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INGENIERÍA DE MATERIALES
Ciencia de materiales: Disciplina científica íntimamente relacionada con la
investigación, que tiene por objetivo la búsqueda de conocimientos básicos acerca
de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales.
Ingeniería de materiales: Disciplina de ingeniería que trata el conocimiento
de los materiales a niveles fundamental y aplicado, con el objeto de que puedan ser
convertidos en productos necesarios y deseados por una sociedad tecnológica.
Ciencia e ingeniería de materiales: Le concierne la generación y aplicación del
conocimiento relacionando la composición, estructura y preparación de materiales
con sus propiedades y usos.
Materiales de ingeniería
• Son parte de la materia que se encuentra en el universo
• Substancias cuyas propiedades las hacen útiles al hombre (fabricación de
productos técnicos: estructuras, máquinas, productos, etc.)
Los materiales que se utilizan en general van variando con el tiempo, a medida que
la tecnología avanza, se producen nuevos materiales con mejores características.
Un ejemplo claro de esto es la introducción de los polímeros (plásticos en general).
La importancia de los materiales en la fabricación de máquinas y en obras de
edificación, es de tal magnitud que su conocimiento es indispensable en la
formación de futuros profesionales en el campo de la ingeniería. Los crecientes
avances tecnológicos así como la necesidad cada vez más urgente de saber aplicar
los conocimientos de ingeniería a la satisfacción de necesidades socio humanas,
nos obligan a emprender en principio el conocimiento de los materiales en forma
precisa y sistemática desde un punto de vista estructural, para posteriormente
aprender a utilizarlos en aplicaciones tecnológicas.
La técnica del hormigón está muy desarrollada permitiendo soluciones muy complejas.
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus
propiedades y su estructura atómica.
Son los siguientes:
Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales compuestos
Semiconductores
En realidad en la ciencia de materiales se reconocen como categorías únicamente
los metales, los materiales cerámicos y los polímeros, cualquier material puede
incluirse en una de estas categorías, así pues los semiconductores pertenecen a
los materiales cerámicos y los materiales compuestos no son más que mezclas de
materiales pertenecientes a las categorías principales.
La nanotecnología es uno de los novedosos campos que promete cambios
espectaculares en la fabricación de nuevos materiales. La nanotecnología es la
ciencia de fabricar y controlar estructuras y máquinas a nivel y tamaño molecular,
capaz de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida, el
nanómetro, es la milmillonésima parte de un metro, 10 -9 metros. Algunos de estos
dispositivos se utilizan en la actualidad, como por ejemplo los nanotubos, pequeñas
tuberías conformadas con átomos de carbono puro para diseñar todo tipo de
ingenios de tamaño nanoscópico.
Metal Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos
conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en
temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales
forman iones electropositivos (cationes) en disolución.
Una de las técnicas de fabricación relacionada con esta ingeniería es el moldeo de lingotes.
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.
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
denominada Edad 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 comoespadas, 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
la economía 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
denomina policromismo.
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 qué 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 electrones son
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.
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 la bauxita
(Al2O3) y la limonita (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 industria
Metales 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. 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.
Aleaciones
Los 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.
Fractura en materiales metálicos
Fractura 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.
Cerámica técnica La cerámica técnica se ocupa de la utilización de materiales cerámicos en
aplicaciones tecnológicas. La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos,
cuya raíz sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la arcilla en
todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los
materiales inorgánicos no metálicos que se forman por acción del calor.
Hasta los años 1950-65, los materiales más importantes fueron
las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto
con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería.
Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El
estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar
estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos
no tradicionales. Esto también se ha buscado incorporándolas a materiales
compuestos como es el caso de los cermets, que combinan materiales metálicos y
cerámicos.
Ejemplos de materiales cerámicos
Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.
Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.
Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como
material refractario.
Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.
Óxido de zinc (Zn4O), un semiconductor.
Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en
núcleos de memorias magnéticas.
Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.
Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares
Óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.
talio-bario-calcio
Propiedades mecánicas de la cerámica
Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se
fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden
a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan
como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los
esfuerzos mencionados.
El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en
el caso del Carburo de titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de
la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.
Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la
rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de
deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma
muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la
principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es
omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.
Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales
incluso a temperaturas altas (hasta 1500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas
incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas
de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.
Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos
(apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados
considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la
transformación de fase en circonia.
Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a
altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado
como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.
Comportamiento refractario
Protección térmica del transbordador espacial.
Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente
altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios.
Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como
aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de
azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas
durante la entrada a la atmósfera.
Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen comportamiento a alta
temperatura mientras que pueden sufrir roturas por choque térmico a temperaturas
inferiores.
Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas
temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la
industria aeroespacial. Los materiales cerámicos poseen por lo general una
buena resistencia a la termofluencia. Esto es debido principalmente a dos
factores en el caso de cerámicos cristalinos: altos valores de temperatura de
fusión y elevada energía de activación para que comience la difusión.
Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado de
un cambio brusco de temperatura. Esta variación repentina da lugar a tensiones
superficiales de tracción que llevan a la fractura. Entre los factores que
condicionan la resistencia al choque térmico toma gran importancia la porosidad
del material. Al disminuir la porosidad (aumentar la densidad) la resistencia al
choque térmico y las características de aislamiento se reducen, mientras que la
resistencia mecánica y la capacidad de carga aumentan. Muchos materiales
son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales
combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento
combinada con una delgada chaqueta de material más denso que provee
resistencia, pero no se pueden realizar contrastes especifícos.
Tal vez sea sorprendente que estos materiales puedan ser usados a temperaturas
en donde se licúan parcialmente. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de dióxido
de silicio (SiO2), usados para recubrir hornos de fundición de acero, trabajan a
temperaturas superiores a 1650 °C (3000 °F), cuando algunos de los ladrillos
comienzan a licuarse. Diseñados para esa función, una situación sin sobresaltos
requiere un control responsable sobre todos los aspectos de la construcción y uso.
Comportamiento eléctrico
Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica es su aplicación a
situaciones eléctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de
propiedades.
Aislamiento eléctrico y comportamiento dieléctrico
La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por
lo que no son conductores de electricidad. Esto se debe a que los enlaces iónico y
covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son buenos aislantes
eléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación
de energía y transmisión.
Las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión
que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes
como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para
sostener los cables.
Una sub-categoría del comportamiento aislante es el dieléctrico. Un material
dieléctrico mantiene el campo magnético a través de él, sin inducir pérdida de
energía. Esto es muy importante en la construcción de condensadores eléctricos.
La cerámica dieléctrica es usada en dos áreas principales: la primera es la pérdida
progresiva de dielectricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones tales como
microondas y radio transmisores; la segunda, son los materiales con alta
dielectricidad constante (ferroeléctricos). Aunque la cerámica dieléctrica es inferior
frente a otras opciones para la mayoría de los propósitos, generalmente ocupa
estos dos dichos muy bien.
Superconductividad
Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas
cerámicas muestran superconductividad. La razón exacta de este fenómeno no es
conocida, aunque se diferencian dos conjuntos de cerámica superconductora.
El compuesto estequimétrico YBa2Cu3O7-x, generalmente abreviado YBCO o 123,
es particularmente muy conocido porque es fácil de hacer, su manufactura no
requiere ningún material particularmente peligroso y tiene una transición de
temperatura de 90 K (lo que es superior a la temperatura del nitrógeno líquido, 77
K). La x de la fórmula se refiere al hecho que debe ser ligeramente deficiente en
oxígeno, con un x por lo general cercano a 0.3.
El otro conjunto de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio. Sus
propiedades no son particularmente destacables, pero son químicamente muy
distintos a cualquier otro superconductor en que no es un complejo de óxido de
cobre ni un metal. Debido a esta diferencia se espera que el estudio de este material
conduzca a la interiorización del fenómeno de la superconductividad.
Semiconductividad
Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas. La mayoría de ellas son
óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como
el óxido de zinc.
La cerámica semiconductora es empleada como sensor de gas. Cuando varios
gases son pasados a través de una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica
cambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, se pueden construir sensores de
gas sin demasiado costo.
Ferroelectricidad, piezoelectricidad y piroelectricidad
Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente posee una polarización
eléctrica cuyo sentido se puede invertir mediante aplicación de un campo eléctrico
externo suficientemente alto (histéresis ferroeléctrica). Estos materiales exhiben
múltiples propiedades derivadas de su polarización espontánea, en ausencia de un
campo eléctrico externo, y de la posibilidad de su inversión (memorias de
ordenador). La polarización espontánea puede modificarse mediante campos
eléctricos (electrostricción) o de tensiones mecánicas (piezoelectricidad) externos
y mediante variaciones de la temperatura (piroelectricidad). La polarización
espontánea y su capacidad de modificación es también el origen de la alta
constante dieléctrica o permitividad de los ferroeléctricos, que tiene aplicación en
condensadores.
Un material piezoeléctrico es aquel que, debido a poseer una polarización
espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o, inversamente, se
deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico aplicado
es alterno, este produce una vibración del piezoeléctrico. Estos materiales
encuentran un rango amplio de aplicaciones, principalmente como sensores -para
convertir un movimiento en una señal eléctrica o viceversa-. Están presentes en
micrófonos, generadores de ultrasonido y medidores de presión. Todos los
ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos cuya
polarización espontánea puede variar pero no es invertible y, en consecuencia, no
son ferroeléctricos.
Un material piroeléctrico desarrolla un campo eléctrico cuando se calienta. Algunas
cerámicas piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar cambios de
temperatura causados por el ingreso de una persona a un cuarto
(aproximadamente 40 microkelvin). Tales dispositivos no pueden medir
temperaturas absolutas, sino variaciones de temperatura y se utilizan en visión
nocturna y detectores de movimiento.
Procesado de materiales cerámicos
Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El
vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado,
laminado, estirado, colado o flotado y galvanizado.
Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de
procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos
categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por
formación de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un
cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos
mencionados.
Manufactura in situ
El uso más común de este método es en la producción de cemento y concreto.
Aquí, los abrasivos deshidratados son mezclados con agua. Esto da comienzo a
las reacciones de la hidratación, las cuales resultan en cristales grandes,
interconectados formándose alrededor de los agregados. Pasado un tiempo, esto
resulta en una cerámica sólida.
El mayor problema con este método es que la mayoría de las reacciones son tan
rápidas que no es posible hacer una buena mezcla, lo que tiende a impedir la
construcción en gran escala. Sin embargo, los sistemas a pequeña escala pueden
ser realizados mediante técnicas de depósito, en donde los diferentes materiales
son introducidos sobre un sustrato, donde se produce la reacción y la cerámica se
forma sobre este sustrato.
Conformado de los polvos
El objetivo principal del conformado es dar forma y consistencia a la masa de polvos
que dé lugar a un aumento de la densidad y, por lo tanto, a una mejora de las
propiedades mecánicas. Existen dos formas de realizar el conformado: mediante la
aplicación de presión y temperaturas elevadas. Con la aplicación de presión y
temperatura, el proceso es similar a si no aplicásemos altas temperaturas, pero
obtenemos productos más densos y homogéneos a la vez que ahorramos materias
primas.
Prensado uniaxial: (en caliente o en frío). Consiste en la aplicación de presión
en una única dirección hasta conseguir la compactación de los polvos
cerámicos. La pieza así conformada tendrá la forma de la matriz y las superficies
con las que se aplica la presión.
Prensado isostático en caliente o en frío. Consiste en compactar los polvos
encerrándolos herméticamente en moldes elásticos típicamente de goma, látex
o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua
o aceite. El fundamento de este proceso es el Principio de Pascal, de este modo
conseguimos compactar uniformemente y en todas las direcciones el material.
Slip Casting: Se fundamenta en el moldeo por barbotina de la cerámica
tradicional, mediante el cual obtenemos piezas de espesores pequeños
utilizando moldes porosos.
Métodos basados en la sinterización
Los principios de los métodos basados en la sinterización son sencillos: Una vez
que la materia prima es acondicionada para su procesamiento (hornada), es
introducida en el horno, con lo que el proceso dedifusión compacta a la materia
prima.
Los poros se achican, resultando un producto más denso y fuerte. El quemado se
hace a una temperatura por debajo del punto de derretimiento de la cerámica.
Siempre queda alguna porosidad, pero la verdadera ventaja de este método es que
la hornada puede ser producida de cualquier modo imaginable, e incluso puede ser
sinterizado. Esto lo hace una ruta muy versátil.
Existen miles de posibles refinamientos de este proceso. Algunos de los más
comunes involucran presionar la hornada para darle la densidad, la quema reduce
el tiempo de sinterización necesario. A veces, se añaden elementos orgánicos junto
a la hornada, que son disueltos durante la quema.
Algunas veces, se agregan lubricantes orgánicos durante el proceso para
incrementar la densidad. No es raro combinarlos, agregando materia orgánica y
lubricantes a una hornada, y luego presionar. (la formulación de estos aditivos
químico orgánicos es un arte en sí mismo). Esto es particularmente importante en
la manufactura de cerámica de alto rendimiento, tales como las usadas para la
electrónica, en condensadores, inductores, sensores, etc.
Puede realizarse una mezcla de componentes en vez de usar un solo polvo, y luego
verterlo en el molde deseado, dejándolo secar y luego sinterizarlo. De hecho, en la
alfarería tradicional es hecho de esta forma, usando una mezcla plástica que es
trabajada con las manos.
Si una mezcla de materiales diferentes componentes es utilizada en una cerámica,
algunas veces la temperatura de sinterización es mayor a la temperatura de
fundición de alguno de sus componentes (fase líquida de sinterización). Esto
genera un período más corto de sinterización comparado con el estado sólido
sinterizado.
Otras aplicaciones de la cerámica
Hace un par de décadas, Toyota investigó la producción de un motor cerámico el
cual puede funcionar a temperaturas superiores a 3300 °C. Los motores cerámicos
no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor reducción
en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de combustible. La eficiencia
en el uso de combustible de un motor es también superior a más alta temperatura.
En un motor metálico convencional, mucha de la energía generada desde la
combustión debe ser derrochada como calor para prevenir la fundición de las partes
metálicas.
A pesar de todas estas propiedades deseables, tales motores no están en
producción porque la manufactura de partes cerámicas es muy dificultosa. Las
imperfecciones en la cerámica conducen a quiebras y rompimientos. Dichos
motores son factibles en investigaciones de laboratorio, pero las dificultades
actuales sobre la manufactura impiden su producción en masa.
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 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.
Polimerización
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.
Polietilenglicol
Siliconas
Los Copolímeros.
Baquelitas.
Poliésteres.
Poliamidas.
La polimerización en etapas (condensación) necesita al menos monómeros
bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.
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 hemolítica:
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 poliestireno
n 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 su estereoquímica.
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 1.000 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.
Clasificación
Existen 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
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 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.
Según su comportamiento al elevar su temperatura
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).
Nomenclatura
A 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.
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)
Para copolímeros se suelen listar simplemente los monómeros que los forman, a
veces precedidos de las palabras caucho o goma si se trata de un elastómero 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 policl
oropreno.
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.
Historia
Los 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 Goodyearmodificó 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 el vulcanizado 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 y fenol. 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 por caucho 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 importancia
Polímeros 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)
Polímeros funcionales[editar]
Copolímeros
Material compuesto
Tejido de fibra de carbono.
En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos
materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la
combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales.
Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales
de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la
corrosión, dureza o conductividad.1 Los materiales son compuestos cuando
cumplen las siguientes características:
Están formados de dos o más componentes distinguibles físicamente y
separables mecánicamente.
Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre
sí y separadas por una interfase.
Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las
propiedades de sus componentes (sinergia).
No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos;
como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se
cambian la composición de las fases presentes.2
Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las
propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la
industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al
impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara
vez se dan juntas.
A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las
aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho
su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.
La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero
algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.
Estructura
Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden
distinguir las siguientes partes:
Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es
fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.
Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable
de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente
reforzante. También lo protege y da cohesión al material.
Clasificación
Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:
Materiales compuestos reforzados con partículas
Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y
uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil.
Tipos:
Compuestos endurecidos por dispersión.
Compuestos con partículas propiamente dichas.
Materiales compuestos endurecidos por dispersión
El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A
temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las
aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su
resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.
Sus principales propiedades son:
La fase es generalmente un óxido duro y estable.
El agente debe tener propiedades físicas óptimas.
No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.
Deben unirse correctamente los materiales.
Materiales compuestos reforzados con fibras
Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de
vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su
resistencia a la tracción, mientras que otro componente llamado matriz, que suele
ser una resina como epoxy o poliéster, envuelve y liga las fibras, transfiriendo la
carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las
líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente
flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan
un agregado en lugar de una matriz.
En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas)
sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y
químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven
para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.
Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la
matriz, lo que se llama delaminación.
Materiales compuestos estructurales
Panel sándwich con núcleo en forma de panal.
Están formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus
propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más
abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich.
Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de
adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras
y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera
obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas.
Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de
máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.
Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y
resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio),
separadas por un material menos denso y menos resistente,
(polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos).
Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria
aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.
Ejemplos de materiales compuestos
Plásticos reforzados con fibra:
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 con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra de
vidrio")
Clasificados por la matriz:
Termoplásticos reforzados por fibra larga.
Termoplásticos tejidos de vidrio.
Compuestos termoformados o termoestables.
Compuestos de matriz metálica o MMCs:
Cermet (cerámica y metal).
Fundición blanca.
Metal duro (carburo en matriz metálica)
Laminado metal-intermetal.
Compuestos de matriz cerámica:
Hormigón/Concreto
Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).
Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)
Adobe (barro y paja)
Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico
Madreperla o nácar
Concreto asfáltico
Madera mejorada
Contrachapado
Tableros de fibra orientada (OSB).
Trex
Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)
Pycrete (aserrín en matriz de hielo)
Procesos de fabricación
Moldeo SMC
Moldeo por proyección
Moldeo por vía húmeda ó contacto
Apilado por bolsa de vacío
Resine Transfer Moulding, RTM
Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM
Resine Infusion Moulding, RIM
Filament Winding
Fiber Placement
Pultrusión
Automatic Tape Laying, ATL
Eb curing
Semiconductor Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como
un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico
o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente
en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla
periódica se indican en la tabla adjunta.
Elemento Grupos Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque
idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos
12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd,
SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La
característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio
unaconfiguración electrónica s²p².
Tipos de semiconductores
Semiconductores intrínsecos
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la
del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura
representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda
de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV
y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones
pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de
conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este
fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada
temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se
igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece
constante. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la
concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la
temperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los
semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente
eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres
de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones
en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando
una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo
eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que estádopado. Evidentemente,
las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al
correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de
una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso
de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder
aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos
o electrones).
Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también
conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores
en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n
considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia
atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los
átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales
como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As)
o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio,
entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado.
Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número
de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso
los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores
minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un
electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada
electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo
inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta
final de cero.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado,
añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el
número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente
vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también
conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido
un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del
silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le
une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la
tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco
producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha
desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve
"expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un
número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la
excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores
mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los
materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas
de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera
natural.