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Estructura y propiedad de los materiales

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Bryan Monge

on 18 March 2014

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Transcript of Estructura y propiedad de los materiales

Los materiales para ingeniería se pueden clasificar en función de:
a) la naturaleza de los componentes más simples de los materiales, y
b) la semejanza en propiedades físicas específicas.
Según la semejanza en propiedades, los materiales se clasifican en: metálicos, polímeros, cerámicos, compuestos y electrónicos.

Metálicos
Materiales formados, básicamente, por átomos metálicos, sin formar compuestos químicos.
Propiedades: Buena conductividad, eléctrica y térmica, alta resistencia mecánica a temperatura ambiente, alta densidad, buena resistencia al impacto, alta rigidez, son maleables, dúctiles y poseen brillo característico, tenaces y deformables.
Clasificación: Metales: Materiales formados exclusivamente por átomos metálicos de un solo elemento.
Aleaciones: Materiales metálicos formados por átomos de diferentes elementos.

Tipos de materiales en ingeniería
Cerámicos
Materiales inorgánicos que en su preparación o en su uso están expuestos a altas temperaturas; en general, son: óxidos metálicos y no metálicos y sales metálicas.
Estructura: mixta: amorfa o cristalina, específica para cada material.
Propiedades: Escasa conductividad térmica y eléctrica, elevada resistencia a las temperaturas, baja resistencia al impacto, alta rigidez y elevada dureza y buena resistencia al desgaste, químicamente son resistentes, frágiles e indeformables, con densidades medias.
Clasificación: Cerámica tradicional y cerámica avanzada
Ejemplos: ladrillos, vidrio, loza, abrasivos, cemento.

Polímeros
Materiales que presentan cadenas de moléculas largas, pueden ser orgánicas e inorgánicas, se clasifican por sus usos en fibras, hules y plásticos y por su reacción al calor en: termoplásticos y termoestables o termofijos.
Estructura: amorfa, en forma de cadenas, cuando recién se forma el polímero; si es un material reciclado, tiende a ser cristalino.

Propiedades
: Escasa resistencia mecánica, baja conductividad eléctrica y térmica, excelente resistencia a la corrosión, flexibles, baja densidad, químicamente inertes.

Estructura y propiedad de los materiales
Compuestos
Materiales constituidos por dos o más materiales, los cuales pueden ser metálicos, cerámicos y/o poliméricos

Objetivo. Mejorar alguna de las propiedades de un material (matriz) mediante la adición de otro (refuerzo). El primer material nombrado, por lo general, se le reconoce como matriz

Sistemas cristalinos

El estado cristalino es considerado como el único estado realmente sólido, debido al ordenamiento que presentan las partículas. Por otro lado, el nombre que reciben en conjunto las partículas ordenadas es: red cristalina.
Entonces la red cristalina se presenta cuando las partículas se encuentran ordenadas, formando un patrón. A esta red también se le conoce con el nombre de retículo cristalino. Una red se construye considerando un conjunto de puntos, los cuales representan a las partículas del material, las cuales pueden ser: iones, átomos o moléculas.

Electrónicos
Materiales compuestos, utilizados en aparatos o sistemas electrónicos, y que debido a la gran demanda que tienen, se les ha puesto en otro apartado.
Ejemplos: diodos, chips

Semiconductores
Son materiales cuya resistividad es infinita a temperaturas relativas al cero absoluto, pero a temperaturas ambientales esta propiedad toma valores relativamente altos, sin embargo, con un poco de energía adicional pueden comportarse, estos materiales, como conductores. Dentro de este grupo se encuentran los cristales covalentes como el silicio.
Se tiene tres tipos de semiconductores:
a) intrínsecos
b) extrínsecos
c) no estequiométricos
Esta clasificación se genera en función del tipo de enlace entre las partículas que forman al material y la manera en que el material genera la conducción.

cadena molecular del polímero
Clasificación
Termoplásticos: excelente ductilidad y maleabilidad, baja resistencia al impacto.
Termoestables: alta resistencia al impacto y resistencia mecánica y baja ductilidad
Ejemplos: caucho, teflón, nylon, adhesivos, polietileno, poliéster.

Vidrio
Ejemplos
Madera: resina (polímero); fibra (polímero)
Fibra de vidrio: plástico (polímero), vidrio (cerámico)
Concreto: cemento, grava y arena (materiales cerámicos)
Hierro cementado: hierro (metal), cemento (cerámico)
Tablaroca: yeso (cerámica), fibra de vidrio o madera (compuesto)
Hormigón armado: hormigón (compuesto) y varilla (metal)

Madera
Aleaciones
Mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Es muy raro encontrar aleaciones al estado natural; se las obtiene por fusión, mediante el aumento de la temperatura, al estado sólido.
Las aleaciones suelen estar formadas por un metal como base mezclado con pequeñas cantidades de otros metales y agente ligadores
Dependiendo de las aplicaciones de las aleaciones, éstas se pueden clasificar en distintos tipos: aleaciones anticorrosivas, aleaciones muy resistentes a la acción de reactivos químicos, aleaciones fusibles, ligeras, magnéticas, etc.

semiconductores
Celda unitaria
La red cristalina se puede ir dividiendo hasta llegar a una unidad básica, a la cual se le denomina celda unitaria y esta celda, se le define como: la mayor división o el menor paralelepípedo que contiene el menor número de partículas que retienen las características y propiedades generales de toda la red.
Red cristalina
Por lo tanto, la red cristalina es la repetición periódica tridimensional de una celda unitaria. La celda unitaria está definida por las constantes cristalográficas que son tres vectores (a→, b→, c→) y tres ángulos: α,β,γ. En conjunto, los vectores y los ángulos indican el tamaño y la forma de las celdas y a cada geometría diferente se le denomina sistema cristalino.
Sistemas cristalinos
Existen siete sistemas cristalinos, los cuales se distinguen por sus constantes cristalográficas: cúbico, hexagonal, romboédrico, ortorrómbico, tetragonal, triclínico y monoclínico.

De las 28 posibles combinaciones que se generan al relacionar los 7 sistemas cristalinos con las cuatro posibilidades de ubicación de las partículas, solamente 14 se conocen. Al conjunto de estas 14 estructuras se les conoce como redes de Bravais

Redes de Bravais
Bronce
Propiedades
Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductibilidad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros.
Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y distribución de sus fases o micro constituyentes. La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación
Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes a las que pueden tener los componentes de forma aislada

Tipos de aleaciones
Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación, los aceros son aleaciones ferrosas, son importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.
Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo. Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como una buena maleabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.

Polímeros
Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómero) que se repiten a lo largo de toda una cadena.
En función de la repetición o variedad de los monómeros, los polímeros se clasifican en:

Homopolímero
- Se le denomina así al polímero que está formado por el mismo monómero a lo largo de toda su cadena.

Copolímero
- Se le denomina así al polímero que está formado por al menos 2 monómeros diferentes a lo largo de toda su cadena.
En función de la composición química, los polímeros pueden ser inorgánicos como por ejemplo el vidrio, o pueden ser orgánicos como por ejemplo los adhesivos de resina epoxi, los polímeros orgánicos se pueden clasificar a su vez en polímeros naturales como las proteínas y en polímeros sintéticos como los materiales termoestables.

Las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro.
Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligereza, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo.

aluminio
Silicio
Semiconductores
intrínsecos
La palabra intrínseco quiere decir “dentro de sí mismo”, por lo tanto, los materiales que modifican el valor energético de la zona prohibida con solo agregar energía al material.
Existen dos clases de semiconductores intrínsecos; en la primera clase, se tiene a aquellos que están formados a partir de un solo elemento, por ejemplo: silicio y germanio. En la segunda clase, se encuentran aquellos que están formados por compuestos.

semiconductores extrínsecos
La palabra extrínseco significa extraño, esto es, los semiconductores extrínsecos se refieren a aquel material al que se le ha agregado una pequeña proporción de átomos extraños o diferentes a los que conforman la red para modificar la conducción eléctrica.
Al proceso de añadir cantidades pequeñas de otros elementos a un elemento semiconductor para incrementar su conductividad se le llama dopado y dependiendo el tipo de elementos que se agreguen, se pueden generar dos tipos de semiconductores extrínsecos: tipo n y tipo p.

Los semiconductores extrínsecos tipo n se generan cuando a una red de material puro, se le dopa con elementos provenientes del grupo consecutivo en la tabla periódica.
Los semiconductores extrínsecos tipo p se obtienen cuando a la red pura se le dopa con elementos provenientes del grupo anterior consecutivo en la tabla periódica al de la red.
Semiconductores no
estequiométricos
En el caso de los cristales iónicos, normalmente no son materiales conductores, sin embargo se pueden volver conductores si se modifica su estequiometría, esto es, si se modifica la proporción entre los diferentes iones que forman el cristal.
Cuando se varia la proporción existente entre cationes y aniones, se dice que el material no presenta estequiometría (no estequiométricos) y la conductividad, se genera debido, precisamente a que existe una mayor o menor cantidad de iones de una carga (generalmente positiva) que del otro ión, sin embargo, cabe aclarar que este tipo de material siempre es neutro eléctricamente, esto es, se mantiene la electroneutralidad del cristal.

Tipo n y p
En el caso de los semiconductores no estequiométricos tipo p, existe una red compuesta de iones positivos y negativos, cada uno de estos iones tiene una carga específica, la cual se modifica cuando se provoca la no estequiometría.
En el caso del semiconductor no estequiométrico tipo n, la red iónica original, ha sido modificada, generando iones positivos con carga menor a la del catión de la originalmente estaba formada la red. La formación de estos iones de menor carga, provoca la existencia de un mayor número de cationes para que la electroneutralidad se mantenga.
Tipo n y p
propiedades
Entre las propiedades que definen las propiedades de los polímeros, las más importantes son:
➢ La temperatura de transición vítrea del polímero
➢ El peso medio molecular del polímero
La temperatura de transición vítrea de los polímeros determina la temperatura en la cual el polímero cambia radicalmente sus propiedades mecánicas, cuando la temperatura de transición vitrea es ligeramente inferior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material elástico (elastómero), cuando la temperatura de transición vitrea es superior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material rígido (termoestable).

Métodos de obtención
La formación de las cadenas poliméricas de los polímeros se producen mediante las diferentes polireacciones que pueden ocurrir entre los monóneros, estas polireacciones se clasifican en:

• Polimerización: El proceso de construir una molécula polimérica, y por ende obtener un material plástico, se denomina polimerización.

• Poliadición; En esta clase de polimerización los polímeros son sintetizados por la adición de monómeros insaturados a la cadena creciente. Un monómero insaturado es aquel que tiene un enlace covalente, o doble, entre sus átomos, estos enlaces covalentes son bastante reactivos y al ser eliminados permiten que el monómero se pueda acoplar con otros monómeros insaturados.


• Policondensación: A diferencia de la polimerización de adición, en la polimerización de condensación algunos átomos del monómero no son incluidos en el polímero resultante, por lo que se produce una pequeña molécula como residuo. Usualmente agua o gas de ácido clorhídrico (HCl).


Se Clasifican en:
Termoplásticos

Son aquellos materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante fuerzas intermoleculares o fuerzas de Van der waals, formando estructuras lineales o ramificadas.

• Estructura amorfa - Las cadenas poliméricas adquieren una estructura liada, semejante a de la un ovillo de hilos desordenados, dicha estructura amorfa es la responsable directa de las propiedades elásticas de los materiales termoplásticos.

• Estructura cristalina - Las cadenas poliméricas adquieren una estructura ordenada y compacta, se pueden distinguir principalmente estructuras con forma lamelar y con forma micelar. Dicha estructura cristalina es la responsable directa de las propiedades mecánicas de resistencia frentes a esfuerzos o cargas así como la resistencia a las temperaturas de los materiales termoplásticos.

Propiedades

1. Pueden derretirse antes de pasar a un estado gaseoso.
2. Permiten una deformación plástica cuando son calentados.
3. Son solubles en ciertos solventes.
4. Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes.
5. Buena resistencia al fenómeno de fluencia.

Ejemplos y aplicaciones de materiales termoplásticos:
• Polietileno de alta presión como material rígido aplicado para cubiertas de máquinas eléctricas, tubos, etc..
• Polietileno de baja presión como material elástico usado para el aislamiento de cables eléctricos, etc..
• Poliestireno aplicado para aislamiento eléctrico, empuñaduras de herramientas...
• Poliamida usada para la fabricación de cuerdas, correas de transmisión, etc...
• PVC o cloruro de polivinilo para la fabricación de materiales aislantes, tubos, envases, etc...
Ejemplos de adhesivos termoplásticos:
• Acrilatos
• Cianoacrilatos
• Epoxy curados mediante radiación ultravioleta
• Acrilatos curados mediante radiación ultravioleta

polietileno
Elastómeros
Son aquellos materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante enlaces químicos, adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada.
Propiedades de los materiales elastómeros
• No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso
• Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes
• Generalmente insolubles
• Son flexibles y elásticos
• Menor resistencia al fenómeno de fluencia que los termoplásticos
POLIISOPROPENO
• Características: Es muy elástica y flexible y además de ser extremadamente impermeable. El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro.
• Nombre comercial: Caucho natural.
• Propiedades: Elevado valor de fricción, propiedad de resistencia al desgaste más uniforme, sensible al ozono. A bajas temperaturas se vuelve rígido y cuando se congela en estado de extensión adquiere estructura fibrosa.
• Densidad: la densidad del caucho a 0ºC es de 0,950, a 20ºC es de 0,934.
• Otra información: Posee buena resistencia al amoniaco, sales orgánicas, ácidos débiles y álcalis.

Termoestables
Son aquellos materiales que están formados por polímeros unidos mediante enlaces químicos, adquiriendo una estructura polimérica altamente reticulada.
La estructura altamente reticulada o unida mediante enlaces químicos que poseen los materiales termoestables, es la responsable directa de las altas resistencias mecánicas y físicas (esfuerzos o cargas, temperatura...) que presentan dichos materiales comparados con los materiales termoplásticos o elastómeros.
Por contra es dicha estructura altamente reticulada la que aporta una pobre elasticidad a dichos materiales, proporcionando a dichos materiales su característica fragilidad.
Propiedades de los materiales termoestables.
1. No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso
2. Generalmente no se hinchan ante la presencia de ciertos solventes
3. Son insolubles.
4. Alta resistencia al fenómeno de fluencia
Ejemplos y aplicaciones de materiales termoestables:
• Resinas epoxi - usados como materiales de pintura y recubrimientos, masillas, fabricación de materiales aislantes, etc...
• Resinas fenólicas - empuñaduras de herramientas, bolas de billar, ruedas dentadas, materiales aislantes, etc...
• Resinas de poliéster insaturado - fabricación de plásticos reforzados de fibra de vidrio conocidos comúnmente como poliester, masillas, etc...
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