docSelvitys tulevaisuuden materiaaleista ja
download 
Report 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 simo-pekka.hannula@tkk.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Jyrki Vuorinen Professori Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490110 fax. +358 3 3115 2765 jyrki.vuorinen@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 tapio.mantyla@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 simo-pekka.hannula@tkk.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Petri Vuoristo Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490044 fax. +358 3 31152330 petri.vuoristo@tut.fi Jyrki Vuorinen Professori Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490110 fax. +358 3 3115 2765 jyrki.vuorinen@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 simo-pekka.hannula@tkk.fi Petri Vuoristo Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490044 fax. +358 3 31152330 petri.vuoristo@tut.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 erja.turunen@vtt.fi 10 Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi 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 simo-pekka.hannula@tkk.fi Jari Koskinen Professori Materiaalitekniikan laitos PL 16200 00076 Aalto puh. +358 9 47022678, +358 50 5956677 fax. +358 9 47022659 jari.koskinen@tkk.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi Jyrki Vuorinen Professori Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490110 fax. +358 3 3115 2765 jyrki.vuorinen@tut.fi Petri Vuoristo Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490044 fax. +358 3 31152330 petri.vuoristo@tut.fi 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 tapio.mantyla@tut.fi 12 Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 petri.vuoristo@tut.fi 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 tapio.mantyla@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 jyrki.vuorinen@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 jari.koskinen@tkk.fi 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 jari.koskinen@tkk.fi 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 arto.maaninen@vtt.fi Jouko Malinen Teknologiapäällikkö VTT Optiset laitteet ja mittausratkaisut PL 1100 90571 OULU puh. +358 20 722 2247 jouko.malinen@vtt.fi Timo Varpula Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova 02150 Espoo puh. +358 20 722 6418 timo.varpula@vtt.fi Hannu Kattelus Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova 02150 Espoo puh. +358 20 722 6319 hannu.kattelus@vtt.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 arto.maaninen@vtt.fi Jouko Malinen Teknologiapäällikkö VTT Optiset laitteet ja mittausratkaisut PL 1100 90571 OULU puh. +358 20 722 2247 jouko.malinen@vtt.fi Timo Varpula Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova 02150 Espoo puh. +358 20 722 6418 timo.varpula@vtt.fi Hannu Kattelus Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova 02150 Espoo puh. +358 20 722 6319 hannu.kattelus@vtt.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 erja.turunen@vtt.fi 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 erja.turunen@vtt.fi 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 olli.ikkala@tkk.fi 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 peter.lund@tkk.fi 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 jarl.rosenholm@abo.fi 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 simo-pekka.hannula@tkk.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Jyrki Vuorinen Professori Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto PL 527 33101 Tampere puh. +358 40 8490110 fax. +358 3 3115 2765 jyrki.vuorinen@tut.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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 erja.turunen@vtt.fi 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 janne.laine@tkk.fi Heikki Tenhu Professori Polymeerikemian laboratorio PL 55 00014 Helsingin yliopisto puh. +358 9 19150334, +358 40 5219690 fax. +358 9 19150330 heikki.tenhu@helsinki.fi Kyösti Kontturi Professori Fysikaalisen kemian ja sähkökemian laboratorio puh. +358 (0)9 451 2570, +358 50 505 2575 PL 6100, 02015 Aalto kontturi@cc.hut.fi 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 outi.soderberg@tkk.fi Mikhail Gasik Professori Materiaalitekniikan laitos Materiaalien valmistustekniikka ja jauhemetallurgia PL 16200, 00076 Aalto puh. +358 9 47022769, +358 50 5609511 fax. +358 9 47022659 mgasik@cc.hut.fi Jari Koskinen Professori Materiaalitekniikan laitos PL 16200, 00076 Aalto puh. +358 9 47022678, +358 50 5956677 fax. +358 9 47022659 jari.koskinen@tkk.fi 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 olli.ikkala@tkk.fi Peter Lund Professori Teknillisen fysiikan laitos PL 14100, 00076 Aalto puh. +358 9 470 23197 peter.lund@tkk.fi Vesa Penttala Professori Rakennusmateriaalitekniikka PL 2100, 02015 Aalto puh. +358 9 4513770, +358 50 3218963 vesa.penttala@tkk.fi Hannu Hänninen Professori Koneenrakennuksen materiaalitekniikan laboratorio PL 4200, 02015 TKK puh. +358 9 47023530, +358 50 5014089 fax. +358 9 470 23537 hannu.hanninen@hut.fi David Cameron Professori, materiaalitekniikka Lappeenrannan teknillinen yliopisto PL 20. FIN-53851 LPR puh. +358 40 835 2649 david.cameron@lut.fi Reijo Lappalainen Professori, keskuksen johtaja BioMater-keskus Itä-Suomen yliopisto PL 1627, 70211 Kuopio puh. +358 40 3552564 reijo.lappalainen@uef.fi Mikko Salomäki Tohtori Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio Turun yliopisto 20014 TURKU puh. +358 2 333 6711 fax. +358 02 333 6700 mikko.salomaki@utu.fi Jarl Rosenholm Professori Fysikaalinen kemia Åbo Akademi 20500 Turku puh. +358 2 2154254, +358 405804876 jarl.rosenholm@abo.fi Arto Maaninen Tutkimusprofessori VTT Painettu älykkyys PL 1100, 90571 OULU puh. +358 20 7222348 fax +358 20 7222320 arto.maaninen@vtt.fi Tapio Mäntylä Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490042 fax. +358 3 31152330 tapio.mantyla@tut.fi Timo Varpula Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova, 02150 Espoo puh. +358 20 722 6418 timo.varpula@vtt.fi Erkki Levänen Tohtori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 3 31152360 fax. +358 3 31152330 erkki.levanen@tut.fi Petri Vuoristo Professori Materiaalioppi Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490044 fax. +358 3 31152330 petri.vuoristo@tut.fi Jyrki Vuorinen Professori Materiaalioppi Muovi- ja elastomeeritekniikan laboratorio Tampereen teknillinen yliopisto PL 527, 33101 Tampere puh. +358 40 8490110 fax. +358 3 3115 2765 jyrki.vuorinen@tut.fi Juha Palve Asiakasjohtaja VTT Elektroniikka PL 1199, 70211 KUOPIO puh. +358 20 7222084 Juha.palve@vtt.fi Selvitys tulevaisuuden materiaaleista ja teknologioista koneenrakentajille Jouko Malinen Teknologiapäällikkö VTT Optiset laitteet ja mittausratkaisut PL 1100, 90571 OULU puh. +358 20 722 2247 jouko.malinen@vtt.fi Hannu Kattelus Teknologiapäällikkö VTT Anturit ja langattomat laitteet Micronova, 02150 Espoo puh. +358 20 722 6319 hannu.kattelus@vtt.fi Erja Turunen Teknologiapäällikkö VTT Uudet materiaalit PL 1000, 02044 VTT puh. +358 20 722 5425 erja.turunen@vtt.fi 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
