Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 64

Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen PowerPoint PPT Presentation


  • 113 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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

Download Presentation

Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

KonstruktiomateriaalitjaniidenvalintaLuennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen

LUENTO 8

Adaptiivisetmateriaalit

2013


Osaamistavoite

Osaamistavoite:

  • Luennon jlkeen opiskelija osaa:

    • ryhmitell adaptiiviset materiaalit niiden ominaisuuksien perusteella

    • vertailla adaptiivisten materiaalien ominaisuuksia ja sovellus-mahdollisuuksia


Sis lt

Sislt

  • 1 Terminologiaa

  • 2 Johdanto

  • 3 Piezoshkiset materiaalit

  • 4 Elektro- ja magnetoreologiset materiaalit

  • 5 Elektro- ja magnetostriktiiviset materiaalit

  • 6 Lmptilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit

  • 7 Magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit

  • 8 Kromogeeniset materiaalit

  • 9 pH-muutoksiin reagoivat materiaalit

  • 10 Aukseettiset materiaalit

  • 11 Faasimuutosmateriaalit

  • 12 Biologisesti aktiiviset materiaalit

  • 13 lykkt geelit

  • 14 Funktionaaliset pinnoitteet

  • 15 Nanoteknologiasta lyhyesti


1 terminologiaa

1 Terminologiaa

  • Englanniksi useita eri termej:

    • Smart materials

    • Intelligent Materials

    • Active Materials

    • Adaptive Materials

    • Functional Materials

    • Material vs. Surface vs. Layer

  • Suomeksi esiintyy mys useita versiota, osa johdettuina puolittaisina knnksin edellisist


  • 2 johdanto

    2 Johdanto

    • Mit tarkoitetaan lykkll tuotteella?

    • Sen lisksi, ett tuote tytt sille asetetut toiminto- ja suorituskykyvaatimukset, lykkn tuotteen pit pysty:

      • tekemn havaintoja omasta ympriststn

      • tekemn ptksi erilaisten rsykkeiden perusteella

      • reagoimaan ja mukautumaan ympristn muutoksiin

      • kommunikoimaan kyttjn ja ympristn kanssa

      • mukautumaan erilaisiin kyttolosuhteisiin

    • Mit tarvitaan lykkn tuoteen valmistamiseksi?

      • Anturi-, mittaus- ja monitorointitekniikkaa

      • Ohjaus- ja sttekniikkaa

      • Tiedonsiirtotekniikkaa

      • Materiaalitekniikkaa, lykkit tai adaptiivisia materiaaleja


    2 1 mit ovat lykk t materiaalit

    2.1 Mit ovat lykkt materiaalit?

    • Materiaaleja, jotka reagoivat eri tavoin esimerkiksi lmptilan, valon, kosteuden, pH:n tai shk- ja magneettikentn muutoksiin, kutsutaan lykkiksi materiaaleiksi. Niiden sovelluksia on monilla tekniikan aloilla, lketieteess ja puolustus- sek avaruusteknologiassa.

    • Monet sovellukset ovat kuitenkin tysin arkipivisi ja niihin harvoin edes tulee kiinnittneeksi suurempaa huomiota.

    • lykkiden materiaalien voidaan vitt osaavan ajatella tai muistavan edellisen olotilansa, mutta termi lyks lienee liioittelua... Adaptiivinen materiaali on parempi


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Adaptiivisilla materiaaleilla on yksi tai useampia ominaisuuksia, joita voidaan dramaattisesti muunnella. Tllaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • Tavanomaisten materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia ei voida muunnella dramaattisesti, vaan esimerkiksi ljyn viskositeetti muuttuu vain rajallisesti lmptilan funktiona, kun taas adaptiivisen materiaalin olomuoto voi vaihtua hetkess nesteest kiinteksi tai pinvastoin.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    Materiaali esim.

    TiNi, TiPd

    TbFe, (TbDy)Fe,SmFe

    PZT,Quartz

    Herte

    Lmptilan muutos

    Magneettikentn muutos

    Shkkentn muutos

    Adaptiivisen materiaalin sovellus

    Muistimateriaalit

    Magnetostriktiiviset materiaalit

    Piezoshkiset materiaalit


    2 2 tieteiden v linen l hestymistapa

    2.2 Tieteiden vlinen lhestymistapa

    Pinnoitus-

    teknologia

    Komposiitti-

    rakenteet

    Jauhe-

    metallurgia

    ADAPTIIVISET

    MATERIAALIT

    Nano-

    teknologia

    Kemia

    Materiaali-

    tiede


    3 piezos hk iset materiaalit

    3 Piezoshkiset materiaalit

    • Piezoshkisill materiaaleilla on kaksi toisiinsa liittyv ainutlaatuista ominaisuutta:

      • Kun materiaalia muovataan, se tuottaa pienen, mutta mitattavissa olevan shkvirran.

      • Vaihtoehtoisesti jos materiaalin lpi johdetaan shkvirta, sen koko kasvaa (noin 4% tilavuuden muutos).


    3 1 piezos hk isten materiaalien sovelluskohteita

    3.1 Piezoshkisten materiaalien sovelluskohteita

    • Piezoshkisi materiaaleja kytetn erityisesti erityyppisiss antureissa mitattaessa mm. nesteiden koostumuksia, nesteen tiheytt, nesteen viskositeettia tai iskumaisia voimia.

    • Ers esimerkki on ajoneuvon turvatyynyn laukaisuanturi. Anturi tunnistaa iskumaisen voiman kolaritilanteessa ja tuottaa shkisen signaalin, joka johtaa turvatyynyn laukeamiseen.

    • Muita sovelluskohteita:

      • Kvartsikellot

      • Shkrummut

      • Mikrofonit, shkkitarat


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • 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, micro-mechanical pressure sensor with highly-integrated evaluation electronics


    3 2 piezos hk iset kiteet ja seokset

    3.2 Piezoshkiset kiteet ja seokset

    • Historiallisesta nkkulmasta piezoshkinen tunnetuin materiaali on kvartsikide

    • Ert arkipiviset ja tutut materiaalit kuten kumi, villa, puukuitu ja silkki tuottavat rajoitetun piezoshkisen reaktion

    • Polyvinyylifluoridin johdannaiset (-CH2-CF2-)n, tuottavat piezoshkisen reaktion moninkertaisena kvartsiin verrattuna

    • Piezoshkisi konstruktiomateriaaleja ovat mm.

      • Berliniitti (AlPO4)

      • Gallium orthofosfaatti (GaPO4),

      • Ert keraamit (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15).


    3 3 piezos k isten materiaalien ominaisuudet

    3.3 Piezoskisten materiaalien ominaisuudet:

    • - dij: Tuotettu venym [m/V]

      • = syntynyt venym (m/m) suhteessa vaikuttavaan shkkentn (V/m) tai tuotettu virran tiheys suhteessa vaikuttavaan jnnitykseen.

    • - gij: Shkkentn voimakuus [Vm/N]

      • = syntyneen shkkentn voimakkuus suhteessa vaikuttavaan mekaaniseen jnnitykseen (N/m) tai syntynyt venym (m/m) suhteessa vaikuttavaan virran tiheyteen (C/m).

    • - kij: Energian muutos reaktiossa [-]

      • = suhdeluku, joka kuvaa mekaanisen energian muuttumista shkiseksi tai pin vastoin.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Muut keskeiset parametrit ovat:

      • Materiaalin kimmoisia ominaisuuksia kuvaavat vakiot rakenteen eri suunnissa

      • Suhteellinen dielektrisyysvakio, permittiivisyys (kuvaa materiaalin kapasitiivisyytt)

    • Alaindeksit (i, j) kuvaavat em. parametrien lukuarvojen suuruutta ulkoisen rsykkeen suunnassa ja sille vastakkaisessa suunnassa.


    3 4 piezos hk isten keraamien valmistusprosessi

    3.4 Piezoshkisten keraamien valmistusprosessi

    • 1 Jauheen jauhatus ja sekoitus.

    • 2 Jauheen kuumennus 75%:iin sintrauslmptilasta, jotta jauheen eri osien keskinist kemiallista reaktioita voidaan kiihdytt

    • 3 Osittain kristallisoitunut jauhe jauhetaan uudelleen, jotta sen reaktiivisuutta voitaisiin kasvattaa.

    • 4 Seuraavaksi materiaali kiteytetn sidosaineiden avulla, jotta muovattavuutta voidaan parantaa. Kun jauheesta on puristettu haluttu geometria, sidosaineet poistetaan rakenteesta korotetussa lmptilassa (n. 750 C).

    • 5 Suoritetaan lopullinen sintraus lmptilassa 1250 C - 1350 C.

    • 6 Keraaminen aihio leikataan ja hioitaan haluttuun lopulliseen muotoonsa ja toleransseihinsa.

    • 7 Kiinnitetn elektrodit kappaleeseen tai vaihtoehtoisesti valmistetaan jauheesta jhme seos, josta voidaan laminoida piezoshkisi kerroksia.

    • 8 Polarisointi suoritetaan pitmll komponenttia kuumennetussa ljyss voimakkaan shkkentn vaikutuksen alaisena (useita kV/mm).


    4 elektro ja magnetoreologiset materiaalit

    4 Elektro- ja magnetoreologiset materiaalit

    • Elektro- (ER) ja magnetoreologiset (MR) materiaalit ovat nesteit (muistuttavat perustilassaan moottoriljy) , joiden tiheys muuttuu radikaalisti ja nopeasti (muutamassa millisekunnissa) lhes kiinteksi shkkentn tai magneettikentn vaikuttaessa.

    • Knteinen reaktio takaisin nesteeksi tapahtuu yht nopeasti kuin muutos nesteest kiinteksi, kun shk- tai magneettikentn vaikutus poistuu.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Yksinkertaisin periaatteellinen MR-liuos koostuu ljyn sekoitetusta rautajauheesta ja vastaavasti yksinkertainen ER-liuos syntyy esim. ljyn ja maissitrkkelyksen seoksesta.

    • Sek MR- ett ER-liuoksia on kehitetty melun ja vrhtelyn vaimennukseen erilaisissa mekanismeissa ja ajoneuvoissa. Liuoksista on valmistettu kyttkohteen mukaan adaptiivisia vaimentimia ja iskunvaimentimia.

    • Reologisia ominaisuuksia voidaan tuottaa esimerkiksi pii-pohjaisiin polymeereihin stelemll polymeraatioreaktiota ja kyttmll hyvksi piisidosten joustavuutta.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • 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

    5 Elektro- ja magnetostriktiiviset materiaalit

    • Tllaiset materiaalit muuttavat kokoaan shk- tai magneettikentn vaikutuksesta tai vaihtoehtoisesti ne synnyttvt niit venytettess mitattavan jnnitemuutoksen.

    • Tllaisia materiaaleja sovelletaan kohteissa, joissa tarvitaan voiman mittausta tai st; esimerkiksi hydraulitekniikassa, lketieteess, urheiluvalmennuksessa jne.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Magnetostriktiivisten materiaalien kehitys alkoi, kun huomattiin ett raudan pituus muuttuu suhteessa vaikuttavaan magneettikenttn (nk. Joule-ilmi).

    • Ilmin perustana on magneettisten aineiden sisisen rakenteen suuntautuminen magneettikentn vaikutuksesta. Samasta syyst materiaalin shkmagneettinen energia muuttuu, kun sit venytetn tai puristetaan.

    • Ero piezoshkisiin materiaaleihin: Magnetostriktiivisia materiaaleja voidaan kytt korkeimmissa lmptiloissa kuin piezoshkisi tai elektrostriktiivisia materiaaleja . Ne toimivat mys suuremmilla venymtasoilla ja alhaisimmilla jnnitehertteill kuin piezoshkiset tai elektrostriktiiviset materiaalit.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • 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 esimerkkej magnetostriktiivisista materiaaleista ja seoksista

    5.1 Esimerkkej 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 ilmi t

    5.2 Magnetomekaaniset ilmit

    • Joule ilmi (magnetostriktiivisyys) pituus kasvaa magneettikentn voimistuessa

    • Villari ilmi (knteinen Joule ilmi) pituus pienenee magneettikentn voimistuessa

    • Barrett ilmi (tilavuuden magnetostriktiivinen muutos) tilavuus kasvaa magneettikentn voimistuessa

    • Guillemin ilmi

    • Wiedemann ilmi

    • Matteucci ilmi

    • Barnett ilmi

    • Einstein - de Haas ilmi

    • Barkhausen ilmi


    6 l mp tilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit

    6 Lmptilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit

    • Nm materiaalit (lyhenne SMA) ovat metalleja, jotka muistavat alkuperisen muotonsa. Nit materiaaleja kytetn kohteissa, joissa tarvitaan rakenneosalta eri tilanteissa erilaista muotoa, jykkyytt, paikanmuutosta tai ominaistaajuutta lmptilasta (tai shkkentn voimakkuudeesta riippuen)

    • Muisti-ominaisuus perustuu niden materiaalien kiderakenteiden lmptilariippuvuuteen.

    • Trkein seosryhm ovat Nikkeli-Titanium-seokset (NiTi seokset).

    • Muita seosryhmi ovat kupari-alumiini-nikkeli- (CuAlNi), kupari-sinkki-alumiini- (CuZnAl) ja joissakin tapauksisa mys rauta-mangaani-pii-seokset (FeMnSi).


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Muistimetallien ominaisuudet perustuvat kiintess faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjrjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • Ilmi tapahtuu kullekin seokselle tyypillisess nk. transformaatio-lmptilassa.

    • Jopa niinkin pieni lmptilaero kuin 10C riitt aikaansaamaan faasimuutoksen erill seoksilla.


    6 1 transformaatiol mp tilan merkitys

    6.1 Transformaatiolmptilan merkitys

    • Transformaatiolmptilan ylpuolella materiaalilla on eri kiderakenne (esim. Cu-Al-Ni:ll on kuutiollinen rakenne) kuin sen alapuolella (Cu-Al-Ni:ll on orthorombinen rakenne).

    • Ko. lmptilan alapuolella materiaali on helposti ja pysyvsti muovattavaa. Kun materiaalia kuumennetaan lmptilan ylpuolelle, sill on kiderakenteen johdosta vain yksi mahdollinen muoto se muistaa alkuperisen muotonsa.


    6 2 pseudo elastisuus

    6.2 Pseudo-elastisuus

    • Jos muistimateriaalia kytetn transformaatiolmptilan ylpuolella, muistiominaisuus ei tule esille. Materiaalin sanotaan kyttytyvn pseudo-elastisesti.

    • Alempaa lmptilaa vastaava rakenne voidaan nyt saada aikaan tuottamalla kappaleeseen riittvn suuri jnnitys, josta seuraa suuri plastista (pysyv) muodonmuutosta muistuttava koon muutos.

    • Kuitenkin kun kuormittava jnnitys poistetaan, materiaali palautuu alkuperiseen muotoonsa ilman pysyv muodonmuutosta. Jnnitys-venym-kyttytyminen ei ole lineaarista vaan lhempn elastista (tst termi pseudo-elastinen).


    6 3 muita muistimetallien materiaaliominaisuuksia

    6.3 Muita muistimetallien materiaaliominaisuuksia

    • NiTi-seoksilla on erinomainen vaimennuskyky transitiolmptilan alapuolella, niill on hyv korroosionkesto, ne eivt ole magneettisia ja niill on suuri vsymislujuus.

    • Alumiiniin ja terkseen verrattuna NiTi-seoksista tuotteen valmistaminen on kallista.

    • Muilla kuin NiTi-seoksilla on huono vsymiskestvyys: tersosa kestisi 100-kertaisen kuormanvaihtojen lukumrn vsyttvss kuormituksessa.

    • Lmptilariippuvaisia muistimetalleja kytetn mm. termostaateissa ja venttiileiss (esim. turvakytkin, jos veden lmptila ylitt tietyn lmptilan jne.).


    6 4 niti seosten valmistusprosessit

    6.4 NiTi-seosten valmistusprosessit

    • NiTi-seoksia voidaan valmistaa mm. tyhjisulatuksella (esim. kytten elektronisuihku-, kaasu- tai induktiosulatusta)

    • Valuharkko voidaan puristusmuovata kuumana tangoksi tai langaksi 700C - 900C lmptilassa.

    • Mys kylmmuovaus langaksi on mahdollista (vrt. titaanilangan valmistus).


    6 5 niti seosten liitt minen

    6.5 NiTi-seosten liittminen

    • Yleens NiTi-komponentti pit liitt jonkin toisen metallisen aineen kanssa.

    • Hitsaus ei yleens sovellu kovin hyvin NiTi-ters-liittmiseen, koska liitoskohtaan pyrkii syntymn metallien eri yhdisteit (oksideja, nitridej yms.) ja liitoskohdasta tulee hauras.

    • Titaanin herkst reaktiivisuudesta johtuen, hitsaus tulisi tehd puhtaassa, inertiss ympristss tai tyhjiss.

    • Yleens hitsauksen jlkeen tarvitaan jnnityksen-poistohehkutus. Lmpvyhykkeell ei ole muistimetallin ominaisuuksia.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Ers mahdollinen liitosprosessi on juottaminen. Se edellytt oikeiden juotteiden kytt. Mys ultranijuottaminen on mahdollista. Keskeist, kuten hitsauksessakin, on vltt oksidien (ja nitridien) muodostuminen.

    • Monet liimat ovat osoittautuneet erinomaisiksi liitosratkaisuiksi NiTi-seoksille


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Muotosulkeinen puristusliittminen on mahdollista NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • Sovitteiden kytt on NiTi-seoksista tehdyille osille mahdollista (voidaan hydynt muistiominaisuuksia), mutta sovitteen mitoitus vaatii enemmn suunnittelutyt kuin perinteisill materiaaleilla.

    • Kaikki liitostavat, jotka edellyttisivt koneistusta (esim. kierteet), ovat hankalia, koska NiTi-seosten lastuaminen on vaikeaa.


    6 6 muistipolymeerit

    6.6 Muistipolymeerit

    • Muistipolymeerit toimivat periaatteessa kuten muistimetallit.

    • Koska polymeerit ovat joustavia, niit voidaan kytt erilaisissa tekstiileiss (kulkuneuvojen verhoukset, vaatetus jne.)

    • Esimerkkin polyuretaanikerroksista tehty materiaali, jonka kerrosten vlinen ilmatila kasvaa (ja lis lmperistyst), kun ulkokerros jhtyy (esim. ulkoilma jhtyy) tarpeeksi.


    6 7 muita l mp tilanmuutokseen reagoivia materiaaleja

    6.7 Muita lmptilanmuutokseen reagoivia materiaaleja

    • Muistimateriaalin ominaisuuksia on mys seuraavilla seoksilla:

      • Kulta-Kadmium,

      • Hopea-Kadmium,

      • Kupari-Tina,

      • Kupari-Sinkki,

      • Kupari-Sinkki-Alumiini.


    7 magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit

    7 Magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit

    • Magneettisesti ohjattavien muistimateriaalien (lyhenne MSM) muoto ja koko muuttuu merkittvsti magneettikentn vaikutuksesta

    • Avaintekij ilmin esiintymisess on martensiittinen hilarakenteeen muutos. Esim. kuutiolliseen rakenteeseen alkaa muodostua tetragonaalisia kiteit.

    • Ero lmptilamuutoksiin perustuviin SMA-materiaaleihin on siin, ett muutokset tapahtuvat martensiittifaasissa, eik lmptilan kohottamista transformaatiolmptilan ylpuolelle tarvita. Vaikuttava magneettikentt saa aikaan rakenteen muutoksen).


    7 1 msm seokset

    7.1 MSM-seokset

    • Muodonmuutoksen suuruusluokka voi olla jopa n. 10%.

    • Ni-Mn-Ga- ovat tunnetuimpia MSM-seoksia (esim. Ni2MnGa).

    • Nykyisin kehitetn korkealaatuisia Ni-Mn-Ga-ohutkalvoja mikromekaanisiin sovelluksiin.


    8 kromogeeniset materiaalit

    8 Kromogeeniset materiaalit

    • Kromogeenisten materiaalien optiset ominaisuudet muuttuvat eri rsykkeiden mukaan. Materiaalit ryhmitelln yleens seuraaviin pluokkiin:

      • Fotokromiset (valo)

      • Termokromiset (lmptila), esim Vanadium-Oksidi

      • Elektrokromiset (virta), esim. Indium-Titaani-Oksidi, Wolframi-Oksidi

      • Solvatokromiset (liuoksen polaarisuus)

      • Ionikromiset (ionit)

      • Tribokromiset (mekaaninen kitka)

      • Pietsokromiset (mekaaninen paine)


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Esimerkiksi ikkunan ominaisuuksien

    • muuttaminen (aktiivisesti/passiivisesti)


    9 ph muutoksiin reagoivat materiaalit

    9 pH-muutoksiin reagoivat materiaalit

    • Esimerkkin konetekniikan sovellus, jossa pH-reaktiivinen pintamaali muuttaa vrin, jos sen alla oleva materiaali joutuu korrosiivisen kuormituksen kohteeksi


    10 aukseettiset materiaalit

    10 Aukseettiset materiaalit

    • Termi aukseettinen on johdettu kreikan kielest auxeos, so. joka voi laajeta". Nille kiinteille aineille on ominaista negatiivinen Poissonn vakio eli ne laajenevat kaikkiin suuntiin, vaikka niit venytettisiin vain yhdess suunnassa.

    • Todellisia aukseettisia ominaisuuksia jossakin laajuudessa omaavia materiaaleja on vhn, mutta monille keinotekoisesti valmistetuille vaahtomaisille aineille tai polymeereille voidaan tuottaa ko. ominaisuuksia.

    • Erit esimerkkej ovat mm. ert grafiitin muodot, Ni3Al:n -kiteet ja PTFE:n kehittyneet muodot.


    10 1 aukseettisten materiaalien mekaaniset omainaisuudet

    10.1 Aukseettisten materiaalien mekaaniset omainaisuudet

    • Negatiivisen Poissonn vakion lisksi kyttkohteita voidaan hakea seuraavien etujen vuoksi:

      • Kasvava poikittainen jykkyys kuormitettaessa

      • Kasvava kuormankantokyky poikittaisessa kuormitussuunnassa

      • Kasvava kulumislujuus (pintakerroksen lujittuminen) kuormitettaessa


    10 2 aukseettiset kuitukomposiitit

    10.2 Aukseettiset kuitukomposiitit

    • Aukseettisilla kuitulujitteisilla komposiiteilla voidaan ehkist kuitulujitteisen komposiitin tyypillisen vauriomuodon esiintymist, jossa kuitu repe irti matriisista: Kuitujen turpoaminen puristaa niit matriisia vasten, kun niit yritetn vet siit irti.

    • Lisksi kuitujen ja matriisin kimmo-ominaisuudet voidaan st paremmin yhteensopiviksi aukseettisia kuituja kyttmll.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Properties of the foam can be specified by defining three independent characteristics:

      • 1. Pore Size

      • 2. Relative Density

      • 3. Base Material


    11 faasimuutosmateriaalit

    11 Faasimuutosmateriaalit

    • Tavalliset materiaalit varastoivat itseens lmp steilyn, lmmn johtumisen ja lmmn virtauksen kautta. Ne mys vapauttavat lmp samoilla mekanismeilla. Jos lmp varastoituu materiaaliin tarpeeksi, sen koskettaminen polttaa

    • Esimerkiksi vesi jrvess, suuret kalliot ja kiukaan kivet ovat tllaisia tavallisia materiaaleja.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Faasimuutosmateriaalit (lyhenne PCM) absorboivat suuren mrn lmp itseens, kun niiden olomuoto vaihtuu tulematta silti sietmttmn kuumiksi.

    • PCM-materiaalit voidaan jaotella joko tyypillisiin kiinte-neste- tai kiinte-kaasu- olomuotojen muutoksiin perustuviin materiaaleihin, jolloin olomuodon muutoksissa sitoutuva/vapautuva energia on helppo ymmrt.

    • Teknisesti mielenkiintoisin on sovellus, jossa olomuodon muutos on kiinte-kiinte: Materiaali enemmnkin pehmenee tai kovenee muutoslmptilassa.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • PCM materiaaleille on tyypillist, ett lmmn absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin kapealla lmptilavyhykkeell (esim. vlill 20C- 30C) ja ett varastoituva lmpmr on 5-14 kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.


    12 biologisesti aktiiviset materiaalit

    12 Biologisesti aktiiviset materiaalit

    • Materiaalit voidaan jakaa kahteen pryhmn:

      • 1 Kosmeettiset ja lkeaineet

      • 2 Materiaalit, joilla on ihmisen aisteja jljittelevi ominaisuuksia


    Ryhm 1

    Ryhm 1.

    • Biologisesti aktiiviset aineet ovat synteettisesti valmistettuja: proteiineja, peptidej, liposomeja, entsyymej, antioksidantteja, viruksia, DNA:ta tai sen osia jne. Valmistuksessa voidaan modifioida esimerkiksi hiilihydraatteja, aminohappoja tai tehd niist synteettisi kopioita.

    Ryhm 2.

    • Jljitelln ihmisen tuntoaistia tai hajuaistia


    13 lykk t geelit

    13 lykkt geelit

    • lykkit geelej voidaan ryhmitell eri tavoin:

      • Polymeerigeelien sovellukset yleens

      • Shkjohtavat polymeerit

      • Eristvt elastomeerit

      • Ferrogeelit


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Trkeimmt polymeerigeelit ovat:

      • - Polyvinyylialkoholi (PVA),

      • - Polyakryylihappo(PAA) ja

      • - Polyakryylinitriili(PAN).

    • Polymeerigeelien tilavuus voi kasvaa tai kutistua jopa 1000-kertaisesti pienen pH-, lmptila-, tai shkkentn voimakkuuden muutoksen takia.

    • Riippuen molekyylien koosta, reaktion nopeus vaihtelee suuresti (muutamasta millisekunnista piviin )

    • Polymeerigeeleist valmistettu keinolihas voi kantaa suunnilleen saman kuorman kuin ihmisen vastaavankokoinen lihas.


    Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen

    • Polymeerigeeleille voidaan tuottaa samanlaisia ominaisuuksia kuin edell esitetyille metallisille tai muille jauheesta valmistetuille lykkille materiaaleille esim. reologisia tai striktiivisi materiaaleja (vrt. esim. ferrogeelit).

    • Elektrostriktiivisi polymeerej tehdn esim PMMA:n sovelluksista

    • Ferrogeeli syntyy esimerkiksi PVA:n ja Fe3O4 seoksesta

    • Shkjohtavia polymeerej ovat esimerkiksi:

      • polyaniliini (PAni)

      • polypyrolli (PPY) ja

      • polyfenolivinyyli (PPV)


    14 funktionaaliset pinnoitteet

    14 Funktionaaliset pinnoitteet

    • Teollisia sovelluksia on kymmenittin:

      • Herkkien pintojen suojapinnoitteet (esim. naarmuuntumista ja kulumista vastaan, esim. CrN, TiAlN, TiC)

      • Kemiallisen kestokyvyn parantaminen (esim. korroosiosuojaus)

      • Suojakerrokset esim. kaasuja, liuottimia, happoja, emksi, 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 lykk t materiaalit

    15 Nanoteknologia ja lykkt materiaalit

    • Pyritn yhdistmn lykkiden materiaalien ja pinnoitteiden ominaisuudet nanoteknologian tarjoamaan pieneen kokoon:

      • Nanokomposiitit (esimerkiksi tyypillisesti jauhemetallurgisen materiaalin hauraudesta pstn eroon)

      • Nanokerrosfoliot (esimerkiksi kovuus saadaan kasvamaan moninkertaiseksi, esimerkkej kerrosrakenteista TiAlN/CrN, TiN/TiAl ja NbN/CrN)

      • Nanoteknologian sovelluksista on oma luentokertansa ensi viikolla


  • Login