Fiber Çizim Yöntemi Kullanma Fabricating meta malzeme

Bu prosedür, metamateryallerin potansiyel olarak endüstriyel ölçekte ve düşük maliyetle üretilmesini amaçlamaktadır. İlk olarak, birincil çekme işleminde PMMA kılıf tüpü üretilir. Ardından, delik içerisine indiyum yerleştirilir ve birincil çekme işlemi kullanılarak indiyum dolgulu fiber çekilir.

İstiflenmiş indium dolgulu preformu ve bir dirseği 90 derece Celsius'luk bir fırında birleştirin. İstiflenmiş indium dolgulu preformu bir fiber haline getirmek için ikincil çekme işlemine geçin. Elde edilen metamalzemeler, 50 µm aralıklarla yerleştirilmiş 5 µm kalınlığında tellere sahiptir; bunlar potansiyel olarak endüstriyel ölçekte düşük maliyetle üretilebilir ve terahertz frekans aralığında plazmonik yanıt gösterirler.

Litografik, nano ve mikrofabrikasyon teknikleri gibi metamalzeme üretimi için kullanılan diğer yöntemler pahalıdır ve genellikle sadece birkaç santimetre boyutunda örnekler üretebilirler. Bizim tekniğimizin temel avantajı, fiber formunda yüzlerce metre metamalzeme üretebilmemizdir. Bu durum, metamalzemelerin üretilip üretilemeyeceği ve teknolojik ile pratik açıdan ilgili miktarlar gibi alanındaki önemli soruları ele almamıza olanak tanır.

Burada gösterdiğimiz özel yöntem, terahertz aralığında plazmonik yanıta sahip metamateryaller üretmektedir. Bu işlem prensipte, görünür spektrumda yanıta sahip metamateryaller elde edecek şekilde nanobölgeye indirgenebilir. Bu yöntemin ilham kaynağı, elektro-optik modülatörler yapmak için dahili elektrotlu fiberlerin çekilmesi üzerine yaptığımız önceki çalışmalarımızdır.

Yakın zamanda, bu tekniğin önemli ölçüde genişletilerek metamalzemeler oluşturmak için kullanılabileceğini fark ettik. İstiflenmiş Hint dolgulu fiberlerin preformlarını çekerek metamalzemeler üretmek, öğrenilmesi zor bir işlemdir. Bu görsel gösterimin, çeşitli elementlerin nasıl göründüğünü ve bu karmaşık yapıların mikron ölçeğine kadar çekilmesi için gereken koşulları ortaya koyacağını umuyoruz.

Bu süreci Richard Luin (bir mühendis) ve araştırma grubumuzdan doktora öğrencisi Alessandro T uygulamalı olarak gösterecektir. Metamalzemelerin bu üretim yöntemi, her aşamanın küçültme işlemini içerdiği iki aşamalı bir çekme işleminden oluşur. Preform adı verilen makroskobik bir nesne, bir fırın içerisinde çekilerek bir filamente dönüştürülür.

Birincil çekme işlemi, preformları bir milimetreden daha büyük bir dış çapa kadar germek veya kılıflamak için kullanılır. Kılavuz olarak, ekteki metnin birinci tablosunda yer alan birincil çekme koşullarını kullanın. Preformu çekme kulesine yükleyin. Üst uzatıcıyı üç ayaklı aynaya sabitleyin, preformu fırının sıcak bölgesine sürün ve XY mikrometre tablasını kullanarak hizalayın.

Ardından fırının üst plakasını kapatın. Sıcaklığı 185 °C'ye yükseltin. Besleme hızını dakikada beş milimetre olarak başlatın.

Dakikada altı milimetre hızla çekim yapın ve çekim ünitesi kelepçelerini kapatın. Çekim gerginliğinin zaman içindeki davranışını izleyin. Eğer kılıf oluşumu (sleeving) meydana gelirse, vakum gereklidir.

Vakumla mühürlenmiş üst ön form uzatıcısına mavi yapışkan macun (blue tack) kullanarak bir vakum tüpü takın. Besleme ve çekme ünitelerini çalıştırın; ardından vakum uygulayın, fırın sıcaklığını ve sabit dış çap ile çekme gerilimini korumak için besleme ve çekme hızları arasındaki oranı izleyin. Bir milimetrelik indiyum telini yapılandırmak için kullanılan polimetil metakrilat kılıf tüpü, germe ve kılıflama yöntemiyle üretilir.

Bir milimetre iç çapta ve 12 milimetre dış çapta nihai bir PMMA kılıf tüpü üretmek için primer çekme işleminde standart PMMA tüpler kullanılır. İlk olarak, altı milimetre iç çapta ve 12 milimetre dış çapta olan PMMA tüplerden 600 milimetrelik uzunluklarda parçalar kesin. Bekletme işlemi sırasında gelecekte kullanılmak üzere birkaç PMMA tüpü hazırlayın.

PMMA tüplerini, en az beş gün boyunca 90 °C'ye ayarlanmış bir tavlama fırınında bekletin. Tüpler oda sıcaklığına soğuduktan sonra, PMMA tüpünün yüzeyini izopropanol mendillerle temizleyin ve kurumasını bekleyin. Ardından, PMMA tüpünü yansıtıcı bant kullanarak üst uzatma aparatına sabitleyin.

Ayrıca PMMA tüpü, birincil çekme alt uzatmasına sabitleyin. Şimdi PMMA tüpü, daha önce gösterilen birincil çekme işleminde 12 mm dış çapından altı mm'ye kadar çekiyoruz. Elde edilen tüpün bir ucunu sıcak hava tabancasıyla ısıtarak daraltın ve yeni bir PMMA tüpün içine yerleştirin.

PMMA tüp düzeneğini oluşturmak için, gerilmiş tüp ile yeni PMMA tüp düzeneği arasındaki alt boşluğu sızdırmaz hale getirin. PTFE bant kullanarak, PMMA tüp düzeneğinin üst ucunu; iç katman olarak yapışkan bant, orta katman olarak PTFE bant ve dış katman olarak yansıtıcı bant kullanarak üst uzatıcıya sabitleyin. PTFE bandın sıkı olduğundan ve PMMA iki düzenek ile üst uzatıcı arasındaki tüm boşlukların sızdırmaz olduğundan emin olun, Gerdirme ve kılıf geçirme.

Daha önce gösterildiği gibi, vakum altında gerçekleştirilen birincil çekme işleminde, sonuçta ortaya çıkan PMMA tüp düzeneği 12 milimetrelik bir dış çaptan altı milimetreye kadar indirilir ve böylece yaklaşık 0,25'lik bir iç çap/dış çap oranı elde edilir. Bu işlem, nihai PMMA kılıf tüpü bir milimetrelik bir iç çapa ve yaklaşık 0,1'lik bir iç/dış çap oranına ulaşana kadar tekrarlanır. İkincil çekme işlemi, ön formların bir milimetreden daha küçük bir dış çapa kadar gerilmesi için kullanılır.

Çekme sıcaklığına ulaşıldığında, alt uzatıcının ağırlığı nedeniyle ön form fırından çıkarken boyun vermeye başlar. Başlangıç çekme kuvvetini sağlamak için besleme hızını dakikada 2,5 ila beş milimetre olarak başlatın ve fırın sıcaklığını 170 °C'ye yükselterek işleme başlayın. Ardından, sıcaklığı 220 °C'ye ulaşana kadar yavaşça 2,5 ila beş °C artırın.

Aşağı doğru inme hızını kontrol etmek için, fiber çapını 250 ila 500 mikron civarında tutun. Fiberin kopmasını önlemek için, fiberi dakikada bir metrenin altındaki yavaş bir hızda dönen kapstan tekerleğine bağlayın. Fiberi dancer tekerleklerine sarın ve fiber makarasına bağlayın.

Kararlı durum çekim koşullarını ve nihai fiber boyutlarını elde etmek için ekteki makalede yer alan ikincil çekim koşullarını kılavuz olarak kullanın. Sabit dış çapı ve çekim gerilimini korumak için fırın sıcaklığını ve besleme ile çekim hızı arasındaki oranı izleyin. Bir milimetre çapındaki indiyum tel, çapı bir milimetre olan indiyum dolgulu bir fiber üretmek amacıyla, ikincil çekim işleminde PMMA kılıf tüpü içerisinde kılıflanacak ve gerilecektir. İndiyum teli 550 milimetre uzunlukta kesin ve indiyum dolgulu preform düzeneğini oluşturmak için PMMA kılıf tüpüne yerleştirin; indiyum dolgulu preform düzeneğini, nihai dış çapı bir milimetre olan indiyum dolgulu bir fiber üretmek için vakumlu ikincil çekim işleminde gerin ve kılıflayın. Çekim işlemi 15 ila 20 gram gerilim altında gerçekleştirilmiştir.

Çekim işlemi tamamlandıktan sonra,lehim (indiyum) dolgulu fiber makarasını kuleden çıkarın; uç yüzeyini ve indiyum dolgulu fiberin boylu boyunca olan uzunluğunu bir ışık mikroskobu altında inceleyin. Sorunlu kusurlar arasında, indiyum tel ile PMMA tüp arayüzü arasındaki ayrılmalar, geniş çaplı dalgalanmalar veya fiber demeti boyunca meydana gelen kırılma çatlakları yer alabilir. İndiyum dolgulu fiberleri lastik bantlar kullanarak demetleyin ve fiberlerin düz olduğundan ve sıkıca oturduğundan emin olarak PMMA ön şekillendirilmiş kılıf tüpüne yerleştirin, gerin ve kılıflandırın. İstiflenmiş preform düzeneği, nihai dış çapı 0.6 mm olan indiyum istifli fiberler elde etmek için vakumlu ikincil çekim işlemine tabi tutulur ve 80 g gerilim altında çekilir.

İstenen ürün, 50 mikron aralıklarla yerleştirilmiş beş adet mikron tel içeren bir metamalzeme fiberidir. Çok katmanlı kılıflı bir ceket yapısının bu kesit şeması, üç ardışık PMMA ceket tüpü içine yerleştirilmiş tek bir İndiyum telini göstermektedir. Bir milimetrelik PMMA fiber preformu, 100 mikron çapında sürekli bir indiyum tel içermektedir.

Bu mikroskop görüntüsü, terahertz aralığında plazmonik yanıt veren bir metamalzeme fiberin kesitine örnektir. Plazmonik yanıt, düşük frekanslarda malzemenin bir metal gibi, yüksek frekanslarda ise bir dielektrik gibi davrandığı şekilde ortaya çıkar ve plazma frekansları buradaki iki davranış arasındaki sınırı belirler. Deneysel ölçümler, üç farklı boyutta çekilmiş bu fiber türünü karakterize etmektedir.

Her iki durumda da plazma frekansının çapa olan bağımlılığı belirgindir. Bu videoyu izledikten sonra, metamalzeme yapılarının nasıl düşük maliyetle ve potansiyel olarak endüstriyel ölçekte üretilebileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. İndiyumun fiber boyunca parçalanmasını önlemek için indiyum alan fiberlerini yüksek gerilim altında çekmeyi unutmayın.

Bu, polimer için yüksek viskoziteyle sonuçlanan düşük bir sıcaklığın korunmasıyla sağlanır ve böylece sıvı metali içeren yapı korunmuş olur.