Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

Cette procédure vise à fabriquer à moindre coût des métamatériaux à une échelle potentiellement industrielle. Tout d’abord, fabriquez le tube de gainage en PMMA dans le tirage primaire. Ensuite, incluez l’indium dans le trou et étirez la fibre remplie d’indium à l’aide d’un processus d’étirage primaire.

Assemblez l’indio empilé, la préforme remplie et un genou dans un four à 90 degrés Celsius. Procédez à un processus de tirage secondaire pour aspirer la préforme remplie d’indium empilée en une fibre. Les métamatériaux résultants contiennent des fils de cinq microns séparés par 50 microns qui peuvent être fabriqués à peu de frais à une échelle potentiellement industrielle et présentent une réponse plasmonique dans la gamme de fréquences térahertz.

D’autres méthodes de fabrication de métamatériaux, telles que les techniques lithographiques, nano et de microfabrication, sont coûteuses et peuvent produire des échantillons de quelques centimètres. Le principal avantage de notre technique est que nous pouvons fabriquer des centaines de mètres de métamatériaux sous forme de fibres. Cela nous permet d’aborder des questions importantes sur le terrain, telles que la possibilité de fabriquer des métamatériaux et des quantités technologiquement et pratiquement pertinentes.

La méthode particulière que nous démontrons ici produit des métamatériaux avec une réponse plasmonique dans le te hertz. Le processus peut, en principe, être réduit à l’échelle nanométrique, produisant des métamatériaux avec une réponse dans le spectre visible. L’inspiration pour cette méthode était notre travail antérieur sur le dessin de fibres avec des électrodes internes pour fabriquer des modulateurs électro-optiques.

Nous nous sommes récemment rendu compte que cette technique, considérablement étendue, pouvait être utilisée pour créer des métamatériaux. La fabrication de métamatériaux en dessinant des préformes de fibres remplies d’Inde empilées est difficile à apprendre. Nous espérons que cette démonstration visuelle montrera à quoi ressemblent les différents éléments et les conditions requises pour dessiner ces structures complexes à l’échelle du micron.

Richard Luin, ingénieur, et Alessandro T, doctorant de notre groupe de recherche, feront la démonstration de ce processus. Cette méthode de fabrication de métamatériaux implique deux étapes de dessin où chaque étape implique une miniaturisation. Objet macroscopique appelé préforme en l’attirant dans un four en un filament.

Le processus d’étirage primaire est utilisé pour étirer ou manchonner les préformes jusqu’à un diamètre extérieur supérieur à un millimètre. À titre indicatif, utilisez les conditions de dessin principales du tableau un du texte d’accompagnement Pour charger la préforme sur la tour de dessin. Fixez la rallonge supérieure au mandrin à trois mors, introduisez la préforme dans la zone chaude du four et alignez-la à l’aide de la platine micrométrique XY.

Fermez ensuite la plaque supérieure du four. Augmentez la température à 185 degrés Celsius. Démarrez la vitesse d’avance à cinq millimètres par minute.

Vitesse d’étirage à six millimètres par minute et fermez les pinces de l’unité d’étirage. Surveillez le comportement de la tension de tirage au fil du temps. Si vous utilisez une gaine, le vide est nécessaire.

Fixez un tube à vide sur la rallonge de préforme supérieure scellée sous vide à l’aide d’un point d’ancrage bleu. Démarrez les unités d’alimentation et de traction, puis appliquez le surveilleur sous vide, la température du four et le rapport entre les vitesses d’avance et de traction pour maintenir un diamètre extérieur constant et la tension d’étirage. Puits. Le tube de gainage en polyméthacrylate de méthyle utilisé pour structurer le fil d’indium d’un millimètre est produit par étirement et gainage.

Tubes PMMA standard dans le processus d’emboutissage primaire pour produire un tube final de gainage PMMA d’un millimètre de diamètre et de 12 millimètres de diamètre extérieur. Coupez d’abord des longueurs de 600 millimètres de tubes en PMMA d’un diamètre intérieur de six millimètres et d’un diamètre extérieur de 12 millimètres. Préparez plusieurs tubes en PMMA pour une utilisation future pendant le processus de sommeil.

Placez les tubes en PMMA dans un four de recuit à 90 degrés Celsius pendant au moins cinq jours. Une fois que les tubes Anil ont refroidi à température ambiante, nettoyez la surface du tube PMMA avec des lingettes isopropanol et laissez sécher. Ensuite, fixez le tube PMMA à la rallonge supérieure à l’aide d’un ruban réfléchissant.

Fixez également le tube PMMA à la rallonge inférieure du tirage principal. Maintenant, nous dessinons le tube PMMA d’un diamètre extérieur de 12 millimètres à six millimètres dans le processus d’étirage primaire montré précédemment. Sertissez à chaud un côté du tube résultant avec un pistolet à air chaud et insérez-le dans un nouveau tube en PMMA.

Pour créer l’ensemble de tube en PMMA, scellez l’espace inférieur entre le tube étiré et le nouvel ensemble de tube en PMMA. À l’aide d’un ruban PTFE, fixez l’extrémité supérieure du tube PMMA à la rallonge supérieure à l’aide d’une couche intérieure de ruban adhésif, d’une couche intermédiaire de ruban PTFE et d’une couche extérieure de ruban réfléchissant. Assurez-vous que le ruban PTFE est bien serré et que tous les espaces entre l’assemblage PMMA deux et la rallonge supérieure sont scellés, Stretch et sleeve.

L’assemblage du tube PMMA résultant dans le processus d’étirage primaire sous vide, comme indiqué précédemment, passe d’un diamètre extérieur de 12 millimètres à six millimètres, ce qui donne un rapport diamètre/diamètre extérieur d’environ 0,25. Répétez ce processus jusqu’à ce que le tube final de gainage en PMMA ait un rapport de diamètre intérieur/extérieur d’environ 0,1 avec un diamètre intérieur d’un millimètre. Le processus d’étirage secondaire est utilisé pour étirer les préformes à un diamètre extérieur inférieur à un millimètre.

Lorsque la température d’étirage est atteinte, la préforme commence à s’écouler hors du four en raison du poids de la rallonge inférieure. En fournissant la force d’étirage initiale, démarrez la vitesse d’avance à 2,5 à cinq millimètres par minute et commencez par augmenter la température du four à 170 degrés Celsius. Ensuite, augmentez lentement la température de 2,5 à cinq degrés Celsius jusqu’à 220 degrés Celsius.

Pour contrôler la vitesse de la déroulante, maintenez le diamètre de la fibre autour de 250 à 500 microns. Pour éviter que la fibre ne se brise, fixez la fibre à la roue du cabestan qui tourne à un rythme lent de moins d’un mètre par minute. Enroulez la fibre autour des roues de la danseuse et attachez-la à la bobine de fibre.

Utilisez les conditions d’emboutissage secondaires dans le manuscrit ci-joint comme guide pour obtenir les conditions d’emboutissage à l’état stationnaire et les dimensions finales des fibres. Pour maintenir un diamètre extérieur constant et la tension d’étirage, surveillez la température du four et le rapport entre l’avance et la vitesse d’étirage. Le fil d’indium d’un millimètre sera maintenant manchonné et étiré dans le tube de gainage PMMA dans le processus d’emboutissage secondaire pour produire une fibre remplie d’indio sans un diamètre d’un millimètre, coupez le fil d’indium à des longueurs de 550 millimètres et insérez-le dans le tube de gainage PMMA pour créer l’ensemble de préforme rempli d’indium, étirez et manchonnez l’ensemble de préforme rempli dans le processus d’emboutissage secondaire avec vide pour fabriquer une fibre remplie d’indio de un diamètre extérieur final. Un millimètre étiré sous une tension de 15 à 20 grammes.

Une fois le processus d’étirage terminé, retirez la bobine de fibre remplie d’indium de la tour, inspectez la face d’extrémité et le long de la longueur longitudinale de la fibre remplie d’indio au microscope optique. Les défauts problématiques peuvent inclure la séparation entre le fil d’indium et l’interface du tube PMA, des fluctuations de grand diamètre ou des fissures de fracture le long du faisceau de longueur de fibre, de nombreuses fibres remplies d’indium à l’aide d’élastiques et insérées dans le tube de gainage préformé en PMMA, en veillant à ce que les fibres soient droites et bien ajustées, extensibles et manchonnées. L’assemblage de préformes empilées dans le processus d’emboutissage secondaire avec vide pour fabriquer des fibres empilées d’indium de diamètre extérieur final de 0,6 millimètres et étirées sous une tension de 80 grammes.

Le produit souhaité est une fibre métamatérielle contenant des fils de cinq microns séparés par 50 microns. Ce schéma en coupe transversale d’une gaine à manchons multiples montre un seul fil Indio gainé dans trois tubes PMMA à gainage successifs. La préforme d’une fibre PMMA d’un millimètre contient un fil d’indium continu de 100 microns de diamètre.

Cette image au microscope est un exemple de section efficace d’une fibre métamatérielle avec une réponse plasmonique dans la gamme térahertz. La réponse plasmonique se manifeste de telle sorte qu’aux basses fréquences, le matériau se comporte comme un métal, et aux hautes fréquences comme un diélectrique, les fréquences du plasma définissant ici la frontière entre les deux comportements. Des mesures expérimentales caractérisent ce type de fibre dessinée à trois dimensions différentes.

Dans les deux cas, la dépendance de la fréquence plasmatique en fonction du diamètre est apparente. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de fabriquer des structures de métamatériaux à moindre coût et à une échelle potentiellement industrielle. N’oubliez pas de tirer les fibres du champ indien sous haute tension pour éviter que l’indien ne se brise sur la longueur de la fibre.

Ceci est réalisé en maintenant une température basse, ce qui se traduit par une viscosité élevée pour le polymère, et préserve ainsi la structure qui contient le métal liquide.