Asignatura : Ciencia de Materiales II Docente : Ing. Química Tatiana Grigorieva de GaliciaSesión : Nº 1

LOS MATERIALES NO METALICOSNOCIONES GENERALES;

CERÁMICAS DE INGRNIERÍA

1. Grupos principales de materiales no metálicos.2. Tipos de enlaces químicos en los materiales no metálicos.3. Propiedades especiales.4. Cerámicas de imgrniería

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERUFacultad de Ingeniería Mecánica e Industrial

bibliografíaAskeland, Donald R. y Phulé P.P., Ciencia e ingeniería de materiales,Ed.THOMSON

William F. Smith. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales.McGraw Hill

Astronauta portando una camara Hasselbland en la superficie lunar

Metamateriales

Grafeno

Permite crear microprocesadores de un átomo de espesor, 500 veces más pequeños que los de silicio y 10 veces más rápidos, de gran resistencia (el grafeno es carbono en estado puro, el material más resistente del planeta) y flexibles

Se trata de un remolcador que utiliza un reactor nuclear para propulsión iónica

Rusia desarrollará naves espaciales impulsadas por energía nuclear

¿De cuántos materiales dispone un ingeniero?Rpta.: 50 000 materiales diferentes.

¿Cómo elegir el material correcto¿Los errores pueden causar desastres…

Segunda guerra mundial…El barco se partió por la mitad por baja tenacidad a fractura de los uniones con la soldadura

En la actualidad- los aviones Comet se cayeron por la baja resistencia a la fatiga de los marcos de las ventanillas.

Loa materiales pueden cambiar su estructura si la temperatura cambia. Ej.: estaño.

Napoleón

1. MATERIALES NO METALICOS

GRUPOS PRINCIPALES

MATERIALES

NO METALICOS

POLIMEROS

METALICOS

CERAMICOS Y VIDRIOS

MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES NATURALES

SEMICONDUCTORES

NANOMATERIALES

TIPOS DE PROPIEDADES

ECONOMICASPrecio y Disponibilidad

Reciclabilidad

FISICAS Densidad

MECANICAS

Módulos

Dureza

Tenacidad a la fractura, etc.

TERMICASConductividad térmica

Coeficiente de dilatación térmica

ELECTRICAS Y MAGNETICASConstante dieléctrica

Resistividad

INTERACCION CON EL ENTORNO Corrosión, oxidación, desgaste.

PRODUCCIÓNFacilidad de fabricación

Acabado

ESTETICAS

Color

Textura

Aspecto

Ejemplo de selección de los materiales

Un destornillador.

Tiene varilla acabada plana, de acero al carbono – METAL

1. El acero se elige por su alto módulo y alto límite elástico (El límite elástico, también denominado límite de elasticidad y límite de fluencia, es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes ).

2. El módulo refleja la resistencia del material frente a deflexión elástica o el doblado. Si se hace la varilla de un ,material distinto como el polietileno (PE), se doblaría demasiado.

3. Además, la varilla tiene que tener una gran dureza, sino se daña con la cabeza del tornillo.

Entonces, los grupos de materiales que responden a estos requerimientos son: aceros, cerámicas, vidrio…..

Ejemplo de selección de los materiales

El mango del destornillador tiene mayor área de sección que la varilla, por lo que su posible torsión y su módulo importan menos, puede ser de plástico, madera, jebe…

Entonces, porque hoy los fabrican de PMMA (polimetilmetacrilato) ó PC (policarbonato)?

¿LOS BUENOS CONDUCTORES?

Alabes de la turbina de un avión

Alabes son de aleación del titanio: altos :módulo, límite elástico yla tenacidad a la fractura,resistencia al desgaste superficial,resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga.

¿Y la densidad??

CGRP

¿Por qué la fibra de carbono no es la solución?

Bujía de un automóvil

El futuro

El diseño de materiales eficientesPelícula delgada del material escaso (costoso) sobre un sustrato

abundante y barato

La sustituciónA veces un material disponible puede sustituir a otro escaso

El recicladoEl elevado precio de la mano de obra hace que el reciclado no sea tan

económico

2. ENLACES QUIMICOS

PRIMARIOS(enlaces fuertes)

SECUNDARIOS(enlaces débiles)

Iónicos

Covalentes

Metálicos

De dipolos permanente

Dipolares variables

Enlace metálicomodelo de la nube o del mar de electrones:Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+.

Enlace ionicoEn este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.

Enlace covalenteEn este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos, de manera que ambos adquieren la estructura electrónica de gas noble.

PROPIEDADES

Propiedades mecánicas.-éstas propiedades determinan cómo responde un material al aplicársele una fuerza o un esfuerzo. Las propiedades más comunes son la resistencia mecánica, laductilidad, y la rigidez del material aunque también son importantes la resistencia al impacto, resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste. Las propiedades mecánicas no sólo determinan el comportamiento del material en operación, si no que influyen en la facilidad con que puede ser conformado en un producto.Propiedades físicas.-en éstas se incluyen el comportamiento eléctronico, magnético, óptico, térmico y elástico. Las propiedades físicas dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los materiales.

RESISTENCIA MECÁNICA vs enlaceLa falta de plasticidad de los cerámicos se debe al tipo de enlace que presentan, iónico + covalente.En los cerámicos con enlace fundamentalmente covalente, la aplicación de un esfuerzo provoca la separación de las uniones de pares de electrones sin que el enlace se vuelva a formar nuevamente, esto da lugar a una fractura frágil.Los materiales cerámicos con enlace iónico (MgO, ClNa) se deforman de manera diferente. Los monocristales presentan una deformación plástica importante cuando se los somete a compresión a temperatura ambiente.Sin embargo, los policristales se comportan de manera frágil.La resistencia de un material cerámico policristalino está determinada fundamentalmente por: composición química, microestructura y condiciones superficiales

Dureza y tenacidadLa dureza se relaciona con la capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos sin deformarse permanentemente. Hay diversas formas de medir la dureza, si bien la mayoría consiste en utilizar un indentador; esto es, un dispositivo que trata de penetrar el material, que podría ser un pequeño balín o una aguja.

La tenacidad tiene que ver con la capacidad que tiene un material para absorber energía sin romperse. Todos los materiales tienen grietas internas que se propagan más rápido mientras menos tenaz sea el material. Cuando el material se deforma con facilidad, es decir, es blando, la porción del material que rodea la grieta se deforma. Este proceso consume energía lo que retarda la propagación de la grieta y consigue que el material sea tenaz. En los materiales más duros, esta deformación no ocurre por lo que las grietas disponen de mucha más energía para propagarse, lo que lleva al material a tener una baja tenacidad.

ENLACE IONICO

Pueden formarse:- Entre elementos muy electropositivos (metálicos) - Entre elementos muy electronegativos (no metálicos).

Proceso de ionización- transferencia de electrones desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos (de metales a no metales), produciéndose cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente.

Las fuerzas iónicas de enlace se deben a la atracción electrostática de los iones de carga opuesta.

Ejemplo: NaCl

Na Cl Na+ Cl -

Radio atómico ó iónico, nm

0,192 0,099 0,095 0,181

FUERZAS INTERIONICAS PARA UN PAR DE IONES

Consideramos un par de iones con carga opuesta que se aproximan hasta lograr una separación .

La fuerza neta entre los iones de carga opuesta es igual a la suma de las fuerzas de atracción y de repulsión:

Aplicando la ley de Coulomb:

donde: Z1, Z2 = número de electrones cedidos o aceptados por los átomos durante la formación del ión.

e= carga del electrón (1,60x10-19 C).

= distancia de separación de los iones.

= permitividad en el vacío (8,85x10-12 C2/(N.m2)).

a

repulsiónF

atracciónF

totalF

24

221

24

)2

)(1

(

ao

eZZ

ao

eZeZ

atracciónF

a0

Las fuerzas de repulsión entre un par de iones:

donde n y b son constantes

n varía desde 7 a 9 para el NaCl n= 9

Entonces la fuerza total entre un par iónico es:

1

na

nbrepulsión

F

124

221

na

nb

ao

eZZ

totalF

ENERGÍA INTERIONICA PARA UN PAR DE IONES

La energía potencial total entre un par de iones con cargas opuestas, a las que se les acerca hasta estar muy juntos:

Donde:

el 1er termino (energía de atracción) representa la energía liberada cuando los iones se acercan y es negativa porque el producto de (+Z1)(- Z2) es negativo.

el 2do término (energía de repulsión) representa la energía absorbida cuando los iones se aproximan es positiva.

La energía total es mínima cuando los iones están separados a la distancia del equilibrio (r+R)

nab

ao

eZZ

totalE

4

221

DISPOSICION DE LOS IONES EN LOS SOLIDOS IONICOS

Los iones pueden considerarse esféricos.

Los cationes elementales son mas pequeños que sus átomos y los aniones son mas grandes.

Cuando los iones se acomodan juntos en un solido, lo hacen sin una orientación preferente, de aquí que el enlace iónico sea de carácter no direccional.

El acomodamiento de iones en un sólido iónico se procede bajo la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica del solido.

r catión < R elemento

R anión > R elemento

Los cristales iónicos pueden tener estructuras muy complejas

Las energías reticulares y los puntos de fusión de los sólidos con enlace iónico son relativamente altos

ENLACE COVALENTE

El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica.

En el enlace covalente, los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p con otros átomos , de modo que cada átomo alcanza la configuración electrónica de gas noble.

En el enlace covalente pueden formarse enlaces múltiples de pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.

Energías y longitudes de algunos enlaces covalentes

ENLACE COVALENTE EN MOLECULAS QUE CONTIENEN CARBONO

HIDROCARBUROS

Moléculas unidas en forma covalente que contienen carbono y el hidrógeno.

El carbono puede unirse consigo mismo formando moléculas con enlaces simples, dobles, triples.

Enlace Reactividad

Doble +

Triple

Simple -

En las moléculas de hidrocarburos se realiza la hibridación de los orbitales del átomo de carbono.

BENCENO: C6H6 Enlaces tipo σ y (anillo de 6 electrones)

ENLACES SECUNDARIOS

Los enlaces secundarios son relativamente débiles en relación con los primarios y tiene energías de solo entre 4 y 42 kJ/mol.

Estos enlaces se forman por la atracción electrostática de los dipolos eléctricos dentro de los átomos o moléculas.

Dipolos permanentes

Es un enlace que se origina por la atracción de moléculas con dipolos permanentes. Cada molécula tiene centros de carga positiva y negativa separados a una cierta distancia.

Ejemplo: enlace puente de hidrógeno (H con F, O, N o Cl), que existe también en algunos polímeros.

Molécula Momento dipolar (debyes) Molécula Momento dipolar (debyes)

H2O 1,84 CH3 Cl 2,00

H2 0,00 CH Cl3 1,10

CO2 0,00 H Cl 1,03

CCl4 0,00 NH3 1,46

Dipolos variables (inducidos)

Entre los átomos puede formarse un enlace dipolar muy débil debido a la distribución asimétrica de las densidades electrónicas alrededor de sus núcleos.

La densidad electrónica cambia continuamente con el tiempo de allí su nombre.

ENLACES MIXTOS

Combinaciones del enlace primario: Iónico - covalente Metálico - covalente Metálico - iónico iónico – covalente – metálico

Metales tales como el titanio o el hierro tienen enlaces mixtos metálico- covalentes.

Los compuestos unidos en forma covalente tales GaAs y Zn Se tienen cierta cantidad de carácter iónico.

3. PROPIEDADES ESPECIALES

Materiales poliméricos

La mayoría no son cristalinos (algunos son mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas).

La mayoría son malos conductores de electricidad.

Algunos son buenos aislantes eléctricos.

Tienen bajas densidades.

Tienen bajas temperaturas de ablandamiento.

Aplicaciones:

• Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del Mars Pathfinder;

• El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión;

• Neumáticos funcionales que funcionan desinflados; • Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones; • Chaleco antibalas. • Revestimiento para la fibra óptica .• Se emplean en las mezclas con otros polímeros parachoques para

autos.• En la señalización de carreteras.• Revestimientos anticorrosivos

Cerámicos La gran dureza. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos. Resistencia a las altas temperaturas. Fragilidad. Peso ligero. Poca fricción. Propiedades aislantes.

Aplicaciones:• Motores de tecnología de punta (válvulas, pernos)• Cojinetes.• Losetas cerámicas del transportador espacial.• Herramientas de corte.

• Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.

• Base para revestimientos antidesgaste y anticorrosivos utilizados en

plantas industriales.

Estructura internaestructuras de largo alcance

Estructura de cerámicas

los materiales cerámicos muestran a menudo estructuras complicadas, incluyendo la estructura de la perovsquita, CaTiO3, en la que los iones Ca2+ ocupan los vértices de un cubo, los iones O2- ocupan los centros de las caras de este cubo y el ión Ti4+ ocupa el centro del mismo, tal como aparece en la figura a. En la estructura del corindón, Al2O3, figura b, los iones oxígeno están en las posiciones reticulares de la celda unidad, de tipo hexagonal compacta, mientras que el aluminio ocupa los lugares octaédricos. No obstante y debido a la desigual valencia de los dos iones que obliga a mantener la neutralidad eléctrica con dos iones Al3+ por cada tres O2-, hace que los iones aluminio puedan ocupar sólo dos tercios de las posiciones octaédricas lo cual lleva a una distorsión de la estructura.

PROPIEDADES DE ALGUNAS CERAMICAS DE INGENIERIA

Tenacidad de los materiales cerámicosUno de los mecanismos aplicados recientemente para aumentar la tenacidad de los materiales cerámicos es la transformación de fases. En concreto, debido a los mecanismos de transformación de fases de la circonia combinada con algún otro óxido refractario, como CaO, MgO e Y2O3, resulta un tipo de material cerámico con una resistencia a la fractura excepcionalmente alta.

Otra forma de mejorar la tenacidad en los materiales cerámicos es mediante el refuerzo de los mismos, con fibras o partículas, dando origen a los nuevos materiales denominados compuestos de matriz cerámica.

MECANISMO DE INHIBICION DE AVANCE DE LAS GRIETAS POR LAS FIBRAS MICROCRISTALINAS

Revestimientos Cerámicos

Cerámica de Ingeniería

Tubos y Codos

Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario.Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nuclearesÓxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.

CERAMICAS

Materiales compuestos

Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales integrados .Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos Ejemplo: resina (aglomerante)+ relleno (refuerzo).

Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente.

Principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos: Fragilidad. Baja tenacidad.

Aplicaciones:• Alas y los motores de avión C-17(fibra de carbono y resina epóxica).• Carrocería de los automóviles modernos.• Herramientas.

Materiales electrónicos.Son importantes por su avanzada tecnología.

El más importante – Silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas.

Aplicación:• Microelectrónica (circuitos integrados): robots, computadoras, etc.

Avances recientes en la ciencia y tecnología de los materiales y tendencias futuras.

Materiales inteligentes

Modifican sus propiedades, estructura o funciones según los estímulos ambientales externos que detectan.

-Aleaciones con memoria de forma, cerámicas piezoeléctricas.

Nanomateriales (característica: tamaño menor a 100 nm).

Nuevas propiedades.

En los automóviles para la “limpieza” de los gases de la cámara de combustión, se utilizan unos catalizadores especiales, los cuales contienen los metales muy costosos como Pt(Platino) y Pd(Paladio),pero con el tiempo las partículas del metal se pegan entre si, disminuyendo de esta forma el rendimiento del catalizador.

Por estas razones se utiliza una gran cantidad de Pt y Pd, lo que repercute en el precio del automóvil.

Pero MAZDA elaboró el catalizador con el uso de la nanotecnología en el cuál los nanopartículas del metal (5 nm) se distribuyen de forma rígida sobre una base cerámica y no se forman los aglomerados durante el calentamiento.

Esto permite disminuir la cantidad del metal (costoso) en 70 -90% sin que se disminuya la calidad del catalizador ,además permite el funcionamiento del catalizador en las condiciones más duras de su explotación.

Pila de nanotubos (nanofibrrllas)

Los Ipod, noutboock, cámaras de video ,celulares utilizan baterías de litio. La capacidad de estas baterías es limitada (2 horas de trabajo).

Se inventaron(Stanford) un acumulador que puede trabajar 20 horas seguidas. El ánodo de este acumulador es un “bosque” de nanofibras de silicio depositado en una base de acero, la cuál garantiza una excelente conductividad.

Foto de nanofibras antes (A) y después (B) de saturación con el Litio.

GRACIAS