Fiber Çizim Yöntemi Kullanma Fabricating meta malzeme

Özet

Terahertz frekanslarda metamalzemeler eşsiz fırsatlar sunuyoruz, ancak toplu olarak imal meydan okuyorlar. Biz ucuza endüstriyel ölçekte potansiyel metamalzemeler imal microstructured polimer optik lifler için üretim prosedürü adapte. Biz Terahertz plasmonik tepki gösterirler ~ 100 mikron, ayrılmış ~ 10 mikron çaplı indiyum tel içeren polimetilmetakrilat elyaf üretmek.

Özet

Metamalzemeler onlar ¹ işlediği dalgaboyu daha küçük bileşenlerin birleştirilmesi ile imal insan yapımı kompozit malzemelerdir. Onlar yerine onları oluşturan atomların, onların bileşenlerinin yapısını kendi elektromanyetik özellikleri borçluyum. Örneğin, alt-dalga boyu metal tellerin metal kendilerini ² aksine, belirli bir frekansta ya pozitif ya da negatif elektrik etkili bir dielektrik sabitine sahip olması sağlanabilir. Işığın davranışı üzerinde bu benzersiz kontrol potansiyel kırınım sınırı ⁵ Aşağıdaki nesneler çözmek gibi görünmezlik pelerinleri ^3, negatif kırılma indisi malzemeleri ^4, ve lensler gibi yeni cihazlar, bir dizi neden olabilir. Ancak, optik, orta-kızılötesi ve Terahertz frekanslarda çalışan metamalzemeler geleneksel pahalı ve çoğu birkaç cen altındadır örnekleri üretmek nano ve mikro üretim teknikleri kullanılarak yapılırboyutu ^6-7 timetres. Burada bir Terahertz plasmonik cevabı ⁸ sergilemek lif şeklinde, metal tel metamalzemeler yüzlerce metre üretmek için bir üretim yöntemi sunuyoruz. Biz (PMMA) tüpler polimetilmetakrilat içinde indiyum teller kullanılarak Taylor-tel süreci ¹⁰ ile microstructured polimer fiber optik ⁹ üretmek için kullanılan yığını-ve-çizmek tekniği birleştirir. Bu, işlemek için Terahertz bölge içinde uygun optik özelliklere sahip sökülebilen bir dielektrik kolaydır, çünkü PMMA seçilir; indiyum o 156.6 arasında bir erime sıcaklığına sahip olduğu ° C olan PMMA ile codrawing için uygundur. Biz bir ucunda mühürlü dış çapı 1 mm iç çapı (ID) ve 12 mm (OD) ile 1 mm çaplı ve PMMA tüp içinde% 99.99 saflıkta bir indiyum tel bulunmaktadır. Tüp boşaltılmış ve 1.2 mm arasında bir dış çapa aşağı çekilmektedir. Elde edilen elyaf daha sonra küçük parçalar halinde kesilmiş, ve daha büyük bir PMMA tüp içine yığılır. Bu yığın biri kapatılırbir fırın içine beslenir ve uç sırasında hızla 10 bir faktör ile yapının çapının azaltılması, ve 100 bir faktör ile uzunluğu arttıkça, çekilmektedir. Bu tür lifler mikro ve nano ölçekte özelliklere sahip, kitle üretilebilir, niteliği gereği, esnek, ve doğada bulunmayan elektromanyetik özellikleri sergilemek üzere dokunmuş olabilir. Onlar Terahertz böyle görünmez lifleri, dokuma negatif kırılma indisi bezler ve süper giderilmesi lensler gibi optik frekanslar için yeni cihazlar bir dizi için umut verici bir platformu temsil ediyor.

Protokol

Genel bakış

Bileşik indium / PMMA lif (Şekil 3) kendilerini mevcut PMMA tüp ve teller hazırlanabilir gereken tek bir indiyum tel (Şekil 2), dahil olmak üzere, PMMA lif yığını çizerek elde edilir. Sunulan adımlar şunlardır:

1. Manuel istifleme için uygun çapta tek bir indiyum tel içeren PMMA fiber üretin. Bunun için, ilk olarak 1 mm'lik bir indiyum tel (Bölüm 1) ağırlayacak bir PMMA tüp hazırlayın, sonra indiyum içeren ve gerekli boyut (Bölüm 2) çizin.
2. Yığın ve gerekli boyuta elde bireysel indiyum-dolu PMMA elyafları (Bölüm 3) çizin.

Bölüm 4 ve 5'de ayrıntılı olarak 2 ve 3 içinde kullanılan çizim işlemleri.

1. PMMA Mantolama Tüp Fabricating

1 mm indiyum tel yapılandırmak için kullanılan PMMA mantolama tüp stretchi tarafından yapılırng ve birincil iĢlemdir (Bölüm 4) kılıfı standart PMMA tüpleri ID 1 mm ve OD 12 mm nihai PMMA mantolama tüp yapmak.

1. 600 mm uzunluğunda 12 mm 6mm OD kimliği ile PMMA tüpler kesin. Çeşitli PMMA tüpler kılıfı işlemi sırasında ileride kullanılmak üzere hazırlanmış olmalıdır.
2. 5 gün arasında en az 90 ° C 'de tavlama fırını içinde PMMA tüpler tavlaması.
3. Fırın tavlama itibaren bir PMMA tüpü çıkarın ve oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
4. Izopropanol mendil ile PMMA tüpün yüzeyi temizleyin ve kurutun.
5. Yansıtıcı bant kullanarak üst genişletici (Şekil 6) (Şekil 7) PMMA tüpü takın.
6. Yansıtıcı bant kullanarak birincil berabere altındaki genişletici (Şekil 6) (Şekil 8) PMMA tüpü takın.
7. (Bölüm 4'e bakınız) birincil çizim sürecinde PMMA tüp gerin. Hiçbir vakum Bu aşama için gerekli olduğunu unutmayın. PMMA tüpten gerilir6 mm OD 12 mm.
8. Çizildikten sonra beraberlik kuleden gergin tüpü çıkarın.
9. 550 mm uzunluğa içine gerilmiş tüp kesin.
10. Adımları 1.3 ve 1.4 tekrarlayın.
11. Materyal yumuşar kadar bir sıcak hava tabancası ile uzatılmış tüpün üst yan ısıtılır ve pense (Şekil 9) ile deliğin sızdırmaz kıvrım.
12. PMMA tüp montajı (Şekil 10) oluşturmak için yeni PMMA tüpüne gergin tüpü yerleştirin. Uzatılmış tüp ve yeni PMMA tüp arasındaki boşluğu kapatmak için, Şekil 10 'de gösterildiği gibi PMMA boru tertibatı (yani, açık bir iç tüp gerilmiş olan taraf), sargı politetrafloroetilen (PTFE) bant alt tarafında.
13. Yapışkan bant, bir iç katman, PTFE bant arasında bir orta tabaka ve yansıtıcı bir dış tabaka ile, üst genişletici (Şekil 7) PMMA boru tertibatı (yani kapalı iç boru gerilmiş olan taraf) üst ucunu bant. Emin olunPTFE bant sıkı ve PMMA boru montaj ve üst genişletici arasındaki tüm boşluklar kapatılır.
14. 1.6 'de gösterildiği gibi birincil beraberlik alt genişletici PMMA tüpü takın.
15. Vakum ile birincil çizim sürecinde Stretch ve kol PMMA tüp montajı (Bölüm 4'e bakınız). PMMA tüp montajı OD 12 mm den 6 mm gerilir.
16. Çıkan gergin PMMA mantolama tüp yaklaşık 0,25 ID / OD olacaktır. Nihai PMMA mantolama tüpü 1 mm (Şekil 1) bir kimlik ile yaklaşık 0.1 ID / OD olana kadar 1,15-1,9 tekrarlayın.

2. İndiyum Fabricating Elyaf Dolgulu

1 mm indiyum tel kollu ve Bölüm 1 final OD 1,2 mm ile indiyum dolu elyaf üretmek için ikincil iĢlemdir (Bölüm 5) kullanılarak yapılan PMMA mantolama tüp gerilmiş olduğunu.

1. Hazırlayın ve 1.1 'de gösterildiği gibi PMMA mantolama tüpleri tavlama - 1.4.
2. 550 mm uzunluğa kadar indiyum tel kesin.
3. Şekil 11 'de gösterildiği gibi, montaj preform dolu indiyum oluşturmak için PMMA giydirme tüp içine indiyum tel yerleştirin.
4. 1.11 'de gösterildiği gibi PMMA mantolama tüpün alt tarafında mühürleyin.
5. 1.14 'de gösterildiği gibi, 1.13 ve ikincil çekme alt uzatıcı' de gösterildiği gibi üst genişletici indiyum dolu preform tertibatını.
6. Streç ve kol indiyum 15-20 g gerilim altında çekilen bir final OD 1 mm indiyum dolduran lif (Bölüm 5'e bakınız) yapmak için vakum ile sekonder çekme işleminde preform montaj doldurdu.
7. Beraberlik işlemi tamamlandıktan sonra kuleden indiyum dolduran lif Makarayı çıkartın.
8. Endface kontrol edin ve indiyum boyuna uzunluğu boyunca bir ışık mikroskobu kullanılarak lif dolu. Problemli kusurları indiyum tel ve PMMA tüp arayüzü, lif uzunluğu boyunca tel çapı veya kırık çatlakların dalgalanmaları arasındaki ayırma içerebilir. Ind Optik mikroskop görüntüleriium dolu elyaf, 1 mm'lik bir dış çap PMMA elyaf sürekli bir 100 um indiyum tel gösteren, Şekil 2 'de gösterilmiştir.
9. Yeterince indiyum dolduran lif indiyum yığılmış preform için üretilmiş kadar 2,8-2,1 tekrarlayın.

3. İndiyum Stacked Fiber Fabricating

Indiyum yığılmış fiber ilk o gergin ve ikincil iĢlemdir (Bölüm 5) kullanarak istenen lif boyutları kollu bir büyük PMMA preform mantolama boru, Secton 2 üretilen indiyum dolduran lifleri istifleme tarafından imal edilmektedir.

1. 1.1 'de gösterildiği gibi PMMA preform giydirme tüp hazırlanır. Tanıtım amaçlı, 12 mm dış çap ve 9 mm ID bir PMMA tüpü kullanacaktır.
2. Indiyum 550 mm uzunlukta elyaf dolgulu kesin.
3. PMMA preform mantolama tüpün yüzeyi temizleyin ve indiyum izopropanol mendil ile lif dolu ve kurumaya bırakın.
4. Lastik bantlar kullanarak indiyum dolduran lif Bundle ve eklemekPMMA preform mantolama tüp içine, elyaflar sağlanması düz ve sıkı bir uyum (Şekil 12) vardır.
5. 5 gün arasında en az 90 ° C 'de tavlama fırını içinde yığın preform montaj tavlaması.
6. Tavlama fırın yığılmış preform aksamını çıkarın ve oda sıcaklığında soğumaya bırakın.
7. 1.14 'de gösterildiği gibi, 1.13 ve ikincil çekme alt uzatıcı' de gösterildiği gibi üst genişletici indiyum dolu preform tertibatını.
8. Indiyum yığılmış lif (Bölüm 5'e bakınız) yapmak için vakum ile sekonder çekme işleminde Stretch ve kol yığılmış preform montaj. Bu 50 mikron ayırarak 5 mm teller içeren bir metamalzeme elyaf üreten 80 g gerilim altında çekilmiş bir final OD 0,6 mm, gerilir. Ortaya çıkan fiber optik bir mikroskop enine kesitsel görüntü Şekil 3 'de gösterilmiştir.
9. Beraberlik işlemi tamamlandıktan sonra kuleden indiyum yığılmış lif Makarayı çıkartın.
10. Içinde2.8 (Şekil 3) de gösterildiği gibi, SPECT endface ve indiyum yığın lif uzunluğu boyunca uzunlamasına.

4. Birincil Beraberlik Süreci

Birincil çekme işlemi 1 mm 'den daha büyük bir dış çapı ile önceden şekillendirilmiş uzatmak için kullanılır. Aşağıdaki yordam Bölüm 1 kullanılır: PMMA Mantolama Tüp imalatı.

1. Üç çeneli ayna için üst genişletici sıkma ile berabere kule üzerine preform yükleyin. Fırının sıcak bölge (Şekil 13) içine preform besleyin. XY mikrometre aşamasında kullanarak preform hizalayın. Fırının üst plaka kapatın.
2. Ön ısıtma aşamasında Şekil 14 'de gösterilen sıcaklık profilini kullanarak çekme sıcaklığına preform kesit alanının ısı yükseltir.
3. 5 mm / dk 'besleme başlayarak, 185 ° C sıcaklık arttırılarak çizim işlemini başlatmak ve 6 mm / dak ve kapama t kuru çekmeO ünitesi kelepçeleri çizin. Zamanla beraberlik gerginlik (Şekil 15) davranışını inceleyin.
   • Gerginlik katlanarak artarsa, yem ve beraberlik birimleri durdurmak, preform besleme başlamadan önce, sıcaklık çizim ısınmasına ve tekrar birimleri çizmek için izin vermek için 1 dakika bekleyin. Gerginlik stabilize oluncaya testi tekrarlayın.
   • Gerilim düşerse, 1-2 mm / dak ile beraberlik oranını artırmak. Gerekli beraberlik oranı elde edilinceye kadar, 1-2 mm / dak artışlarla (sürece gerginlik ya sabit kalır ya da düşme başlar gibi) berabere oranı artmaktadır devam edin.
4. Vakum gerekiyorsa, Blu-Tac (Şekil 13) kullanılarak üst preform genişletici mühürlü vakum vakum tüpü takın. Yem ve beraberlik birimleri preform simetrik çizim sağlamak için başladıktan sonra vakum açın.
5. Preform çizilirken bir kılavuz olarak Tablo 1 'de birinci çekme durum kullanın. Fırın sıcaklığı ve oran b Notbesleme etween ve hız sabiti OD ve çizim gerginliği korumak için takip edilmesi gerekir çizin. , Çizilmiş lif için bir gösterge dış çapı bir kütle dengesi elde edilebilir unutmayın
   D _nihai = D _başlatma (F / D) ^1/2
   _Nihai D burada -, D _başlangıç ​​ilk preform çapı nihai elyaf çapı olan, F besleme hızı, ve D çekme oranı. Besleme ve çekme oranı ve preform tamamlandığında fırının anahtarı durdurun. Preform oda sıcaklığına soğutulduktan sonra beraberlik kuleden preform çıkarın.

5. İkincil Beraberlik Süreci

Ikincil çekme işlemi 1 mm 'den daha küçük ODS preformlar uzatmak için kullanılır. Aşağıdaki prosedür, Bölüm 2 de kullanılır: indiyum yığın lif imalatı: indiyum elyaf ve 3 dolu imalatı.

1. S preform yükleniyorecondary çekme birincil çekme işlemi (Basamak 4.1) içinde olduğu gibi aynı.
2. Ikincil çekme için ön-ısıtma aşaması birinci çekme işlemi (Basamak 4.2) içinde olduğu gibi aynı.
3. Çizim sıcaklığa ulaşıldığında preform boyun aşağı başlar. Açılır preform çıkar ilk çizim kuvveti (Şekil 16) sağlayan alt genişleticinin ağırlığı nedeniyle fırının alt.
4. Besleme hızı (2.5 - 5 mm / dk) başlayın ve fırın sıcaklığının artmasıyla başlar - açılan hızını kontrol etmek için (2,5 5 ° C). Elyaf çapı yaklaşık 250 tutulmalıdır - lif kopması önlemek için 500 mikron.
5. 1 altında başlangıçta m / dak 'lık bir düşük hızda dönmekteyken kapstan tekerlek için lif takın. Dansçı tekerlekleri etrafında lif Rüzgar ve lif makaraya takın.
6. Vakum gerekli ise 4.4 'de gösterildiği gibi vakum boru ekleyin.
7. Lif beraberlik başlangıçta geçici beraberlik koşulları altında olacaktır. Set besleme hızı, istenen beraberlik durumu değerlerine oranı ve fırın sıcaklığı çizin. Elyaf çapı ve beraberlik gerilim kararlı duruma kadar dalgalanma olacak birkaç dakika sonra elde edilir.
8. Preform çizilirken bir kılavuz olarak Tablo 2 'de ikincil çekme durum kullanın. Yem ve beraberlik oranı arasındaki fırın sıcaklığı ve oran sabiti OD ve çizim gerginliği korumak için takip edilmesi gerekir unutmayın.
9. 4.5 'de gösterildiği gibi işlemi durdurun.

Sonuçlar

Metamalzeme lifleri açıklanan tekniği kullanılarak üretildi. Bunlar, sırasıyla kendilerine üretilmiş olan bir 10 mm polimer kılıf içinde bulunan 1 mm indiyum tellerin bir preform, çekilen edilmiş, Şekil 2'de gösterilen 100 mikron çap sürekli indiyum teller içeren 1 mm PMMA elyaflar, bir preform dan toplandı Uygun boyutlu polimer kılıf borular ile, Şekil 1'de şematik olarak gösterilmektedir. THz aralığında plasmonik tepki veren bir metamalzeme lif örneği enine kesit bir mikroskop görüntü...

Tartışma

Burada sunulan tekniği etkili bir high-pass filtre gibi davranarak, THz aralığında plasmonik yanıt (ve böylece uyarlanmış bir elektrik geçirgenlik) sahip, mikro özelliği boyutları ile sürekli üç boyutlu metamalzemeler kilometrelik üretim sağlar. Bu deneysel Terahertz zaman domeni spektroskopisi ¹¹ ile karakterize edilebilir. Bu aralığı ¹² negatif bir manyetik geçirgenlik sahip metamalzeme elyaflar ile bir araya geldiğinde, fiber-şekilli metamalzemeler, örneğin negatif kırılma endeksi malzemeler içi...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Reaktif / Malzeme Adı	Şirket	Katalog Numarası	Yorumlar
İndiyum% 99.99 Tel, 1 mm çapında	AIM Özel	Istek üzerine mevcuttur	www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf
2-propanol (izopropanol)	Sigma-Aldrich	Ürün Numarası 190764	http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086
Yapışkan bant	Staples
Bir Wrap PTFE Bant, 5 ml x 12 MMW x 0.2 MMT	RS Components	RS Stok Numarası 231-964	http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/
50 Mikron Alüminyum Folyo Bant	Şeritleri Advance	AT506	http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81
Blu-tak	Bostik		http://www.blutack.com/index.html
Hızlı Kurulum Araldite	Selleys		http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set
PMMA tüpler: - Kimliği 6 mm OD 12 mm - Kimliği 9 mm OD 12 mm	B & M Plastik: Plastik İmalat	Istek üzerine mevcuttur	http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm
			Ekipman Gereksinimleri
			En az 200 ° C (Preform ve Fiber beraberlik imkanları ile Heathway Polimer Beraberlik Kulesi) maksimum sıcaklık fırınları ile Fibre berabere kulesi. Çekme kule bir fotoğrafı Şekil 5 'de gösterilmiştir. En az 90 ° C maksimum sıcaklıkta Tavlama fırını Optik mikroskop. Sıcak hava tabancası. Vakum pompası. En preform genişletici (30 cm uzunluğunda ve 12 mm çapında metal tüp). Birincil beraberlikalt genişletici (100 cm uzunluğunda ve 12 mm çapında metal tüp). İkincil beraberlik alt genişletici (20 cm uzunluk ve 12 mm çaplı PMMA tüp).