Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja

Transcription

Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja
Selvitys tulevaisuuden
materiaaleista ja teknologioista
koneenrakentajille
Culminatum
Innovation
Ltd koneenrakentajille Selvitys tulevaisuuden
materiaaleistaOy
ja teknologioista
Johdanto
Tervetuloa tutustumaan 5–10 vuoden
aikavälillä kaupallistuviin tulevaisuuden materiaaleihin ja teknologioihin, joita voidaan
hyödyntää metalli- ja koneenrakennusteollisuudessa. Esitteen tavoitteena on hyödyntää
uusien teknologioiden mahdollisuudet
kone- ja metallituoteteollisuuden uudistajina
ja kilpailukyvyn vahvistajina, sekä tehostaa
kotimaiseen osaamiseen perustuvien uusien
materiaalien kaupallista hyödyntämistä.
Esitteen tausta-aineistona on hyödynnetty
Culminatum Innovation:in toteuttaman
Uudenmaan Nanoteknologian osaamiskeskuksen(1 vuonna 2009 julkaisemaa raporttia: ”Selvitys tulevaisuuden materiaaleista
meriteollisuudelle”. Alkuperäinen selvitys
ja raportti ovat VTT:n toteuttamia (Raportti
Nro VTT-S-01140-09 1(1)) ja raportin sisältöä
on päivitetty ottamalla elo-syyskuussa 2010
yhteyttä suomalaisiin nanoteknologian
asiantuntijoihin. Asiantuntijat on listattu kokonaisuudessaan raportin lopussa
ja haastattelut toteutti Tmi Mika Kolari.
Haastatellut asiantuntijat eivät kuitenkaan
muodosta täydellistä kuvaa alan suomalaisesta osaamisesta vaan asiantuntijat on
poimittu antamaan sekä maantieteellisesti
että teknologisesti laaja kuva suomalaisesta
tutkimuksesta, jonka odotetaan tuottavan
koneenrakennuksen kannalta kiinnostavia,
5–10 vuodessa kaupallistuvia uusia materiaaleja ja teknologioita. Korkeatasoista ja tunnustettua nanoteknologian osaamista löytyy
siis maastamme myös tämän selvityksen
ulkopuolelta. Lisätietoa löytyy esimerkiksi
osoitteesta www.nanobusiness.fi > Our
publications > HelsinkiNano – Nanotechnology Research in Helsinki Region 2010.
Nanoteknologian klusteriohjelma 2007–2013 on osa valtakunnallista osaamiskeskusohjelmaa.
1)
www.nanocluster.fi
www.nanobusiness.fi
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Sisältö
Pinnoitteet
• Likaantumattomat ja helposti puhdistettavat pinnat
• Antimikrobiaaliset pinnoitteet
• Jäätymättömät pinnoitteet
• Kulutusta kestävät pinnoitteet
• Pinnoitteet vaativiin olosuhteisiin
• Itsestään korjautuvat pinnoitteet
• Kitkaa alentavat pinnoitteet
• Lämmönsiirto- ja kondenssipinnat
• Virtauspinnat
Nanokomposiitit
• Lujat ja keveät muovinanokomposiitit
Hiilipohjaiset materiaalit
• Nanotimantit tribologisissa kontakteissa
• Nanorakenteiset hiilipohjaiset pinnoitteet
Aktiiviset materiaalit
• Anturit ja aktuaattorimateriaalit
• Näyttöpinnat sekä valonläpäisyltään säädettävät ikkunapinnat
• Värähtelyn vaimennus
• Sulautettu anturointi
• Näkymättömät sähköäjohtavat nanokalvot
Luontoa jäljittelevät materiaalit
• Nanokomposiitit
• Taipuisat väriaineaurinkokennot
Uudet sovellukset
• Pinta- ja kolloiditiede
• Nanopartikkelit eri sovelluskohteisiin
• Monitasomallinnusavusteinen suunnittelu
Loppusanat
Haastateltujen yhteystiedot
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Likaantumattomat pinnat ja helposti puhdistettavat pinnat
Likaantumattomia tai itsepuhdistuvia
pintoja voidaan tehdä kahdella periaatteeltaan poikkeavalla lähestymistavalla. Pintaan
voidaan tehdä fotokatalyyttinen pinnoite,
joka auringon ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta hajottaa katalyyttisesti orgaanista
likaa. Samalla pinta muuttuu superhydrofiiliseksi, jolloin vesi leviää tasaisesti pinnalle
ja pisaroinnista aiheutuvia kuivumisjälkiä
muodostuu vähemmän. Toinen tapa valmistaa itsepuhdistuva pinta on Lotusilmiön
mukaisesti tehdä pinta superhydrofobiseksi,
jolloin vesipohjainen roiskelika ei siihen
tartu ja pois vierivät vesipisarat puhdistavat pintaan laskeutuneet likapartikkelit.
Superhydrofobinen pinta saadaan aikaiseksi,
kun sopivaan pinnankarheuteen yhdistetään
hydrofobinen pintakemia.
Itsepuhdistuvuus vaatii aina sopivat olosuhteet ja veden huuhtelevan vaikutuksen.
Itsepuhdistuvien pintojen lisäksi on olemassa niin sanottuja helposti puhdistettavia
pintoja, jotka vaativat ainakin jonkin verran
aktiivista puhdistusta.
Pintoja voidaan modifioida paremmin
puhtaanapysyviksi monilla eri teknologioilla.
Niitä on kehitetty viime vuosina aktiivisesti
erilaisille materiaaleille ja eri käyttökohteisiin. Suuret odotukset itsepuhdistuvista
pinnoitteista ovat kuitenkin jääneet toistaiseksi toteutumatta. Helposti puhdistettavien
pinnoitteiden osalta on toisaalta saavutettu
selviä edistysaskelia monissa kohteissa. Tätä
aihepiiriä sivuavat antimikrobiaaliset ja jäätymättömät pinnat on käsitelty myöhemmin
erikseen.
Sovelluskohde
Koneiden ja laitteiden ulkonäön, hygieenisyyden ja korroosionkeston paranemien eri
ympäristöissä. Likaavissa prosessiolosuhteissa toimivat koneet ja laitteet. Energiatekniikan laiteet; tuuligeneraattorit, aurinkokennot
ja -keräimet. Anturit, mittalaitteet, pakkaukset, ja kodinkoneet. Sovelluskohteena ovat
yleisesti kaikki pinnat, joiden esteettistä,
hygieenistä tai teknistä toimintaa likaantuminen haittaa. Tavoitteena on sekä parempi
puhtaustaso että puhdistuskustannusten
vähentäminen. Fotokatalyyttiin pohjautuvat
itsepuhdistuvat pinnoitteet soveltuvat tällä
hetkellä lähinnä ulkokäyttöön epäorgaanisille pinnoille ja pinnoitteille, mutta näkyvän
valon aallonpituudella toimivia fotokatalyyttisiä materiaaleja tutkitaan tällä hetkellä
voimakkaasti.
Kypsyysaste
Nyt
Kaupallisia sovelluksia fotokatalyysin ja Lotus-pinnan hyödyntämisestä erilaisilla rakennetun ympäristön pinnoilla sekä veden ja ilman puhdistamisessa. Esimerkiksi Itsestään puhdistuvat ikkunat.
5 v kuluttua
Helposti puhdistettavia pintoja laajasti eri materiaaleille, kehitettyjä ratkaisuja
vaativiin prosessiteollisuuden sovelluksiin sekä elintarviketeollisuuteen. Toiminnallisuuden säilyttäminen tai palauttaminen pitkäaikaiskäytössä.
10 v kuluttua
Laajentunut teollinen käyttö eri kohteissa, mm. itsepuhdistuvat pinnat myös sisätiloihin.
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
asiantuntijOITA
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 47022675
+358 40 5526605
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan
laboratorio
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Jäätymättömät pinnoitteet
Pintoihin kerääntyvä jää on kylmillä alueilla
suuri ongelma erilaisissa kulkuneuvoissa
maalla, merellä ja ilmassa. Myös lukuisissa
muissa kohteissa koneenrakennuksessa ja
rakennustekniikassa pintojen jäätyminen
voi aiheuttaa toimintahäiriöitä, esimerkiksi
antenneissa ja tuulimyllyjen siivissä. Jään
kerääntymistä voidaan estää myös nanotekniikan keinoin muuttamalla pinta sellaiseksi,
että jää ei siihen tartu tai jäädy kiinni. Tällöin
tiivistynyt, satanut tai roiskunut vesi putoaa
pinnoilta pois eikä keräänny rakenteisiin.
Jäänestopinnoitteiden kehitystyö on
käynnissä useisiin sovelluksiin. Koneenrakennusteollisuuden lisäksi meri-, ilmailu- ja
rakennusteollisuus ovat kiinnostuneita uusista vaihtoehdoista. Passiivisten alhaiseen
pintaenergiaan ja superhydrofobisuuteen
perustuvien pinnoiteratkaisujen lisäksi jään
tarttumisen ehkäisemiseksi on olemassa
myös sähkömekaanisia ratkaisuja, kuten
lentokoneen siivissä käytettäviä keveitä ja
alhaisen tehonkulutuksen aktuaattoreita.
Aktuaattoreita on tässä raportissa esitelty
tarkemmin jäljempänä.
Sovelluskohde
Sovelluskohteena ovat kaikenlaiset koneiden, laitteiden ja rakenteiden ulkopinnat
jään kerääntymisen estämiseksi.
Kypsyysaste
Nyt
Vähäisessä käytössä erikoissovelluksissa.
5 v kuluttua
Ensimmäiset jäätymistä vähentävät sovellukset.
10 v kuluttua
Sovellukset käyttöön.
ASIANTUNTIJOITA
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Kulutusta kestävät pinnoitteet
Materiaalien kulutuskestävyyttä ja pintojen
kovuutta voidaan parantaa merkittävästi
pinnoittamalla materiaali ohuella perusainetta kovemmalla ja paremmin kulumista
kestävällä pinnoitteella. Tällaisia pinnoitteita
voivat olla erilaiset keraamit, komposiittimateriaalit tai timantinkaltaiset hiilipinnoitteet.
Tutkimustoiminta on erittäin aktiivista ja
merkittäviä edistysaskelia on saavutettu.
Koneenrakennuksessa ja materiaalien
työstössä on jo monia kaupallisia sovelluksia.
Pääpaino on metallien käsittelyssä, mutta
myös ei-metallisten materiaalien osalta on
esitetty lupaavia tuloksia. Kehityksessä on
odotettavissa
suuria edistysaskelia. Yhdessä kitkanhallinnan kanssa kone- ja moottoritekniikka
ovat erittäin suuren kehitystoiminnan
kohteina.
Sovelluskohde
Sovelluskohteena ovat kulutusrasitetut kohdat kuten lattiat, portaat, kaiteet, suojalasit,
visiirit ja hampaiden täyteaineet. Moottoreissa ja käyttölaitteissa on myös suuri kaupallinen potentiaali.
Kypsyysaste
Nyt
Sooli-geeli-pohjaisia kulutusta kestäviä kovapinnoitteita on olemassa lähinnä
läpinäkyville muoveille. Samoin esimerkiksi termisellä ruiskutuksella voidaan
koneenrakennuksen materiaaleja pinnoittaa hyvin kulutuskestäviksi.
5 v kuluttua
Sooli-geeli-pohjaiset ja muut nanorakenteiset pinnoitteet paranevat ja niiden
käyttökohteet lisääntyvät.
10 v kuluttua
Nanoteknologiaan pohjautuvia kulutusta kestäviä pinnoitteita on olemassa
moneen käyttöön.
ASIANTUNTIJOITA
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022675
+358 40 5526605
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Petri Vuoristo
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490044
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan
laboratorio
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Pinnoitteet vaativiin olosuhteeisiin
Termisellä ruiskutuksella voidaan valmistaa
esimerkiksi kovia ja kulutusta kestäviä pinnoitteita vaativiin käyttökohteisiin. Menetelmässä usein jauhemaisessa muodossa oleva
lähtöaine sulatetaan korkeassa lämpötilassa
ja ruiskutetaan pinnoitettavan kappaleen
päälle. Pinnoite muodostuu sulapisaroiden iskeytyessä kappaleen pintaan, jolloin
pinnoitteen rakenteesta tulee tyypillisesti
lamellimainen. Uusilla ruiskutustekniikoilla
sekä aiempaa paremmilla lähtöainejauheilla
ja jauhekoostumuksilla päästään pinnoitteissa yhä tiiviimpään ja kontrolloidumpaan
rakenteeseen. Samalla sekä pinnanlaatu että
pinnan kemiallinen koostumus hallitaan
entistä paremmin.
jauheiden käsittelyä kuivana. Lisäksi jauheen
koostumus voidaan räätälöidä hyvin tarkasti
ja jauheista saadaan erittäin homogeenisia.
Uudella CJS (Carbide Jet Spray) menetelmällä vesiliukoisista materiaaleista spraykuivaamalla valmistettujen nanorakenteiset
termisen ruiskutuksen jauheiden nanorakenne on mahdollista säilyttää myös ruiskutuksen jälkeen. Vesipohjaisella prosessoinnilla
voidaan välttää agglomeroimattomien nano-
Sovelluskohde
Termisen ruiskutuksen uusien nanojauheita
hyödyntävien menetelmien käyttökohteena ovat lähes kaikki termisen ruiskutuksen
kohteet, jossa vaaditaan nykyistä parempaa
pinnanlaatua ja pinnoitteelta parantuneita
mekaanisia ja korroosionkesto-ominaisuuksia.
Nanojauheita voidaan tiivistää kiinteiksi kappaleiksi myös niin sanotulla Spark
Plasma Sintering (SPS) menetelmällä, joka
mahdollistaa jauheiden nopean tiivistämisen alhaisemmassa sintrauslämpötilassa.
Nopea prosessi tuottaa perinteisiä tiivistysmenetelmiä vähäisemmän rakeenkasvun,
jolloin nanorakenne on mahdollista säilyttää
paremmin. Menetelmä soveltuu nanokokoisten, metastabiilien ja amorfisten jauheiden
kompaktoimiseen lähelle teoreettista
tiheyttä.
Kypsyysaste
Nyt
WC- ja Cr3C2-jauheita tuotettu. Ensimmäisten nanorakenteisten pinnoitteiden
korkeampi suorituskyky osoitettu laboratoriokokein.
5 v kuluttua
Pinnoitteiden pinnanlaatuun ja ominaisuuksiin parannuksia. Uudet pinnoitteet
vakiintuneet sovelluksiin. SPS-menetelmä teollisessa käytössä.
10 v kuluttua
Uusia kaupallisia nanorakenteisten pinnoitteiden sovelluksia. Räätälöidyt
materiaaliratkaisut, kuten toiminnalliset träppirakenteet, vakiintuneet sovelluksiin.
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
asiantuntijoita
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022675
+358 40 5526605
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Petri Vuoristo
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490044
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Itsestään korjautuvat pinnoitteet
Itsestään korjautuvat pinnoitteet ovat materiaaleja, joiden rakenteeseen on yhdistetty
kyky korjata pinnoitteeseen syntyneet
mekaaniset vauriot joko esteettisistä tai
toiminnallisista syistä. Itsestään korjautuvien
materiaalien innoittajana ovat luonnon biologiset järjestelmät, joilla on kyky parantua
itsestään haavoittumisen tai loukkaantumisen jälkeen. Itsestään korjautuva pinta
voi esimerkiksi poistaa kiiltoa heikentävät
naarmut maalipinnalta tai palauttaa ja korjata vaurioituneen pinnan tekniset suojaominaisuudet ympäristön korroosiorasituksia
vastaan.
Esteettisten vaurioiden itsekorjautumisen
tutkimus on keskittynyt ennen tuotteen
käyttöönottoa tapahtuvien vaurioiden
paikkaamiseen. Tällöin itsekorjautuvan
ominaisuuden toimintaikä on rajallinen ja
siten helpommin hallittavissa. Teknisten
vaurioiden itsekorjautuvuuden tutkimus on
selvästi keskittynyt tuotteen käytönaikaisten
vaurioiden korjautuvuuteen. Ajatuksena
itsekorjautuvuus ei ole uusi, mutta nanoteknologia ja toiminnalliset materiaalit tuovat
uudet tavat toteuttaa asia.
Sovelluskohde
Naarmut tuotteiden kuljetuksen, varastoinnin ja asennuksen aikana aiheuttavat
suuria taloudellisia menetyksiä. Niitä vastaan
tuotteita pinnoitetaan itsestään korjautuvilla
pinnoitteilla. Tulevaisuuden sovelluskohteena voivat olla myös laivojen ja veneiden
ulkopinnoitteet.
Kypsyysaste
Nyt
Itsestään korjautuvat automaalit kuljetusvaurioita vastaan.
5 v kuluttua
Esteettisten vaurioiden itsestään korjautuvat pinnoitteet kuljetus-, varastointija asennusvaurioita vastaan.
10 v kuluttua
Korroosionestopinnoitteisiin merkittävä parannus.
asiantuntijoita
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
10
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Pinnoitteet
Kitkaa alentavat pinnoitteet
Kitka aiheuttaa koneissa ja laitteissa energiahäviöitä ja lisääntynyttä osien kulumista.
Suuri osa tuotetusta energiasta kuluu kitkan
voittamiseen ja toisaalta kuluneiden osien
korvaamiseen. Erilaisten koneenosien ja
työkalujen kitkaparien elinikää, toiminnallisuutta ja luotettavuutta voidaan parantaa
uusilla teknologioilla kuten timantti- ja nanokomposiittipinnoitteilla.
Sovelluskohde
Liukuvan kulumisen eli adheesiokulumisen materiaaliparien kitkan ja kulumisen
pienentäminen kontaktipinnan nanomittakaavaisen räätälöinnin seurauksena. Samoja
ratkaisuja voidaan soveltaa myös erilaisille
irrotuspinnoille.
Kypsyysaste
Nyt
Tutkimusta ja kehitystä.
5 v kuluttua
Räätälöityjä ratkaisuja eri materiaalipinnoille.
10 v kuluttua
Laajoja teollisia sovelluksia eri teollisuudenaloilla.
asiantuntijoita
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022675, +358 40
5526605
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Jari Koskinen
Professori
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022678, +358 50
5956677
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan
laboratorio
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Petri Vuoristo
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490044
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
11
Pinnoitteet
Lämmönsiirto- ja kondenssipinnat
Erilaisia lämmönsiirtimiä käytetään lukuisissa
teollisissa prosesseissa, koneissa ja laitteissa.
Lämmönsiirtimen toiminta vaikuttaa muun
muassa energiatehokkuuteen. Erityisesti
jäähdytys ja ilmastointi kuluttavat paljon
energiaa. Lämmönvaihdinpintojen likaantuminen heikentää lämmönsiirtokerrointa,
kasvattaa virtausvastusta ja aiheuttaa
mahdollisesti korroosio-ongelmia. Nanopinnoitteilla voidaan vaikuttaa likaantumiseen
ja nesteiden käyttäytymiseen lämmönsiirti-
mien pinnoilla. Optimaalisesti toimiva lämmönvaihdin tehostaa energian talteenottoa
sekä vähentää kustannuksia ja ympäristön
kuormitusta.
Sovelluskohde
Hydrofobiset ja hydrofiiliset pinnat (myös
muille nesteille fobiset ja fiiliset) ilmastoinnissa, energiatekniikan laitteissa, polttokennoissa, haihduttimissa ja lauhduttamissa,
jäänmuodostumisen estossa ja niin edelleen.
Kypsyysaste
Nyt
Yksittäisiä kokeiluja tehty.
5 v kuluttua
Räätälöityjä lämmönsiirtopintoja ja hallittuja kondenssipintoja eri materiaaleille olemassa.
10 v kuluttua
Optimoituja ja hallittuja ratkaisuja energiatekniikan komponenteissa ja prossesiteollisuudessa.
asiantuntijoita
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
12
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Petri Vuoristo
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490044
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Pinnoitteet
Virtauspinnat
Pinnoitteiden ja pintakäsittelyjen avulla
voidaan vähentää kitkaa erilaisilla nesteen
ja kiinteän aineen välisillä virtauspinnoilla.
Erityisesti likaantuminen ja mikro-organismien aiheuttama fouling lämmönvaihtimissa,
putkistoissa sekä veneiden ja laivojen vedenalaisilla pinnoilla kasvattaa virtausvastusta ja
aiheuttaa korroosiota.
Sovelluskohde
Nesteen ja kiinteän aineen virtauspinnat
niin tasoilla kuin putkistoissa sekä makroskooppisissa sovelluksissa, annostelussa
että mikrofluidistiikassa. Virtauksen kitkan
pienentäminen ja annostelun tarkentaminen
sekä pintojen pysyminen puhtaana.
Kypsyysaste
Nyt
Tutkimusta ja kehitystä.
5 v kuluttua
Räätälöityjä matalakitkaisia pintoja eri nestevirtauksille.
10 v kuluttua
Teollisia sovelluksia tasopinnoilla ja kehitettyjä ratkaisuja myös putkistoille.
asiantuntijoita
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
13
Nanokomposiitit
Lujat ja keveät muovinanokomposiitit
Kerta- ja kestomuovien lujuutta voidaan
kasvattaa lisäämällä niihin nanopartikkeleita,
kuituja tai kankaita. Nano- tai mikrohuokoinen rakenne voi myös keventää materiaalia.
Parempi kemikaalien kestävyys, pienempi
vesihöyryn- ja kaasunläpäisy, suurempi
lämmönkesto ja mekaaninen lujuus voidaan
saavuttaa sekoittamalla polymeeriin esimerkiksi nanosavea, millä on myös palonsuojaa parantava vaikutus. Muovimatriisiin
sekoitettavien täyteaineiden ja käytettävien
muovimatriisien yhdistelmiä, joilla mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa, on
lukemattomia.
Suurimmat haasteet nanotekniikan hyödyntämisessä liittyvät nanomateriaalien
prosessointiin, mikä on haastavaa teollisissa
prosesseissa nanopartikkelien voimakkaan
agglomeroitumistaipumuksen vuoksi. Nanopartikkelien edut saadaan parhaiten esille,
jos nanopartikkelit voidaan pitää toisistaan
erillään ja hallitusti dispergoituneina prosessoinnin, esimerkiksi muoviin sekoittamisen
aikana. Tällöin pienikin määrä (alle 2 %)
nanotäyteainetta voi aikaansaada voimakkaan muutoksen muovin ominaisuuksissa.
Nanotäyteaineiden dispergointitekniikoita ja
adheesiota edistäviä kemikaaleja eri muovimatriiseihin kehitetään voimakkaasti.
Muovinanokomposiittien yleisimpiä ominaisuusparannuksia ovat: alhaisempi viskositeetti, kohonnut tuotteen käyttölämpötila,
parantuneet mekaaniset ominaisuudet,
lisääntynyt jäykkyys ja kovuus, keveys ja
mittapysyvyys, parantunut kulutuskestävyys,
parantunut pinnan laatu, paremmat barrierominaisuudet, palonkestävyys, kemiallinen
kestävyys, sähkönjohtavuus, optiset ominaisuudet, helpompi kierrätettävyys.
Sovelluskohde
Sovelluskohteita ovat esimerkiksi erilaiset
autoteollisuuden muovikomposiittiosat,
iskunkestävät komposiittimateriaalit urheiluvälineissä, hyvät kosteus- ja palonsuojaominaisuudet esimerkiksi sähköliittimien
suojaamiseen. Lujempi muovikomposiitti voi
mahdollistaa rakenteen keventämisen.
Kypsyysaste
14
Nyt
Nanolujitettuja kerta- ja kestomuoveja yleisiin tarkoituksiin: lujuus, jäykkyys.
Yleensä perus täyteaineita, joitakin “räätälöityjä” täyteaineita.
5 v kuluttua
Enemmän toiminnallisuutta yhdistettynä perinteisiin ominaisuuksiin, esim.
kulumiskestävyys, jäykkyys, barrier -ominaisuudet. Värähtelyn ja äänen vaimennusta voidaan kehittää uusilla kevytrakenteilla. Uudet nanolujitteet kuten
nanoselluloosa vakiintunut sovelluksiin.
10 v kuluttua
Nanokomposiitit räätälöidyin ominaisuuksin. Nanotäyteaineiden dispergointi
hallitaan teollisesti selvästi paremmin. Valmistetaan nanohuokoisia, läpinäkyviä, kevytrakenteita.
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
yhteyshenkilöt
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
15
Hiilipohjaiset materiaalit
Nanotimantit tribologisissa kontakteissa
Nanotimantit kuuluvat hiilen nanomateriaaliperheeseen, jonka ainutlaatuiset
fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat
herättäneet viime vuosina suurta kiinnostusta lukemattomissa sovelluksissa. Nanotimantteja voidaan valmistaa esimerkiksi
plasma-avusteisella kemiallisella kaasufaasipinnoituksella ja detonaatiomenetelmällä
räjähdyskammiossa.
Sovelluskohde
Nanotimanttien sovelluksia ovat muun
muassa materiaalien läppäys ja kiillotus,
moottoriöljyjen kitkaa alentavat lisäaineet,
metalliteollisuudessa käytettävät kiinteät
voiteluaineet ja sähköpinnoituselektrolyyttien lisäaineet.
Kypsyysaste
Nyt
Ominaisuudet demonstroitu, mutta ei kunnolla karakterisoitu. Ensimmäisiä
kaupallisia nanotimanttipohjaisia voiteluaineita markkinoilla.
5 v kuluttua
Nanotimanttipohjaisia lisäaineita kaupallisesti joissakin sovelluksissa.
10 v kuluttua
Nanotimanttipohjaiset lisäaineet kaupallisesti useissa sovelluksissa.
asiantuntijoita
Jari Koskinen
Professori
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022678, +358 50 5956677
fax. +358 9 47022659
[email protected]
16
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Hiilipohjaiset materiaalit
Nanorakenteiset hiilipohjaiset pinnoitteet
Pelkästään hiilestä koostuvat nanomateriaalit muodostavat oman mielenkiintoisen
ryhmänsä, johon kohdistuvat tulevaisuuden
odotukset ovat suuret. Hiilimusta on tutuin
ja määrällisesti selvästi eniten käytetty
nanohiili tällä hetkellä. Hiilimustaa käytetään
useissa
sovelluksissa kuten autonrenkaat, väriaineet
ja sähköäjohtavat muovit. Muita hiilen nanomateriaaleja ovat muun muassa nanotimantit, pallomaiset fullereenit, nanoputket,
nanonuput (nanoputken ja fullereenin yhdistelmärakenne) ja grafeeni (atomikerroksen
paksuinen hiililevy).
Sovelluskohde
Nanorakenteisia hiiliä voidaan käyttää muun
muassa komposiittimateriaalien mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen, erilaisten akkujen ja paristojen ominaisuuksien
parantamiseen sekä taipuisien ja läpinäkyvien elektrodien valmistukseen.
Kypsyysaste
Nyt
Tribologisia työkalu- ja komponenttipinnoitteita.
5 v kuluttua
Hiilipohjaiset pinnoitteet bio-yhteensopivina pinnoitteina.
10 v kuluttua
Funktionaalisia sovelluksia, esimerkiksi aistivat ja haptiset pinnat.
asiantuntijoita
Jari Koskinen
Professori
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200
00076 Aalto
puh. +358 9 47022678, +358 50 5956677
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
17
Aktiiviset materiaalit
Anturi- ja aktuaattorimateriaalit
Yhä enenevässä määrin on tulossa käyttöön
sellaisia materiaaleja ja teknologioita, joissa
yhdistellään ja hyödynnetään erilaisiin
ympäristöolosuhteisiin reagoivia anturi- ja
toimilaiteominaisuuksia. Nanoteknologialla voidaan yleisesti tietyissä sovelluksissa
herkistää antureiden ja aktuaattoreiden
toimintaa voimistamalla funktionaalisten
materiaalien ominaisuuksia kuten herkkyyttä
kaasuille, kemikaaleille, biologisille aineille
ja erilaisille epäpuhtauksille. Nanoputket- ja
johtimet, nanopartikkelit ja kvanttipisteet
mahdollistavat antureiden koon edelleen
pienentämisen. Nanoteknologiaa suurempi merkitys antureiden ja aktuaattoreiden
lähitulevaisuuden kehittymisessä on niiden
integroimisella osaksi muuta rakennetta,
jolloin ne tulevat olemaan erottamattomana osana jotain isompaa komponenttia.
Tyypillisten paljon käytettyjen antureiden,
paine- ja kiihtyvyysantureiden, markkinoita
hallitsee MEMS-teknologia, joka tullee säilyttämään asemansa keskipitkällä tähtäimellä.
Sovelluskohde
Säähän reagoivat vaatteet, tietojärjestelmien
käyttöliittymät, elintoimintojen monitorointi,
lääkeaineiden annostelu, rakennus-, kone- ja
autotekniikka. Lisäksi erilaiset tunnistamis- ja
turvallisuusratkaisut, erilaisten kemikaalien
18
ja biologisten molekyylien ja aineosien reaaliaikainen tunnistus.
Pidemmällä aikajaksolla nanoteknologian
hyödyntäminen antureissa lisääntyy ja vaatii
usein nanomittakaavassa prosessointia, jolloin
perinteiset valmistusmenetelmät eivät riitä.
Esimerkkejä ovat painetta mittaavien nanokuitujen valmistus, nanohuokoisen piin käyttäminen kaasuanturina ja itsejärjestyvien
molekyylikerrosten käyttäminen biologiseen
anturointiin. Tällä hetkellä nanoteknologian
käyttäminen anturiteknologiassa on kaupallisissa tuotteissa vielä melko harvinaista.
Uutta nanotekniikkaa höydyntäviä antureita
on tulossa erityisesti biologisten ilmiöiden
immunologiseen anturointiin ja puolijohdeantureihin. Nanotekniset materiaaliratkaisut
saattavat löytää paikkansa MEMS-sovelluksissa aikaisintaan 5 vuoden kuluessa.
Aktuaattoreissa perinteiset sähkömoottorit,
pneumaattiset ja hydrauliset systeemit tulevat
säilyttämään paikkansa vielä pitkään. Nanotekniikkaan perustuvien aktuaattoreiden
yleistyminen on kauempana sovelluksista kuin
anturoivien nanomateriaalien. Nanorakenteiset
pietsomateriaalit, elektro- ja magnetoreologiset materiaalit ovat tyypillisimpiä sovelluksia. Näillä voidaan esimerkiksi aktiivisesti
vaimentaa värähtelyä ja siten melua.
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
asiantuntijoita
Arto Maaninen
Tutkimusprofessori
VTT
Painettu älykkyys
PL 1100
90571 OULU
puh. +358 20 7222348
fax +358 20 7222320
[email protected]
Jouko Malinen
Teknologiapäällikkö
VTT
Optiset laitteet ja mittausratkaisut
PL 1100
90571 OULU
puh. +358 20 722 2247
[email protected]
Timo Varpula
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat laitteet
Micronova
02150 Espoo
puh. +358 20 722 6418
[email protected]
Hannu Kattelus
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat laitteet
Micronova
02150 Espoo
puh. +358 20 722 6319
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
19
Aktiiviset materiaalit
Näyttöpinnat sekä valonläpäisyltään säädettävät ikkunapinnat
Väriävaihtavia ikkunoita tai pintoja voidaan
toteuttaa elektrokromisilla materiaaleilla,
jotka vaihtavat palautuvasti väriä ja valonläpäisevyyttä sähkökentän avulla. Näitä
materiaaleja voidaan ohjata muutaman
voltin jännitteellä ja valonläpäisyn määrää
voidaan automatisoida antureiden avulla.
Valonläpäisyä voidaan säätää elektrokromien (EC) lisäksi muovimatriisiin sekoitettujen
nestekidepartikkelien (PDLC) avulla. Elektrokromisia materiaaleja käytetään muun
muassa ikkunoiden tummuuden säätämiseen ja autojen taustapeilien automaattiseen tummentamiseen. Teknologian avulla
voidaan säädellä sisätiloihin tulevan valon
ja lämmön määrää kulloisenkin tarpeen
mukaan.
Termokromiset materiaalit puolestaan
vaihtavat väriään lämpötilan muutoksen
mukaan. Termokromisia pigmenttejä ja
nestekiteitä voidaan sekoittaa muoviin, jolloin pigmentin valinnalla voidaan vaikuttaa
värimuutoksen lämpötila-alueisiin. Useamman pigmentin yhdistelmällä voidaan tehdä
moniasteisia värinmuutoksia. Termokromisilla kalvomateriaaleilla voidaan myös säätää
ikkunan läpinäkyvyyttä, mutta läpinäkyvyys
häviää kerroksen muuttuessa sameaksi
aktivoituessaan.
Sovelluskohde
Elektrokromisia materiaaleja voidaan
soveltaa ikkunoissa, kun halutaan säädellä
tai automatisoida sisään tulevan valon ja
lämpösäteilyn määrää. Elektrokrominen
ikkuna on tyypillisesti koko ajan kuitenkin
läpinäkyvä, vaikka se voidaankin tummentaa
myös läpinäkymättömäksi saakka. PDLCtekniikalla ja termokromisilla materiaaleilla voidaan säädellä läpinäkymättömän,
samean ja kirkkaan tilan välillä, jolloin läpinäkyvyys helposti menetetään valonläpäisyä
rajoitettaessa. Isoista, suorista tai kaarevista
pinnoista voidaan tehdä valaisevia polymeerikalvomateriaaleilla, jotka siten tuottavat
häikäisemätöntä valoa. Tekniikan kehittyessä
esimerkiksi seinäpinta voidaan varustaa
OLED-tekniikan avulla hyvän resoluution
näytöksi.
Kypsyysaste
20
Nyt
Elektrokromisia materiaaleja sovelletaan autoissa ja lentokoneissa. Joidenkin
rakennusten ikkunat on toteutettu elektrokromisin ratkaisuin. Näyttötekniikassa ovat ensimmäiset orgaanisiin ledeihin (OLED) perustuvat näytöt tulleet
markkinoille. Tämän hetkisten OLED-näyttöjen kestoikä on noin 5 000 h.
5 v kuluttua
Kehittyminen OLED-tekniikassa tuo suuria OLED-televisioita markkinoille.
10 v kuluttua
OLED-näytöistä voidaan tehdä HD-resoluution suuria näyttöjä. OLED-näyttöjen elinikä kasvaa niin, ettei siitä muodostu myynnin estettä. OLED-tekniikka
korvaa plasma- ja LCD-tekniikat. Heijastuskerrointaan ohjatusti muuttavat
energialasit voivat olla jo kaupallisesti saatavilla (peili/ikkuna).
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
asiantuntijoita
Arto Maaninen
Tutkimusprofessori
VTT
Painettu älykkyys
PL 1100
90571 OULU
puh. +358 20 7222348
fax +358 20 7222320
[email protected]
Jouko Malinen
Teknologiapäällikkö
VTT
Optiset laitteet ja
mittausratkaisut
PL 1100
90571 OULU
puh. +358 20 722 2247
[email protected]
Timo Varpula
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat laitteet
Micronova
02150 Espoo
puh. +358 20 722 6418
[email protected]
Hannu Kattelus
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat laitteet
Micronova
02150 Espoo
puh. +358 20 722 6319
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
21
Aktiiviset materiaalit
Värähtelyn vaimennus
Toiminnallisilla materiaaleilla ulkoinen impulssi kuten mekaaninen kuormitus, lämpötila, valo, sähkö- tai magneettikenttä saavat
aikaan muodonmuutoksen, värimuutoksen
tai esimerkiksi muutoksen sähkönjohtavuudessa. Tiettyyn olosuhteeseen suunniteltu
toiminnallinen materiaali reagoi olosuhteiden muutokseen halutulla tavalla. Uusia
materiaaleja ja säätötekniikkaa yhdistelemällä voidaan valmistaa edistyksellisiä ratkaisuja
myös mekaanisen värähtelyn hallintaan.
Toiminnallisia materiaaleja hyödyntävät tulevaisuuden värähtelyä vaimentavat rakenteet
voivat olla samanaikaisesti kevyitä, jäykkiä ja
omata hyvät vaimennusominaisuudet.
Sovelluskohde
Aktiivisia materiaaleja voidaan hyödyntää
lukuisissa eri sovelluksissa kuten äänen ja
värähtelyn hallinnassa. Esimerkkejä aktiiviseen värähtelyn vaimennukseen soveltuvista
materiaaleista ovat muun muassa sähköllä
ohjattavat pietsosähköiset materiaalit,
magneettisesti ohjattavat magnetoreologiset nesteet ja elastomeerit sekä lämmöllä
ohjattavat muistimetallit.
Kypsyysaste
Nyt
Tutkimus- ja kehittämistasolla suoritetut laboratoriomittaskaalandemonstroinnit tehty.
5 v kuluttua
Kaupalliset passiiviset äänen- ja värähtelynhallinnan ratkaisut vakiintuneet.
10 v kuluttua
Kaupalliset adaptiiviset äänen- ja värähtelynhallinnan ratkaisut vakiintuneet.
asiantuntijoita
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
22
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Aktiiviset materiaalit
Sulautettu anturointi
Sulautettuja antureita ja muita elektroniikan
komponentteja voidaan valmistaa suurella
tarkkuudella suoraan tuotteen pinnalle
ilman maskaamista niin sanotuilla Direct
Write (DW) menetelmillä. Menetelmiä
on sekä termiseen ruiskutukseen että
nestemäiseen annosteluun perustuvia.
Ne soveltuvat käytettäväksi myös kolmiulotteisille kappaleille ja rakenteille sekä
erilaisille materiaaleille ja materiaaliyhdistelmille. Mikro-plasmaan perustuvalla termisen
ruiskutuksen tekniikalla voidaan tuottaa
korkealaatuisia johdin- ja eristemateriaaleja
erilaisille alustamateriaaleille ilman jälkikäsittelyn tarvetta.
Sovelluskohde
Multifunktionaaliset rakenteet, lämpö- ja
venymäanturit, antennit, elektroniikan komponentit. Painetun elektroniikan kapselointi
esimerkiksi läpinäkyvän termoplastisen
muovin sisään.
Kypsyysaste
Nyt
Anturin valmistus komponentin pintaan laboratorio-olosuhteissa.
5 v kuluttua
Ensimmäisten yksinkertaisten antureiden implementoituminen teolliseen
tuotantoon: lämpötila-anturit, säröanturit ja venymäanturit.
10 v kuluttua
Monimuotoisten sulautettujen anturointirakenteiden kaupallistuminen
mukaanlukien. energiantuottojärjestelmät.
asiantuntijoita
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
23
Luontoa jäljittelevät materiaalit
Nanokomposiitit
Luontoa jäljittelevien materiaalien kehityksen innoittajana ovat luonnossa esiintyvät
materiaalit ja rakenteet. Esimerkiksi hunajakennorakenteen keveys, jäykkyys ja lujuus;
hämähäkin verkoissaan käyttämän seitin
keveys ja venymiskyky; simpukan helmiäisen mekaaniset ominaisuudet ja helmiäisen
katselukulmasta riippuvat optiset ominaisuudet; sekä hain suomujen virtausvastusta
ja mikro-organismien tarttumista vähentävä
ominaisuus.
Sovelluskohde
Uusilla tekniikoilla voidaan valmistaa entisiä
nanokomposiitteja huomattavasti paremmat
mekaaniset ominaisuudet ympäristöystävällisesti, halvalla ja nopeasti. Erittäin kevyet
mutta mekaanisesti erittäin lujat paperinvalmistustekniikalla tai maalaamalla rullalta
rullalle tehtävät biomimeettiset pinnat ja
nanokomposiitit, jotka jäljittelevät simpukan
helmiäistä tai silkkiä.
Kypsyysaste
Nyt
Ensimmäinen versio toimii laboratoriossa. Yritystä hahmotellaan, tuotteita
identifioidaan, ominaisuuksia optimoidaan. Kotimaista rahoitusta haetaan.
5 v kuluttua
Pieni tai keskisuuri yritys perustettu, ensimmäiset tuotteet myynnissä: mobiiliteknogia, kannettavat tietokoneet, OLED-enkapsulointi, barrier-sovellukset,
lämmön eristys.
10 v kuluttua
Toivottovasti yritys laajentunut ja tehnyt kaupallisen läpimurron.
asiantuntijoita
Olli Ikkala
Professori
Teknillisen fysiikan laitos
Molekyylimateriaalit
PL 15100
00076, Espoo
puh. +358 50 4100454, (vaihde: +358 9 47001)
fax. +358 9 4702 3155
[email protected]
24
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Luontoa jäljittelevät materiaalit
Taipuisat väriaineaurinkokennot
Aurinkoenergia on suuri luonnonvara, jonka
hyödyntäminen on toistaiseksi vähäistä,
mutta jonka merkitys energiantuotannossa
kasvaa tulevaisuudessa. Väriaineherkistetyt nanorakenteiset aurinkokennot (DSSC,
DSC tai DYSC), tai Grätzelin kennot ovat
ohutkalvoaurinkokennoja jotka imitoivat
fotosynteesiä. Kennon muodostaa läpinäkyvän elektrodin ja metallielektrodin välissä
oleva elektrolyyttiliuoksen ympäröimä ja
väriaineen päällystämä huokoinen TiO2-nan-
opartikkelikerros. Kennon väriaine absorpoi
auringonvaloa ja toimii kuten vihreiden
lehtien klorofylli. Kenno voidaan valmistaa
taipuisaksi kalvoksi edullisista materiaaleista mikä tekee siitä kiinnostavan, vaikka
sen hyötysuhde on parhaita kennoja
heikompi.
Sovelluskohde
Aurinkoenergian muuttaminen sähköksi:
koneet, laitteet, energiahuolto.
Kypsyysaste
Nyt
Pieni prototyyppi.
5 v kuluttua
Pilot-linja.
10 v kuluttua
Tuotantolinja.
asiantuntijoita
Peter Lund
Professori
Teknillisen fysiikan laitos
PL 14100
00076 Aalto
puh. +358 9 470 23197
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
25
Uudet sovellukset
Pinta- ja kolloiditiede
Pinta- ja kolloiditiede erottaa kaikkialla
vaikuttavat pintaominaisuudet bulk-materiaali (kolloidi) ominaisuudesta, vaikka
pinataominaisuuden osuus kasvaa hienojakoisuuden myötä. Nanotieteessä tällaista
selkeää ominaisuuksien jakoa ei tehdä,
vaan huomio kohdistetaan pelkästään
hienojakoisimpaan kokofraktioon, jossa
pintaominaisuudet ovat vallitsevia (nanoeffekti).
Sovelluskohde
Kolloiditiedettä sovelletaan kaikilla teknologian alueilla. Erityisen näkyvän aseman se on
saanut bio-, elektroniikka- ja komposiittimateriaaliteknologiassa.
Kypsyysaste
Nyt
Pinta- ja kolloiditiede (erityisesti kemia ja fysiikka) on 150–200 vuotta vanha,
mutta on mallisysteemien ja sovellusten kehittymisen kautta saanut vakiintuneen, tutkimuspoliittisesti hyväksyttävän aseman nanotiede nimikkeellä.
5 v kuluttua
Koska useimmat teknologiat kehittyvät informaation ja ominaisuuksien miniatyrisoinnin kautta on selvää että pinta- ja kolloiditiede, esimerkiksi nanotiede
nimikkeellä valtaa nykyistä suuremman alan eri teknologiasovelluksissa.
10 v kuluttua
On oletettavaa, että miniatyrisointi siirtyy yhä selvemmin molekyylitasolle. Tällöin teknologiat hyödyntävät yhä enemmän molekulaarisesti tuotettuja ja/tai
muokattuja nanorakenteita, joissa sekä molekyyli- että pintaominaisuudet
ovat vallitsevia. Esimerkki tästä on toinen uusi pinta- ja kolloiditieteen haara,
s.o. sooli-geeli-tiede. Tämän parissa nanorakenteiden ominaisuudet hallitaan
jo synteesivaiheessa. Zeoliitti-kemian ohella voidaan erityiset pintaominaisuudet kohdistaa valtavaan huokospintaan tai nanomateriaalin ulkoiseen pintaan.
asiantuntijoita
Jarl Rosenholm
Professori
Fysikaalinen kemia
Åbo Akademi
20500 TURKU
puh. +358 2 2154254, +358 405804876
[email protected]
26
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Uudet sovellukset
Nanopartikkelit eri sovelluskohteisiin
Nanokokoisilla partikkelimuotoisilla materiaaleilla on valtavasti sovelluksia hyvin
erilaisissa käyttökohteissa itsepuhdistuvista
pinnoitteista aurinkorasvoihin ja lääkeaineen
annosteluun. Kehittyneillä valmistustekniikoilla aikaansaadut kerros- ja kuorirakenteet, nanopallot sekä erilaiset kemikaali- ja
partikkelidouppaukset entisestään lisäävät
käyttömahdollisuuksia tulevaisuudessa.
Partikkeleja voidaan valmistaa muun muassa
pyrolyysi-, sooli-geeli- ja emulsiotekniikoilla,
joilla voidaan säätää niin koostumus kuin
partikkelikoko.
Sovelluskohde
Oksidi-, sekaoksidi ja hybridimateriaaleista
sekä metallipartikkeleista tehtävät nanorakenteet, kuten uudet anturiratkaisut,
fotokatalyyttiset partikkelit, nanokomposiitit, eri aineiden annostelu mikrokapseleista:
itsekorjautuvuus, antibakteriaalisuus ja
korroosionesto. Lisäksi multifunktionaalisia
magneettisia nanopartikkeleja voidaan
käyttää esimerkiksi seuraavissa kohteissa:
epäorgaaniset magneettiset kantaja-aineet,
magneettiset fotokatalyytit, nanopartikkeleja sisältävät magneettiset nesteet (ferrofluidit), toiminnallisten aineiden kontrolloitu
luovutus ja magneettisesti kontrolloitu
jäteveden puhdistus.
Kypsyysaste
Nyt
Fotoaktiiviset partikkelit, sekaoksidien valmistus. Antibakteerisia doupattuja
SiO2-jauheita tuotettu sooli-geeli-menetelmällä.
5 v kuluttua
Toiminnallisten aineiden kontrolloitu luovutus mikrokapseleista.
10 v kuluttua
Useita kaupallisia sovelluksia. Lujat ja kovat nanokomposiitit, uudet sähkökeraamisovellukset.
asiantuntijoita
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 47022675
+358 40 5526605
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan
laboratorio
Tampereen teknillinen yliopisto
PL 527
33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
27
Uudet sovellukset
Monitasomallinnusavusteinen suunnittelu
Uusien konstruktiomateriaalien kehittäminen on aina kompleksinen yhtälö ristikkäin
vaikuttavia vuorovaikutuksia fysikaalisista ja
kemiallisista ilimiöistä aina materiaalin makroskooppisen tason käyttäytymiseen asti.
Lisäksi materiaalin prosessointi vaikuttaa
aina merkittävästi muodostuvan materiaalin ominaisuuksiin ja käyttäytymiseen eri
käyttöympäristöissä. Mallinnusosaaminen
on voimakkaasti kehittynyt viime vuosikymmenenä saaden tukea
numeerisen laskentakapasiteetin kasvamisesta sekä kaupallisten monitaso- ja multifysiikkaohjelmistojen kehittymisestä. Kuitenkin edelleen materiaalimallinnuksia tehdään
pääosin toisistaan irrallisina eri tasoilla, joko
atomitason (kvanttimekaanisilla, molekyylidynaamisilla) tai mesoskooppis-makroskooppisen tason malleilla, kytkennän eri
tasojen fysikaalisiin mekanismeihin ollessa
heikko. Myöskin eri tasojen mekanismien ja
ilmiöiden yhtäaikainen huomiointi tiettyyn
ominaisuuteen tähdättäessä on usein jätetty
vähälle huomiolle. Nämä eivät tue maksimaalisesti pyrkimyksiä uusien materiaalien
syväymmärrykselliseen kehittämiseen.
Sovelluskohde
Uudet kasvavat käyttövaatimukset rakenteille ja komponenteille pitävät esillä jatkuvan tarpeen kehittää paremmin kestäviä
materiaaleja. Lisäksi tarve juuri optimoituun
materiaalin kestävyyteen on viimeisin piirre
materiaalikehitysvaatimuksissa käyttäjien taholta. Perinteinen tapa kehittää materiaaleja
irrallisesti eri tasoilla sekä mallinnuksen että
kokeellisen tutkimuksen keinoin on tehoton
ajatellen monitasomallinnuksen tarjoamia
mahdollisuuksia ja menetelmiä materiaalien
ominaisuuksien systemaattisessa suunnittelussa sekä kohdekohtaisessa optimoinnissa.
Kypsyysaste
Nyt
Materiaalin vaurioitumisen ymmärtäminen mallinnusavusteisesti.
5 v kuluttua
Prosessointi–rakenne–ominaisuus-käytettävyysketjun (PPSP) optimointi ja
linkitys materiaalikehitykseen mallinnusavusteisesti.
10 v kuluttua
Closed-loop materiaalien moniskaalamallinnus ja materiaalin prosessoinin
suora linkitys materiaalin käytettävyyteen.
asiantuntijoita
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000
02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
28
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Loppusanat
Nanoteknologia ja uusi materiaalitekniikka
ovat voimakkaan tutkimuksen ja tuotekehityksen kohteena ja uusia sovelluksia ja
ratkaisuja syntyy koko ajan. Nanomateriaalit ovat herättäneet suurta kiinnostusta,
koska niiden avulla on mahdollista luoda
materiaaleja, joilla on ennennäkemättömiä
ominaisuuksia. Perustutkimuksella on nanoteknologian kehityksessä merkittävä rooli
ja sen kautta voidaan löytää aineelta aivan
uusia ominaisuuksia ja tätä kautta kehittää
täysin uusia ratkaisuja. Tämä kehitys voi olla
kuitenkin hyvin aikaa vievää, joten atomi- ja
molekyylitasolla hallittujen tekniikoiden
sovelluksia on yleensä odotettavissa vasta
vuosien kuluttua siitä, kun ne on osoitettu
toimiviksi laboratoriossa. Näin ollen monet
nanoteknologiaa ja uusia materiaaliteknologioita sisältävät sovellukset ovatkin
pääosin parannettuja versioita aikaisemmin
tunnetuista sovelluksista. Nanoteknologian
mahdollistamia täysin uusia, ennennäkemättömiä sovelluksia on toistaiseksi rajoitetusti,
mutta niiden määrän odotetaan kasvavan.
Culminatum Innovation Oy Ltd
Innopoli, Tekniikantie 12
FI-02150 Espoo, Finland
Tel. +358 20 761 9550, fax +358 20 761 9551
www.culminatum.fi, www.nanobusiness.fi
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
29
Haastateltujen yhteystiedot
Janne Laine
Professori
Puunjalostuksen
fysikaalinen kemia
PL 16300, 00076 Aalto
puh. +358 9 451 4233,
+358 50 465 6835
[email protected]
Heikki Tenhu
Professori
Polymeerikemian laboratorio
PL 55
00014 Helsingin yliopisto
puh. +358 9 19150334,
+358 40 5219690
fax. +358 9 19150330
[email protected]
Kyösti Kontturi
Professori
Fysikaalisen kemian ja
sähkökemian laboratorio
puh. +358 (0)9 451 2570,
+358 50 505 2575
PL 6100, 02015 Aalto
[email protected]
Simo-Pekka Hannula
Professori, laitoksen johtaja
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 47022675,
+358 40 5526605
fax. +358 9 47022659
simo-pekka.hannula@
tkk.fi
Outi Söderberg
Tohtori
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 470 22681
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Mikhail Gasik
Professori
Materiaalitekniikan laitos
Materiaalien valmistustekniikka ja jauhemetallurgia
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 47022769,
+358 50 5609511
fax. +358 9 47022659
[email protected]
Jari Koskinen
Professori
Materiaalitekniikan laitos
PL 16200, 00076 Aalto
puh. +358 9 47022678,
+358 50 5956677
fax. +358 9 47022659
[email protected]
30
Olli Ikkala
Professori
Teknillisen fysiikan laitos
Molekyylimateriaalit
PL 15100, 00076 Espoo
puh. +358 50 4100454,
(vaihde: +358 9 47001)
fax. +358 9 4702 3155
[email protected]
Peter Lund
Professori
Teknillisen fysiikan laitos
PL 14100, 00076 Aalto
puh. +358 9 470 23197
[email protected]
Vesa Penttala
Professori
Rakennusmateriaalitekniikka
PL 2100, 02015 Aalto
puh. +358 9 4513770,
+358 50 3218963
[email protected]
Hannu Hänninen
Professori
Koneenrakennuksen
materiaalitekniikan
laboratorio
PL 4200, 02015 TKK
puh. +358 9 47023530,
+358 50 5014089
fax. +358 9 470 23537
[email protected]
David Cameron
Professori,
materiaalitekniikka
Lappeenrannan
teknillinen yliopisto
PL 20. FIN-53851 LPR
puh. +358 40 835 2649
[email protected]
Reijo Lappalainen
Professori,
keskuksen johtaja
BioMater-keskus
Itä-Suomen yliopisto
PL 1627, 70211 Kuopio
puh. +358 40 3552564
[email protected]
Mikko Salomäki
Tohtori
Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin
laboratorio
Turun yliopisto
20014 TURKU
puh. +358 2 333 6711
fax. +358 02 333 6700
[email protected]
Jarl Rosenholm
Professori
Fysikaalinen kemia
Åbo Akademi
20500 Turku
puh. +358 2 2154254,
+358 405804876
[email protected]
Arto Maaninen
Tutkimusprofessori
VTT
Painettu älykkyys
PL 1100, 90571 OULU
puh. +358 20 7222348
fax +358 20 7222320
[email protected]
Tapio Mäntylä
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490042
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Timo Varpula
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat
laitteet
Micronova, 02150 Espoo
puh. +358 20 722 6418
[email protected]
Erkki Levänen
Tohtori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 3 31152360
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Petri Vuoristo
Professori
Materiaalioppi
Tampereen teknillinen
yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490044
fax. +358 3 31152330
[email protected]
Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaalioppi
Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio
Tampereen
teknillinen yliopisto
PL 527, 33101 Tampere
puh. +358 40 8490110
fax. +358 3 3115 2765
[email protected]
Juha Palve
Asiakasjohtaja
VTT
Elektroniikka
PL 1199, 70211 KUOPIO
puh. +358 20 7222084
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
Jouko Malinen
Teknologiapäällikkö
VTT
Optiset laitteet ja
mittausratkaisut
PL 1100, 90571 OULU
puh. +358 20 722 2247
[email protected]
Hannu Kattelus
Teknologiapäällikkö
VTT
Anturit ja langattomat
laitteet
Micronova, 02150 Espoo
puh. +358 20 722 6319
[email protected]
Erja Turunen
Teknologiapäällikkö
VTT
Uudet materiaalit
PL 1000, 02044 VTT
puh. +358 20 722 5425
[email protected]
Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille
31
Culminatum Innovation Oy Ltd
Innopoli, Tekniikantie 12, FI-02150 Espoo Finland
Tel. +358 20 761 9550, fax +358 20 761 9551
www.culminatum.fi
32 Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille