VTT KEHITTÄÄ TOISEN SUKUPOLVEN TOIMINNALLISIA ÄLYMATERIAALEJA

1. VTT KEHITTÄÄ TOISEN SUKUPOLVEN TOIMINNALLISIA ÄLYMATERIAALEJA Mediatilaisuus 25.9.07 Anne-Christine Ritschkoff Jari Koskinen

2. TOIMINNALLISET MATERIAALIT • Toiminnalliset, funktionaaliset materiaalit on suunniteltu haluttuun olosuhteeseen sopiviksi, ja ne reagoivat olosuhteiden muutoksiin halutulla tavalla • Toiminnallisuus voidaan luokitella kahteen eri tyyppiin: • Passiivinen toiminnallisuus • Aktiivinen toiminnallisuus • Toiminnallisuus perustuu esim. • Materiaalin sähköisiin, kemiallisiin, magneettisiin ominaisuuksiin • Aktiivimateriaalien (esim. pietso, muistimetalli jne.) sekä rakennemateriaalien (metallit, keraamit, polymeerit) yhdistelmärakenteisiin • Materiaaliteknologia on horisontaalinen ja liittyy lähes kaikkiin toimialoihin • Nano- ja funktionaalisen materiaalitieteen tutkimus nostettu erääksi VTT:n painopistealueeksi • Materiaalitutkimus kattaa yli 10 % kaikesta VTT:n toiminnasta

3. AJURIT JA TRENDIT Ajurit • Tuotteiden älykkyys • Monimutkaisesta yksinkertaisempaa • Kilpailu- ja suorituskykyvaatimukset kasvavat Trendit • Kestävä kehitys, ympäristömuutoksen hallitseminen • ICT:n integroituminen kaikkialle • (Itse)palveluyhteiskunta • Markkinat odottavat innovatiivisia tuotteita, joilla erotutaan kilpailijoista • Tuotteiden helppo käytettävyys (mm. vapaa-ajan tuotteet) Tämä edellyttää toiminnallisten materiaalien kehittämistä.

4. impulssi Materiaalin vaste KOLME ESIMERKKIÄ • Luonnon imitoiminen: Likaantumaton pinta Luonto on täynnä esimerkkejä toiminnallisista materiaaleista • Toiminnallisuuden - älyn lisääminen materiaaliin Materiaali, joka reagoi ärsykkeeseen - aistii tai muuntuu hallitusti • Suorituskykyisten materiaalien räätälöiminen Materiaali kestää entistä vaikeammissa olosuhteisissa www.tushita.com www.recycleglass.co.nz

5. MATERIAALIT ALTISTUVAT KÄYTÖNAIKAISELLE LIKAANTUMISELLE JA KULUMISELLE Pinta on käyttäjän ensimmäinen kontakti tuotteeseen ja materiaaliin • Ympäristöstä tulevat epäpuhtaudet • Mekaaninen ja kemiallinen rasitus • Pintojen ikääntyminen ja kuluminen

6. MONITOIMINNALLISIA PINTOJA SOOLI-GEELIPINNOITTEILLA Esimerkkejä VTT:n tutkimuksesta: • Kulutusta kestävät ohuet pinnoitteet • Korroosio- ja hapettumissuojapinnoitteet • Helposti puhdistettavat pinnoitteet • Itsepuhdistuvat (fotokatalyyttiset) pinnoitteet • Vettä tai öljyä hylkivät pinnoitteet • Antimikrobiset pinnoitteet • Funktionaaliset pinnoitteet (mm. painetta aistivat pietsopinnoitteet)

7. LASITETUN KERAAMIN HYLKIVYYDEN PARANTAMINEN RÄÄTÄLÖIDYN OHUTPINNOITTEEN AVULLA

8. RUOSTUMATTOMAN TERÄKSEN TOIMINNALLISET PINTARATKAISUT

9. TOIMINNALLISET PUUPINNAT Vettähylkivä ja vesihöyryä läpäisevä puu

10. ITSEPUHDISTUVA BETONI • Fotoaktiivinen nanokokoinen TiO2 betonipinnassa • Itsepuhdistuvuus • Ilmanepäpuhtauksien neutralointi • Sisäilman laatu Fotokatalyysireaktio

11. KEHITTYNEET PINNOITTEET - TOIMINNALLISUUDEN LISÄÄMINEN MATERIAALIIN PINTAMUOKKAUKSEN KEINOIN Soveltaminen • Kaikille perusmateriaaleille • Rakennukset, asumisen tuotteet, koneet ja prosessilaitteet, kulutustuotteet, vapaa-ajan, urheilun ja hyvinvoinnin tuotteet Hyödyt • Uusia ominaisuuksia • Lisää suorituskykyä ja käyttövarmuutta • Pidempi tuotteiden käyttöikä • Helppokäyttöisyys ja ylläpito • Ympäristömyönteisyys • Lisää viihtyvyyttä (helppous ja esteettiset arvot) Aikataulu: • Ensimmäisen sukupolven tuotteita jo markkinoilla • Läpimurto markkinoilla 1 - 3 v. Taloudellinen vaikutus • Potentiaaliset markkinat erittäin suuret (sopii suuren mittakaavan teollisuuden tuotteisiin, esim. rakentamisen ja asumisen tuotteet, kulutustuotteet)

12. TOIMINNALLISUUDEN - ÄLYN LISÄÄMINEN MATERIAALIIN • Voimia mittaava sähkömekaaninen muovikalvo • Voimia mittaava pietsomaali • Liikettä tuottava polymeeri (elektroaktiivinen polymeeri EAP)

13. Lämpötila yli 85°C SÄHKÖMEKAANINEN KALVO Toimintaperiaate: • Muovikalvo tuottaa sähköisen signaalin, kun sitä kuormitetaan • Kun kalvoon syötetään sähköpulssi, kalvo värähtää Hyödyntäminen: kulun valvonta, litteät kaiuttimet Pullonkaula: materiaalin huono lämpötilankesto

14. PP COC COC+POSS SÄHKÖMEKAANINEN KALVO VTT kehittänyt: • Uuden materiaalikoostumuksen, joka on stabiili korotetuissa lämpötiloissa (+110oC) • Aiemmat materiaalit menettävät sähköiset ominaisuudet n. +85oC:n lämpötilassa • Mahdolliset uudet sovellukset: kuljetusvälineet, autot, turvallisuus

15. PIETSOMAALI - VENYMÄÄ MITTAAVA MAALI Pietsomaali-mikroskooppikuva poikkileikkauksesta Heurekan jalankulkusilta, jossa pietsomaalista valmistettu anturi • Maalin ja pietsojauheen seos • Toimii värähtelyn anturina • Voidaan monitoroida sillan kuormitusta • Valmistetaan maalausprosessin yhteydessä • VTT kehittänyt stabiilin sääolosuhteita kestävän materiaalin (-50 … +200°C) Pietsomaalin mittaama signaali, kun jalankulkija ylittää sillan

16. LIIKETTÄ TUOTTAVA MATERIAALI • EAP-elastomeerit muuttavat voimakkaasti muotoaan suuressa sähkökentässä • Halutulla tavalla muotoa muuttavia rakenteita • EAP-materiaaleilla voidaan helposti aikaansaada 100 % muodonmuutos, joka tapahtuu alle sekunnissa • EAP reagoi ärsykkeeseen (toimii voima-anturina) • Liikuttaminen tuottaa virtaa

17. LIIKETTÄ TUOTTAVA MATERIAALI • EAP-aktuaattorit (= keinolihas) ovat joustavia, venyviä, edullisia ja yksinkertaisia rakenteeltaan • Soveltuvat esim. • vasteellisiksi käyttöliittymiksi, robottien aistiviksi käsiksi • energian tuottamiseen kannettavaan elektroniikkaan • Sovelluksina • esim. tulevaisuuden monimutkaiset käyttöliittymät ihmisten ja koneiden välillä • robottien ihmiskäden kaltaiset tunnokkaat jäsenet • lääketieteelliset instrumentit www.techeblog.com

18. TOIMINNALLISUUDEN - ÄLYN LISÄÄMINEN MATERIAALIIN Soveltaminen • Voidaan soveltaa laajasti rakennuksissa, koneen rakentamisessa, silloissa, kannettavassa elektroniikassa, lääketieteellisissä instrumenteissä jne. • Esim. anturoivat lattiat, autot, lentokoneet, paperikoneet • Järjestelmäkehitys (mittausjärjestelmä) kehitetään sovelluskohtaisesti Hyödyt • Kevyempi ja yksinkertaisempi rakenne • Kuluttaja: laitteet ja ympäristö palvelevat käyttäjää paremmin (esim. kulun valvonta) • Teollisuus: laitevalmistajien uusia suorituskykyisempiä tuotteita, materiaalin valmistajat Aikataulu: • Demonstraatioita ja pilot-tuotteita jo markkinoilla. Läpimurto markkinoilla 1 - 3 v. • 1 - 3 v. anturoidut rakenteet, kulun valvonta, materiaalien valmistus teollisesti • 5 - 10 v. koneiho, lääketieteen uudet instrumentit Taloudellinen vaikutus • Potentiaaliset markkinat erittäin suuret, tarkemmin vaikeasti arvioitava (vrt. kotimainen anturivalmistus LV n. 75 M€)

19. SUORITUSKYKYISTEN MATERIAALIEN RÄÄTÄLÖIMINEN Ajurit • Energiatuotannon kasvaneet vaatimukset • Suorituskykyisempiä koneita ja laitteita eri prosesseihin • Pienipäästöisten kuljetusvälineiden nopea kysynnän kasvu Trendit • Ilmaston muutos, fossiilisten raaka-aineiden loppuminen • Tehokkuus- ja turvallisuusvaatimukset kasvavat Demot • Sitkeä keraami - materiaalin räätälöinti jauheesta tuotteeseen • Funktionaaliset materiaalit polttokennoihin ja sähkön varastointiin

20. SITKEÄ KERAAMIPINNOITE ÄÄRIOLOSUHTEISIIN Keraamimateriaalin etuja ovat: • Hyvä kulumiskestävyys, suuri kovuus, erinomainen kemiallinen ja korroosion kestävyys, hyvät eristysominaisuudet • Ominaisuudet säilyvät myös korkeissa lämpötiloissa Keraamimateriaalin heikkouksia: • Vaikea prosessoitavuus bulkkikappaleeksi, bulkkikappaleen korkea hinta • Pinnoitteena heikko murtositkeys eli lohkeilee herkästi metallin pinnalta, jos vääntymistä tai iskumaista kuormaa VTT:llä kehitetty nanorakenteinen keraamikomposiittipinnoite • Tiivis rakenne suurnopeustekniikan avulla • Erinomainen murtositkeys nanorakenteisen erikoiskoostumuksen avulla, parhaimmillaan kasvatettiin murtositkeyttä 100 % • Kehitystyö vaatii koko kehityspolun jauheesta pinnoitteeksi Sovelluksia: lämmönvaihtimien pinnat, polttokattilan kondensiopuolen pinnat (happoveden kondensoituminen), kaasutusjärjestelmien katalyyttien pinnat Nanorakenteinen komposiittijauhe Suurnopeusruiskutustekniikka Tiivis pinnoite Pinnoitteessa nanorakennetta

21. Ilma (hapetin) O2 H2 Tervat CO Typpi- yhdisteet Puhdas kaasutuskaasu Kaasutus- kaasu CH4 H2O H2O Katalyytti 500-900 °C CO2 CO CH4 CO2 H2 CO, CO2, H2, H2O N2, H2, H2O ESIMERKKI: KAASUTUSKAASUN KATALYYTTINEN PUHDISTUS Katalyyttikennoston keraamipinnoitus

22. FUNKTIONAALISET MATERIAALIT POLTTOKENNOIHIN JA SÄHKÖN VARASTOINTIIN, PEMFC-MATERIAALIT Polttokennot tuottavat sähköä ympäristöä kuormittamatta vedystä, maakaasusta tai metanolista Lyhenteitä: PEMFC: polymer electrolyte fuel cell DMFC: direct methanol fuel cell SOFC: solid oxide fuel cell

23. VTT:N MATERIAALIKEHITYS POLYMEERIPOLTTOKENNOIHIN Bipolaarilevy grafiitti-polymeerikomposiitista, nopea ja edullinen sarjatuotanto Platinaseoskatalyytit: Vähennetään jalometallin määrää, jolloin hinta alenee Bipolaarilevy ruostumattomasta teräksestä

24. POLTTOKENNOSOVELLUKSIA PEMFC-trukki (www.hydrogenics.com) PEMFC-linja-auto (www.ballard.com) SOFC-voimalaitos (Wärtsilä, www.vtt.fi) Metanolipolttokenno (www.toshiba.com)

25. SUPERKONDENSAATTORIT SÄHKÖENERGIAN VARASTOINTIIN • Suuri teho verrattuna akkuun tai polttokennoon • Kestää luokkaa 1 000 000 latauskertaa (vrt. akut noin 1 000 latausta) • Sovellukset • Teholähteet, huippukuormat, jarrutusenergian talteenotto • Toiminta myös yhdessä akkujen ja polttokennojen kanssa • Tietoliikennetekniikka • Nostokoneet • Nopea varavoima • Käytetään myös pienissä kohteissa • Digitaalikamerat • Lelut • Taskulamput • Kappalehinta yhdestä eurosta useisiin satoihin euroihin • Hinnan lasku tuo lisää sovelluskohteita jatkuvasti (www.maxwell.com)

26. VTT JA SUPERKONDENSAATTORIT • Materiaalikehitys • Lisää energiakapasiteettia uusilla materiaaliyhdistelmillä, esimerkiksi nanorakenteinen hiili ja johtavat polymeerit • Räätälöitävyys sovelluksen mukaan • Soveltaminen eri kohteisiin, esimerkiksi • Varavoima • Nostokoneet • Tuulivoimalla tuotetun sähkön laadun parantaminen tasoittamalla lyhytaikaiset tuulen vaihtelut

27. MATERIAALIT RÄÄTÄLÖITY ÄÄRIOLOSUHTEISIIN Soveltaminen • Energia: uudet polttoprosessit (happipoltto), keraamiset polttokennot, kaasutusjärjestelmät • Koneet ja laitteet: paperikoneet, dieselmoottorit jne. • Prosessi: öljynjalostus • Uudet sähkönvarastointiteknologiat: sähköautot Hyödyt • Kevyempi ja yksinkertaisempi rakenne • Suurempi hyötysuhde • Pienemmät päästöt • Suuremmat tuotantonopeudet • Materiaalin valmistajille lisää tuotantoa, laitevalmistajien uusia suorituskykyisempiä tuotteita, kuluttajille parempia tuotteita Aikataulu: • Demonstraatioita ja pilot-tuotteita jo markkinoilla. Läpimurto markkinoilla 1 - 3 v. • 1 - 3 v. Paremmat suojapinnoiteet kattiloissa, polttokennot kannettavissa ja autoissa • 5 - 10 v. Uuden sukupolven kattilat, sähköautot laajasti markkinoilla Taloudellinen vaikutus • Ympäristömuutosten hallinta keskeisimpiä talouteen vaikuttavia tekijöitä lähitulevaisuudessa

28. VTT LUO TEKNOLOGIASTA LIIKETOIMINTAA