CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento



Samankaltaiset tiedostot
CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento, materiaaliryhmät

CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento

Fysikaaliset ominaisuudet

TYÖYMPÄRISTÖN MATERIAALIT

strategiset metallit Marjo Matikainen-Kallström

Keraamit ja komposiitit

Talousveden laatu ja verkostot

OMAX VESILEIKKUUMATERIAALIT

Luonnonkuidusta lujitteeksi. Kumi-instituutin ja TTY:n Luomaprojektin kevätseminaari Päivi Lehtiniemi,TTY

Kriittiset metallit Suomessa. Laura S. Lauri, Geologian tutkimuskeskus

Materiaaliryhmien taksonomia

BK10A3500 Materiaalitekniikka

Biopolymeerit. Biopolymeerit ovat kasveissa ja eläimissä esiintyviä polymeerejä.

KOVAJUOTTEET Somotec Oy. fosforikupari. hopea. messinki. alumiini. juoksutteet.

Kestävä kulutus ja kierrätys. Avainsanat: kestävä kulutus, kierrätys, jätteiden lajittelu

Metallien kierrätys on RAUTAA!

Rakennesuunnittelu. Materiaali. Kudotut rakenteet. Komposiitit ALM. Functionally graded. Vaahdot

Teollisen yhteistyön uudet mahdollisuudet SavonSampo Jukka Noponen

Construction. Nopeasti kuivuva, luja rakenneliima. Tuotekuvaus. Tuotetietoesite Versio 18/10/2011 Tunniste:

Kolme lineaaristen polyamidien valmistusmenetelmistä on kaupallisesti merkittäviä:

Perusmuovit. PE300 - Suurtiheyspolyeteeni

Nimike PE-Levy musta HD 300 Levykoko Tuote nr PE-LEVY 1 mm

Muovijätteiden ja sivuvirtojen materiaalihyötykäyttö

Teollinen kaivostoiminta

LUONNONMATERIAALIT/POLYMEE- RIT PUOLIVALMISTEET

Hinnasto. Voimassa 8 / 2015 alkaen

UPM ForMi - selluloosa biokomposiitit ja käytännön sovellukset. Stefan Fors, UPM

Suomalainen ja ruotsalainen mänty rakennuspuusepän-, sisustus- ja huonekalutuotteiden raaka-aineena

CHEM-A1400, Tulevaisuuden materiaalit. Kurssin esittely. Kurssin esittely. Kurssin tavoitteet. Kurssin tavoitteet CHEM-A1400 esittely 1

Tekijä lehtori Zofia Bazia-Hietikko

vink passion for plastics PTFE Tekniset tiedot

KJR-C2004 materiaalitekniikka Materiaalinvalinta ja elinkaarianalyysi

Nanomateriaalien mahdollisuudet ja riskit Näkökohtia, muutoksia vuoden 2008 jälkeen?

JÄTTEET HARVINAISTEN LUONNONVAROJEN LÄHTEENÄ

Lastuavat työkalut A V A 2007/2008

Materiaaliryhmien taksonomia

81 RYHMÄ MUUT EPÄJALOT METALLIT; KERMETIT; NIISTÄ VALMISTETUT TAVARAT

Firan vesilaitos. Laitosanalyysit. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Johdantoa/Kertausta. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Jätelajit E N E M M Ä N O S A A M I S T A. Virpi Lyytimäki

TEOLLISUUSPINNOITTEET

soveltamisen päättymisaika 1 päivä heinäkuuta päivä heinäkuuta 2008

Puhtaamman tulevaisuuden rakentaja

17VV VV 01021

KOTELOIDEN VALMISTUSMENETELMÄT JA NIIHIN LIITTYVÄT SUUNNITTELUOHJEET

Advanced Materials Araldite 2048 TUOTESELOSTE

Uponor-paineputkijärjestelmä PE100 turvallinen valinta juoma- ja jätevesien johtamiseen 04 I

Nanolla paremmaksi lisäarvoa tuotteisiin nanoteknologialla

Muovin ja elastomeerin liimausopas

Tekniset polyuretaanit ja PDCPD

Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Kuvio- ja puukkosahanterät... RU KUVIOSAHANTERÄ HSS 21TPI/77MM/5KPL...

Ex E e x l e Co C m o po p si o t si es e Re R i e nf n or o cin ci g n g Yo Y u o r u Bu B si u n si e n ss e Toukokuu 2014

CHEM-A1410, Materiaalitieteen perusteet Kurssin esittely

Nestekidemuovit (LCP)

KUPARILANKOJEN TUOTETIEDOT

Cement Design. Osa kestävää kehitystä

Betonilattioiden pinnoitusohjeet

Mineraaliset raaka-aineet ja kestävä kehitys

Lukitteet, tiivisteet ja liimat

Kuva: Copyright Ensinger GmbH. ERIKOISMUOVIT 8/2012

Tutkimusmateriaalit -ja välineet: kaarnan palaset, hiekan murut, pihlajanmarjat, juuripalat, pakasterasioita, vettä, suolaa ja porkkananpaloja.

Sisällysluettelo. Kierretapit Kierretappien valintajärjestelmä ja symbolien merkitys Metrinen kierre M 56-74

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

17VV VV Veden lämpötila 14,2 12,7 14,2 13,9 C Esikäsittely, suodatus (0,45 µm) ok ok ok ok L. ph 7,1 6,9 7,1 7,1 RA2000¹ L

KUIVATUSOSA

Sisällysluettelo Kierretapit UNC Kaikki hinnat ilman Alv.

*Tarkoituksena on tuoda esille, että kemia on osa arkipäiväämme siksi opiskeltavat asiat kytketään tuttuihin käytännön tilanteisiin

Advanced Materials Araldite 2031 TUOTESELOSTE

Tiivistimet. 1 Staattiset eli lepotiivistimet pyritään vuotamattomaan tiivistykseen. 2 Liiketiivistimet

Tekniset muovit

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

VOITELUAINEET TYÖSTÖNESTEET

miksi valita Slice turvaveitsi?

COOLDRY REFLECTIVE. Tuotetiedot Päivämäärä: SUOJA LÄMPÖÄ JA KOSTEUTTA VASTAAN

Ekodesign - kestävät materiaali- ja valmistuskonseptit

18 Hakemisto. Hakemisto

LAAJA VALIKOIMA TERIÄ MONITOIMIKONEILLE

Muovikomposiittien kierrätys

Aalto-yliopisto Koneenrakennustekniikan laitos Koneenrakennuksen materiaalitekniikka. KJR-C2004 Materiaalitekniikka. CES-pikaohje

Erittäin lyhyt HSS-pora,TiN-kärki

Mekaaniset ominaisuudet

Alumiinin ominaisuuksia

MEKAANINEN AINEENKOETUS

81 RYHMÄ MUUT EPÄJALOT METALLIT; KERMETIT; NIISTÄ VALMISTETUT TAVARAT

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Johtonippusiteet Helppo nopea kiinnitys esim. kaapeleille ja johdoille.

Teknologiateollisuuden vientiraportti

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

MaxiFoam. classic Range TM. Nitriilivaahto saumattomalla nailonvuorella Suunniteltu yleiskäyttöön öljyisissä ja likaisissa oloissa

Elevate lanseeraa uuden malliston

Valunhankintakoulutus Pirjo Virtanen Metso Lokomo Steels Oy. Teräsvalujen raaka-ainestandardit

Transkriptio:

CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit, 1. luento Dos. Jari Aromaa, Materiaalitekniikan laitos 1. luento, sisällys Mihin materiaalitieteitä tarvitaan?, 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

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 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

Komposiitti on yhdistelmä kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Lähde: M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design 13 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

Materiaaliryhmällä on samantapaiset ominaisuudet. Materiaaliryhmän materiaalit valmistetaan samantapaisilla menetelmillä. Materiaaliryhmän materiaaleilla on usein samantapaiset käyttökohteet. 15 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

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

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 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, Al2O3 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 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. 34 17

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. 35 18