materiales cerámicos, vidrios y polímeros

MATERIALES CERAMICOS, VIDRIOS Y

POLIMEROS

Metales

Semiconductores

Compuestos Cerámicos

Polímeros

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 al caucho  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 sustancias corrosivas.

Polímeros  Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al caucho  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 sustancias corrosivas.

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

Polímeros termoplásticos •

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. 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

Elastómeros 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

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

Producto Final

Estructura

Propiedades

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:  resistencia mecánica  ductilidad  rigidez del material

 resistencia al impacto  desgaste

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

Instrumentos ópticos

Laser y aplicaciones

Importancia de las propiedades eléctricas Conductores

Aislantes

Transformadores

Importancia de las propiedades magnéticas Motores

Almacenamiento de datos Imanes permanentes

Relación entre estructura, propiedades y procesamiento

Procesamiento

Producto Final

Estructura

Propiedades

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 atómica

Estructura granular de hierro (x100)

Estructura cristalina

Estructura multifasica del hierro (perlita x400)

Relación entre estructura, propiedades y procesamiento

Procesamiento

Producto Final

Estructura

Propiedades

Procesamiento Metales:

Laminado (rolado)

Forjado

Trefilado

Doblado

Estirado

Extrusión Embutido

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