Wytwarzanie metamateriałów metodą ciągnienia włókien

Procedura ta ma na celu niedrogie wytwarzanie metamateriałów na potencjalnie skalę przemysłową. Najpierw wyprodukuj rurkę osłonową PMMA w głównym ciągnie. Następnie umieść ind w otworze i narysuj włókno wypełnione indem w procesie pierwotnego ciągnięcia.

Złóż ułożone w stos indio, wypełnioną preformę i kolano w piekarniku o temperaturze 90 stopni Celsjusza. Kontynuuj proces wtórnego ciągnięcia, aby wciągnąć ułożone w stos preformy wypełnione indem we włókno. Powstałe metamateriały zawierają druty o wielkości pięciu mikronów oddalone od siebie o 50 mikronów, które można niedrogo wytworzyć na potencjalnie skalę przemysłową i wykazują odpowiedź plazmoniczną w zakresie częstotliwości terahercowych.

Inne metody wytwarzania metamateriałów, takie jak techniki litograficzne, nano i mikrofabrykacji, są drogie i mogą wytwarzać próbki o wielkości co najwyżej kilku centymetrów. Główną zaletą naszej techniki jest to, że jesteśmy w stanie wytworzyć setki metrów metamateriałów w postaci włókien. Dzięki temu możemy odpowiedzieć na ważne pytania w tej dziedzinie, takie jak to, czy metamateriały mogą być wytwarzane oraz czy są one istotne pod względem technologicznym i praktycznym.

Konkretna metoda, którą tutaj demonstrujemy, daje metamateriały z odpowiedzią plazmoniczną w hercach. Proces ten można w zasadzie przeskalować do nanoskali, co daje metamateriały z reakcją w zakresie widzialnym. Inspiracją dla tej metody były nasze wcześniejsze prace nad rysowaniem włókien z elektrodami wewnętrznymi w celu wykonania modulatorów elektrooptycznych.

Niedawno zdaliśmy sobie sprawę, że ta technika znacznie się rozszerzyła, może być wykorzystana do tworzenia metamateriałów. Wytwarzanie metamateriałów poprzez rysowanie pform ułożonych w stos włókien wypełnionych indyjskimi jest trudne do nauczenia. Mamy nadzieję, że ta wizualna demonstracja pokaże, jak wyglądają różne elementy i jakie warunki są wymagane do narysowania tych złożonych struktur w skali mikronów.

Proces ten zademonstruje inżynier Richard Luin, a Alessandro T jest doktorantem z naszej grupy badawczej. Ta metoda wytwarzania metamateriałów obejmuje dwa etapy rysowania, z których każdy obejmuje miniaturyzację. Makroskopowy obiekt zwany preformą poprzez wciągnięcie go w piecu do żarnika.

Podstawowy proces ciągnienia służy do rozciągania lub owijania preform do średnicy zewnętrznej większej niż jeden milimetr. Jako wskazówkę należy skorzystać z podstawowych warunków rysowania w tabeli pierwszej z towarzyszącego tekstu Aby załadować preformę na wieżę zremisowaną. Zacisnąć górny przedłużacz na uchwycie trójszczękowym, wprowadzić preformę do gorącej strefy pieca i wyrównać ją za pomocą stolika mikrometrycznego XY.

Następnie zamknij górną płytę pieca. Zwiększ temperaturę do 185 stopni Celsjusza. Rozpocznij prędkość posuwu od pięciu milimetrów na minutę.

Prędkość naciągu wynosi sześć milimetrów na minutę i zamknij zaciski jednostki ciągnącej. Monitorowanie zachowania naprężenia rysowania w czasie. W przypadku koszulki wymagana jest próżnia.

Przymocuj rurkę próżniową do próżniowo uszczelnionego górnego przedłużacza preformy za pomocą niebieskiego pinezki. Uruchom jednostki posuwu i ciągu, a następnie zastosuj podciśnienie, monitoruj temperaturę pieca i stosunek między prędkością posuwu a ilością poboru, aby utrzymać stałą średnicę zewnętrzną i naprężenie ciągnące. Studnia. Rurka osłonowa z polimetakrylanu metylu używana do budowy jednomilimetrowego drutu indowego jest wytwarzana przez rozciąganie i rękawowanie.

Standardowe rurki PMMA w pierwotnym procesie ciągnienia w celu wytworzenia końcowej rurki z płaszczem PMMA o średnicy jednego milimetra i średnicy zewnętrznej 12 milimetrów. Najpierw należy wyciąć rurki PMMA o długości 600 milimetrów o średnicy wewnętrznej 6 milimetrów i średnicy zewnętrznej 12 milimetrów. Przygotuj kilka probówek PMMA do wykorzystania w przyszłości podczas procesu snu.

Umieść rurki PMMA w piecu do wyżarzania w temperaturze 90 stopni Celsjusza na co najmniej pięć dni. Po ostygnięciu probówek Anil do temperatury pokojowej oczyść powierzchnię rurki PMMA chusteczkami z izopropanolu i pozostaw do wyschnięcia. Następnie przymocuj rurkę PMMA do górnego przedłużacza za pomocą taśmy odblaskowej.

Podłącz również rurkę PMMA do głównego dolnego przedłużacza rysowania. Teraz rysujemy rurkę PMMA od średnicy zewnętrznej 12 milimetrów do sześciu milimetrów w pierwotnym procesie rysowania pokazanym wcześniej. Zaciśnij na gorąco jedną stronę powstałej rurki za pomocą pistoletu na gorące powietrze i włóż ją do nowej rurki PMMA.

Aby utworzyć zespół rurki PMMA, uszczelnij dolną szczelinę między rozciągniętą rurą a nowym zespołem rurki PMMA. Za pomocą taśmy PTFE przymocuj górny koniec zespołu rurki PMMA do górnego przedłużacza za pomocą wewnętrznej warstwy taśmy klejącej, środkowej warstwy taśmy PTFE i zewnętrznej warstwy taśmy odblaskowej. Upewnij się, że taśma PTFE jest szczelna, a wszystkie szczeliny między zespołem PMMA two a górnym przedłużaczem są uszczelnione, rozciągliwe i tuleja.

Powstały zespół rur PMMA w pierwotnym procesie ciągnienia w próżni, jak pokazano wcześniej, o średnicy zewnętrznej od 12 milimetrów do sześciu milimetrów, co daje stosunek średnicy wewnętrznej do średnicy zewnętrznej wynoszący około 0,25. Powtarzaj ten proces, aż końcowa rurka płaszczowa z PMMA będzie miała stosunek średnicy wewnętrznej do zewnętrznej około 0,1 przy średnicy wewnętrznej jednego milimetra. Proces wtórnego ciągnienia służy do rozciągania pform do średnicy zewnętrznej mniejszej niż jeden milimetr.

Po osiągnięciu temperatury ciągnienia preforma zaczyna wysuwać się z pieca ze względu na ciężar dolnego przedłużacza. Zapewniając początkową siłę ciągnącą, rozpocznij prędkość posuwu od 2,5 do pięciu milimetrów na minutę i zacznij od zwiększenia temperatury pieca do 170 stopni Celsjusza. Następnie powoli zwiększaj temperaturę o 2,5 do pięciu stopni Celsjusza do 220 stopni Celsjusza.

Aby kontrolować prędkość opadania, utrzymuj średnicę włókna około 250 do 500 mikronów. Aby zapobiec pękaniu włókna, przymocuj włókno do koła kabestanu, które obraca się z wolną prędkością poniżej jednego metra na minutę. Nawiń włókno wokół kół tancerza i przymocuj do szpuli włókna.

Skorzystaj z drugorzędnych warunków ciągnienia w dołączonym manuskrypcie jako przewodnika w celu uzyskania warunków ciągnienia w stanie ustalonym i ostatecznych wymiarów włókien Aby utrzymać stałą średnicę zewnętrzną i naprężenie ciągnienia, monitoruj temperaturę pieca i stosunek między wsadem a szybkością ciągnienia. Drut indu o długości jednego milimetra zostanie teraz owinięty i rozciągnięty w rurze płaszczowej PMMA w procesie wtórnego ciągnienia, aby wytworzyć włókno wypełnione indem o średnicy jednego milimetra, Przytnij drut indu na długość 550 milimetrów i włóż do rurki płaszczowej PMMA, aby utworzyć zespół preform wypełnionych indem, rozciągnij i zawiń wypełniony zespół preform w procesie wtórnego ciągnienia za pomocą próżni, aby uzyskać włókno wypełnione indem ostateczną średnicę zewnętrzną. Jeden milimetr narysowany pod napięciem od 15 do 20 gramów.

Po zakończeniu procesu rysowania wyjmij szpulę włókna wypełnionego indem z wieży, sprawdź powierzchnię końcową i wzdłuż długości podłużnej włókna wypełnionego indem pod mikroskopem świetlnym. Problematyczne wady mogą obejmować separację między drutem indu a interfejsem rurki PMA, wahania dużej średnicy lub pęknięcia pęknięć wzdłuż wiązki włókien, wiele włókien wypełnionych indem za pomocą gumek i włożenie do wstępnie uformowanej rurki osłonowej z PMMA, zapewniając, że włókna są proste i mają ciasne dopasowanie, rozciągliwość i rękaw. Ułożony w stos zespół preform w procesie wtórnego ciągnienia z próżnią w celu wytworzenia ułożonego w stos włókna indu o końcowej średnicy zewnętrznej 0,6 milimetra i ciągnionego pod napięciem 80 gramów.

Pożądanym produktem jest włókno metamateriałowe zawierające pięć drutów mikronowych oddzielonych od siebie o 50 mikronów. Ten schemat przekroju poprzecznego płaszcza z wieloma rękawami pokazuje pojedynczy drut Indio w osłonie trzech kolejnych rurek PMMA z płaszczem. Preforma jednego milimetrowego włókna PMMA zawiera ciągły drut indowy o średnicy 100 mikronów.

Ten obraz mikroskopowy jest przykładem przekroju poprzecznego włókna metamateriałowego z odpowiedzią plazmoniczną w zakresie teraherców. Reakcja plazmoniczna objawia się w ten sposób, że przy niskich częstotliwościach materiał zachowuje się jak metal, a przy wysokich częstotliwościach jak dielektryk, przy czym częstotliwości plazmy definiują tutaj granicę między tymi dwoma zachowaniami. Pomiary eksperymentalne charakteryzują ten rodzaj włókna przyciągnięty do trzech różnych wymiarów.

W obu przypadkach zależność plazmy od średnicy jest oczywista. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak niedrogo i na potencjalnie przemysłową skalę wytwarzać struktury metamaterialne. Pamiętaj, aby narysować włókna pola indyjskiego pod wysokim napięciem, aby zapobiec rozpadowi włókien indyjskich na całej długości włókna.

Osiąga się to poprzez utrzymywanie niskiej temperatury, co skutkuje wysoką lepkością polimeru, a tym samym zachowuje strukturę zawierającą ciekły metal.