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Este documento de la Universidad Politécnica del Centro explica conceptos básicos de ciencia de materiales, incluyendo densidad cristalográfica, conductividad térmica y eléctrica, propiedades magnéticas y mecánicas. Se abordan diferentes tipos de densidad, conductividad en metales, cerámicos y orgánicos, y se discuten las propiedades magnéticas intrínsecas de materiales y su relación con la estructura electrónica y cristalina.
Tipo: Apuntes
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04 de marzo de 2021
La densidad es una medida de la masa por unidad de volumen y se repone en unidades de gramos por centímetro cúbico. El término "densidad" usado por si solo se puede interpretar de varias maneras, así es de que se debe dar una mayor descripción del mismo, para asegurar que la interpretación que se le dé, sea la adecuada:
la composición en una red cristalina libre de defectos.
Es lo mismo que densidad cristalográfica. pero tomando en consideración soluciones sólidas y fases múltiples.
defectos de la red, fases presentes y porosidad debida al proceso de fabricación. En este libro el término "densidad" es usado para los tres primeros casos ya que tienen la característica de cero porosidades obtenidas durante la fabricación, de tal manera que solo hay espacios libres entre los átomos de la estructura. Para todos los casos en donde la porosidad debida al proceso de fabricación esté presente, el término de "densidad total" o "porciento de densidad teórica" es usado. La densidad está determinada por el tamaño, el peso de los elementos y por el empaquetamiento de la estructura. Elementos de bajo número y peso atómicos (H, Be, e, Si, etc.) resultan en materiales con baja densidad cristalográfica. Contrastantemente, elementos de alto número y peso atómicos (W, Zr, Th, U, etc.) resultan en materiales con alta densidad cristalográfica. Algunos ejemplos se presentan en la Tabla 3. Observe que el carburo de wolframio (WC) tiene una densidad 5 veces mayor que el carburo de silicio (SiC). Los materiales orgánicos tienen una baja densidad porque sus estructuras están esencialmente constituidas por e e H y algunos otros elementos de bajo peso atómico, tales como el Cl y el F.
La conductividad eléctrica de un material es un tanto análoga a la conductividad térmica. La cantidad de conducción es una función de la cantidad de energía presente, (en este caso el tamaño del campo eléctrico), el número de medios de transporte y la cantidad de disipación. Los medios de transporte en los metales son los electrones, debido a la naturaleza del enlace metálico. estos electrones se pueden mover de manera libre a través de la estructura resultando en una alta conductividad eléctrica. Esto se da especialmente en metales puros, en donde el tamaño de los átomos y el empaquetamiento es uniforme y no hay factores presentes que disipen el movimiento libre de los electrones. Los elementos de aleación destruyen la uniformidad de la estructura y por lo tanto reducen la conductividad eléctrica. Los incrementos de temperatura distorsionan la estructura (debido a la vibración de la red) y el resultado es una disminución de la conductividad eléctrica. La mayoría de los materiales orgánicos presentan una pobre conductividad eléctrica debido a que no disponen de medios de transporte para la misma, por lo que se les utiliza como aislantes eléctricos o en aplicaciones dieléctricas. Las resistividades de la mayoría de los polímeros son tan grandes como 10 cm. La resistividad puede ser reducida por medio de la adición de un buen elemento conductor tal como el grafito o los polvos metálicos. En algunos casos las estructuras poliméricas son modificadas para crear en ellas sitios donadores y receptores de manera tal que se han alcanzado en estas resistividades tan bajas. En algunos materiales cerámicos, especialmente en los óxidos y en los haluros, los iones pueden ser medios de conducción eléctrica. El grado de conductividad depende fuertemente de la barrera de energía que el Ión debe superar para moverse de una posición en la red a otra. A baja temperatura la conductividad es mínima. Sin embargo. cuando la temperatura es lo suficientemente alta para superar esa barrera de energía se tendrá difusión en la red y por lo tanto la conductividad se incrementará. La presencia de defectos en la red tales como las vacancias y los intersticios favorecen la conducción. La adición controlada de ciertas impurezas para incrementar la concentración de defectos también ayuda a mejorar la conductividad eléctrica.
Los cerámicos magnéticos juegan un papel importante en la tecnología moderna, algunas de sus aplicaciones más importantes incluyen a los imanes permanentes, las unidades de memoria para las computadoras digitales, los elementos de circuitos de radios, televisiones, micro hornos y otros muchos dispositivos electrónicos. Las propiedades magnéticas intrínsecas de un material están determinadas por su estructura electrónica y su estructura cristalina. De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli sólo dos electrones pueden ocupar un nivel de energía dado, además, ambos electrones deben tener es pines opuestos. Estos espines producen un momento magnético. Si el nivel de energía es ocupado por ambos electrones. El momento magnético se cancela debido a la oposición de los espines Un momento magnético neto ocurre solo cuando los niveles de energía de los electrones están ocupados sólo a la mitad, situación que se da en elementos tales como: los de transición, tierras raras, los actínidos y en algunas estructuras derivadas de esos elementos. Los momentos magnéticos pueden existir en iones individuales de una estructura, pero pueden se r cancelados por momentos opuestos de iones que se encuentren alrededor de esa estructura. Los materiales cerámicos que tienen propiedades magnéticas son comúnmente conocidos como ferritas. Las ferritas están divididas en diferentes clases de acuerdo a la estructura cristalina. Las ferritas cúbicas pueden tener ya sea la estructura de la espinela o [estructura de granate, las ferritas hexagonales tienen estructuras magnéticas de plumas o similares y las ferritas ortorrómbicas tienen la estructura del perovskita. Las ferritas hexagonales (especialmente las constituidas con Ba, Sr y Pb) son frecuentemente usadas para la construcción de imanes permanentes, debido a su elevada magnetización. tamaño compacto y bajo costo. Estas ferritas también son empleadas en los motores de 105 cepillos dentales. cuchillos eléctricos y los limpiadores del parabrisas de los automóviles. La tecnología de los cerámicos magnéticos está muy bien desarrollada en [a actualidad. De manera tal que las propiedades magnéticas de un material pueden ser controladas sobre un amplio intervalo a través del control de su composición en el proceso de fabricación.
Elorz, J. A.-S. (2016). Ciencia e Ingeniería de los Materiales: estructura y propiedades. Editorial: Dossat 2000. Investigacion y ciencia: Materiales ceramicos. (Junio 2016). First Edition. Krauss, G. (2016). Steels: heat treatment and processing principles. ASM International. Mangonon., P. L. (2015). Ciencia de Materiales: selección y diseño. Prentice Hall: Pearson Educación.
