亚博网站下载航空航天应用材料面临许多挑战。飞机的结构必须既轻又结实。机翼或机身等结构部件必须能够抵抗损坏，同时在某些区域能够应对发动机排气产生的高温。飞机的电子部件也必须屏蔽雷击或其他干扰造成的电涌。
南达科塔州立大学机械工程系的助亚博网站下载理教授Anamika Prasad一直在与赖特-帕特森空军基地的材料研究小组合作，开发满足这些多种需求的新材料。
去年夏天，普拉萨德获得了一份为期8周的美国空军研究实验室奖学金，与材料和制造理事会一起工作，并通过今年夏天的第二份奖学金继续她对mxene基复合材料的研究。亚博网站下载该奖学金项目由美国空军科学研究办公室赞助，通过让他们有机会在空军研究实验室进行研究，与美国高校的全职科学、数学和工程教师建立了关系。亚博老虎机网登录
“与AFRL的科学家和暑期研究员(教师和学生)一起工作是一次令人惊叹的合作经历，”普拉萨德说。他在圣地亚哥州立大学的研究重点是利用植物灵感来设计和制造复合材料。亚博网站下载
教师通常在现场进行研究，但COVID-19大流行导致普拉萨德远程工作，并将重点转移到MXenes的计算分析，这是一种新的二维工程材料。亚博网站下载一篇描述他们2020年夏季研究结果的论文正在接受MRS Bulletin Impact的审查。
AFRL研究材料工程师Dhr亚博网站下载iti Nepal说，“与普拉萨德教授合作非常愉快。她在力学和多尺度建模方面的生物灵感结构的见解，对于设计下一代复合材料是非常有价值的。”
专注于多功能性
普拉萨德说，工程材料通常亚博网站下载分为不同的类别。“如果我们想要坚硬的材料亚博网站下载，我们选择金属;如果我们想要一种设计灵活和低密度的材料，我们会选择聚合物或塑料;如果我们想要高强度和耐热性，我们会选择陶瓷。”然而，在航空航天应用方面，重点是多功能材料。亚博网站下载
“多功能被构建在自然系统中，”普拉萨德说。快速生长的植物必须是灵活的，但保持最佳强度，并提供一个弹性路径的水和热管理的结构增长。贝壳和外骨骼是具有良好韧性和强度平衡的材料的例子，同时保持性能，如表面光滑，以防亚博网站下载御寄生虫。
与2011年德雷塞尔大学(Drexel University)发现的Maxine名字发音相似，具有独特的属性组合。它可以制成高导电性和强的薄膜，层数只有几个原子，类似于石墨烯。“这种新的二维材料在拉扯时具有很高的平面强度，而且非常导电和耐热，”普拉萨德说。
与石墨烯的单原子(碳)不同，MXene的二维层结构可以有多种成分，其中M代表早期过渡金属，如钛或铬，X代表碳和/或氮。“因为这些化合物不是单一的元素，我们可以利用它们，将表面层功能化，用于不同的应用。”普拉萨德说。其他研究人员估计，尚未发现的MXene合金化合物超过100万种。
然而，纯MXene薄膜具有薄的片状结构，这使得很难创建复合组合，保持独特的性能，同时提供结构耐久性。“如果将聚合物添加到MXenes中形成复合材料，它可以提供结构稳定性，但复合材料可能会失去导电的主要功能。为了使它们有用，我们必须找到不改变它们独特特性的复合设计途径。”普拉萨德说。
AFRL的研究化学家Vikas Varshney说，“在这种复合材料中结合多功能和结构可行性对空军结构应用至关重要。与Prasad博士合作，我们计划尽可能多地建模和探索相空间，以理解不同复合材料参数在控制其结构特性方面的作用，最终指导实验人员开发结构合理的多功能复合材料。”亚博网站下载
分析MXene结构
普拉萨德将mxene聚合物复合材料薄片的结构与一些自然系统中存在的分层砖和砂浆结构进行了比较，以此获得复合材料设计的灵感。
“例如，许多壳体内部都有砖泥结构，其中砖或瓦片是多边形的，是刚性的。所有的瓦片都分散在聚合砂浆中，聚合物砂浆可以粘合瓦片并使其弯曲。”她说。
普拉萨德接着说，这些瓦片本身有一种波浪状、粗糙的结构。这种不均使瓦片互锁．“当裂缝发生时，它会沿着曲折的路径穿过砂浆状聚合物，这种聚合物提供了牺牲接头，使其断裂，从而使它(这块材料)获得进一步的强度和断裂韧性。”
去年夏天，她和她的AFRL团队分析了天然复合材料，以了解如何将其独特的设计特征应用于MXenes。今年夏天，她继续开发以mxenen为基础的复合材料和表面相互作用模型的模拟任务。
“我们想从材料设计的原子水平预测它们的宏观反应，”普拉萨德。从今年秋天开始，来自南达科他州埃尔克角的机械工程专业大四学生乔丹·冯塞格恩(Jordan VonSeggern)将加入她的研究小组，通过美国空军基地研究中心(afrl)资助的实习，继续开发该模型。
通过与AFRL研究人员的合作，普拉萨德做到了“找到了一群真正支持我的人，帮助我探索新想法。”她计划继续将她对mxene复合材料的了解应用到她在圣地亚哥州立大学的研究中。
“我可以创造基于mxenen的复合材料，并将层功能化，以提供感知植物生长亚博网站下载的能力，或看到木质部组织内部流动的东西，”她说。使用MXenes制作的坚韧、柔韧的薄膜可以用来制造生物医学传感器，在不同的营养物质流经植物组织时测量电导率。
今年春天，普拉萨德获得了圣地亚哥州立大学研究、奖学金和创新活动挑战基金的资助，开始开发模拟工具，预测基于mxene的复合材料的性能，并将机器学习能力引入到她的材料研究中。亚博网站下载圣地亚哥州立大学的RSCA挑战基金帮助教师生成初步数据，以提高他们竞争外部资金的能力。
来源:https://www.sdstate.edu/