TIPOS DE MATERIALES

METALES

Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos. Son ejemplo de elementos metálicos el hierro, el cobre, el aluminio, el níquel y el titanio. Los materiales metálicos pueden contener elementos no metálicos como el carbono, nitrógeno y oxigeno. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. En general, los metales son buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y presentan alta resistencia, incluso a las altas temperaturas.Los metales y las aleaciones suelen dividirse en dos clases: aleaciones y metales no ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferroso que carecen de hierro o contienen solo relativamente pequeñas de este. Ejemplos de metales no ferrosos son el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel. La distinción entre aleaciones ferrosas y no ferrosas se hace debido al empleo y producción considerablemente mayores de aceros y hierros fundidos en comparación con otras aleaciones.Ya sea puros o en aleación, los metales se emplean en numerosas industrias; entre otras la aeronáutica, la biomédica, de los semiconductores, electrónica, energética, de estructuras civiles y de transporte.

La transformación de los metales ha constituido a lo largo de la historia una necesidad para el hombre, pero es en los últimos cien años cuando, impulsadas por el maquinismo y la revolución industrial, las técnicas que de ella se ocupan han experimentado un desarrollo más espectacular. Esto, ha llevado a algunos a considerar la primera mitad del siglo XX como la “Era de las máquinas- herramientas”, a la vista de la influencia ejercida por las mismas en la vida humana. Para mostrar en qué consisten estas técnicas, consideraremos dos grandes familias: las que transforman la geometría de la pieza metálica, y las que modifican sus propiedades mecánicas por un cambio en la estructura del material conseguido mediante adecuados tratamientos térmicos.

 Técnicas de transformación geométrica. Pueden dividirse a su vez en dos grupos, según que la transformación se logre sin o con arranque de viruta. Los procedimientos que operan sin arranque de viruta se emplean en general en etapas iniciales del proceso de fabricación de la pieza. Los más frecuentes son:

      1) Laminación. Consiste en hacer pasar a través de uno o varios pares de cilindros un lingote de material, a fin de obtener una chapa o barra con la forma del hueco que queda entre ellos.

      2) Trefilado. Con él se reduce la sección transversal de una barra previamente laminada, haciéndola pasar forzadamente y en frío a través de una trefila o hilera de embocadura cónica.

      3) Fundición. Se emplea para obtener piezas de forma complicada, licuando la masa metálica y colándola en moldes adecuados. La fundición puede hacerse:

      a) En arena. Con modelos adecuados de madera o metálicos se obtiene la forma de la pieza en una caja llena de arena especial, vaciando luego el metal en estado de fusión en los huecos obtenidos.

      b) En toquilla metálica. Se forma la cavidad adecuada para recibir el caldo con estampas (toquillas), compuestas de dos o más piezas desmontables.

      c) En resina. Se construyen modelos metálicos con sus superficies muy pulidas, calentándolos a continuación y derramando sobre ellos el polvo resinoso que, adhiriéndose a la superficie metálica, se derrite y endurece. Se separan después las medias toquillas así formadas, se reúnen en pares y se vierte en ellas el caldo por gravedad.

      d) Inyectada. Se requieren estampas desmontables con huecos o cavidades iguales a la forma de la pieza a obtener; dichas estampas se montan en máquinas especiales que permiten el cierre de las mismas e inyectan a presión el metal líquido.

      e) Microfusión. Se emplea para piezas pequeñas de bastante precisión. Se suele llamar «a la cera perdida», porque los modelos son preparados con cera, que después se pierde.

      4) Forja. Consiste en golpear en caliente con martillo un tocho o lingote de metal, que el operario coloca al rojo bajo la masa batiente, a ritmo constante.

      5) Estampado en caliente. Mediante unas estampas que actúan por una fuerza exterior, se imprime al tocho la forma deseada en sucesivas etapas. Se emplea para piezas de forma complicada y que vayan a estar sometidas a grandes esfuerzos, las cuales, aun pudiéndose conseguir por arranque de viruta, requieren elevada resistencia mecánica, lo que obliga a emplear este

procedimiento que, orientando las fibras en las direcciones deseadas y mejorando la homogeneidad del material, permite conseguir unos valores más altos de dicha resistencia (p. ej.: engranajes de automóviles y aviones).

      6) Estampado en frío. Consiste en obtener, a partir de una chapa y mediante adecuadas estampas, piezas de formas definidas. El estampado en frío se clasifica en tres ramas principales: corte, doblado y embutido.

      7) Extrusión en caliente o en frío. Consiste en impeler a viva fuerza, fuera de la matriz de una estampa, el metal previamente introducido en ella, a fin de obtener un objeto de forma sencilla (un tubo, un casquillo, etc.).

      8) Sinterización. Consiste en comprimir polvo de m. en estampas apropiadas, a fin de obtener piezas de mucha precisión. Se requieren presiones de 55-60 Kg/mm2, y las piezas así obtenidas deben ser calentadas después a 1.100°. No es apto este procedimiento para piezas que trabajen a golpes o requieran cierta resistencia mecánica.

      Los procedimientos empleados en las transformaciones con arranque de viruta son los siguientes:

      1) Torneado. Consiste en perfilar alrededor de un eje un sólido de revolución. En este caso, la herramienta es móvil y la pieza fija.

      2) Taladrado o agujereado. Consiste en practicar un hueco cilíndrico en la pieza metálica utilizando una broca. El movimiento principal de rotación es efectuado por la herramienta, que gira alrededor de su propio eje, practicando el hueco en la pieza, que permanece fija.

      3) Mandrinado y escariado. Operaciones muy parecidas al torneado interior; la primera se efectúa en las mandrinadoras con herramientas de un solo corte (herramientas de mandrinar); en estas máquinas es posible agrandar un agujero cilíndrico previamente realizado con otra herramienta, con objeto de obtener una medida de precisión en el diámetro. Los escariadores son herramientas de penetrar de muchos filos de corte, que cumplen la misma misión anterior y se utilizan generalmente cuando se trata de agujeros de pequeño diámetro.

      4) Limado. Consiste en arrancar viruta horizontalmente, a fin de obtener

una superficie plana o perfilada en un cuerpo; la máquina empleada se llama limadora y, en ella, el movimiento principal, alternativo de ida y vuelta, es efectuado por la herramienta, mientras la pieza tiene el movimiento de alimentación.

      5) Cepillado o planeado. Esta operación es muy parecida a la anterior. Suele utilizarse para piezas grandes y, en las máquinas que lo ejecutan, el movimiento principal (alternativo de ida y vuelta) lo asume la pieza; y el secundario de alimentación, la herramienta.

      6) Mortajado. Consiste en arrancar la viruta verticalmente en un hueco o agujero, a fin de obtener una o varias ranuras longitudinales. La máquina que efectúa esta operación se llama mortajadora.

      7) Brochado. Se hace pasar forzadamente una herramienta especial llamada brocha por un agujero cilíndrico o una superficie exterior, al objeto de transformar gradualmente el perfil mediante el arranque de viruta.

      8) Fresado. Consiste en arrancar la viruta mediante herramientas circulares de cortes múltiples denominadas fresas. El movimiento principal lo tiene la herramienta, que gira sobre su propio eje, y la pieza tiene el movimiento de alimentación; esta última, estando fija en la mesa de la máquina, pasa tangencial o frontalmente delante de la fresa que gira, arrancando abundantemente el material de la superficie expuesta.

      9) Aserrado o tronzado. En líneas generales, consiste en separar un trozo de una barra mediante herramientas circulares especiales de disco o herramientas lineales (de cinta). Los dos movimientos, fundamental y de alimentación, son efectuados por la herramienta.

      10) Rectificado. Tiene por objeto corregir definitivamente una superficie, sea ésta plana, cilíndrica exterior o interior, de forma exterior acanalada o roscada. La herramienta usada se llama muela y está constituida por granos de un material abrasivo sujeto por un aglomerante.

      11) Bruñido o lapidado. Consiste en repasar repetidamente con abrasivo de grano fino y aceite lubricante una superficie previamente templada y después rectificada. Los procedimientos empleados para ello son los antes citados, y los que de ellos se derivan; por ejemplo, el dentado de engranajes puede

efectuarse con máquinas que aplican el principio de la fresadora o el de la mortajadora. La conveniencia de elegir un procedimiento u otro depende de circunstancias que varían en cada caso.

 Técnicas de mejora de las características por cambio estructural: Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las características de los metales, y consisten en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo, enfriándolas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica y se efectúan transformaciones químicas. Aun cuando algunas de las técnicas que vamos a describir se emplean en otros m. y aleaciones (v.), es en los aceros (v.) donde encuentran un campo de aplicación más amplio en la industria y, en consecuencia, vamos a referirnos a ellos al exponerlas. Los tratamientos térmicos más usados son: recocido, temple, normalizado, revenido y aquellos en los que hay cambio de composición.      Recocido. Se conocen con este nombre varios tratamientos cuyo objeto principal es ablandar el material, regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Los diferentes recocidos que se emplean en la industria pueden clasificarse en cuatro grupos:

      1) De regeneración. El calentamiento se hace a temperatura superior a la crítica y después se enfría lentamente. Sirve para ablandar el material y regenerar su estructura.

      2) Subcriticos. La temperatura alcanzada es inferior a la crítica, y la velocidad de enfriamiento no tiene tanta importancia. Se distinguen dos clases de recocidos subcríticos: de ablandamiento y contra acritud.

      3) Recocido globular o de esferoidización. Es un tratamiento que se da a los aceros de herramientas para mejorar su maquinabilidad.

      4) Recocido isotérmico. Se calienta a una temperatura superior a la crítica, descendiéndola luego y manteniéndola durante varias horas entre 600° y 700° para conseguir la total transformación del material; luego se enfría lentamente. Con este tratamiento se obtiene una uniformidad grande en la estructura de la pieza, necesaria para conseguir buenos resultados en el mecanizado, especialmente en algunos casos particulares, como el tallado de engranajes.

      Temple. Tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello se calientan las piezas a una temperatura superior a la crítica,

enfriándolas después rápidamente en un medio adecuado (agua, aceite, etc.). La velocidad de enfriamiento tiene aquí una importancia fundamental, pues ella determina la estructura obtenida y las características mecánicas del material.

      Normalizado. Consiste en un calentamiento a temperatura superior a la crítica seguido de un enfriamiento al aire. Con él queda el acero con unas características y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales.

      Revenido. En un tratamiento que se da a las piezas de acero previamente templadas. Con él se disminuyen la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones internas creadas en el temple y se mejora la tenacidad, quedando además el acero con la dureza y resistencia deseadas. La temperatura alcanzada en él es inferior a la crítica.      Tratamientos en los que hay cambio de composición. En ellos, además de ser factores importantes el tiempo y la temperatura, hay que tener en cuenta el medio o atmósfera que envuelve al m. durante el calentamiento y enfriamiento. Se suelen utilizar para obtener piezas de gran dureza superficial y buena tenacidad en el núcleo. Los más empleados son: cementación, carbonitruración, cianuración y nitruración.

POLIMEROS

Los polímeros comprenden materiales que van desde los familiares plásticos y cauchos. Se trata de compuestos orgánicos, basados en carbono e hidrogeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad. La resistencia y la ductibilidad varían considerablemente. Dada la naturaleza de su estructura interna. La mayoría de los polímeros se caracterizan por ser malos conductores de electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes y se emplean como aislante térmico. Una aplicación de los polímeros más conocidas son los discos de video digital o D.V.D. en general los polímeros tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o descomposición relativamente bajas.

Los polímeros se dividen en tres tipos de polímeros distintos, tales como:

Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc.

Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.

Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.

Según su aplicación suelen 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 denominada resiliencia.

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.

Industrialmente hablando los polímeros más conocidos son:

Nylon (poliamida 6, PA 6) Polilactona Policaprolactona Polieter Polisiloxanos Polianhidrido Poliurea Policarbonato Polisulfonas Poliacrilonitrilo Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Polióxido de etileno Policicloctano Poli (n-butil acrilato) Poliéster Tereftalato de Polibutileno (PBT)

Estireno Acrilonitrilo (SAN) Poliuretano Termoplástico (TPU)

ELASTOMEROS

Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico. El término, que proviene de polímero elástico, es a veces intercambiable con el término goma, que es más adecuado para referirse a vulcanizados. Cada uno de los monómeros que se unen entre sí para formar el polímero está normalmente compuesto de carbono, hidrógeno, oxígeno y/o silicio. Los elastómeros son polímeros amorfos que se encuentran sobre su Tg, de ahí esa considerable capacidad de deformación. A temperatura ambiente las gomas son relativamente blandas (E~3MPa) y deformables. Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles. Comenzaron a utilizarse a finales del siglo XIX, dando lugar a aplicaciones hasta entonces imposibles (como los neumáticos de automóvil).

Los elastómeros suelen ser normalmente polímeros termoestables pero pueden ser también termoplásticos. Las largas cadenas poliméricas enlazan durante el curado. El enlace covalente asegura que el elastómero retornará a su posición original una vez deje de aplicarse la tensión. Como resultado de esa extrema flexibilidad, los elastómeros pueden alargarse de un 5% a un 700%, dependiendo del material en concreto. Sin los enlaces o con pocos de ellos, la tensión aplicada puede provocar una deformación permanente.

Los efectos de la temperatura están también presentes en la elasticidad de un polímero. Los elastómeros que han sido enfriados llevándolos a una fase vítrea o cristalina tendrán menos movilidad en las cadenas, y consecuentemente menos elasticidad que aquellos manipulados a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea del polímero.

Es también posible para un polímero exhibir elasticidad que no es debida a los enlaces covalentes, sino a razones termodinámicas.

Un elastómero cuenta con la particularidad de ser muy elástico pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado. Debido a estas características, los elastómeros, son el material básico de fabricación de otros materiales como la goma, ya sea natural o sintética, y para algunos productos adhesivos.

A modo más específico, un elastómero, es un compuesto químico formado por miles de moléculas denominadas monómeros, los que se unen formando enormes cadenas. Es gracias a estas grandes cadenas que los polímeros son

elásticos ya que son flexibles y se encuentran entrelazadas de manera muy desordenada.

Cuando un elastómero es estirado, sus moléculas se alinean, permitiendo que muchas veces tomen un aspecto cristalino. Sin embargo, una vez que se suelta, rápidamente, vuelve a su estado original de elástico desorden. Lo anterior distingue a los elastómeros de los polímeros plásticos.

La mayoría de estos polímeros son hidrocarburos, por lo tanto, están conformados por hidrógeno y carbono, y se obtiene en forma natural del polisopreno que proviene del látex de la goma de los árboles. Otra manera de obtener un elastómero es a partir de la síntesis de petróleo y gas natural.

Para modificar algunas de las características de los elastómeros, es posible añadir otros elementos como el cloro, obteniendo así el neopreno tan utilizado en los trajes húmedos para bucear.

Para poder darle un uso más práctico a los elastómeros, estos deben ser sometidos a diversos tratamientos. A través de la aplicación de átomos de azufre, este polímero se hace más resistente gracias a un proceso denominado vulcanización. Si además se le agrega otro tipo de sustancias químicas es posible lograr un producto final bastante resistente a las amenazas corrosivas presentes en el medio ambiente.

Como se mencionaba con anterioridad, los elastómeros pueden ser utilizados para la fabricación de adhesivos. Para ello son disueltos en una solución de solventes orgánicos y luego, se le añaden ciertos adhesivos que mejoran su capacidad de adhesión y su durabilidad.

Según su composición química se dividen así:

Grupo R (del inglés Rubber) - la cadena principal se compone de carbono e hidrógeno y contiene dobles enlaces

Caucho natural (NR) Poliisopreno (IR, forma artificial del caucho natural) Polibutadieno Caucho estireno-butadieno (SBR) Caucho butilo (IIR) Caucho nitrilo (NBR) Neopreno (CR)

Grupo M (del inglés Methylene) - su cadena principal sólo contiene átomos de Carbono e Hidrógeno y está saturada (no dobles enlaces)

Caucho etileno-propileno (EPM) Caucho etileno-propileno-dieno (EPDM) Caucho etileno-acetato de vinilo (EVM)

Caucho fluorado (FKM) Caucho acrílico (ACM) Polietileno clorado (CM) Polietileno clorosulfurado (CSM)

Grupo N - contiene átomos de nitrógeno en la cadena principal

"Pebax", copolímero de poliamida y poliéster

Grupo O - contiene átomos de oxígeno en la cadena principal

Caucho de epiclorohidrina (ECO)

Grupo Q - contiene grupos siloxano en la cadena principal

Caucho de silicona (MQ)

Grupo U (de Uretano) - contiene átomos de nitrógeno, oxígeno y carbono en la cadena principal formando el grupo NCO (uretano)

Elastómeros de poliuretano (AU y EU)

Grupo T - contiene átomos de azufre en la cadena principal

Caucho de polisulfuro o "Thiokol”

CERAMICOS

Los compuestos químicos inorgánico constituido por metales y no metales (óxidos, nitruros y carburos) enlazados químicamente entre sí, pertenecen al grupo de los cerámicas, que incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y polímeros. Desde el punto de vista mecánico los cerámicos son muy duros y muy frágiles. Los cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos. Se destacan entre sus ventajas de los cerámicos en aplicaciones industriales, su peso ligero, gran resistencia y dureza, buena resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes. Las propiedades aislantes junto con la alta resistencia al calor y el desgaste de muchos materiales cerámicos los vuelven útiles en revestimiento de hornos para tratamientos términos y fusión de metales como el acero.

Las propiedades más importantes en los materiales cerámicos son: Color y aspecto: el color depende de las impurezas (óxido de hierro) y de los aditivos que se empleen con la finalidad de ornamentar en la construcción. Densidad y porosidad: son en todo análogas en lo definido para piedras naturales. La densidad real es del orden de 2g/cm3.

Absorción: recibe el nombre de absorción específica al % en peso de agua absorbida respecto de una pieza seca. Con ella está relacionada la permeabilidad. Heladicidad: es la capacidad de recibir las bajas temperaturas sin sufrir deterioros en las caras expuestas al frío. • Resistencia mecánica: usualmente la exigencia se refiere a la resistencia a compresión y módulo de elasticidad, magnitudes muy relacionadas con la porosidad. Cabe así mismo señalar la aceptable resistencia a tracción del material cerámico.

Las aplicaciones que tienen los distintos productos cerámicos son:

Cerámicos porosos: Fábrica de ladrillos Divisiones interiores. Divisiones exteriores. Estructurales. Cubiertas. Estructuras planas. Azulejería. Conducciones. Pavimentos. Elementos auxiliares.

  Cerámicos impermeables: Cerámicos vidriados. Cerámicos impermeables: Gres. Loza y porcelana.

  Cerámica refractaria: Ladrillos refractarios.

VIDRIO

El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor acumulado al aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos 1.500 °C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación (como en el esquema superior) o por otro método.

Industrialmente Hablando el vidrio el vidrio es una sustancia amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2) fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, por ejemplo en la obsidiana, un material volcánico, o en los enigmáticos objetos conocidos como tectitas. El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación.

El vidrio fundido es maleable y se le puede dar forma mediante diversas técnicas. En frío, puede ser tallado. A bajas temperaturas es quebradizo y se rompe con fractura concoidea (en forma de concha de mar).

El ingrediente principal del vidrio es la sílice, obtenida a partir de arena, pedernal o cuarzo.

La sílice se funde a temperaturas muy elevadas para formar vidrio. Como éste tiene un elevado punto de fusión y sufre poca contracción y dilatación con los cambios de temperatura, es adecuado para aparatos de laboratorio y objetos sometidos a choques térmicos (deformaciones debidas a cambios bruscos de temperatura), como los espejos de los telescopios. El vidrio es un mal conductor del calor y la electricidad, por lo que resulta práctico para el aislamiento térmico y eléctrico. En la mayoría de los vidrios, la sílice se combina con otras materias primas en distintas proporciones. Los fundentes alcalinos, por lo general carbonato de sodio o potasio, disminuyen el punto de fusión y la viscosidad de la sílice. La piedra caliza o la dolomita (carbonato de calcio y magnesio) actúan como estabilizante. Otros ingredientes, como el plomo o el bórax, proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas.

Vidrio soluble y vidrio sodocálcico

El vidrio de elevado contenido en sodio que puede disolverse en agua para formar un líquido viscoso se denomina vidrio soluble y se emplea como barniz ignífugo en ciertos objetos y como sellador. La mayor parte del vidrio producido presenta una elevada concentración de sodio y calcio en su composición; se conoce como vidrio sodocálcico y se utiliza para fabricar botellas, cristalerías de mesa, bombillas (focos), vidrios de ventana y vidrios laminados.

Vidrio al plomo

El vidrio fino empleado para cristalerías de mesa y conocido como cristal es el resultado de fórmulas que combinan silicato de potasio con óxido de plomo. El vidrio al plomo es pesado y refracta más la luz, por lo que resulta apropiado para lentes o prismas y para bisutería. Como el plomo absorbe la radiación de alta energía, el vidrio al plomo se utiliza en pantallas para proteger al personal de las instalaciones nucleares.

Vidrio de borosilicato

Este vidrio contiene bórax entre sus ingredientes fundamentales, junto con sílice y álcali. Destaca por su durabilidad y resistencia a los ataques químicos y

las altas temperaturas, por lo que se utiliza mucho en utensilios de cocina, aparatos de laboratorio y equipos para procesos químicos.

Color

Las impurezas en las materias primas afectan al color del vidrio. Para obtener una sustancia clara e incolora, los fabricantes añaden manganeso con el fin de eliminar los efectos de pequeñas cantidades de hierro que producen tonos verdes y pardos. El cristal puede colorearse disolviendo en él óxidos metálicos, sulfuros o seleniuros. Otros colorantes se dispersan en forma de partículas microscópicas.

Ingredientes diversos

Entre los componentes típicos del vidrio están los residuos de vidrio de composición similar, que potencian su fusión y homogeneización. A menudo se añaden elementos de afino, como arsénico o antimonio, para desprender pequeñas burbujas durante la fusión.

Propiedades físicas

Según su composición, algunos vidrios pueden fundir a temperaturas de sólo 500 °C; en cambio, otros necesitan 1.650 ºC. La resistencia a la tracción, que suele estar entre los 3.000 y 5.500 N/cm2, puede llegar a los 70.000 N/cm2 si el vidrio recibe un tratamiento especial. La densidad relativa (densidad con respecto al agua) va de 2 a 8, es decir, el vidrio puede ser más ligero que el aluminio o más pesado que el acero. Las propiedades ópticas y eléctricas también pueden variar mucho.

Mezcla y fusión

Después de una cuidadosa medida y preparación, las materias primas se mezclan y se someten a una fusión inicial antes de aplicarles todo el calor necesario para la vitrificación. En el pasado, la fusión se efectuaba en recipientes de arcilla (barro) que se calentaban en hornos alimentados con madera o carbón. Todavía hoy se utilizan recipientes de arcilla refractaria, que contienen entre 0,5 y 1,5 toneladas de vidrio, cuando se necesitan cantidades relativamente pequeñas de vidrio para trabajarlo a mano. En las industrias modernas, la mayor parte del vidrio se funde en grandes calderos, introducidos por primera vez en 1872. Estos calderos pueden contener más de 1.000 toneladas de vidrio y se calientan con gas, fuel-oil o electricidad. Las materias primas se introducen de forma continua por una abertura situada en un extremo del caldero y el vidrio fundido, afinado y templado, sale por el otro extremo. En unos grandes crisoles o cámaras de retención, el vidrio fundido se lleva a la temperatura a la que puede ser trabajado y, a continuación, la masa vítrea se transfiere a las máquinas de moldeo.

Moldeado

Los principales métodos empleados para moldear el vidrio son el colado, el soplado, el prensado, el estirado y el laminado. Todos estos procesos son antiguos, pero han sufrido modificaciones para poder producir vidrio con fines industriales. Por ejemplo, se han desarrollado procesos de colado por centrifugado en los que el vidrio se fuerza contra las paredes de un molde que gira rápidamente, lo que permite obtener formas precisas de poco peso, como

tubos de televisión. También se han desarrollado máquinas automáticas para soplar el vidrio.

Vidrio tensionado

Es posible añadir tensiones de modo artificial para dar resistencia a un artículo de vidrio. Como el vidrio se rompe como resultado de esfuerzos de tracción que se originan con un mínimo arañazo de la superficie, la compresión de ésta aumenta el esfuerzo de tracción que puede soportar el vidrio antes de que se produzca la ruptura. Un método llamado temple térmico comprime la superficie calentando el vidrio casi hasta el punto de reblandecimiento y enfriándolo rápidamente con un chorro de aire o por inmersión en un líquido. La superficie se endurece de inmediato, y la posterior contracción del interior del vidrio, que se enfría con más lentitud, tira de ella y la comprime. Con este método pueden obtenerse compresiones de superficie de hasta 24.000 N/cm2 en piezas gruesas de vidrio. También se han desarrollado métodos químicos de reforzamiento en los que se altera la composición o la estructura de la superficie del vidrio mediante intercambio iónico. Este método permite alcanzar una resistencia superior a los 70.000 N/cm2. Véase también Recocido.

Tipos de vidrio comercial

La amplia gama de aplicaciones del vidrio ha hecho que se desarrollen numerosos tipos distintos.

Vidrio de ventana

El vidrio de ventana, que ya se empleaba en el siglo I d.C., se fabricaba utilizando moldes o soplando cilindros huecos que se cortaban y aplastaban para formar láminas. En el proceso de corona, técnica posterior, se soplaba un trozo de vidrio dándole forma de globo aplastado o corona. La varilla se fijaba al lado plano y se retiraba el tubo de soplado. La corona volvía a calentarse y se hacía girar con la varilla; el agujero dejado por el tubo se hacía más grande y el disco acababa formando una gran lámina circular. La varilla se partía, lo que dejaba una marca. En la actualidad, casi todo el vidrio de ventana se fabrica de forma mecánica estirándolo desde una piscina de vidrio fundido. En el proceso de Foucault, la lámina de vidrio se estira a través de un bloque refractario ranurado sumergido en la superficie de la piscina de este material y se lleva a un horno vertical de recocido, de donde sale para ser cortado en hojas.

Vidrio de placa

El vidrio de ventana normal producido por estiramiento no tiene un espesor uniforme, debido a la naturaleza del proceso de fabricación. Las variaciones de espesor distorsionan la imagen de los objetos vistos a través de una hoja de ese vidrio.

El método tradicional de eliminar esos defectos ha sido emplear vidrio laminado bruñido y pulimentado, conocido como vidrio de placa. Éste se produjo por primera vez en Saint Gobain (Francia) en 1668, vertiendo vidrio en una mesa de hierro y aplanándolo con un rodillo. Después del recocido, la lámina se bruñía y pulimentaba por ambos lados. Hoy, el vidrio de placa se fabrica pasando el material vítreo de forma continua entre dobles rodillos situados en

el extremo de un crisol que contiene el material fundido. Después de recocer la lámina en bruto, ambas caras son acabadas de forma continua y simultánea.

En la actualidad, el bruñido y el pulimentado están siendo sustituidos por el proceso de vidrio flotante, más barato. En este proceso se forman superficies planas en ambas caras haciendo flotar una capa continua de vidrio sobre un baño de estaño fundido. La temperatura es tan alta que las imperfecciones superficiales se eliminan por el flujo del vidrio. La temperatura se hace descender poco a poco a medida que el material avanza por el baño de estaño y, al llegar al extremo, el vidrio pasa por un largo horno de recocido.

En arquitectura se emplea vidrio laminado sin pulir, a menudo con superficies figurativas producidas por dibujos grabados en los rodillos. El vidrio de rejilla, que se fabrica introduciendo tela metálica en el vidrio fundido antes de pasar por los rodillos, no se astilla al recibir un golpe. El vidrio de seguridad, como el utilizado en los parabrisas de los automóviles o en las gafas de seguridad, se obtiene tras la colocación de una lámina de plástico transparente (polivinilbutiral) entre dos láminas finas de vidrio de placa. El plástico se adhiere al vidrio y mantiene fijas las esquirlas incluso después de un fuerte impacto.

Botellas y recipientes

Las botellas, tarros y otros recipientes de vidrio se fabrican mediante un proceso automático que combina el prensado (para formar el extremo abierto) y el soplado (para formar el cuerpo hueco del recipiente). En una máquina típica para soplar botellas, se deja caer vidrio fundido en un molde estrecho invertido y se presiona con un chorro de aire hacia el extremo inferior del molde, que corresponde al cuello de la botella terminada. Después, un desviador desciende sobre la parte superior del molde, y un chorro de aire que viene desde abajo y pasa por el cuello da la primera forma a la botella. Esta botella a medio formar se sujeta por el cuello, se invierte y se pasa a un segundo molde de acabado, en la que otro chorro de aire le da sus dimensiones finales. En otro tipo de máquina que se utiliza para recipientes de boca ancha, se prensa el vidrio en un molde con un pistón antes de soplarlo en un molde de acabado. Los tarros de poco fondo, como los empleados para cosméticos, son prensados sin más.

Vidrio óptico

La mayoría de las lentes que se utilizan en gafas (anteojos), microscopios, telescopios, cámaras y otros instrumentos ópticos se fabrican con vidrio óptico Éste se diferencia de los demás vidrios por su forma de desviar (refractar) la luz. La fabricación de vidrio óptico es un proceso delicado y exigente. Las materias primas deben tener una gran pureza, y hay que tener mucho cuidado para que no se introduzcan imperfecciones en el proceso de fabricación. Pequeñas burbujas de aire o inclusiones de materia no vitrificada pueden provocar distorsiones en la superficie de la lente. Las llamadas cuerdas, estrías causadas por la falta de homogeneidad química del vidrio, también pueden causar distorsiones importantes, y las tensiones en el vidrio debidas a un recocido imperfecto afectan también a las cualidades ópticas.

En la antigüedad, el vidrio óptico se fundía en crisoles durante periodos prolongados, removiéndolo constantemente con una varilla refractaria. Después de un largo recocido, se partía en varios fragmentos; los mejores

volvían a ser triturados, recalentados y prensados con la forma deseada. En los últimos años se ha adoptado un método para la fabricación continua de vidrio en tanques revestidos de platino, con agitadores en las cámaras cilíndricas de los extremos (llamadas homogeneizadores). Este proceso produce cantidades mayores de vidrio óptico, con menor coste y mayor calidad que el método anterior. Para las lentes sencillas se usa cada vez más el plástico en lugar del vidrio. Aunque no es tan duradero ni resistente al rayado como el vidrio, es fuerte y ligero y puede absorber tintes.

Vidrio fotosensible

En el vidrio fotosensible, los iones de oro o plata del material responden a la acción de la luz, de forma similar a lo que ocurre en una película fotográfica. Este vidrio se utiliza en procesos de impresión y reproducción, y su tratamiento térmico tras la exposición a la luz produce cambios permanentes.

El vidrio fotocromático se oscurece al ser expuesto a la luz tras lo cual recupera su claridad original. Este comportamiento se debe a la acción de la luz sobre cristales diminutos de cloruro de plata o bromuro de plata distribuidos por todo el vidrio. Es muy utilizado en lentes de gafas o anteojos y en electrónica.

Vitrocerámica

En los vidrios que contienen determinados metales se produce una cristalización localizada al ser expuestos a radiación ultravioleta. Si se calientan a temperaturas elevadas, estos vidrios se convierten en vitrocerámica, que tiene una resistencia mecánica y unas propiedades de aislamiento eléctrico superiores a las del vidrio ordinario. Este tipo de cerámica se utiliza en la actualidad en utensilios de cocina, conos frontales de cohetes o ladrillos termo resistentes para recubrir naves espaciales. Otros vidrios que contienen metales o aleaciones pueden magnetizarse, son resistentes y flexibles y resultan muy útiles para transformadores eléctricos de alta eficiencia.

Fibra de vidrio

Es posible producir fibras de vidrio que pueden tejerse como las fibras textiles- estirando vidrio fundido hasta diámetros inferiores a una centésima de milímetro. Se pueden producir tanto hilos multifilamento largos y continuos como fibras cortas de 25 o 30 centímetros de largo.

Una vez tejida para formar telas, la fibra de vidrio resulta ser un excelente material para cortinas y tapicería debido a su estabilidad química, solidez y resistencia al fuego y al agua. Los tejidos de fibra de vidrio, sola o en combinación con resinas, constituyen un aislamiento eléctrico excelente. Impregnando fibras de vidrio con plásticos se forma un tipo compuesto que combina la solidez y estabilidad química del vidrio con la resistencia al impacto del plástico. Otras fibras de vidrio muy útiles son las empleadas para transmitir señales ópticas en comunicaciones informáticas y telefónicas mediante la nueva tecnología de la fibra óptica, en rápido crecimiento.

Otros tipos de vidrio

Los paveses de vidrio son bloques de construcción huecos, con nervios o dibujos en los lados, que se pueden unir con argamasa y utilizarse en paredes exteriores o tabiques internos.

La espuma de vidrio, empleada en flotadores o como aislante, se fabrica añadiendo un agente espumante al vidrio triturado y calentando la mezcla hasta el punto de reblandecimiento. El agente espumante libera un gas que produce una multitud de pequeñas burbujas dentro del vidrio.

En la década de 1950 se desarrollaron fibras ópticas que han encontrado muchas aplicaciones en la ciencia, la medicina y la industria. Si se colocan de forma paralela fibras de vidrio de alto índice de refracción separadas por capas delgadas de vidrio de bajo índice de refracción, es posible transmitir imágenes a través de las fibras. Los fibroscopios, que contienen muchos haces flexibles de estas fibras, pueden transmitir imágenes a través de ángulos muy cerrados, lo que facilita la inspección de zonas que suelen ser inaccesibles. Las aplicaciones de la fibra óptica rígida, como lupas, reductores y pantallas también mejoran la visión. Empleadas en combinación con láseres, las fibras ópticas son hoy cruciales para la telefonía de larga distancia y la comunicación entre ordenadores (computadoras).

El vidrio láser es vidrio dopado con un pequeño porcentaje de óxido de neodimio, y es capaz de emitir luz láser si se monta en un dispositivo adecuado y se ‘bombea’ con luz ordinaria. Está considerado como una buena fuente láser por la relativa facilidad con que pueden obtenerse pedazos grandes y homogéneos de este vidrio.

Los vidrios dobles son dos láminas de vidrio de placa o de ventana selladas por los extremos, con un espacio de aire entre ambas. Para su construcción pueden usarse varios tipos de selladores y materiales de separación. Empleados en ventanas, proporcionan un excelente aislamiento térmico y no se empañan aunque haya humedad.

En la década de 1980 se desarrolló en la Universidad de Florida (Estados Unidos) un método para fabricar grandes estructuras de vidrio sin utilizar altas temperaturas. La técnica, denominada de sol-gel, consiste en mezclar agua con un producto químico como el tetrametoxisilano para fabricar un polímero de óxido de silicio; un aditivo químico reduce la velocidad del proceso de condensación y permite que el polímero se constituya uniformemente. Este método podría resultar útil para fabricar formas grandes y complejas con propiedades específicas.

Aplicaciones

Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de silicio. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis (Magnetismo). Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.

El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de

impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.

La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes, cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta resistencia a la mayoría de los productos químicos. El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2·H2O, el cual se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.

El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1.088 °C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.

El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de interferencias.

MATERIALES COMPUESTOS

Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material. La fibra de vidrio que es vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material polimérico, es un ejemplo familiar. Los materiales compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. La fibra de vidrio es mecánicamente resistente debido al vidrio y flexible debido al polímero. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos.

Es decir un material compuesto se puede definirse como dos o más materiales integrados para formar uno nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrán propiedades distintas a la de cada uno ellos. La mayoría de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas.

Estructura de los materiales compuestos

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO),

la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de CMM son comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5 mm). El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido de uso frecuente, su utilización se ha visto restringida en algunos países a causa de su carácter nocivo para la salud humana.

Interfase matriz-refuerzo

La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.

Ejemplos de materiales compuestos

Plásticos reforzados con fibra: o Clasificados por el tipo de fibra:

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado de fibra de vidrio o GFRP o reinforced

plastic GRP (informalmente, "fibra de vidrio")o Clasificados por la matriz:

o

Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio.

Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs: o Cermet (cerámica y metal).o Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)o Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica: o Hormigón/Concretoo Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de

grafito).o Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)o Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico o Madreperla o nácaro Concreto asfáltico

Madera mejorada o Plywoodo Tableros de fibra orientada.o Trexo Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)o Pycrete (serrín en matriz de hielo)

Los materiales compuestos se pueden encontrar en distintos campos como: Aeronáutica Automóviles Náutica Química Mobiliario y equipamiento Eléctrica Deportes