic acoustic technique for selective detection of bacterial spores. Biosensors & Bioelectronics 2011, 29, (1), 145-150.
  3. Hutter, C.; Platz, D.; Tholen, E. A.; Hansson, T. H.; Haviland, D. B., Reconstructing Nonlinearities with Intermodulation Spectroscopy. Physical Review Letters 2010, 104, (5).
  4. Klarbring, A.; Ciavarella, M.; Barber, J. R., Shakedown in elastic contact problems with Coulomb friction. International Journal of Solids and Structures 2007, 44, (25-26), 8355-8365.
 

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