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Introduccion Materiales, Apuntes de Ingeniería Química

Asignatura: Ciencia de los materiales, Profesor: Maria Luisa Blázquez, Carrera: Ingeniería Química, Universidad: UCM

Tipo: Apuntes

2013/2014

Subido el 30/11/2014

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CIENCIA DE MATERIALES
TEMA 1. Introducción. Clasificación de los materiales
1. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA
Ciencia de Materiales: campo multidisciplinar que se dedica al estudio de la estructura, las
propiedades, el procesado y las aplicaciones de todo tipo de materiales.
Los materiales pueden dividirse en:
Estructurales: se seleccionan por sus propiedades mecánicas (metálicos, cerámicos,
polímeros, materiales compuestos) con un volumen de producción grande.
Funcionales: se utilizan por otras propiedades más específicas (electrónicos,
magnéticos, ópticos, nanomateriales, materiales inteligentes) con un volumen de
producción pequeño y un alto valor añadido.
La estructura es la disposición de los componentes internos y las relaciones entre ellos. La
estructura de los materiales se estudia a diferentes escalas o niveles:
Atómico-molecular (enlaces interatómicos o intermoleculares).
Cristalina (átomos o moléculas ordenados formando cristales) o amorfa
(desordenada).
Microestructura (formada por una o varias fases).
Fase: porción homogénea del material con estructura química y/o física diferenciada de
otra.
Macroestructura (la unidad básica es el volumen mínimo del material que lo
representa).
Materiales: “todas aquellas sustancias que, una vez fabricadas y procesadas, se utilizan en el
diseño y construcción de componentes y estructuras, debiendo cumplir una serie de propiedades
físicas, químicas y/o mecánicas determinadas durante su actuación o vida en servicio”.
Además:
Son sólidos.
No experimentan transformación química durante su utilización.
Se caracterizan por la durabilidad de sus propiedades.
HISTORIA Y EVOLUCIÓN DE LA CIENCIA DE MATERIALES.
Los primeros materiales eran naturales: piedra, madera, cuero, etc.
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CIENCIA DE MATERIALES

TEMA 1. Introducción. Clasificación de los materiales

1. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA

Ciencia de Materiales: campo multidisciplinar que se dedica al estudio de la estructura, las propiedades, el procesado y las aplicaciones de todo tipo de materiales. Los materiales pueden dividirse en:

  • Estructurales: se seleccionan por sus propiedades mecánicas (metálicos, cerámicos, polímeros, materiales compuestos) con un volumen de producción grande.
  • Funcionales: se utilizan por otras propiedades más específicas (electrónicos, magnéticos, ópticos, nanomateriales, materiales inteligentes) con un volumen de producción pequeño y un alto valor añadido. La estructura es la disposición de los componentes internos y las relaciones entre ellos. La estructura de los materiales se estudia a diferentes escalas o niveles:
  • Atómico-molecular (enlaces interatómicos o intermoleculares).
  • Cristalina (átomos o moléculas ordenados formando cristales) o amorfa (desordenada).
  • Microestructura (formada por una o varias fases). Fase: porción homogénea del material con estructura química y/o física diferenciada de otra.
  • Macroestructura (la unidad básica es el volumen mínimo del material que lo representa). Materiales: “todas aquellas sustancias que, una vez fabricadas y procesadas, se utilizan en el diseño y construcción de componentes y estructuras, debiendo cumplir una serie de propiedades físicas, químicas y/o mecánicas determinadas durante su actuación o vida en servicio”. Además:
  • Son sólidos.
  • No experimentan transformación química durante su utilización.
  • Se caracterizan por la durabilidad de sus propiedades.
  • HISTORIA Y EVOLUCIÓN DE LA CIENCIA DE MATERIALES. Los primeros materiales eran naturales: piedra, madera, cuero, etc.

Se descubrieron técnicas para producir materiales con mejores propiedades por transformaciones químicas (hornos): cerámicas, aleaciones. Avances científicos y conocimiento de la microestructura: se aprende a modificar las propiedades.

  • Siglos XVIII – XIX: Teoría de la elasticidad (Hooke).
  • Finales del siglo XIX: producción de acero (Revolución Industrial).
  • Principios del siglo XX: metalurgia (relación estructura-propiedades Metalografía).
  • Años 40: física nuclear, energía atómica, turbina de gas, aviación, microscopio electrónico.
  • Años 50: semiconductores, transistor, industria electrónica, telecomunicaciones.
  • Años 60: láser, superconductividad, industria aeroespacial y armamento.
  • Años 90: nanomateriales. 2010, Nobel de Física a Gein y Novoselev por el grafeno.
  1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Desde el punto de vista de la composición (basada en el tipo de enlace): cerámicos, metálicos, polímeros y compuestos. Desde el punto de vista de las propiedades o aplicaciones: estructurales, electrónicos, magnéticos, fotónicos, biomateriales, etc.
  • ENLACES PRIMARIOS: enlace metálico. Involucra fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas mediante la compartición de electrones deslocalizados para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos. El enlace metálico se forma entre cationes metálicos que comparten los electrones de valencia (nube electrónica). Los electrones externos compartidos y deslocalizados conductividad. Son sólidos cristalinos, resistentes y dúctiles.
  • ENALCES PRIMARIOS: enlace iónico. En este tipo de enlace se ponen en juego fuerzas interatómicas relativamente grandes debidas a la transferencia de un electrón de un átomo a otro, produciéndose iones que se mantienen unidos por fuerzas colombianas (atracción de iones cargados positiva y negativamente). El enlace iónico es un enlace no direccional y relativamente fuerte. Fuerte atracción electrostática: altos puntos de fusión, duros, frágiles. No son conductores.
  • (^) ENLACES PRIMARIOS: enlace covalente.

Una importante aplicación de los cerámicos son las placas cerámicas del transbordador espacial. Estos materiales cerámicos protegen térmicamente la estructura interna de aluminio del transbordador durante el lanzamiento y la reentrada en la atmósfera terrestre.

  • Composición: óxidos, carburos, nitruros, sulfuros, silicatos, etc.
  • Enlace iónico y/o covalente: baja conductividad térmica y eléctrica (aislantes).
  • Estructura cristalina o no cristalina (vidrios).
  • Baja densidad.
  • Alto punto de fusión.
  • Propiedades mecánicas: elevada resistencia (incluso a alta temperatura, materiales refractarios), dureza, baja tenacidad, elevada fragilidad (baja resistencia al impacto).
  • Estabilidad térmica y química.
  • Propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y térmicas.
  • (^) Inconveniente: su fragilidad.
  • Fibra óptica: transmisión de voz y de señales digitales por fotones (en el cobre por electrones). Mayor capacidad de transmisión, menor tamaño y coste que el cobre. Un par de fibra óptica transmite la misma cantidad de información que 2200 pares telefónicos de cobre. EJEMPLO DE COMPARACIÓN CERÁMICO-METAL: Al 2 O 3 Al Muy estable químicamente Alta reactividad Alta temperatura de fusión Menor temperatura de fusión Muy frágil Dúctil
  • MATERIALES POLIMÉRICOS. La mayoría están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. Estructuralmente, la mayoría no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La rigidez y ductilidad de los materiales poliméricos varía ostensiblemente. Debido a la naturaleza de su estructura interna, la mayoría son malos conductores de la electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes, de ahí su aplicación en aislamiento eléctrico. En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o descomposición relativamente bajas.
  • Composición: cadenas de moléculas orgánicas formadas por la unión de monómeros.
  • Baja densidad, muy ligeros.
  • Enlace covalente: baja conductividad térmica y eléctrica (aislantes).
  • (^) Amorfos o parcialmente cristalinos.
  • Baja temperatura de ablandamiento o de descomposición (no pueden usarse a elevadas temperaturas).
  • Propiedades mecánicas (en general, inferiores a las de los metálicos y cerámicos). Dependen del tipo de polímero: - Termoplásticos: excelente ductilidad y resistencia al impacto (PET, PVC, PP… ). - Termoestables: propiedades mecánicas contrarias a termoplásticos (más rígidos, duros y menos dúctiles). Ej: resinas epoxi, poliuretanos, siliconas, etc. - Elastómeros: excelente elasticidad (caucho).
  • (^) Fácil procesado, bajo coste.

• MATERIALES COMPUESTOS.

Son mezclas de dos o más materiales. La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible aglomerante con objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas. Normalmente, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los componentes. Pueden ser de muchos tipos, los predominantes son fibrosos (compuestos de fibras en una matriz) y particulados (compuestos de partículas en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se pueden usar para producirles. Dos destacados tipos de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio reforzada en matriz de poliéster o de epoxy, y las fibras de carbono en una matriz epoxídica.

  • Materiales formados por combinación de distintos tipos de materiales de las categorías anteriores (metálicos, cerámicos y polímeros).
  • Se aprovechan las mejores propiedades de los materiales que los componen para obtener un nuevo material con propiedades únicas (polímero y vidrio = “fibra de vidrio”).
  • Se pueden conseguir una gran variedad de propiedades dependiendo de los materiales constituyentes.
  • (^) Todos los elementos de la tabla periódica excepto los gases nobles pueden entrar en la composición de los MC.
  • Importante desarrollo para la industria aeroespacial, transporte, deporte, etc.
  1. Neumáticos: cauchos reforzados, diferentes durezas.
  2. Traje: material ignífugo (Nomex).
  3. (^) Casco: MC (PE reforzado con fibras de C y Kevlar).
  • Industria aeronáutica: menor consumo combustible y/o mayor capacidad de pasaje, mayor porcentaje de materiales compuestos en los nuevos AIRBUS, motores más resistentes (materiales resistentes a altas temperaturas).
  • SELECCIÓN DE MATERIALES.
  • Propiedades óptimas.
  • Facilidad de fabricación.
  • (^) Coste mínimo.
  • Uso de materiales favorables para el medio ambiente.
  • FUTURO. Los materiales compiten unos con otros por su existencia y los nuevos mercados, y en consecuencia, es lógico que se produzca el reemplazamiento de un material por otro para ciertas aplicaciones. La disponibilidad de materiales brutos, el coste de la manufactura y el desarrollo de nuevos materiales y procesos para productos, son los factores prioritarios que dan lugar a cambios en el uso de materiales.
  • Materiales inteligentes: capacidad para detectar y responder a estímulos externos.
  • (^) Biomateriales: materiales biocompatibles que pueden reemplaza la función de los tejidos o de los órganos internos.
  • Nanomateriales.
  • Polímeros conductores: para dispositivos electrónicos o biocompatibles para reconstruir nervios.
  • OBTENCIÓN DE MATERIALES. METÁLICOS:
  1. Materias primas:
  • Minerales (óxidos, sulfatos, carbonatos, silicatos, etc.).
  • Chatarras: reciclado.
  1. Procesos de extracción (metalurgia activa):
  • (^) Reducción y fusión a alta temperatura: pirometalurgia.
  • Disolución (lixiviación) y precipitación: hidrometalurgia.
  • Reducción por corriente eléctrica: electrometalurgia. CERÁMICOS:
  1. Materias primas:
  • Minerales.
  • Reciclado.
  1. Procesos de extracción y de síntesis:
  • Disolución, purificación y precipitación.
  • Fusión y moldeo. POLÍMEROS:
  1. Materias primas: petróleo, carbón, gas natural, caucho (látex del árbol Hevea brasiliensis).
  2. Procesos de polimerización.
  3. DEFINICIONES MATERIALES: sustancias constitutivas de los cuerpos o partes limitadas de la materia. CIENCIA DE MATERIALES: una disciplina científica íntimamente relacionada con la investigación, que tiene por objetivo el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales. INGENIERÍA DE MATERIALES: una disciplina de ingeniería que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamental y aplicado, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica. MATERIALES METÁLICOS: materiales que están caracterizados por altas conductividades térmicas y eléctricas (ejemplos: hierro, acero, aluminio y cobre). ALEACIONES Y METALES FERROSOS: metales y aleaciones que contienen un alto porcentaje de hierro, tales como acero y hierro fundido. ALEACIONES Y METALES NO FERROSOS: metales y aleaciones que no contienen hierro o, si lo contienen, es sólo en un porcentaje relativamente pequeño (ejemplos: aluminio, cobre, cinc, titanio y níquel).