Os metamateriais usando o método de fabricação Desenho de Fibra

Este procedimento visa fabricar metamateriais de forma barata em escala potencialmente industrial. Primeiro, fabrique o tubo de revestimento de PMMA na tração primária. Em seguida, inclua o índio no orifício e desenhe a fibra preenchida com índio usando um processo de extração primária.

Monte o índio empilhado, a pré-forma preenchida e um joelho em um forno a 90 graus Celsius. Prossiga com um processo de desenho secundário para desenhar o índio empilhado preenchido, pré-formado em uma fibra. Os metamateriais resultantes contêm fios de cinco mícrons separados por 50 mícrons que podem ser fabricados de forma barata em escala potencialmente industrial e mostram resposta plasmônica na faixa de frequência terahertz.

Outros métodos de fabricação de metamateriais, como técnicas litográficas, nano e de microfabricação, são caros e podem produzir amostras com alguns centímetros de tamanho. A principal vantagem de nossa técnica é que podemos fabricar centenas de metros de metamateriais em forma de fibra. Isso nos permite abordar questões importantes no campo, como se os metamateriais podem ser fabricados e quantidades relevantes tecnológica e praticamente.

O método específico que estamos demonstrando aqui produz metamateriais com uma resposta plasmônica no te hertz. O processo pode, em princípio, ser reduzido para a nanoescala, produzindo metamateriais com uma resposta no espectro visível. A inspiração para este método foi nosso trabalho anterior sobre o desenho de fibras com eletrodos internos para fazer moduladores eletro-ópticos.

Recentemente, percebemos que essa técnica significativamente estendida poderia ser usada para criar metamateriais. A fabricação de metamateriais desenhando pré-formas de fibras preenchidas indianas empilhadas é difícil de aprender. Esperamos que esta demonstração visual mostre como são os vários elementos e as condições necessárias para desenhar essas estruturas complexas em escala de mícron.

Demonstrando esse processo estará Richard Luin, engenheiro, e Alessandro T é um estudante de doutorado de nosso grupo de pesquisa. Este método de fabricação de metamateriais envolve dois estágios de desenho, onde cada estágio envolve miniaturização. Um objeto macroscópico chamado pré-forma, desenhando-o em uma fornalha em um filamento.

O processo de trefilação primária é usado para esticar ou enluvar pré-formas até um diâmetro externo superior a um milímetro. Como guia, use as principais condições de desenho na tabela um do texto que acompanha Para carregar a pré-forma na torre de desenho. Prenda o extensor superior ao mandril de três mandíbulas, alimente a pré-forma na zona quente do forno e alinhe-a usando o micrômetro XY stage.

Em seguida, feche a placa superior do forno. Aumente a temperatura para 185 graus Celsius. Inicie a taxa de alimentação em cinco milímetros por minuto.

Taxa de tração em seis milímetros por minuto e feche os grampos da unidade de tração. Monitore o comportamento da tensão de tração ao longo do tempo. Se estiver sleeving, então o vácuo é necessário.

Conecte um tubo de vácuo ao extensor de pré-forma superior selado a vácuo usando aderência azul. Inicie as unidades de alimentação e trefilação e, em seguida, aplique o monitor de vácuo, a temperatura do forno e a relação entre as taxas de alimentação e trefilação para manter o diâmetro externo e a tensão de trefilação constantes. Poço. O tubo de revestimento de polimetilmetacrilato usado para estruturar o fio de índio de um milímetro é produzido por alongamento e manga.

Tubos de PMMA padrão no processo de estiramento primário para produzir um tubo de revestimento de PMMA final de um milímetro em um diâmetro e 12 milímetros de diâmetro externo. Primeiro corte 600 milímetros de comprimentos de tubos de PMMA com um diâmetro interno de seis milímetros e um diâmetro externo de 12 milímetros. Prepare vários tubos de PMMA para uso futuro durante o processo de sono.

Coloque os tubos de PMMA em um forno de recozimento a 90 graus Celsius por um período mínimo de cinco dias. Depois que os tubos Anil esfriarem à temperatura ambiente, limpe a superfície do tubo de PMMA com lenços umedecidos de isopropanol e deixe secar. Em seguida, prenda o tubo de PMMA ao extensor superior usando fita reflexiva.

Conecte também o tubo de PMMA ao extensor inferior de tração primária. Agora desenhamos o tubo de PMMA de um diâmetro externo de 12 milímetros para seis milímetros no processo de desenho primário mostrado anteriormente. Aqueça um lado do tubo resultante com uma pistola de ar quente e insira-o em um novo tubo de PMMA.

Para criar o conjunto de tubos de PMMA, vede a folga inferior entre o tubo esticado e o novo conjunto de tubos de PMMA. Com fita PTFE, prenda a extremidade superior do conjunto do tubo PMMA ao extensor superior usando uma camada interna de fita adesiva, uma camada intermediária de fita PTFE e uma camada externa de fita reflexiva. Certifique-se de que a fita de PTFE esteja apertada e que todas as folgas entre o conjunto PMMA dois e o extensor superior estejam seladas, esticadas e luva.

O conjunto de tubos de PMMA resultante no processo de tração primária sob vácuo, conforme mostrado anteriormente, de um diâmetro externo de 12 milímetros a seis milímetros, resultando em uma relação diâmetro interno para diâmetro externo de aproximadamente 0,25. Repita esse processo até que o tubo de revestimento de PMMA final tenha uma proporção de diâmetro interno para externo de aproximadamente 0,1 com um diâmetro interno de um milímetro. O processo de trefilação secundária é usado para esticar pré-formas para um diâmetro externo menor que um milímetro.

Quando a temperatura de trefilação é atingida, a pré-forma começa a se soltar do forno devido ao peso do extensor inferior. Fornecendo a força de desenho inicial, inicie a taxa de alimentação em 2,5 a cinco milímetros por minuto e comece aumentando a temperatura do forno para 170 graus Celsius. Em seguida, aumente lentamente a temperatura em 2,5 a cinco graus Celsius até 220 graus Celsius.

Para controlar a velocidade da lista suspensa, mantenha o diâmetro da fibra em torno de 250 a 500 mícrons. Para evitar que a fibra se rompa, prenda a fibra à roda cabrestante que está girando a uma taxa lenta de menos de um metro por minuto. Enrole a fibra ao redor das rodas dançarinas e prenda ao carretel de fibra.

Use as condições de trefilação secundárias no manuscrito anexo como guia para obter as condições de trefilação em estado estacionário e as dimensões finais da fibra Para manter o diâmetro externo e a tensão de trefilação constantes, monitore a temperatura do forno e a relação entre a taxa de alimentação e de trefilação. O fio de índio de um milímetro será agora revestido e esticado no tubo de revestimento de PMMA no processo de tração secundária para produzir uma fibra preenchida com índio sem um diâmetro de um milímetro, corte o fio de índio em comprimentos de 550 milímetros e insira no tubo de revestimento de PMMA para criar o conjunto de pré-forma preenchido com índio, estique e luva o conjunto de pré-forma preenchido no processo de desenho secundário com vácuo para fazer uma fibra preenchida de índio de um diâmetro externo final. Um milímetro desenhado sob 15 a 20 gramas de tensão.

Após a conclusão do processo de estiramento, remova o carretel de fibra preenchida com índio da torre, inspecione a face final e ao longo do comprimento longitudinal da fibra preenchida com índio sob um microscópio óptico. Os defeitos problemáticos podem incluir a separação entre o fio de índio e a interface da tubulação PMA, flutuações no diâmetro largo ou rachaduras de fratura ao longo do feixe de comprimento da fibra, muitas fibras preenchidas com índio usando elásticos e inseridas no tubo de revestimento pré-formado de PMMA, garantindo que as fibras sejam retas e tenham um ajuste apertado, alongamento e manga. O conjunto de pré-formas empilhadas no processo de trefilação secundária com vácuo para fazer fibra empilhada de índio de diâmetro externo final de 0,6 milímetros e trefilada sob 80 gramas de tensão.

O produto desejado é uma fibra de metamaterial contendo fios de cinco mícrons separados por 50 mícrons. Este esquema de seção transversal de uma jaqueta com mangas múltiplas mostra um único fio Indio com mangas em três tubos de PMMA de revestimento sucessivos. A pré-forma de uma fibra de PMMA milimétrica contém fio de índio contínuo de 100 mícrons de diâmetro.

Esta imagem de microscópio é um exemplo da seção transversal de uma fibra metamaterial com resposta plasmônica na faixa de terahertz. A resposta plasmônica se manifesta de tal forma que, em baixas frequências, o material se comporta como um metal e, em altas frequências, como um dielétrico, com as frequências de plasma definindo a fronteira entre os dois comportamentos aqui. Medições experimentais caracterizam esse tipo de fibra desenhada em três dimensões diferentes.

Em ambos os casos, a dependência da frequência plasmática do diâmetro é aparente. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fabricar estruturas de metamateriais de forma barata e em escala potencialmente industrial. Lembre-se de desenhar as fibras do campo indiano sob alta tensão para evitar que o índio se quebre ao longo do comprimento da fibra.

Isso é conseguido mantendo uma temperatura baixa, o que resulta em uma alta viscosidade para o polímero e, assim, preserva a estrutura que contém o metal líquido.