MECANICA DE MATERIAS

POLIMEROS.Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.

Polímero

El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno.

Los polímeros (del griego poly: «muchos» y mero: «parte», «segmento») son macromoléculas(generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadasmonómeros.

El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y labaquelita.

Índice

1 Polimerizacióno 1.1 Tipos de polimerización

2 Propiedadeso 2.1 Propiedades eléctricaso 2.2 Propiedades físicas de los polímeroso 2.3 Las propiedades mecánicas

3 Clasificacióno 3.1 Según su origeno 3.2 Según su mecanismo de polimerizacióno 3.3 Según su composición químicao 3.4 Según sus aplicacioneso 3.5 Según su comportamiento al elevar su temperatura

4 Nomenclatura 5 Historia

6 Ejemplos de polímeros de gran importanciao 6.1 Polímeros comuneso 6.2 Polímeros de ingenieríao 6.3 Polímeros funcionales

7 Véase también 8 Referencias 9 Bibliografía 10 Enlaces externos

PolimerizaciónEn química orgánica, la reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, esta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.

Tipos de polimerización

Existen dos tipos fundamentales de polimerización:

Polimerización por condensación .

En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:

Los Homopolímeros.PolietilenglicolSiliconas

Los Copolímeros.Baquelitas.Poliésteres.Poliamidas.

La polimerización en etapas (condensación) necesita al menos monómeros bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.

Ejemplo: HOOC--R1--NH2

Si reacciona consigo mismo, entonces:

2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O

Polimerización por adición .

En este tipo de polimerización la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero.

Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura homolítica:

Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ⇒ •CH2–CHCl•

Propagación o crecimiento: 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl•Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado.

Tacticidad de poliestireno, atáctico, sindiotáctico, isotáctico.

La estructura puede ser lineal o también ramificada (aparte de poder presentar

entrecruzamientos). También pueden adoptar otras estructuras, por ejemplo radiales.

Polimerización del estireno para dar poliestirenon indica el grado de polimerización

Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos de distintas cadenas.

La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno.

Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del orden estereoquímico de los enlaces, un polímero puede ser:

atáctico (sin orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden verse modificadas severamente dependiendo de suestereoquímica.

En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero o heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros.

En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o en algunos polisacáridos.

Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándosecopolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los adecuados.

a) Homopolímero b) Copolímero alternantec) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatorio

e) Copolímero de injerto

Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la cadena polimérica, sin embargo es mucho más importante el resto de la cadena que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada con los extremos.

Propiedades

Fotoconductividad

Electrocromismo Fotoluminiscencia  (fluorescencia y fosforescencia)

Propiedades eléctricas

Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.

Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha generalizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial de cargas eléctricas.

Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C).

Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.

Los polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún están siendo estudiadas.

Propiedades físicas de los polímeros

Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1000 hasta 150 000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.

La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas, debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material. La temperatura a la que funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que sea bastante superior a Tf.

Las propiedades mecánicas

Son una consecuencia directa de su composición, así como de la estructura molecular, tanto a nivel molecular como supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas mediante la modificación de la composición o morfología: por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional. Normalmente el incentivo de estudios sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido a la necesidad de correlacionar la respuesta de diferentes materiales bajo un rango de condiciones con objeto de predecir el comportamiento de estos polímeros en aplicaciones prácticas.

Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recientes. Por lo tanto, se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura.

ClasificaciónExisten varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

Según su origen

Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el Policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

Según su mecanismo de polimerización

En 1929 Carothers propuso la siguiente clasificación:

Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.

Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular.Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina.

Clasificación de Flory (modificación a la de Carothers para considerar la cinética de la reacción):

Polímeros formados por reacción en cadena. Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo radicalario). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica).

Polímeros formados por reacción por etapas. El peso molecular del polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.

Según su composición química

Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono. Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está

formada exclusivamente por átomos de carbono.

Dentro de ellos se pueden distinguir:

Poliolefinas , formados mediante la polimerización de olefinas.Ejemplos: polietileno y polipropileno.

Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.

Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición.

Ejemplos: PVC y PTFE.

Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.

Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.

Algunas sub-categorías de importancia:

Poliésteres Poliamidas Poliuretanos Polímeros inorgánicos. Entre otros:

Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros. Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

Según sus aplicaciones[editar]

Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

Elastómeros . Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominadaresiliencia.

Plásticos . Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.

Fibras . Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.

Recubrimientos . Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

Adhesivos . Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

Según su comportamiento al elevar su temperatura[editar]

Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian tres tipos de polímeros:

Termoplásticos , que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.

Termoestables , que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

Elastómero , plásticos con un comportamiento elástico que pueden ser deformados fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura.

La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia solo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).

NomenclaturaA parte de las reglas de nomenclatura establecidas por la IUPAC, existe otro mecanismo alternativo con el que también se pueden nombrar los polímeros y es tomando como base el monómero del cual son provenientes. Este sistema es el más común. Entre los compuestos nombrados de esta manera se encuentran: el polietileno y el poliestireno. Se tiene que cuando el nombre del monómero es de una sola palabra, el polímero constituido a partir de este sencillamente se nombra agregando el prefijo poli.

Las normas internacionales publicadas por la IUPAC indican que el principio general para nombrar polímeros básicos es utilizar el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero, escrita entre paréntesis. La UER debe ser nombrada siguiendo las normas convencionales de la IUPAC para moléculas sencillas.1

Ejemplo:Poli (tio-1,4-fenileno)

Las normas IUPAC se utilizan habitualmente para nombrar los polímeros de estructura complicada, ya que permiten identificarlos sin ambigüedad en las bases de datos de artículos científicos.2 Por el contrario, no suelen ser utilizadas para los polímeros de estructura más sencilla y de uso común principalmente porque estos polímeros fueron inventados antes de

que se publicasen las primeras normas IUPAC, en 1952, y por tanto sus nombres "comunes" o "tradicionales" ya se habían popularizado.

En la práctica, los polímeros de uso común se suelen nombrar según alguna de las siguientes opciones:

Prefijo poli- seguido del monómero del que se obtiene el polímero. Esta convención es diferente de la IUPAC porque el monómero no siempre coincide con la UER y además se nombra sin paréntesis y en muchos casos según una nomenclatura "tradicional", no la IUPAC. Ejemplos: polietileno frente a poli (metileno); poliestireno frente a poli(1-feniletileno)

Monómero UER Polímero

Sistema tradicional etileno polietileno

Sistema IUPAC eteno metileno poli (metileno)

Monómero UER Polímero

Sistema tradicional estireno poliestireno

Sistema IUPAC fenileteno 1-feniletileno poli(1-feniletileno)

Para copolímeros se suelen listar simplemente los monómeros que los forman, a veces precedidos de las palabras caucho o goma si se trata de unelastómero o bien resina si es un plástico. Ejemplos: acrilonitrilo butadieno estireno; caucho estireno-butadieno; resina fenol-formaldehído.

Es frecuente también el uso indebido de marcas comerciales como sinónimos del polímero, independientemente de la empresa que lo fabrique. Ejemplos:Nailon para poliamida; Teflon para politetrafluoretileno; Neopreno para policloropreno.

La IUPAC reconoce que los nombres tradicionales están firmemente asentados por su uso y no pretende abolirlos sino solo ir reduciendo paulatinamente su utilización en las publicaciones científicas.1

HistoriaLos polímeros son muy grandes sumas de moléculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de UMAs que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.

El desarrollo de los polímeros fue inducido a través de las modificaciones de estos con el fin de mejorar sus propiedades físicas en pro del auge de las aplicaciones de los mismos. En 1839, Charles Goodyear modificó el hule a través del calentamiento con azufre (vulcanización), ya que este por lo general era frágil en temperaturas bajas y pegajoso a altas temperaturas.

Mediante la vulcanización el hule se convirtió en una sustancia resistente a un amplio margen de temperaturas. Otro acontecimiento que contribuyó al desarrollo continuo de los polímeros fue la modificación de la celulosa que permitió el surgimiento de las fibras sintéticas llamadas rayones. Posteriormente Leo Baekeland instauró el primer polímero totalmente sintético al que llamó baquelita; este se caracterizó por ser un material muy duradero y por provenir de otros materiales de bajo costo como el fenol y el formaldehído. Este compuesto llegó a tener gran éxito durante cierto tiempo. Sin embargo independientemente de los avances aplicativos de los polímeros, no se tenía mucha información en cuanto a la estructura de estos.

En el transcurso de la década de 1920, Herman Staudinger fue el primero en instituir que los polímeros eran compuestos de gran peso molecular que se encontraban unidos mediante la formación de enlaces covalentes. Tal idea fue apoyada años más tarde por Wallace Carothers, de DuPont, los cuales llegaron a establecer concepciones similares. Estos conceptos dieron paso al desarrollo de la química de los polímeros tanto sintéticos como naturales.

Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.

Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear realiza elvulcanizado del caucho. El nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa.

El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1907,3 cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído yfenol. Otros polímeros importantes se sintetizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.

En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular solo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.

Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc.

La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del caucho natural porcaucho sintético.

En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963.

Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.

En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.

Ejemplos de polímeros de gran importanciaPolímeros comunes

Polietileno  (PE) (HDPE o LDPE, alta y baja densidad) Polipropileno  (PP) Poliestireno  (PS) Poliuretano  (PU) Policloruro de vinilo  (PVC)

Politereftalato de etileno  (PET) Polimetilmetacrilato  (PMMA)

Polímeros de ingeniería

Nailon  (poliamida 6, PA 6) Polietilenimina Polilactona Policaprolactona Poliéster Polisiloxanos Polianhidrido Poliurea Policarbonato Polisulfonas Poliacrilonitrilo Acrilonitrilo Butadieno Estireno  (ABS) Polióxido de etileno Policicloctano Poli (n-butil acrilato) Tereftalato de Polibutileno  (PBT) Estireno Acrilonitrilo  (SAN) Poliuretano Termoplástico  (TPU)

CERAMICOSDefiniciones

Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que

además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada.

Asimismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo

de tracción) también elevado, además presentan un modo de rotura frágil.

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de

mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado,brochado, etc). Por esta razón, en las

cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la

cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por

los poros y un módulo de Young y una fragilidad elevados y al tener un enlace interatómico

(iónico y/o covalente),1 es imposible de realizar. Existen materiales cerámicos cuya tensión

mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por

el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en

el material. Al comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del

colapso de los poros.[cita  requerida]

Índice

  [ocultar] 

1 Clasificacióno 1.1 Materiales cerámicos porososo 1.2 Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables

2 Referencias

ClasificaciónEl producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y

de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:

Materiales cerámicos porosos[editar]

No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena. Su fractura

(al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a losgases, líquidos y grasas. Los más

importantes:

Arcilla  cocida. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la componen. La

temperatura de cocción es de entre 700 a 1.000 °C. Si una vez cocida se recubre con

óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se denomina loza estannífera. Se fabrican:

baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.

Loza italiana . Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena,

pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción varía entre 1.050 a

1.070 °C.

Loza inglesa . Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido

de hierro y se le añade sílex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la

mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. La cocción se realiza en dos fases:

1. Cocido entre 1.200 y 1.300 °C.

2. Se extrae del horno y se cubre de esmalte. El resultado es análogo a las porcelanas,

pero no es impermeable.

Refractarios . Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones

grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los

1.300 y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no

producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir

temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son:

1. Ladrillos refractarios , que deben soportar altas temperaturas en el interior de hornos.

2. Electrocerámicas : Con las que en la actualidad se están llevando a cabo

investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc., con

vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden obtener

mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana fue su uso

por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el

aterrizaje.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables

Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la

arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. Los más

destacados:

Gres cerámico común .- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a

temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos.

Gres cerámico fino .- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo óxidos

metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto

de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando esta a punto de

finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina. La sal reacciona con

la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres

su vidriado característico.

Porcelana . Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que se le

añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo osílex). Son elementos muy

duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2 a 4 mm), su color natural es blanco o

translucido. Para que el producto se considere porcelana es necesario que sufra dos

cocciones: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y otra a más alta temperatura

pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de

cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores,

etc.). Según la temperatura se distinguen dos tipos:

1. Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1.000 °C, se sacan se les aplica esmalte y se

vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1.250 °C o más.

2. Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000º C, a continuación se sacan, se esmaltan, y se

reintroducen en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se decoran se realiza esta

operación y luego se vuelven a introducir en el horno a unos 800 °C.

Materiales refractarios .- Según la norma Europea DIN 51060/ISO/R 836, considera

resistente al calor aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de

1,500°C; y refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de temperatura de

1,500°C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece a un temperatura

mínima de 1,800;°C.

Y en general un material refractario es aquel que tiene una aplicación a temperatura por arriba

de los 600°C. Los materiales cerámicos son incandescentes si se le aplican 30W

1. La cerámica es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del calor transformarlos en recipientes de terracota, loza o porcelana. También es el nombre de estos objetos. ...

METALESSe denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del

calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos a temperatura ambiente (excepto

el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento

entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace

metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad,(tal como el

cobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En

ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el

comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos

de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en

contraste con lossemiconductores.

Forja metálica en la marquesina del actual Ayuntamiento de Madrid, antiguo Palacio de

Comunicaciones.

El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con

características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte

de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal

entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y

baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más

difícil que los ganen.

En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado que el helio.

Historia

Herramientas de cobre datadas hacia 3000 a. C. Antiguo Egipto.

Metales como el oro, la plata y el cobre, fueron utilizados desde la prehistoria. Al principio, solo

se usaron los que se encontraban fácilmente en estado puro (en forma de elementos nativos),

pero paulatinamente se fue desarrollando la tecnología necesaria para obtener nuevos

metales a partir de sus menas, calentándolos en un horno mediante carbón de madera.

El primer gran avance se produjo con el descubrimiento del bronce, fruto de la utilización de

mineral de cobre con incursiones de estaño, entre 3500   a.   C.  y 2000   a.   C. , en diferentes

regiones del planeta, surgiendo la denominadaEdad del Bronce, que sucede a la Edad de

Piedra.

Otro hecho importante en la historia fue la utilización del hierro,

hacia 1400   a.   C.  Los hititas fueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo para

elaborar armas, tales como espadas, y las civilizaciones que todavía estaban en la Edad del

Bronce, como los egipcios

No obstante, en la antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura necesaria para fundir el

hierro, por lo que se obtenía un metal impuro que había de ser moldeado a martillazos. Hacia

el año 1400 se empezaron a utilizar los hornos provistos de fuelle, que permiten alcanzar

la temperatura de fusión del hierro, unos 1535 °C.

Henry Bessemer descubrió un modo de producir acero en grandes cantidades con un coste

razonable. Tras numerosos intentos fallidos, dio con un nuevo diseño de horno (el convertidor

Thomas-Bessemer) y, a partir de entonces, mejoró la construcción de estructuras en edificios

y puentes, pasando el hierro a un segundo plano.

Poco después se utilizó el aluminio y el magnesio, que permitieron desarrollar aleaciones

mucho más ligeras y resistentes, muy utilizadas en aviación, transporte terrestre y

herramientas portátiles.

El titanio, es el último de los metales abundantes y estables con los que se está trabajando y

se espera que, en poco tiempo, el uso de la tecnología del titanio se generalice.

Los elementos metálicos, así como el resto de elementos, se encuentran ordenados en un

sistema denominado tabla periódica. La mayoría de los elementos de esta tabla son metales.

Los metales se diferencian del resto de elementos, fundamentalmente en el tipo de enlace que

constituyen sus átomos. Se trata de un enlace metálico y en él los electrones forman una

«nube» que se mueve, rodeando todos los núcleos. Este tipo de enlace es el que les confiere

las propiedades de conducción eléctrica, brillo, etc.

Hay todo tipo de metales: metales pesados, metales preciosos, metales ferrosos, metales no

ferrosos, etc. y el mercado de metales es muy importante en laeconomía mundial.

Propiedades

La gran resistencia del metal junto a la facilidad de su trabajo lo hacen un material excelente para

cualquier construcción, en la imagen el Puente de La Vicaria construido en acero corten.

Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son conductores de

la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores

distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros

metales aparece más de un color; este fenómeno se denominapolicromismo.

Otras propiedades serían:

Maleabilidad : capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos

de compresión.

Ductilidad : propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a

esfuerzos de tracción.

Tenacidad : resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir fuerzas bruscas

(golpes, etc.)

Resistencia mecánica : capacidad para resistir esfuerzo de tracción, compresión, torsión y

flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, son dúctiles y maleables, tienen

un punto de fusión alto, son duros, y son buenos conductores (calor y electricidad).

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un traslape entre la

banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico).

Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la

capacidad de reflejar la luz, lo cual le da su peculiar brillo.

Teoría del gas electrónico

Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: a excepción del mercurio son

sólidos en condiciones ambientales normales, suelen ser opacos y brillantes, tener alta

densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos

conductores del calor y la electricidad.

Estas propiedades se deben al hecho de que los electrones exteriores están ligados solo

«ligeramente» a los átomos, formando una especie de gas (también llamado «gas

electrónico», «nube electrónica» o «mar de electrones»), que se conoce como enlace

metálico. Drude y Lorentz propusieron este modelo hacia 1900.1

Mediante la teoría del «gas electrónico» podemos explicar por que los metales son tan buenos

conductores del calor y la electricidad, pero es necesario comprender la naturaleza del enlace

entre sus átomos.

Un primer intento para explicar el enlace metálico consistió en considerar un modelo en el cual

los electrones de valencia de cada metal se podían mover libremente en la red cristalina. De

esta forma, el retículo metálico se considera constituido por un conjunto de iones positivos (los

núcleos rodeados por su capa de electrones) y electrones (los de valencia), en lugar de estar

formados por átomos neutros.

En definitiva, un elemento metálico se considera que está constituido por cationes metálicos

distribuidos regularmente e inmersos en un «gas electrónico» de valencia deslocalizados,

actuando como un aglutinante electrostático que mantiene unidos a los cationes metálicos.

El modelo del «gas electrónico» permite una explicación cualitativa sencilla de la

conductividad eléctrica y térmica de los metales. Dado que los electronesson móviles, se

pueden trasladar desde el electrodo negativo al positivo cuando el metal se somete al efecto

de una diferencia de potencial eléctrico. Los electrones móviles también pueden conducir el

calor transportando la energía cinética de una parte a otra del cristal. El carácter dúctil y

maleable de los metales está permitido por el hecho de que el enlace deslocalizado se

extiende en todas las direcciones; es decir, no está limitado a una orientación determinada,

como sucede en el caso de los sólidos de redes covalentes.

Cuando un cristal metálico se deforma, no se rompen enlaces localizados; en su lugar, el mar

de electrones simplemente se adapta a la nueva distribución de los cationes, siendo la energía

de la estructura deformada similar a la original. La energía necesaria para deformar un metal

como el litio es relativamente baja, siendo, como es lógico, mucho mayor la que se necesita

para deformar un metal de transición, porque este último posee muchos más electrones de

valencia que son el aglutinante electrostático de los cationes.

Mediante la teoría del «gas electrónico» se pueden justificar de forma satisfactoria muchas

propiedades de los metales, pero no es adecuada para explicar otros aspectos, como la

descripción detallada de la variación de la conductividad entre los elementos metálicos.

Obtención

Un fragmento de oro nativo.

Algunos metales se encuentran en forma de elementos nativos, como el oro, la plata y el

cobre, aunque no es el estado más usual.

Muchos metales se encuentran en forma de óxidos. El oxígeno, al estar presente en grandes

cantidades en la atmósfera, se combina muy fácilmente con los metales, que son elementos

reductores, formando compuestos como el corindón (Al2O3) y la hematita (Fe2O3).

Los sulfuros constituyen el tipo de mena metálica más frecuente. En este grupo destacan el

sulfuro de cobre (I), Cu2S, el sulfuro de mercurio (II), HgS, el sulfuro de plomo, PbS y el sulfuro

de bismuto (III), Bi2S3.

Los metales alcalinos, además del berilio y el magnesio, se suelen extraer a partir de los

cloruros depositados debido a la evaporación de mares y lagos, aunque también se extrae del

agua del mar. El ejemplo más característico es el cloruro sódico o sal común, NaCl.

Algunos metales alcalino-térreos, el calcio, el estroncio y el bario, se obtienen a partir de los

carbonatos insolubles en los que están insertos.

Por último, los lantánidos y actínidos se suelen obtener a partir de los fosfatos, que son unas

sales en las que pueden estar incluidos.

Usos en la industriaMetales que están destinados a un uso especial, son el antimonio, el cadmio o el litio.

Los pigmentos amarillos y anaranjados del cadmio son muy buscados por su gran estabilidad,

como protección contra la corrosión, para las soldaduras y las aleaciones correspondientes y

en la fabricación de baterías de níquel y cadmio, consideradas excelentes por la seguridad de

su funcionamiento. También se le utiliza como estabilizador en los materiales plásticos

(PVCsad) y como aleación para mejorar las características mecánicas del alambre de cobre.[cita  requerida] Su producción se lleva a cabo en el momento de la refinación de zinc, con el que

está ligado, se trata de un contaminante peligroso.

El litio, metal ligero, se emplea principalmente en la cerámica y en los cristales, como

catalizador de polimerización y como lubricante, así como para la obtención

del aluminio mediante electrólisis. También se emplea para soldar, en las pilas y en las

baterías para relojes, en medicina (tratamiento para los maníaco-depresivos) y en química.

El níquel, a causa de su elevada resistencia a la corrosión, sirve para niquelar los objetos

metálicos, con el fin de protegerlos de la oxidación2 y de darles un brillo inalterable en la

intemperie.

El denominado «hierro blanco» es, en realidad, una lámina de acero dulce que recibe un baño

de cloruro de zinc fundido, y a la que se da después un revestimiento especial de estaño.

Dilatación de los metales

Los metales son materiales que tienen una elevada dilatación, en parte debido a su

conductividad. Las dilataciones son perceptibles a veces aun con los cambios de temperatura

ambiental. Se miden linealmente y se fija la unidad de longitud para la variación de 1 °C de

temperatura. Maleabilidad es la propiedad de los metales de poder ser modificados en su

forma y aun ser reducidos a láminas de poco espesor a temperatura ambiente, por presión

continua, martillado o estirado. Produciendo las modificaciones en el metal, se llega a un

momento en que el límite de elasticidad es excedido, tornándose el metal duro y quebradizo;

es decir, sufre deformaciones cristalinas que lo hacen frágil. La maleabilidad puede ser

recuperada mediante el recocido, que consiste en calentar el metal a una alta temperatura

luego de laminado o estirado, y dejarlo enfriar lentamente. La maleabilidad se aprecia por la

sutileza del laminado. Tomando el oro como base, se suele hacer la siguiente clasificación: 1

Oro. 2 Plata. 3 Cobre. 4 Aluminio. 5 Estaño. 6 Platino. 7 Plomo. 8 Zinc. 9 Hierro. 10 Níquel.

Definiciones de términos usados en fundiciones

Aleación : Una aleación es la mezcla de dos o más elementos, siendo uno de ellos el

metal.

Arrabio : Hierro líquido con menos impurezas que el hierro inicial.

Escoria : Las impurezas que reaccionan con caliza.

Alto horno : Horno para hacer aleaciones y fundiciones, se alcanzan temperaturas muy

elevadas. Hay que construirlo con materiales refractarios, es decir muy resistentes al

calor.

AleacionesLos metales pueden formar aleaciones entre sí y se clasifican en:

Ultraligeros: Densidad en g/cm³ inferior a 2. Los más comunes de este tipo son

el magnesio y el berilio.

Ejemplo de aleación ligera

Ligeros: Densidad en g/cm³ inferior a 4,5. Los más comunes de este tipo son el aluminio y

el titanio.

Pesados: Densidad en g/cm³ superior a 4,5. Son la mayoría de los metales.

Véase también la clasificación de los metales en la tabla periódica.

Fractura en materiales metálicoFractura dúctil

Suele presentarse en forma transgranular, es decir a través de los granos, en los metales

dúctiles y con buena tenacidad.

La deformación sucede antes de la fractura final, se puede observar una deformación, la

modificación visible que aparenta un cuello, entallamiento o estricción justo en la parte donde

se ocasionó la falla. Estas fracturas pueden ser ocasionadas por sobrecargas simples o al

aplicar un esfuerzo muy grande al material.

Si se realiza una prueba de tensión en un ensayo simple el proceso de fractura será con la

nucleación, el crecimiento y la coalescencia de microhuecos, formados cuando un gran

esfuerzo crea una separación en los límites de granos, conforme el esfuerzo aumenta la

separación de los granos crea cavidades más grandes con lo cual el área de contacto con el

metal es muy pequeña y no puede soportar la carga provocando finalmente la fractura.

Fractura frágil

Sucede en los metales y aleaciones de alta resistencia o pueden presentarse en los de mala

ductibilidad y tenacidad, sin importar que los metales tengan dentro de sus propiedades la

ductibilidad al exponerlos a bajas temperaturas pueden fallar por fragilidad, así mismo en las

secciones gruesas o por imperfecciones.

Las fracturas frágiles son observadas con frecuencia cuando es el impacto y no la sobrecarga

lo que causa la falla. El proceso comienza formando una pequeña grieta, imperfección, donde

se concentra el esfuerzo. La grieta puede extenderse con una velocidad cercana al sonido, la

cual se propaga con más facilidad a lo largo de planos cristalográficos específicos.