A v a n s e rtema t e r i a ler i N o r ge 2020 V e d legg I: Mat e r i a lfo rskning i N o r ge

A v a n s e rtema t e r i a ler i N o r ge 2020 V e d legg I: Mat e r i a lfo rskning i N o r ge

Avanserte materialer Norge 2020 Vedlegg I: Materialforskning i Norge

Prosjektgruppen Spesialrådgiver Astrid Brenna, prosjektleder Professor Helmer Fjellvåg Professor Jan Petter Hansen Rådgiver Aase Hundere Programkoordinator Dag Høvik Spesialrådgiver Dag Kavlie Industridesigner Kjersti Kviseth Programrådgiver Hjalmar Sigurdsson Forskningsdirektør Aage Stori Professor Sigurd Støren Direktør Ellen D. Tuseth Spesialrådgiver Ellen Veie Forskningssjef Håkon Westengen Spesialrådgiver Lars A. Ødegaard Spesialrådgiver Erik F. Øverland Norges forskningsråd/satsinger/innovasjon UiO, Senter for materialer og nanoteknologi Universitetet i Bergen, Fysisk institutt Norges forskningsråd/vitenskap/satsinger Norges forskningsråd/satsinger/innovasjon Norges forskningsråd/innovasjon kk design Norges forskningsråd/innovasjon SINTEF Materialer og kjemi NTNU, Inst. for produktutvikling og materialer Norspace AS Norges forskningsråd/satsinger Hydro Competence Center Norges forskningsråd/satsinger Norges forskningsråd/satsinger Norges forskningsråd 2006 Norges forskningsråd Postboks 2700 St. Hanshaugen 0131 OSLO Telefon: 22 03 70 00 Telefaks: 22 03 70 01 Publikasjonen kan bestilles via internett: http://www.forskningsradet.no/publikasjoner eller grønt nummer telefaks: 800 83 001 Grafisk design omslag: Melkeveien designkontor as Foto omslag:merd:vidar Vassvik, Ny merd: Sintef, Torsk: Eksportutvalget for fisk, Nano: Pjotr Rotkiewics, Aluminiumprofil: Norsk Hydro, Dråpe: Zefa/Scanpix, Mobiltv:Finn Halvorsen, Gutt: Jarle Brevik. Bildet er fra Scitoriums interaktive DNA-laboratorium, utviklet i samarbeid med FUGE og Biotek2020 for Forskningsdagene 2004 Trykk: Omslag: Powerprint as, innmat Forskningsrådets hustrykkeri Opplag: 250 ISBN 82-12-02243-9 (trykksak) ISBN 82-12-02244-7 (pdf) Oslo, mai 2006 2

Innholdsfortegnelse Kap. 1 Innledning... 5 Kap. 2 Materialforskning og nanoteknologi hos de sentrale FoU-aktørene... 7 2.1 Innledning... 7 2.2 Universiteter og høgskoler... 7 2.3 Forskningsinstituttene... 11 2.4 Tabeller... 15 Kap. 3 Status og muligheter knyttet til de ulike typer materialer... 19 3.1 Hovedkategorier materialer, teknologiske og vitenskapelige aspekter... 19 3.2 Strukturelle, metalliske materialer... 20 3.2.1 Lettmetaller... 20 3.2.2 Konstruksjonsstål (inkl. rustfrie stål)... 29 3.2.3 Ferrolegeringer... 33 3.2.4 Silisium (teknisk)... 36 3.2.5 Karbonmaterialer... 39 3.2.6 Støpejern... 43 3.2.7 Metalliske materialer for spesielt krevende anvendelser... 45 3.2.8 Sink, nikkel, kobber og kobolt... 48 3.2.9 Metalliske belegg... 51 3.2.10 Organiske belegg... 53 3.2.11 Sammenføyningsmetoder... 56 3.3 Strukturelle, ikke-metalliske materialer... 58 3.3.1 Polymermaterialer/plast (termoplast og gummi)... 58 3.3.2 Plastkompositter... 62 3.3.3 Komposittmaterialer basert på naturlige råstoff... 65 3.3.4 Trematerialer... 68 3.3.5 Trefiberbaserte produkter (papir, kartong og nye materialer)... 72 3.3.6 Keramiske materialer; glass, porselen, steintøy... 75 3.3.7 Betong... 78 3.4 Funksjonelle materialer... 81 3.4.1 Halvledere for IKT... 81 3.4.2 Fotovoltaiske materialer... 84 3.4.3 Materialer for energilagring og energikonvertering... 87 3.4.4 Sensor- og aktuatormaterialer... 98 3.4.5 Ioneledende materialer... 100 3.4.6 Membraner... 103 3.4.7 Katalysatorer... 107 3.4.8 Adsorbenter... 109 3.4.9 Optiske materialer... 111 3.4.10 Dielektriske materialer (inkl. isolatorer, ferro/piezo/pyroelektriske materialer)... 113 3.4.11 Smarte materialer... 115 3.4.12 Huskemetaller (memory metals)... 116 3.4.13 Materialer for vannelektrolyse... 119 3.4.14 Tynnfilm-materialer... 121 3.4.15 Materialer for elektrisk høyspenningsisolasjon... 124 3.5 Nanoteknologi og nanomaterialer... 128 3.5.1 Teoriutvikling og forskningsverktøy... 128 3.5.2 Nanomaterialer med nye funksjonelle og strukturelle egenskaper... 129 3.5.3 Materialer for ny energiteknologi (hydrogenteknologi o. a.)... 133 3.5.4 Nanomedisin og kontrollert medisintilførsel... 134 3.5.5 Nano-optikk og nano-fotonikk... 136 Alfabetisk liste over bidragsyterne... 139 3

4

Kap. 1 Innledning Prosjektet Avanserte materialer Norge 2020 ble igangsatt våren 2004 for å utvikle perspektiver frem mot år 2020 som underlag for Forskningsrådets strategiske arbeid med prioriteringer, virkemiddelbruk og organisering av forskning og innovasjon innen materialteknologi inklusive nanoteknologi. Utgangspunktet for arbeidet var visjonen: Norge som en innovativ bruker og produsent av materialer i 2020. Bakgrunnen for prosjektet var at material- og nanoteknologi i løpet av de siste årene har fått betydelig oppmerksomhet når det gjelder mulighetene for et nytt og innovativt næringsliv knyttet til disse teknologiområdene. I Norge har man imidlertid ikke hatt noen helhetlig strategi for materialteknologisk forskning siden på slutten av 1980-tallet. Prosjektet ble derfor igangsatt for å gi nye innspill og helhetlige strategiske anbefalinger til Forskningsrådet vedrørende organisering av og prioriteringer innen material- og nanoteknologisk forskning i et langsiktig perspektiv. Arbeidet ble ledet av en prosjektgruppe oppnevnt av Forskningsrådet, som besto av en rekke sentrale personer fra forskning, utdanning og næringsliv. Gruppen representerte stor faglig bredde innen feltet og samarbeidet med Forskningsrådets egne saksbehandlere. I tillegg ble det involvert en rekke fageksperter, personer med ulik bakgrunn fra næringslivet, samt ulike offentlige og private beslutningstakere og meningsbærere. Prosjektet omfattet i utgangspunktet alle næringssektorer og bruksområder hvor produksjon og/eller bruk av tradisjonelle eller nye materialer og nanoteknologi har betydning for Norge i dag, eller kan forventes å få betydning i fremtiden. Dette representerer et stort antall materialer innen alle kategorier. En gjennomgang av de norske forskningsmiljøene viser både kunnskap og kompetanse innen de fleste av disse materialene, noe som kan utnyttes i næringsøyemed for norsk industri. Denne rapporten, som er en vedleggsrapport til rapporten Avanserte materialer Norge 2020: Vår utfordrende nano- og materialfremtid (Norges Forskningsråd 2005), gir en oversikt over norske FoUmiljøer innen material- og nanoteknologi (kap. 2) samt en omfattende oversikt over status og muligheter knyttet til de ulike typer materialer i Norge (kap. 3). Denne oversikten omfatter de aller fleste materialer der det finnes kompetanse i de norske FoU-miljøene, og hvert bidrag er skrevet av én eller flere sentrale norske spesialister i disse miljøene. En oversikt over bidragsyterne finnes bakerst i rapporten. For noen få viktige materialer har vi ikke lyktes med å få frem bidrag i tide til denne rapporten. Totalt sett representerer denne samlingen av bidrag en unik oversikt over den materialfaglige kompetansen i de norske FoU-miljøene og de ulike materialrelaterte muligheter som dette utgjør for norsk næringsliv. 5

6

Kap. 2 Materialforskning og nanoteknologi hos de sentrale FoU-aktørene 2.1 Innledning Informasjonen om forsknings- og utviklingsaktiviteten ved de ulike institusjoenen beskrevet i dette kapittelet, er basert på informasjon fra institusjonenes egen nettsider og i enkelte tilfeller direkte kommuniksjon med institusjonen. Institusjonene har gitt tilbakemelding til prosjektgruppen vedrørende tallmaterialer gjengitt i tabell 1 og tabell 2. 2.2 Universiteter og høgskoler Universitetet i Oslo Materialforskning ved Universitetet i Oslo foregår i hovedsak ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN), som er en samarbeidsplattform med deltagelse av forskningsgrupper fra Kjemisk institutt og Fysisk institutt. Seks forskningsgrupper innen forskningsfeltene katalyse, fysikalsk elektronikk, struktur fysikk, faststoff elektrokjemi, superledning og uorganisk kjemi og materialvitenskap utgjør kjernen ved SMN. Mange av aktivitetene ved SMN er i evalueringer av Forskningsrådet vurdert å være av meget høy kvalitet, og miljøene er nasjonalt ledende innen mange felt. 27 professorer er involvert i materialforskningen ved SMN. Med utgangspunkt i Norges store naturgassressurser er omdanning av naturgass til andre brennstoffer og petrokjemiske mellomprodukter et hovedområde for katalysegruppen ved UiO. Hovedsatsingen er på nye katalysatormaterialer og studier av reaksjonsmekanismer for viktige industrielle prosesser Innen fysikalsk elektronikk har man valgt sensorer og halvledermaterialer som nisjer, hvor muligheter for å hevde seg internasjonalt er betydelig. Innen halvlederteknologi dekkes områder fra teori til prosessutvikling og instrumentering. Gruppen er tilknyttet det nye laboratoriet for mikro- og nanoteknologi (MiNalab), som er Norges mest avanserte laboratorium for forskning på disse områdene. MiNalab eies av SINTEF og UiO. Ved laboratoriet for superledning har forskerne spesialisert seg på å studere de magnetiske egenskapene til superledere. Dette har resultert i utviklingen av metoden Magneto-Optical-Imaging, hvor magnetiske flukslinjer og deres bevegelse gjennom superlederen avbildes. Kompetansen, utstyret og teknologien er enestående og benyttes av forskere fra hele verden. Gruppen har også stor aktivitet innen teori på superledere. Aktiviteten innen faststoff elektrokjemi er sentrert rundt funksjonelle keramiske materialer og deres defektstruktur, defektkjemi og defektavhengige egenskaper. Hovedvekten ligger på oksider og andre oksidiske forbindelser ved høy temperatur, med anvendelser innen brenselceller, gasspermeable membraner, korrosjonsbeskyttende sjikt, m.m. Utvikling av nye materialer med helt spesielle egenskaper står sentralt ved SMN fra syntese via strukturbeskrivelse til karakterisering av fysikalske egenskaper, termodynamikk og modellering. Tynne filmer er en av spesialitetene, men nanokrystaller, nanotråder og nanorør er også på forskningsprogrammet. Tynne filmer med spesialdesignede egenskaper kan brukes til mange formål som sensorer, solceller og membraner. Oksygenselektive membraner kan blant annet brukes i brenselceller, til gassrensing eller til konvertering av naturgass. Materialer for lagring av hydrogen i fast stoff står også sentralt i forskningen ved SMN. SMN konsentrerer sin nanoteknologistrategi SMNano rundt fem utvalgte områder: Katalyse i nanovolum og på nanopartikler Design og fremstilling av nanostrukturer Funksjonelle overflater Mesoskopisk fysikk Nanodevices og nanosensorer I tillegg stimuleres tverrfaglige aktiviteter mot Bionanoteknologi og nanoteknologi innen medisin og odontologi samt forsknings samarbeid knyttet til Etiske aspekter ved nanoteknologi 7

SMNano adresserer i tillegg til grunnforskning innen nanoteknologi, kompetansemessig grunnlag for bruk av nanostrukturerte materialer for fremskritt innen energiteknologi, med fokus på miljøvennlige, effektive energiprosesser olje-, gass- og miljøteknologi, med fokus på miljøvennlig prosessteknologi mikroteknologi og IKT, med fokus på superledende, multiferroiske og hybride tynnfilmkomponenter Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) NTNU har et hovedansvar for ingeniørutdanning på mastergradsnivå i Norge. Forskningen involverer alle typer materialer fra konstruksjonsmaterialer (metall, tre, betong etc.) til funksjonelle materialer (halvledere, optiske fibere, polymerer, funksjonelle oksider, heterogene katalysatorer, flytende krystaller, biokompatible materialer etc.). Materialer er ett av seks tematiske satsingsområder innen universitetets hovedprofil. Lettmetaller, funksjonelle materialer, polymerer, kompositter og materialer og konstruksjoners integritet er identifisert som hovedområder for denne strategiske satsingen. NTNU etablerte i 2004 NTNU Nanolab. NTNU Nanolab skal være en tverrfaglig møteplass for forskere innen tradisjonelle disipliner som fysikk, biologi, kjemi, elektronikk, materialteknologi og medisinsk teknologi. I tillegg etablerer NTNU Nanolab egne laboratorier, åpne for alle forskere ved universitetet som driver med nanoteknologisk forskning. Renrom for syntetiske kjemiske nanostrukturer skal stå ferdige i 2006, og renrom for henholdsvis fysikalske og biologiske metoder skal være ferdige i 2007. NTNU NanoLab har valgt å fokusere på fire hovedområder: nanoelektronikk, nanomagnetisme og nanofotonikk, nanostrukturerte materialer, bionanoteknologi og nanoteknologi for energi og miljø. 77 fast vitenskapelig ansatte ved ulike fakulteter er involvert i materialforskning ved NTNU. 1 Lettmetaller: Produksjon av lettmetaller i Norge, herunder aluminium, magnesium og silisium, følger de lange nasjonale tradisjonene til den vannkraftbaserte elektrisitetsproduksjonen. Fagfeltet dekker teknologier som utvinning, raffinering, resirkulering og utvikling og varmebehandling av rene metaller og legeringer. I tillegg har NTNU spesialisert seg innen metallkarakterisering og på stabilitet og sammenbrudd av konstruksjoner i lettmetaller. Hovedsatsingen omfatter følgende områder; primær utvinning, lettmetallprosessering og utvikling av legeringer og konstruksjoner i lettmetaller. Funksjonelle materialer: Funksjonelle materialer og nanoteknologi vil være avgjørende i utviklingen av ny teknologi for miljøvennlig energiutnyttelse, i den petrokjemiske industrien, i informasjonsteknologi og til telekommunikasjonssystemer. Ved NTNU har man over tid hatt satsing på områdene: Syntese og karakterisering av sammenhengen mellom struktur og egenskaper av oksider i bulk og av enkeltkrystaller og tynnfilmer fra epitaksielle oksider Teoretisk og eksperimentelt arbeid på sterkt korrelerte systemer, med vekt på superledende oksider med høy temperatur Elektrokatalytiske egenskaper og transportegenskaper hos oksider med stor ledningsevne for elektroner og oksygenioner Epitaksi, karakterisering og praktisk anvendelse av ferroelektriske og pyroelektriske tynnfilmstrukturer Solcellematerialer og silisium, elektrokjemisk energiteknologi og membraner og katalysatorer er blant de prioriterte satsingsområdene innen funksjonelle materialer. Polymerer og kompositter: Plast Polymerer og kompositter kan enkelt forklares som henholdsvis plast og plastbaserte materialer. Dette er menneskeskapte materialer - laget av olje og gass som har vært gjennom kjemiske prosesser. 1 Tall pr desember 2004. 8

Stadig forbedrede metoder for resirkulering har gjort plast om fra søppel til ressurs.polymerer er et dominerende materiale på verdensbasis. Norge har en helt unik posisjon som produsent av plastråstoff (polymere). NTNU har aktivitet innen områdene produksjon av bulkpolymerer, kolloid kjemi, biopolymerer, avanserte kompositter, biokompositter og nanokompositter. Sentrale forskningstema innen disse materialkategoriene er: (1) Utvikling av skreddersydde polymerer (2)Polymere legeringer relativ ekstrusjon modifisering av polymerer (3) Sammenhenger mellom struktur og egenskaper (4) Simulering av formingsmetoder som sprøytestøping og ekstrusjonsbaserte prosesser. En kompositt er sammensatt av to eller flere materialer. For eksempel kan en fiberkompositt bestå av materialene plast og fiber.forskningsaktiviteten ved NTNU innenfor kompositter er typisk anvendelsesrettet med søkelys på strukturelle anvendelser av kompositter offshore (strekkstag og stigerør), skademekanikk, prosessutvikling for herdeplastbaserte matrikssystemer, som vakuuminfusjon og til slutt produksjonsmetoder for termoplastbaserte kompositter (prepergs, profiltrekking, vikling, pressing m.m.) Det er også en aktivitet innenfor bionanokompositter ved NTNU. Gruppen ved NTNU arbeider med disse biologisk nedbrytbare materialene basert på naturlige biopolymerer og forsterkningsmaterialer i nanostørrelse av kitin og cellulose. Materialer og konstruksjoners integritet Konstruksjoners integritet er et nytt satsingsområde for Materialer ved NTNU i 2004. Området dekker forhold som påvirker styrke og levetid hos mekaniske konstruksjoner med oppmerksomheten rettet mot brudd- og skademekanikk. Her inngår modeller og eksperimentelle metoder for å karakterisere styrke, levetid og pålitelighet for materialer og konstruksjoner som utsettes for statiske og dynamiske belastninger, korrosive miljøer, termiske belastninger, osv. Universitetet i Bergen Universitetet i Bergen har forskningsaktiviteter relatert til material- og nanovitenskap ved Kjemisk institutt, Institutt for fysikk og teknologi, samt innen biomaterialer ved Odontologisk institutt og Institutt for kirurgiske fag. En stor del av aktivitetene ved Institutt for fysikk og teknologi er samarbeidsprosjekter med Avdeling for beregningsvitenskap (BCCS). Universitetet i Bergen har i sin strategiplan for nanovitenskapelig forskning tre hovedsatsingsområder: NANOBIO, NANOPROCESS og NANOBASIC alle med innslag av materialforskning. Programmet ble startet i 2005. 19 fast vitenskapelig ansatte har forskningsaktivitet som omfatter helt eller delvis materialer og nanoteknologi. 2 Kjemisk institutt har forskningsaktivitet innen kvantekjemiske studier av katalytiske reaksjoner innen naturgassforedling, mens heterogen katalyse er et område under oppbygging. Forskningen på dette feltet er i ferd med å dreie mer mot syntese, karakterisering og funksjonalisering av nye nanostrukturerte katalysatorer. Reaktivitetsstudier av molekyler i gassfase og væskedråper er et annet tematisk område ved instituttet. I tillegg har man noe aktivitet rettet mot magnetisering i metallkompleksbaserte faste stoffer, samt karakterisering av antocyaner/flavonoider og deres utnyttelsesområder mot bioprospektering og metallkoordinering av oligonukleotider. Man ser nå på alternativer for nanoteknologiske anvendelser av disse biomolekylene. Instituttet for fysikk og teknologi har bred kompetanse innen detektorutvikling og sensorteknologi, med anvendelsesområder fra romfysikk og høyenergiprosjekter til olje- og gassindustri. Instituttet har også betydelig kompetanse innen teori og modellering og prosessteknologi. Der er også forskere som har erfaring fra nanomaterialer (nanorør av karbon) og optisk spektroskopi i tilknytning til diagnostiske bioprosesser. 2 Tall pr desember 2004 9

For universitetets satsing mot NANOBIO vil to av de basalbiologiske instituttene; Institutt for biomedisin og Institutt for molekylærbiologi, stå sentralt i å legge til rette for mer forskning mot biomaterialer og biologiske nanoapplikasjoner. Sentrale forskningsfelt vil være innen alginater som et redskap for genterapeutisk behandling av kreftsvulster. Et annet felt er forskning på nanonivå med bruk av nanoapplikasjoner for å studere kommunikasjon mellom -celler både in vitro og in vivo. Forskningen omfatter in vivo sensorteknologi, in vitro éncellelag/matrisestudier og in vivo tissueengineering. I tillegg har man planer om å starte opp tverrfaglig internasjonalt samarbeid for forskning på nanopartikler for medisinering (drug delivery). Odontologisk institutt/institutt for kirurgiske fag har pågående forskning på biomaterialer for tannrestaureringsmaterialer, proteser og frakturimplantater. De samarbeider både internt og eksternt med internasjonale miljøer for å vurdere biokompatibilitet og fysikalske egenskaper med tanke på kliniske anvendelser. Universitetet i Tromsø Institutt for kjemi Innen uorganisk kjemi og materialkjemi setter man søkelyset på syntetisk modellering og datasimulering av metallinneholdende enzymer og syntetisk metodeutvikling innen fluorkjemi, selfassembly -prosesser og dynamisk kombinatorisk kjemi. Institutt for fysikk Ved instituttet er den en liten gruppe som jobber innen integrert optikk til mikrosensorer. Forskningen konsentrerer seg for tiden om optisk fanging av nano- og mikropartikler med lys. Dette er en kombinasjon av optisk pinsett og integrert optikk. Målet er å lage komplette mikrosystemer for fanging, manipulasjon og deteksjon av partikler. Institutt for farmasi Instituttet har en ung og liten forskningsgruppe innen Drug Transport and Drug Delivery med hovedsakelig to forskere innen faststoffegenskaper som er relevante for legemiddelproduksjon, samt termodynamikk av disse og nanoskalerte drug carriers som målsøkende medisiner og som implantat til kontrollert frisetting. Universitetet i Stavanger Ved Institutt for konstruksjonsteknikk og materialeteknologi drives det både eksperimentelle og mer teoretisk baserte forskningsaktiviteter innen materialer. Her kan nevnes røntgenstrålediffraksjon, elektronkrystallografi, herding av aluminiumslegeringer, keramiske materialer, duplex rustfritt stål og kompositter, og korrosjons- og strukturstudier av høyporøs kalk. Instituttet ønsker å involvere seg sterkere i forskning innen funksjonelle materialer og nanoteknologi både nasjonalt og internasjonalt. Høgskolen i Agder Ved Fakultet for realfag har man innen materialteknologi ett løpende prosjekt innen oljebrønnsement for høye trykk og temperaturer. Universitetsstudiene på Kjeller (UniK) UniK har lite aktivitet på materialteknologi. En professor er engasjert i forskningsprosjekter innen optikk, og disse har delvis innslag av materialteknologi. Høgskolen i Narvik Forskningsgruppen innen bygningsteknologi har rettet oppmerksomheten mot sementbaserte materialer via eksperimentelle studier for verifisering av materialmodeller og utvikling av nye bærekraftige materialer. Modellering går for det meste mot masse- og varmetransport. Forskningen inkluderer også lavenergimaterialer som minimaliserer negativ miljøpåvirkning. Forskningen er hovedsakelig orientert mot teoretiske og eksperimentelle studier av massetransport i sementbasert 10

materialer, bestandighet i betongstrukturer og design og funksjon av mindre trehus i ekstremt kalde klima. Høgskolen i Telemark HiT har materialteknisk forskning sammen med Tel-Tek, men noe av aktivitetene blir indirekte siden man studerer prosesser og strømning av materialer. Rettet metallstørkning Bakgrunnen for problemstillingen er at det er ønskelig å se hvordan størknehastighet påvirker segregering av urenheter i størknet metall, slik at det oppnås mest mulig rent metall under produksjon. Eksperimentelt arbeid for å finne optimal størknehastighet blir utført av en industriell partner. Ved hjelp av modellering, simulering og regulering er målet er å finne en sammenheng mellom størknehastighet og tilført effekt i produksjonsovnen. Materialteknologi aktiviteter innen pulverteknologi Pulverteknologi er knyttet til produksjon, transport, lagring, håndtering og bruk av partikulære materialer. Virksomheten rundt karakterisering regnes i denne sammenheng å falle innenfor materialeteknologi. Tel-Tek, avd. POSTEC, arbeider med karakterisering av partikulære materialer. Sentrale egenskaper som studeres, er partikkelstørrelsesfordeling, spesifikke overflater, partikkeltetthet, bulktetthet, flytegenskaper og støving. Produksjon av pulvere med partikler rundt 1 µm har også vært en av spesialitetene til Tel-Tek, avd. POSTEC. Høgskolen i Vestfold Satser på utdanning av ingeniører innen mikroteknologi. De har løpende forskningsprosjekter innen mikroteknologi som har relevans for materialteknologi. 2.3 Forskningsinstituttene SINTEF SINTEF Materialer og kjemi Forskningsaktiviteter ved SINTEF omfatter utvikling og anvendelser av de fleste typer materialer. Ved SINTEF Materialer og kjemi arbeider man med funksjonelle materialer innenfor de fleste typene (metaller, polymerer og keramer). Forskning og utvikling innen funksjonelle uorganiske materialer er spesielt rettet mot membranteknologi, mikro- og nanoteknologi og katalyse. SINTEF besitter betydelig kunnskap og erfaring innen et bredt spekter av karakteriseringsteknikker, blant annet elektronmikroskopi, røntgendiffraksjon, SPM-teknikker og elektronspektroskopi, og har god kompetanse innen avansert syntese. Målet for SINTEF er å utvikle sterk kompetanse innen utvalgte deler av området funksjonelle materialer for derigjennom å bidra til nye produkter og prosesser, og etablering av nye industribedrifter. Divisjonen Materialer og kjemi har følgende avdelinger Anvendt mekanikk og korrosjon, Bioteknologi, Energikonvertering og materialer, Marin miljøteknologi Metallurgi,Prosesskjemi, Prosessteknologi og Syntese og egenskaper Sentrale områder for utnyttelse av naturgass er utvikling, testing og karakterisering av nye katalysatorer og absorbenter for kjemiske og petrokjemiske prosesser, inklusive ny og forbedret reaktorteknologi. Divisjonen har også spisskompetanse innen rekombinatorisk kjemi og parallellteknologier for syntese, karakterisering og screening av nye funksjonelle materialer under høye trykk og temperaturer. Det er vanskelig å skille ut spesifikt hva som er materialforskning kontra kjemi ved divisjonen. I 2004 var 65 % av totalt 346 ansatte i divisjonen forskerårsverk 11

SINTEF IKT Ved SINTEF IKT, avd. for Mikrosystemer og nanoteknologi, arbeides det blant annet med silisiumteknologi, flytende krystaller og diffraktive optiske elementer. SINTEF IKT har jobbet med forskning og utvikling innen silisiumbaserte sensorer siden 1961. Utvikling og fremstilling av mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og strålingsdetektorer av silisium er i dag avdelingens viktigste områder. I 2004 åpnet MiNaLab hvor det blant annet er en fullskala produksjonslinje for MEMS og strålingsdetektorer. MiNaLab har 1400 m 2 renromsfasiliteter (klasse 10) som disponeres av SINTEF og UiO. Hovedanvendelser for produktene er: - Mikrosystemer for krevende omgivelser - Sensorer for miljøovervåking - Medisinsk og biomedisinsk instrumentering - Mikrosystemer for automotivmarkedet - Strålingssensorer for vitenskapelige instrumenter SINTEF Byggforsk SINTEF Byggforsk ble etablert 1.1.06 etter en sammenslåing av Byggforsk (Norges byggforskningsinstitutt) og SINTEFs bygg- og anleggsrelaterte deler. Til sammen er dette et av Europas største forskningsmiljøer for bygg-, vann-, anleggs- og eiendomssektorene. Betong SINTEF betong dekker kunnskap om det meste omkring materialet betong og om ulike konstruksjoner. I et nært samarbeid med industrien er det utviklet betong med høy styrke og med lav vekt som har gjort det mulig å bygge grensesprengende offshore-konstruksjoner, og SINTEF betongs fire hovedområder er: Tilstandsanalyse og skadevurdering, Fysiske og mekaniske egenskaper, Kjemi og mikrostruktur og Konstruksjonsanalyse og -prøving Materialer og kontruksjoner Avdeling for materialer og konstruksjoner i Oslo består av 25 personer fordelt på de tre faggruppene Konstruksjonsteknikk og bygningsfysikk, Materialer og miljø samt Byggskader og tilstandsanalyser. Avdelingen har kompetanse innen generell konstruksjonsteknikk, brannsikkerhet i bygninger, bygningsfysikk (lyd, fukt, varme) og betong- og materialteknologi. Avdeling for materialer og kontruksjoner i Trondheim har ca. 30 medarbeidere egne og engasjerte fra samarbeidende institutter ved NTNU. Klimapåvirkninger på bygningsmaterialer og konstruksjoner er grunnkompetansen ved avdelingen, og kompetansen brukes innen forskning, utvikling, feltundersøkelser, skadeanalyser, prosjektgjennomgang og produktdokumentasjon. Arkitektur og byggteknikk Virksomheten ved avdelingen er knyttet til utvikling av metode og beslutningsdata som skal bidra til en bedre miljømessig, teknisk og økonomisk byggevirksomhet. Avdelingen arbeider med å utvikle miljø- og ressurseffektive bygningskonsepter og -teknologier. Forskningen tar sikte på å gi et helhetlig perspektiv på bygningers kvalitet og ressursbruk gjennom bygningers livsløp fra produksjon, gjennom drifts-, vedlikeholds- og fornyelsesfasen, og til bygningen blir revet eller gjenbrukt. Forskningen ved avdelingen er meget tverrfaglig. Materialforskningen ved denne avdelingen er mest konsentrert om anvendelsen av materialer. Vegteknologisk laboratorium Dette er et godt utstyrt vegteknologisk laboratorium. Her utføres forskning og utvikling samt materialundersøkelser innen vegbygging og vegteknologi. Det meste av forskningen er basert på målinger og analyser av materialers oppførsel i laboratorium og felt. Det er her satset mye på oppbygging av både utstyr og kompetanse. SINTEF Energiforskning FoU-aktivitetene ved divisjonen er knyttet til kraftproduksjon og energikonvertering samt overføring, fordeling og bruk av energi. Aktivitetene inkluderer industrielle prosesser og produkter. Ved avdeling 12

for elkraftteknikk er materialforskning en integrert del av arbeidet. Avdelingen arbeider med oppgaver knyttet til elkrafttekniske formål, med prøving og utvikling av elektroteknisk utstyr i samarbeid med institutt for elkraftteknikk ved NTNU. Godt utstyrte elektro- og materialtekniske laboratorier og måleutstyr er viktige verktøy i forskningen. SINTEF Helse Arbeidsfysiologi Beskyttende bekledning Fremtiden for tekstil- og bekledningsindustrien i Vest-Europa ligger i mer intelligente produkter med smarte funksjoner. SINTEF har tverrfaglig kunnskap innen fysiologi og produktdesign, elektronikk og IKT, materialer og kjemi som er nødvendige for å utvikle denne typen intelligente tekstiler hvor tekstilfibere og materialer forandrer egenskaper etter definerte miljøpåvirkninger. Avdelingen har blant annet utviklet personlig verneutstyr for brannkorps som overvåker fysiologiske grenseverdier. SINTEF Marin MARINTEK Ved laboratoriet for marinestrukturer ved MARINTEK har man utviklet utstyr og metoder for testing av materialer og komponenter under ulike driftsforhold. Styrken og levetiden til en komponent avhenger av driftsforholdene, og det er derfor nødvendig å teste materialene under så like forhold som man forventer i normal drift. Institutt for energiteknikk Materialforskning foregår ved mange av avdelingene på IFE. Fysikkavdelingen Avdelingen utnytter nøytronstrålene fra JEEP II-reaktoren til utforskning av materialer og mulighetene for et økende antall bruksområder, slik som hydrogenopptak i metaller for energilagring, supraledere, flytende krystaller, polymerer, kompliserte molekylære strukturer og magnetiske egenskaper. Energisystemer Avdelingen utfører forskning, utvikling og teknologispredning innen områdene nye fornybare energikilder og energieffektivisering. Energisystemanalysen behandler informasjon om energikostnader relatert til energiteknologier. Vindenergi er basert på kompetanse innen aerodynamikk knyttet til turbinblader og metoder for simulering av vind i komplekst terreng. Vindmålinger er også en spesialitet. Solceller er basert på tynnfilm på skiver av billig polykrystallinsk silisium. Hydrogen som energibærer er faglig forankret i systemanalyser og laboratorievirksomhet i forbindelse med brenselceller, PV-solpaneler, H2-lager og batterier, samt materialer som metallhydrider for hydrogenlagring. Varmepumper basert på hybride løsninger kompresjon/absorpsjon og naturlige medier for oppgradering av industriell spillvarme til over 100 C. Energieffektivisering i industrien er en spesialitet. Nukleær Sikkerhet og Pålitelighet Hovedmålet for sektoren Nukleær Sikkerhet og Pålitelighet er å opprettholde en nasjonal kompetanse i reaktorteknologi og -sikkerhet, basert på det internasjonale Haldenprosjektet. Gjennom dette OECDprosjektet utvikles det teknologi og kompetanse som også kommer norsk industri og det norske samfunn til gode. Avdelingen for nukleær materialteknologi utfører forsknings- og utviklingsprosjekter for å opprettholde og forbedre bruksegenskapene til reaktorbrensel. Laboratoriet består av et produksjonsanlegg for ferskt brensel og stråleskjermede arbeidsceller for å undersøke, karakterisere og behandle brukt brensel og radioaktive materialer. 13

Nukleærteknologi Avdelingen for elektronstrålesveising og mekaniske verksted har sitt arbeidsområde innen spesialsveising, kjernebrenselteknologi og maskinering. Elektronstrålesveising benyttes til demonstrasjonssveising, produktutvikling og produksjonssveising av forskningsutstyr, reaktorkomponenter, fly- og romfartskomponenter og andre krevende produkter. Kjernebrenselseksjonen utfører forsknings- og utviklingsprosjekter for å opprettholde og forbedre bruksegenskapene til reaktorbrensel. Prosess- og strømningsteknologi Hovedaktivitet med relevans for materialteknologi ved denne avdelingen er å utvikle numeriske modeller for simulering av prosesser innen materialproduksjon. Hovedkunden her er norsk aluminiumsindustri. Materialmodelleringen baseres på en bred kompetanse innen modelldesign, numeriske metoder og datateknologi. Material- og korrosjonsteknologi Innvendig korrosjon i olje- og gassrørledninger med CO 2 og H 2 S er hovedaktiviteten i Avdeling for Material- og korrosjonsteknologi. Hovedaktiviteten er konsentrert om korrosjon i prosessutstyr og flerfase rørledninger for olje og gass. Sprekkdannelse på grunn av spenningskorrosjon i forskjellige kjemiske miljøer er en annen spesialitet. Avansert forsøksutstyr for korrosjonsstudier spenner over et bredt spekter av parametere når det gjelder temperatur, miljø og strømningsforhold. Forsvarets forskningsinstitutt Flere av prosjektene ved FFI har relevans for materialer og nanoteknologi. Her vil vi omtale noen sentrale prosjekter. Nanostrukturerte halvledermaterialer Prosjektet skal etablere kompetanse innen fagfeltet nanoteknologi for å gi et grunnlag for vurderinger av den vitenskapelige og teknologiske utviklingen på dette området og utrede mulige forsvars- og sikkerhetsmessige konsekvenser. Det skal fremstilles komponenter av halvleder-nanostrukturer ved molekylstråleepitaksi som kan være aktuelle for fremtidige anvendelser i sensorer og optiske systemer i forsvarssammenheng i Norge. Neste generasjon rakettmotorer Dette teknologiprogrammet vil være rettet mot spissteknologi innen utvalgte områder som rakettdrivstoff, materialteknologi, bindingsteknologi samt skyvkraftvektorkontroll. Strukturmaterialer (polymere komposittmaterialer/rakettstrukturer) vil være sentrale i dette arbeidet. I tillegg drives det materialforskning innen prosjekter hvor målet blant annet er å fremstille et mekanisk oppladbart batteri for undervannsfarkosten Hugin og et program for syntese av energetiske materialer til rakettdrivstoff. Stiftelsen Østfoldforskning STØ har to hovedområder; forebyggende miljøforskning og innovasjon, virksomhetsutvikling og regional næringsutvikling. FoU-virksomhet innenfor materialer og materialteknologi er rettet mot forebyggende miljøarbeid knyttet til ulike aspekter av miljødokumentasjon, og miljødrevet innovasjon knyttet til materialproduksjon, bruk og avfallsbehandling. I arbeidet med livsløpsanalyser av materialer har STØ satt søkelyset på materialenes totale verdikjede, helhetsvurdering i forhold til miljø og økonomi, og funksjonalitet i forhold til bruk i ulike produkter. Den materialtekniske FoUvirksomheten er primært knyttet til emballasjeløsninger, bygg og anlegg, møbler og andre innredningsprodukter, energiproduksjon (oljeog gassproduksjon, vannkraft etc.), kontorutstyr og avfall og gjenvinning. 14

Norsk Treteknisk Institutt Norsk Treteknisk Institutt er et bransjeforskningsinstitutt for treindustrien i Norge. Hovedaktiviteter er innen trelast- og treindustrien i Norge. Innenfor materialteknologi er mekanisk testing og kjemisk analyse av trebaserte produkter viktig. Teknologisk Institutt Teknologisk Institutt (TI) er en teknologisk stiftelse som har som formål å drive kunnskaps- og vitenskapsformidling. TIs virksomhet er spesielt rettet mot teknologiformidling til små og mellomstore bedrifter med sikte på å fremme deres lønnsomhet og produktivitet. Forretningsområdet Materialteknologi tilbyr både opplæring, prøving, analyser og rådgivning. Instituttet har lang erfaring innen teknologiformidling med søkelys på praktisk anvendelse av forskningsresultater, og er et bindeledd mellom forskning og industri. Materialteknologiske tjenester spenner over følgende fagområder; overflatebehandling og prosesser, kjemi og HMS, miljøprøving av produkter, metalliske materialer, termoplaster og kompositter, skadeog havariundersøkelser og sveiseteknologi. TI bistår med rådgivning knyttet til materialer og materialvalg, produktutvikling og testing innen alle disse områdene. NORUT Teknologi Gruppe for materialteknologi som utfører forsknings- og utviklingsaktiviteter for næringsliv og offentlig forvaltning. Gruppens virkeområder er som følger; nedbrytning av betongkonstruksjoner, vedlikehold, reparasjon og forsterkning av betongkonstruksjoner, korrosjonsbeskyttelse og overflatebehandling, betongteknologi, komposittmaterialer, metallurgi og sveising Gruppens forsknings- og utviklingsoppgaver er hovedsakelig relatert til vedlikehold og reparasjon av betongkonstruksjoner utsatt for armeringskorrosjon. Gruppen har bygget opp en betydelig kompetanse i grensesnittet mellom elektrokjemi, betongteknologi og uorganisk kjemi for å kunne yte maksimalt i dette forskningsarbeidet. NORUT Teknologi har avansert laboratorieutstyr for kjemiske analyser og undersøkelser av korrosjonsprosesser for metalliske materialer, samt feltutstyr for registrering av korrosjonsaktivitet på betongkonstruksjoner. Papir og fiberinstituttet AS Selskapet har som formål å fremme industriell utvikling. Dette skal skje ved at instituttet på egen hånd og i samarbeid med universiteter, høgskoler og beslektede institusjoner i inn- og utland utfører teknisk-vitenskapelig forskning og utvikling med særskilt vekt på bruk av trefibere som råstoff, og deltar i utdanning overensstemmende med formålet. Aktuelle forskningsområder er vedråstoff, raffinering, siling og fraksjonering. Massekarakterisering. Fiber- og papirfysikk, trykkbarhet og overflatebehandling. Modellering, prosessimulering, statistikk og forsøksplanlegging. Trekjemi, koking og bleking, lukt og smak, hygiene, overflate- og kolloidkjemi. Mange av disse forskningsoppgavene har klar relevans for materialforskning. 2.4 Tabeller Tabell 1: FoU aktivitet innen material- og nanoteknologi ved norske universiteter og høgskoler, Tallmaterialet er rapportert fra institusjonen til prosjektgruppen. Institusjon FoU budsjett 2004 (MNOK) UiO Ca 73 4 - Fysikk - Kjemi - SMN EMBIO 3 bio-nanoteknologi 0,5 aktivitet Vitenskaplig ansatte 2+10 5 6+8 3 11 11 Ph-D kandidater 2001-2004 Post.doc 12 13 11 Publikasjoner med referee 2001-2004 268+21? 126 76 3 UiOs interne satsing på forskning innen molekylærbiologi, bioteknologi og bioinformatikk inkl. bio- nanoteknologi. 15

NTNU materialer Ca 125 4 146 43/156 Fysikk 33 6 17 16 11/29 150 Kjemi 1,8 2 1 1/2 7 Kjemisk prosessteknologi Ugelstad lab 2.5 2 1 1/3 8 Membraner 2 1 1/5 Katalyse og petrokj. 8.5 4 10 2/15 29 Material teknologi 30 17 41 20/62 509 Kontruksjonsteknikk 21 18 32 4/21 98 Prod.utv. og materialer 16 12 20 5/32 39 Elektronikk og 2 telekommunikasjon Marin teknologi 2 3 1/4 15 - Bygg, anlegg og transport - Produktdesign - Medisinsk fakultet UiB 7 - Kjemi - Fysikk og teknologi - Odontologisk institutt - Inst. kirurgiske fag - Inst. for Biomedisin - Inst for informatikk / BCCS, 4 3 4,5 0,5 1 0,5 5 4 3 2 3 2 UiS Matr.vit < 1 3 2 8 15 UiTø Kjemi Fysikk Farmasi 1 1 2 0,1 5,7 4 9 Høgskolen i Narvik Ikke oppgitt 3 10 1 11-9 Høgskolen i Agder 0,1 1 1 4 UniK 0,4 1/5 1/2 12 2 Høgskolen i Vestfold < 2 3 1 13-3 Universitetet for miljø og biovitenskap Høgskolen i Telemark og Tel-Tek 9 2 5 2 2 5 1 4 1 1-2 20 >20 >20 20 18 3 Ca 1.2 14 5 1-100 Tabell 2: FoU aktivitet innen material- og nanoteknologi i norsk institutt sektor. Tallmaterialet er rapportert fra institusjonen til prosjektgruppen. 3 12 Institusjon SINTEF Materialer og Kjemi FoU budsjett 2004 (MNOK) 377 15 Forskere fast ansatt 199 Ph-D kandidater 2001-2004 Post.doc Ca.75 16 5 Ca. 180 Publikasjoner med referee 2001-2004 Andre avdlinger: - Mikrosystemer og nanoteknologi - Sement og betong Ikke oppgitt 12 6 4 ekslusive lønnskostnader fast vitenskaplig ansatte 5 Knyttet til SMN med avtale 6 i 2003 7 De faste vitenskapelige stillingene som er listet opp innehar også andre aktiviteter enn kun materialer og nanovitenskap. FOUbudsjettet for 2004 omfatter omtrentlige tall av interne UiB-midler allokert til aktivitetene. 8 Ingen i perioden 2001-2003, 2 ansatt pr 2004. 9 2 avsluttet 2004, 2 fortsatt ansatt. 10 Inkludert en professor II 11 Ansatt pr. 2004 12 Ingen i perioden 2001-2003. ½ stilling pr. 2004. 13 Ingen uteksaminert i 2001-2003, 1 ansatt pr. 2004. 14 Eksl. lønnsmidler 16

- Arkitektur og byggteknikk - Berg og geoteknikk - Veg og samferdsel - Helse - SINTEF Energiforskning - MARINTEK Konstruksjonsteknikk IFE - Fysikk - MatKorr - Prosess og strømningskontroll - Energisystemer - Nukleærsikkerhet og pålitlighet Ikke oppgitt Ikke oppgitt Ikke oppgitt Ca. 3 Ca. 16 Ca. 20 Ikke oppgitt Ca. 6 Ikke oppgitt 4 5 2 2-5 9 6 3 11 - Metallurgi PFI Ca 13 9 13 0 33 FFI Ikke oppgitt 11 1 0 26 Byggforsk Ikke oppgitt 57 21 Treteknisk institutt Ikke oppgitt 35 22 Stiftelsen Ca 10 15 - - Ikke oppgitt Øsfoldforskning NORUT Teknologi Ikke oppgitt 3 - - Ikke oppgitt 8 18 2 19-5 - - - - 11 - - 2-38 5 17 8 50 4 8 45 26 20 15 Omsettning 2003 16 Ansatte i perioden 17 konferanseartikler 18 Ansatt pr. 2004 19 Ansatt pr. 2004 20 åpne publikasjoner 21 Totalt antall ansatte i avdelingene Materialer og konstruksjoner i Oslo og Trondheim 22 Totalt antall ansatte. 17

18

Kap. 3 Status og muligheter knyttet til de ulike typer materialer 3.1 Hovedkategorier materialer, teknologiske og vitenskapelige aspekter Denne rapporten omhandler alle kategorier materialer, som her er inndelt i strukturelle materialer, funksjonelle materialer og nanomaterialer: Strukturelle materialer innebærer i de fleste tilfeller konstruksjonsmaterialer som stål, lettmetaller (aluminium, magnesium, titan), plast, kompositter, tre og betong. For slike materialer står teknologiske egenskaper som mekanisk styrke, hardhet og bruddseighet; formbarhet; korrosjons- og slitasjemotstand; sveisbarhet, limbarhet og lignende samt utseende og muligheter for å modifisere dette ved hjelp av overflatebehandling og belegging, sentralt. Disse materialene har en sentral plass innen transport, utnyttelse av olje og gass, infrastruktur, bygningsindustri, husholdningsartikler o.s.v. Funksjonelle materialer omfatter materialer der bruken er knyttet til spesielle kjemiske eller fysikalske egenskaper. Blant slike egenskaper, som kan utnyttes for å gi spesifikke teknologiske egenskaper, er elektrisk ledningsevne (inkl. halvlederegenskaper); fotovoltaiske egenskaper (Si i solceller); varmeledningsevne; magnetiske eller optiske egenskaper; permeabilitet for gasser eller væsker (membraner); evne til energilagring; biokompatibilitet o.s.v. Funksjonelle materialer klassifisere gjerne etter funksjon i stedet for etter det materiale de består av. Slike materialer har i løpet av de siste tiårene vært utslagsgivende for teknologiske gjennombrudd innen datateknologi, telekommunikasjon, utnyttelse av fornybar energi, intelligente sensorer, miljøteknologi, medisinsk utstyr med mer. Dagens bruk av slike materialer anses bare å være begynnelsen på en ekspansiv utvikling mot nye banebrytende produkter og teknologier. Nanomaterialer kjennetegnes typisk ved et relativt sett høyt forhold mellom overflateareal og volum. Det finnes ennå ingen omforent terminologi knyttet til slike materialer. Disse kan kategoriseres enten ut fra anvendelsesområde eller ut i fra spesifikke egenskaper, eksempelvis som smarte materialer og sensorer for biomedisinske applikasjoner, optikk eller elektronikk. Nanomaterialer muliggjør en svært spennede utvikling av nye funksjonelle og strukturelle materialer med helt unike egenskaper. Begrepet nye materialer brukes også i ulike sammenhenger. Dette er imidlertid ingen egen materialkategori og kan i prinsippet omfatte strukturelle-, funksjonelle- eller nanomaterialer og kombinasjoner av disse. De teknologiske aspekter ved materialteknologi omfatter fremtaking, oppredning og fremstilling av råmaterialer, materialfremstilling (kjemisk, elektrokjemisk, termisk o.s.v.), fremstilling av halvfabrikata (støping, ekstrudering, valsing m.m.), ulike former for videre bearbeiding og fabrikasjon (sammenføyning, maskinering, forming, overflatebehandling) frem til et endelig sluttprodukt. Dette produktet har videre fremkommet gjennom en prosess hvor produktutvikling, design, materialvalg og overflatefinish står sentralt. Videre, og i dag i større og større grad, inkorporeres muligheter for og tilpasning til resirkulering og gjenbruk av de ulike materialtyper i produktet. Disse må dermed kunne identifiseres og skilles fra hver-andre når selve produktet av ulike årsaker skrotes. Sentralt i dette totalbildet står fra vugge til vugge -tankegangen, hvor minst mulig av de ressurser og energi som i utgangspunktet ble lagt inn i produktet, skal gå til spille. De vitenskapelige aspekter knyttet til forskning innen material- og nanoteknologi omfatter fundamental materialkunnskap og verktøy for materialforskning. Fundamental materialkunnskap innebærer teoretisk forståelse basert på solid eksperimentell kompetanse innen de grunnleggende fagdisipliner. Aktuelle tema omfatter bl.a. forståelse av krystallisering og utfellingsreaksjoner, struktur/egenskapsrelasjoner, teoretisk modellering av strukturelle og fysikalske egenskaper og sammenfattende beskrivelser av egenskaper over varierende lengdeskalaer. Verktøy for 19

materialforskning omfatter eksperimentelle metoder så vel som modellering og matematisk simulering, som i dag er blitt avgjørende for materialforskningen. Det er nettopp nye verktøy, som elektronmikroskop og nanoprober, som de siste tiårene har gjort det mulig å observere og beskrive fenomener på nanoskala og som derved har lagt grunnlaget for nanoteknologien. 3.2 Strukturelle, metalliske materialer 3.2.1 Lettmetaller Med lettmetaller menes vanligvis metaller som har en relativt lav egenvekt og som kan brukes som individuelle materialer til strukturelle formål. I praksis er det særlig egenskapen knyttet til et gunstig styrke/vektforhold som karakteriserer disse metallene. Med dette begrenses de strukturelt anvendbare lettmetallene til aluminium (egenvekt 2,7 g/cm 3 ), magnesium (egenvekt 1,75 g/cm 3 ) og titan (egenvekt 4,5 g/cm 3 ). Til sammenligning er egenvekten for jern og stål ca. 7,9 g/cm 3. Av disse tre metallene har titan høyest strekkfasthet (anslagsvis 400 1000 MPa), som er sammenlignbart med stål (sterkt avhengig av legering og tilstand for begge). Aluminium-legeringer kan gis strekkfasthet på opptil nærmere 600 MPa, men de mest brukte legeringene har en strekkfasthet på noe over 300 MPa (gjerne pressede profiler) eller lavere (100-200 MPa for valsede produkter og støpt gods). Ut fra rent styrke/vektmessige betraktninger betyr dette at en konstruksjon i titan vil veie ca. halvparten av en tilsvarende konstruksjon i stål og det samme gjelder også aluminium og magnesium (begge ca. 50% av stål). Andre mekaniske egenskaper som utmatningsfasthet, hardhet, slagseighet, E-modul o.s.v. spiller imidlertid også stor rolle når det gunstigste materialet for en gitt anvendelse skal velges. Samme gjelder egenskaper som formbarhet, korrosjonsmotstand og egnede sammenføyningsmetoder. Aluminium har meget god formbarhet og kan fremstilles både som pressede profiler, valsede plater, smidde deler og støpt gods. Korrosjonsmotstanden er god selv om visse forholdsregler må tas under enkelte bruksforhold og legeringsvalget tilpasses anvendelsen. Videre kan de fleste aktuelle sammenføyningsmetoder inkl. sveising og liming brukes. Mangesium er mindre korrosjonsbestandig enn aluminium, men er etter hvert blitt vesentlig forbedret ved bruk av mer høyrene legeringer. For magnesium er støping den mest utbredte formemetoden og det brukes vanligvis mekanisk sammenføyning. Titan på sin side har svært god korrosjonsmotstand og kan brukes ubeskyttet under ulike meget korrosive forhold. Titan kan formes på ulike måter, men fabrikasjonsprosessen er krevende og kostbar. Titan kan sveises og gode sveiseprosedyrer er utviklet i de senere årene. Alle de tre lettmetallene er meget gunstige når det gjelder resirkulering. For alumium og magnesium har dette delvis sammenheng med at energibruken ved gjenvinning er mye lavere enn ved produksjon av primærmetall. For titan skyldes dette at metallet i svært liten grad forvitrer og er nærmest evigvarende. Aluminium ved Egil Trømborg Produksjon i Norge Den samlede norske aluminiumsproduksjonen er i dag ca. 1.300.000 tonn, hvilket tilsvarer ca. 6 % av verdensproduksjonen og en eksportverdi på ca. NOK 25 milliarder (SSB 2004, inkludert konverteringskostnad). Videreforedling i Norge I forhold til vår produksjon er Norge en moderat videreforedler med en andel under 25 %. Likevel er vår produksjon innen enkelte markedssegmenter betydelig som f.eks. bildeler hvor Hydro Aluminium AS produserer støtfangersystemer (ca. 30.000 tonn/år), Alcoa Automotive Castings SCC produserer 20

bl.a. rammestrukturer (og fikk prisen som 2004 Casting of the year fra the American Foundry Society!), Raufoss Technology AS produserer hjuloppheng og Steertec AS produserer styrekolonner. I tillegg produseres aluminiumfelger hos Fundo Wheels i Høyanger mens Fibo i Holmestrand produserer pumper m.m. Prosessindustriens landsforening (PIL) anslår den samlede eksporten til bilindustrien til å være ca. NOK 6 milliarder (2004). Ekstruderte profiler til byggebransjen (ca. 80.000 tonn/år) produseres ved Hydros anlegg på Karmøy, Raufoss og Magnor, mens plate og folie (150 tonn/år) produseres på Karmøy og i Holmestrand. På Karmøy valses i tillegg ca. 70.000 tonn med tråd til bl.a. strømførende kabler. Ut over dette eksporterer Nammo AS forsvarsprodukter i aluminium for ca. NOK 250 millioner, samt deler til romfart (Ariane). Sentrale aktører i dag Den største enkeltaktør er Hydro Aluminium AS med en årlig produksjon lik 880.000 tonn (Sunndal, Årdal, Høyanger, Karmøy og Holmestrand), fulgt av Elkem Aluminium ANS med en årsproduksjon lik 275.000 tonn (Mosjøen og Lista) og Sør-Norge Aluminium AS (Husnes) med en årsproduksjon lik 160.000 tonn. Andre sentrale aktører er som nevnt Raufoss Technology AS, Alcoa Automotive Castings SCC, Fundo Wheels AS og Fibo AS. Hovedanvendelser i dag I Europa valses norske valseblokker ned til plate- eller folietykkelse før disse videreforedles f.eks. til emballasje av forskjellig slag, der iblant lokk til øl- og brusbokser, eller til komponenter inn mot bilbransjen. Pressbolter blir ekstrudert til profiler som enten kappes og maskineres før anvendelser i byggebransjen eller som omformes for ulike anvendelse innen bilindustrien. Men anvendelsene er mange flere og betydelige i omfang her kan nevnes varmevekslere, strømførende kabler, strukturer offshore og marin. Hovedutfordringer Fremstilling Med dagens teknologi produseres 1,5 kg CO 2 per kg aluminium slik at aluminium på sett og vis er et biprodukt i prosessen. Et stort verditap ved produksjon av aluminium skyldes 50 % tap av forbrukt energi som varme. Utfordringen er å oppnå mer effektiv energigjenvinning på tross av den lave avgasstemperaturen. Et annet verditap er knyttet til forbruket av karbon anodematerialer under elektrolysen (400 kg/tonn Al). For å oppnå økt levetid har det vært forsket på anodemateriale som ikke forbrukes (inerte anoder) og drenerende katoder med konstant avstand katode anode, men til tross for lovende resultater er prinsippene foreløpig ikke implementert. Elektrolyseprosessen er ikke optimalt styrt som følge av mangel på elektrokjemiske sensorer som ville gitt reell styringsmulighet i forhold til dagens styring ut fra cellenes elektriske motstand. Videre er utvikling av nytt utstyr for mer effektiv smelterensing både viktig og vanskelig. Egenskaper Mens det for 10 år siden var enkeltegenskaper som var fokusert, er det nå gjerne flere samvirkende egenskaper som blir fokusert - knyttet til sluttproduktets funksjon. En utfordring er utvikling av hjelpemidler som støtter slik flerdimensjonal tenkning / kombinasjon av egenskaper. Samtidig er bedre kunnskap om aluminiums egenskaper i kombinasjon med andre materialer, f.eks. ved systemløsninger, en utfordring. Et konkret eksempel er når aluminium inngår i nye materialløsninger som når aluminium og polymerkompositt valses sammen til plater ( Glare panels ) for bruk i kjempen Airbus A320. En generell utfordring er å etablere materialkvaliteter og tilhørende prosesser som gir snevrere dimensjonstoleranser i kombinasjon med prosesstabilitet og verktøyholdbarhet. 21