Material för flygtillämpningar står inför många utmaningar. Ett flygplans struktur måste vara lätt men ändå stark. Strukturella komponenter som vingarna eller flygkroppen måste stå emot skador samtidigt som de i vissa områden kan hantera höga temperaturer från motoravgaserna. Ett flygplans elektroniska komponenter måste också vara skärmade från elektriska överspänningar på grund av blixtnedslag eller andra störningar.

Att utveckla nya material som uppfyller dessa många krav är vad biträdande professor Anamika Prasad vid South Dakota State Universitys avdelning för maskinteknik har arbetat med i samarbete med materialforskningsgruppen vid Wright-Patterson Air Force Base.

Prasad fick ett åtta veckor långt U.S. Air Force Research Laboratory-stipendium förra sommaren för att arbeta med material- och tillverkningsdirektoratet och fortsätter sin forskning om MXene-baserade kompositer genom ett andra stipendium i sommar. Gemenskapsprogrammet, sponsrad av Air Force Office of Scientific Research, bygger relationer med heltidsvetenskap, matematik och ingenjörsfakulteten vid amerikanska högskolor och universitet genom att ge dem en möjlighet att utföra forskning vid ett flygvapenforskningslabb.

"Det var en fantastisk samarbetsupplevelse att arbeta tillsammans med AFRL-forskare och sommarstipendiater (fakultet och studenter), sa Prasad, vars forskning vid SDSU fokuserar på att använda växtinspirerade strukturer för att designa och tillverka kompositmaterial.

Fakulteten utför normalt forskning på plats, men covid-19-pandemin ledde till att Prasad arbetade på distans och flyttade fokus till beräkningsanalys av MXenes, en ny klass av tvådimensionella tekniska material. Ett dokument som beskriver resultaten av deras forskning sommaren 2020 granskas av MRS Bulletin Impact.

AFRL:s forskningsmaterialingenjör Dhriti Nepal sa, "Det är ett stort nöje att arbeta med professor Prasad. Hennes insikter om bioinspirerade strukturer för mekanik och flerskalig modellering har varit exceptionellt värdefulla för att designa nästa generations kompositer."

Fokus på multifunktionalitet

Tekniska material faller vanligtvis i enskilda hinkar, sa Prasad. "Om vi ​​vill ha material som är tufft, vi väljer en metall; om vi vill ha ett material designat för flexibilitet och låg densitet, vi väljer en polymer eller plast; om vi vill ha hög hållfasthet och värmebeständighet, vi väljer en keramik." för flygtillämpningar, tyngdpunkten ligger på multifunktionella material.

"Multifunktionalitet är inbyggt i naturliga system, " sade Prasad. Snabbväxande växter måste vara flexibla men ändå behålla optimal styrka och ge en fjädrande väg för vatten- och värmehantering när strukturen växer. Skal och exoskelett är exempel på material med en bra balans mellan seghet och styrka samtidigt som egenskaperna bibehålls, såsom ytjämnhet för försvar mot parasiter.

MXene - uttalas som namnet Maxine, upptäcktes 2011 vid Drexel University, har unika fastighetskombinationer. Det kan göras till mycket ledande och starka tunna filmer i lager med endast ett fåtal atomer, liknande grafen. "Detta nya tvådimensionella material har mycket hög hållfasthet i ett plan när du drar i det och är mycket ledande och värmebeständigt, " sa Prasad.

Till skillnad från enatomen (kolet) i grafen, MXenes 2D-lagerstruktur kan ha ett brett utbud av kompositioner, där M står för early transition metal, såsom titan eller krom, och X står för kol och/eller kväve. "Eftersom föreningarna inte bara är ett enda element, vi kan leka med dem, funktionalisering av ytskikten för olika applikationer, ", sa Prasad. Andra forskare uppskattar att mer än en miljon MXene-legeringsföreningar ännu inte har upptäckts.

Dock, rena MXene-filmer har en tunn, flagnande struktur som gör det svårt att skapa en kompositkombination som behåller de unika egenskaperna samtidigt som den ger strukturell hållbarhet. "Om du lägger till polymer till MXenes för att bilda en komposit, det ger strukturell stabilitet, men kompositerna kan förlora sin huvudsakliga konduktivitetsfunktionalitet. För att göra dem användbara, vi måste hitta vägar för kompositdesign som inte ändrar deras unika egenskaper, " sa Prasad.

AFRL forskningskemist Vikas Varshney sa, "Att kombinera multifunktionalitet med strukturell livskraft i sådana kompositer är avgörande för ett antal strukturella tillämpningar för flygvapnet. Att arbeta med Dr. Prasad, vi planerar att modellera och utforska så mycket av ett fasutrymme som möjligt för att förstå vilken roll olika sammansatta parametrar spelar för att styra deras strukturella egenskaper, så småningom vägleda experimentalister mot att utveckla strukturellt sunda multifunktionella kompositmaterial."

Analysera MXene-strukturer

Prasad jämförde strukturen hos det tunna, flagnande individuella tabletter av MXene-polymerkompositer till de skiktade tegelstenarna och murbruksstrukturen som finns i vissa naturliga system som ett sätt att få inspiration till kompositdesignen.

"Många skal, till exempel, invändigt har en tegelbruksstruktur där tegel eller plattor är polygoner och är stela. Alla plattor är dispergerade i ett polymerbruk, som binder brickorna och låter dem ge eller böja sig, " Hon sa.

Själva plattorna har en vågig, grov struktur, Prasad fortsatte. Denna ojämnhet gör att plattorna låser ihop sig. "När en spricka uppstår, den går sicksackvägen genom den murbruksliknande polymeren, som ger offerfogar som går sönder för att ge det (stycket) ytterligare styrka och brottseghet."

Förra sommaren, hon och hennes AFRL-team analyserade naturliga kompositer för att förstå hur deras unika designfunktioner kunde tillämpas på MXenes. Den här sommaren, hon fortsatte med att utveckla simuleringar för att modellera MXene-baserade kompositer och ytinteraktioner.

"Vi vill förutsäga deras makroskala svar från vad som händer på en atomär nivå av materialdesign, "Prasad. Med början i höst, senior maskiningenjörschef Jordan VonSeggern från Elk Point, South Dakota, kommer att gå med i hennes forskargrupp för att fortsätta utveckla modellen genom en AFRL-stödd praktik.

Genom sitt samarbete med AFRL-forskare, Prasad har "hittat en grupp människor som verkligen stöttar och har hjälpt mig att utforska nya idéer." Hon planerar att fortsätta att tillämpa det hon har lärt sig om MXene-baserade kompositer i sin forskning vid SDSU.

"Jag kan skapa MXene-baserade kompositmaterial och funktionalisera skikten för att ge förmågan att känna av växternas tillväxt eller för att se vad som flödar inuti xylemvävnaderna, " sa hon. Tufft, flexibla filmer gjorda med MXenes kan användas för att skapa biomedicinska sensorer som mäter elektrisk ledningsförmåga när olika näringsämnen flödar genom växtvävnader.

I vår, Prasad fick en SDSU Research, Stipendium och Creative Activities Challenge Fund-bidrag för att börja utveckla simuleringsverktyg för att förutsäga egenskaperna hos MXene-baserade kompositer och ta med maskininlärningsmöjligheter i hennes materialforskning. SDSU:s RSCA Challenge Fund hjälper fakulteten att generera preliminära data för att öka sin förmåga att konkurrera om extern finansiering.