Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta luennot syksy 2013 tkt harri eskelinen
Download
1 / 64

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


  • 179 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen' - emera


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 jälkeen opiskelija osaa:

    • ryhmitellä adaptiiviset materiaalit niiden ominaisuuksien perusteella

    • vertailla adaptiivisten materiaalien ominaisuuksia ja sovellus-mahdollisuuksia


Sis lt
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
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
    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 mit ovat lykk t materiaalit
    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. ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    TiNi, TiPd

    TbFe, (TbDy)Fe,SmFe

    PZT,Quartz

    Heräte

    Lämpötilan muutos

    Magneettikentän muutos

    Sähkökentän muutos

    Adaptiivisen materiaalin sovellus

    Muistimateriaalit

    Magnetostriktiiviset materiaalit

    Piezosähköiset materiaalit


    2 2 tieteiden v linen l hestymistapa
    2.2 Tieteiden välinen lähestymistapa ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    Pinnoitus-

    teknologia

    Komposiitti-

    rakenteet

    Jauhe-

    metallurgia

    ADAPTIIVISET

    MATERIAALIT

    Nano-

    teknologia

    Kemia

    Materiaali-

    tiede


    3 piezos hk iset materiaalit
    3 Piezosähköiset materiaalit ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • 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 piezos hk isten materiaalien sovelluskohteita
    3.1 Piezosähköisten materiaalien sovelluskohteita ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • 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 ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

      • 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 Piezosähköiset kiteet ja seokset ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • ”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 piezos k isten materiaalien ominaisuudet
    3.3 Piezosäköisten materiaalien ominaisuudet: ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • - 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: ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

      • 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 piezos hk isten keraamien valmistusprosessi
    3.4 Piezosähköisten keraamien valmistusprosessi ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • 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
    4 Elektro- ja magnetoreologiset materiaalit ominaisuuksia, joita voidaan “dramaattisesti” muunnella. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi niiden viskositeetti, tiheys tai erityyppiset johtavuudet.

    • 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.



    5 elektro ja magnetostriktiiviset materiaalit
    5 Elektro- ja magnetostriktiiviset materiaalit magneto-rheological fluid-filled dampers to provide continuously variable real-time suspension damping control.

    • 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 esimerkkej magnetostriktiivisista materiaaleista ja seoksista
    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 ilmi t
    5.2 Magnetomekaaniset ilmiöt seoksista:

    • 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 l mp tilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit
    6 Lämpötilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit seoksista:

    • 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 transformaatiol mp tilan merkitys
    6.1 Transformaatiolämpötilan merkitys faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • 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
    6.2 Pseudo-elastisuus faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • 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-venymä-käyttäytyminen ei ole lineaarista vaan lähempänä elastista (tästä termi pseudo-elastinen).


    6 3 muita muistimetallien materiaaliominaisuuksia
    6.3 Muita muistimetallien materiaaliominaisuuksia… faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • NiTi-seoksilla on erinomainen vaimennuskyky transitiolämpötilan alapuolella, niillä on hyvä korroosionkesto, ne eivät ole magneettisia ja niillä on suuri väsymislujuus.

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

    • Muilla kuin NiTi-seoksilla on huono väsymiskestävyys: teräsosa kestäisi 100-kertaisen 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
    6.4 NiTi-seosten valmistusprosessit faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • 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 liitt minen
    6.5 NiTi-seosten liittäminen faasissa tapahtuvaan kiderakenteen uudelleenjärjestymiseen nk. austeniitti- ja martensiittifaasien muodostumisen kautta.

    • Yleensä NiTi-komponentti pitää liittää jonkin toisen metallisen aineen kanssa.

    • Hitsaus ei yleensä sovellu kovin hyvin NiTi-teräs-liittämiseen, 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 jännityksen-poistohehkutus. 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 NiTi-seoksille


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

    • 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 l mp tilanmuutokseen reagoivia materiaaleja
    6.7 Muita lämpötilanmuutokseen reagoivia materiaaleja NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • Muistimateriaalin ominaisuuksia on myös seuraavilla seoksilla:

      • Kulta-Kadmium,

      • Hopea-Kadmium,

      • Kupari-Tina,

      • Kupari-Sinkki,

      • Kupari-Sinkki-Alumiini.


    7 magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit
    7 Magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • 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 SMA-materiaaleihin on siinä, että muutokset tapahtuvat martensiittifaasissa, eikä lämpötilan kohottamista transformaatiolämpötilan yläpuolelle tarvita. Vaikuttava magneettikenttä saa aikaan rakenteen muutoksen).


    7 1 msm seokset
    7.1 MSM-seokset NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • Muodonmuutoksen suuruusluokka voi olla jopa n. 10%.

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

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


    8 kromogeeniset materiaalit
    8 Kromogeeniset materiaalit NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • Kromogeenisten materiaalien optiset ominaisuudet muuttuvat eri ärsykkeiden mukaan. Materiaalit ryhmitellään yleensä seuraaviin pääluokkiin:

      • Fotokromiset (valo)

      • Termokromiset (lämpötila), esim Vanadium-Oksidi

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

      • Solvatokromiset (liuoksen polaarisuus)

      • Ionikromiset (ionit)

      • Tribokromiset (mekaaninen kitka)

      • Pietsokromiset (mekaaninen paine)


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

    • muuttaminen (aktiivisesti/passiivisesti)


    9 ph muutoksiin reagoivat materiaalit
    9 pH-muutoksiin reagoivat materiaalit NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

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


    10 aukseettiset materiaalit
    10 Aukseettiset materiaalit NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

    • 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
    10.1 Aukseettisten materiaalien mekaaniset omainaisuudet NiTi-seoksille, mutta materiaalin rajallinen muovautumiskyky (ja hauraus) on otettava huomioon, jotta muovausaste ei ole liian suuri liitosvaiheessa.

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

    • 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 kimmo-ominaisuudet voidaan säätää paremmin yhteensopiviksi aukseettisia kuituja käyttämällä.



    11 faasimuutosmateriaalit
    11 Faasimuutosmateriaalit independent characteristics:

    • 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°C- 30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.


    12 biologisesti aktiiviset materiaalit
    12 Biologisesti aktiiviset materiaalit absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin kapealla lämpötilavyöhykkeellä (esim. välillä 20°C- 30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.

    • Materiaalit voidaan jakaa kahteen pääryhmään:

      • 1 Kosmeettiset ja lääkeaineet

      • 2 Materiaalit, joilla on ihmisen aisteja jäljitteleviä ominaisuuksia


    Ryhm 1
    Ryhmä 1. absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin kapealla lämpötilavyöhykkeellä (esim. välillä 20°C- 30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.

    • 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 lykk t geelit
    13 “Älykkäät” geelit absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin kapealla lämpötilavyöhykkeellä (esim. välillä 20°C- 30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.

    • “Älykkäitä” geelejä voidaan ryhmitellä eri tavoin:

      • Polymeerigeelien sovellukset yleensä

      • Sähköäjohtavat polymeerit

      • Eristävät elastomeerit

      • Ferrogeelit


    • Tärkeimmät polymeerigeelit ovat: absorboituminen ja vapautuminen tapahtuvat hyvin kapealla lämpötilavyöhykkeellä (esim. välillä 20°C- 30°C) ja että varastoituva lämpömäärä on 5-14 –kertainen perinteisiin materiaaleihin verrattuna.

      • - 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
    14 Funktionaaliset pinnoitteet kuin edellä esitetyille metallisille tai muille jauheesta valmistetuille “älykkäille” materiaaleille – esim. reologisia tai striktiivisiä materiaaleja (vrt. esim. ferrogeelit).

    • 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 lykk t materiaalit
    15 Nanoteknologia ja älykkäät materiaalit kuin edellä esitetyille metallisille tai muille jauheesta valmistetuille “älykkäille” materiaaleille – esim. reologisia tai striktiivisiä materiaaleja (vrt. esim. ferrogeelit).

    • 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…


    ad