Udvikling af multifunktionelle kompositmaterialer til rumfartsapplikationer

Materialer til rumfartsapplikationer står over for mange udfordringer. Strukturen af ​​et fly skal være let, men alligevel stærk. Strukturelle komponenter som f.eks. vingerne eller skroget skal modstå skader og samtidig i nogle områder være i stand til at håndtere høje temperaturer fra motorens udstødning. Et flys elektroniske komponenter skal også være afskærmet mod elektriske overspændinger på grund af lynnedslag eller anden interferens.

Udvikling af nye materialer, der opfylder disse mange krav, er, hvad assisterende professor Anamika Prasad fra South Dakota State University's Department of Mechanical Engineering har arbejdet på i samarbejde med materialeforskningsgruppen på Wright-Patterson Air Force Base.

Prasad modtog sidste sommer et otte ugers U.S. Air Force Research Laboratory-stipendium for at arbejde med direktoratet for materialer og fremstilling og fortsætter sin forskning i MXene-baserede kompositter gennem et andet stipendium denne sommer. Fellowship-programmet, sponsoreret af Air Force Office of Scientific Research, opbygger relationer til fuldtidsvidenskab, matematik og ingeniørfakultet ved amerikanske colleges og universiteter ved at give dem mulighed for at udføre forskning på et Air Force Research Lab.

"Det var en fantastisk samarbejdsoplevelse at arbejde sammen med AFRL-forskere og sommerstipendiater (fakultet og studerende), " sagde Prasad, hvis forskning på SDSU fokuserer på at bruge plante-inspirerede strukturer til at designe og fremstille kompositmaterialer.

Fakultetet udfører normalt forskning på stedet, men COVID-19-pandemien førte til, at Prasad arbejdede på afstand og flyttede fokus til beregningsmæssig analyse af MXenes, en ny klasse af todimensionelle ingeniørmaterialer. Et papir, der beskriver resultaterne af deres forskning fra sommeren 2020, er under revision af MRS Bulletin Impact.

AFRL forskningsmaterialeingeniør Dhriti Nepal sagde, "Det er en stor fornøjelse at arbejde sammen med professor Prasad. Hendes indsigt i bioinspirerede strukturer til mekanik og multiskalamodellering har været usædvanlig værdifuld til at designe næste generation af kompositter."

Fokus på multifunktionalitet

Tekniske materialer falder typisk i individuelle spande, sagde Prasad. "Hvis vi vil have materialer, der er hårde, vi vælger et metal; hvis vi ønsker et materiale designet til fleksibilitet og lav densitet, vi vælger en polymer eller plast; hvis vi ønsker høj styrke og varmebestandighed, vi vælger en keramik." til rumfartsapplikationer, vægten er lagt på multifunktionelle materialer.

"Multifunktionalitet er indbygget i naturlige systemer, " sagde Prasad. Hurtigtvoksende planter skal være fleksible, men alligevel bevare optimal styrke og give en modstandsdygtig vej til vand- og termisk styring, efterhånden som strukturen vokser. Skaller og eksoskeletter er eksempler på materialer med en god balance mellem sejhed og styrke, samtidig med at egenskaberne bevares, såsom overfladeglathed til forsvar mod parasitter.

MXene - udtales som navnet Maxine, opdaget i 2011 på Drexel University, har unikke ejendomskombinationer. Det kan laves til stærkt ledende og stærke tynde film i lag med kun få atomer, ligner grafen. "Dette nye todimensionelle materiale har meget høj styrke i et plan, når du trækker det, og er meget ledende og varmebestandigt, " sagde Prasad.

I modsætning til enkeltatomet (kulstof) af grafen, MXenes 2D-lagstruktur kan have en bred vifte af sammensætninger, hvor M står for early transition metal, såsom titanium eller krom, og X står for carbon og/eller nitrogen. "Fordi forbindelserne ikke kun er et enkelt element, vi kan lege med dem, funktionalisering af overfladelagene til forskellige applikationer, " sagde Prasad. Andre forskere vurderer, at mere end en million MXene-legeringsforbindelser endnu ikke er blevet opdaget.

Imidlertid, rene MXene-film har en tynd, flagende struktur, der gør det vanskeligt at skabe en kompositkombination, der bevarer de unikke egenskaber og samtidig giver strukturel holdbarhed. "Hvis du tilføjer polymer til MXenes for at danne en komposit, det giver strukturel stabilitet, men kompositterne kan miste deres hovedfunktionalitet af ledningsevne. For at gøre dem nyttige, vi skal finde veje til kompositdesign, der ikke ændrer deres unikke egenskaber, " sagde Prasad.

AFRL forskningskemiker Vikas Varshney sagde, "At kombinere multifunktionalitet med strukturel levedygtighed i sådanne kompositter er afgørende for en række af luftvåbnets strukturelle applikationer. I samarbejde med Dr. Prasad, vi planlægger at modellere og udforske så meget af et faserum som muligt for at forstå forskellige sammensatte parametres rolle i styringen af ​​deres strukturelle egenskaber, i sidste ende vejlede eksperimentalister til at udvikle strukturelt sunde multifunktionelle kompositmaterialer."

Analyse af MXene strukturer

Prasad sammenlignede strukturen af ​​det tynde, flagende individuelle tabletter af MXene-polymer-kompositter til de lagdelte mursten og mørtelstrukturen, der findes i nogle naturlige systemer, som et middel til at hente inspiration til kompositdesignet.

"Mange skaller, for eksempel, indvendigt have en murstensmørtelstruktur, hvor mursten eller fliser er polygoner og er stive. Alle fliserne er spredt i en polymermørtel, som binder fliserne og giver dem mulighed for at give eller bøje sig, " hun sagde.

Selve fliserne har en bølget, ru struktur, Prasad fortsatte. Denne ujævnhed får fliserne til at hænge sammen. "Når der opstår et revne, den bevæger sig zigzag-vejen gennem den mørtellignende polymer, som giver offerled, der knækker for at give det (stykket) yderligere styrke og brudsejhed."

Sidste sommer, hun og hendes AFRL-teams analyserede naturlige kompositter for at forstå, hvordan deres unikke designfunktioner kunne anvendes på MXenes. Den her sommer, hun fortsatte med at udvikle simuleringer til modellering af MXene-baserede kompositter og overfladeinteraktioner.

"Vi ønsker at forudsige deres makroskala-respons ud fra, hvad der sker på et atomart niveau af materialedesign, "Prasad. Fra dette efterår, senior maskiningeniørmester Jordan VonSeggern fra Elk Point, South Dakota, vil slutte sig til hendes forskningsgruppe for at fortsætte med at udvikle modellen gennem et AFRL-støttet praktikophold.

Gennem sit samarbejde med AFRL-forskere, Prasad har "fundet en gruppe mennesker, der er virkelig støttende og har hjulpet mig med at udforske nye ideer." Hun planlægger at fortsætte med at anvende det, hun har lært om MXene-baserede kompositter, til sin forskning på SDSU.

"Jeg kan skabe MXene-baserede kompositmaterialer og funktionalisere lagene for at give evnen til at fornemme væksten af ​​planter eller for at se, hvad der flyder inde i xylemvævene, sagde hun. Hård, fleksible film lavet ved hjælp af MXenes kan bruges til at skabe biomedicinske sensorer, der måler elektrisk ledningsevne, når forskellige næringsstoffer strømmer gennem plantevæv.

Dette forår, Prasad modtog en SDSU Research, Scholarship and Creative Activities Challenge Fund-bevilling til at begynde at udvikle simuleringsværktøjer til at forudsige egenskaberne af MXene-baserede kompositter og bringe maskinlæringskapaciteter i hendes materialeforskning. SDSU's RSCA Challenge Fund hjælper fakultetet med at generere foreløbige data for at øge deres evne til at konkurrere om ekstern finansiering.