Search

Keraamisilla kuiduilla on niin suuri joukko hyödyllisiä ominaisuuksia korkealämpötilaprosessien lämpöeristämisessä, että ne ovat syrjäyttämässä perinteiset eristeet useimmissa käyttökohteissa.Keraaminen kuitueriste on vielä nuori tuote, ja siitä valmistettavien eristystuotteiden kehitys jatkuu vielä.Tässä tutkimuksessa selvitettiin koeuunin ja simulointimallin avulla kuiturakenteiden ominaisuuksia ja vertailtiin moduulirakenteisten eristetuotteiden ja kerrosrakenteisten eristeseinämien ominaisuuksia ja toimivuutta.Lisäksi tutkimuksessa on arvioitu kuitueristeiden käytön markkinatilannetta lämpökäsittelyä edellyttävillä teollisuudenaloilla ja soveltamista energiateknologiaan.Normaalikokoisen koeuunin, jonka testilämpötilat olivat enimmäkseen 1 300 °C, seinät eristettiin erilaisilla keraamisista kuiduista valmistetuilla rakenteilla.Perinteisempi rakennetyyppi eli moduulirakenne koostuu koko eristevahvuudeltaan keraamisesta kuidusta, kun puolestaan uudempi eristerakenne koostuu kerroksittain toisiinsa liimatuista eristehuovista ja -levyistä, joista kuumimmalla puolella on kuitueristehuopa ja ulkoseinän puolella alemmassa lämpötilassa esimerkiksi mineraalivilla. Kuitueristeet kokonaisuutena selvisivät kokeista hyvin.Kerrosrakenteisissa seinämissä on varmistuttava siitä, että alemman kestävyysluokan eristettä ei sijoiteta liian kuumalle alueelle.Eristeiden lämmönjohtavuus on korkeissa lämpötiloissa 4 - 5-kertainen lähellä ulkopintaa oleviin lämpötiloihin verrattuna.Kuitueristeille on tyypillistä kutistuminen niin, että uunin jäähdyttyä kuitueristeeseen syntyy säröjä, jotka kuumennusvaiheessa pääosiltaan sulkeutuvat.Moduulirakenteisessa seinämässä nämä säröt voivat olla koko eristekerroksen syvyisiä.Kerrosrakenteisessa eristeessä säröt päättyvät kerrosten rajapintaan.Säröjen leveydellä todettiin selvä yhteys kuitueristeen rakenteeseen.Uunin ulkopinnan lämpötilojen ei kuitenkaan todettu säröjen kohdalta nousevan olennaisesti.Kerrosrakenteisen seinämän kohdalta mitattiin hieman alemmat pintalämpötilat kuin moduulirakenteisen.Kuitueristeiden etuja ovat erityisesti lämpötilan vaihteluiden kestävyys, keveys, helppo asennettavuus ja huollettavuus sekä mahdollisuus tehdasvalmistukseen.Näiden etujen vuoksi kuitueristeillä on mahdollisuutensa myös energiantuotantolaitoksissa kuitenkin huomioon ottaen kemiallinen ja mekaaninen kestävyys.

Tutkimuksessa on kehitetty FG (functionally graded) -materiaaleja sellaisiin teollisuuden sovelluskohteisiin, joissa korkeat lämpötilat, kulutus ja hapettavat olosuhteet tai kaikki kolme asettavat erityisvaatimuksia materiaalien kestävyydelle. Tavoitteena on ollut kehittää kyseisiin olosuhteisiin soveltuvia FG-materiaaleja, jotka kestävät perinteisiä materiaaliratkaisuja paremmin, hyödyntäen kehittyneitä materiaalien valmistustekniikoita, pintatekniikkaa ja liittämistekniikoita. Uudet ratkaisut on kehitetty suoraan teollisuuden esimerkkikomponenttien valmistamiseksi. Materiaalien ja valmistustekniikoiden osalta kehitettiin metalli-keraami ja metalli-metalli FG-materiaaleja, jotka soveltuvat sellaisiin komponentteihin, joiden käyttökohde on erityisesti korkeissa lämpötiloissa, hapettavissa ja/tai kuluttavissa olosuhteissa. Erityisesti FG-materiaalien valmistustekniikkaa kehitettiin siten,että tarvittava juoheva muutos materiaalista toiseen saadaan aikaan hallitusti. Valmistustekniikoina jauhemaisten materiaalien kompaktoinnissa käytettiin HIP- ja SHS-menetelmiä. Pinnoitustekniikoiden osalta kehitettiin termisesti ruiskutettuja gradienttipinnoitteita, jotka a) kestävät paremmin korroosiota ja b) tarttuvat paremmin kovien perusmateriaa-lien pinnalle. Käyttämällä kahta jauheensyötintä HVOF-prosessissa samanaikaisesti, selvitettiin mahdollisuudet valmistaa pinnoite, joka muuttuu asteittain metallisesta keraamiin. Liitostekniikan osalta kehitettiin keraami/keraamikomposiitti-metalliliitoksia, joissa liitospinta-alan koko on nykyistä käytössä olevaa teknologiaa suurempi ja joilla on hyvä pitkäaikaiskäytön ja lämpötilavaihteluiden kestävyys korotetuissa lämpötiloissa. Kehitetyistä liitostyypeistä valmistettiin täyden mittakaavan demonstraatiokappaleet.

Raportissa esitellään FG-materiaalien valmistusta. FG-materiaalilla tarkoitetaan komposiittimateriaalia, jossa aine muuttuu toiseksi ilman terävää rajapintaa. FG-materiaaleja on tehty VTT Valmistustekniikassa isostaattisella kuumapuristuksella (HIP) sekä SHS-menetelmällä. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan, miten näitä tekniikoita on sovellettu erityisesti FG-materiaalien valmistukseen. Isostaattinen kuumapuristus ja SHS esitellään. Tässä tutkimuksessa on keskitytty valmistamaan rauta-alumiinioksidi- ja titaanidiboridi-kuparikomposiitteja. Rauta-alumiinioksidi-FG-materiaalia voidaan käyttää erityisesti kulumiskestävyyttä vaativissa sovelluksissa, kun rauta korvataan kohteeseen soveltuvalla teräslaadulla. Sen avulla teräksestä valmistettuun komponenttiin saadaan paikallisesti kulumista kestävä osa. Titaanidiboridi-kuparikomposiittien sovelluskohteina ovat lähinnä sähkötekniikan kontaktipinnat, joista tulee hyvin kestäviä titaanidiboridin kovuuden ansiosta.

Biomassan paineistettu kaasutus tapahtuu noin 1000 °C:n lämpötilassa ja 20-30 baarin paineessa. Reaktori koostuu tulenkestävästä massasta tai tiilirakenteesta, eristekerroksesta ja metallivaipasta. Tulenkestävän massan on kestettvä kaasutusoloissa mm. vedyn, vesihöyryn, hiilimonoksidin, rikkivedyn ja alkalimetallien vaikutusta sekä lisäksi leijupatjan kuluttavaa vaikutusta. Kirjallisuuden perusteella peruskysymys on, onko tulenkestävän rakenteen oltava korkean alumiinioksidipitoisuuden omaavaa aluminaattisementtisidosteista massaa vai tullaanko toimeen vähemmän alumiinioksidia sisältävällä alumiinisilikaattimassalla. Kokeita tehtiin puhtaassa vedyssä 1000 °C:n lämpötilassa ja 10 baarin paineessa, leijupatjauunissa vety hiilimonoksidiatmosfäärissä ja rikkivetypitoisessa atmosfäärissä. Lisäksi tehtiin hiekkapuhalluskokeita erilaisille ja eri lämpötiloissa käsitellyille massoille. Kokeitten perusteella paineistetussa vetyatmosfäärissä 1000 asteen lämpötilassa vedyn aiheuttama pelkistyminen ei aiheuta merkittävää materiaalihukkaa sen paremmin alumiinioksidi kuin alumiinisilikaattimassoillekaan. Hiilimonoksidin aiheuttamat ongelmat ovat kirjallisuuteen pohjautuvien arvioitten perusteella nissä lämpötiloissa vielä vähäisemmät. Rikkivety aiheuttaa muutoksia massojen sideaineeseen, mutta muutosten merkitystä ei vähäisen koeaineiston vuoksi voi arvioida. Hiekkapuhalluskokeitten perusteella alumiinioksidimassakin lujittuu merkittävästi jo 900 asteen lämpötilassa ja kestää kaikissa oloissa kulumista paremmin kuin alumiinisilikaattimassa. Alumiinioksidimassa osoittautui kaikissa kokeissa hieman alumiinisilikaattimassaa paremmaksi, mutta ainakin kemiallisten vaikutusten ero oli niin vähäinen, että sen perusteella on vaikea suositella teollisuuden rakenteisiin kalliimpaa alumiinioksidimassaa. Kulumiskestävyysero voi olla hieman suurempi, mutta tehdyt kokeet eivät välttämättä kovin hyvin vastaa teollisuusolosuhteita.

Raportissa esitellään FG materiaalit ja kirjallisuuteen pohjautuen niitten tutkimuksen, tuotekehityksen ja valmistuksen taso maailmalla sekä valmistusmenetelmät. Lisäksi on esitetty FG materiaalien käyttökohteita suomalaisessa teollisuudessa. FG materiaalilla tarkoitetaan komposiittimateriaalia, jossa aine muuttuu toiseksi ilman terävää rajapintaa. FG materiaali voi olla erillinen kappale tai FG materiaalikerroksen avulla voidaan parantaa pinnoitteitten ja liitosten kiinnipysyvyyttä. Sopivat metallin ja keraamisen materiaalin yhdistelmät kestävät valtavia lämpötilaeroja. Kulumis- ja korroosiokestävyys ovat yhtä hyvät kuin materiaaliparin kestävämmän osapuolen. Erikoissovelluksia odotetaan löytyvän myös elektroniikan ja biotekniikan alueelta. FG materiaaleja on kehitetty järjestelmällisesti Japanissa vuodesta 1984 lähtien. Japanilaisen tutkimus- ja kehitystyön tavoitteena ovat olleet avaruuslentokoneisiin, fuusio reaktoreihin ja lentokonemoottoreihin tarvittavat suuria lämpötilaeroja kestävät materiaalit, mutta järjestelmällisen etsinnän tuloksena on löydetty myös suuri joukko tavanomaisempia sovelluskohteita. Euroopassa ja USA:ssa on niin yliopistojen, tutkimuslaitosten kuin teollisuudenkin mielenkiinto FG materiaaleja kohtaan lisääntynyt merkittävästi viime vuosina.

Julkaisussa käsitellään uunien lämmöneristeenä käytettävien keraamisten kuituvuorausten käyttöön liittyviä ongelmia Suomen teollisuudessa. Kokeellista tutkimusta varten rakennettiin siirrettävä koeuuni, johon asennettiin lämmöneristeeksi yhdeksän erilaista korkealämpötilakuitumateriaalia tai rakennetta. Uunissa poltettiin propaania ja teollisuuden prosessikaasuja 1 300 oC:n lämpötilassa. Kuitueristeille vahingollisia aineita ovat mm. poltettavan kaasun mukana uuniin kulkeutuva alkalimetallipitoinen pöly, koska alkalimetallit alentavat kuitujen sulamislämpötiloja, sekä runsasrikkisen raskaan polttoöljyn palokaasut ja etenkin niitten mukana kulkeutuva vanadiini. Alkalimetallipitoisen pölyn vaikutusta tutkittiin teollisuusuunista otetuista näytteistä ja myös laboratoriokokein. Raskaan polttoöljyn vaikutusta tutkittiin teollisuusuunin seinään asennettujen koepalojen avulla. Koeuuni oli n. 1,5 kuukautta käyttölämpötilassaan. Tämän ajan kaikki tutkitut materiaalit kestivät vahingoittumatta. Vuorauksen pintaosissa alumiinisilikaatti ja alumiinioksidikuidut muuttuivat kiteisiksi ja sintrautuivat osaksi yhteen, mutta zirkoniumoksidipitoisten kuitujen vauriot olivat vähäisempiä. Havaittu eristeitten kutistuma käyttäytyi luokituslämpötilan mukaisesti. Myös tutkitut eristerakenteet kestivät kokeet, joskin eroja oli havaittavissa. Kuitumoduuleista tai erilaisista kuitu huopakerrosten ja kuituhuopamoduulien yhdistelmistä tehdyt rakenteet tuntuivat luotettavimmilta. Lämpötilamittaustuloksista havaittiin, että eristerakenteen sisäisen kaasuvirtauksen estäminen esimerkiksi pinnoitteen tai kerrosten välissä olevan tiiviin kerroksen avulla alensi lämpöhäviöitä ja uunin pintalämpötiloja. Sama vaikutus oli kovetetuilla levyillä ja moduuleilla.

Käsitteeseen "modifioidut metallit" on tässä julkaisussa sisällytetty metallimatriisikomposiitit, bimetallit ja muistimetallit. Julkaisun alkuosassa on esitetty tietoja modifioitujen metallien ominaisuuksista. Jatkossa on käsitelty erilaisia ideoinnin tuloksena löytyneitä rakennusteollisuuden kohteita. Bimetallien käyttö lämpökytkimien, -releittein ja mittarien lämpötilamuutokseen reagoivissa elimissä on jo vakiintunut. Muistimetalleja käytetään erilaisissa putki- ja sähköliittimissä ja tuuletusikkunoitten ja ilmastointilaitteitten säätimissä. Metallimatriisikomposiittien tähänastiset käyttöalueet ovat olleet avaruus-, lentokone- ja sotateollisuudessa, mutta käytön lisääntyessä materiaalien hinnat ovat laskemassa ja käyttöä muillakin aloilla kannattaa jo tutkia. Tässä tutkimuksessa tarkastelluista metallimatriisikomposiittien käyttösovellutuksista ei mikään ole vielä valmis tuotteeksi, mutta tavoitteena on, että niistä löytyisi vihjeitä sellaisten rakennusteollisuuden materiaaliongelmien ratkaisemiseen, joihin perinteisten materiaalien ominaisuudet eivät riitä.

Julkaisussa käsitellään teräs- ja alumiinimatriisikomposiittien valmistusta ruiskupuristamalla. Ruiskupuristettavia massoja on valmistettu erilaisista jauheista ja jauheitten seoksista ja massoista on puristettu kappaleita. Sideaineenpoistoja on tehty sekä alipaineessa että typpivirtauksessa ja kappaleita on sintrattu eri lämpötiloissa. Metallimatliisikomposiitteja valmistettaessa sideaineenpoistovaiheessa tai viimeistään sintrauksessa kohdattiin vaikeuksia. Alumiini- ja alumiinimatriisikomposiittikappaleet kuplivat sideaineenpoistossa ja sintrattuihin kappaleisiin jäi alkuperäisten partikkelien pintaan oksidikerros. Teräsmatriisikomposiittikappaleista sideaine poistui, kun uunissa oli typpivirtaus. Sintratut kappaleet olivat huokoisia, tai jos ne saatiin tiiviiksi, kappale osittain suli sintrattaessa. Kappaleitten Amborakennekuvista voitiin päätellä, että ruiskupuristusprosessissa lujite saadaan tasaisesti matriisimateriaalin sekaan.

Tutkimuksessa on käsitelty joidenkin metallijauheiden ruiskupuristuksessa käytettyjen kestomuovipohjaisten sideainoseosten komponenttien rakennetta ja rakenteen vaikutusta ominaisuuksiin sekä sideaineenpoistoon vaikuttavia uuniteknisiä ja fysikaalis-kemiallisia tekijöitä. Näiden avulla on yritetty selittää havaittuja sideameenpoiston vaikeuksia ja eri massojen käyttäytymistä sideaineenpoistossa. Kaikista kokeilluista seoksista saadaan virheettömän näköisiä puristettuja testisauvoja, mutta joistakin löydetään röntgenläpivalaisumenetelmällä sisäisiä virheitä. Puristettavuus ja puristuslämpötila voidaan luotettavasti ennustaa sulaindeksimittauksella. Prosessia tutkittaessa suuritöisin vaihe on sideaineenpoisto. Täysin onnistuneeseen, toistettavaan sideaineenpoistoon ei ole päästy vielä millään sideaineseoksella. Syyksi epäillään käytettävissä olevan alipaineuunin rakennetta: uuniin ei saada tarvittavaa kaasuvirtausta. On selviä viitteitä siitä, että massoja olisi kahta täysin eri lailla sideaineenpoistossa käyttäytyvää tyyppiä, mutta täyttä varmuutta ei ole saatu, koska tehdyissä parafiinipohjaisissa kappaleissa on ollut vikoja jo puristusvaiheessa. Näiden massojen kiehumistaipumus alipaineessa ei ole yhtä suuri kuin muitten tutkittujen massojen. Useimmista tutkituista massoista sideaine poistuu paremmin suojakaasuatmosfäärissä. Fysikaaliskemiallisen tarkastelun perusteella tärkeimpiä sideaineenpoistumiseen vaikuttavia tekijöitä ovat lämpötila, paine, komponenttien höyrynpaineet, kaasuvirtaus uunissa ja sideaineseoksen viskositeetti.

Julkaisussa käsitellään metallien ruiskupuristusprosessin alkuvaihetta, materiaalien valintaa, sekoitusta, ruiskupuristusta ja puristettuja kappaleita. Käytettyjä laitteita ja puristettuja massoja ja niiden soveltuvuutta prosessiin tarkastellaan. Ilmeistä on, että visuaalisen tarkastelun perusteella hyväksyttäviä puristettuja kappaleita saadaan aikaan monista eri sideaineseoksista, eikä jauheitten raekoko tai laatukaan aseta rajoituksia. Röntgentarkastuksenkin perusteella monet kappaleet ovat hyviä. Sideaineenpoiston vaatimusten oletetaan rajoittavan sideaineitten valintaa paljon enemmän kuin sekoituksen ja puristuksen.