8/16/2019 Estructuras Cerámicas, Poliméricas y Semiconductoras
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ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICAFACULTAD DE INGENIERÍA “AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN” Cerro de Pasco - 2015
CURSO: Metalurgia Fíi!a I
INGENIERO: Mg" PALOMINO ISIDRO# Ru$%& E"
SEMESTRE: O!ta'(
INTEGRANTES:
C)U*UIYAURI POMACINO# Me+,e+a Na,-a
ME.IA MOLINA# Al+er Iaía
VILLE/AS *UISPE# Eri!0
ESTRUCTURAS: CERÁMICAS,POLIMÉRICAS Y SEMICONUCTORAS
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
EICAO A:Dios por protegernos y guiarnos por un buen
camino, a nuestros padres por la educación y amor
que nos brindan día a día y a usted Ingeniero por la
enseñanza que nos transmite a cada uno de
nosotros.
METALURGIA FÍSICA I 2
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
!NICE
Introducción Pág. 04
I" Estructuras cerámicas 0a) Materiales cerámicos 0b) Estructura de los materiales cerámicos 0!
b." #structuras cerámicas con un solo elemento 0$ b."." Diamante 0$ b.".% &ra'ito "0 b.".( )ullerenos "" b.% #structuras cerámicas binarias "
b.%." #structuras cristalinas del tipo [ AX ] "$
b.%."." #structuras cristalinas [salderoca ] "$
b.( #structuras cerámicas ternarias %" c) Cálculos de la densidad de las cerámicas %4 d) Estructuras no cristalinas % e) Propiedades de los materiales cerámicos %* f) Aplicaciones (0II. Estructuras poliméricas (" + -oncepto y clasi'icación (" /ipos de polímeros más comunes (% - -ristalización del polímero (! #structuras que in'luyen sobre las cadenas polimricas ($
D #structura de los polímeros (* # #structura y propiedades de los polímeros termoplásticos (1 ) +plicaciones 4III. Estructuras semiconductoras 4$ + 2emiconductores intrínsecos3 estructura cristalina 4$ 2emiconductores etrínsecos 0 - Propiedades de los materiales semiconductores (IV. Conclusiones 4V. Bibliografa
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INTROUCC!ON
#n el siguiente traba5o presentamos los di6ersos tipos de estructuras como
son3 cerámicas, polimricas y semiconductoras.7as estructuras cerámicas constituyen un amplio con5unto de compuestos cuya
característica 'undamental es estar 'ormados por la unión de elementos
atómicos mediante enlaces de carácter predominantemente iónico o co6alente,
es decir, uniones interatómicas 'uertes y estables, las estructuras polimricas
generalmente poseen estructura desordenada o amor'a como consecuenciadel mecanismo seguido en la polimerización que generalmente es radical. 2in
embargo, por la composición química del monómero o por el procedimiento
seguido en la polimerización 8coordinación y en ocasiones aniónico8 el estado
cristalino tambin puede eistir en los polímeros.Por la tanto las estructuras semiconductoras son materiales que poseen
propiedades intermedias de conducción.
I" ESTRUCTURAS CERÁMICAS
a) MA!E"IA#E$ CE"%MIC&$'
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7os materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánicos o
soluciones comple5as, constituidos por elementos metálicos y no
metálicos unidos entre sí principalmente mediante enlaces iónicos y9o
co6alentes: con gran aplicación en al'arería, construcción, utensilios de
cocina, dispositi6os elctricos.
#sta gran 6ersatilidad de aplicaciones se debe a que poseen
propiedades muy características que no pueden ser obtenidas con
ning;n otro material.
a.() !IP& E $*$!A+CIA'
2on compuestos inorgánicos constituidos por elementos metálicos
y no metálicos.
2u enlace puede ser iónico o co6alente. Presenta estructura cristalina.
b) E$!"*C!*"A E #&$ MA!E"IA#E$ CE"%MIC&$'
7a gran 6ariedad de composiciones químicas de los cerámicos se re'le5a
en sus estructuras cristalinas. uc=as de estas estructuras cerámicas tambin
describen compuestos intermetálicos, Por otra parte, es posible de'inir
un 'actor de empaquetamiento iónico ?IP), ionic par@ing 'actor, similar al
+P) de'inido en el caso de las estructuras metálicas. #l IP) es la
'racción de la celda unidad ocupada por los distintos aniones y cationes.
7a mayoría de las cerámicas son compuestos 'ormados por elementos
metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de
carácter totalmente iónico, de carácter predominantemente iónico con
alg;n carácter co6alente, de carácter predominantemente co6alente con
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alg;n carácter iónico o de carácter totalmente co6alente. #l trmino
AcerámicaA pro6iene de la palabra griega A@erami@osA, que signi'ica Acosa
quemadaA, indicando de esta manera que las propiedades deseables de
estos materiales generalmente se alcanzan despus de un tratamiento
trmico a alta temperatura que se denomina cocción.
Puesto que el enlace atómico en los materiales cerámicos es
parcialmente o totalmente iónico, muc=as estructuras cristalinas de los
materiales cerámicos pueden ser pensadas como compuestas de iones
elctricamente cargados en lugar de átomos. Puesto que las cerámicas
están compuestas usualmente por al menos dos elementos y a menudo
por más de dos, sus estructuras cristalinas son generalmente más
comple5as que la de los metales.
NOTA:
#a ma,ora de las estructuras cristalinas consisten en
disposiciones compactas de los aniones con uno o más tipos de
cationes posicionados en -uecos tetraédricos u octaédricos. En
estas estructuras tiende a predominar el enlace iónico. &tras
estructuras cristalinas cerámicas consisten en tetraedros ,o
octaedros aislados /ue se unen entre si compartiendo 0értices o
caras. Estas estructuras no presentan un empa/uetamiento ele0ado
, poseen un grado alto de enlace co0alente direccional.
E1I$!E+ !"E$ C#A$E$ E E$!"*C!*"A$ CE"%MICA$'
#structuras cerámicas con un solo elemento #structuras cerámicas binarias #structuras cerámicas ternarias
b.() E$!"*C!*"A$ CE"%MICA$ C&+ *+ $& E#EME+!&'
7as estructuras cristalinas cerámicas con un solo elemento no son
muy abundantes. 7a más importante es la estructura tipo
BDiamanteC que está compuesta por el carbono, que es un
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elemento que eiste en 6arias 'ormas polimór'icas, así como en
estado amor'o. #l tratamiento de los materiales de carbono se
centrara en las estructuras y características del gra'ito, el diamante
y los 'ullerenos, y tambin sobre sus aplicaciones actuales y
potenciales.
b.1.1) Diamante, [C].
#l diamante es un polimor'o meta estable de carbono a
temperatura ambiente y a presión atmos'rica. 2u
estructura cristalina es una 6ariante de la blenda, en la cual
los átomos de carbono ocupan todas las posiciones ?tanto
las del n como las del 2, tal como se ilustra en la celdilla
unidad mostrada en la 'igura b.".".". +sí, cada átomo de
carbono esta unido con otros cuatro átomos de carbono y
estos enlaces son totalmente co6alentes y 'uertes,
compartiendo un electrón con cada uno de los 4 átomos de
carbono que lo rodean. -ada átomo de carbono esta en el
centro de un tetraedro o en uno de sus 4 6rtices, siendo
todas las posiciones de red equi6alentes. #l n;mero de
coordinación es 4 y la 'ormula de coordinación, - B4C.
#sta se denomina la estructura cristalina c;bica del
diamante, la cual tambin se encuentra en otros elementos
del &rupo IE+ de la tabla periódica ?por e5emplo, germanio
y silicio.
2igura b.(.(.(3 Celdilla unidad de la estructura c4bica del
diamante.
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7a estructura del Diamante está basada en la red c;bica
centrada en las caras ?)--. 7a celda primiti6a consiste en
dos redes )--, la primera centrada en el punto ?0,0,0, y la
segunda está centrada en el ?F,F ,F, o sea que está
desplazada F respecto la diagonal del cubo de la primera
red.
7a característica de la estructura del diamante es el enlace
tetradrico, en el cual cada átomo está enlazado con otros
cuatro átomos 6ecinos ?Incorpora la con'iguración
tetradrica de enlace de elementos del grupo IE+. 7a
estructura del Diamante está relati6amente 6acía, la
máima proporción de espacio ocupado por es'eras sólidas
es 0.(4, lo cual representa un 4!G del espacio ocupado
por las estructuras =cp o 'cc.
En la siguiente tabla aparecen elementos con estructura del
iamante.
+quí el parámetro a corresponde a la arista de la celda
c;bica.
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Cristal a (Å) Cristal a (Å)C 5Carbono) (,! 6e 56ermanio) ,!$i 5$ilicio) ,4( $n 5Esta7o) !,4!
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#l diamante puede considerarse como una estructura
deri6ada de la estructura c;bica centrada en las caras,
rellenándose la mitad de los =uecos tetradricos eistentes
por átomos iguales a los del empaquetamiento. ?)igura
b.".".%.
2igura b.(.(.8.3 Estructura tipo diamante.
7as propiedades 'ísicas del diamante =acen que sea un
material muy atracti6o. #s etremadamente duro ?el
material más duro conocido, modulo elástico ele6ado,tiene muy ba5a conducti6idad elctrica y gran estabilidad a
temperaturas altas ?sobre ($00H - en atmós'eras no
oidantes. #stas características se deben a su estructura
cristalina y al 'uerte enlace co6alente. /ambin tiene una
alta conducti6idad trmica, lo cual no es usual en un
material no metálico.
7a industria de los semiconductores está dominada por una
sola estructura cristalina. 7os semiconductores elementales
?2i, &e y 2n gris comparten la estructura c;bica del
diamante. n pequeño grupo de elementos contiguos a los
del grupo IE+ 'orma compuestos semiconductores, que
suelen ser compuestos del tipo +J, con combinaciones de
átomos con una 6alencia media de K4. Por e5emplo, el
&a+s combina la 6alencia K( del galio con la 6alencia K
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del arsnico y el -d2 que combina la 6alencia K% del
cadmio con la 6alencia K! del azu're. #l &a2 y -d2 son
e5emplos de compuestos del tipo III8E y compuestos del
tipo II8EI, respecti6amente. >uc=os de dic=os compuestos
sencillos +J presentan una estructura cristalina
'uertemente relacionada con la c;bica del diamante. 2u
estructura se 6erá dentro del apartado de estructuras
cerámicas binarias.
b.1.2) Grafito.
#l gra'ito es otro polimor'o del carbono ?)orma estable a
temperatura ambiente, que tiene una estructura cristalina
?)igura b.".%." bien distinta de la del diamante y es
tambin más estable que el diamante a temperatura y
presión ambiente. 7a estructura del gra'ito está compuesta
por capas de átomos de carbono dispuestos
=eagonalmente. Dentro de las capas, cada átomo de
carbono esta unido a tres átomos coplanares por enlaces
co6alentes. #l cuarto electrón de enlace participa en
enlaces de tipo de Ean der Laals entre las capas. -omo
consecuencia de estos enlaces interplanares dbiles, la
separación interplanar es 'ácil ?
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&tras propiedades destacables del grafito son' alta
resistencia y buena estabilidad química a temperaturas
ele6adas y en atmós'eras no oidantes, alta conducti6idad
trmica, ba5o coe'iciente de dilatación trmica y alta
resistencia al c=oque trmico, alta absorción de gases y
'ácil mecanización.
#l gra'ito se utiliza en elementos cale'actores de =ornos
elctricos, como electrodo para soldadura por arco, en
crisoles metal;rgicos, en moldes para aleaciones metálicas
y cerámicas, como re'ractario y aislador a alta temperatura,
toberas de co=etes, reactores químicos, contactos
elctricos, resistencias, electrodos para baterías y
dispositi6os de puri'icación de aire.
b.1.3) Fullerenos.
#sta 'orma polimór'ica del carbono 'ue descubierta en
"1*. #iste en 'orma molecular, y consiste en una red
es'rica de !0 átomos de carbono. na molcula sencilla
se indica por -!0. -ada molcula está compuesta por
grupos de átomos de carbono que están enlazados uno
5unto a otro para 'ormar con'iguraciones geomtricas de
=eágonos ?! átomos de carbono y pentágonos ?cinco
átomos de carbono. na molcula de este tipo se muestra
en la 'igura b.".(.", y posee %0 =eágonos y "%
pentágonos, los cuales están colocados de tal manera que
no =ay dos pentágonos que compartan un mismo lado. 7a
super'icie molecular e=ibe la simetría de un balón de
';tbol, por lo que el nombre abre6iado en ingls de esta
estructura es buc@yball. #l material 'ormado por molculas
de -!0 es conocido por el nombre buc@minster'ullereno, en
=onor a O. uc@minster )uller.
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2igura b.(.9.(.3 Estructura de una molécula C:;.
7a presencia de los anillos con cinco átomos de carbono
proporciona la cur6atura positi6a de la super'icie delbuc@yball, en contraste con la estructura plana del gra'ito,
en la que todos los anillos tienen seis átomos de carbono.
#l diamante y el gra'ito se denominan sólidos reticulares
porque todos los átomos de carbono 'orman enlaces
primarios con átomos adyacentes a tra6s de todo el
sólido. Por el contrario, los átomos de carbono en elbuc@minster'ullereno se unen unos a otros para 'ormar las
molculas es'ricas. #n el estado sólido, las unidades -!0
'orman una estructura cristalina y se empaquetan 'ormando
una red c;bica centrada en las caras ?'igura b.".(.% con
una celdilla unidad de ".4" nm de lado. -ada molcula en
el buc@minster'ullereno se comporta como un átomo
indi6idual. #l material sólido puro y cristalino tiene una
densidad ba5a ?".! g9cm(, es relati6amente blando y es un
aislante elctrico Bconducti6idad elctrica menor que "08
$?m8".
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2igura b.(.9.8.3 Celdilla unidad de un
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cristalina 'cc. Por tanto, podemos considerar que el Q(-!0 es un
metal molecular, el primero que =a sido descubierto. +demás,
este material se comporta como un superconductor a "* Q.En la figura b.(.9.9 se da una comparación de di0ersas
caractersticas del grafito? diamante , fullerenos
2igura b.(.9.9.3 Comparación de di0ersascaractersticas del grafito? diamante , fullerenos.
b.8) E$!"*C!*"A$ CE"%MICA$ BI+A"IA$'
7a epresión binaria se re'iere a una estructura con dos lugares
atómicos distintos, uno para el anión y otro para el catión. Para un
compuesto dado eiste una 6ariedad de elementos que pueden
entrar en solución sólida en dic=os lugares atómicos sin que cambie
la estructura. +sí, el trmino binario identi'ica el n;mero de lugares
atómicos y no el de los elementos químicos. #n la tabla b.%." se
muestran di6ersas estructuras binarias importantes y algunas de sus
características.
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Tabla b.2.1. !stru"turas "er#mi"as binarias.
na parte importante de las estructuras cristalinas cerámicas
?#nlaces iónico8co6alentes pueden deri6arse del empaquetamiento
compacto de es'eras rígidas con simetría =eagonal compacta
?R-P o c;bica centrada en las caras ?)--. #n los =uecos
octadricos o tetradricos del empaquetamiento compacto se
situarán los cationes con distintos ni6eles de ocupación. +unque lo =abitual es la deri6ación de las estructuras a partir del
empaquetamiento compacto de aniones, tambin se pueden
desarrollar estructuras de tipo 'luorita ?-a)% mediante el
empaquetamiento compacto de cationes.#n las tablas b.%.% y b.%.( se dan algunas de las estructuras
generadas como consecuencia de la ocupación de =uecos
octadricos o tetradricos del empaquetamiento compacto de
es'eras rígidas con estructura c;bica o =eagonal.
!abla b.8.8.3 Estructuras originadas como consecuencia de laocupación octaédrica , tetraédrica de un empa/uetamiento compacto
de esferas rgidas con simetra c4bica 52CC).
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nombre
!stru"tura
FormulaGeneral
Coor$ina"i%nformula
embala&e$e aniones
Fra""i%n $eCationes
'u(ares o"ua$os
!&emlos
[Sal de
[clorur
[Blend
[wurtzi
[arseni
[ Fluori
[ Rutilo ]tipos de sílice
[antiflu
[Corin
+J +J +J +J +J +J%
+J% +J% +%J +%J(
A|6| X
|6|
A|8| X
|8|
A|4| X
|4|
A|6| X
|6|
A|8| X 2
|4|
A|6| X 2
|3|
A|4| X 2
|2|
A2|4| X
|8|
A2|6| X 3
|4|
-;bica de empaquetamiento compacto
simple c;bico-;bica de empaquetamiento compactoReagonal compacta-errar8=eagonal llenosimple c;bico
Distorted apretadas/etradrica conectada-;bica de empaquetamiento compactoReagonal compacta
To$o o"ta*$ri"aTo$o "+bi"o tetra*$ri"a tetra*$ri"aTo$o o"ta*$ri"a "+bi"o
O"ta*$ri"a
To$o tetra*$ri"a2-3 o"ta*$ri"a
NaCl, Cl, 'iF, /(O, 0O, NiO CsCl, Csr, Csl
n, eO, β iC
n, nO, ∝ iC, eO, C$
NiAs, Fe, Fee, CoeCaF 2 , T4O 2 , CeO 2 , 5O 2 , rO 2 , 6fO 2 TiO 2 , GeO 2 , nO 2 , 7bO 2 , 0O 2 , NbO 2 iO 2 , GeO 2 'i 2 O, NaO, sulfi$es
Al 2 O 3, Fe2 O 3, Cr 2 O 3, 0 2 O 3, Ga2 O 3, 842 O 3
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!abla b.8.9.3 Estructuras originadas como consecuencia de laocupación octaédrica , tetraédrica de un empa/uetamiento compacto
de esferas rgidas con simetra -e>agonal 5@CP).
b.8.( Estructuras cristalinas del tipo A1.
+lgunos de los materiales cerámicos más comunes son
aquellos en los cuales el n;mero de cationes y aniones es el
mismo. #stos se re'ieren a menudo como compuestos +J,
donde + indica el catión y J el anión ?+ es un elemento
metálico y J es un elemento no metálico. 2on los cerámicos
con la 'órmula química más sencilla. #isten 6arias
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estructuras cristalinas distintas para los compuestos +J, cada
una de ellas se describe mediante el nombre de un material
com;n que tiene esta particular estructura.
b.8.(.( Estructura cristalina $al de roca A[6 ] X [6 ] .
Suizás la estructura cristalina más com;n del tipo B2al de
rocaC es la del cloruro sódico, por lo cual tambin se denomina
B-l
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7a red de
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
7as estructuras iónicas ?y otras pueden ser deri6adas a partir
de la ocupación de los =uecos tetradricos y octadricos de
los empaquetamientos densos ?)igura b.%."."
Fi(ura b.2.1.2. !stru"tura "ristalina $e la blen$a o esfalerita9n) "omo $eria"i%n $e $e la o"ua"i%n $e la mita$ $e los
4ue"os tetra*$ri"os $el ema;uetamiento $enso FCC 9!CC).
#n la 'igura b.%.".( se presenta una celdilla unidad, todos los
6rtices y posiciones en las caras de la celdilla c;bica están
ocupadas por átomos 2, mientras que los átomos de n
llenan el interior en posiciones de =uecos tetradricos ?7a
mitad. 2i las posiciones de los átomos de n y 2 sonintercambiadas la estructura que resulta es equi6alente.
+ menudo el enlace atómico es en gran parte co6alente en
los compuestos que e=iben esta estructura cristalina, entre
los cuales están &a+s, +lP, In2b, -u-l, nU, n2e, -d2,
n/e, Rg/e y 2i-.
7a estructura cristalina de la blenda es similar a la del
diamante, con los cationes y aniones alternándose en las
posiciones de los átomos de carbono.
2igura b.8.(.9.3 Estructura cristalina de la blenda o esfalerita5n$).
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
b.9) E$!"*C!*"A$ CE"%MICA$ !E"+A"IA$.na estructura cerámica ternaria consiste, generalmente, en
un ordenamiento de iones ?#n general de aniones,
compacto o próimo al compacto, con dos cationes dedi'erentes tamaños o cargas, que se a5ustan en las
posiciones intersticiales apropiadas.>uc=as cerámicas comerciales importantes con estructuras
ternarias tienen composiciones con más de tres elementos
donde más de un elemento de tamaño comparable ocupa un
tipo de posición estructural. +sí, cuando se eploran
estructuras ternarias, se =ará n'asis en las posiciones
estructurales más bien que en la composición química. 7as
estructuras ternarias son sumamente importantes para la
tecnología de cerámica a6anzada. >uc=as de las
composiciones de materiales usados como dielctricos
a6anzados, magnticos, re'ractarios, estructurales y ópticos
tienen estructuras ternarias. +demás, la mayor parte de la
corteza de la tierra está compuesta de materiales cerámicos
con estructuras ternarias.
+lgunas estructuras ternarias se dan en la tabla b.4 2e
estudiarán sólo algunas de las estructuras ternarias. #stas
incluyen compuestos de la 'orma +%J4 cuya estructuras
pueden ser de los tipos BespinelaC, B'enacitaC y Boli6inoC,
compuestos de la 'orma +J4 con estructuras del tipo
BcircónC, las deri6adas del 2iU% ordenado y las ternarias
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
deri6adas de las estructuras binarias del BrutiloC y de la
B'luoritaC, compuestos de la 'orma +J( con la estructura
del tipo Bpero6s@itasC y, 'inalmente, otras estructuras
ternarias.
#l ob5eti6o es seleccionar e5emplos que ilustren los 'actores
que controlan las disposiciones de los átomos e in'luyen en
las propiedades de composiciones especí'icas.
!abla b.9.3 "esumen de algunas estructuras ternarias.
b.9 Estructuras ternarias de los compuestos de la forma
A8B1.
b.9.( Estructuras del tipo Espinela
A2[6 ]B
[4 ] X 4
[4 ]oB
[ 4 ] A
[6 ]B
[6 ] X 4
[4 ].
7a 'órmula +%J4 incluye una importante 'amilia de
cerámicos con aplicaciones magnticas. 7as estructuras
tipo B#spinelaC se construyen sobre una red de ra6aisc;bica centrada en las caras con "4 iones ?dos +%K,
cuatro (K y oc=o J%8 asociados a cada punto de red.
na celda unitaria contiene (% aniones J%8 ?por e5emplo,
de oígeno localizados en los sitios de red de la
estructura c;bica centrada en las caras, "! cationes en
=uecos octadricos y * en tetradricos, es decir un total
de ! iones. #n la estructura BespinelaC normal, el catión
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
+%K ocupa un octa6o de los =uecos tetradricos y el (K
la mitad de los =uecos octadricos.7a estructura tipo B#spinelaC se muestra en la 'igura
b.(.", la cual puede 6erse como una combinación de las
estructuras del g%K están ocupando posiciones tetradricas, es
decir están en coordinación con cuatro oígenos ?U %8 y
los iones +l(K están situados en posiciones octadricas,
es decir en coordinación con seis oígenos ?U%8.
2igura b.9.(.3 Estructura tipo Espinela normal.Posición relati0a de los átomos en la estructura.
b.9.8 Estructuras del tipo pero0s=ita 9CaTiO 3 ).
#5emplo3 a/iU(, en la cual los iones de bario y
oigeno 'orman una celda unidad c;bica centrada
en las caras con los iones bario en los 6rtices de
la celda unidad, y los iones oido en el centro de
las caras, el ión titanio se situará en el centro de
la celda unidad coordinado a seis iones oígeno.
METALURGIA FÍSICA I 22
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
c) CÁLCULOS E LA ENSIA E LAS CERÁMICAS"
#s posible calcular la densidad teórica de un material cerámico cristalino
a partir de los datos de la celdilla unidad de una 'orma similar a la
descrita para los metales. #n este caso la densidad V puededeterminarse utilizando una 'orma modi'icada de la ecuación deducida
para los metales de la 'orma siguiente3
∑ Ac+∑ A A¿n ¿
ρ=¿
onde'
n' = Número de unidades de formula en la celdilla unidad
Σ AC = Suma de los pesos atómicos de todos los cationes en la unidad de
fórmula
Σ AA = Suma de los pesos atómicos de todos los aniones en la unidad de fórmula
VC = Volumen de la celdilla unidad
NA = Número de Avogadro, 6.0! " #0 ! unidades de fórmula$ mol
nidades de 'órmula3 son todos los iones que están incluidos en la
'ormula química unidad. Por e5emplo, en el caso del a/iU(, una unidad
de 'ormula consiste en un ión de bario, un ión de titanio y tres iones de
oígeno.
d) E$!"*C!*"A +& C"I$!A#I+A$.>uc=os sólidos no cristalinos como los 6idrios, los geles y capas
depositadas mediante 6apor tienen muc=os usos y son muy importantes
para una amplia gama de disciplinas de la ingeniería.
d.( Vidrios.
a5o la amplia denominación genrica de 6idrios o de cuerpos
6ítreos queda comprendida una gran 6ariedad de sustancias que,
aunque a temperatura ambiente tienen la apariencia de cuerpos
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
sólidos, que les proporciona su rigidez mecánica, no pueden
considerarse como tales, ya que carecen de la estructura cristalina
que caracteriza y de'ine al estado sólido.
2i por la estabilidad de su 'orma los 6idrios podrían asimilarse a
sólidos, desde el punto de 6ista de su desorden estructural sus
seme5anzas con los líquidos son muc=o más acusadas. #ste
=ec=o, que constituye una limitación para incluir a los 6idrios entre
los sólidos, resulta sin embargo insu'iciente para autorizar a
aceptarlos como líquidos, si bien puede 5usti'icar la designación de
líquidos de 6iscosidad in'inita que en muc=as ocasiones se les =a
aplicado.
7a di'icultad para encuadrar adecuadamente a los cuerpos 6ítreos
dentro de uno de los tres estados de agregación de la materia dio
lugar a que se pensara independizar a los 6idrios integrándolos en
un cuarto estado de agregación3 el estado 6ítreo. #sta sugerencia
nunca llegó sin embargo a encontrar una aceptación generalizada
2i se parte de un concepto de cuerpo sólido que prescinda de la
cristalinidad y se base eclusi6amente en determinadas
propiedades 'ísicas, con límites pre6iamente establecidos para
cada estado, podría aplicarse a los 6idrios el nombre de sólidos
amor'os, con tal de que esta denominación se reser6ara para ba5as
temperaturas. 7a mayor ob5eción contra ella surgiría si se intentara
aplicarla tambin a las temperaturas en que aqullos se 6uel6en
plásticos.
Por otra parte, se =a comprobado que los 6idrios presentan mayor
grado de ordenación estructural ?orden de corto alcance que loscuerpos amor'os. #sta ordenación se limita a un pequeño entorno
alrededor de cada uno de los iones que 'orman el retículo
?ordenamiento de corto alcance, a di'erencia de la periodicidad de
largo alcance que guarda la estructura de los sólidos cristalinos.
Por eso, para establecer esta di'erencia, se emplea tambin para
los 6idrios, con mayor adecuación que el anterior, el nombre de
sólidos no cristalinos.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
E$!"*C!*"A'
7a mayoría de los 6idrios de uso comercial están basados en el
óido de silicio, ?2iU%, como 'ormador de 6idrio, donde lasubunidad 'undamental es el tetraedro 2iU4, en donde
un átomo de silicio se encuentra co6alentemente enlazado a cuatro
átomos de oigeno. Pueden tener algunos iones modi'icadores
adicionales que son óidos como el -aU,
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
2igura 8. "epresentación gráfica de las diferencias estructurales entre un cristal 5a), un 0idrio 5b)
e) P"&PIEAE$ E #&$ MA!E"IA#E$ CE"%MIC&$.
P"&PIEAE$ MEC%+ICA$2on duros y 'rágiles a temperatura ambiente debido a su enlace
iónico9co6alente ?al aplicarles una fuerza los iones de igual carga
quedan enfrentados provocando la rotura del enlace), este =ec=o
supone una gran limitación en su n;mero de aplicaciones. #sta 'ragilidad
se intensi'ica por la presencia de imper'ecciones.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
f) AP#ICACI&+E$ E #&$ MA!E"IA#E$ CE"%MIC&$
• )abricación de productos de al'arería, debido a su dureza y resistencia
al calor.
• 7osetas trmicas ?trasbordadores espaciales, por su ba5a conducti6idad
trmica.
• )abricación de materiales de construcción (ladrillos, cemento, azulejos,
baldosas, etc.), por su dureza y ba5a conducti6idad trmica y elctrica.
• +islantes en aparatos electrónicos.
• >ateriales re'ractarios, por su punto de 'usión tan ele6ado.
• 2ir6en para pulir o a'ilar otros materiales de menor dureza debido a su
gran dureza. #5emplos3 al;mina 'undida y carburo de silicio.
• Eidrio.
METALURGIA FÍSICA I 29
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
II. E$!"*C!*"A$ PIMF"ICA$
A. Concepto , clasificación de los polmeros.
n polímero ?del griego poly, muc=os: meros, parte, segmento es una
sustancia cuyas molculas son, por lo menos aproimadamente,
m;ltiplos de unidades de peso molecular ba5o. 7a unidad de ba5o peso
molecular es el monómero. 2i el polímero es rigurosamente uni'orme en
peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización esindicado por un numeral griego, seg;n el n;mero de unidades de
monómero que contiene: así, =ablamos de dímeros, trímeros, tetrámero,
pentámero y sucesi6os. #l trmino polímero designa una combinación de
un n;mero no especi'icado de unidades. De este modo, el trióimetileno,
es el trímero del 'ormalde=ído, por e5emplo.
2i el n;mero de unidades es muy grande, se usa tambin la epresión
gran polímero. n polímero no tiene la necesidad de constar de
molculas indi6iduales todas del mismo peso molecular, y no es
necesario que tengan toda la misma composición química y la misma
estructura molecular. Ray polímeros naturales como
ciertas proteínas globulares y policarbo=idratos, cuyas molculas
indi6iduales tienen todos los mismos pesos moleculares y la misma
estructura molecular: pero la gran mayoría de los polímeros sintticos y
naturales importantes son mezclas de componentes polimricos
=omólogos. 7a pequeña 6ariabilidad en la composición química y en la
estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos 'inales,
ramas ocasionales, 6ariaciones en la orientación de unidades
monómeros y la irregularidad en el orden en el que se suceden los
di'erentes tipos de esas unidades en los copolímeros. #stas 6ariedades
en general no suelen a'ectar a las propiedades del producto 'inal, sin
METALURGIA FÍSICA I 30
http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos10/compo/compo.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/separacion-mezclas/separacion-mezclas.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos10/compo/compo.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/separacion-mezclas/separacion-mezclas.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
embargo, se =a descubierto que en ciertos casos =ubo 6ariaciones en
copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.
7o que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por
molculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. #n
general, los polímeros tienen una muy buena
resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas polimricas se
atraen. 7as 'uerzas de atracción intermoleculares dependen de la
composición química del polímero y pueden ser de 6arias clases. 7as
más comunes, denominadas )uerzas de Ean der Laals.
B. !ipos e Polmeros Más Comunes
b.( PGME"&$ !E"M&P#%$!IC&$'
7os termoplásticos son polímeros de cadenas largas que cuando se
calientan se reblandecen y pueden moldearse a presión.
Oepresentan el $*8*0G de consumo total. 7os principales son3
b.(.( Polietileno.3 Wste es el termoplástico más usado en nuestra sociedad.
7os productos =ec=os de polietileno 6an desde materiales
de construcción y aislantes elctricos =asta material de empaque. #s
barato y puede moldearse a casi cualquier 'orma, etruírse para =acer
'ibras o soplarse para 'ormar películas delgadas. 2eg;n
la tecnología que se emplee se pueden obtener dos tipos de polietileno
b.(.(.( Polietileno de BaHa ensidad. Dependiendo del catalizador, este
polímero se 'abrica de dos maneras3 a alta presión o a ba5a presión.
#n el primer caso se emplean los llamados iniciadores de radicales
METALURGIA FÍSICA I 31
http://www.monografias.com/trabajos35/newton-fuerza-aceleracion/newton-fuerza-aceleracion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/sociedad/sociedad.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/sociedad/sociedad.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/materiales-construccion/materiales-construccion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/empaq/empaq.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/empaq/empaq.shtmlhttp://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtmlhttp://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtmlhttp://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/newton-fuerza-aceleracion/newton-fuerza-aceleracion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/sociedad/sociedad.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos35/materiales-construccion/materiales-construccion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/empaq/empaq.shtmlhttp://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
libres como catalizadores de polimerización del etileno. #l producto
obtenido es el polietileno de ba5a densidad rami'icado:
-uando se polimeriza el etileno a ba5a presión se emplean
catalizadores tipo iegler
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
dependiendo de la posición del grupo metilo pueden tomar
cualquiera de las tres estructuras siguientes3
". Isotáctico? cuando los grupos metilo unidos a la cadena están en
un mismo lado del plano.
%. $indiotáctico, cuando los metilos están distribuidos en 'orma
alternada en la cadena.
(. Atáctico, cuando los metilos se distribuyen al azar.
Posee una alta cristalinidad, por lo que sus cadenas quedan bien
empacadas y producen resinas de alta calidad.
#l polipropileno se utiliza para elaborar bolsas de 'reezer
y microondas ya que tienen una buena resistencia trmica y
elctrica además de ba5a absorción de =umedad. Utras
propiedades importantes son su dureza, resistencia a la abrasión
e impacto, transparencia, y que no es tóico. +simismo se usa
para 'abricar carcazas, 5uguetes, 6ali5as, 5eringas, baterías,
tapicería, ropa interior y ropa deporti6a, al'ombras, cables,
selladores, partes automotrices y suelas de zapatos.
b.(.9 Cloruro de poli0inilo 5PVC)
#ste polímero se obtiene polimerizando el cloruro de 6inilo.
#isten dos tipos de cloruro de poli6inilo, el 'leible y el rígido.
+mbos tienen alta resistencia a la abrasión y a los productos
químicos. Pueden estirarse =asta 4 6eces y se suele
copolimerizar con otros monómeros para modi'icar y me5orar la
calidad de la resina. 7as resinas de PE- casi nunca se usan
solas, sino que se mezclan con di'erentes aditi6os.
METALURGIA FÍSICA I 33
http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos11/conge/conge.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/comsat/comsat.shtml#DISPOSIThttp://www.monografias.com/trabajos32/juegos-tradicionales/juegos-tradicionales.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos11/conge/conge.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/comsat/comsat.shtml#DISPOSIThttp://www.monografias.com/trabajos32/juegos-tradicionales/juegos-tradicionales.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
#l PE- 'leible se destina para =acer manteles, cortinas para
baño, muebles, alambres y cables elctricos: #l PE- rígido se
usa en la 'abricación de tuberías para riego, 5untas, tec=ado y
botellas.
b.(. Poliestireno 5P$)
#l poliestireno ?ps es el tercer termoplástico de mayor uso
debido a sus propiedades y a la 'acilidad de su 'abricación.
Posee ba5a densidad, estabilidad trmica y ba5o costo. #l =ec=o
de ser rígido y quebradizo lo des'a6orecen. #stas des6enta5as
pueden remediarse copolimerizándolo con el acrilonitrilo ?más
resistencia a la tensión.
#s una resina clara y transparente con un amplio rango de
puntos de 'usión. )luye 'ácilmente, lo que 'a6orece su uso en el
moldeo por inyección: Posee buenas propiedades elctricas,
absorbe poco agua ?buen aislante elctrico, resistemoderadamente a los químicos, pero es atacado por
los =idrocarburos aromáticos y los clorados. 2e comercializa en
tres di'erentes 'ormas y calidades3
De uso com;n, encuentra sus principales aplicaciones en
los mercados de inyección y moldeo.
Poliestireno de impacto ?alto, medio y ba5o que sustituye al deuso general cuando se desea mayor resistencia. tilizada para
'abricar electrodomsticos, 5uguetes y muebles.
#pandible se emplea en la 'abricación de espuma de
poliestireno que se utiliza en la producción de accesorios para la
industria de empaques y aislamientos.
METALURGIA FÍSICA I 34
http://www.monografias.com/trabajos7/coad/coad.shtml#costohttp://www.monografias.com/trabajos54/modelo-acuerdo-fusion/modelo-acuerdo-fusion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/petro/petro.shtml#hidrohttp://www.monografias.com/trabajos10/petro/petro.shtml#hidrohttp://www.monografias.com/trabajos13/mercado/mercado.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/coad/coad.shtml#costohttp://www.monografias.com/trabajos54/modelo-acuerdo-fusion/modelo-acuerdo-fusion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/petro/petro.shtml#hidrohttp://www.monografias.com/trabajos13/mercado/mercado.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
#os usos más comunes son'
Poliestireno de medio impacto' Easos, cubiertos y platosdescartables, empaques, 5uguetes.
Poliestireno de alto impacto' #lectrodomsticos ?radios, /E,
licuadoras, tel'onos la6adoras, tacos para zapatos, 5uguetes.
Poliestireno cristal' piezas para cassettes, en6ases
desec=ables, 5uguetes, electrodomsticos, di'usores de luz,
pla'ones.
Poliestireno E>pandible' en6ases trmicos, construcción
?aislamientos, tableros de cancelería, pla'ones, casetones, etc..
b.(. Estireno3acrilonitrilo 5$A+)
#ste copolímero tiene me5or resistencia química y trmica, así
como mayor rigidez que el poliestireno. 2in embargo no es
transparente por lo que se usa en artículos que no requieren
claridad óptica. +lgunas de sus aplicaciones son la 'abricación
de artículos para el =ogar.
b.(.: Copolmero acrilonitrilo3butadieno3estireno 5AB$)
#stos polímeros son plásticos duros con alta resistencia
mecánica, de los pocos termoplásticos que combinan la
resistencia con la dureza. 2e pueden usan en aleaciones con
otros plásticos. +sí por e5emplo, el +2 con el PE- nos da
un plástico de alta resistencia a la 'lama que le permite
encontrar amplio uso en la construcción de tele6isores. 2us
METALURGIA FÍSICA I 35
http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/opticatp/opticatp.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/biocorrosion/biocorrosion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/opticatp/opticatp.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/biocorrosion/biocorrosion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
cualidades son una ba5a temperatura de ablandamiento, ba5a
resistencia ambiental y ba5a resistencia a los agentes químicos.
C. C"I$!A#IACIJ+ E PGME"&$
7a 6elocidad de cristalización de los polímeros depende de 'actores
cintico que a'ectan la capacidad de los segmentos de cadena, para
acomodarse en sus posiciones dentro de la red cristalina. #sos 'actores
son3
(. 2le>ibilidad de las moléculas.
Para que un polímero cristalice, sus molculas deben tener su'iciente
elasticidad, es decir, la mo6ilidad necesaria para colocarse en
posiciones precisas durante el proceso de cristalización. no de los
polímeros con cadenas más 'leibles es el polietileno, cuyos
segmentos giran 'ácilmente y eso eplica la gran tendencia a cristalizar.
Para apreciar esto, usaremos una proyección en la que imaginamos
6er un segmento de dos carbonos, a lo largo del e5e mayor de la
cadena. -uando los átomos de carbono giran, llegan a quedar
eclipsados y en esa posición, la repulsión entre ellos es máima.
-uanto mayor es el tamaño de los átomos o grupos químicos y mayor
es su polaridad, más 'uerte es la repulsión, más se di'iculta el giro y
menos 'leible es la molcula. #n el polietileno todos los sustituyentesson átomos de =idrógenos y aunque desde luego se repelen, su
tamaño es pequeño y las molculas de polietileno son bastante
'leibles, lo cual le permite cristalizar con 'acilidad, especialmente
cuando no tienen rami'icaciones, como en el caso del polietileno d alta
densidad. #n cambio, en el policloruro de 6inilo, uno de los
sustituyentes es cloro, átomo de gran tamaño y alta polaridad. 7a
resistencia al giro de los segmentos es muy grande, y el PE- es un
METALURGIA FÍSICA I 36
http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICOhttp://www.monografias.com/trabajos/atomo/atomo.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICOhttp://www.monografias.com/trabajos/atomo/atomo.shtml
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
polímero rígido con grado de cristalinidad que rara 6ez sobrepasa el
%0G.
Estructuras /umicas /ue influ,en sobre las cadenas
poliméricas.
Enlaces dobles. 7os enlaces unidos por la doble ligadura no pueden girar,
pero en cambio los segmentos de cadena que le siguen gozan de gran
mo6ilidad, precisamente porque los carbonos del doble enlace tienen un
sustituyente menos, que si se trata de enlaces sencillos.
6rupos aromáticos. 7os anillo bencnicos producen rigidez en las molculas
y a 6eces e6itan la cristalización y en otros casos la reducen. #l polietileno
atáctico, por e5emplo es completamente amor'o. #sto no necesariamente es un
de'ecto. -uando se desea transparencia en un polímero, se selecciona uno
amor'o, y el poliestireno tiene precisamente esta cualidad. 7as cualidades de
alta polaridad y alta cristalinidad son esenciales para que un polímero 'orme
buenas 'ibras. 2ólo así tendrá la resistencia tnsil que se requiere.
6rupos al/uilos. 7os grupos metílicos del propileno, estorban muc=o para el
giro de los segmentos y obligan a la molcula a tomar una 'orma =elicoidal, en
la que se minimizan las interacciones de estos grupos metilos con otros átomos
de la molcula de polipropileno. 7a consecuencia es una densidad muy ba5a
?0,1" por el espacio libre que queda dentro de la =lice.
METALURGIA FÍSICA I 37
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
2i los grupos alquílicos son de mayor tamaño, las molculas adyacentes
se separan, de5ando entre ellas mayor 6olumen libre y los polímeros se
6uel6en más 'leibles, con menor temperatura de 'usión y ba5as
densidades.
Pero cuando esas cadenas laterales alcanzan longitudes considerables,
con "0 a "% átomos de carbono, y no tienen rami'icaciones, 6uel6e a ser
posible la cristalización por el ordenamiento de esas cadenas, ya sea
dentro de la propia molcula o entre molculas adyacentes.
8. Condiciones de la recristaliKación.
#l e'ecto de la temperatura sobre la cristalización de los polímeros es
con'licti6o. Por una parte, se requieren temperaturas altas para impartir a
las molculas polimricas su'iciente energía cintica ?mo6ilidad y que
puedan acomodarse en la red cristalina. Pero sólo a ba5as temperaturas
6an a permanecer en 'orma estable en los cristales.
#l balance entre esas dos condiciones produce una 6elocidad máima
de cristalización a una temperatura intermedia.
. E$!"*C!*"A E #&$ PGME"&$.
7os polímeros pueden tener tres tipos de estructuras3
(. Estructuras #ineales.3 7as molculas 'orman cadenas lineales. 2e
'orman cuando las molculas ?monómeros son ;nicamente bi'uncionales. 7a
polimerización puede ser por adición o por condensación. #ste es el caso de
los termoplásticos.
METALURGIA FÍSICA I 38
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
8. Estructura de red 5amorfas).8 7as molculas 'orman redes
tridimensionales. 2e 'orman cuando las molculas ?monómeros son
tri'uncionales o mayores 7a polimerización puede ser por adición o por
condensación. #ste es el caso de los termoestables.
9. Estructuras cristalinas.8 2e produce cuando las cadenas lineales
adquieren un ordenamiento. 7a estructura cristalina es importante porque los
polímeros lineales se 6uel6en más 'irmes y 'uertes. 7os polímeros cristalinos
tienen mayores densidades y me5ores propiedades mecánicas que los
polímeros amor'os ?cadenas en desorden.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
E. E$!"*C!*"A L P"&PIEAE$ PGME"&$ !E"M&P#%$!IC&$.
#isten 6arias 'ormas para modi'icar y controlar las propiedades de los
polímeros termoplásticos3
• 6rado de polimeriKación. + mayor grado de polimerización mayor
temperatura de 'usión y me5ores propiedades mecánicas.
• !ipos de monómeros. 7os átomos más grandes, como el -l y los
grupos de átomos, como los grupos metilo o benceno inter'ieren en el
deslizamiento de las cadenas cuando se aplica un es'uerzo,
incrementándose así la resistencia mecánica y el punto de 'usión del
polímero.
• "amificación. 2e produce debido a la adición de un agente que
remue6e algunos átomos de =idrógeno de la parte lateral de una
cadena, a 'in de que puedan producirse rami'icaciones en estos
puntos.
#sta modi'icación se lle6a a cabo en un polímero lineal.
METALURGIA FÍSICA I 40
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
• *niones cruKadas. 2e produce cuando dos cadenas se enlazan
mediante alg;n elemento especial. #5emplo3 #n la 6ulcanización, las
cadenas de cauc=o isopreno se unen mediante átomos de azu're,
para obtener dureza y tenacidad que requiere el cauc=o para muc=as
aplicaciones.
• Escisión de anillos. 2e produce cuando dos molculas se unen a
una tercera cuando se rompen los anillos. #5emplo3 Dos molculas del
grupo epóido se unen cuando un anillo se rompe por combinación
con un reacti6o que promue6e el enlace.
• #ocaliKación de los grupos de átomos. >ediante un control de la
simetría o la distribución de los grupos o elementos determinados en
METALURGIA FÍSICA I 41
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
los lados de la cadena se pueden 6ariar las propiedades de un
polímero.
Estructuras del polipropileno' 5a) Atctica 5grupos al aKar)? 5b) isotáctica 5al
mismo lado) , 5c) sindiotáctica 5lados opuestos%
• &tras configuraciones importantes son' la estructura trans de la
gutaperc=a, los -R( y los R están en lados opuestos del doble
enlace, dando una cadena de carbono relati6amente recta. #n el
cauc=o la estructura cis, la cadena se cur6a, lo cual conduce una
molcula =elicoidal parecida a un resorte
METALURGIA FÍSICA I 42
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Polmeros termoplásticos'
Polietileno 5PE). 2e obtiene de la polimerización del etileno. Ray dos
tipos3 Polietileno de ba5a densidad ?7DP#.
Estructura de cadenas ramificadas ?menor rigidez y resistencia
trmica Polietileno de alta densidad ?RDP#. #structura de cadena
lineal ?mayor
Presentan tenacidad, absorción de =umedad cercana a cero,
ecelente resistencia química, aislante elctrico, ba5o coe'iciente de'ricción y 'acilidad de procesamiento. +plicaciones. -ontenedores,
artículos del =ogar, botellas y películas para empaquetamientos.
Policloruro de 0inilo 5PVC). 2e obtiene de la polimerización del
Policloruro de 6inilo.
Estructura , propiedades' >aterial de estructura amor'a debido a la
presencia de los átomos de -l en la cadena principal. Oesistencia a la
llama, buena temperatura de de'leión por calor, aislante elctrico y
alta resistencia química.
Aplicaciones' /uberías y coneiones para usos =idráulicos y
sanitarios, tuberías conduit para cableado elctrico, moldeado de
interiores y decoración.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Poliestireno 5P$). 2e obtiene de la polimerización del estireno.
Estructura , propiedades' >aterial de estructura amor'a debido
a la presencia del anillo 'enileno en la cadena principal. +islante
elctrico y quebradizo al impacto.
Aplicaciones' Oecubrimiento de interiores de automó6iles,
electrodomsticos, discos, manillares y utensilios de cocina.
Polipropileno 5PP). 2e obtiene de la polimerización del propileno.
Estructura , propiedades' >aterial de estructura amor'a debido
a la presencia de un grupo metilo en la cadena principal. Oigidez,
ecelente resistencia química y aislante elctrico.
Aplicaciones' Ubturadores, partes de automó6il, productos para
el =ogar, electrodomsticos, embala5es, utensilios de laboratorio y
6arios tipos de botellas.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Poliacrilonitrilo' 2e obtiene de la polimerización del acrilonitrilo.
Estructura , propiedades' +lta electronegati6idad del grupo
nitrilo. #structuras etensibles, rígidas y con 'orma de 6arilla.
Oesistencia y estabilidad química.
Aplicaciones' )ibras como lana en 5erseys y mantas.
AB$' 2e obtiene de la copolimerización del acrilonitrilo, butadieno
y estireno.
Estructura , propiedades' na mezcla de un copolímero 6ítreo
?estireno8acrilonitrilo y dominios de goma ?butadieno. uena
resistencia al impacto y química.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Aplicaciones' /uberías y =erramientas, particularmente en las
tuberías de drena5e8desagXe86entilación de los edi'icios.
Oecubrimientos de puertas e interiores de 'rigorí'icos, máquinas
de o'icina, carcasas y cubiertas de computadores.
Polimetacrilato de metilo 5PMMA ple>iglas o lucite)' 2e
obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo.
Estructura , propiedades. -ompletamente amor'a dotada de
una alta transparencia a la luz. uena resistencia química, a laintemperie y aislamiento elctrico.
Aplicaciones. -ristales de a6iones, embarcaciones, claraboyas,
iluminación eterior y señales publicitarias.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Politetrafluoroetileno 5P!2E !eflón)' 2e obtiene de la
polimerización del gas tetra'luoroetileno.
Estructura , propiedades. #s un polímero cristalino de alta
densidad. Oesistencia ecepcional a los productos químicos y
altas temperaturas ?=asta %!0o -.
Aplicación. /uberías resistentes a reacti6os químicos,
aislamiento de cables a altas temperaturas y recubrimientos
antiad=erentes, 5untas, anillos de estancamiento y co5inetes.
Policlorotrifluoroetileno 5C!2E)'
Estructura , propiedades. 7a presencia del cloro le =ace menos
cristalino y más moldeable. Presenta mayor rigidez y resistencia
mecánica que el P/)#.
Aplicaciones' -amisas para cables, 'ormas para bobinas,
tunerías y partes para bombas, dia'ragmas de 6ál6ulas y otros
elementos industriales para procesos corrosi6os.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Poliamidas 5n,lon)' 2e produce mediante polimerización por
condensación.
Estructura , propiedades. 7a cadena incorpora un grupo
amida. 2on procesados por 'usión, o'recen capacidad de soporte
de carga a ele6adas temperaturas, buena tenacidad, ba5a 'ricción
y buena resistencia química.
Aplicación. -o5inetes no lubricados, engrana5es, soportes, bu5es,
sellos, piezas anti'ricción, piezas mecánicas su5etas a altas
temperaturas y cargas de impacto.
7as aramidas pertenecen a una 'amilia de nailones, incluyendo el
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
#os polmeros se utilizan en un n;mero sorprendente de
aplicaciones, incluyendo 5uguetes, aparatos domsticos, elementos
estructurales y de decorati6os, recubrimiento, ad=esi6os, llantas de
automó6il y empaques.
El polietileno se usa para producir películas para empaque,
aislamiento de conductores, botellas blandas, recubrimiento de
etrusión, cortinas, manteles, cubiertas para la construcción,
estanques, in6ernaderos, bolsas de basura, tuberías y elementos
caseros.
El cloruro de poli0inilo o más conocido como el PVC se utiliza
para 'abricar tuberías, 6ál6ulas, coples, loseta de piso, aislamiento
para conductores, y tec=os de 6inil para automó6iles.
El polipropileno se utiliza para la 'abricación de tanques, aplicación
en el moldeo por inyección de piezas de electrodomsticos, utensilios
pequeños, piezas de automó6iles, 'ibras para al'ombras, cuerdas y
empaques.
El poliestireno se utiliza para la 'abricación de empaques y espumas
aislantes, paneles de iluminación, copolímeros resistentes al calor y al
impacto, piezas ópticas de plástico, 5uguetes, componentes de
aparatos y re5as para =ue6os.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
El poliacrilonitrilo 5PA+) se utiliza para la 'abricación de 'ibras
tetiles, precursor para 'ibras de carbón y recipientes de alimento.
III" ESTRUCTURAS SEMICONUCTORAS
n semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como
aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
7os elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la
tabla ad5unta.#l elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idntico
comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y
III con los de los grupos EI y E respecti6amente ?+s&a, PIn, +s&a+l, /e-d,
2e-d y 2-d. Posteriormente se =a comenzado a emplear tambin el azu're.
7a característica com;n a todos ellos es que son tetra6alentes, teniendo el
silicio una con'iguración electrónica sYpY.
A. $EMIC&+*C!&"E$ I+!"G+$EC&$' E$!"*C!*"A C"I$!A#I+A.
#n los semiconductores más usuales, silicio y germanio, su estructura
cristalina ?disposición atómica que se repite periódicamente en tres
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http://es.wikipedia.org/wiki/Sustanciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Siliciohttp://es.wikipedia.org/wiki/Azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Configuraci%C3%B3n_electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustanciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Siliciohttp://es.wikipedia.org/wiki/Azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Configuraci%C3%B3n_electr%C3%B3nica
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
dimensiones es la que aparece re'le5ada en la )igura ".4a y se
denomina Mestructura diamantinaN.
2igura (..3 5a) Celda unitaria en la estructura diamante. 5b)Ampliación del
0értice inferior.
Para comprenderla, =ay que tener en cuenta que tanto el 2i como el &e
poseen 4 electrones de 6alencia, esto es, 4 electrones eternos. Puesbien, en la estructura diamantina, cada átomo está rodeado de 4 átomos
6ecinos y, además, cada átomo tiende a compartir uno de sus cuatro
electrones de 6alencia con cada uno de los cuatro átomos 6ecinos de los
que toma otro electrón en proceso análogo ?)igura ".4b. 7as barras de
coneión de la )igura pueden considerarse como pistas a lo largo de
cada una de las cuales se mue6en dos electrones en uno y otro sentido
entre los átomos asociados. #sta disposición de pares de electronescompartidos entre átomos 6ecinos es lo que se denomina Menlace
co6alenteN.
7a )igura ". es una representación en dos dimensiones de la
estructura diamantina para un semiconductor puro ?sin de'ectos ni
elementos etraños a una temperatura muy ba5a, esto es, cuando todos
los electrones de 6alencia permanecen ligados en los enlaces
co6alentes no disponindose, por lo tanto, de cargas libres que puedan
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
mo6erse por el cristal ba5o la presencia de un campo elctrico eterno
aplicado. #n este caso, el material se comporta como un aislante.
2igura (..3 "epresentación bidimensional de un cristal de silicio a baHastemperaturas.
2in embargo, a temperaturas superiores, la 6ibración trmica de los
átomos de la red cristalina da lugar a sacudidas en las que se rompenalgunos enlaces co6alentes disponindose, en tal caso, de cargas libres
que pueden mo6erse por todo el cristal. #sta situación queda re'le5ada
en la )igura ".!. 7a energía necesaria para romper un enlace co6alente
=a de ser igual o mayor que #& ?el signi'icado 'ísico de este parámetro
energtico lo 6eremos posteriormente en el modelo de las bandas de
energía. #& es, en esencia, una energía de ionización, pero muc=o
menor que las energías de ionización de los átomos aislados ya quemuc=os átomos del cristal in'luyen sobre el mo6imiento de cada electrón
ligado. +lgunos datos3 #& ?2i Z ","% eE y #& ?&e Z 0,$ eE a /a T (00
Q. 7a peculiaridad más destacable de la 6acante de5ada en el enlace
co6alente es que se comporta como si 'uera una nue6a partícula libre de
carga positi6a Kq ?q T",!⋅"08"1 - y de masa comparable a la del
electrón. #sta partícula aparente recibe el nombre de M=uecoN.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
2igura (.:.3. Cristal de silicio con un enlace co0alente roto.
#l mecanismo por el cual los =uecos contribuyen a la conducción de
corriente elctrica puede eplicarse cualitati6amente como sigue3 cuandoun enlace está incompleto, de 'orma que =ay un =ueco, es relati6amente
'ácil que un electrón ligado de un átomo 6ecino abandone el enlace
co6alente para llenar el =ueco. n electrón que de5a su enlace para
llenar un =ueco de5a, a su 6ez, otro =ueco en su posición inicial. Por
tanto, el =ueco se mue6e e'ecti6amente en dirección contraria al electrón
ligado. #s decir, el mo6imiento del =ueco puede considerarse como la
trans'erencia de la ionización de un átomo a otro e'ectuada por elmo6imiento de los electrones ligados entre sus enlaces co6alentes. #l
electrón liberado inicialmente por la 6ibración trmica no inter6iene en
este proceso y puede desplazarse de manera totalmente independiente.
2e =a con6ertido en un Melectrón de conducciónN. Por lo tanto, en un
semiconductor intrínseco ?entendiendo como tal un semiconductor en el
que los átomos etraños se encuentran en una proporción no mayor de
un átomo por cada "01 átomos del propio semiconductor los electronesde conducción y los =uecos se encuentran siempre en igual n;mero, ya
que al romper un enlace co6alente se crean simultáneamente un
electrón de conducción y un =ueco que pueden mo6erse con
independencia uno del otro.
B. $EMIC&+*C!&"E$ E1!"G+$EC&$. IMP*"EA$&+A&"A$ L ACEP!A&"A$.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
Puesto que los semiconductores intrínsecos presentan el mismo
n;mero de electrones de conducción que de =uecos, no son lo
su'icientemente 'leibles para la mayor parte de las aplicaciones
prácticas de los semiconductores. Para aumentar el n;mero de
portadores, el procedimiento más com;n consiste en introducir, de
manera controlada, una cierta cantidad de átomos de impureza
obtenindose lo que se denomina semiconductor etrínseco o dopado.
#n ellos, la conducción de corriente elctrica tiene lugar,
pre'erentemente, por uno de los dos tipos de portadores.
b.( $emiconductor de tipo n. ImpureKas donadoras. #n la )igura ".*
aparece re'le5ada la estructura de un cristal de 2i que resulta cuando se
=a sustituido uno de sus átomos por otro que posee cinco electrones de
6alencia. Dic=o átomo enca5ará sin mayores di'icultades en la red
cristalina del 2i. -uatro de sus cinco electrones de 6alencia completarán
la estructura de enlaces, quedando el quinto electrón dbilmente ligado
al átomo. + temperatura ambiente e incluso in'eriores, este electrón se
libera con 'acilidad y puede entonces mo6erse por la red cristalina, por lo
que constituye un portador. #s importante señalar que, cuando se libera
este electrón, en la estructura de enlaces no queda ninguna 6acante en
la que pueda caer otro electrón ligado. + estos elementos que tienen la
propiedad de ceder electrones libres sin crear =uecos al mismo tiempo
se les denomina donantes o impurezas donadoras y se dice que =acen
al semiconductor de tipo n porque a dic=a temperatura tenemos muc=os
más electrones ?portadores negati6os que =uecos. Indudablemente,
siempre tendremos algunos =uecos debido a los enlaces co6alentes
rotos a dic=a temperatura. #s decir, en un semiconductor tipo n, los
electrones de conducción son los portadores mayoritarios ?aunque no
eclusi6os.
2igura (.N.3. "ed de cristal con un átomo de silicio desplaKado por un
átomo impurificador penta0alente
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
b.8 $emiconductor de tipo p. ImpureKas aceptadoras. n
razonamiento similar se puede =acer cuando sustituimos un átomo de 2i
por otro que tenga tres electrones de 6alencia ?6er )igura ".1. Dic=o
átomo no completa la estructura de enlaces3 de a=í que a temperatura
ambiente e incluso in'eriores un electrón ligado de un átomo 6ecino pase
'ácilmente a ocupar dic=a 6acante completando, de esta 'orma, la
estructura de enlaces y creando al mismo tiempo un =ueco. + estos
elementos que tienen predisposición para aceptar electrones ligados se
les conoce con el nombre de aceptadores o impurezas aceptadoras y se
dice que =acen al material de tipo p ya que ste conduce
'undamentalmente, aunque no de 'orma eclusi6a, mediante los =uecos
cargados positi6amente. Por lo tanto, en un semiconductor de tipo p, los
=uecos son los portadores mayoritarios y los electrones los minoritarios,
es decir, siempre eisten unos pocos electrones que proceden de larotura estadística de enlaces co6alentes a dic=a temperatura.
2igura (.O.3 "ed de cristal con un átomo de silicio desplaKado por un
átomo impurificador tri0alente.
#ntre los donantes más corrientes para el 2i se encuentran el 'ós'oro, el
arsnico o el antimonio, siendo el 'ós'oro el más com;n ?6er )igura
"."0. #ntre los aceptadores =abituales para el 2i se encuentran el boro,
el galio, el indio o el aluminio, siendo el boro el más com;n ?)igura "."0.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
)inalmente, es de señalar, que cuando el átomo donador ?o aceptador
cede ?o admite electrones queda cargado positi6amente ?o
negati6amente. 2in embargo, el ión correspondiente tiene su estructura
de enlaces completa. #s una carga 'i5a que no puede contribuir a la
conducción de corriente elctrica.
C. P"&PIEAE$ E #&$ MA!E"IA#E$ $EMIC&+*C!&"E$'
>aterial sólido o líquido capaz de conducir la electricidad me5or que
un aislante, pero peor que un metal. 7a conducti6idad elctrica, que
es la capacidad de conducir la corriente elctrica cuando se aplica
una di'erencia de potencial, es una de las propiedades 'ísicas más
importantes. -iertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio
son ecelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el
diamante o el 6idrio son muy malos conductores. + temperaturas
muy ba5as, los semiconductores puros se comportan como aislantes.
2ometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en
presencia de luz, la conducti6idad de los semiconductores puede
aumentar de 'orma espectacular y llegar a alcanzar ni6eles cercanos
a los de los metales. 7as propiedades de los semiconductores se
estudian en la 'ísica del estado sólido.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
I#" CONCLUSIONES
&racias al traba5o realizado pudimos concluir que3 #l traba5o realizado nos ayuda a comprender la clasi'icación de
los materiales lo cual nos será ;til alg;n día en el sitio donde
lleguemos a laborar ya que identi'icaremos con mayor 'acilidad y
entenderemos que son los materiales, como es su estructura,
como se clasi'ican y cuáles son sus características.
Cerámicos. /ienen ba5a conducti6idad elctrica y trmica y son
usados a menudo como aislantes. 2on 'uertes y duros, aunque
'rágiles y quebradizos.
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ESTRUCTURAS: CERÁMICAS, POLIMÉRICAS Y
$emiconductores. 2u conducti6idad elctrica puede controlarse
para su uso en dispositi6os electrónicos. 2on muy 'rágiles.
#" $I$LIO%RA&!A
=ttp399=tml.rincondel6ago.com9semiconductores.=tml =ttp399[[[.escet.ur5c.es9\i=ierro9estructuradelamateria9/emaG%01.pd' =ttp399[[[.asi'unciona.com9'isica9@e]semiconductor9@e]semiconductor]
$.=tm =ttp399[[[.escet.ur5c.es9\i=ierro9estructuradelamateria9/emaG%01.pd'
=ttp399[[[.pro'esormolina.com.ar9tutoriales9mater]semic.=tm =ttp399es.slides=are.net9'ernando]lopez9semiconductores81!*40!! =ttp399[[[.monogra'ias.com9traba5os*"9introduccion8materiales8
ceramicos9introduccion8materiales8ceramicos%.s=tml =ttp399[[[.up6.es9materiales9)cm9)cm"49'cm"4]%.=tml =ttp399[[[!.unio6i.es9usr9'blanco9>ateriales.-#O+>I-U2.#structura.-O
I2/+7I