materiales cerámicos, vidrios y polímeros

MATERIALES CERAMICOS, VIDRIOS Y

POLIMEROS

Metales

Cerámicos Polímeros

Compuestos

Semiconductores

Materiales cerámicos

Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no

metálicos cohesionados químicamente

Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos

La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta resistencia a la

compresión

Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como

térmica.

Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto

Bajo peso, alta resistencia al calos y al desgaste, poca fricción

Propiedades aislantes

Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio

Tipos de materiales cerámicos

Usos de materiales cerámicos

Esquema comparativo de la estructura a escala atómica de (a) cerámico

(b) vidrio. Los círculos blancos representan un átomo no metálico y los

círculos negros representan un átomo metálico

Los materiales cerámicos varían mucho en cuanto a sus propiedades.

Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la corrosión y

el desgaste.

Usados en aviones, proyectiles y vehículos espaciales pesan sólo el

40% de lo que pesarían los componentes metálicos.

Son quebradizos debido a sus enlaces, impiden que los átomos se

deslicen unos sobre otros. .

Elevados costos de fabricación.

VIDRIOS

Material amorfo que se fabrica a partir de dióxido de silicio SiO2 fundidos a altas temperaturas con carbonato y / o boratos de Na , Ca , Pb, y otros elementos metálicos. Es transparente y también puede ser traslucidos y opaco, sus colores varían según los compuestos usados en su fabricación.

El vidrio fundido es maleable y en frío puede ser tallado.

No es atacado por agentes químicos con facilidad, desde el punto de vista mecánico es rígido y frágil.

Se utiliza en innumerables objetos domésticos , en joyas, en la

construcción de ventanas, parabrisas, anteojos, etc.

Es mal conductor del calor y la electricidad por lo que se puede usar como

aislante.

El vidrio Pyrex es muy resistente al calor y el vidrio fotocromático son

ejemplos de los nuevos materiales de vidrio que se han producido en las

últimas décadas.

Polímeros

Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos alcaucho

Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad

Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada.

Tienen buena relación resistencia peso.

No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura.

Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustanciascorrosivas.

Polímeros

Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos alcaucho

Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad

Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada.

Tienen buena relación resistencia peso.

No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura.

Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustanciascorrosivas.

Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los

principales polímeros comerciales

Monómero polímero

La polimerización se produce cuando las moléculas pequeñas llamadas

monómeros, se combinan para producir moléculas más largas o polímeros.

Según sus aplicaciones se clasifican en:

Termoplásticos

Termoestables

Elastómeros

• Formados de largas cadenas.

• Se comportan de manera plástica y

dúctil.

• Sus cadenas pueden o no estar

ramificadas, individualmente están

entrelazadas.

• Las cadenas poseen fuerzas de

atracción de Van Der Waals débiles.

• Las cadenas se desenlazan mediante

esfuerzos, pueden ser amorfos o

cristalinos.

• Se reciclan fácilmente.

Polímeros termoplásticos

Polietileno,

poliuretano

Polímeros termoestables

Formados por cadenas de

polímeros, con una gran

cantidad de enlaces

cruzados que forman una red

tridimensional.

Poseen buena resistencia,

rigidez y dureza, pero baja

ductilidad e impacto.

polietileno de alta y baja

densidad, polivinilo

Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces

cruzados) que tienen una deformación elástica mayor al 200%. (10

veces y regresan a su dimensión original).

Caucho natural y artificial

Elastómeros

TEFLON

Materiales electrónicos o semiconductores

• Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los

conductores y los aislantes eléctricos.

• No son importantes por su volumen pero sí son extremadamente

importantes por su avanzada tecnología.

• La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras

ópticas, los semiconductores convierten las señales eléctricas en luz y

viceversa.

• El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que se

puede modificar para cambiar sus características eléctricas. Con estos

materiales se han podido crear fabricar los circuitos integrados que han

revolucionado la industria electrónica y de ordenadores

Materiales Compuestos

Constan de dos o mas materiales físicamente distintos y separables

mecánicamente (difieren en forma y composición química y son

insolubles entre sí)

Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la

dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada

Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto

especifico, a las propiedades de los componentes por separado

Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con

resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo.

También se pueden fabricar herramientas de corte muy resistentes al impacto

que de otra manera serían quebradizas.

Ej.: concreto, concreto armado, la madera contrachapada, fibra de vidrio, etc.

Industria Usos

aeronáutica Alas, fuselaje, tren de aterrizaje

automóviles Carrocerías, parrillas, parachoques

náutica Cascos, cubiertas, mástiles

química Recipientes de presión

deportes Cañas de pescar, palos de golf

Para ingeniería, los materiales compuestos más

importantes son:

- Plásticos reforzados con fibras

- Concreto

- Asfalto

- Madera

- Materiales compuestos de matriz metálica y matriz

cerámica

Relación entre estructura, propiedades y procesamiento

Procesamiento

Estructura Propiedades

Producto

Final

resistencia mecánica

ductilidad

rigidez del material

resistencia al impacto

desgaste

Propiedades de los materiales

Propiedades mecánicas

Determinan como responde un material al aplicársele una fuerza o

esfuerzo.

Influyen en la facilidad con que puede ser conformando.

Las más comunes son:

Propiedades físicas

Determinan como se comporta un material desde el punto de vista

eléctrico, magnético, óptico, térmico y elástico.

Dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los

materiales.

Propiedades químicas

Comprenden las fuerzas de enlace (debido a la composición) y su

comportamiento ante medios agresivos (corrosividad).

Pequeños cambios en la composición pueden alterar fuertemente

las propiedades físicas.

Importancia de las propiedades ópticas

Laser y aplicaciones

Instrumentos ópticos

Conductores

Aislantes

Importancia de las propiedades eléctricas

Importancia de las propiedades

magnéticasTransformadores

Motores

Imanes permanentes

Almacenamiento

de datos

Relación entre estructura, propiedades y procesamiento

Procesamiento

Estructura Propiedades

Producto

Final

Estructura

La estructura puede considerarse en varios niveles, todas las cuales

afectan el comportamiento final del producto.

Estructura atómica: La distribución de los electrones alrededor del núcleo

atómico afecta los comportamientos eléctricos, magnéticos, térmicos,

ópticos y la resistencia a la corrosión También determina que un material

sea un metal, un cerámico o un polímero.

Arreglo atómico o estructura cristalina: se refiere a la organización de

los átomos en el espacio e influye en las propiedades mecánicas de los

materiales como la ductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al

impacto .

Estructura de granos: Existe una estructura granular en la mayoría de

los metales, en algunos cerámicos, y ocasionalmente en polímeros. Entre

los granos, el arreglo atómico cambia su orientación influyendo así en las

propiedades, así como el tamaño y la forma de los granos desempeña una

función primordial sobre éstas.

Fase: En la mayoría de los materiales se presenta más de una fase, cada

una de las cuales tiene su propio arreglo atómico y propiedades. El control

del tipo, tamaño, distribución y cantidad de estas fases dentro del material,

proporciona una manera adicional de controlar las propiedades.

Estructura cristalinaEstructura atómica

Estructura granular de hierro (x100) Estructura multifasica del hierro

(perlita x400)

Relación entre estructura, propiedades y procesamiento

Procesamiento

Estructura Propiedades

Producto

Final

Metales:

Laminado

(rolado)Forjado Trefilado

Extrusión

Procesamiento

Doblado

Embutido

Estirado

Efectos ambientales en el comportamiento de los materiales

Las relaciones entre estructura - propiedades - procesamiento recibe

además la influencia del medio circundante al que está expuesto el material

durante su uso

Temperatura

Atmósfera

Corrosión

Radiación

Carga

Temperatura

Los cambios de temperatura alteran las propiedades del material.

La resistencia de la mayoría de los metales disminuye conforme la

temperatura aumenta.

Las temperaturas muy bajas pueden causar que el metal falle por

fragilidad aún cuando la carga aplicada sea baja.

Las temperaturas altas también pueden modificar la estructura de las

sustancias cerámicas o provocar que los polímeros se derritan o carbonicen.

Variación de la resistencia con la temperatura de los materiales

Atmósfera

La mayoría de los polímeros y metales reaccionan con el oxígeno y

otros gases (particularmente a temperaturas elevadas).

Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse muy

severamente o ser atacados químicamente, mientras otros se pueden

autoproteger.

Los polímeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o

quemarse.

Los aceros pueden reaccionar con el hidrógeno y volverse frágiles.

Corrosión

Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo

degradados uniforme o selectivamente.

Pueden desarrollar también grietas o picaduras que conducen a

falla prematura.

Las sustancias cerámicas son atacadas por cerámicos en estado

líquido.

Los polímeros pueden ser disueltos por sustancias disolventes.

Radiación

La radiación nuclear puede afectar la estructura interna de todos los

materiales.

Puede ocasionar pérdida de resistencia, fragilidad o alteración crítica

de las propiedades físicas.

La dilatación, producida por cavidades y burbujas de origen

radiactivo, pueden causar cambios en las dimensiones externas y

aun agrietamiento.

Necesidad de materiales modernos

Necesidad de materiales modernos

Es necesario desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables

y con menos impacto ambiental. Un fascinante reto para los ingenieros y

científicos de materiales