Seksjonen Fra forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU, Cicero, Universitetet i Oslo, Universitetet i Tromsø og Universitetet i Sørøst-Norge.

Piezoelektriske materialer

Forskerne lager helt nye materialer slik at ultralyd kan virke uten bly

De vil bli kvitt bly i ultralyd-dingser. Nå lager forskere helt nye materialer slik at medisinsk utstyr, ekkolodd, droner og mikrofoner kan virke uten bly.

Ultralyd brukes i mange nyttige sammenhenger. Her i forbindelse med et nytt instrument for bronkoskopi, utviklet av leger ved St. Olavs Hospital og forskere ved SINTEF.
Ultralyd brukes i mange nyttige sammenhenger. Her i forbindelse med et nytt instrument for bronkoskopi, utviklet av leger ved St. Olavs Hospital og forskere ved SINTEF. (Foto: Thor Nielsen, Gemini.no)

De vil bli kvitt bly i ultralyd-dingser. Nå lager forskere helt nye materialer slik at medisinsk utstyr, ekkolodd, droner og mikrofoner kan virke uten bly.

  • fra forskning

Hva har ultralydbildet av en kommende verdensborger, ekkoloddet til fiskeren, turbodieselmotoren i naboens bil og fødselsdagskortet med innlagt musikk felles? Alle trenger piezoelektriske materialer med bly i for å virke. Piezoelektriske materialer er materialer som endrer form når de blir utsatt for et elektrisk felt – og motsatt: De skaper elektrisk ladning når de utsettes for trykk.

Bruken av bly øker

 – Vi ønsker å redusere bruken av bly i samfunnet. Men i dag gjør flere ultralyd-baserte «dingser» og annen bruk av piezo-teknologi, at bruken øker, sier Henrik Ræder.

Han er senior forretningsutvikler hos SINTEF Industri. Sammen med forsker Per Martin Rørvik arbeider han for å finne nye materialer som kan erstatte bly i piezoelektriske komponenter.

Bly er giftig. Kommer det på avveie, er det lite som skal til før det gir helseskader. Rørvik og Ræder understreker at det er trygt å bruke komponenter som inneholder bly. Faren ligger i utvinningen, produksjonen og i hvordan avfall håndteres.

 – På mange områder er bly faset ut. I maling, i bensin, i loddetinn, i katodestrålerør som ble brukt i gamle TV-apparater, ramser Per Martin Rørvik opp. Så langt har blyet blitt faset ut både fordi det er funnet andre materialer og teknologier og fordi bly er blitt forbudt.

Kan bli ulovlig

 – Piezoelektriske komponenter med bly er fortsatt lovlige å produsere. Men det må jevnlig søkes om ny tillatelse. Den dagen EU bestemmer at «nå er det gode nok alternativer», så kan de forby de blyholdige materialene, forklarer Rørvik. Det kan gi store konsekvenser for bedrifter som lever av produkter eller tjenester som bruker piezo-teknologi.

Fakta om piezoelektrisitet

  • Noen materialer blir elektrisk polariserte når de blir utsatt for mekanisk trykk. Dette kalles piezoelektrisitet, og den fysiske årsaken er knyttet til elektriske dipoler i materialet. Effekten virker også motsatt: En bevegelse eller mekanisk kraft kan skapes ved å påføre et elektrisk felt. Dette kalles den omvendte effekten.
  • Piezoelektriske materialer gir mulighet for direkte overgang mellom elektriske og akustiske signaler. Materialene brukes derfor til å sende og motta ultralydsignaler.
  • Teknologien er også egnet der man trenger en kraftig, raskt gjentagende bevegelse, for eksempel i dieselinjektorer i motorer og i blekkskrivere. Den benyttes i et bredt spekter av komponenter og produkter i ulike sektorer i samfunnet, med viktige anvendelser i medisin, skipsfart og fiskeri, bygningsbransjen, oljenæringen og luftfart, og brukes også i forbrukerteknologi.

De fleste av de piezoelektriske komponentene bruker et keramisk materiale som heter PZT. P-en står for bly (som har kjemisk symbol Pb), Z-en for zirkonium og T-en for titan. SINTEF-forskerne arbeider med andre keramiske materialer som skal erstatte nettopp PZT. Det bør de helst få til i god tid før det blir forbudt:

 – Det er en ganske stor overgang for de bedriftene som bruker PZT, å gå over til nytt materiale. For komplekse ting kan det være snakk om flere arbeidsår for å tilpasse komponentene de lager til et nytt materiale. De blyfrie materialene vil ha litt andre egenskaper – for eksempel en annen lydhastighet og en annen tetthet – så dingsene må redesignes, sier Per Martin Rørvik.

Et konkurransefortrinn å være tidlig ute

Han forteller at bedrifter flest er tilbakeholdne foreløpig.

– De har noe som fungerer og som de vet hvordan de skal bruke. De ønsker ikke å bruke for mye tid og ressurser på et forbud som de ikke vet om kommer eller når kommer. Men det er viktig å være klar over at det kan komme, og det kan komme fortere enn de tror, advarer han.

Per Martin Rørvik arbeider for å finne det beste alternativet til blyholdig PZT – her med et keramisk materiale basert på vismut-, natrium- og titanoksid. Foto: Georg Mathiesen, Gemini.no

 Å være først ute med blyfrie produkter kan også være et konkurransefortrinn. Det gjelder mange produkter. Ultralyd og akustikk er et viktig område. PZT brukes når familiens neste medlem skal fotograferes i mors mage. Det brukes i sonarer og til kommunikasjon under vann. Til lyd i mikrofoner og høyttalere. Til dieselinnsprøyting i bilmotorer og til rygge- og avstandssensorer. Til å kontrollere sprekker i broer og bygninger.

Leter etter de beste alternativene

Han arbeider med en rekke forskjellige materialer for å finne ut hva som kan brukes i stedet for PZT.

– For eksempel et keramisk materiale basert på vismut-, natrium- og titanoksid. Et annet vi jobber med, inneholder kalium-, natrium- og nioboksid. Vi arbeider med bariumbaserte materialer også – barium-titanoksid, forteller han.

 Det er ikke enkelt å finne de beste løsningene:

 – Det har vist seg at niob også kan være skadelig under utvinningen av råstoffet. Selv om materialene er mindre giftige for oss, så er det ikke sikkert de er like bra i et livssyklusperspektiv. Du må se helt fra produksjonen av råstoffene og til det havner i resirkuleringsanlegget eller på søppeldynga.

3D-printer materialer

 På noen områder har SINTEF og partnerne funnet materialer som kan være like bra som de blyholdige.

– Fordelen med PZT er at det kan brukes i veldig mye. Hvis vi skal erstatte det, må vi gjerne spesialdesigne materialet til hver anvendelse, sier Rørvik og Ræder.

Fakta om prosjektet

  • 3D-PIEZO står for "Lead-free piezoelectric devices by additive manufacturing" (3D printing and multilayer).
    Prosjektet er støttet av EU-kommisjonen og Norges forskningsråd gjennom Era-Net-programmet MANUNET.
    Det varer i to år fra februar 2019 og koordineres av SINTEF.
  • Partnere: Ceramic Powder Technologies AS (Cerpotech) og Cerhum S.A.

SINTEF har to partnere i prosjektet: trondheimsselskapet Cerpotech og belgiske Cerhum. Det norske selskapet lager oksidpulveret som er utgangsmaterialet for de piezoelektriske materialene. Cerhum 3D-printer materialene. Det gjør at de kan leveres i andre fasonger enn det som er vanlig i dag, noe som også gir nye muligheter for bruken.

 – Blyfrie alternativer er viktig, og for Cerpotech var det viktig da selskapet ble startet i 2007, sier daglig leder Anne Dalager Dyrli. Firmaet har ett patent og én patentsøknad som går på å fremstille denne typen materialer med sin egen produksjonsteknikk.

Tungt å komme inn i markedet

– Bransjen er veldig konservativ. Det finnes direktiver for bruk av blyholdige materialer i EU, men frem til nå får industrien og bedriftene unntak. PZT har vært brukt så mange år, og hele verdikjeden og produktene er utviklet etter det, så det er veldig tungt å komme inn med nye materialer som krever en del utvikling for at du skal komme i mål med et sluttprodukt, sier Dyrli.

Fakta om RoHS

  • RoHS (Restrictions of Hazardous Substances – på norsk «Direktiv om begrensninger i bruk av visse farlige stoffer i elektrisk og elektronisk utstyr») er et direktiv som forbyr kadmium, bly, kvikksølv, seksverdig krom, polybromerte bifenyler (PBB), polybromerte difenyletere (PBDE), og fire typer ftalater i visse typer elektriske og elektroniske produkter (EE-produkter).
  • Disse materialene er farlige for miljøet og forgifter avfallsdeponier, og de er skadelige under yrkesmessig eksponering ved produksjon og resirkulering.
  • Det finnes imidlertid flere unntak, for eksempel produkter som blir brukt i militær sammenheng eller romfart. Bruk av bly i piezoelektriske komponenter er foreløpig unntatt inntil 21. juli 2021 (to bruksområder inntil 2023/2024).
  • Det keramiske materialet PZT, som brukes som piezoelektrisk materiale i de fleste anvendelser, inneholder cirka 64 vektprosent bly.

Cerpotech er med i flere prosjekter for å komme videre. Mest kontakt er det med bilbransjen, som hun samtidig regner som den mest konservative av bransjene.

 – Derfor bør vi jobbe mot andre der produktene skal brukes i kroppen eller der hvor det er bruk-og-kast-produkter. Der er det enda viktigere å unngå bly, sier hun. – For å få frem resultater på funksjonalitet og egenskaper, der trenger vi SINTEF. Vi er veldig tidlig i verdikjeden og langt fra sluttbruker. For oss er det viktig å få frem at dette kan benyttes kommersielt, sier Anne Dalager Dyrli.

I den vitenskapelige litteraturen finnes det veldig mye om mulige nye sammensetninger, forteller de to forskerne. Det vanskelige er å finne ut hva som er best å bruke i praksis. Det er lett å gå seg vill i forskningen. – Vi er opptatt av å få til noe som fungerer, sier Rørvik.

Viktig i ny teknologi

Piezoelektriske materialer vil finne nye, store anvendelser innen droneteknologi, selvstyrte roboter og sensornettverk, spår han. Små, lette piezo-motorer kan brukes til å håndtere og manipulere mekaniske innretninger som for eksempel gripearmer og «insektbein». Teknologien kan brukes til å lage drivmekanismen for vingene til fluelignende mikrodroner.

 Ryggesensorene på dagens biler er piezoelektriske og første generasjon av fremtidens avanserte sensorer for å kartlegge omgivelsene i sanntid. – Det er viktig å unngå farlige stoffer når nye masseprodukter introduseres, poengterer Per Martin Rørvik.

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no.

Les også

Kommentarer (0)

Kommentarer (0)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå