Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

Dieses Verfahren zielt darauf ab, Metamaterialien kostengünstig in einem potenziell industriellen Maßstab herzustellen. Stellen Sie zunächst das PMMA-Ummantelungsrohr in der Primärziehung her. Geben Sie dann das Indium in das Loch und ziehen Sie die mit Indium gefüllte Faser mit einem primären Ziehverfahren.

Montieren Sie das gestapelte Indio, den gefüllten Preform und ein Knie in einem 90 Grad Celsius heißen Ofen. Fahren Sie mit einem zweiten Ziehvorgang fort, um die mit gestapeltem Indium gefüllte Vorform in eine Faser zu ziehen. Die resultierenden Metamaterialien enthalten Drähte von fünf Mikrometern im Abstand von 50 Mikrometern, die kostengünstig im potenziell industriellen Maßstab hergestellt werden können und eine plasmonische Reaktion im Terahertz-Frequenzbereich aufweisen.

Andere Methoden zur Herstellung von Metamaterialien, wie z. B. Lithografie-, Nano- und Mikrofabrikationstechniken, sind teuer und können Proben erzeugen, die meist wenige Zentimeter groß sind. Der Hauptvorteil unserer Technik besteht darin, dass wir Hunderte von Metern Metamaterialien in Faserform herstellen können. So können wir wichtige Fragen im Feld beantworten, wie z.B. die Machbarkeit von Metamaterialien und technologisch und praktisch relevante Mengen.

Die Methode, die wir hier demonstrieren, liefert Metamaterialien mit einer plasmonischen Reaktion im Te Hertz. Der Prozess kann prinzipiell auf die Nanoskala herunterskaliert werden, was zu Metamaterialien mit einer Reaktion im sichtbaren Spektrum führt. Die Inspiration für diese Methode waren unsere früheren Arbeiten zum Ziehen von Fasern mit internen Elektroden zur Herstellung elektrooptischer Modulatoren.

Wir haben kürzlich festgestellt, dass diese Technik erheblich erweitert werden kann, um Metamaterialien herzustellen. Die Herstellung von Metamaterialien durch das Ziehen von Vorformen aus gestapelten, mit Indien gefüllten Fasern ist schwer zu erlernen. Wir hoffen, dass diese visuelle Demonstration zeigt, wie die verschiedenen Elemente aussehen und welche Bedingungen erforderlich sind, um diese komplexen Strukturen bis in den Mikrometermaßstab zu zeichnen.

Luin, Ingenieur, und Alessandro T., Doktorand aus unserer Forschungsgruppe, werden diesen Prozess demonstrieren. Diese Herstellungsmethode von Metamaterialien umfasst zwei Ziehstufen, wobei jede Stufe eine Miniaturisierung beinhaltet. Ein makroskopisches Objekt, das als Vorform bezeichnet wird, indem es in einem Ofen in ein Filament gezogen wird.

Das Primärziehverfahren wird verwendet, um Preforms bis zu einem Außendurchmesser von mehr als einem Millimeter zu dehnen oder zu sleeven. Verwenden Sie als Richtlinie die primären Zeichnungsbedingungen in Tabelle eins des Begleittextes So laden Sie die Vorform auf den Ziehturm. Klemmen Sie die obere Verlängerung an das Dreibackenfutter, führen Sie den Preform in die heiße Zone des Ofens ein und richten Sie ihn mit dem XY-Mikrometertisch aus.

Schließen Sie dann die obere Platte des Ofens. Erhöhen Sie die Temperatur auf 185 Grad Celsius. Beginnen Sie den Vorschub bei fünf Millimetern pro Minute.

Ziehgeschwindigkeit bei sechs Millimetern pro Minute und schließen Sie die Zieheinheitenklemmen. Überwachen Sie das Verhalten der Zugspannung im Laufe der Zeit. Wenn es sich um einen Schlauch handelt, ist ein Vakuum erforderlich.

Befestigen Sie ein Vakuumrohr mit blauem Heft an der vakuumversiegelten oberen Preform-Verlängerung. Starten Sie die Vorschub- und Zieheinheiten und wenden Sie dann ein Vakuum an, überwachen Sie die Ofentemperatur und das Verhältnis zwischen Vorschub- und Ziehgeschwindigkeit, um den Außendurchmesser und die Ziehspannung konstant zu halten. Brunnen. Das Ummantelungsrohr aus Polymethylmethacrylat, das zur Strukturierung des einen Millimeter großen Indiumdrahtes verwendet wird, wird durch Strecken und Schläuchen hergestellt.

Standard-PMMA-Rohre im Primärziehverfahren zur Herstellung eines endgültigen PMMA-Mantelrohrs von einem Millimeter Durchmesser und einem Außendurchmesser von 12 Millimetern. Schneiden Sie zunächst 600 Millimeter lange PMMA-Rohre mit einem Innendurchmesser von sechs Millimetern und einem Außendurchmesser von 12 Millimetern. Bereiten Sie mehrere PMMA-Schläuche für die zukünftige Verwendung während des Schlafvorgangs vor.

Legen Sie die PMMA-Rohre für mindestens fünf Tage bei 90 Grad Celsius in einen Glühofen. Nachdem die Anil-Röhrchen auf Raumtemperatur abgekühlt sind, reinigen Sie die Oberfläche des PMMA-Röhrchens mit Isopropanol-Tüchern und lassen Sie es trocknen. Befestigen Sie anschließend das PMMA-Rohr mit reflektierendem Klebeband an der oberen Verlängerung.

Befestigen Sie das PMMA-Rohr auch an der primären Schubbodenverlängerung. Nun ziehen wir das PMMA-Rohr von einem Außendurchmesser von 12 Millimetern auf sechs Millimeter in dem zuvor gezeigten primären Ziehverfahren. Crimpen Sie eine Seite des resultierenden Rohrs mit einer Heißluftpistole und führen Sie es in ein neues PMMA-Rohr ein.

Um die PMMA-Rohrbaugruppe zu erstellen, dichten Sie den unteren Spalt zwischen dem gedehnten Rohr und der neuen PMMA-Rohrbaugruppe ab. Befestigen Sie mit PTFE-Klebeband das obere Ende der PMMA-Schlauchbaugruppe mit einer inneren Schicht aus Klebeband, einer mittleren Schicht aus PTFE-Band und einer äußeren Schicht aus reflektierendem Klebeband an der oberen Verlängerung. Stellen Sie sicher, dass das PTFE-Band dicht ist und alle Lücken zwischen den beiden PMMA-Baugruppen und der oberen Verlängerung abgedichtet sind, Stretch und Hülse.

Die resultierende PMMA-Rohranordnung ergibt sich im Primärziehprozess unter Vakuum, wie zuvor gezeigt, von einem Außendurchmesser von 12 Millimetern bis sechs Millimetern, woraus sich ein Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser von etwa 0,25 ergibt. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das endgültige PMMA-Ummantelungsrohr ein Innen- zu Außendurchmesserverhältnis von ca. 0,1 bei einem Innendurchmesser von einem Millimeter aufweist. Das Sekundärziehverfahren wird verwendet, um Preforms auf einen Außendurchmesser von weniger als einem Millimeter zu dehnen.

Wenn die Ziehtemperatur erreicht ist, beginnt der Preform aufgrund des Gewichts des unteren Extenders aus dem Ofen zu fallen. Mit der anfänglichen Ziehkraft beginnen Sie die Vorschubgeschwindigkeit bei 2,5 bis fünf Millimetern pro Minute und erhöhen zunächst die Ofentemperatur auf 170 Grad Celsius. Erhöhen Sie dann langsam die Temperatur um 2,5 bis fünf Grad Celsius bis zu 220 Grad Celsius.

Um die Geschwindigkeit des Dropdowns zu steuern, halten Sie den Faserdurchmesser bei etwa 250 bis 500 Mikrometern. Um ein Reißen der Faser zu verhindern, befestigen Sie die Faser am Spillrad, das sich mit einer langsamen Geschwindigkeit von weniger als einem Meter pro Minute dreht. Wickeln Sie die Faser um die Tänzerräder und befestigen Sie sie an der Faserspule.

Verwenden Sie die sekundären Ziehbedingungen im begleitenden Manuskript als Richtlinie, um die stationären Ziehbedingungen und die endgültigen Faserabmessungen zu erhalten. Um den Außendurchmesser und die Ziehspannung konstant zu halten, überwachen Sie die Ofentemperatur und das Verhältnis zwischen Zulauf- und Ziehgeschwindigkeit. Der ein Millimeter lange Indiumdraht wird nun im Sekundärziehverfahren im Sekundärziehverfahren in das PMMA-Ummantelungsrohr gesleevt und gedehnt, um eine mit Indio gefüllte Faser ohne einen Durchmesser von einem Millimeter herzustellen. Den Indiumdraht auf Längen von 550 Millimetern zuschneiden und in das PMMA-Ummantelungsrohr einführen, um die mit Indium gefüllte Preform-Baugruppe zu erstellen, die gefüllte Preform-Baugruppe im Sekundärziehprozess mit Vakuum dehnen und umhüllen, um eine mit Indio gefüllte Faser herzustellen. einen endgültigen Außendurchmesser. Ein Millimeter unter 15 bis 20 Gramm Zugkraft gezogen.

Nachdem der Ziehvorgang abgeschlossen ist, entfernen Sie die Spule mit der mit Indium gefüllten Faser aus dem Turm, inspizieren Sie die Stirnfläche und entlang der Längslänge der mit Indio gefüllten Faser unter einem Lichtmikroskop. Zu den problematischen Defekten gehören die Trennung zwischen der Schnittstelle zwischen dem Indiumdraht und der PMA-Leitung, Schwankungen des breiten Durchmessers oder Bruchrisse entlang der Faserlänge Bündeln, viele mit Indium gefüllte Fasern mit Gummibändern und Einführen in das vorgeformte PMMA-Ummantelungsrohr, um sicherzustellen, dass die Fasern gerade und eng anliegend, dehnbar und ummantelt sind. Die gestapelte Preform-Montage wird im Sekundärziehprozess mit Vakuum hergestellt, um Indium-gestapelte Fasern mit einem endgültigen Außendurchmesser von 0,6 Millimetern herzustellen und unter 80 Gramm Zug zu ziehen.

Das gewünschte Produkt ist eine Metamaterialfaser, die fünf Mikrometer Drähte im Abstand von 50 Mikrometern enthält. Dieses Querschnittschema eines mehrblütigen Mantels zeigt einen einzelnen Indio-Draht, der in drei aufeinanderfolgende ummantelte PMMA-Rohre gesleevt ist. Der Preform aus einem Millimeter PMMA-Faser enthält durchgehenden Indiumdraht mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern.

Dieses Mikroskopbild ist ein Beispiel für den Querschnitt einer Metamaterialfaser mit plasmonischer Reaktion im Terahertz-Bereich. Die plasmonische Reaktion manifestiert sich so, dass sich das Material bei niedrigen Frequenzen wie ein Metall und bei hohen Frequenzen wie ein Dielektrikum verhält, wobei die Plasmafrequenzen hier die Grenze zwischen den beiden Verhaltensweisen definieren. Experimentelle Messungen charakterisieren diesen Fasertyp, der in drei verschiedene Dimensionen gezogen wird.

In beiden Fällen ist die Abhängigkeit der Plasmafrequenz vom Durchmesser offensichtlich. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Metamaterialstrukturen kostengünstig und im potenziell industriellen Maßstab hergestellt werden können. Denken Sie daran, die indianischen Feldfasern unter hoher Spannung zu ziehen, um zu verhindern, dass der Indian entlang der Faserlänge aufbricht.

Dies wird durch die Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur erreicht, was zu einer hohen Viskosität des Polymers führt und somit die Struktur, die das flüssige Metall enthält, bewahrt.