Teknologiasta liiketoimintaa

Tulosta Lähetä linkki

VTT:ltä toisen sukupolven toiminnallisia älymateriaaleja

25.09.2007

Tuotteisiin lisää käyttövarmuutta, helppokäyttöisyyttä ja suorituskykyä

Tuotteiden kilpailu- ja suorituskykyvaatimukset kasvavat, ja markkinat odottavat nopeaa tuotteiden uudistumista. Samalla kulutustavaroiden elinkaari on lyhentynyt, toisaalta laitteilta edellytetään entistä parempaa suorituskykyä ja pidempää elinikää. Tuotteilta odotetaan myös helppokäyttöisyyttä ja ympäristöystävällisyyttä (esim. valmistuksen, käytön ja kierrätyksen alhaisempaa ympäristön kuormittavuutta).

VTT kehittää tuotteille ja rakenteille uusia, monipuolisia ominaisuuksia mm. ottamalla vaikutteita luonnosta (esim. likaantumaton pinta) ja lisäämällä materiaaleihin älyä (esim. liikettä tuottava, ärsykkeisiin reagoiva joustava materiaali, joka soveltuu mm. lääketieteen instrumentteihin ja robottien aistiviksi käsiksi). Monimutkaisista laitteista saadaan myös yksinkertaisempia lisäämällä niihin toiminnallisempia materiaaleja sen sijaan, että lisätään elektroniikkaa, antureita ja liikettä tuottavia komponentteja. Lisäksi VTT:llä kehitetään vaikeisiin ääriolosuhteisiin soveltuvia kestäviä materiaaleja mm. polttokattiloihin, polttokennoihin ja sähkön varastointiin.

Pinnoitteita kaikille perusmateriaaleille puusta betoniin

VTT on kehittänyt toiminnallisia, uuden sukupolven pinnoitteita kaikille perusmateriaaleille, mm. puulle, muoveille, betonille, metalleille, keraameille ja lasille, joita voidaan soveltaa rakennuksiin, asumisen tuotteisiin, koneisiin ja prosessilaitteisiin, kulutustuotteisiin sekä vapaa-ajan, urheilun ja hyvinvoinnin tuotteisiin. Tuloksena on syntynyt pinnoitteita, jotka mm. kestävät kulutusta, suojaavat korroosiolta ja hapettumiselta, ovat helposti puhdistettavia tai itsepuhdistuvia, hylkivät vettä tai öljyä tai bakteereita sekä aistivat painetta. Esimerkkeinä mainittakoon helposti puhdistettavat teräspinnat, itsepuhdistuva betoni sekä vettä hylkivä puu ja rakenteiden rasitusta anturoivat pinnoitteet.

VTT on kehittänyt myös muuttumattoman ja sääolosuhteita kestävän, venymää mittaavan pietsomaalin, jonka avulla voidaan seurata esim. sillan kuormitusta jopa -50 asteen pakkasessa. Kokeissa värähtelyn anturina toimiva, maalin ja pietsojauheen seoksesta koostuva pietsomaali on kestänyt jopa +200 °C:n lämpötilassa, mikä mahdollistaa aistivan maalipinnoitteen sovellukset laajasti koneissa ja laitteissa myös korotetuissa lämpötiloissa.

Ensimmäisen sukupolven kehittyneitä pinnoitteita on jo markkinoilla, ja seuraavan sukupolven tuotteiden markkinabuumi on käynnistymässä.

Uusi sähkömekaaninen kalvo kestää korkeita lämpötiloja

VTT on kehittänyt myös seuraavan sukupolven sähkömekaanisen kalvon ja liikettä tuottavan, elektroaktiivisen polymeerin (EAP). Sähkömekaaninen kalvo on muovikalvo, joka tuottaa sähköisen signaalin, kun sitä kuormitetaan. Kun kalvoon syötetään sähköpulssi, kalvo värähtää. Kalvoa voidaan hyödyntää mm. kulun valvonnassa ja litteissä kaiuttimissa. Tähän asti sähkömekaanisen kalvon lämmönkestävyys on ollut huono. VTT:n kehittämässä toisen sukupolven kalvossa on uusi materiaalikoostumus, joka pysyy muuttumattomana myös korkeammassa, +110 celsiusasteen lämpötilassa. Aiemmat materiaalit ovat menettäneet sähköiset ominaisuutensa noin +85 asteessa. Uuden sähkömekaanisen kalvon sovelluskohteita voivat olla mm. kuljetusvälineet, autot ja turvallisuus. Esimerkkinä mainittakoon ajoneuvon kuljettajan vireystilaa monitoroivat anturit. 

Liikettä tuottavat, ärsykkeisiin reagoivat joustavat elektroaktiiviset EAP-elastomeerit muuttavat muotoaan sähkökentässä. Näitä jopa 100 % venyviä, kevyitä, edullisia ja rakenteeltaan yksinkertaisia materiaaleja voidaan soveltaa esimerkiksi lääketieteen instrumenteissa ja implanteissa sekä elektroniikan vasteellisissa käyttöliittymissä, joissa hyödynnetään ihmisen tuntoaistia ihmisen ja koneen vuorovaikutuksessa (vrt. värinähälytys).

Aistiviin ja liikettä tuottaviin materiaaleihin perustuvia pilot-tuotteita on jo markkinoilla, ja tuotteiden läpimurtoa odotetaan muutaman vuoden kuluttua. Ensimmäisinä markkinoille tekevät tuloaan mm. kulun valvonnan sovellukset. Toiminnallisista älymateriaaleista koneihon ja lääketieteen uusien instrumenttien arvioidaan saavuttavan läpimurron 5 - 10 vuoden kuluessa.

Kestäviä materiaaleja ääriolosuhteisiin

Lisäksi VTT:llä kehitetään vaikeisiin ääriolosuhteisiin soveltuvia, kestäviä materiaaleja mm. polttokattiloihin, polttokennoihin ja sähkön varastointiin. VTT:llä on mm. kehitetty nanorakenteinen sitkeä keraamipinnoite, joka on valmistettu suurnopeusliekkiruiskutuksella. Materiaalin nanorakenteista johtuen keraamikomposiittipinnoitteen murtositkeyttä on voitu kasvattaa jopa 100 %. Sitkeä keraamipinnoite soveltuu mm. lämmönvaihtimiin, polttokattiloihin ja kaasutusjärjestelmien katalyyttikennostoihin. Polymeerielektrolyyttipolttokennojen sovelluskohteita voivat olla esimerkiksi linja-autot ja trukit. Metanolipolttokennot puolestaan soveltuvat mm. kannettaviin tietokoneisiin, ja kiinteäoksidipolttokennot hajautetun energian tuotannon pienikokoisiin voimalaitoksiin.

VTT on tehnyt materiaalikehitystä myös superkondensaattoreihin. Sähkön varastointiin kehitetyt superkondensaattorit ovat suuritehoisia verrattuna akkuun tai polttokennoon. Superkondensaattoreita voidaan soveltaa sekä pieniin että isoihin kohteisiin, mm. varavoiman lähteiksi, nostokoneisiin tai tuulivoimalla tuotetun sähkön laadun parantamiseen tasoittamaan lyhytaikaisia tuulen vaihteluita. Kondensaattorien laskevan kappalehinnan ansiosta sovelluskohteiden määrä kasvaa jatkuvasti.

Ääriolosuhteisiin räätälöityjen materiaalien etuja ovat mm. niiden kevyempi ja yksinkertaisempi rakenne, suurempi hyötysuhde, pienemmät päästöt ja suuremmat tuotantonopeudet. Ensimmäisten sovellusten (esim. autoihin ja kannettaviin tietokoneisiin käyvät polttokennot) läpimurtoa odotetaan niin ikään muutamassa vuodessa.

VTT:n yhteistyökumppaneita materiaalitutkimuksessa ovat alan teollisuus, mm. rakennusteollisuus, pinnoite- ja metalliteollisuus, kone- ja komponenttivalmistajat, auto- ja liikennevälineteollisuus, lasi- ja optiikkateollisuus, koruteollisuus, huonekaluteollisuus, tekstiiliteollisuus sekä elektroniikkateollisuus ja järjestelmäkehittäjät.

Tutkimusjulkaisu

http://www.vtt.fi/inf/pdf/symposiums/2007/S244.pdf

Aineistoa

Vesipisara pinnoitetulla teräspinnalla

Rasvapisara pinnoitetulla ja pinnoittamattomalla teräspinnalla

Vesipisarat pinnoitetulla puupinnalla

Mediatilaisuuden esitys