Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

הליך זה נועד לייצר בזול מטא-חומרים בקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי. ראשית, בנה את צינור המעטפת PMMA במשיכה הראשונית. לאחר מכן כלול את האינדיום בחור וצייר את הסיב המלא באינדיום באמצעות תהליך משיכה ראשוני.

הרכיבו את האינדיו המוערם, הקדם המלא והברך בתנור של 90 מעלות צלזיוס. המשך בתהליך ציור משני כדי לצייר את האינדיום המוערם במילוי סיב. המטא-חומרים המתקבלים מכילים חוטים של חמישה מיקרון המופרדים על ידי 50 מיקרון שניתן לייצר בזול בקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי ומראים תגובה פלזמונית בטווח התדרים של טרה-הרץ.

שיטות אחרות לייצור מטא-חומרים כגון טכניקות ליטוגרפיות, ננו ומיקרו-ייצור הן יקרות ויכולות לייצר דגימות בגודל של סנטימטרים בודדים. היתרון העיקרי של הטכניקה שלנו הוא שאנו יכולים לייצר מאות מטרים של מטא-חומרים בצורת סיבים. זה מאפשר לנו לענות על שאלות חשובות בתחום, כגון האם ניתן לייצר מטא-חומרים וכמויות רלוונטיות מבחינה טכנולוגית ומעשית.

השיטה הספציפית שאנו מדגימים כאן מניבה מטא-חומרים עם תגובה פלזמונית בטה הרץ. באופן עקרוני, ניתן להקטין את התהליך למטא-חומרים המניבים בקנה מידה ננומטרי עם תגובה בספקטרום הנראה. ההשראה לשיטה זו הייתה עבודתנו הקודמת על ציור סיבים עם אלקטרודות פנימיות ליצירת מודולטורים אלקטרואופטיים.

לאחרונה הבנו שטכניקה זו, שהורחבה משמעותית, יכולה לשמש ליצירת מטא-חומרים. קשה ללמוד ייצור מטא-חומרים על ידי ציור פרפורמים של סיבים ממולאים הודיים מוערמים. אנו מקווים שההדגמה החזותית הזו תראה כיצד נראים האלמנטים השונים ואת התנאים הנדרשים כדי לצייר את המבנים המורכבים הללו לקנה מידה מיקרוני.

מי שידגים את התהליך הזה יהיה ריצ'רד לואין, מהנדס, ואלסנדרו טי הוא דוקטורנט מקבוצת המחקר שלנו. שיטת ייצור זו של מטא-חומרים כוללת שני שלבי ציור כאשר כל שלב כרוך במזעור. אובייקט מקרוסקופי הנקרא פרפורם על ידי משיכתו בתנור לתוך נימה.

תהליך המשיכה העיקרי משמש למתיחה או שרוול עד לקוטר חיצוני של יותר ממילימטר אחד. כמדריך, השתמש בתנאי הציור העיקריים בטבלה אחת של הטקסט הנלווה כדי לטעון את הטופס על מגדל הציור. מהדק את המאריך העליון לצ'אק שלוש הלסתות, הזין את הפרפורם לאזור החם של התנור ויישר אותו באמצעות XY מיקרומטר stage.

ואז סגור את הצלחת העליונה של הכבשן. העלו את הטמפרטורה ל -185 מעלות צלזיוס. התחל את קצב ההזנה בחמישה מילימטרים לדקה.

קצב משיכה בשישה מילימטרים לדקה וסגור את יחידת המשיכה clamps. עקוב אחר התנהגות מתח המשיכה לאורך זמן. אם משחיתים, אז יש צורך בוואקום.

חבר צינור ואקום למאריך העליון האטום בוואקום באמצעות דבק כחול. הפעל את יחידות ההזנה והמשיכה ולאחר מכן החל ואקום לפקח על טמפרטורת התנור ועל היחס בין קצבי ההזנה והמשיכה כדי לשמור על קוטר חיצוני קבוע ומתח הציור. ובכן. צינור המעטפת פולימתיל מתאקרילט המשמש לבניית חוט האינדיום המילימטר מיוצר על ידי מתיחה ושרוול.

צינורות PMMA סטנדרטיים בתהליך המשיכה הראשוני לייצור צינור מעטפת PMMA סופי של מילימטר אחד בקוטר וקוטר חיצוני של 12 מילימטר. תחילה חתך אורכי 600 מילימטר של צינורות PMMA בקוטר פנימי של שישה מילימטר וקוטר חיצוני של 12 מילימטר. הכן מספר צינורות PMMA לשימוש עתידי בתהליך השינה.

הכניסו את צינורות ה-PMMA לתנור חישול בחום של 90 מעלות צלזיוס למשך חמישה ימים לפחות. לאחר שצינורות האניל התקררו לטמפרטורת החדר, נקו את פני צינור ה-PMMA עם מגבוני איזופרופנול והניחו להתייבש. לאחר מכן, חבר את צינור ה- PMMA למאריך העליון באמצעות סרט רפלקטיבי.

חבר גם את צינור ה-PMMA למאריך התחתון הראשי. כעת אנו מציירים את צינור ה-PMMA מקוטר חיצוני של 12 מילימטרים לשישה מילימטרים בתהליך השרטוט הראשוני שהוצג קודם לכן. לחץ את הצד האחד של הצינור שנוצר בעזרת אקדח אוויר חם והכנס אותו לצינור PMMA חדש.

כדי ליצור את מכלול צינור ה-PMMA אטום את הפער התחתון בין הצינור המתוח למכלול צינור ה-PMMA החדש. בעזרת סרט PTFE, חבר את הקצה העליון של מכלול צינור PMMA למאריך העליון באמצעות שכבה פנימית של סרט דביק, שכבה אמצעית של סרט PTFE ושכבה חיצונית של סרט רפלקטיבי. ודא שסרט ה-PTFE הדוק וכל הפערים בין מכלול ה-PMMA שני למאריך העליון אטומים, מתיחה ושרוול.

מכלול צינור PMMA המתקבל בתהליך המשיכה הראשוני תחת ואקום כפי שהוצג קודם לכן מקוטר חיצוני של 12 מילימטרים לשישה מילימטרים, וכתוצאה מכך יחס קוטר פנימי לקוטר חיצוני של כ-0.25. חזור על תהליך זה עד שלצינור המעטפת הסופי של PMMA יש יחס קוטר פנימי לחיצוני של כ-0.1 בקוטר פנימי של מילימטר אחד. תהליך הציור המשני משמש למתיחת פרפורמים לקוטר חיצוני קטן ממילימטר אחד.

כאשר מגיעים לטמפרטורת השרטוט, הפרפורם מתחיל לצוואר מהתנור בגלל משקל המאריך התחתון. במתן כוח המשיכה הראשוני, התחל את קצב ההזנה ב-2.5 עד חמישה מילימטרים לדקה והתחל בהעלאת טמפרטורת התנור ל-170 מעלות צלזיוס. לאחר מכן העלו לאט את הטמפרטורה ב-2.5 עד חמש מעלות צלזיוס עד 220 מעלות צלזיוס.

כדי לשלוט במהירות הנפילה, שמור על קוטר הסיבים סביב 250 עד 500 מיקרון. כדי למנוע את הצמדת הסיבים, חבר את הסיב לגלגל הקפסטן שמסתובב בקצב איטי של פחות ממטר לדקה. סובב את הסיב סביב גלגלי הרקדן והצמד לסליל הסיבים.

השתמש בתנאי השרטוט המשניים בכתב היד הנלווה כמדריך להשגת תנאי הציור במצב יציב ומידות הסיבים הסופיות כדי לשמור על קוטר חיצוני קבוע ומתח הציור, עקוב אחר טמפרטורת התנור והיחס בין קצב ההזנה למשיכה. חוט האינדיום המילימטר האחד יהיה כעת שרוול ונמתח בצינור המעטפת PMMA בתהליך המשיכה המשני כדי לייצר סיב מלא אינדיו ללא קוטר של מילימטר אחד, חותכים את חוט האינדיום לאורכים של 550 מילימטר ומכניסים לתוך צינור המעטפת PMMA כדי ליצור את מכלול הפרפורם המלא באינדיום, למתוח ולשרוול את מכלול הפרפורם המלא בתהליך השרטוט המשני עם ואקום ליצירת סיב מלא אינדיו של קוטר חיצוני סופי. מילימטר אחד נמשך במתח של 15 עד 20 גרם.

לאחר השלמת תהליך השרטוט, הסר את סליל הסיבים המלאים באינדיום מהמגדל, בדוק את פני הקצה ולאורך האורך של הסיב המלא באינדיו תחת מיקרוסקופ אור. פגמים בעייתיים יכולים לכלול הפרדה בין חוט האינדיום לממשק צינורות PMA, תנודות בקוטר רחב או סדקי שבר לאורך הסיב צרור, סיבים רבים מלאים באינדיום באמצעות גומיות ומכניסים לצינור המעטפת המעוצב מראש של PMMA, מה שמבטיח שהסיבים ישרים ומתאימים היטב, מתיחה ושרוול. מכלול ה-preform המוערם בתהליך השרטוט המשני עם ואקום ליצירת סיבים מוערמים אינדיום בקוטר חיצוני סופי 0.6 מילימטרים ונמשכים תחת מתח של 80 גרם.

המוצר הרצוי הוא סיב מטא-חומר המכיל חמישה חוטי מיקרון המופרדים על ידי 50 מיקרון. סכימת חתך רוחב זו של ז'קט מרובה שרוולים מציגה חוט אינדיו יחיד שרוול בשלושה צינורות PMMA עוקבים. הצורה של סיב PMMA מילימטר אחד מכילה חוט אינדיום רציף בקוטר 100 מיקרון.

תמונת מיקרוסקופ זו היא דוגמה לחתך רוחב של סיב מטא-חומר עם תגובה פלזמונית בתחום הטרה-הרץ. התגובה הפלזמונית באה לידי ביטוי כך שבתדרים נמוכים החומר מתנהג כמו מתכת, ובתדרים גבוהים כמו דיאלקטרי כאשר תדרי הפלזמה מגדירים את הגבול בין שתי ההתנהגויות כאן. מדידות ניסיוניות מאפיינות סוג סיבים זה הנמשך לשלושה ממדים שונים.

בשני המקרים, התלות בתדר הפלזמה בקוטר ניכרת. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לייצר מבנים מטא-חומריים בזול ובקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי. זכור לצייר את סיבי השדה ההודי במתח גבוה כדי למנוע מההודי להתפרק לאורך הסיבים.

זה מושג על ידי שמירה על טמפרטורה נמוכה, מה שמביא לצמיגות גבוהה של הפולימר, ובכך שומר על המבנה המכיל את המתכת הנוזלית.