Transcript Adaptiiviset materiaalit

Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta
Luennot / syksy 2013
TkT Harri Eskelinen
LUENTO 8
Adaptiiviset materiaalit
2013
Osaamistavoite:

Luennon jälkeen opiskelija osaa:
– ryhmitellä adaptiiviset materiaalit niiden
ominaisuuksien perusteella
– vertailla adaptiivisten materiaalien
ominaisuuksia ja sovellusmahdollisuuksia
Sisältö















1 Terminologiaa
2 Johdanto
3 Piezosähköiset materiaalit
4 Elektro- ja magnetoreologiset materiaalit
5 Elektro- ja magnetostriktiiviset materiaalit
6 Lämpötilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit
7 Magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit
8 Kromogeeniset materiaalit
9 pH-muutoksiin reagoivat materiaalit
10 Aukseettiset materiaalit
11 Faasimuutosmateriaalit
12 Biologisesti aktiiviset materiaalit
13 ”Älykkäät” geelit
14 Funktionaaliset pinnoitteet
15 Nanoteknologiasta lyhyesti
1 Terminologiaa

Englanniksi useita eri termejä:







Smart materials
Intelligent Materials
Active Materials
Adaptive Materials
Functional Materials
”Material” vs. ”Surface” vs. ”Layer”
Suomeksi esiintyy myös useita versiota, osa
johdettuina ”puolittaisina” käännöksinä
edellisistä…
2 Johdanto



Mitä tarkoitetaan “älykkäällä” tuotteella?
Sen lisäksi, että tuote täyttää sille asetetut toiminto- ja
suorituskykyvaatimukset, “älykkään tuotteen” pitää pystyä:
– tekemään havaintoja omasta ympäristöstään
– tekemään “päätöksiä” erilaisten ärsykkeiden perusteella
– reagoimaan ja mukautumaan ympäristön muutoksiin
– kommunikoimaan käyttäjän ja ympäristön kanssa
– mukautumaan erilaisiin käyttöolosuhteisiin
Mitä tarvitaan “älykkään” tuoteen valmistamiseksi?
– Anturi-, mittaus- ja monitorointitekniikkaa
– Ohjaus- ja säätötekniikkaa
– Tiedonsiirtotekniikkaa
– Materiaalitekniikkaa, “älykkäitä” tai adaptiivisia materiaaleja
2.1 Mitä ovat ”älykkäät” materiaalit?



Materiaaleja, jotka reagoivat eri tavoin esimerkiksi
lämpötilan, valon, kosteuden, pH:n tai sähkö- ja
magneettikentän muutoksiin, kutsutaan “älykkäiksi”
materiaaleiksi. Niiden sovelluksia on monilla
tekniikan aloilla, lääketieteessä ja puolustus- sekä
avaruusteknologiassa.
Monet sovellukset ovat kuitenkin täysin
arkipäiväisiä ja niihin harvoin edes tulee
kiinnittäneeksi suurempaa huomiota.
“Älykkäiden” materiaalien voidaan väittää osaavan
“ajatella” tai “muistavan” edellisen olotilansa, mutta
termi “älykäs” lienee liioittelua... Adaptiivinen
materiaali on parempi


Adaptiivisilla materiaaleilla on yksi tai useampia
ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti”
muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi
niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset
johtavuudet.
“Tavanomaisten” materiaalien fysikaalisia
ominaisuuksia ei voida muunnella “dramaattisesti”,
vaan esimerkiksi öljyn viskositeetti muuttuu vain
rajallisesti lämpötilan funktiona, kun taas
adaptiivisen materiaalin olomuoto voi vaihtua
hetkessä nesteestä kiinteäksi tai päinvastoin.
Materiaali esim.
TiNi, TiPd
Muistimateriaalit
Lämpötilan muutos
Magnetostriktiiviset materiaalit Magneettikentän muutos TbFe, (TbDy)Fe,SmFe
PZT,Quartz
Piezosähköiset materiaalit
Sähkökentän muutos
Adaptiivisen materiaalin sovellus Heräte
2.2 Tieteiden välinen lähestymistapa
Pinnoitusteknologia
Komposiittirakenteet
Jauhemetallurgia ADAPTIIVISET
MATERIAALIT
Kemia
Materiaalitiede
Nanoteknologia
3 Piezosähköiset materiaalit

Piezosähköisillä materiaaleilla on kaksi
toisiinsa liittyvää ainutlaatuista
ominaisuutta:
– Kun materiaalia muovataan, se tuottaa
pienen, mutta mitattavissa olevan
sähkövirran.
– Vaihtoehtoisesti jos materiaalin läpi
johdetaan sähkövirta, sen koko kasvaa
(noin 4% tilavuuden muutos).
3.1 Piezosähköisten materiaalien
sovelluskohteita



Piezosähköisiä materiaaleja käytetään erityisesti
erityyppisissä antureissa mitattaessa mm. nesteiden
koostumuksia, nesteen tiheyttä, nesteen viskositeettia
tai iskumaisia voimia.
Eräs esimerkki on ajoneuvon turvatyynyn
laukaisuanturi. Anturi tunnistaa iskumaisen voiman
kolaritilanteessa ja tuottaa sähköisen signaalin, joka
johtaa turvatyynyn laukeamiseen.
Muita sovelluskohteita:
– Kvartsikellot
– Sähkörummut
– Mikrofonit, sähkökitarat

Function
– Additional measurement of
absolute pressure through
deformation of the door in a
side crash and additional
sensing of absolute pressure

Installation
– within the side door

Sensing principle
– Piezo-resistive, micromechanical pressure sensor
with highly-integrated
evaluation electronics
3.2 Piezosähköiset kiteet ja seokset




”Historiallisesta” näkökulmasta piezosähköinen
tunnetuin ”materiaali” on kvartsikide
Eräät arkipäiväiset ja tutut materiaalit kuten kumi,
villa, puukuitu ja silkki tuottavat rajoitetun
piezosähköisen reaktion
Polyvinyylifluoridin johdannaiset (-CH2-CF2-)n,
tuottavat piezosähköisen reaktion moninkertaisena
kvartsiin verrattuna
Piezosähköisiä konstruktiomateriaaleja ovat mm.
– Berliniitti (AlPO4)
– Gallium orthofosfaatti (GaPO4),
– Eräät keraamit (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3,
NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15).
3.3 Piezosäköisten materiaalien
ominaisuudet:

- dij: Tuotettu venymä [m/V]
– = syntynyt venymä (m/m) suhteessa
vaikuttavaan sähkökentään (V/m) tai tuotettu
virran tiheys suhteessa vaikuttavaan
jännitykseen.

- gij: Sähkökentän voimakuus [Vm/N]
– = syntyneen sähkökentän voimakkuus suhteessa
vaikuttavaan mekaaniseen jännitykseen (N/m²)
tai syntynyt venymä (m/m) suhteessa
vaikuttavaan virran tiheyteen (C/m²).

- kij: Energian muutos reaktiossa [-]
– = suhdeluku, joka kuvaa mekaanisen energian
muuttumista sähköiseksi tai päin vastoin.


Muut keskeiset parametrit ovat:
– Materiaalin kimmoisia ominaisuuksia
kuvaavat vakiot rakenteen eri suunnissa
– Suhteellinen dielektrisyysvakio,
permittiivisyys (kuvaa materiaalin
kapasitiivisyyttä)
Alaindeksit (i, j) kuvaavat em. parametrien
lukuarvojen suuruutta ulkoisen “ärsykkeen”
suunnassa ja sille vastakkaisessa
suunnassa.
3.4 Piezosähköisten keraamien
valmistusprosessi








1 Jauheen jauhatus ja sekoitus.
2 Jauheen kuumennus 75%:iin sintrauslämpötilasta, jotta jauheen eri
osien keskinäistä kemiallista reaktioita voidaan kiihdyttää
3 Osittain kristallisoitunut jauhe jauhetaan uudelleen, jotta sen
reaktiivisuutta voitaisiin kasvattaa.
4 Seuraavaksi materiaali kiteytetään sidosaineiden avulla, jotta
muovattavuutta voidaan parantaa. Kun jauheesta on puristettu haluttu
geometria, sidosaineet poistetaan rakenteesta korotetussa
lämpötilassa (n. 750 ° C).
5 Suoritetaan lopullinen sintraus lämpötilassa 1250° C - 1350° C.
6 Keraaminen aihio leikataan ja hioitaan haluttuun lopulliseen
muotoonsa ja toleransseihinsa.
7 Kiinnitetään elektrodit kappaleeseen tai vaihtoehtoisesti valmistetaan
jauheesta jähmeä seos, josta voidaan laminoida piezosähköisiä
kerroksia.
8 Polarisointi suoritetaan pitämällä komponenttia kuumennetussa
öljyssä voimakkaan sähkökentän vaikutuksen alaisena (useita kV/mm).
4 Elektro- ja magnetoreologiset
materiaalit


Elektro- (ER) ja magnetoreologiset (MR)
materiaalit ovat nesteitä (muistuttavat
“perustilassaan” moottoriöljyä) , joiden tiheys
muuttuu radikaalisti ja nopeasti (muutamassa
millisekunnissa) lähes kiinteäksi sähkökentän tai
magneettikentän vaikuttaessa.
Käänteinen reaktio takaisin nesteeksi tapahtuu
yhtä nopeasti kuin muutos nesteestä kiinteäksi,
kun sähkö- tai magneettikentän vaikutus
poistuu.



Yksinkertaisin periaatteellinen MR-liuos koostuu
öljyn sekoitetusta rautajauheesta ja vastaavasti
yksinkertainen ER-liuos syntyy esim. öljyn ja
maissitärkkelyksen seoksesta.
Sekä MR- että ER-liuoksia on kehitetty melun ja
värähtelyn vaimennukseen erilaisissa
mekanismeissa ja ajoneuvoissa. Liuoksista on
valmistettu käyttökohteen mukaan adaptiivisia
vaimentimia ja iskunvaimentimia.
Reologisia ominaisuuksia voidaan tuottaa
esimerkiksi pii-pohjaisiin polymeereihin säätelemällä
polymeraatioreaktiota ja käyttämällä hyväksi
piisidosten joustavuutta.

Called Audi Magnetic Ride this
innovative technology uses
magneto-rheological fluid-filled
dampers to provide continuously
variable real-time suspension
damping control.
5 Elektro- ja magnetostriktiiviset
materiaalit


Tällaiset materiaalit muuttavat kokoaan
sähkö- tai magneettikentän vaikutuksesta
tai vaihtoehtoisesti ne synnyttävät niitä
venytettäessä mitattavan jännitemuutoksen.
Tällaisia materiaaleja sovelletaan kohteissa,
joissa tarvitaan voiman mittausta tai säätöä;
esimerkiksi hydraulitekniikassa,
lääketieteessä, urheiluvalmennuksessa jne.



Magnetostriktiivisten materiaalien kehitys alkoi, kun
huomattiin että raudan pituus muuttuu suhteessa
vaikuttavaan magneettikenttään (nk. Joule-ilmiö).
Ilmiön perustana on magneettisten aineiden sisäisen
rakenteen suuntautuminen magneettikentän
vaikutuksesta. Samasta syystä materiaalin
sähkömagneettinen energia muuttuu, kun sitä
venytetään tai puristetaan.
Ero piezosähköisiin materiaaleihin:
Magnetostriktiivisia materiaaleja voidaan käyttää
korkeimmissa lämpötiloissa kuin piezosähköisiä tai
elektrostriktiivisia materiaaleja . Ne “toimivat” myös
suuremmilla venymätasoilla ja alhaisimmilla
jänniteherätteillä kuin piezosähköiset tai
elektrostriktiiviset materiaalit.

Smart skis incorporate vibration control
technology. When skiing at high speeds
and on tough terrain, skis tend to vibrate,
lessening the contact area between the ski
edge and the snow surface. This results in
reduced stability and control and
decreases the skier's speed. The
technology employed by smart skis
overcomes these limitations by utilizing a
clever design and the integration of
electrostrictive sensors and an actuator
control system. The electrostrictive
ceramics (or fibers) embedded in the ski
convert the unwanted vibrations into
electric energy, thus keeping the skis on
the snow.
5.1 Esimerkkejä magnetostriktiivisista
materiaaleista ja seoksista:





Koboltti
Rauta
Nikkeli
Ferriitti, Fe3O4
Raudan (Fe), Dysprosiumin (Dy) ja Terbiumin (Tb)
seokset:
–
–
–
–
–
–


DyFe2
TbFe2
Tb0.3Dy 0.7Fe1.9
Tb0.6Dy0.4
TbZn
TbDyZn
Permalloy (65%Fe, 45%Ni)
SmFe2 (Samarium + Rauta)
5.2 Magnetomekaaniset ilmiöt

Joule ilmiö (magnetostriktiivisyys)
 pituus kasvaa magneettikentän voimistuessa

Villari ilmiö (käänteinen Joule ilmiö)
 pituus pienenee magneettikentän voimistuessa







Barrett ilmiö (tilavuuden magnetostriktiivinen
muutos)  tilavuus kasvaa magneettikentän voimistuessa
Guillemin ilmiö
Wiedemann ilmiö
Matteucci ilmiö
Barnett ilmiö
Einstein - de Haas ilmiö
Barkhausen ilmiö
6 Lämpötilanmuutokseen perustuvat
muistimateriaalit




Nämä materiaalit (lyhenne SMA) ovat metalleja, jotka
“muistavat” alkuperäisen muotonsa. Näitä materiaaleja
käytetään kohteissa, joissa tarvitaan rakenneosalta eri
tilanteissa erilaista muotoa, jäykkyyttä, paikanmuutosta tai
ominaistaajuutta lämpötilasta (tai sähkökentän
voimakkuudeesta riippuen)
“Muisti”-ominaisuus perustuu näiden materiaalien
kiderakenteiden lämpötilariippuvuuteen.
Tärkein seosryhmä ovat Nikkeli-Titanium-seokset (NiTi –
seokset).
Muita seosryhmiä ovat kupari-alumiini-nikkeli- (CuAlNi),
kupari-sinkki-alumiini- (CuZnAl) ja joissakin tapauksisa myös
rauta-mangaani-pii-seokset (FeMnSi).



Muistimetallien ominaisuudet perustuvat
kiinteässä faasissa tapahtuvaan
kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk.
austeniitti- ja martensiittifaasien
muodostumisen kautta.
Ilmiö tapahtuu kullekin seokselle tyypillisessä
nk. transformaatio-lämpötilassa.
Jopa niinkin pieni lämpötilaero kuin 10°C
riittää aikaansaamaan faasimuutoksen eräillä
seoksilla.
6.1 Transformaatiolämpötilan merkitys


Transformaatiolämpötilan yläpuolella materiaalilla on
eri kiderakenne (esim. Cu-Al-Ni:llä on kuutiollinen
rakenne) kuin sen alapuolella (Cu-Al-Ni:llä on
orthorombinen rakenne).
Ko. lämpötilan alapuolella materiaali on helposti ja
“pysyvästi” muovattavaa. Kun materiaalia
kuumennetaan lämpötilan yläpuolelle, sillä on
kiderakenteen johdosta vain yksi mahdollinen muoto
– se “muistaa” alkuperäisen muotonsa.
6.2 Pseudo-elastisuus



Jos muistimateriaalia käytetään
transformaatiolämpötilan yläpuolella,
muistiominaisuus ei tule esille. Materiaalin sanotaan
käyttäytyvän pseudo-elastisesti.
Alempaa lämpötilaa vastaava rakenne voidaan nyt
saada aikaan tuottamalla kappaleeseen riittävän
suuri jännitys, josta seuraa suuri plastista (pysyvää)
muodonmuutosta muistuttava koon muutos.
Kuitenkin kun kuormittava jännitys poistetaan,
materiaali palautuu alkuperäiseen muotoonsa ilman
pysyvää muodonmuutosta. Jännitys-venymäkäyttäytyminen ei ole lineaarista vaan lähempänä
elastista (tästä termi pseudo-elastinen).
6.3 Muita muistimetallien
materiaaliominaisuuksia…




NiTi-seoksilla on erinomainen vaimennuskyky
transitiolämpötilan alapuolella, niillä on hyvä
korroosionkesto, ne eivät ole magneettisia ja
niillä on suuri väsymislujuus.
Alumiiniin ja teräkseen verrattuna NiTiseoksista tuotteen valmistaminen on kallista.
Muilla kuin NiTi-seoksilla on huono
väsymiskestävyys: teräsosa kestäisi 100kertaisen kuormanvaihtojen lukumäärän
väsyttävässä kuormituksessa.
Lämpötilariippuvaisia muistimetalleja
käytetään mm. termostaateissa ja venttiileissä
(esim. turvakytkin, jos veden lämpötila ylittää
tietyn lämpötilan jne.).
6.4 NiTi-seosten valmistusprosessit



NiTi-seoksia voidaan valmistaa mm.
tyhjiösulatuksella (esim. käyttäen
elektronisuihku-, kaasu- tai
induktiosulatusta)
Valuharkko voidaan puristusmuovata
kuumana tangoksi tai langaksi 700°C 900°C lämpötilassa.
Myös kylmämuovaus langaksi on
mahdollista (vrt. titaanilangan
valmistus).
6.5 NiTi-seosten liittäminen




Yleensä NiTi-komponentti pitää liittää jonkin
toisen metallisen aineen kanssa.
Hitsaus ei yleensä sovellu kovin hyvin NiTi-teräsliittämiseen, koska liitoskohtaan pyrkii syntymään
metallien eri yhdisteitä (oksideja, nitridejä yms.)
ja liitoskohdasta tulee hauras.
Titaanin herkästä reaktiivisuudesta johtuen,
hitsaus tulisi tehdä puhtaassa, inertissä
ympäristössä tai tyhjiössä.
Yleensä hitsauksen jälkeen tarvitaan jännityksenpoistohehkutus. Lämpövyöhykkeellä ei ole
muistimetallin ominaisuuksia.


Eräs mahdollinen liitosprosessi on
juottaminen. Se edellyttää oikeiden
juotteiden käyttöä. Myös
ultraäänijuottaminen on mahdollista.
Keskeistä, kuten hitsauksessakin, on
välttää oksidien (ja nitridien)
muodostuminen.
Monet liimat ovat osoittautuneet
erinomaisiksi liitosratkaisuiksi NiTiseoksille



Muotosulkeinen puristusliittäminen on mahdollista
NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen
muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava
huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri
liitosvaiheessa.
Sovitteiden käyttö on NiTi-seoksista tehdyille osille
mahdollista (voidaan hyödyntää
muistiominaisuuksia), mutta sovitteen mitoitus
vaatii enemmän suunnittelutyötä kuin “perinteisillä”
materiaaleilla.
Kaikki liitostavat, jotka edellyttäisivät koneistusta
(esim. kierteet), ovat hankalia, koska NiTi-seosten
lastuaminen on vaikeaa.
6.6 Muistipolymeerit



Muistipolymeerit “toimivat” periaatteessa
kuten muistimetallit.
Koska polymeerit ovat joustavia, niitä
voidaan käyttää erilaisissa tekstiileissä
(kulkuneuvojen verhoukset, vaatetus jne.)
Esimerkkinä polyuretaanikerroksista tehty
materiaali, jonka kerrosten välinen ilmatila
kasvaa (ja lisää lämpöeristystä), kun
ulkokerros jäähtyy (esim. ulkoilma jäähtyy)
tarpeeksi.
6.7 Muita lämpötilanmuutokseen
reagoivia materiaaleja

Muistimateriaalin ominaisuuksia on
myös seuraavilla seoksilla:
– Kulta-Kadmium,
– Hopea-Kadmium,
– Kupari-Tina,
– Kupari-Sinkki,
– Kupari-Sinkki-Alumiini.
7 Magneettisesti ohjattavat
muistimateriaalit



Magneettisesti ohjattavien muistimateriaalien
(lyhenne MSM) muoto ja koko muuttuu
merkittävästi magneettikentän vaikutuksesta
Avaintekijä ilmiön esiintymisessä on
martensiittinen hilarakenteeen muutos. Esim.
kuutiolliseen rakenteeseen alkaa muodostua
tetragonaalisia kiteitä.
Ero lämpötilamuutoksiin perustuviin SMAmateriaaleihin on siinä, että muutokset tapahtuvat
martensiittifaasissa, eikä lämpötilan kohottamista
transformaatiolämpötilan yläpuolelle tarvita.
Vaikuttava magneettikenttä saa aikaan rakenteen
muutoksen).
7.1 MSM-seokset



Muodonmuutoksen suuruusluokka voi
olla jopa n. 10%.
Ni-Mn-Ga- ovat tunnetuimpia MSMseoksia (esim. Ni2MnGa).
Nykyisin kehitetään korkealaatuisia
Ni-Mn-Ga-ohutkalvoja
mikromekaanisiin sovelluksiin.
PZTmaterial
MSM
Ni-Mn-Ga
Electric
Magnetic
Max. strain ξ (µm/mm), linear
0.3
100
Compressive strength (MPa)
60
700
100
70
2 MV/m
400
kA/m
Control Field
Max. operating temp. (°C)
Field strength for max. strain
8 Kromogeeniset materiaalit

Kromogeenisten materiaalien optiset
ominaisuudet muuttuvat eri ärsykkeiden
mukaan. Materiaalit ryhmitellään yleensä
seuraaviin pääluokkiin:
– Fotokromiset (valo)
– Termokromiset (lämpötila), esim Vanadium-Oksidi
– Elektrokromiset (virta), esim. Indium-TitaaniOksidi, Wolframi-Oksidi
– Solvatokromiset (liuoksen polaarisuus)
– Ionikromiset (ionit)
– Tribokromiset (mekaaninen kitka)
– Pietsokromiset (mekaaninen paine)
-Esimerkiksi ikkunan ominaisuuksien
muuttaminen (aktiivisesti/passiivisesti)
9 pH-muutoksiin reagoivat
materiaalit

Esimerkkinä konetekniikan sovellus,
jossa pH-reaktiivinen pintamaali
muuttaa väriään, jos sen alla oleva
materiaali joutuu korrosiivisen
kuormituksen kohteeksi
10 Aukseettiset materiaalit



Termi “aukseettinen” on johdettu kreikan kielestä
“auxeos”, so. “joka voi laajeta". Näille kiinteille
aineille on ominaista negatiivinen Poisson’n vakio eli
ne laajenevat kaikkiin suuntiin, vaikka niitä
venytettäisiin vain yhdessä suunnassa.
Todellisia aukseettisia ominaisuuksia jossakin
laajuudessa omaavia materiaaleja on vähän, mutta
monille keinotekoisesti valmistetuille vaahtomaisille
aineille tai polymeereille voidaan tuottaa ko.
ominaisuuksia.
Eräitä esimerkkejä ovat mm. eräät grafiitin muodot,
Ni3Al:n -kiteet ja PTFE:n kehittyneet muodot.
10.1 Aukseettisten materiaalien
mekaaniset omainaisuudet

Negatiivisen Poisson’n vakion lisäksi
käyttökohteita voidaan hakea
seuraavien etujen vuoksi:
– Kasvava poikittainen jäykkyys
kuormitettaessa
– Kasvava kuormankantokyky poikittaisessa
kuormitussuunnassa
– Kasvava kulumislujuus (pintakerroksen
“lujittuminen”) kuormitettaessa
10.2 Aukseettiset kuitukomposiitit


Aukseettisilla kuitulujitteisilla komposiiteilla
voidaan ehkäistä kuitulujitteisen komposiitin
tyypillisen vauriomuodon esiintymistä, jossa
kuitu repeää irti matriisista: Kuitujen
“turpoaminen” puristaa niitä matriisia
vasten, kun niitä yritetään vetää siitä irti.
Lisäksi kuitujen ja matriisin kimmoominaisuudet voidaan säätää paremmin
yhteensopiviksi aukseettisia kuituja
käyttämällä.

Properties of the foam can be specified by defining
three independent characteristics:
– 1. Pore Size
– 2. Relative Density
– 3. Base Material
11 Faasimuutosmateriaalit


Tavalliset materiaalit varastoivat itseensä
lämpöä säteilyn, lämmön johtumisen ja
lämmön virtauksen kautta. Ne myös
vapauttavat lämpöä samoilla mekanismeilla.
Jos lämpöä varastoituu materiaaliin
tarpeeksi, sen koskettaminen polttaa…
Esimerkiksi vesi järvessä, suuret kalliot ja
kiukaan kivet ovat tällaisia “tavallisia”
materiaaleja.



Faasimuutosmateriaalit (lyhenne PCM)
absorboivat suuren määrän lämpöä itseensä,
kun niiden “olomuoto” vaihtuu tulematta silti
sietämättömän kuumiksi.
PCM-materiaalit voidaan jaotella joko tyypillisiin
kiinteä-neste- tai kiinteä-kaasu- olomuotojen
muutoksiin perustuviin materiaaleihin, jolloin
olomuodon muutoksissa sitoutuva/vapautuva
energia on helppo ymmärtää.
Teknisesti mielenkiintoisin on sovellus, jossa
olomuodon muutos on “kiinteä-kiinteä”:
Materiaali enemmänkin pehmenee tai kovenee
muutoslämpötilassa.

PCM materiaaleille on tyypillistä, että lämmön
absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin
kapealla lämpötilavyöhykkeellä (esim. välillä 20°C30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –
kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.
12 Biologisesti aktiiviset materiaalit

Materiaalit voidaan jakaa kahteen
pääryhmään:
– 1 Kosmeettiset ja lääkeaineet
– 2 Materiaalit, joilla on ihmisen aisteja
jäljitteleviä ominaisuuksia
Ryhmä 1.

Biologisesti aktiiviset aineet ovat synteettisesti
valmistettuja: proteiineja, peptidejä, liposomeja,
entsyymejä, antioksidantteja, viruksia, DNA:ta tai
sen osia jne. Valmistuksessa voidaan modifioida
esimerkiksi hiilihydraatteja, aminohappoja tai tehdä
niistä synteettisiä kopioita.
Ryhmä 2.

Jäljitellään ihmisen tuntoaistia tai
hajuaistia
13 “Älykkäät” geelit

“Älykkäitä” geelejä voidaan ryhmitellä
eri tavoin:
– Polymeerigeelien sovellukset yleensä
– Sähköäjohtavat polymeerit
– Eristävät elastomeerit
– Ferrogeelit




Tärkeimmät polymeerigeelit ovat:
– - Polyvinyylialkoholi (PVA),
– - Polyakryylihappo(PAA) ja
– - Polyakryylinitriili(PAN).
Polymeerigeelien tilavuus voi kasvaa tai kutistua
jopa 1000-kertaisesti pienen pH-, lämpötila-, tai
sähkökentän voimakkuuden muutoksen takia.
Riippuen molekyylien koosta, reaktion nopeus
vaihtelee suuresti (muutamasta millisekunnista
päiviin… )
Polymeerigeeleistä valmistettu “keinolihas” voi
kantaa suunnilleen saman kuorman kuin ihmisen
vastaavankokoinen lihas.




Polymeerigeeleille voidaan tuottaa samanlaisia
ominaisuuksia kuin edellä esitetyille metallisille tai
muille jauheesta valmistetuille “älykkäille”
materiaaleille – esim. reologisia tai striktiivisiä
materiaaleja (vrt. esim. ferrogeelit).
Elektrostriktiivisiä polymeerejä tehdään esim
PMMA:n sovelluksista
Ferrogeeli syntyy esimerkiksi PVA:n ja Fe3O4
seoksesta
Sähköäjohtavia polymeerejä ovat esimerkiksi:
– polyaniliini (PAni)
– polypyrolli (PPY) ja
– polyfenolivinyyli (PPV)
14 Funktionaaliset pinnoitteet

Teollisia sovelluksia on kymmenittäin:
– Herkkien pintojen suojapinnoitteet (esim. naarmuuntumista
ja kulumista vastaan, esim. CrN, TiAlN, TiC)
– Kemiallisen kestokyvyn parantaminen (esim.
korroosiosuojaus)
– Suojakerrokset esim. kaasuja, liuottimia, happoja, emäksiä,
ioneja yms. vastaan
– Koristepinnoitteet
– Heijastamattomat pinnat
– Anti-adhessiiviset pinnoitteet, Tribologiset pinnoitteet
(esim. MoS2 PbO, MoO3, TiO2)
– Antistaattiset pinnoitteet
– Sensoreina toimivat pinnoitteet (esim. kaasut, myrkyt jne.)
– Optiset pinnoitteet
15 Nanoteknologia ja älykkäät
materiaalit

Pyritään yhdistämään älykkäiden materiaalien ja
pinnoitteiden ominaisuudet nanoteknologian
tarjoamaan pieneen kokoon:
– Nanokomposiitit (esimerkiksi tyypillisesti
jauhemetallurgisen materiaalin hauraudesta
päästään eroon)
– Nanokerrosfoliot (esimerkiksi kovuus saadaan
kasvamaan moninkertaiseksi, esimerkkejä
kerrosrakenteista TiAlN/CrN, TiN/TiAl ja
NbN/CrN)
– Nanoteknologian sovelluksista on oma
luentokertansa ensi viikolla…