Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen

1. KonstruktiomateriaalitjaniidenvalintaLuennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen LUENTO 8 Adaptiivisetmateriaalit 2013

2. Osaamistavoite: • Luennon jälkeen opiskelija osaa: • ryhmitellä adaptiiviset materiaalit niiden ominaisuuksien perusteella • vertailla adaptiivisten materiaalien ominaisuuksia ja sovellus-mahdollisuuksia

4. 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

5. 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…

6. 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

7. 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

8. 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.

9. Materiaali esim. TiNi, TiPd TbFe, (TbDy)Fe,SmFe PZT,Quartz Heräte Lämpötilan muutos Magneettikentän muutos Sähkökentän muutos Adaptiivisen materiaalin sovellus Muistimateriaalit Magnetostriktiiviset materiaalit Piezosähköiset materiaalit

10. 2.2 Tieteiden välinen lähestymistapa Pinnoitus- teknologia Komposiitti- rakenteet Jauhe- metallurgia ADAPTIIVISET MATERIAALIT Nano- teknologia Kemia Materiaali- tiede

11. 3 Piezosähköiset materiaalit • Piezosähköisillä materiaaleilla on kaksi toisiinsa liittyvää ainutlaatuista ominaisuutta: • Kun materiaalia muovataan, se tuottaa pienen, mutta mitattavissa olevan sähkövirran. • Vaihtoehtoisesti jos materiaalin läpi johdetaan sähkövirta, sen koko kasvaa (noin 4% tilavuuden muutos).

13. 3.1 Piezosähköisten materiaalien sovelluskohteita • Piezosähköisiä materiaaleja käytetään erityisesti erityyppisissä antureissa mitattaessa mm. nesteiden koostumuksia, nesteen tiheyttä, nesteen viskositeettia tai iskumaisia voimia. • Eräs esimerkki on ajoneuvon turvatyynyn laukaisuanturi. Anturi tunnistaa iskumaisen voiman kolaritilanteessa ja tuottaa sähköisen signaalin, joka johtaa turvatyynyn laukeamiseen. • Muita sovelluskohteita: • Kvartsikellot • Sähkörummut • Mikrofonit, sähkökitarat

14. 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

15. 3.2 Piezosähköiset kiteet ja seokset • ”Historiallisesta” näkökulmasta piezosähköinen tunnetuin ”materiaali” on kvartsikide • Eräät arkipäiväiset ja tutut materiaalit kuten kumi, villa, puukuitu ja silkki tuottavat rajoitetun piezosähköisen reaktion • Polyvinyylifluoridin johdannaiset (-CH2-CF2-)n, tuottavat piezosähköisen reaktion moninkertaisena kvartsiin verrattuna • Piezosähköisiä konstruktiomateriaaleja ovat mm. • Berliniitti (AlPO4) • Gallium orthofosfaatti (GaPO4), • Eräät keraamit (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15).

16. 3.3 Piezosäköisten materiaalien ominaisuudet: • - dij: Tuotettu venymä [m/V] • = syntynyt venymä (m/m) suhteessa vaikuttavaan sähkökentään (V/m) tai tuotettu virran tiheys suhteessa vaikuttavaan jännitykseen. • - gij: Sähkökentän voimakuus [Vm/N] • = syntyneen sähkökentän voimakkuus suhteessa vaikuttavaan mekaaniseen jännitykseen (N/m²) tai syntynyt venymä (m/m) suhteessa vaikuttavaan virran tiheyteen (C/m²). • - kij: Energian muutos reaktiossa [-] • = suhdeluku, joka kuvaa mekaanisen energian muuttumista sähköiseksi tai päin vastoin.

17. Muut keskeiset parametrit ovat: • Materiaalin kimmoisia ominaisuuksia kuvaavat vakiot rakenteen eri suunnissa • Suhteellinen dielektrisyysvakio, permittiivisyys (kuvaa materiaalin kapasitiivisyyttä) • Alaindeksit (i, j) kuvaavat em. parametrien lukuarvojen suuruutta ulkoisen “ärsykkeen” suunnassa ja sille vastakkaisessa suunnassa.

18. 3.4 Piezosähköisten keraamien valmistusprosessi • 1 Jauheen jauhatus ja sekoitus. • 2 Jauheen kuumennus 75%:iin sintrauslämpötilasta, jotta jauheen eri osien keskinäistä kemiallista reaktioita voidaan kiihdyttää • 3 Osittain kristallisoitunut jauhe jauhetaan uudelleen, jotta sen reaktiivisuutta voitaisiin kasvattaa. • 4 Seuraavaksi materiaali kiteytetään sidosaineiden avulla, jotta muovattavuutta voidaan parantaa. Kun jauheesta on puristettu haluttu geometria, sidosaineet poistetaan rakenteesta korotetussa lämpötilassa (n. 750 ° C). • 5 Suoritetaan lopullinen sintraus lämpötilassa 1250° C - 1350° C. • 6 Keraaminen aihio leikataan ja hioitaan haluttuun lopulliseen muotoonsa ja toleransseihinsa. • 7 Kiinnitetään elektrodit kappaleeseen tai vaihtoehtoisesti valmistetaan jauheesta jähmeä seos, josta voidaan laminoida piezosähköisiä kerroksia. • 8 Polarisointi suoritetaan pitämällä komponenttia kuumennetussa öljyssä voimakkaan sähkökentän vaikutuksen alaisena (useita kV/mm).

19. 4 Elektro- ja magnetoreologiset materiaalit • Elektro- (ER) ja magnetoreologiset (MR) materiaalit ovat nesteitä (muistuttavat “perustilassaan” moottoriöljyä) , joiden tiheys muuttuu radikaalisti ja nopeasti (muutamassa millisekunnissa) lähes kiinteäksi sähkökentän tai magneettikentän vaikuttaessa. • Käänteinen reaktio takaisin nesteeksi tapahtuu yhtä nopeasti kuin muutos nesteestä kiinteäksi, kun sähkö- tai magneettikentän vaikutus poistuu.

20. 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.

22. Called Audi Magnetic Ride this innovative technology uses magneto-rheological fluid-filled dampers to provide continuously variable real-time suspension damping control.

23. 5 Elektro- ja magnetostriktiiviset materiaalit • Tällaiset materiaalit muuttavat kokoaan sähkö- tai magneettikentän vaikutuksesta tai vaihtoehtoisesti ne synnyttävät niitä venytettäessä mitattavan jännitemuutoksen. • Tällaisia materiaaleja sovelletaan kohteissa, joissa tarvitaan voiman mittausta tai säätöä; esimerkiksi hydraulitekniikassa, lääketieteessä, urheiluvalmennuksessa jne.

24. 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.

25. 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.

27. 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)

28. 5.2 Magnetomekaaniset ilmiöt • Joule ilmiö (magnetostriktiivisyys)  pituus kasvaa magneettikentän voimistuessa • Villari ilmiö (käänteinen Joule ilmiö)  pituus pienenee magneettikentän voimistuessa • Barrett ilmiö (tilavuuden magnetostriktiivinen muutos)  tilavuus kasvaa magneettikentän voimistuessa • Guillemin ilmiö • Wiedemann ilmiö • Matteucci ilmiö • Barnett ilmiö • Einstein - de Haas ilmiö • Barkhausen ilmiö

29. 6 Lämpötilanmuutokseen perustuvat muistimateriaalit • Nämä materiaalit (lyhenne SMA) ovat metalleja, jotka “muistavat” alkuperäisen muotonsa. Näitä materiaaleja käytetään kohteissa, joissa tarvitaan rakenneosalta eri tilanteissa erilaista muotoa, jäykkyyttä, paikanmuutosta tai ominaistaajuutta lämpötilasta (tai sähkökentän voimakkuudeesta riippuen) • “Muisti”-ominaisuus perustuu näiden materiaalien kiderakenteiden lämpötilariippuvuuteen. • Tärkein seosryhmä ovat Nikkeli-Titanium-seokset (NiTi –seokset). • Muita seosryhmiä ovat kupari-alumiini-nikkeli- (CuAlNi), kupari-sinkki-alumiini- (CuZnAl) ja joissakin tapauksisa myös rauta-mangaani-pii-seokset (FeMnSi).

30. 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.

31. 6.1 Transformaatiolämpötilan merkitys • Transformaatiolämpötilan yläpuolella materiaalilla on eri kiderakenne (esim. Cu-Al-Ni:llä on kuutiollinen rakenne) kuin sen alapuolella (Cu-Al-Ni:llä on orthorombinen rakenne). • Ko. lämpötilan alapuolella materiaali on helposti ja “pysyvästi” muovattavaa. Kun materiaalia kuumennetaan lämpötilan yläpuolelle, sillä on kiderakenteen johdosta vain yksi mahdollinen muoto – se “muistaa” alkuperäisen muotonsa.

32. 6.2 Pseudo-elastisuus • Jos muistimateriaalia käytetään transformaatiolämpötilan yläpuolella, muistiominaisuus ei tule esille. Materiaalin sanotaan käyttäytyvän pseudo-elastisesti. • Alempaa lämpötilaa vastaava rakenne voidaan nyt saada aikaan tuottamalla kappaleeseen riittävän suuri jännitys, josta seuraa suuri plastista (pysyvää) muodonmuutosta muistuttava koon muutos. • Kuitenkin kun kuormittava jännitys poistetaan, materiaali palautuu alkuperäiseen muotoonsa ilman pysyvää muodonmuutosta. Jännitys-venymä-käyttäytyminen ei ole lineaarista vaan lähempänä elastista (tästä termi pseudo-elastinen).

33. 6.3 Muita muistimetallien materiaaliominaisuuksia… • NiTi-seoksilla on erinomainen vaimennuskyky transitiolämpötilan alapuolella, niillä on hyvä korroosionkesto, ne eivät ole magneettisia ja niillä on suuri väsymislujuus. • Alumiiniin ja teräkseen verrattuna 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.).

34. 6.4 NiTi-seosten valmistusprosessit • NiTi-seoksia voidaan valmistaa mm. tyhjiösulatuksella (esim. käyttäen elektronisuihku-, kaasu- tai induktiosulatusta) • Valuharkko voidaan puristusmuovata kuumana tangoksi tai langaksi 700°C - 900°C lämpötilassa. • Myös kylmämuovaus langaksi on mahdollista (vrt. titaanilangan valmistus).

35. 6.5 NiTi-seosten liittäminen • 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.

36. 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

37. 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.

38. 6.6 Muistipolymeerit • Muistipolymeerit “toimivat” periaatteessa kuten muistimetallit. • Koska polymeerit ovat joustavia, niitä voidaan käyttää erilaisissa tekstiileissä (kulkuneuvojen verhoukset, vaatetus jne.) • Esimerkkinä polyuretaanikerroksista tehty materiaali, jonka kerrosten välinen ilmatila kasvaa (ja lisää lämpöeristystä), kun ulkokerros jäähtyy (esim. ulkoilma jäähtyy) tarpeeksi.

40. 6.7 Muita lämpötilanmuutokseen reagoivia materiaaleja • Muistimateriaalin ominaisuuksia on myös seuraavilla seoksilla: • Kulta-Kadmium, • Hopea-Kadmium, • Kupari-Tina, • Kupari-Sinkki, • Kupari-Sinkki-Alumiini.

41. 7 Magneettisesti ohjattavat muistimateriaalit • Magneettisesti ohjattavien muistimateriaalien (lyhenne MSM) muoto ja koko muuttuu merkittävästi magneettikentän vaikutuksesta • Avaintekijä ilmiön esiintymisessä on martensiittinen hilarakenteeen muutos. Esim. kuutiolliseen rakenteeseen alkaa muodostua tetragonaalisia kiteitä. • Ero lämpötilamuutoksiin perustuviin SMA-materiaaleihin on siinä, että muutokset tapahtuvat martensiittifaasissa, eikä lämpötilan kohottamista transformaatiolämpötilan yläpuolelle tarvita. Vaikuttava magneettikenttä saa aikaan rakenteen muutoksen).

42. 7.1 MSM-seokset • 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.

44. 8 Kromogeeniset materiaalit • Kromogeenisten materiaalien optiset ominaisuudet muuttuvat eri ärsykkeiden mukaan. Materiaalit ryhmitellään yleensä seuraaviin pääluokkiin: • Fotokromiset (valo) • Termokromiset (lämpötila), esim Vanadium-Oksidi • Elektrokromiset (virta), esim. Indium-Titaani-Oksidi, Wolframi-Oksidi • Solvatokromiset (liuoksen polaarisuus) • Ionikromiset (ionit) • Tribokromiset (mekaaninen kitka) • Pietsokromiset (mekaaninen paine)

45. Esimerkiksi ikkunan ominaisuuksien • muuttaminen (aktiivisesti/passiivisesti)

46. 9 pH-muutoksiin reagoivat materiaalit • Esimerkkinä konetekniikan sovellus, jossa pH-reaktiivinen pintamaali muuttaa väriään, jos sen alla oleva materiaali joutuu korrosiivisen kuormituksen kohteeksi

47. 10 Aukseettiset materiaalit • Termi “aukseettinen” on johdettu kreikan kielestä “auxeos”, so. “joka voi laajeta". Näille kiinteille aineille on ominaista negatiivinen Poisson’n vakio eli ne laajenevat kaikkiin suuntiin, vaikka niitä venytettäisiin vain yhdessä suunnassa. • Todellisia aukseettisia ominaisuuksia jossakin laajuudessa omaavia materiaaleja on vähän, mutta monille keinotekoisesti valmistetuille vaahtomaisille aineille tai polymeereille voidaan tuottaa ko. ominaisuuksia. • Eräitä esimerkkejä ovat mm. eräät grafiitin muodot, Ni3Al:n -kiteet ja PTFE:n kehittyneet muodot.

49. 10.1 Aukseettisten materiaalien mekaaniset omainaisuudet • Negatiivisen Poisson’n vakion lisäksi käyttökohteita voidaan hakea seuraavien etujen vuoksi: • Kasvava poikittainen jäykkyys kuormitettaessa • Kasvava kuormankantokyky poikittaisessa kuormitussuunnassa • Kasvava kulumislujuus (pintakerroksen “lujittuminen”) kuormitettaessa

50. 10.2 Aukseettiset kuitukomposiitit • Aukseettisilla kuitulujitteisilla komposiiteilla voidaan ehkäistä kuitulujitteisen komposiitin tyypillisen vauriomuodon esiintymistä, jossa kuitu repeää irti matriisista: Kuitujen “turpoaminen” puristaa niitä matriisia vasten, kun niitä yritetään vetää siitä irti. • Lisäksi kuitujen ja matriisin kimmo-ominaisuudet voidaan säätää paremmin yhteensopiviksi aukseettisia kuituja käyttämällä.