Materiaalitekniikka

Materiaalitekniikka on insinööritiede, joka tutkii erilaisten materiaalien valmistusta, koostumusta, ominaisuuksia ja sovelluksia. Sen lähialoja ovat materiaalitiede, kemiantekniikka (prosessitekniikka), mineraalitekniikka ja konetekniikka.

Materiaalitekniikka kattaa periaatteessa kaikki materiaalit, mutta monien erikoisempien materiaalien kohdalla tutkimus ja teollisuus ovat sovelluslähtöisiä, ja esimerkiksi optiset materiaalit ovat ennemminkin optiikan kuin materiaalitekniikan alaa. Rakennusmateriaalit ovat lähinnä rakennusteollisuuden intresseissä, ja ydinmateriaalit ovat osa energia- ja aseteollisuutta.

Metallit

Metallit on taloudellisesti merkittävin materiaaliryhmä. Metallien jalostus käsittää prosesseja kaivoksista loppusovelluksiin, esimerkiksi nikkelin bioliuotuksesta jäänmurtajien teräslevyjen kylmäominaisuuksiin tai kameran titaanirungon keveyteen ja korroosionkestävyyteen. Metallien ja metalliseosten ymmärtämisen kannalta tärkeitä käsitteitä ovat mikrorakenne (raekoko, erkaumat, virheet, seosaineet) ja termodynamiikka (seosten valmistaminen ja stabiilisuus). Metallien valmistuksen uusina trendeinä ovat entistä köyhempien malmioiden hyödyntäminen ja metallien valmistus kierrätysraaka-aineista. Metallisia materiaaleja tutkitaan paljon myös kone- ja valmistustekniikan alalla, mm. materiaalien työstäminen (hitsaus, valaminen, leikkaus, ...) ja materialien ominaisuuksien räätälöinti sovelluksiin (kevytrakennetekniikka lentokoneisiin; kierrätettävyys juomatölkkeihin; korroosionkestävyys kemianteollisuuden laitteisiin).

Lasit ja keraamit

Lasit ja keraamit ovat käsittävät laajan joukon materiaaleja, lähtien keittiön ja kylpyhuoneen laatoista ja uuninkestävistä astioista luotiliiveihin ja porien teriin. Lasien ja keraaminen valmistus vaatii korkeita lämpötiloja, ja se on siksi erittäin energiaintensiivistä. Laseja ja keraameja käytetään paljon muissa korkealämpötilaprosesseissa, koska ne kestävät kemikaaleja paremmin kuin useimmat metallit, erityisesti kuumissa käyttöympäristöissä kuten voimalaitoksissa. Keraamit ovat myös tärkeitä sähkötekniikan eristemateriaaleja.

Polymeerit

Polymeerit ovat joko luonnonpolymeerejä (selluloosa, kaseiini, viskoosikuitu) tai synteettisiä (useimmat tunnetut polymeerit kuten polyeteeni, polykarbonaatti (PC), polyvinyylikloridi (PVC), polyeteenitereftalaatti (PET), polytetrafluorieteeni (PTFE, paremmin tunnettu kauppanimellä Teflon), polyaramidi (kauppaniminä mm. Kevlar ja Nomex). Polymeerien rakenne määräytyy kemiallisesta koostumuksesta (ketjujen molekyyliryhmät) ja ketjujen välisistä vuorovaikutuksista (vety- ja rikkisidokset, mekaaninen kietoutuminen). Verrattuna muihin päämateriaaliryhmiin polymeerien keveys on keskeinen kilpailuetu. Polymeereilla eri ominaisuuksien yhdistelmät ovat hyvin moninaisia: Teflon on erittäin hyvä radiotekniikan materiaali (pienet RF-häviöt), sillä on erittäin pieni kitkakerroin, se hylkii vettä erinomaisesti, ja kestää lukuisia aggressiivisia kemikaaleja. Polykarbonaatti on helposti työstettävää, se on läpinäkyvää (molempia ominaisuuksia käytetään CD- ja DVD-levyissä), ja se on iskunkestävää (Nokian Lumia). Aramidikuidut ovat erittäin lujia ja lämpöä hyvin kestäviä (jopa 500 °C). Niitä käytetään suojaliiveissä (mutta raskaammat luotiliivit sisältävät keraamisia levyjä). Polyeteeni on halpaa ja helposti muokattavaa sekä kestävää. Siksi se ei maadukaan kaatopaikalla, vaan sen kilpailijaksi muovikasseihin on tullut biohajoavia materiaaleja, jotka ovat usein luonnonpolymeerejä kuten maissista saatavaa polymaitohappoa.

Energiatekniikan materiaalit

Energiatekniikan materiaalit ovat iso joukko erilaisia materiaaleja. Voimalaitosmateriaalit ovat useimmiten käyttötarkoitukseen räätälöityjä metalleja, kun taas tuulivoimalan lavat ovat komposiittimateriaaleja (esimerkiksi lasikuitu- tai hiilikuituvahvistettua polymeeriä). Aurinkoenergian materiaalit jakautuvat kahteen pääluokkaan: aurinkokennojen materiaaleina on puolijohteita: pii (Si), kadmiumtelluridi (CdTe), kupari-indium-gallium-selenidi CIGS): nämä materiaalit tuottavat sähköä valosähköisen ilmiön vaikutuksesta. Aurinkölämmön tapauksessa materiaalien keskeisiä ominaisuuksia ovat optinen absorptio, emissiviteetti, lämmönjohtavuus sekä lämpökapasiteetti ja materiaalit käsittävät suuren joukon metalleja, keraameja (oksideja) ja laseja. Termosähköiset materiaalit kuten vismuttitelluridi (BiTe) muuttavat lämpöenergiaa suoraan sähköenergiaksi Seebeck-ilmiön avulla.

Elektroniikan materiaalit

Elektroniikan materiaalien pohjana ovat yksikiteiset (erilliskiteiset) puolijohteet aktiivisina substraatteina. Pii (Si), galliumarsenidi (GaAs), indiumfosfidi (InP) ja galliumnitridi (GaN) ovat niistä tärkeimmät. Mikroelektroniikan piireissä metallointiin (johtimiin) käytetään kuparia, alumiinia ja kultaa. Näiden lisäksi metallointiin tarvitaan erilaisia suoja- ja liimamateriaaleja (barriers and adhesion layers). Tällaisia ovat mm. titaaninitridi (TiN), titaaniwolframi (TiW), tantaalinitridi (TaN), ja wolframinitridi (WN). Vastusmateriaaleina käytetään esimerkiksi piitä, SiCr, NiCr, TaN ja Pt. Eristeinä mikroelektroniikassa yleisimpiä ovat piidioksidi (SiO₂), piinitridi (Si₃N₄), alumiinioksidi (Al₂O₃), hafniumoksidi (HfO₂). Mikrosysteemeissä (MEMS) tarvitaan lisäksi lukuisia muita materiaaleja: vanadiinioksidi (VO₂) infrapuna-absorbaattorina lämpökameroissa, platina katalyyttina kaasuantureissa, alumiininitridi (AlN) ja lyijyzirkoniumtitanaatti (PZT) pietsosähköisinä materiaaleina RF-tekniikassa (mm. radiopuhelimen suodattamissa).

Biomateriaalit

Biomateriaalit käsittää monta hyvinkin erilaista materiaaliryhmää. Solukalvojen ja DNA:n mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia tutkitaan kuten muillakin materiaaleilla. Mutta biomateriaaleilla on omia erityisominaisuuksiaan, kuten itsejärjestäytyminen ja kasvu joiden ansiosta meillä on poikkeuksellisen vahvoja materiaaleja kuten luu, silkki ja helmiäinen. Kuitumateriaalit, joista teollisesti tärkein on puusta saatava selluloosa, ovat muokattavissa moniksi tuotteiksi. Lääketieteelliset materiaalit ovat joko luonnonmateriaaleja tai synteettisiä materiaaleja, joiden keskeinen ominaisuus on yhteensopivuus elimistön kanssa. Sydämen keinoläpät ja silikonirinnat ovat synteettisiä polymeerejä; kirurgiset neuleet ovat silkkiä (luonnonpolymeeri) tai nailonia (synteettinen polymeeri); hammaspaikat ovat amalgaameja (elohopeayhdisteitä) ja tekonivelet titaania. Solukasvatusalustat ovat esimerkiksi polystyreeniä tai titaanidioksidia.

Nanomateriaalit

Nanomateriaalien valmistus riippuu täysin kyseisestä materiaalista. Hiilinanoputkia valmistetaan korkeissa lämpötiloissa kaasufaasista; sinkkioksidinanolankoja nestefaasista alle 100 asteen lämpötilassa; kultaklustereita saadaan joko neste- tai kaasufaasista; ja nanotimantteja valmistetaan räjäyttämällä TNT:a. Polymeerinanopartikkeleiden synteesi muistuttaa perinteistä polymeerikemiaa ja galliumarsenidi nanopisteiden valmistus tapahtuu samalla kaasufaasireaktorilla kuten galliumarsenidi ohutkalvojen valmistus.

Materiaalitekniikan opiskelu

Aalto-yliopistossa materiaalitekniikka on osa Kemiantekniikan korkeakoulua (http://materials.aalto.fi/fi/ (Arkistoitu – Internet Archive)).

Tampereen teknillisessä yliopistossa materiaalitekniikka on osa Automaatio-, kone- ja materiaalitekniikan tiedekuntaa (http://www.tut.fi/hakuinfo/opiskelu/tutkinnot-ja-koulutusohjelmat/materiaalitekniikka).

Oulun yliopistossa materiaalitekniikka on osa koneosastoa (http://me.oulu.fi/index.php?id=19 (Arkistoitu – Internet Archive)).

• Lappeenrannan teknillinen yliopisto - Konetekniikka
• Oulun yliopiston teknillinen tiedekunta - Konetekniikan koulutusohjelma
• Tampereen yliopisto
• Turun yliopisto - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
• Vaasan yliopisto

Ammattikorkeakoulut:

• Mikkelin ammattikorkeakoulu
• Metropolia-ammattikorkeakoulu
• Lahden ammattikorkeakoulu
• Arcada-ammattikorkeakoulu (ruotsiksi)

Lähteet

• William D. Callister: Materials Science and Engineering
• Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan metallioppi
• Tapio Salmi, Simo Virtanen: Materiaalien mekaniikka
• E. E. Lähteenkorva: Materiaalifysiikka

Aiheesta muualla

• Materiaalitekniikan laitos (Arkistoitu – Internet Archive)

• Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos: Virtuaalinen materiaalin valinta (Arkistoitu – Internet Archive)