, sisällys CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit,, materiaaliryhmät Mihin materiaalitieteitä tarvitaan?, metallit, polymeerit, keraamit, komposiitit jne. Materiaalien ominaisuuksista Dos. Jari Aromaa, Materiaalitekniikan laitos 2 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. 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. 3 4 1
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? 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. 5 6 Vuosituhansien ajan materiaalien kehitys oli kokeilemista. 1940-50-luvuilla metallien kehitys muuttui tieteeseen pohjautuvaksi, keraameilla sama tapahtui 10-15 vuotta myöhemmin. Kemia Teknologia Materiaalitiede Fysiikka 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. 7 8 2
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. 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. 9 10 1. Materials for Engineering 11. Metals, ceramics, glasses 12. Polymers, composites 13. Electronic materials 14. Optical and magnetic 15. Engineering design Callister: Metallit Keraamit Polymeerit Komposiitit Ashby: Metalliseokset Polymeerit Keraamit Komposiitit Tiili, betoni, kivi yms. Lasi Elastomeerit (kumi) Vaahdot Shackelford: Metallit Keraamit ja lasit Polymeerit Komposiitit 11 12 3
Komposiitti on yhdistelmä kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Uudet materiaalit ovat todennäköisesti sellaisia, että niissä yhdistyy perinteisten materiaaliryhmien ominaisuuksia. Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design Esimerkiksi hiilinanoputkikuparikomposiitti, joka voi kuljettaa 100-1000 kertaa enemmän virtaa kuin kupari. 13 14 Materiaaliryhmällä on samantapaiset ominaisuudet. Materiaaliryhmän materiaalit valmistetaan samantapaisilla menetelmillä. Materiaaliryhmän materiaaleilla on usein samantapaiset käyttökohteet. Metallit: suhteellisen korkea kimmokerroin, voidaan lujittaa seostamalla, mekaanisella käsittelyllä tai lämpökäsittelyllä, yleensä sitkeitä (muovautuvat), johtavat hyvin sähköä ja lämpöä. eivät läpäise valoa, heijastavat valoa. 15 16 4
Keraamit: korkea kimmokerroin, kovia hauraita (eivät muovaudu), eivät yleensä johda sähköä ja lämpöä. Polymeerit: matala kimmokerroin (1/50 metalleista), yleensä huonot lujuusominaisuudet pehmeitä, sitkeitä, pieni tiheys, eivät yleensä johda sähköä ja lämpöä. voivat läpäistä valoa. 17 18 Ominaisuuksien yhdistelmillä haetaan sopivinta materiaalia tiettyyn käyttötarkoitukseen. Lujuuden ja tiheyden yhdistelmällä voi vertailla materiaaleja esimerkiksi liikkuviin laitteisiin. Tiheyden ja kimmokertoimen yhdistelmä kuvaa materiaalin kykyä vaimentaa värähtelyä. Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design Lähde: CES Edupack 19 20 5
21 22 Kännykän materiaalit Kotelo Näyttö Piirilevy Näppäimistö Mikrofoni ja kuuloke Antenni Akku 23 24 6
Kännykän materiaalit 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 Muovit 43%, lasi 14%, kupari 13%, rauta 7%, alumiini 5%, magnesium 3%, hopea 0.35%. Ni, Sn ja Pb kaikki noin 1% ja Au alle 0.04% Kulta <0,1% Piirilevy, mikropiirit, liittimet Pd, Pt, Ru <0,1% Piirilevy Hopea 0,1-1% Piirilevy Lähde: OECD case study Critical Metals and Mobile Devices 25 26 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. 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 27 Lähde: W.G. Jeffrey, Metallien maailma, Metallinjalostajat ry. 28 7
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 Keraamit Lasit Savituotteet Tulenkestävät Hionta Sementti Tekniset Konstruktio Lasit Vanhin tarkoituksella valmistettu materiaaliryhmä. Lasikeraamit Tiilet yms. Astiat Savipohjaiset Piipohjaiset, happamat Emäksiset Erikoismateriaalit esim. SiC, Al 2 O 3 Erikois TiN, TiC, WC Volframi Korkea sulamispiste, kestää kulutusta Karbidityökalut, hehkulangat ja elektrodit, kemikaalit Lähde: W.G. Jeffrey, Metallien maailma, Metallinjalostajat ry. 29 30 Keraamit Polymeerit Epäorgaanisia yhdisteitä, kuten oksideja, karbideja, nitridejä, jne. Yksinkertaista massatuotantoa luonnon raakaaineista, pääosin oksideja. Tekniset keraamit, eli erikoiskeraamit eli konstruktiokeraamit valmistetaan synteettisistä raaka-aineista erikoistarkoituksiin, esimerkiksi Al 2 O 3, piiyhdisteet. Konstruktiokeraameista tehdään myös pinnoitteita. 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. Pakkaus tärkein käyttökohde. 31 32 8
Polymeerit, kestomuoveja Polymeerit, kertamuoveja ABS, akryylinitriilibutadieenistyreeni PMMA, polymetyylimetakrylaatti, akryyli PTFE, polytetrafluorieteeni, Teflon PA, polyamidi, Nylon PC, polykarbonaatti PE, polyeteeni Jäykkä, kevyt, edullinen Läpinäkyvä, ei mekaanisesti luja. Kemiallisesti kestävä, pieni kitkakerroin Luja, sitkeä, kulutusta kestävä, pieni kitka Läpinäkyvä, iskunkestävä Halpa, kemiallisesti kestävä, sitkeä Pienet koneet, kotelot, veneet. Lasit, linssit, maalit Korroosionesto, tarttumattomat pinnat Laakerit, hammaspyörät Lasit, linssit, suojukset Pullot, lelut, muovikassit 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 Polyesteri Kemiallisesti kestävä, sitkeä Pullot, vaatteet 33 34 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) Ominaisuudet Ominaisuudet seuraavat materiaalin koostumuksesta, rakenteesta ja valmistusmenetelmistä, joilla niitä on muokattu. Materiaali vai rakenne? 35 36 9
Ominaisuudet Ominaisuudet Kiinteän materiaalin ominaisuudet ovat: Mekaaniset ominaisuudet Sähköiset ominaisuudet Lämpöominaisuudet Magneettiset ominaisuudet Optiset ominaisuudet Kestävyyteen liittyvät ominaisuudet Mekaaniset ominaisuudet kuvaavat materiaalin vastetta ulkoiseen kuormitukseen. Kuormitus voi olla vetoa, puristusta, taivutusta, iskumaista jne. Kuormituksen voimakkuus ja kuormituksen nopeus vaikuttavat vasteeseen. 37 38 Sähköiset ominaisuudet Lämpöominaisuudet Riippuvat materiaalin vapaiden varauksenkuljettajien määrästä ja varauksesta. Ominaisvastus, johtokyky Puolijohdeominaisuudet Virrankuljetuskyky (ampacity), paljonko virtaa ennen kuin sulaa poikki. Dielektrisyysvakio Ominaisvastuksen lämpötilariippuvuus Pintavastus Riippuvat siitä, kuinka rakenteessa elektronit ja atomit värähtelevät. Metallihilassa elektronit saadaan värähtelemään lämpöenergian avulla, keraamin ionihilassa elektronit on sidottu ionisidoksiin ja polymeereissä atomit voi saada värähtelemään. Lämmönjohtokyky Ominaislämpökapasiteetti Lämpölaajenemiskerroin Maksimikäyttölämpötila, sulamispiste yms. 39 40 10
Muita ominaisuuksia Yhteenveto Magneettisuus, permeabiliteetti, suskeptibiliteetti Valon läpäisevyys, heijastus, sironta, taitekerroin Väri, tiheys Kitkakerroin Veden imeytyminen Korroosionkestävyys Hinta Saatavuus 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 42 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. 43 11