Tema 2 (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)
Grado Química - 3º curso
Asignatura Materiales
Año del apunte 2015
Páginas 8
Fecha de subida 30/06/2017
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TEMA 2. TIPOS DE MATERIALES 2.1 Clasificación de los materiales Por comodidad, la mayoría de los materiales utilizados en ingeniería se dividen en tres grupos principales: materiales metálicos, poliméricos y cerámicos. Además de estos tres grupos de materiales, se tendrán en cuenta dos tipos más, los materiales compuestos y los materiales electrónicos, dada su gran importancia en la ingeniería.
2.2. Materiales estructurales y funcionales Los materiales estructurales son aquellos que se utilizan para la realización de estructuras, edificación, etc. Su utilización es función de las propiedades mecánicas que presentan. Dentro de ellos se encuentran los materiales metálicos y aleaciones metálicas, polímeros, materiales cerámicos, vidrios y materiales compuestos.
Los materiales funcionales son aquellos materiales cuyas aplicaciones se basan en las propiedades químicas, magnéticas, ópticas y electrónicas 2.3. Materiales metálicos Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos (hierro, cobre, aluminio, níquel o titanio) y pueden contener algunos elementos no metálicos (carbono, nitrógeno y oxígeno).
Los metales y las aleaciones suelen dividirse en dos clases: aleaciones y metales ferrosos (que contienen un alto porcentaje de hierro) como el acero y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferrosos (que carecen de hierro o contienen sólo cantidades relativamente pequeñas de éste). Son ejemplos de metales no ferrosos el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel.
Los científicos e ingenieros especializados en materiales buscan constantemente mejorar las propiedades de las aleaciones actuales y diseñar y producir nuevas aleaciones con mejores propiedades de fuerza, resistencia a altas temperaturas, deformación y fatiga. A estas aleaciones se les llama superaleaciones.
Ya sea en aleación o puros, los metales se emplean en numerosas industrias; entre otras, la aeronáutica, la biomédica, de los semiconductores, electrónica, energética, de estructuras civiles y del transporte.
Para el caso concreto de la biomedicina se pueden usar muchas aleaciones metálicas de titanio, acero inoxidable y cobalto. En estas aleaciones es necesario buscar la biocompatibilidad, que es importante puesto que el ambiente dentro del cuerpo humano es en extremo corrosivo y, por lo tanto, la impenetrabilidad de los materiales empleados para tales aplicaciones es fundamental.
Tema 2. Tipos de materiales 13 2.4. Materiales poliméricos La mayoría de los materiales poliméricos constan de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono). Desde un punto de vista estructural, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La resistencia y ductibilidad de los materiales poliméricos varía considerablemente. Dada la naturaleza de su estructura interna, la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes y se emplean como aislantes eléctricos. En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposición relativamente bajas.
Las industrias proveedoras de polímeros se centran cada vez más en la creación de mezclas de polímeros con otros polímeros, conocidas también como aleaciones o mezclas, para ajustarlas a aplicaciones específicas para las cuales ningún otro polímero es adecuado por sí solo. Debido a que las mezclas se producen con base en los polímeros existentes con propiedades bien conocidas, su creación resulta menos costosa y más confiable que sintetizar un polímero único para una aplicación específica. Por ejemplo, los elastómeros (un tipo de polímero muy deformable) suelen mezclarse con otros plásticos para mejorar la resistencia del material al impacto.
Otros materiales de revestimiento fabricados con polímeros se están empleando para proteger de la corrosión, ambientes químicos amenazantes, choque térmico, impacto, desgaste y abrasión. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones.
2.5. Materiales cerámicos y vidrios Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles (con poca o nula deformación antes de la fractura).
Destacan entre las ventajas de los materiales cerámicos para 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 al desgaste de muchos materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero.
La nueva generación de materiales cerámicos llamados cerámicos de ingeniería, cerámicos estructurales o cerámicos avanzados tienen mayor resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosión (aun a temperaturas altas) y al choque térmico.
Tema 2. Tipos de materiales 14 Entre los materiales cerámicos avanzados establecidos están la alúmina (óxido), el nitruro de silicio (nitruro) y el carburo de silicio (carburo).
Las aplicaciones de los materiales cerámicos son en verdad ilimitadas, dado que se hacen en las industrias aeronáutica, metalúrgica, biomédica, automotriz y muchas más.
Las dos principales desventajas de este tipo de materiales son la dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y que son frágiles y tienen baja tenacidad.
2.6. Materiales compuestos Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de 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. Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) y los particulados (compuestos o partículas en una matriz).
Existen muchas combinaciones diferentes de materiales de refuerzo y matrices que puede emplearse para producir materiales compuestos. Por ejemplo, el material de la matriz puede ser un metal, como el aluminio; una cerámica, como la alúmina; o un polímero, como la resina epóxica. Dependiendo del tipo de matriz empleado, el material compuesto puede clasificarse como compuesto de matriz metálica (MMC), compuesto de matriz cerámica (CMC) o compuesto de matriz polimérica (PMC).
Una de las razones de su uso es su elevada relación de resistencia y rigidez-peso.
Algunos materiales compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Estas características vuelven muy atractivos a los materiales compuestos avanzados.
Por regla general, de manera similar a los materiales cerámicos, las principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos son su fragilidad y baja tenacidad.
2.7. Otros materiales (Materiales electrónicos) Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son extremadamente por su avanzada tecnología. El material electrónico más importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Sin duda, los materiales electrónicos tendrán un papel fundamental en las “fábricas del futuro”.
Tema 2. Tipos de materiales 15 2.8. Avances recientes de la Ciencia de los Materiales En las últimas décadas han surgido varias iniciativas interesantes en la ciencia de los materiales que podrían revolucionar el futuro de este campo. Los materiales y dispositivos inteligentes a escala de tamaño micrométrico, así como los nanomateriales, son dos clases que afectarán profundamente a todas las industrias principales.
2.8.a. Materiales inteligentes: Algunos materiales han estado presentes durante años pero hoy día se están encontrando más aplicaciones para ellos. Tienen la capacidad de detectar estímulos ambientales externos (temperatura, esfuerzo, luz, humedad y campos eléctricos y magnéticos) y como respuesta a éstos modifican sus propiedades (mecánicas, eléctricas o su aspecto), su estructura o sus funciones. Estos materiales se denominan genéricamente materiales inteligentes. Los materiales inteligentes o los sistemas que los emplean están formados por detectores y accionadores. El componente detector descubre un cambio en el ambiente y el accionador realiza una función o emite una respuesta específica. Por ejemplo, algunos materiales inteligentes cambian de color o lo producen al exponerse a cambios de temperatura, intensidad de la luz o una corriente eléctrica.
Algunos de los materiales inteligentes más importantes, desde una perspectiva tecnológica, que pueden hacer las veces de accionadores, son las aleaciones con memoria de forma y las cerámicas piezoeléctricas. Ya coladas, las aleaciones con memoria de forma regresan a su forma original después de un aumento de temperatura superior a una temperatura de transformación crítica. El regreso a la forma original se debe a un cambio en la estructura cristalina por encima de la temperatura de transformación. Una aplicación biomédica de las aleaciones con memoria de forma se da en la endoprótesis vascular para sostener paredes arteriales debilitadas o para expandir arterias obstruidas. La endoprótesis deformada se coloca con una sonda dentro de la arteria en la posición adecuada y luego se expande a su forma y tamaño originales después de que alcanza la temperatura corporal. A modo de comparación, el método convencional de expandir o dar soporte a una arteria es mediante el empleo de un tubo de acero inoxidable que se expande con un globo. Son ejemplos de aleaciones con memoria de forma las de níquel y titanio, y las de cobrezinc-aluminio.
Los accionadores pueden ser también materiales piezoeléctricos. Los materiales producen un campo eléctrico cuando se les expone a una fuerza mecánica. A la inversa, un cambio en un campo eléctrico externo producirá en el mismo material una respuesta mecánica. Estos materiales pueden emplearse para detectar y reducir vibraciones indeseables de un componente por medio de la respuesta de su accionador. Cuando se detecta una vibración, se aplica una corriente para producir una respuesta mecánica que compensa el efecto de aquélla.
Tema 2. Tipos de materiales 16 2.8.b. Nanomateriales: Suelen definirse como aquellos que tienen una escala de longitudes característica (esto es, diámetro de las partículas, tamaño de los granos, el espesor de las capas, etc.) menor a 100 nm. Los nanomateriales pueden ser metálicos, poliméricos, cerámicos, electrónicos o compuestos.
Las primeras aplicaciones de los nanomateriales fueron en forma de catalizadores químicos y pigmentos. Los técnicos metalúrgicos han estado conscientes siempre de que al refinar la estructura de los granos de un metal hasta alcanzar niveles ultrafinos (escala submicrónica), su resistencia y dureza aumentan considerablemente en comparación con el metal a granel de grano grueso (escala micrónica). Por ejemplo, el cobre puro nanoestructurado tiene un límite de elasticidad seis veces mayor que el del cobre de grano grueso.
La extraordinaria atención que se ha prestado recientemente a estos materiales puede deberse a la creación de nuevos instrumentos que permiten la observación y caracterización de estos materiales y a los nuevos métodos de procesado y síntesis de los materiales nanoestructurados que permiten a los investigadores producir estos materiales con mayor facilidad y a una mayor tasa de rendimiento.
Tema 2. Tipos de materiales 17 EJERCICIOS DEL TEMA 2 Cuestiones teóricas 1- ¿Qué son los materiales? Enumere ocho materiales de empleo generalizado en ingeniería.
2- Defina la ciencia de los materiales e ingeniería de los materiales.
3- ¿Cuáles son las clases principales de materiales en ingeniería? 4- ¿Cuáles son algunas de las propiedades importantes de cada uno de estos materiales? 5- Defina un material compuesto. Dé un ejemplo.
6- Mencione algunos cambios en el empleo de materiales que haya observado, durante un periodo, en algunos productos manufacturados. ¿Qué razones puede dar para explicar los cambios ocurridos? 7- ¿Qué factores podrían causar que las predicciones acerca del empleo de los materiales fuesen incorrectas? 8- Considere el componente habitual de una bombilla en casa: a) identifique varios componentes críticos de este elemento, b) determine el material seleccionado para cada componente crítico y c) diseñe un procedimiento para montar la bombilla.
9- La artroplastia total de cadera (THA) es el procedimiento de sustitución total de una cadera dañada por una prótesis artificial. a) Identifique los componentes reemplazados en la THA. b) Identifique el material o materiales empleados en la fabricación de cada componente y las razones por las cuales se emplean. c) Mencione cuáles son algunos de los factores que el ingeniero de materiales debe tomar en cuenta en la selección de materiales.
10- Se considera que los transistores han causado una revolución en la electrónica y, en consecuencia, en muchas otras industrias. a) Identifique los componentes críticos de un transistor de unión. b) Identifique el material empleado en la fabricación de cada componente.
11- a) Mencione los factores más importantes que deben tomarse en cuenta en la selección de materiales para el cuadro de una bicicleta de montaña. b) Tome en cuenta que el acero, el aluminio y el titanio se han empleado como los metales principales en la estructura de una bicicleta y determine las principales ventajas y desventajas de cada uno de ellos. c) Las bicicletas más modernas se fabrican con materiales compuestos avanzados. Explique por qué y mencione los materiales compuestos específicos empleados en la estructura de una bicicleta.
12- a) Mencione los criterios más importantes para seleccionar materiales que habrán de emplearse en un casco protector de uso deportivo. b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios. c) ¿Por qué un casco de metal sólido no sería una buena elección? Tema 2. Tipos de materiales 18 13- a) Determine las propiedades que debe tener el material o los materiales empleados como protección térmica en la estructura de un transbordador espacial b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios. c) ¿Por qué las aleaciones de titanio no serían una buena elección para esta aplicación? 14- ¿Qué tipo de material es el cobre de alta conductividad exento de oxígeno (OFHC)? b) ¿Cuáles son las propiedades deseables en el cobre de alta conductividad exentas de oxígeno? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria eléctrica? 15- ¿A qué clase de materiales pertenece el politetrafluoretileno? b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria de fabricación de utensilios de cocina? 16- a) ¿A qué clase de materiales pertenece el nitruro de boro cúbico (cBN)? b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria metalmecánica? 17- a) ¿Qué son las aramidas? b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en las industrias de equipo deportivo? 18- a) ¿A qué clase de materiales pertenece el arseniuro de galio (GaAs)? b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria electrónica? 19- Las superaleaciones con base en níquel se emplean en la estructura de los motores de turbina de los aviones. ¿Cuáles son las propiedades principales de este metal que lo hacen deseable para esta aplicación? 20- Identifique varios equipos deportivos que podrían beneficiarse con los materiales inteligentes o con la tecnología de los MEM. Mencione las razones concretas de la idoneidad de la aplicación.
21- ¿Qué son los nanotubos? Mencione algunos ejemplos de su aplicación a materiales estructurales como los compuestos.
22- El aluminio es dúctil y poco duro, mientras que la alúmina, Al2O3, es dura y frágil.
¿A qué se debe esta diferencia desde el punto de vista de los enlaces? 23- Para una determinada aplicación es necesario un material duro, resistente al calor y a las condiciones ambientales y aislante eléctrico. ¿Qué tipo de material se seleccionaría desde el punto de vista de los enlaces? 24- ¿Qué es un material compuesto? Enumere algunos ejemplos cotidianos de este tipo de materiales.
25- El diamante es un material extremadamente duro, ¿por qué? 26- Justifique la siguiente afirmación: “La resistencia mecánica está íntimamente ligada con la energía de enlace”.
27- Justifique desde el punto de vista del enlace la ligereza y la baja conductividad térmica de los polímeros.
28- ¿Qué son los materiales inteligentes? Tema 2. Tipos de materiales 19 Tema 2. Tipos de materiales 20 ...

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