CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento

CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento Dos. Jari Aromaa, Materiaalitekniikan laitos 1. luento, sisällys Mihin materiaalitieteitä tarvitaan? Materiaaliryhmät, metallit, polymeerit, keraamit, komposiitit jne. Materiaalien ominaisuuksista 2 1

1. luento Materiaalit ovat mahdollistaneet sivistyksen kehittymisen. Neoliittinen kausi: maanviljely ja karjanhoito, materiaaleina kivityökalut, keramiikka ja kankaat, yli 10 000 vuotta sitten. Kuparikausi: suuria yhteisöjä, hyvin rakennetut talot, alkeellinen kirjoitusjärjestelmä, metallisia aseita ja työkaluja, 6 000 7 000 vuotta sitten. 3 1. luento Pronssikausi: Lähi-idän suuret sivilisaatiot faaraoiden Egypti ja varhainen Mesopotamia, laajat yhteisöt, kauppaa metallien saamiseksi, metallien yleistyminen, alkoi noin 5 500 vuotta sitten. Rautakausi: Itsenäiset valtiot, keskitetty hallinto, entistä paremmat metallityökalut ja aseet, alkoi 2 500 vuotta sitten. Teollinen vallankumous, metallien käytön voimakas yleistyminen, 200 vuotta sitten. 4 2

1. luento Muovien yleistyminen 1930-luvulta alkaen. Piikausi: elektroninen vallankumous, reilut 50 vuotta sitten. Nanokausi: vanhoissa materiaaleissa uusia ominaisuuksia. Mitä seuraavaksi: uusiutuvien luonnonvarojen kausi, raaka-aineiden ja energian pulakausi, science fiction -materiaalien kausi, jotain muuta? 5 1. luento Maailmassa on 118 tunnettua alkuainetta. Niistä luokitellaan metalleiksi 91. Käyttömateriaalien määrää ei tiedä kukaan, esimerkiksi erilaisia teräsnimikkeitä on yli 70 000. Materiaaleilla on fysikaalisia, kemiallisia, mekaanisia ja teknisiä ominaisuuksia, joiden perusteella ne valitaan johonkin kohteeseen suorittamaan jotain tehtävää. Materiaalilta vaadittavat ominaisuudet voidaan yhdistellä eri tavoin. 6 3

1. luento Vuosituhansien ajan materiaalien kehitys oli kokeilemista. 1940-50-luvuilla metallien kehitys muuttui tieteeseen pohjautuvaksi, keraameilla sama tapahtui 10-15 vuotta myöhemmin. Teknologia Materiaalitiede Kemia Fysiikka 7 1. luento Mitä materiaalitieteistä pitäisi tulevaisuudessa osata? Eri materiaaliryhmien parhaat puolet. Miten materiaalista saadaan mahdollisimman paljon irti. Kuinka eri ryhmien materiaaleja yhdistetään, esimerkiksi mikropiirissä on keraamialustalla puolijohdesiru, joka on kytketty ulkomaailmaan metallijohtimilla ja suojattu polymeerillä. 8 4

1. luento Haasteita: Nykyinen yhteiskunta on rakennettu sadan vuoden aikana tuottamaan korkea elintaso miljardille ihmiselle. Entäs ne 6 mrd muuta? Energian tarpeen on arvioitu kaksinkertaistuvan 2050 mennessä Auringon säteilyenergia on noin 170 W/m 2. 100 x 100 km 2 alueelle tuleva Auringon säteily on 14.7 TWh/vuosi 15 kertaa Helsingin kotitalouksien energiankulutus. 9 1. luento Materiaalitiede Materials science Tutkii materiaalien koostumuksen ja rakenteen yhteyttä ominaisuuksiin. Uusien materiaalien kehitys. Materiaalitekniikka Materials engineering Hyödyntää materiaalien ominaisuuksia tuotteissa. Kehittää valmistusmenetelmiä. Sopivimman materiaalin valinta kuhunkin käyttökohteeseen. 10 5

Materiaaliryhmät 1. Introduction. 11. Applications and Processing of Metal Alloys. 13. Applications and Processing of Ceramics. 15. Characteristics, Applications, and Processing of Polymers. 16. Composites. 11 Materiaaliryhmät Callister Metallit Keraamit Polymeerit Komposiitit M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design Metalliseokset Polymeerit Keraamit Komposiitit Tiili, betoni, kivi yms. Lasi Elastomeerit (kumi) Vaahdot 12 6

Materiaaliryhmät Komposiitti on yhdistelmä kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design 13 Materiaaliryhmät Uudet materiaalit ovat todennäköisesti sellaisia, että niissä yhdistyy perinteisten materiaaliryhmien ominaisuuksia. Esimerkiksi hiilinanoputkikuparikomposiitti, joka voi kuljettaa 100-1000 kertaa enemmän virtaa kuin kupari. 14 7

Materiaaliryhmät Materiaaliryhmällä on samantapaiset ominaisuudet. Materiaaliryhmän materiaalit valmistetaan samantapaisilla menetelmillä. Materiaaliryhmän materiaaleilla on usein samantapaiset käyttökohteet. 15 Materiaaliryhmät Metallit: suhteellisen korkea kimmokerroin, voidaan lujittaa seostamalla, mekaanisella käsittelyllä tai lämpökäsittelyllä, yleensä sitkeitä (muovautuvat), johtavat hyvin sähköä ja lämpöä. eivät läpäise valoa, heijastavat valoa. 16 8

Materiaaliryhmät Keraamit: korkea kimmokerroin, kovia hauraita (eivät muovaudu), eivät yleensä johda sähköä ja lämpöä. 17 Materiaaliryhmät Polymeerit: matala kimmokerroin (1/50 metalleista), yleensä huonot lujuusominaisuudet pehmeitä, sitkeitä, pieni tiheys, eivät yleensä johda sähköä ja lämpöä. voivat läpäistä valoa. 18 9

Materiaaliryhmät Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design Materiaalien ominaisuuksien yhdistelmillä haetaan sopivinta materiaalia tiettyyn käyttötarkoitukseen. Tiheyden ja kimmokertoimen yhdistelmä kuvaa esimerkiksi materiaalin kykyä vaimentaa värähtelyä. 19 Materiaaliryhmät Lujuuden ja tiheyden yhdistelmällä voi vertailla materiaaleja esimerkiksi liikkuviin laitteisiin. Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design 20 10

Kännykän materiaalit Kotelo LCD-näyttö Piirilevy Näppäimistö Mikrofoni ja kuuloke Antenni Akku Lähde: http://www.enviroliteracy.org/article.php/1119.html 21 Kännykän materiaalit Lähde: http://www.nokia.fi/nokia/ymparisto/me-kierratamme 22 11

Kännykän materiaalit Alumiini 3-20% Kehikko, kuoret, akku, piirilevy Koboltti 4% Litiumakku Kupari 15% Piirilevy, johdot, liittimet, akku Mangaani 0,1-20% Piirilevy, kuoret Nikkeli 10% Akku Kulta <0,1% Piirilevy, mikropiirit, liittimet Pd, Pt, Ru <0,1% Piirilevy Hopea 0,1-1% Piirilevy 23 Metallit Metalliseosten ryhmät Rautametallit ja ei-rautametallit eli ferrous alloys ja non-ferrous alloys Värimetallit = ei-rautametallit Rautametallit: Rauta, valurauta, teräs, ruostumaton teräs Värimetallit: Kupari, nikkeli, sinkki, tina, lyijy, alumiini jne. ja niiden seokset Voidaan ottaa omiksi ryhmiksi: Jalometallit, harvinaiset maametallit, kevytmetallit. 24 12

Metallit Metalli Ominaisuudet Käyttökohteita Alumiini Kevyt, hyvä sähkönjohdin Lentokoneet, johdot ja kaapelit, purkit, folio Elohopea Neste, hyvä sähkönjohdin Lämpömittarit, amalgaamit Harvinaiset maametallit Muodostavat oksideja Magneetit, katalyytit, keraamit Hopea Hyvä sähkönjohde Astiat, valokuvaus Koboltti Ei hapetu Magneetit, superseokset Kromi Itsekorjautuva oksidipinta Ruostumaton teräs, tulenkestävät seokset Kulta Pysyvä, taottava, muokattava Korut, elektroniikka, folio Kupari Lyijy Hyvä sähkön- ja lämmönjohdin, korroosionkestävä Kestää korroosiota, pehmeä, painava Johdot ja kaapelit, rahat, pronssit, messingit Paristot, akut, ääni- ja säteilysuojelu Mangaani Muodostaa oksideja Terässeokset, lannoitteet Lähde: W.G. Jeffrey, Metallien maailma, Metallinjalostajat ry. 25 Metallit Metalli Ominaisuudet Käyttökohteita Molybdeeni Korkea sulamispiste Teräksen seosaine, katalyytti Nikkeli Kestää korroosiota Terästeollisuus, rahat, superseokset, katalyytit Platinaryhmä Kestää korroosiota, hyvä sähkönjohtavuus, harvinainen Korut, katalyytit, sähköiset piirit Rauta Johtaa lämpöä ja sähköä Terästeollisuus, valurauta, takorauta Sinkki Korkea kemiallinen aktiivisuus Sinkitty teräs, valutuotteet, paristot Tantaali Kestää korroosiota Kirurgiset implantit, karbidityökalut Tina Alhainen sulamispiste, kestää korroosiota Pinnoitteet, juotteet, astiat, kemikaalit Titaani Korkea sulamispiste, kevyt, luja Avaruus ja ilmailu, väriaineet Volframi Korkea sulamispiste, kestää kulutusta Karbidityökalut, hehkulangat ja elektrodit, kemikaalit Lähde: W.G. Jeffrey, Metallien maailma, Metallinjalostajat ry. 26 13

Keraamit Vanhin tarkoituksella valmistettu materiaaliryhmä. Lasit Savituotteet Tulenkestävät Hionta Sementti Tekniset Konstruktio Erikois TiN, TiC, WC esim. SiC, Al 2 O 3 Erikoismateriaalit Emäksiset Piipohjaiset, happamat Savipohjaiset Astiat Tiilet yms. Lasikeraamit Lasit 27 Keraamit Epäorgaanisia yhdisteitä, kuten oksideja, karbideja, nitridejä, jne. Yksinkertaista massatuotantoa luonnon raaka-aineista, pääosin oksideja. Tekniset keraamit, eli erikoiskeraamit eli konstruktiokeraamit valmistetaan synteettisistä raakaaineista erikoistarkoituksiin, esimerkiksi Al 2 O 3, piiyhdisteet. Konstruktiokeraameista tehdään myös pinnoitteita. 28 14

Polymeerit Kertamuoveissa on jäykkä verkko, ei voi käyttää uudelleen. Kestomuovit, joustavia ketjuja, voidaan muovata uudelleen liuottimen tai lämmön avulla. Elastomeerit, joustavia ristisilloittuneita ketjuja. Muovilaadulla on yleensä joku tietty ominaisuus, jonka takia se valitaan käyttökohteeseen. 29 Polymeerit, kestomuoveja ABS, akryylinitriilibutadieenistyreeni PMMA, polymetyylimetakrylaatti, akryyli PTFE, polytetrafluorieteeni, Teflon PA, polyamidi, Nylon PC, polykarbonaatti PE, polyeteeni Polyesteri Jäykkä, kevyt, edullinen Läpinäkyvä, ei mekaanisesti luja. Kemiallisesti kestävä, pieni kitkakerroin Luja, sitkeä, kulutusta kestävä, pieni kitka Läpinäkyvä, iskunkestävä Halpa, kemiallisesti kestävä, sitkeä Kemiallisesti kestävä, sitkeä Pienet koneet, kotelot, veneet. Lasit, linssit, maalit Korroosionesto, tarttumattomat pinnat Laakerit, hammaspyörät Lasit, linssit, suojukset Pullot, lelut, muovikassit Pullot, vaatteet 30 15

Polymeerit, kertamuoveja Epoksit, epoksidihartsi + polyamiinikovete, araldiitti PF, fenoliformaldehydi, bakeliitti, Novolac Hyvät mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävä Hyvä lämmönkestävyys, edullinen, muunneltavissa täyte- ja lisäaineilla. Komposiittien matriisi, maalit Kotelot, sähkölaitteet, laminaatit. UP, UPE, polyesteri Kova, hauras Yleisin komposiittien matriisimateriaali 31 Luonnonmateriaalit http://vimeo.com/73729466 32 16

Komposiitit Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja. Tavoitteena on yhdistää kahden tai useamman eri materiaalin hyvät ominaisuudet, 1+1>2. Kuitulujitetut komposiitit (lasikuitu) Laminaattikomposiitit (vaneri) Partikkelikomposiitit (betoni, kovametalli) Kerros- eli sandwich-rakenteet (lasikuitu+vaahto+lasikuitu) Materiaali vai rakenne? 33 Ominaisuudet Ominaisuudet seuraavat materiaalin koostumuksesta, rakenteesta ja valmistusmenetelmistä, joilla niitä on muokattu. 12.9.2014 34 17

Ominaisuudet Callisterin mukaan kiinteän materiaalin ominaisudet ovat: 1. Mekaaniset ominaisuudet 2. Sähköiset ominaisuudet 3. Lämpöominaisuudet 4. Magneettiset ominaisuudet 5. Optiset ominaisuudet 6. Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet 12.9.2014 35 Ominaisuudet 6. Mechanical Properties of Metals 11. Applications and Processing of Metal Alloys. 13. Applications and Processing of Ceramics. 15. Characteristics, Applications, and Processing of Polymers. 16. Composites. 12.9.2014 36 18

Ominaisuudet Mekaaniset ominaisuudet kuvaavat materiaalin vastetta ulkoiseen kuormitukseen. Kuormitus voi olla vetoa, puristusta, taivutusta, iskumaista jne. Kuormituksen voimakkuus ja kuormituksen nopeus vaikuttavat vasteeseen. 12.9.2014 37 Sähköiset ominaisuudet Johtavuus vs. eristyskyky Metallin hilassa on vapaita valenssielektroneja kuljettamassa varausta. Keraamin ionihilassa elektronit on sidottu ionisidoksiin, ei vapaita varauksenkuljettajia. Sähkönjohtokykyä kuvaa myös vyöteoria, eli kuinka elektronien varaukset jakautuvat valenssija johtovöille ja kuinka varaukset voivat niillä liikkua. Vyöteoria kuvaa johteen, puolijohteen ja eristeen toiminnan. 12.9.2014 38 19

Lämpöominaisuudet Lämmönjohtokyky Metallin hilassa elektronit saadaan värähtelemään lämpöenergian avulla ja värähtely siirtyy eteenpäin elektronien kautta. Keraamin ionihilassa elektronit on sidottu ionisidoksiin. Lämpöenergia voi saada atomit värähtelemään, mutta koska atomit ovat paljon suurempia kuin elektronit, niiden liikuttaminen on hitaampaa. 12.9.2014 39 Muita ominaisuuksia Fysikaaliset ominaisuudet voidaan mitata muuttamatta näytettä, esimerkiksi sähköiset, termiset, magneettiset ja optiset. Johde, puolijohde, eriste, suprajohde, kapasitanssi, lämpösähköiset ilmiöt. Lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, lämpölaajeneminen Magneettisuus. permeabiliteetti, suskeptibiliteetti Valon läpäisevyys, heijastus, sironta, taitekerroin Väri, tiheys 12.9.2014 40 20

Yhteenveto Materiaaliryhmiä ovat metallit, keraamit, polymeerit ja komposiitit. Materiaaliryhmien sisällä voi tehdä vielä jakoa pienempiin ryhmiin. Materiaaliryhmän sisällä ominaisuudet ja valmistusmenetelmät samantapaisia. Materiaalia valittaessa tai kehitettäessä tarkastellaan ominaisuusprofiilia, mukaan lukien hinta ja saatavuus. 41 Yhteenveto Metallit valitaan mekaanisten ominaisuuksien, kestävyyden ja valmistettavuuden perusteella. Ensimmäinen vaihtoehto on teräs, jos se ei sovi niin sitten joku muu. Keraameilla on tyypillisesti korkea sulamispiste, kovuus ja lujuus, eristyskyky. Sopivat usein massatuotantoon. Polymeerit, keveys, kestävyys ja edullisuus, eristyskyky, erikoisemmat materiaalit korvaavat metalleja ja keraameja mekaanisilla ominaisuuksillaan. Hyvin monipuolinen ryhmä. Komposiitit, yhdistelmiä edellisistä, yleensä haetaan keveyden ja mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmää. 42 21