Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

Dieses Verfahren zielt darauf ab, Metamaterialien kostengünstig in einem potenziell industriellen Maßstab herzustellen. Zuerst wird der PMMA-Ummantelungsschlauch beim Primärezug hergestellt. Anschließend wird das Indium in das Loch eingebracht und die mit Indium gefüllte Faser mittels eines Primärezugverfahrens gezogen.

Stellen Sie den gestapelten Indio, die gefüllte Vorfaser und ein Knie in einem Ofen bei 90 Grad Celsius zusammen. Führen Sie anschließend einen sekundären Ziehprozess durch, um die mit Indium gefüllte, gestapelte Vorfaser zu einer Faser zu ziehen. Die resultierenden Metamaterialien enthalten Drähte mit einem Durchmesser von fünf Mikrometern, die durch 50 Mikrometer voneinander getrennt sind, lassen sich kostengünstig im potenziell industriellen Maßstab herstellen und zeigen eine plasmonische Antwort im Terahertz-Frequenzbereich.

Andere Methoden zur Herstellung von Metamaterialien, wie lithografische, Nano- und Mikrofertigungstechniken, sind kostspielig und können Proben erzeugen, die meist nur wenige Zentimeter groß sind. Der Hauptvorteil unserer Technik besteht darin, dass wir Hunderte von Metern Metamaterialien in Faserform herstellen können. Dies ermöglicht es uns, wichtige Fragen in diesem Forschungsbereich zu beantworten, beispielsweise, ob Metamaterialien in technologisch und praktisch relevanten Mengen hergestellt werden können.

Die hier demonstrierte spezielle Methode liefert Metamaterialien mit einer plasmonischen Antwort im Terahertz-Bereich. Das Verfahren kann prinzipiell auf die Nanoskala verkleinert werden, wodurch Metamaterialien mit einer Antwort im sichtbaren Spektrum entstehen. Die Inspiration für diese Methode ergab sich aus unserer früheren Arbeit zum Ziehen von Fasern mit internen Elektroden zur Herstellung elektrooptischer Modulatoren.

Wir haben kürzlich erkannt, dass diese Technik, wenn sie erheblich erweitert wird, zur Herstellung von Metamaterialien eingesetzt werden könnte. Die Herstellung von Metamaterialien durch das Ziehen von Vorformen aus gestapelten, mit Indien gefüllten Fasern ist schwierig zu erlernen. Wir hoffen, dass diese visuelle Demonstration zeigt, wie die verschiedenen Elemente aussehen und unter welchen Bedingungen diese komplexen Strukturen bis in den Mikrometerbereich verjüngt werden können.

Den Ablauf demonstrieren Richard Luin, ein Ingenieur, und Alessandro T, ein Doktorand unserer Forschungsgruppe. Diese Herstellungsmethode von Metamaterialien umfasst zwei Zeichnungsstufen, wobei jede Stufe eine Verkleinerung beinhaltet. Ein makroskopisches Objekt, genannt Preform, wird durch Ziehen in einem Ofen zu einem Filament verarbeitet.

Der Primärziehvorgang wird verwendet, um Vorformlinge auf einen Außendurchmesser von mehr als einem Millimeter zu dehnen oder zu ummanteln. Als Orientierungshilfe verwenden Sie die im Begleittext in Tabelle eins angegebenen Primärziehbedingungen. Um den Vorformling auf den Ziehturm aufzubringen, befestigen Sie den oberen Verlängerer in der Dreibackenfutter, führen den Vorformling in die Heizzone des Ofens ein und richten ihn mithilfe des XY-Mikrometersystems aus.

Dann schließen Sie die obere Platte des Ofens. Erhöhen Sie die Temperatur auf 185 Grad Celsius. Beginnen Sie mit der Fördergeschwindigkeit von fünf Millimetern pro Minute.

Ziehgeschwindigkeit auf sechs Millimeter pro Minute einstellen und die Klemmen der Zugeinheit schließen. Überwachen Sie das Verhalten der Zugsperre im Zeitverlauf. Falls Umhüllen erforderlich ist, wird Vakuum benötigt.

Befestigen Sie ein Vakuumrohr an dem vakuumdichten oberen Vorformverlängerer mit Hilfe von Blue Tack. Starten Sie die Vorschub- und Zieheinheiten und wenden Sie dann Vakuum an, überwachen Sie die Ofentemperatur sowie das Verhältnis zwischen Vorschub- und Ziehgeschwindigkeit, um einen konstanten Außendurchmesser und die Ziehspannung aufrechtzuerhalten. Das Polymethylmethacrylat-Ummantelungsrohr, das zur Strukturierung des ein Millimeter dicken Indiumdrahts verwendet wird, wird durch Strecken und Überziehen hergestellt.

Standard-PMMA-Rohre im primären Ziehverfahren, um ein endgültiges PMMA-Ummantelungsrohr mit einem Durchmesser von einem Millimeter und einem Außendurchmesser von zwölf Millimetern herzustellen. Schneiden Sie zunächst 600 Millimeter lange PMMA-Rohre mit einem Innendurchmesser von sechs Millimetern und einem Außendurchmesser von zwölf Millimetern zu. Bereiten Sie mehrere PMMA-Rohre für die spätere Verwendung während des Ziehprozesses vor.

Stellen Sie die PMMA-Rohre für mindestens fünf Tage in einen Spannungsrelaxations-Ofen bei 90 Grad Celsius. Nachdem die Anil-Rohre auf Raumtemperatur abgekühlt sind, reinigen Sie die Oberfläche des PMMA-Rohrs mit Isopropanol-Tüchern und lassen Sie es trocknen. Befestigen Sie anschließend das PMMA-Rohr mithilfe von reflektierendem Klebeband am oberen Verlängerungsstück.

Befestigen Sie außerdem den PMMA-Schlauch am unteren Verlängerungsstück des Primärzuges. Ziehen Sie nun den PMMA-Schlauch im zuvor gezeigten Primärziehprozess von einem Außendurchmesser von 12 Millimetern auf sechs Millimeter. Erwärmen Sie ein Ende des resultierenden Schlauchs mit einer Heißluftpistole und fügen Sie es in einen neuen PMMA-Schlauch ein.

Um die PMMA-Rohrbaugruppe herzustellen, verschließen Sie den unteren Spalt zwischen dem gespannten Rohr und der neuen PMMA-Rohrbaugruppe. Befestigen Sie das obere Ende der PMMA-Rohrbaugruppe mit PTFE-Band am oberen Verlängerungsstück, indem Sie eine innere Schicht Klebeband, eine mittlere Schicht PTFE-Band und eine äußere Schicht Reflexband verwenden. Stellen Sie sicher, dass das PTFE-Band fest angezogen ist und alle Spalte zwischen der PMMA-Baugruppe und dem oberen Verlängerungsstück sowie zwischen gespanntem und übergestülptem Rohr dicht verschlossen sind.

Die resultierende PMMA-Rohranordnung im primären Ziehprozess unter Vakuum, wie zuvor gezeigt, von einem Außendurchmesser von 12 Millimetern auf sechs Millimeter, wodurch ein Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser von etwa 0,25 entsteht. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das endgültige PMMA-Ummantelungsrohr ein Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser von etwa 0,1 bei einem Innendurchmesser von einem Millimeter aufweist. Der sekundäre Ziehprozess wird verwendet, um Vorformlinge auf einen Außendurchmesser von weniger als einem Millimeter zu ziehen.

Wenn die Ziehtemperatur erreicht ist, beginnt sich die Vorform aufgrund des Gewichts des unteren Verlängerungsstücks außerhalb des Ofens einzuschnüren. Geben Sie die anfängliche Ziehkraft vor, beginnen Sie mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2,5 bis fünf Millimetern pro Minute und erhöhen Sie die Ofentemperatur zunächst auf 170 Grad Celsius. Erhöhen Sie dann die Temperatur langsam um 2,5 bis fünf Grad Celsius bis auf 220 Grad Celsius.

Um die Geschwindigkeit des Abwärtszugs zu kontrollieren, halten Sie den Faserdurchmesser zwischen 250 und 500 Mikrometern. Um ein Reißen der Faser zu verhindern, befestigen Sie die Faser an der Kapstanrolle, die sich mit einer geringen Geschwindigkeit von unter einem Meter pro Minute dreht. Führen Sie die Faser um die Taumelrollen und befestigen Sie sie an der Faserspule.

Verwenden Sie die sekundären Ziehbedingungen im beigefügten Manuskript als Leitfaden, um die stationären Ziehbedingungen und die endgültigen Faserdimensionen zu erzielen. Um einen konstanten Außendurchmesser und die Ziehspannung aufrechtzuerhalten, überwachen Sie die Ofentemperatur sowie das Verhältnis zwischen Vorschub- und Ziehgeschwindigkeit. Der ein Millimeter dicke Indiumdraht wird nun in einem PMMA-Ummantelungsrohr eingeschlossen und im sekundären Ziehprozess gestreckt, um eine mit Indium gefüllte Faser mit einem Außendurchmesser von einem Millimeter herzustellen. Schneiden Sie den Indiumdraht auf 550 Millimeter Länge zu und führen Sie ihn in das PMMA-Ummantelungsrohr ein, um die mit Indium gefüllte Vorform zu montieren. Strecken und ummanteln Sie die gefüllte Vorform im sekundären Ziehprozess unter Vakuum, um eine mit Indium gefüllte Faser mit einem endgültigen Außendurchmesser von einem Millimeter herzustellen, die unter einer Spannung von 15 bis 20 Gramm gezogen wird.

Nach Abschluss des Ziehprozesses die Spule mit der mit Indium gefüllten Faser vom Turm nehmen, die Stirnfläche sowie die Längsausdehnung der mit Indium gefüllten Faser unter einem Lichtmikroskop untersuchen. Problematische Fehler können eine Trennung an der Grenzfläche zwischen dem Indiumdraht und der PMA-Schlauchleitung, Durchmesserschwankungen oder Bruchrisse entlang der Faserlänge umfassen. Viele mit Indium gefüllte Fasern werden mit Gummibändern gebündelt und in den vorgefertigten PMMA-Ummantelungsschlauch eingesetzt, wobei sichergestellt werden muss, dass die Fasern gerade liegen und fest sitzen, sowie gespannt und eingeschoben werden. Die gestapelte Vorform wird in einem sekundären Ziehprozess unter Vakuum zu einer mit Indium gefüllten Stapelfaser mit einem endgültigen Außendurchmesser von 0,6 Millimetern bei einer Zugkraft von 80 Gramm gezogen.

Das gewünschte Produkt ist eine Metamaterialfaser, die fünf Mikrometer dicke Drähte enthält, die durch 50 Mikrometer voneinander getrennt sind. Dieses schematische Querschnittsbild einer mehrfach ummantelten Hülle zeigt einen einzelnen Indium-Draht, der in drei aufeinanderfolgenden PMMA-Mantelrohren eingeschlossen ist. Das Vorformlingstück einer ein Millimeter dicken PMMA-Faser enthält einen durchgehenden Indiumdraht mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern.

Dieses Mikroskopbild zeigt ein Beispiel für einen Querschnitt einer Metamaterialfaser mit plasmonischer Antwort im Terahertz-Bereich. Die plasmonische Antwort äußert sich dadurch, dass sich das Material bei niedrigen Frequenzen wie ein Metall verhält und bei hohen Frequenzen wie ein Dielektrikum, wobei die Plasmafrequenzen hier die Grenze zwischen den beiden Verhaltensweisen definieren. Experimentelle Messungen charakterisieren diesen Fasertyp, der auf drei verschiedene Abmessungen gezogen wurde.

In beiden Fällen ist die Abhängigkeit der Plasmafrequenz vom Durchmesser deutlich erkennbar. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Metamaterialstrukturen kostengünstig und potenziell im industriellen Maßstab herstellt. Denken Sie daran, die indischen Feldfasern unter hoher Spannung zu ziehen, um zu verhindern, dass sich die indische Substanz entlang der Faserlänge zersetzt.

Dies wird durch die Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur erreicht, was zu einer hohen Viskosität des Polymers führt und somit die Struktur erhält, die das flüssige Metall enthält.