Materialen voor ruimtevaarttoepassingen staan ​​voor veel uitdagingen. De constructie van een vliegtuig moet licht en toch sterk zijn. Structurele componenten zoals de vleugels of de romp moeten bestand zijn tegen schade en tegelijkertijd in sommige gebieden bestand zijn tegen hoge temperaturen van motoruitlaatgassen. De elektronische componenten van een vliegtuig moeten ook worden afgeschermd tegen elektrische spanningspieken als gevolg van blikseminslag of andere interferentie.

Het ontwikkelen van nieuwe materialen die aan deze meerdere eisen voldoen, is waar assistent-professor Anamika Prasad van de afdeling Werktuigbouwkunde van de South Dakota State University aan heeft gewerkt in samenwerking met de materiaalonderzoeksgroep op Wright-Patterson Air Force Base.

Prasad ontving afgelopen zomer een fellowship van het US Air Force Research Laboratory van acht weken om samen te werken met het directoraat materialen en productie en zet haar onderzoek naar op MXene gebaseerde composieten deze zomer voort met een tweede fellowship. Het fellowship-programma, gesponsord door het Air Force Office of Scientific Research, bouwt relaties op met fulltime wetenschap, wiskunde en technische faculteit aan Amerikaanse hogescholen en universiteiten door hen de kans te geven om onderzoek te doen in een Air Force Research Lab.

"Het was een geweldige samenwerkingservaring om samen te werken met AFRL-wetenschappers en summer fellows (faculteit en studenten), " zei Prasad, wiens onderzoek bij SDSU zich richt op het gebruik van op planten geïnspireerde structuren voor het ontwerpen en vervaardigen van composietmaterialen.

De faculteit doet normaal gesproken onderzoek ter plaatse, maar de COVID-19-pandemie leidde ertoe dat Prasad op afstand werkte en de focus verlegde naar computationele analyse van MXenes, een nieuwe klasse van tweedimensionale technische materialen. Een paper waarin de resultaten van hun onderzoek in de zomer van 2020 worden beschreven, wordt beoordeeld door het MRS Bulletin Impact.

AFRL-onderzoeksmateriaalingenieur Dhriti Nepal zei:"Het is een groot genoegen om met professor Prasad samen te werken. Haar inzichten over bio-geïnspireerde structuren voor mechanica en multischaalmodellering zijn buitengewoon waardevol geweest voor het ontwerpen van composieten van de volgende generatie."

Focus op multifunctionaliteit

Technische materialen vallen meestal in afzonderlijke emmers, zei Prasad. "Als we materialen willen die taai zijn, we kiezen een metaal; als we een materiaal willen dat is ontworpen voor flexibiliteit en lage dichtheid, we kiezen voor een polymeer of kunststof; als we een hoge sterkte en hittebestendigheid willen, we kiezen voor keramiek." voor ruimtevaarttoepassingen, de nadruk ligt op multifunctionele materialen.

"Multifunctionaliteit is ingebouwd in natuurlijke systemen, " zei Prasad. Snelgroeiende planten moeten flexibel zijn en toch optimale sterkte behouden en een veerkrachtig pad bieden voor water- en warmtebeheer naarmate de structuur groeit. Schelpen en exoskeletten zijn voorbeelden van materialen met een goede balans tussen taaiheid en sterkte met behoud van eigenschappen, zoals gladheid van het oppervlak voor verdediging tegen parasieten.

MXene - uitgesproken als de naam Maxine, ontdekt in 2011 aan de Drexel University, heeft unieke eigenschappencombinaties. Er kunnen zeer geleidende en sterke dunne films van worden gemaakt in lagen van slechts enkele atomen, vergelijkbaar met grafeen. "Dit nieuwe tweedimensionale materiaal heeft een zeer hoge sterkte in een vlak wanneer je eraan trekt en is zeer geleidend en hittebestendig, ' zei Prasad.

In tegenstelling tot het enkelatoom (koolstof) van grafeen, De 2D-laagstructuur van MXene kan een breed scala aan composities hebben, waarbij M staat voor vroeg overgangsmetaal, zoals titanium of chroom, en X staat voor koolstof en/of stikstof. "Omdat de verbindingen niet slechts een enkel element zijn, we kunnen met ze spelen, het functionaliseren van de oppervlaktelagen voor verschillende toepassingen, " zei Prasad. Andere onderzoekers schatten dat er nog meer dan een miljoen MXene-legeringen moeten worden ontdekt.

Echter, pure MXene-films hebben een dunne, schilferige structuur die het moeilijk maakt om een ​​composietcombinatie te creëren die de unieke eigenschappen behoudt en tegelijkertijd structurele duurzaamheid biedt. "Als je polymeer aan MXenes toevoegt om een ​​composiet te vormen, het zorgt voor structurele stabiliteit, maar de composieten kunnen hun belangrijkste functionaliteit van geleidbaarheid verliezen. Om ze nuttig te maken, we moeten paden van composietontwerp vinden die hun unieke eigenschappen niet veranderen, ' zei Prasad.

AFRL-onderzoekschemicus Vikas Varshney zei:"Het combineren van multifunctionaliteit met structurele levensvatbaarheid in dergelijke composieten is cruciaal voor een aantal structurele toepassingen van de luchtmacht. In samenwerking met Dr. Prasad, we zijn van plan om zoveel mogelijk een faseruimte te modelleren en te verkennen om de rol van verschillende composietparameters bij het beheersen van hun structurele eigenschappen te begrijpen, uiteindelijk leidende experimentatoren naar het ontwikkelen van structureel gezonde multifunctionele composietmaterialen."

Analyseren van MXene-structuren

Prasad vergeleek de structuur van de dunne, schilferige individuele tabletten van MXene-polymeercomposieten aan de gelaagde stenen en de mortelstructuur die aanwezig zijn in sommige natuurlijke systemen als een middel om inspiratie op te doen voor het composietontwerp.

"Veel schelpen, bijvoorbeeld, intern een baksteen-mortelstructuur hebben waarin baksteen of tegels polygonen zijn en stijf zijn. Alle tegels zijn gedispergeerd in een polymere mortel, die de tegels bindt en ze laat meegeven of buigen, " ze zei.

De tegels zelf hebben een golvende, ruwe structuur, Prasad vervolgde. Deze oneffenheden zorgen ervoor dat de tegels in elkaar grijpen. "Als er een barst optreedt, het reist het zigzagpad door het mortelachtige polymeer, die opofferingsverbindingen biedt die breken om het (het stuk) meer sterkte en breuktaaiheid te geven."

Vorige zomer, zij en haar AFRL-teams analyseerden natuurlijke composieten om te begrijpen hoe hun unieke ontwerpkenmerken konden worden toegepast op MXenes. Deze zomer, ze zette haar taken voort om simulaties te ontwikkelen om op MXene gebaseerde composieten en oppervlakte-interacties te modelleren.

"We willen hun reactie op macroschaal voorspellen op basis van wat er gebeurt op atomair niveau van materiaalontwerp, " Prasad. Vanaf dit najaar, senior majoor werktuigbouwkunde Jordan VonSeggern van Elk Point, Zuid Dakota, zal zich bij haar onderzoeksgroep aansluiten om het model verder te ontwikkelen via een AFRL-ondersteunde stage.

Door haar samenwerking met AFRL-onderzoekers, Prasad heeft "een groep mensen gevonden die me echt steunen en me hebben geholpen bij het verkennen van nieuwe ideeën." Ze is van plan om wat ze heeft geleerd over op MXene gebaseerde composieten te blijven toepassen in haar onderzoek bij SDSU.

"Ik kan op MXene gebaseerde composietmaterialen maken en de lagen functionaliseren om de mogelijkheid te bieden om de groei van planten te voelen of om te zien wat er in de xyleemweefsels stroomt, "zei ze. Stoer, flexibele films gemaakt met MXenes kunnen worden gebruikt om biomedische sensoren te maken die elektrische geleidbaarheid meten terwijl verschillende voedingsstoffen door plantenweefsels stromen.

Deze lente, Prasad ontving een SDSU-onderzoek, Scholarship and Creative Activities Challenge Fund-subsidie ​​​​om te beginnen met het ontwikkelen van simulatietools om de eigenschappen van op MXene gebaseerde composieten te voorspellen en machine learning-mogelijkheden in haar materiaalonderzoek te brengen. SDSU's RSCA Challenge Fund helpt faculteiten om voorlopige gegevens te genereren om hun vermogen om te concurreren voor externe financiering te vergroten.