Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

Cette procédure vise à fabriquer des métamatériaux à moindre coût à une échelle potentiellement industrielle. Tout d'abord, fabriquez le tube gainé en PMMA lors du premier étirage. Ensuite, insérez l'indium dans le trou et étirez la fibre remplie d'indium à l'aide d'un procédé d'étirage primaire.

Assemblez l'indio empilé, la préforme remplie et un coude dans un four à 90 degrés Celsius. Procédez ensuite à une étape de tirage secondaire afin de transformer la préforme remplie d'indium empilée en une fibre. Les métamatériaux obtenus contiennent des fils de cinq micromètres de diamètre espacés de 50 micromètres, qui peuvent être fabriqués à moindre coût à une échelle potentiellement industrielle et présentent une réponse plasmonique dans la gamme de fréquences térahertz.

Les autres méthodes de fabrication de métamatériaux, telles que les techniques lithographiques, de nanofabrication et de microfabrication, sont coûteuses et ne permettent généralement d'obtenir que des échantillons de quelques centimètres de taille. Le principal avantage de notre technique est que nous pouvons fabriquer des centaines de mètres de métamatériaux sous forme de fibres. Cela nous permet d'aborder des questions importantes dans ce domaine, comme savoir si les métamatériaux peuvent être produits en quantités technologiquement et pratiquement pertinentes.

La méthode particulière que nous démontrons ici permet d'obtenir des métamatériaux présentant une réponse plasmonique dans le térahertz. En principe, ce procédé peut être réduit à l'échelle nanométrique, produisant ainsi des métamatériaux dont la réponse se situe dans le spectre visible. L'inspiration pour cette méthode provient de nos travaux antérieurs sur le tirage de fibres comportant des électrodes internes afin de fabriquer des modulateurs électro-optiques.

Nous nous sommes récemment rendu compte que cette technique, considérablement étendue, pourrait être utilisée pour créer des métamatériaux. La fabrication de métamatériaux en tirant des préformes constituées de fibres empilées chargées d'Indien est difficile à maîtriser. Nous espérons que cette démonstration visuelle montrera à quoi ressemblent les différents éléments ainsi que les conditions nécessaires pour étirer ces structures complexes à l'échelle micrométrique.

Richard Luin, un ingénieur, et Alessandro T, un étudiant au doctorat de notre groupe de recherche, démontreront ce procédé. Cette méthode de fabrication de métamatériaux comprend deux étapes d'étirage, chaque étape impliquant une miniaturisation. Un objet macroscopique appelé préforme est d'abord étiré dans un four pour former un filament.

Le procédé de tirage principal sert à étirer ou emmancher des préformes jusqu'à un diamètre extérieur supérieur à un millimètre. À titre indicatif, utilisez les conditions de tirage principal indiquées dans le tableau un du texte accompagnant. Pour charger la préforme sur la tour de tirage, fixez l'adaptateur supérieur dans le mandrin à trois mors, introduisez la préforme dans la zone chaude du four et alignez-la à l'aide du plateau micrométrique XY.

Ensuite, fermer la plaque supérieure du four. Augmenter la température à 185 degrés Celsius. Démarrer le débit d'alimentation à cinq millimètres par minute.

Régler la vitesse de traction à six millimètres par minute et fermer les pinces de l'unité de traction. Surveiller l'évolution de la tension de traction en fonction du temps. En cas de gainage, un vide est nécessaire.

Fixez un tube à vide sur l'extenseur préformé à sommet scellé sous vide à l'aide de pâte bleue. Démarrez les unités d'alimentation et d'étirage, puis appliquez le vide tout en surveillant la température du four et le rapport entre les vitesses d'alimentation et d'étirage afin de maintenir un diamètre extérieur constant et une tension d'étirage stable. Le tube gainé en polyméthacrylate de méthyle utilisé pour structurer le fil d'indium d'un millimètre de diamètre est fabriqué par étirage et emmanchage.

Des tubes PMMA standard dans le processus de tirage primaire permettent d'obtenir un tube gainé en PMMA d'un millimètre de diamètre intérieur et de douze millimètres de diamètre extérieur. Commencez par découper des tronçons de 600 millimètres de longueur à partir de tubes PMMA ayant un diamètre intérieur de six millimètres et un diamètre extérieur de douze millimètres. Préparez plusieurs tubes PMMA pour une utilisation ultérieure durant le processus de recuit.

Placer les tubes en PMMA dans une étuve de recuit à 90 degrés Celsius pendant au moins cinq jours. Une fois que les tubes Anil ont refroidi à température ambiante, nettoyer la surface du tube en PMMA avec des lingettes imprégnées d’isopropanol et laisser sécher. Ensuite, fixer le tube en PMMA à l’extenseur supérieur à l’aide de ruban réfléchissant.

Fixez également le tube PMMA à l'extenseur inférieur principal. Nous étirons maintenant le tube PMMA depuis un diamètre extérieur de 12 millimètres jusqu'à six millimètres lors du processus d'étirage principal montré précédemment. Pliez à chaud un côté du tube obtenu à l'aide d'un pistolet à air chaud et insérez-le dans un nouveau tube PMMA.

Pour créer le joint de l'assemblage du tube PMMA, obturer l'écart inférieur entre le tube étiré et le nouvel assemblage de tube PMMA. À l'aide de ruban PTFE, fixer l'extrémité supérieure de l'assemblage de tube PMMA à l'extenseur supérieur en utilisant une couche intérieure de ruban adhésif, une couche intermédiaire de ruban PTFE et une couche externe de ruban réfléchissant. Veiller à ce que le ruban PTFE soit bien tendu et que tous les espaces entre l'assemblage de deux tubes PMMA et l'extenseur supérieur soient étanches, étirer et enfiler.

L'assemblage de tube en PMMA obtenu lors du premier étirage sous vide, comme indiqué précédemment, passe d'un diamètre extérieur de 12 millimètres à six millimètres, ce qui donne un rapport entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur d'environ 0,25. Répétez ce processus jusqu'à ce que le tube de gainage en PMMA final présente un rapport entre diamètre intérieur et diamètre extérieur d'environ 0,1, avec un diamètre intérieur de un millimètre. Le deuxième étirage est utilisé pour étirer les préformes jusqu'à un diamètre extérieur inférieur à un millimètre.

Lorsque la température de tirage est atteinte, la préforme commence à s'amincir en sortant du fourneau en raison du poids de l'extension inférieure. Appliquez la force initiale de tirage, commencez le débit d'alimentation à 2,5 à cinq millimètres par minute et augmentez progressivement la température du fourneau à 170 degrés Celsius. Augmentez ensuite lentement la température de 2,5 à cinq degrés Celsius jusqu'à 220 degrés Celsius.

Pour contrôler la vitesse de la descente, maintenir le diamètre de la fibre entre 250 et 500 microns. Pour éviter la rupture de la fibre, l'attacher à la meule à tambour tournant à faible vitesse, inférieure à un mètre par minute. Enrouler la fibre autour des galets mobiles et la fixer sur la bobine de fibre.

Utilisez les conditions de tirage secondaire décrites dans le manuscrit joint comme guide pour obtenir les conditions de tirage en régime permanent et les dimensions finales de la fibre. Pour maintenir un diamètre extérieur constant et une tension de tirage stable, surveillez la température du fourneau ainsi que le rapport entre la vitesse d’alimentation et la vitesse de tirage. Le fil d’indium d’un millimètre sera désormais gainé puis étiré dans le tube de gaine PMMA lors du procédé de tirage secondaire, afin de produire une fibre remplie d’indium dont le diamètre final n’excède pas un millimètre. Coupez le fil d’indium en segments de 550 millimètres et insérez-les dans le tube de gaine PMMA pour former l’ensemble préforme remplie. Étirez et gainez cet ensemble préforme rempli lors du procédé de tirage secondaire sous vide afin d’obtenir une fibre remplie d’indium dont le diamètre extérieur final est d’un millimètre, tirée sous une tension de 15 à 20 grammes.

Une fois le processus de tirage terminé, retirez la bobine de fibre remplie d'indium de la tour, inspectez la face terminale ainsi que la longueur longitudinale de la fibre remplie d'indium au microscope optique. Les défauts problématiques peuvent inclure une séparation entre le fil d'indium et l'interface du tube en PMMA, des fluctuations du diamètre ou des fissures de rupture le long de la longueur de la fibre. Regroupez plusieurs fibres remplies d'indium à l’aide d’élastiques et insérez-les dans le tube de gaine préformé en PMMA, en veillant à ce que les fibres soient droites, bien ajustées, tendues et gainées. Assemblez la préforme empilée pour le processus de tirage secondaire sous vide afin d’obtenir une fibre empilée en indium dont le diamètre extérieur final est de 0,6 millimètre, tirée sous une tension de 80 grammes.

Le produit souhaité est une fibre métamatériau contenant des fils de cinq microns séparés par 50 microns. Ce schéma de section transversale d'une gaine à multiples manchons montre un seul fil d'indium gainé dans trois tubes successifs en PMMA. La préforme de fibre en PMMA d'un millimètre contient un fil d'indium continu de 100 microns de diamètre.

Cette image de microscope montre un exemple de coupe transversale d'une fibre en matériau métamorphique présentant une réponse plasmonique dans la gamme des fréquences térahertz. La réponse plasmonique se manifeste de telle sorte qu'à basse fréquence, le matériau se comporte comme un métal, et à haute fréquence comme un diélectrique, les fréquences plasmas définissant ici la frontière entre ces deux comportements. Des mesures expérimentales caractérisent ce type de fibre étirée selon trois dimensions différentes.

Dans les deux cas, la dépendance de la fréquence du plasma au diamètre est évidente. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment fabriquer des structures de métamatériaux de manière peu coûteuse et à une échelle potentiellement industrielle. N'oubliez pas d'étirer les fibres du champ indien sous haute tension afin d'empêcher l'indien de se rompre le long de la longueur de la fibre.

Cela est obtenu en maintenant une température basse, ce qui entraîne une viscosité élevée du polymère et préserve ainsi la structure contenant le métal liquide.