Les matériaux pour les applications aérospatiales sont confrontés à de nombreux défis. La structure d'un avion doit être légère mais solide. Les composants structurels tels que les ailes ou le fuselage doivent résister aux dommages tout en même temps, dans certaines zones, être capables de supporter des températures élevées provenant des gaz d'échappement des moteurs. Les composants électroniques d'un avion doivent également être protégés contre les surtensions électriques dues à la foudre ou à d'autres interférences.

Développer de nouveaux matériaux qui répondent à ces multiples demandes est le travail sur lequel la professeure adjointe Anamika Prasad du département de génie mécanique de l'Université d'État du Dakota du Sud a travaillé en collaboration avec le groupe de recherche sur les matériaux de la base aérienne de Wright-Patterson.

Prasad a reçu l'été dernier une bourse de huit semaines du laboratoire de recherche de l'US Air Force pour travailler avec la direction des matériaux et de la fabrication et poursuit ses recherches sur les composites à base de MXene grâce à une deuxième bourse cet été. Le programme de bourses, parrainé par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force, établit des relations avec la science à temps plein, facultés de mathématiques et d'ingénierie dans les collèges et universités des États-Unis en leur donnant la possibilité d'effectuer des recherches dans un laboratoire de recherche de l'Air Force.

"Ce fut une expérience collaborative incroyable de travailler aux côtés des scientifiques de l'AFRL et des boursiers d'été (professeurs et étudiants), " dit Prasad, dont la recherche à SDSU se concentre sur l'utilisation de structures d'inspiration végétale pour concevoir et fabriquer des matériaux composites.

Les professeurs effectuent normalement des recherches sur place, mais la pandémie de COVID-19 a conduit Prasad à travailler à distance et a mis l'accent sur l'analyse informatique de MXenes, une nouvelle classe de matériaux d'ingénierie bidimensionnels. Un article décrivant les résultats de leurs recherches de l'été 2020 est en cours d'examen par le MRS Bulletin Impact.

L'ingénieur en matériaux de recherche de l'AFRL, Dhriti Népal, a déclaré :"C'est un grand plaisir de travailler avec le professeur Prasad. Ses connaissances sur les structures bio-inspirées pour la mécanique et la modélisation multi-échelles ont été exceptionnellement précieuses pour la conception de composites de nouvelle génération."

Miser sur la multifonctionnalité

Les matériaux d'ingénierie tombent généralement dans des seaux individuels, dit Prasad. « Si nous voulons des matériaux résistants, nous choisissons un métal; si nous voulons un matériau conçu pour la flexibilité et la faible densité, on choisit un polymère ou des plastiques; si nous voulons une résistance élevée et une résistance à la chaleur, nous choisissons une céramique." Cependant, pour les applications aérospatiales, l'accent est mis sur les matériaux multifonctionnels.

« La multifonctionnalité est intégrée aux systèmes naturels, ", a déclaré Prasad. Les plantes à croissance rapide doivent être flexibles tout en maintenant une résistance optimale et fournir un chemin résilient pour la gestion de l'eau et de la chaleur à mesure que la structure se développe. Les coques et les exosquelettes sont des exemples de matériaux présentant un bon équilibre entre ténacité et résistance tout en maintenant les propriétés, tels que la douceur de la surface pour la défense contre les parasites.

MXene—prononcé comme le nom Maxine, découvert en 2011 à l'université Drexel, a des combinaisons de propriétés uniques. Il peut être transformé en films minces hautement conducteurs et résistants en couches de quelques atomes seulement, semblable au graphène. "Ce nouveau matériau bidimensionnel a une très grande résistance dans un plan lorsque vous le tirez et est très conducteur et résistant à la chaleur, " a déclaré Prasad.

Contrairement à l'atome unique (carbone) du graphène, La structure de couche 2D de MXene peut avoir une large gamme de compositions, où M représente le métal de transition précoce, comme le titane ou le chrome, et X représente le carbone et/ou l'azote. "Parce que les composés ne sont pas qu'un seul élément, nous pouvons jouer avec eux, fonctionnaliser les couches superficielles pour différentes applications, ", a déclaré Prasad. D'autres chercheurs estiment qu'il reste encore plus d'un million de composés d'alliage MXene à découvrir.

Cependant, les films MXene purs ont une fine, structure écailleuse qui rend difficile la création d'une combinaison composite qui conserve les propriétés uniques tout en offrant une durabilité structurelle. "Si vous ajoutez du polymère à MXenes pour former un composite, il offre une stabilité structurelle, mais les composites peuvent perdre leur principale fonctionnalité de conductivité. Pour les rendre utiles, nous devons trouver des voies de conception composite qui n'altèrent pas leurs propriétés uniques, " a déclaré Prasad.

Le chimiste de recherche de l'AFRL, Vikas Varshney, a déclaré :« La combinaison de la multifonctionnalité et de la viabilité structurelle dans de tels composites est cruciale pour un certain nombre d'applications structurelles de l'Air Force. En collaboration avec le Dr Prasad, nous prévoyons de modéliser et d'explorer autant d'espace de phases que possible pour comprendre le rôle des différents paramètres composites dans la gouvernance de leurs propriétés structurelles, guidant finalement les expérimentateurs vers le développement de matériaux composites multifonctionnels structurellement sains. »

Analyser les structures MXene

Prasad a comparé la structure du mince, comprimés individuels floconneux de composites MXene-polymère aux briques en couches et à la structure de mortier présents dans certains systèmes naturels comme moyen de s'inspirer pour la conception composite.

"Beaucoup de coquillages, par exemple, ont à l'intérieur une structure de brique-mortier dans laquelle la brique ou les tuiles sont des polygones et sont rigides. Tous les carreaux sont dispersés dans un mortier polymérique, qui lie les carreaux et leur permet de céder ou de fléchir, " elle a dit.

Les tuiles elles-mêmes ont une ondulation, structure grossière, Prasad a continué. Cette irrégularité fait que les tuiles s'emboîtent. "Quand une fissure se produit, il parcourt le chemin en zigzag à travers le polymère semblable à du mortier, qui fournit des joints sacrificiels qui se cassent pour lui donner (la pièce) plus de résistance et de résistance à la rupture. "

L'été dernier, elle et ses équipes AFRL ont analysé des composites naturels pour comprendre comment leurs caractéristiques de conception uniques pourraient être appliquées à MXenes. Cet été, elle a continué à développer des simulations pour modéliser des composites à base de MXene et des interactions de surface.

"Nous voulons prédire leur réponse à l'échelle macro à partir de ce qui se passe au niveau atomique de la conception matérielle, " Prasad. À partir de cet automne, principal en génie mécanique principal Jordan VonSeggern d'Elk Point, Dakota du Sud, rejoindra son groupe de recherche pour continuer à développer le modèle grâce à un stage financé par l'AFRL.

Grâce à sa collaboration avec des chercheurs de l'AFRL, Prasad a "trouvé un groupe de personnes qui me soutiennent vraiment et m'ont aidé à explorer de nouvelles idées". Elle prévoit de continuer à appliquer ce qu'elle a appris sur les composites à base de MXene à ses recherches au SDSU.

"Je peux créer des matériaux composites à base de MXene et fonctionnaliser les couches pour permettre de détecter la croissance des plantes ou de voir ce qui s'écoule à l'intérieur des tissus du xylème, " dit-elle. Dur, les films flexibles fabriqués à l'aide de MXenes peuvent être utilisés pour créer des capteurs biomédicaux qui mesurent la conductivité électrique lorsque différents nutriments circulent dans les tissus végétaux.

Ce printemps, Prasad a reçu une recherche SDSU, Bourse d'études et subvention du Fonds du défi des activités créatives pour commencer à développer des outils de simulation pour prédire les propriétés des composites à base de MXene et apporter des capacités d'apprentissage automatique dans sa recherche sur les matériaux. Le RSCA Challenge Fund de SDSU aide les professeurs à générer des données préliminaires pour augmenter leur capacité à concourir pour un financement externe.