Tecnología de materiales 2015 – Dra. Elena Brandaleze 10 de septiembre de 2011
Tecnología de Materiales – Notas de clase
2015
Tecnología de materiales 2015 – Dra. Elena Brandaleze 10 de septiembre de 2011
CONTENIDOS
1. Introducción general sobre Materiales
2. Historia de los materiales
3. Ciencia de los materiales
4. Distintos tipos de materiales
5. Revisión de conceptos: átomo, elementos, tipos de enlaces atómicos, estados de la
materia (gas, líquido y sólido)
6. Estado de orden de los materiales
7. Física del estado sólido
8. Tipos de materiales y su estructura
a. Materiales metálicos (clasificación, características estructurales, propiedades
generales)
b. Materiales metálicos y procesos industriales
c. Materiales políméricos(clasificación, características estructurales, propiedades
generales)
d. Materiales poliméricos y procesos industriales
e. Materiales cerámicos y vitrocerámicos (clasificación, características estructurales,
propiedades generales)
f. Materiales cerámicos y procesos industriales
g. Materiales compuestos (clasificación, características estructurales, propiedades
generales)
h. Materiales compuestos y procesos industriales
9. Nanomateriales y Nanociencia
10. Catalizadores
11. Materiales con funcionalidad superficial
12. Técnicas de estudio de materiales
a. Determinación de propiedades
b. Físicas Ensayos físicos (Tfusión, densidad, porosidad, etc)
c. Mecánicas Ensayos mecánicos (Tracción, compresión, torsión, dureza,
microdureza, flexión)
d. Térmicas (análisis térmico diferencial DTA – TG – DSC – dilatometría)
e. Químicas (resistencia a la corrosión, solubilidad, etc)
f. Estudios sobre aspectos estructurales
g. Microscopía óptica
h. Microscopía electrónica
i. Microscopía de alta resolución
j. Difracción de rayos X
13. Reciclado (en material adjunto)
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1. Introducción general sobre materiales
Una simple mirada hacia nuestro alrededor, nos demuestra que la importancia de los
materiales es quizás mucho mayor de lo que podemos pensar. Tal como se puede notar, la
vivienda, el transporte, la alimentación, recreación, las comunicaciones representan
demostraciones de la capacidad de producir y conformar materiales necesarios para
resolver necesidades humanas cotidianas. De algún modo, la calidad de vida de los
individuos tiene relación con las posesiones materiales.
Liedl en [1] expresa, que la extraordinaria diversidad de los nuevos materiales responde a
un mejor conocimiento de las técnicas para obtener estructuras dotadas de propiedades
cada vez más eficaces y rentables. El avance en la comprensión de un tipo de material suele
ser el precursor del progreso de una tecnología. Es así que por ejemplo, la fabricación de
automóviles fue posible por la aparición de un acero adecuado y accesible. El avance en
ciertos componentes electrónicos, se ha logrado en gran parte a través del desarrollo de
materiales semiconductores [2]. También debemos pensar que es posible viajar en aviones
a reacción, gracias a los materiales que se desarrollaron para construir el motor a reacción
[3].
A partir de lo mencionado, resulta evidente el papel central que desempeñan los materiales
en las sociedades técnicamente avanzadas. Los materiales avanzados son los elementos
constructivos de las tecnologías avanzadas, esto es, su elaboración a través de nuevos
procesos promueven los avances tecnológicos.
La capacidad de desarrollar y utilizar materiales es fundamental para el avance de cualquier
sociedad.
2. Historia de los materiales
El hombre primitivo, tuvo acceso a un número limitado de materiales. Sólo podía contar
con lo que le brindaba la naturaleza: madera, arcilla, piedras, cuero, etc. Los utilizaba e
intentaba trabajar para desarrollar utensilios que resolvieran sus necesidades cotidianas,
construir armas para defenderse de los animales o cazar y elaborar herramientas.
Por ejemplo, el hombre en la edad de piedra (2,5 millones de años atrás, hasta 3000 a.c.)
ya trabajaba este material para: para crear armas, punzones cortantes, cuchillos y flechas.
Figura 1
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Figura 1. Utensilios de piedra construidos por el hombre primitivo
El hombre neolítico descubrió la arcilla, se da cuenta de que la arcilla húmeda, puede ser
moldeada a su voluntad y que mediante una muy elemental cocción, se endurece y puede
utilizarse para contener líquidos, solucionándole sus necesidades de la vida diaria. Figura 2
Figura 2. Desarrollo de las primeras cerámicas
Esta primera transformación intencionada de un material inorgánico natural en otro dotado
de nuevas propiedades fue el principio de la técnica e ingeniería de los materiales.
Este tipo de material se expandió por diferentes culturas en el mundo a lo largo de la
historia.
El hombre neolítico también trabaja los metales, en la edad del cobre (5000 a 1500 a.c.),
descubrió que el cobre natural podía ser suavizado al calentarlo y endurecido al deformarlo
mediante martilleo. Así, dicho metal fue desplazando progresivamente a la piedra. Sin
embargo, una vez que el cobre escaseó el hombre buscó otros metales contenidos en los
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minerales. Descubrió que los metales que utilizaba, le resultaban poco resistentes para
construir armas y esta necesidad lo impulsa a mezclar metales, obteniendo la primera
aleación: el bronce (cobre + estaño). Esto inicia una nueva edad, denominada edad del
bronce, que transcurre desde el 2000 al 0 a.c. Representaba un material fácil de fundir, de
alta fluidez dentro de los moldes, se endurecía rápidamente luego del enfriamiento, podían
incrementar su resistencia por martilleo y lo podían aplicar tanto en armas como en
elementos de ornamentación. Figura 4
Figura 4. Elementos de bronce
En el año 1000 a.c., se inicia la edad del hierro. En la civilización hitita (Turquía) descubren
accidentalmente este metal. Piedras de mineral de hierro, se calentaban dentro de un
horno (que consistía en un pozo en la tierra) con carbón y se obtenía un metal duro, se
martillaba la pieza para lograr una mejor resistencia. Además, se removía el óxido
producido.
Durante el calentamiento, los átomos de C se introducían en la estructura del hierro
formando una aleación. En el tiempo buscaron alternativas para bajar el contenido de C del
metal obtenido, hasta lograr un primer acero. Nunca descubrieron que el C era el
responsable de las bondades del material. Llegaron a la verdad 3000 años después 1774
d.c.
En el transcurso el tiempo, el hombre descubrió técnicas para producir materiales con
propiedades superiores a las que poseía hasta ese momento. Logró modificar los materiales
adicionando elementos o modificándolos con temperatura, deformación, etc.
El desarrollo de la ciencia de materiales, fue muy lenta hasta fines del siglo XIX. Sin embargo,
los avances notables se producen por el:
1. Descubrimiento de los rayos X (que permitía identificar y visualizar aspectos
estructurales de los materiales)
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2. Desarrollo de la tabla periódica ( que integraba a los elementos existentes en la
naturaleza)
3. Logro del conocimiento de la estructura de los materiales (primeros avances de la
microscopía)
A partir de este momento se comienza una rápida evolución en el desarrollo de materiales,
dado que los científicos lograron entender la relación entre elementos, estructura y
propiedades pudiendo desarrollar a partir de ese momento distintos tipos de materiales.
Surgen así nuevas eras: Era del Si, componentes electrónicos, Era de los polímeros:
plásticos, fibras, telas, etc. En la figura 5, se puede observar la evolución de los materiales
utilizados por el hombre en el tiempo.
Figura 5. Evolución de los materiales utilizados por el hombre a lo largo de la historia
El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia,
va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados [2].
3. Ciencia de los materiales
Los filósofos griegos especulaban sobre la posibilidad de que toda la materia estuviera
constituida por diminutas partículas indivisibles de una misma entidad fundamental. Este
primer intento por comprender la naturaleza íntima de las cosas que nos rodean puede
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considerarse el principio de la ciencia de los materiales. Hasta épocas recientes la Ciencia y
la Ingeniería de materiales permanecían separadas. Los alquimistas no se hablaban con los
herreros. Los artesanos sabían que cada material tenía cualidades específicas y sabían
también como trabajarlo pero carecían de la comprensión científica.
Es evidente que en el transcurso del tiempo parte de los avances que realiza el hombre en
las primeras etapas de la utilización de los materiales involucran la casualidad, otros se
logran a través de la intuición y la necesidad. No obstante, ya en la edad de las primeras
cerámicas, el bronce o el hierro pueden visualizarse los primeros procedimientos
rudimentarios para obtener materiales. A través de los procedimientos mencionados se
puede pensar en una tecnología incipiente. Surgen aquí los primeros materiales
tecnológicos que se elaboran para que adquieran propiedades que lo transformen en un
objeto útil, por ejemplo: los cuencos de cerámica. Pudieron establecer de qué manera
debían combinar el carbón vegetal con un mineral para fundirlo y así separar la ganga del
metal, mezclar dos metales para lograr otro más fácil de trabajar y más duro (después de
fraguar) que cualquiera de los materiales por separado. También lograron endurecer el
metal por temple (con calentamiento al rojo y enfriamiento en agua) o forja (calentamiento
al rojo y golpes de martilleo). Tal dominio práctico de los materiales y de su elaboración
provenía de la experiencia.
Hubo que esperar hasta el siglo XIX para que la química y la física en menor medida,
aportaran el apoyo del cálculo moderno y las teorías aplicables a los problemas con que se
encontraban artesanos e ingenieros. La teoría química demostró su eficacia para guiar una
elaboración. En este contexto, la oxidación se aplicó a la siderurgia a través del control de
oxígeno en la elaboración del metal ferroso fundido, se descubrió que las impurezas al
mezclarse con oxígeno formaban óxidos y podían extraerse del metal para purificarlo. El
análisis químico, se constituyó en una herramienta fundamental para la elaboración y
control de los materiales. En 1866, Sorby incorpora la posibilidad de visualizar la estructura
del acero mediante un microscopio óptico (figura 6) abriendo nuevos caminos al visualizar
la naturaleza cristalina del material. Los decenios siguientes conocieron grandes adelantos
en la preparación de nuevos procesos y nuevos materiales.
Figura 6. Microscopio antiguo
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La contribución clave de la ciencia de materiales fue contribuir con la vinculación de las
propiedades de los materiales y la estructura interna de los mismos. Este reconocimiento
implicaba poder predecir el comportamiento de un material a partir del estudio de su
arquitectura interna. Esto fue evolucionando en el tiempo asociado al desarrollo de nuevas
técnicas de estudio de los materiales.
La ciencia de materiales incorpora conocimiento de nuevos materiales y constituye objetos
de estudio sobre ellos en forma de grupos: cerámicos, metales, polímeros o plásticos y
materiales compuestos dentro de los más desarrollados. Los aspectos involucrados por los
ingenieros y científicos para el desarrollo de la ciencia de materiales incluyen a los
detallados en la figura 7.
Figura 7. Aspectos a contemplar en la ciencia e ingeniería de materiales
Resulta necesario conocer:
• La adaptabilidad de los materiales para las diferentes aplicaciones
• Los efectos que a través de los diferentes procesos se pueden provocar sobre los
mismos para mejorar sus propiedades
• Los aspectos vinculados a la economía de las combinaciones material-proceso
En la actualidad se requiere tener conocimiento profundo de la ciencia de materiales para
diseñar o desarrollar procesos de obtención de materiales, instalaciones industriales o
realizar tareas de control de calidad de productos, aplicación de productos, reparaciones,
etc.
Como técnicos se puede interactuar en medios laborales de investigación y desarrollo de
materiales para diversas aplicaciones (Universidad, Centros o Instituciones vinculadas a la
InvestigaciónDesarrollo de Producción industrial
AplicaciónDesarrollo de Métodos de
caracterización
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investigación/docencia y en departamentos de desarrollos industriales, industrias, talleres,
etc.
4. Distintos tipos de materiales
Dentro de los materiales podemos realizar una primera gran clasificación que los agrupa en:
materiales metálicos y no metálicos.
Materiales metálicos. Una distinción dentro de los materiales metálicos se enfoca entre
aquellos metales o aleaciones que contienen como elemento mayoritario al hierro (Fe) y se
conocen como materiales férreos (aceros y fundiciones ferrosas) de aquellos que contiene
como elementos principales otros metales que no involucran al Fe tales como cobre,
aluminio, magnesio, níquel, etc.
Materiales no metálicos. Los materiales no metálicos contemplan a los cerámicos,
polímeros y algunos materiales compuestos.
Todos estos materiales difieren en sus características estructurales y serán detallados en
adelante a lo largo de la asignatura.
No obstante, podemos comentar brevemente que los metales se caracterizan por estados
cristalinos de alto grado de orden, los cerámicos poseen agregados cristalinos de distinta
naturaleza, los polímeros pueden ser cristalinos (alto grado de orden estructural),
semicristalinos (orden parcial) y amorfos (desordenados).
Los cerámicos. Dentro de estos materiales se pueden contemplar a los hormigones
(colables y sin forma definida hasta su consolidación), cerámicas de distintos tipos y para
distintas aplicaciones cotidianas o específicas, materiales conformados (que poseen formas
definidas como por ejemplo ladrillos), los vidrios (desordenados/ amorfos) y vitrocerámicos
que poseen una estructura mixta (vidrio amorfo + cristales ordenados).
Materiales compuestos. Tal como puede deducirse a partir de su nombre están
constituidos por combinaciones de metal y cerámico, polímeros y fibras cerámicas y todas
las combinaciones posibles de materiales. Dentro de estos materiales se busca a través de
la combinación de distintos tipos obtener propiedades intermedias que no poseen sus
constituyentes por separado. No sólo se logran materiales compuestos diferentes por
combinación de tipo sino por las proporciones y formas de las partículas de la que el
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material utilizado como refuerzo se halla en el material que actúa como contenedor o
matriz.
Existen en la actualidad en desarrollo muchísimos materiales nuevos que aún no
constituyen por ser recientes grupos definidos dentro de la ciencia de materiales. Dentro
de ellos podemos mencionar algunos:
Materiales con memoria de forma (transformación martensita)
Fibras de carbono (nanotubos) son los materiales más resistentes conocidos,
superando hasta en 100 veces al acero. Además, son excelentes conductores
eléctricos, cientos de veces más eficientes que el cobre.
Humo helado (aerogel) es uno de los nuevos materiales más prometedores, incluso
por su aspecto nebuloso. Entre sus propiedades se destacan el hecho de ser casi tan
liviano como el aire y al mismo tiempo, muy resistente, así como su sorprendente
capacidad como aislante térmico.
Metamateriales Se trata de materiales que al ser tratados y reordenados a nivel
nanométrico, adquieren propiedades que no existen en la naturaleza. Su desarrollo
está en las etapas iniciales y las primeras aplicaciones se asocian al campo de la
óptica.
REFLEXIÓN
La Ciencia y la tecnología avanza en la producción de materiales de manera acelerada, sin
embargo, surge una nueva necesidad en la humanidad:
“Desarrollar conciencia y responsabilidad del cuidado del medio ambiente asociada a la
producción y aplicación de materiales”
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5. Tecnología de materiales.
La tecnología de materiales es la disciplina técnica que trata sobre los procesos industriales
que nos permiten obtener piezas útiles para construir máquinas o dispositivos a partir de
materias primas específicas [4]. Los procesos industriales resultan muy diversos dado que
son determinados por las características de las materias primas a transformar y por los
requisitos del producto que se debe obtener. En síntesis podemos esquematizar lo
mencionado de la siguiente manera:
El proceso industrial, implica transitar por considerable número de subprocesos para lograr
la elaboración de un producto final a partir de una materia prima. Figura 8
Si planteamos por ejemplo obtener una pieza metálica, debemos partir de una materia
prima mineral, que deberá sufrir diferentes transformaciones hasta llegar a constituir la
pieza metálica. En caso de necesitar obtener una pieza cerámica, las materias primas que
deberemos procesar inicialmente serán las calizas, sílice, etc. Siguiendo el mismo
razonamiento para obtener piezas poliméricas deberemos iniciar el procesamiento de
productos derivados del petróleo.
Figura 8. Procesos industriales constituidos por diferentes etapas.
6. Revisión de conceptos: átomo, elementos, tipos de enlaces atómicos,
estados de la materia (gas, líquido y sólido)
Materia prima
PROCESO
Producto
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¿Desde qué conceptos debemos iniciar el estudio de los materiales para comprender sus
comportamientos durante las etapas de procesamiento industrial?
El procesamiento de los materiales implica siempre una vinculación de la estructura y las
propiedades de los materiales, para lograr un adecuado procesamiento y obtener
productos con las capacidades y características requeridas para una aplicación/uso
particular. Figura 9
Figura 9. Aspectos a vincular para comprender el procesamiento industrial de materiales.
Tal como se sabe, la materia está constituida por átomos unidos a través de enlaces
atómicos característicos:
El enlace químico, es la unión de dos o más átomos, con un único fin: alcanzar la
estabilidad
La mayoría de los elementos, que existen en la naturaleza (en total, 92), forman
agrupaciones de átomos iguales o de naturaleza diferentes enlazados entre sí
Todos los compuestos están constituidos por dos o más átomos (de uno o más
elementos diferentes), que se unen a través de enlaces: iónicos, covalentes,
metálicos o combinados.
Se sabe que el átomo está compuesto del núcleo constituido por los protones y los
neutrones. Los electrones giran alrededor del núcleo siguiendo trayectorias
particulares. Por ello la estructura del átomo se suele explicar a través de un
modelo orbital. Figura 10
Para procesar materiales se requiere
conocer su estructura interna
Propiedades
Estructura
Procesamiento
Performance
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Figura 10. Modelo orbital del átomo.
Los protones poseen carga positiva, y los neutrones, no presentan carga, están integrados en el núcleo. Los electrones, con carga negativa, tienen una cantidad de energía de acuerdo a su posición en la órbita alrededor del núcleo. Las propiedades químicas de los átomos están determinadas por sus electrones.
El número atómico está determinado por el número de protones en el núcleo del átomo, que a su vez es igual al número de electrones que giran alrededor de él. A su vez, el peso atómico es aproximadamente igual a la suma del número de protones, más el número de neutrones.
En un elemento determinado, los átomos tienen el mismo número de protones. Sin
embargo, pueden tener diferente número de neutrones (y por esto, diferente peso
atómico). En este último caso, se les llama isótopos del elemento (con igual número
atómico pero diferente peso atómico).
Cada elemento de la naturaleza presenta su propia característica atómica y ella se
puede obtener a partir de la tabla periódica de los elementos. Figura 11
Electrones
Neutrones
Protones
Constituyen el
núcleo del
átomo
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Figura 11. Tabla periódica de los elementos
La tabla periódica de los elementos presenta diferentes grupos (I al VII). Los elementos
que se hallan a la izquierda de la tabla presentan el mayor carácter metálico que se
define en base a la capacidad que poseen para ceder electrones. Este carácter metálico
va siendo menos acentuado a medida que nos desplazamos hacia la derecha en la tabla
periódica.
En el extremo derecho se presentan los gases nobles, de mayor estabilidad electrónica
dado que se caracterizan por tener su octeto completo (esto es porque poseen 8
electrones en la última órbita). La mencionada estabilidad hace que no requieran unirse
a otros átomos y por tal razón son inertes.
Los grupos intermedios corresponden a los metales de transición, y en la zona inferior
de la tabla periódica se ubican las elementos conocidos como tierras raras (números
atómicos: 57 y 89).
Del análisis de la tabla periódica se puede establecer, las características estructurales
de los átomos, la estructura cristalina habitual, el estado de agregación de todos los
elementos entre otra información de relevancia.
Sobre esta base podemos pensar que las características de las uniones atómicas o
enlaces variarán según sea la característica de los elementos que se vinculan. Es así que
existen diferentes tipos de enlaces atómicos:
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Enlace iónico, hay atracción electrostática y resulta una unión muy fuerte.
Se produce entre dos átomos que poseen, en un caso un fuerte carácter
electropositivo y el otro por su parte un fuerte carácter electronegativo.
Ej.: Cloruro de sodio
Enlace covalente, si comparten los electrones
Este tipo de enlace implica que los átomos compartan electrones para completar
el octeto (8 electrones en la última órbita) logrando así su estabilidad
electrónica. La unión resultante es más débil
Ej.: molécula de flúor
Enlace covalente coordinado, cuando el par de electrones es aportado solamente
por uno de los átomos
Ej.: molécula de CO2
Enlace metálico, los electrones de valencia son comunes a todos los átomos
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Los metales se caracterizan por poseer sus cationes (+) que mantienen
un orden o disposición geométrica establecida de acuerdo al tipo de
estructura del metal particular y los electrones que constituyen las
últimas órbitas (menos atraídos por el núcleo positivo) que se desplazan
a través del material. Se caracteriza por ser un enlace fuerte.
Ej.: el metal plata (Ag)
Otro concepto a recordar es que los materiales se pueden presentar en distintos tipos
de agregación: gas, líquido y sólido. Cada uno de estos estados se caracteriza por un
distinto nivel de orden atómico. En la figura 12, se puede apreciar el estado de mayor
orden presente en un material sólido y como se evoluciona hacia estados de menor
orden a medida que se pasa al estado líquido y gaseoso de un material.
Figura 12. Diferentes estados de orden atómico presentes en los materiales sólidos,
líquidos y gaseosos.
Todos estos conceptos revisados, en cuanto a las características atómicas, enlaces y
estados de agregación, resultan imprescindibles para poder interpretar el
comportamiento de los materiales y poder establecer los procesos tecnológicos
adecuados para la obtención y elaboración de productos.
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Se sabe que los gases ocupan todo el recipiente que los contenga (figura 13), las
moléculas se hallan en continuo movimiento y las colisiones que ocurren contra las
paredes del recipiente dan lugar a la presión del gas contenido.
Figura 13. Simulación del estado de orden del gas
El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del
gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del
diámetro real de las moléculas. Resulta entonces, que el volumen ocupado por el gas
(V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de moles
(n). Dentro de las propiedades que poseen los gases podemos mencionar:
1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar
de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma
la forma de su nuevo recipiente.
2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se
pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.
3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus
partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.
4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente
proporcional a la temperatura aplicada.
Cuando la proximidad de los átomos se acentúa, a pesar de que no se alcanza un estado
de orden total (orden de corto alcance) se tiene el material en estado líquido. En este
estado, el material adopta la forma del recipiente que lo contiene. Si se lo coloca sobre
una superficie se desparrama. Figura 14.
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Figura 14. Aspecto de un líquido
Las partículas que forman el líquido están relativamente cerca unas de otras, pero
no los suficientemente cerca como las partículas en el correspondiente sólido
Las partículas en el líquido tienen energía cinética intermedia entre las partículas de
un gas y un sólido correspondiente
Ya que las partículas se mueven más rápido, éstas ocupan un mayor espacio en el
líquido y por tanto el líquido es menos denso que el correspondiente sólido
Tienen la propiedad de fluir
En el caso de los sólidos cristalinos, la estructura interna a nivel atómico puede reflejarse
a nivel macroscópico en el aspecto de sus cristales. Además, presentan un volumen
definido. La estructura interna (considerando las distancias interatómicas, geometría,
etc) está definida por el tipo de elemento que lo constituya al sólido.
Un ejemplo puede ser el de un cristal de pirita. Figura 15
Figura 15. Cristal de pirita natural.
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Las partículas que forman el sólido se hallan a la mínima distancia posible y poseen
mayor densidad respecto a los líquidos. Cumplen condiciones de simetría y la mínima
expresión se denomina celda unitaria. Existen 7 sistemas cristalinos posibles:
Cúbico
Hexagonal
Tetragonal
Romboédrico
Ortorrómbico
Monoclínico
Triclínico
Los materiales puede transformarse de un estado de agregación a otro, siempre y
cuanto se modifiquen las condiciones de temperatura y presión. Los cambios que
pueden producirse los podemos visualizar en la figura 16.
Figura 16. Cambios de estado de la materia
7. Física del estado sólido
La física del estado sólido es la rama de la física que estudia la materia condensada (se
ocupa del estado sólido)
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1. Estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos utilizando disciplinas
tales como la metalurgia física, la mecánica cuántica, la cristalografía, el
electromagnetismo y la física óptica, entre otras.
2. Constituye los fundamentos teóricos de la Ciencia de Materiales y su
desarrollo ha sido fundamental en el campo de las aplicaciones tecnológicas
de microelectrónica al posibilitar el desarrollo de transistores y materiales
semiconductores.
Dentro de los materiales sólidos podemos mencionar a los metales, cerámicos,
polímeros termoestables, etc. También existen materiales sólidos amorfos (cuyo estado
de orden interno es mínimo dado que sus átomos o moléculas se hallan con una
distribución al azar) como es el caso de los vidrios. Finalmente existen materiales mixtos,
que poseen porciones ordenadas dispersas en una matriz amorfa como es el caso de los
vitrocerámicos.
8. Tipos de materiales y su estructura
a. Materiales metálicos: Recordemos que tal como hemos descripto previamente el
comportamiento de los metales se halla vinculado a la composición química (metal puro
o aleación), la naturaleza de los enlaces atómicos y la estructura interna que presentan.
En la tabla periódica, se puede comprobar que los elementos metálicos tienen tres
posibles geometrías o tipos de estructura cristalina en las que los átomos se pueden
ordenar: cúbica centrada en las caras, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal
compacta. Estas estructuras se simulan a través del modelo de esferas para comprender
mejor la disposición de los átomos en el material. Cada esfera se ubica en el lugar donde
se hallaría potencialmente el átomo del metal. Figura 17
Figura 17. Tipos de estructuras cristalinas que pueden presentarse en los materiales
metálicos
Cúbica centrada en
las caras
Hexagonal compacta
Cúbica centrada en
el cuerpo
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Los cristales en los metales se hallan constituidos por empaquetamientos compactos de
átomos que forman planos de átomos tal como podemos observar en la figura 18. Además,
la mínima expresión del orden se denomina celda unitaria.
Figura 18. Aspecto del empaquetamiento compacto de átomos que se presenta en los
sólidos cristalinos cúbicos.
Si bien esto se ha planteado para la estructura cúbica centrada en el cuerpo, se extiende
a las otras dos (cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta).
Cabe mencionar que las estructuras cristalinas no son perfectas. Ellas poseen defectos
internos tales como falta de átomos (vacancias), falta de planos de átomos o
dislocaciones, presencia de átomos de impurezas. En la figura 19, se pueden observar
algunos de los defectos cristalinos que pueden presentarse en los metales. Cuanto
mayor sea el contenido de defectos en la red de un material, mayor será la dureza del
mismo. Estos defectos también se producen cuando el material es deformado
(laminado, trefilado, martillado, etc). A partir de este concepto se puede deducir que un
metal sometido a un proceso industrial de conformado en frío incrementará su dureza
y resistencia mecánica.
Figura 19. Tipos de defectos cristalinos: (a) vacancias, (b) dislocaciones, (c)
combinación de defectos
Celda unitaria
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Dentro de los materiales metálicos podemos mencionar a los metales puros (cobre,
níquel, oro, etc) y a las aleaciones.
¿Qué es entonces una aleación?
Es un material que tiene características metálicas y está constituido por dos o más
elementos de los cuales por lo menos uno es metal.
Ej.: Cu-Ni, Fe-C, etc
En general el elemento que se halla en menor proporción se denomina soluto y el que
se halla en mayor proporción, solvente. Las aleaciones pueden ser homogéneas
(formadas por una única fase) o heterogéneas (constituidas por más de una fase).
Cuando el átomo de soluto es muy pequeño respecto al solvente da lugar a la formación
de una solución sólida intersticial, dado que el elemento se ubica en los intersticios de
la red. Si los átomos de soluto tienen tamaño parecido al del solvente intentan ocupar
sitios de la red sustituyendo a los átomos de solvente y en este caso forman aleaciones
susitucionales. Figura 20
Figura 20. Diferentes tipos de aleaciones
Otro aspecto estructural a tener presente es que los metales o aleaciones presentan
una estructura policristalina, esto es, están constituidos por muchos cristales tal como
puede observarse en el trozo de metal de la figura 21.
% de elemento de aleación
Ten
sió
n d
e fl
uen
cia
(psi
)
Aleación
intersticial
Aleación
sustitucional
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Figura 21. Trozo de metal donde se identifican los distintos cristales que lo constituyen
Los niveles de impurezas, defectos y demás aspectos estructurales permiten justificar la
dureza, la fragilidad, respuestas frente a tracción como por ejemplo el porcentaje de
alargamiento, etc.
Los metales se pueden clasificar en:
Como ejemplos de aleaciones podemos citar:
• Aleaciones base Fe • Aleaciones base Al
cristal
Con alto contenido
de hierro (acero)
Otros metales, sin
hierro (bronce)
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• Aleaciones base Mg • Aleaciones base Ti • Aleaciones base Cu • Aleaciones base Ni • Aleaciones base Zn • Aleaciones base Sn
Los metales se caracterizan por presentar propiedades muy interesantes desde el punto
de vista industrial y que abren una amplia gama de aplicaciones:
• Resistencia mecánica frente a la deformación: por lo tanto pueden utilizarse en aplicaciones estructurales (construcción, automóviles, máquinas herramientas)
• Dureza: lo cual hace que puedan obtenerse productos con buen filo, buena resistencia mecánica, etc
• Ductilidad, lo cual permite obtener productos con alta deformación (perfiles, chapas, alambres, etc) de cobre, aceros, aluminio, etc
• Resistencia al impacto, esta propiedad se denomina tenacidad de un metal e implica la capacidad de resistir golpe o choque.
• Tenacidad a la fractura, que significa la resistencia a quebrarse o fracturarse • Resistencia a la fatiga (esfuerzos cíclicos)
Según estas propiedades, los metales pueden someterse a diversos procesos
industriales para la fabricación de productos finales o semielaborados: forja,
laminación, trefilado, extrusión, etc. Cabe mencionar que el comportamiento de cada
metal sometido a cada uno de los procesos industriales dependerá de: la composición
química, la estructura interna y las condiciones de operación.
Tanto para el diseño de productos metálicos como para establecer el origen de fallas,
debemos tener un profundo conocimiento de la aleación en cuanto a su estructura a
través del estudio y caracterización mediante microscopía y del comportamiento
mecánico realizando diversos ensayos que permitan determinar sus propiedades de
resistencia a la tracción, flexión, capacidad de embutición, dureza, resistencia a la fatiga,
etc. El uso que tendrá la aleación definirá los requerimientos que debe cumplir cada
metal.
A modo de ejemplo podemos citar condiciones de aplicación de un metal y diferentes
requerimientos:
Condiciones de uso
Temperaturas altas
gases corrosivos
vibraciones
Requerimientos
Resistencia a cargas aerodinámicas
termofluencia
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Tal como hemos mencionado es relevante disponer de la caracterización estructural de
un metal. En este sentido podemos abordarla desde distintos niveles: superficial,
macroscópico y microscópico. Figura 22
Figura 22. Niveles de complejidad para realizar el estudio estructural de un metal.
Además del comportamiento mecánico y microestructural también se debe conocer la
respuesta en función de la temperatura en el caso de que el uso del metal sea a
condiciones térmicas particulares. En este sentido se debe contemplar:
Estructura a nivel atómico
Estructura superficial
Estructura microscópica
Estructura macroscópica
Superficie de
fractura Estructura de
granos de un
metal
Estructura
atómica
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b.Materiales metálicos y procesos industriales. Dentro de los procesos industriales que
se disponen para la obtención de metales se pueden mencionar:
• Procesos pirometalúrgicos
o Procesos de reducción, aceración, fusión, etc (requieren de alta
temperatura): Fe, Ti, Al, Ni, oro, etc
• Procesos hidrometalúrgicos
o Procesos donde se emplean medios líquidos para la obtención de metales
tales como la lixiviación (oro, cobre, etc)
• Procesos electrometalúrgicos
o Se utiliza la conducción eléctrica como medio de concentración del metal
(Cu, Al, etc)
Un ejemplo de las diferentes etapas de procesamiento que se incluyen para la obtención
de productos finales de acero se puede visualizar en la figura 23. En ella se puede
observar que el punto de partida es un proceso de reducción en el cual se incorporan
los minerales, carbón, caliza y canto rodado que se cargan en una alto horno para
obtener el hierro de primera fusión denominado arrabio. Sin embargo, en la actualidad
se incorporan materias primas alternativas tales como los pellets o sinter que
Propiedades
• Temperaturas de fusión y solidificación
• Variaciones alotrópicas (posibilidad de presentarse en más de un tipo de estructura cristalina a diferentes condiciones de T)
Respuestas
• Dilatación, contracción
• Reacciones en función de la temperatura (evaporaciones, sublimaciones, deshidratación, desgasificación, difusión, etc)
Variaciones estructurales
• Transformaciones estructurales: precipitaciones, transformacionesde fase en estado sólido en general
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representan aglomerados de finos procedentes de los yacimientos o de los mismos
procesos industriales. Esto representa un modo de reciclado de residuos industriales y
un ahorro de recursos no renovables.
Figura 23. Etapas de procesamiento que se incluyen para la obtención de productos
finales de acero
Una vez obtenido el arrabio, que es una aleación de hierro con un alto contenido de
carbono cuyas propiedades no son aptas para ninguna aplicación, resulta necesario
continuar con el proceso de aceración que puede realizarse a través de un convertidor
al oxígeno.
Otra alternativa para obtener acero es partir del procesamiento de materias primas
ferrosas procesadas en un módulo de reducción directa, a partir del cual se obtiene el
hierro esponja o utilizar chatarra de hierro que se procesan en un horno eléctrico.
Obtenido el acero por cualquiera de las vías mencionadas es necesario realizar un afino
secundario (metalurgia secundaria) para ajustar la composición química de cada tipo de
grado de aleación. Finalmente tendremos que lograr solidificar esta aleación a través de
un proceso de colada continua, obteniendo productos planos o planchones que
finalmente se procesan para la obtención de chapas o productos largos tochos o
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palanquillas de diferentes secciones y geometrías para elaborar otro tipo de productos
finales tales como perfiles, alambres, etc.
Algunos productos de aleaciones ferrosas o no ferrosas se logran directamente por un
proceso de fundición. En estos casos se funde la aleación de Al, Ti, bronces, latones, etc,
en hornos de diferentes características y una vez obtenido el metal líquido se realiza el
colado en moldes para lograr la pieza o producto final. Figura 24
Figura 24. Procesos de fundición.
Las piezas se obtienen a través de diferentes procesos de moldeo: moldes de arena
tradicionales, moldes acorazados, por inversión, por presión, centrífugos, etc.
Se obtienen piezas finales con geometrías muy variadas tales como los ejemplos que
pueden observarse en la figura 25.
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Figura 25. Piezas finales obtenidas por procesos de fundición
Procesos hidrometalúrgicos. La hidrometalurgia permite también procesar minerales
para obtener productos finales metálicos. Un ejemplo de etapas de un proceso
hidrometalúrgico puede observarse en la figura 26.
Figura 26. Etapas de un proceso hidrometalúrgico.
Tal como puede observarse la alta temperatura no es el eje principal de la obtención del
metal. En este caso se trabaja fundamentalmente con fluidos.
Electrometalurgia. Las aleaciones de alta pureza tales como el cobre 99,9%, aluminio
niquel, etc., pueden obtenerse a partir de este tipo de procesos en el cual se aplica la
electrólisis. En la figura 27 se presenta un ejemplo esquemático de la obtención del
cobre por este método.
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Figura 27. Proceso de electrólisis para la obtención del cobre electrolítico de máxima
pureza.
Luego de obtenidos los metales o las aleaciones, en muchos casos se requiere
procesarlos para lograr un producto final: chapas, alambres, tubos, etc. Esto implica
conformarlos a través de procesos como:
• Laminación (chapas, perfiles,etc) • Trefilado (alambrones, alambres, perfilería) • Extrusión (perfilería) • Forja (piezas finales) • Pulvimetalurgia (se obtienen piezas pero a partir de polvos de metales por
compactación y sinterización con temperatura) En los casos que se requiera unir piezas se recurre al proceso de soldadura. Durante estos procesos de deformación, la estructura del metal se modifica en cuanto
a la morfología de los granos internos, se incrementa la presencia de defectos internos
y esto provoca el desarrollo de las propiedades particulares de cada producto. Figura 28
Figura 28. Evolución del material durante los procesos de conformado.
En muchos casos, se requiere realizar procesos de tratamientos térmicos finales para
lograr optimizar las propiedades mecánicas. Estos procesos incluyen a los recocidos,
normalizados, temples, etc. A través de ciclos de calentamientos a diferentes
temperaturas, mantenimientos y enfriamientos a diferentes velocidades se logran
ajustar las propiedades finales de la pieza o producto.
c. Materiales poliméricos. Los materiales poliméricos constituyen otro de los grandes
grupos de materiales que involucra la ciencia de materiales.
¿Qué es un polímero? Poli: muchos mero: unidad constitutiva
Fundición Precalentamiento Laminación en caliente Laminación en frío y recocido
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Esto es polímero → muchos meros unidos constituyendo cadenas. Esto hace que
formen macromoléculas de alto peso molecular.
Dentro de sus aplicaciones cotidianas podemos citar algunos ejemplos:
• Domésticas: electrodomésticos, dispositivos eléctricos, computadoras, teléfonos, etc
• Salud: lentes, prótesis, sustrato para el cultivo de piel, etc • Elementos de seguridad: lentes, cascos, etc • Estructurales: techos, reemplazan vidrios en aberturas, puertas, etc • Aislantes eléctricos y del calor • Medios de temple de aleaciones ferrosas y no ferrosas • Partes de automóviles • Deportes Si bien se consideran materiales modernos, los aborígenes utilizaban el caucho, el
hombre primitivo la madera y otras fibras vegetales.
En general están constituidos por C, O, N, H como elementos principales pero pueden
contener otros elementos como: S, Br, Cl, etc. Sus enlaces atómicos son covalentes
(átomos que comparten electrones) y pueden tener asociados enlaces secundarios más
débiles tales como las fuerzas de Van der Waals. Este tipo de uniones atómicas hace
que los polímeros presenten propiedades muy diferentes a otros materiales. Figura 29
Constituyen numerosos grupos o familias tales como: polietileno, polipropileno, PVC,
policarbonatos, etc. Cada uno de estos grupos o familias poseen numerosos polímeros
que las integran. Sus fórmulas químicas se expresan a través de la estructura de sus
meros por simplicidad.
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Figura 29. Tipos de cadenas poliméricas
Sus materias primas originales son: el benceno, metano, etileno, propileno, etc. Todos
ellos se procesan por destilación y diferentes etapas de procesos químicos para obtener
las materias primas para la fabricación de productos plásticos finales.
Se pueden clasificar desde diferentes puntos de vista:
Reciclables: aquellos que pueden volver a procesarse sin sufrir degradación de sus
propiedades (polietileno)
No reciclables: los que se degradan por ejemplo con la temperatura (baquelita)
Otro modo de clasificarlos es a través de su estructura interna:
Amorfos o vítreos (con una estructura interna desordenada)
Cristalinos (estructura interna ordenada)
Semicristalinos o mixtos
También se los puede identificar como:
Termoplásticos (poseen aptitudes para la deformación plástica)
Termoestables (son rígidos y frágiles)
Elastómeros (alta capacidad de deformación elástica)
Cada tipo de polímero presenta propiedades físicas y mecánicas muy diferentes. Los
materiales termoplásticos por ejemplo se caracterizan por:
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• Baja densidad • baja resistencia a la tracción (-) • claridad óptica en muchos casos • buenos aislantes (calor, electricidad) • límites de temperaturas de uso (250 - 280ºC) • resistentes a agentes químicos En el caso de los polímeros semicristalinos poseen zonas en las cuales las cadenas
poliméricas se hallan plegadas y ordenadas y otras zonas donde se presentan en forma
desordenada o enmarañada. Figura 30
Figura 30. Aspecto de la estructura de cristal en un polímero semicristalino o mixto
En el caso de los materiales termoestables:
• No son productos totalmente polimerizados • Necesidad de reacciones químicas de entrecruzamiento para formar las cadenas • Condiciones: Temperatura, Presión y uso de catalizadores (aceleradores de
reacción)
Por esta razón sus propiedades son:
• Alta estabilidad térmica • alta rigidez • alta estabilidad dimensional • resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga • bajo peso • buenos aislantes En síntesis, según sean las cadenas: largas, cortas, entrecruzadas, con presencia de
anillos (figura 29), serán las propiedades finales del polímero. Las cadenas lineales
Zona amorfa
(sin orden)
Zona cristalina
(con orden)
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cortas pueden dar lugar a polímeros líquidos, cuando las cadenas presentan
ramificaciones o se tornan muy largas, forman plásticos de mayor viscosidad. Las
moléculas de mayor entrecruzamiento y complejidad constituyen a los polímeros más
duros y frágiles.
d.Polímeros y procesos industriales. En la figura 31, se presenta una síntesis del
procesamiento de los polímeros.
Figura 31. Síntesis de procesos de obtención de productos poliméricos
En general, las materias primas se deben someter a calentamientos suaves, luego el
conformado, esperar un tiempo de consolidación y luego proceder al desmolde de la
pieza. Figura 32
Figura 32. Etapas del proceso de conformado de productos plásticos
Existen bajo las etapas mencionadas diferentes procesos industriales. Es importante
considerar que dado sus enlaces covalentes las temperaturas de fusión de los materiales
poliméricos no superan los 480 ºC. El procesamiento requiere conocer con precisión la
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temperatura de transición vítrea que es aquella temperatura por sobre la cual el
polímero se comporta como un líquido viscoso y por debajo de la cual se consolida como
un sólido.
Los procesos industriales más habituales contemplan:
Moldeo por soplado: en el cual la materia prima se vuelca a la máquina a través
de una tolva, un tornillo sinfín la trasporta mientras es calefaccionada hasta
lograr un estado plástico de viscosidad adecuada, luego a través de una boquilla
se inyecta el plástico y mediante el soplado de aire se hace que el material se
adhiera a las paredes del molde o matriz, se deja enfriar hasta consolidar la pieza
y finalmente se desmolda. Figura 33
Figura 33. Moldeo por soplado
Moldeo por alta presión: se parte también de un material cargado en una tolva,
el tornillo sinfín lo transporta mientras se calienta hasta obtener la adecuada
plasticidad y se inyecta por presión en un molde. Se espera el tiempo adecuado
para el enfriamiento de la pieza y se procede al desmolde. Figura 34
Figura 34. Proceso de moldeo por alta presión
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Fabricación de láminas: el plástico en estado viscoso adecuado alcanza la
boquilla a través de la cual recibe una inyección de aire a presión que provoca la
formación de una burbuja de aire que es capturada por los rodillos que laminan
el material para obtener la lámina. Figura 35
Figura 35. Obtención de láminas de polímeros.
Las instalaciones para la fabricación de productos plásticos no requieren una
infraestructura demasiado grande en comparación con las industrias de procesamiento
de metales. Las máquinas son de tamaño limitado, producen en serie y logran piezas
con una buena terminación final. Esto hace que se pueden producir gran cantidad de
piezas en poco tiempo y con costos poco elevados.
Se obtienen todo tipo de productos: tubos, perfiles, láminas, chapas, barras y
configuraciones especiales.
Moldeo por compresión: En el moldeo por compresión, el material granulado se
coloca en el molde, se cierra el mismo y se comprime mientras se calienta para
obtener la pieza final, luego se permite el enfriamiento y se desmolda. Por este
método se fabrican piezas de plásticos termoestables. Figura 36
Figura 36. Moldeo por compresión
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Se puede a través de este proceso obtener piezas de geometría compleja. Los productos
poliméricos contemplan una amplia gama de propiedades y requerimientos y se suman día
a día sus aplicaciones.
Elastómeros. Dentro de estos polímeros se engloba a los cauchos, cauchos sintéticos y
siliconas. Estas últimas en lugar de poseer cadenas carbonadas como el resto de los
polímeros presentan cadenas constituidas por átomos de Si.
Las características estructurales hacen que puedan someterse y soportar altas
deformaciones elásticas y una vez desaparecido el esfuerzo se recuperan hasta su estado
original.
Los productos plásticos se hallan en desarrollo permanente y su acumulación en el
medioambiente es alta, razón por la cual se debe avanzar cada día más hacia el desarrollo
de polímeros biodegradables.
e. Materiales cerámicos y vitrocerámicos. Los materiales cerámicos son compuestos o
soluciones inorgánicas de elementos metálicos y no metálicos. Debido a sus enlaces iónicos
y covalentes son duros, frágiles, tienen baja conductividad eléctrica y térmica. Son buenos
aislantes eléctricos y térmicos debido a la falta de electrones conductores. Podemos
observar en la figura 37, diferentes tipos de materiales cerámicos.
Figura 37. Productos cerámicos
Desde el punto de vista estructural, están constituidos por granos del mismo o diferentes
óxidos o compuestos unidos entre sí por un material de liga. Pueden presentar diferentes
proporciones de poros, que pueden resultar favorables o desfavorables para diferentes
aplicaciones o propiedades del cerámico. La porosidad puede ser abierta e interconectada
o cerrada. Por ejemplo, si se requieren cerámicos aislantes es necesario que presenten alto
porcentaje de poros. En la figura 38, se esquematiza la estructura general de un cerámico.
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Figura 38. Estructura general de un cerámico.
Los materiales cerámicos pueden tener estructura interna ordenada total (cristalina) o
parcialmente (parte desordenada, amorfa o vítrea).
Sus enlaces atómicos son covalentes – iónicos razón por la cual presentan muy alto punto
de fusión y son materiales que pueden soportar altas temperaturas. Por ejemplo: los
cerámicos refractarios.
Los materiales cerámicos se pueden clasificar según los tipos de productos, figura 39:
Figura 39. Clasificación de los materiales cerámicos
También pueden identificarse por su aplicación, figura 40:
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Figura 40. Clasificación de los materiales cerámicos de acuerdo a su uso
Los materiales cerámicos, vidrios y vitrocerámicos, se caracterizan por ser muy frágiles, esto
es soportan poca deformación. En particular los vidrios tienen excelentes propiedades
ópticas, fundamentalmente su transparencia.
Los materiales cerámicos y vítreos presentan una composición química muy compleja, dado
que están constituidos por numerosos óxidos y según sean los óxidos presentes serán sus
propiedades mecánicas, físicas y frente a la temperatura. La estructura de los vidrios carece
de orden, sin embargo en los vitrocerámicos pueden generarse cristales dispersos, dando
lugar a una estructura de matriz amorfa o vítrea con cristales dispersos en su interior.
f. Materiales cerámicos y procesos industriales. Dentro de los procesos de fabricación se
contemplan diversas etapas de procesamiento tales como las que se pueden observar en el
diagrama de la figura 41.
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Figura 41. Diagrama de procesamiento de productos cerámicos
Dentro de las etapas se incluye el procesamiento de las materias primas para lograr
materiales de granulometría adecuada. A tal fin, se requiere la trituración y molienda
que puede realizarse mediante diferentes tipos de equipos. Figura 42
Figura 42. Diferentes equipos utilizados para la obtención de materias primas en
granulometría requerida
En los procesos de obtención de cerámicas policristalinas también se requieren distintas
etapas. Figura 43
vidrios
materias primas
mezcla
conformado en frío fusión
sinterizado conformado en caliente
tratamientos
posteriores
terminado
cerámicas policristalinas
Triturador de mandíbulas Triturador rotativo Triturador de rodillos
Molino de martillos
Molino de bolas
cilindro bolas
recubrimiento
rodillos
barbotina
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Figura 43. Diferentes etapas para el procesamiento de cerámicas policristalinas
Proceso de colado en barbotina: representa uno de los procesos de fabricación
de piezas cerámicas o porcelanas más antiguos, se prepara la mezcla del material
cerámico en suspensión y luego se llena el molde, se espera un cierto tiempo
hasta que se consolide una capa de espesor requerido y el líquido remanente se
vuelca. Finalmente se desmolda la pieza final. Un esquema del proceso se puede
observar en la figura 44
polvo cerámic
o
compactación
(uniaxial-isostática
)
moldeado
en cinta
extrusión
moldeo por inyecc
ión
colado en
barbotina
secado
mezcla – molienda - secado spray
(adición de ligantes, plastificantes,
surfactantes, etc.)
maquinado
(opcional)
degasificación
calcinación
sinterización
prensado
(isostático) en
caliente
maquinado secundario
u otras operaciones
producto cerámico final
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Figura 44. Esquema del colado en barbotina
Existen otros métodos tales como el moldeo por compactación en el cual se deben
utilizar prensas, el colado por cintas, entre otros. Mayores detalles de estos procesos se
pueden hallar en el material adjunto correspondientes a las clases.
La fabricación de lozas, cerámicos, etc, requieren de diversas etapas de procesamiento,
figura 45. Se parte de materias primas tales como el caolín, el cuarzo y el feldespato.
Desde luego deben ser previamente trituradas y molidas, luego mezcladas y preparada
en suspensión para luego proceder al colado, secado y horneado. Otra vía es la de la
aplicación de prensado, amasado, torneado y luego secado y horneado. Se utilizan
diferentes tipos de hornos, para alta producción los hornos túnel son los más habituales,
se trabaja a temperaturas superiores a los 900ºC. Se puede finalizar con esmaltados
para protección o decoración, pero esta etapa requiere un nuevo horneado a
temperaturas superiores a los 1000ºC.
llenado del molde extracción de líquido
por capilari
dad vaciado por drenaje extracci
ón de la
pieza seca
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Figura 45. Etapas de la fabricación de lozas y porcelanas
Otro material cerámico de gran aplicación en la construcción es el cemento portland y
sus etapas de fabricación se describen en el diagrama de la figura 46. En este caso las
materias primas incluyen a la caliza, la arcilla, el yeso y diversos aditivos. Luego de
molidos los constituyentes y mezclados, se introducen en un horno de clinkerización
que es rotativo, en el se forman pequeñas esferas que son procesadas a temperaturas
superiores a los 1300ºC. El producto obtenido o clinker se muele y se almacena para su
posterior embasado y transporte.
EJEMPLO 2: fabricación de lozas y porcelana molienda
mezcla y humectación
filtro, prensa
amasado
colado prensado torneado
secado
horno túnel (bizcochado)
esmaltado
caolín, cuarzo,
agua,
segunda cocción
1000-1100ºC
Decorado
Aplicación y cocción
depósito
materias primas
tratamiento
materias
primas
tratamient
os posteriores
tratamiento
térmico principal (sinteriza
ción)
conformado
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Figura 46. Etapas de fabricación del cemento Portland
Vidrios. Dentro de estos tipos de materiales podemos mencionar a los vidrios que
constituyen materiales de gran aplicación cotidiana. Sus etapas de fabricación se
sintetizan en la figura 47.
Figura 47. Etapas del procesamiento de vidrios
EJEMPLO 3: fabricación de cemento portland
arcilla
caliza
yeso aditivos
molienda mezclado
horno rotativo
(clinkerización) 1300-1550ºC
enfriamiento
molienda
del clinker
depósito
tratamiento
materias primas
tratamiento térmico principal
(reacción fase sólida)
tratamientos
posteriores
materias primas
EJEMPLO 4: fabricación de productos de vidrio
MINERALES
arena
caliza
feldespato
molienda
mezcla
horno de fusión
1400-1550ºC
soplado, prensado
colado, estirado, flotado
fibrado otros
procesosrecocido
corte, pulido, decorado, etc.
depósito
tratamiento de materias
primas
tratamiento
térmico principal (fusión)
tratamient
os posteriores
materias primas
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Tal como puede observarse, las materias primas para la obtención de vidrios incluyen:
arena, caliza, feldespato, bórax, entre otros aditivos que se utilizan para darle color o
conferirle propiedades de resistencia mecánica o térmica (vidrio pyrex). Estas materias
primas luego de molidas y mezcladas se funden en hornos a temperaturas entre 1400ºC
y 1500ºC. A partir de aquí el líquido obtenido se introduce en procesos de diferentes
tipos para obtener los productos finales.
Un esquema de los diferentes procesos de vidrios se puede observar en los esquemas
de la figura 48.
Estaño líquido
Vidrio fundido
Al horno de recocido
Al horno de recocido
Zona fría
Zona caliente
(a) laminado
(b) vidrio flotado
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Figura 48. Esquema de los procesos de obtención de productos de vidrios (a)
laminado, (b) flotado, (c) moldeo por presión, (d) por prensado y soplado y (e) por
estirado de fibras
g. Materiales compuestos. Los materiales compuestos se caracterizan como la palabra
lo indica por estar constituidos por más de un material. Uno que actúa como contenedor
o matriz y otros que actúa como refuerzo. Ambos materiales unidos logran propiedades
que ninguno de los materiales por separado podría lograr.
Los materiales compuestos constituyen un gran grupo de materiales que cubren una
amplia gama de aplicaciones. La variedad se debe a que pueden utilizarse diferentes
combinaciones de materiales cerámicos, metálicos y poliméricos entre sí. Figura 49
Matriz (material A transparente o blanco): cerámica, polimérica, metálica
Refuerzo (material B, indicado con rojo): cerámicos, fibras, metales, etc
Figura 49
Estirado de fibras Prensado y soplado
Moldeo a presión
Grumo caliente
Grumo caliente
Vidrio fundido
Dados de Pt
mandril
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No obstante, además de acuerdo a la proporción, distribución y geometría del refuerzo
se logran también gran variedad de comportamientos físicos y mecánicos de los
materiales compuestos. Figura 50
Figura 50. Materiales compuestos, disposición de refuerzos en una matriz
Ejemplos de materiales compuestos se pueden observar en la figura 51.
Figura 51. Ejemplos de materiales compuestos
Las propiedades finales del compuesto siempre son intermedias respecto al refuerzo y
la matriz. En la figura 52, se puede observar una curva de tensión – deformación de un
material compuesto.
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Figura 52. Comportamiento mecánico del material compuesto en relación a sus
constituyentes
Las principales aplicaciones de estos materiales se pueden resumir en (ver figura 53):
Figura 53. Principales aplicaciones de los materiales compuestos
Los procesos de fabricación son muy variados dado que depende del tipo de
constituyentes que se ensamblen. Se pueden fabricar por capas de los diferentes
integrantes, por impregnación, por colado, por laminación simultánea, etc.
9. Nanociencia y nanotecnología
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En término de unidades, el nivel micro está referido a una millonésima. El nano a una
mil millonésima. El meso a una milésima. El macro a un metro. El nivel de sistema a un
kilómetro. Obsérvese que la referencia es a la 3. Tabla 1
Tabla 1. Comparación de la escala física en materiales, estructura e infraestructura.
Ubicados en la escala física, podemos definir a la nanociencia como el estudio de átomos, moléculas y objetos cuyo tamaño se encuadre dentro de la escala nanométrica (1 a 100 nm). Figura 54
Figura 54. Escalas de tamaño Se le entiende a la nanotecnología como el análisis, síntesis, diseño, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas a través del control de la materia a nanoescala, así como el aprovechamiento de fenómenos y propiedades de la materia a ese nivel. La nanotecnología da origen a materiales, aparatos y sistemas novedosos en sí y en sus propiedades, creando nuevas estructuras con precisión atómica. El nivel nano, permite
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manipular y trabajar estructuras moleculares y sus átomos. Esto abre nuevas expectativas dado que hasta se hallan en desarrollo remedios que pretenden destruir células cancerosas. Simular mediante software la nanoestructura permite avanzar en el desarrollo de este tipo de materiales. En la figura 55, se puede observar una simulación de un nanotubo de carbono.
Figura 55. Simulación de un nanotubo de carbono para el diseño del material
Los nanotubos de carbón resultan las fibras más fuertes logradas, pudiendo ser de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso, y posee propiedades eléctricas conductivas importantes. La nanociencia y la nanotecnología son nuevas herramientas para la investigación, la innovación y el desarrollo a partir del control de la estructura fundamental y el comportamiento de la materia a nivel atómico. Se utiliza para generar nuevas propiedades y usos, como: la inclusión de nanopartículas para reforzar materiales, la mejora de propiedades de materiales diseñados para trabajar en condiciones extremas, la investigación para detectar y neutralizar la presencia de microorganismos o compuestos químicos adversos. Los nanomateriales tienen características estructurales que hace que al menos una de sus dimensiones esté en el intervalo 1 a 100 nm. Esto significa que puede haber nanomateriales 1D, 2D y 3D dependiendo de las dimensiones en que se cumple tal intervalo (o son nanométricas, según se llaman). También dentro de la nanociencia se hallan en desarrollo los nanobots, que son máquinas a escala nanométrica, también se trabaja en el logro de nanorobots (es una máquina capaz de operar de forma precisa con objetos de escala nanométrica). Un nanorobot de aplicación de aplicación en salud se puede observar en la figura 56.
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Figura 56. Nanorobot de aplicación en salud La tecnología que más se emplea es conocida como la bottom-up (o de abajo hacia arriba) construyendo nanoentidades por combinación de elementos más pequeños (átomos y moléculas) guiando el autoensamblaje o bajo estrategias controladas. Los nanocompuestos, se crean introduciendo en bajo porcentaje nanopartículas de un material en otro que actúa como matriz. Las propiedades del nuevo material elaborado resultan muy diferentes a las de los constituyentes por separado. Dada la alta rigidez y resistencia mecánica sus aplicaciones son muy amplias. Ej: existen nanopolímeros que se utilizan como relleno de grietas en estructuras afectadas por sismos. Las nanopartículas, en muchos casos pueden generarse por silicatos (cerámicas) o metálicas. Se incorporan a los polímeros para formar nanocompuestos. Los nanotubos, son estructuras tubulares con diámetro nanométrico. Pueden ser constituidos por silicio o carbono. Resultan tubos concéntricos (multicapa) Las superficies nanomoduladas, son ordenadas o multicapa. También se tienen materiales nanoporosos constituidos por sílice y alúmina, utilizados para la captura de elementos nocivos. Ejemplos de algunos tipos de nanomateriales se pueden observar en la figura 57.
Figura 57. Características estructurales de los nanotubos
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Dentro de las propiedades más relevantes de los nanotubos de carbono podemos citar:
Eléctricas
◦ Transportan la corriente eléctrica
◦ Pueden actuar como metales, superconductores y semiconductor Mecánicas
◦ Duros
◦ Alta resistencia mecánica
◦ Alta resistencia a la flexión Por su geometría, se podría pensar que los nanotubos sean duros en la dirección del eje, sin
embargo resultan completamente flexibles. Son materiales altamente inestables pero su
resistencia supera a la de las fibras de carbono.
Síntesis de materiales nanoestructurados.
Los nanomateriales están constituidos por agrupaciones de átomos cuyas disposiciones son
ordenadas, no obstante, sus dimensiones difieren claramente de los materiales
convencionales (metales, cerámicos, etc.). Estos últimos tienen un tamaño de grano que va
desde los micrómetros a cientos de milímetros y contiene cientos de billones de átomos
cada uno. A diferencia, un nanomaterial contiene del orden de 900 átomos por grano. Esto
es, un material nanoestructurado es entre 1000 y 100 veces más pequeño que un material
convencional. Como el tamaño del grano es tan pequeño existe una gran variación de las
propiedades fisico-químicas del material. Usando una variedad de métodos de síntesis, es
posible producir materiales nanoestructurados en forma de películas delgadas, envolturas
de materiales, en polvos y prácticamente con cualquier forma.
Existen diferentes tipos de materiales nanoestructurados. De acuerdo al tipo de material se
han desarrollado diferentes métodos de síntesis [5]:
Síntesis química: tanto metales como las cerámicas pueden ser producidos usando una variedad de enfoque químico en la forma de sol gel (es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla) o. Estos métodos proveen de grandes cantidades de aglomeraciones de tamaño nanométrico a bajo costo. El proceso químico también permite un control efectivo de la estequiometría del producto final. Sin embargo, el precursor químico puede dejar residuos que contaminen la superficie de la partícula, lo que puede llevar a dar problemas en la compactación y sinterización. Por otra parte, los polvos producidos por medio de técnicas químicas en ambiente húmedo a menudo tienen dificultades con aglomerarse.
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Otros métodos:
Un método común para producir nanoestructuras en forma de polvos es a través de la deformación mecánica. Este proceso produce materiales nanoestructurados a través de una gran deformación mecánica que produce un alargamiento del grano beta precursor del material. El tamaño final del grano es función de la cantidad de energía aportada durante el proceso, la temperatura y la atmósfera, también influye en el tamaño del grano final. La mayor desventaja de este método es la posibilidad de contaminar durante el proceso por las grandes fuerzas y energías que se ven envueltas.
Los materiales nanoestructurados en tres dimensiones son también sintetizados a través de cristalización térmica de un material amorfo. Mediante el control de la nucleación y crecimiento durante el recocido de un material amorfo, uno puede producir la mayor parte del material con un tamaño de grano menor de 20nm. Este proceso está limitado por la composición del material el cuál en forma de cristal metálico tiene una microestructura amorfa. Aplicaciones: La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales. Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.
El uso de la nanotecnología es cada vez mayor y los nanomateriales se reciben con
beneplácito, sin embargo también con preocupación en relación con el medio ambiente.
Dentro de las aplicaciones que se proponen para este fin se pueden mencionar:
• Membranas mejoradas en porosidad, morfología y superficie para el tratamiento de agua.
• Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2 y nanotubos de carbono actuando con contaminantes (orgánicos e inorgánicos) en agua con fines de adsorción y agregación.
• Muro biológicamente activo de nanotubos de carbón. • Uso de dióxido de titanio en la purificación de agua y aire. • Empleo de hierro a nanoescala para adsorción y destrucción de contaminantes
orgánicos en agua. • Uso de naotubos de carbón para remover plomo en agua, y ensayos respecto a otros
metales.
Cabe mencionar que éstos desarrollos y aplicaciones también involucran preocupaciones
tales como:
• Toxicidades de partículas y fibras provenientes de nanomateriales.
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• El ciclo de vida de los nanomateriales. • El destino de material contaminante por adsorción desde el agua. • Biodegradabilidad y persistencia de nanomateriales basados en polímeros. • Relanzamiento de nanomateriales tóxicos al ambiente. • La efectividad de los métodos de remoción de nanomateriales tóxicos del ambiente. • Uso mal intencionado de los nanomateriales.
Por esta razón se consideran aspectos positivos: • Reducir los desperdicios, limpieza de contaminación industrial, provisión de agua
potable y mejora de la eficacia de la producción y uso de la energía. • Pese a su escaso tamaño pueden integrarse en grandes superficies o volúmenes de
contaminantes. • Gran capacidad de adsorción o catalización (aumenta la capacidad de reacción
química). • Ofrece un potencial multifuncional como el caso de las membranas para tratamiento
de agua (separa contaminantes y agrega reactivos químicos) • Desarrollos en progreso con nanomagnetita para remoción de arsénico.
El lado negativo puede considerarse debido a la saturación de los productos cotidianos tales como detergentes, cosméticos, etc. Los mismos pueden presentar riesgos de adsorción debido a su tamaño pequeño y resultar perjudiciales para la salud o el medio ambiente.
10. Catalizadores
A medida que el motor quema gasolina, el mismo produce gases tóxicos que afectan el
medio ambiente, estos gases tóxicos son conocidos como hidrocarbono, monóxido de
carbono y óxido nitrógeno. La única forma de prevenir la contaminación ambiental con
estos gases es colocando un convertidor catalítico, los vehículos actuales poseen un
convertidor catalítico en el sistema de emisión de escapes originales de fábrica. Este
convertidor catalítico va instalado en la tubería del sistema de escape entre el camarín y el
silenciador. Figura 58
Figura 58. Aspecto de un catalizador de automóvil
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Su función principal es usar estos agentes químicos contaminantes como catalizador, el
catalizador es un químico que hace causar una reacción entre otros químicos sin ser
afectado por si sólo. Los gases contaminantes son transformados en gases menos
contaminantes antes de ser arrojados al medio ambiente a través del silenciador.
También se hallan en desarrollo los catalizadores industriales. La emisión de gases de
efecto invernadero y su influencia en el cambio climático ha pasado a ser a una prioridad
a nivel mundial. Mientras que en Noruega, hace más de diez años que se aplica la
captura de CO2 y su almacenamiento a gran profundidad, recientemente se anunció en
Bruselas que la Comisión Europea financiará un proyecto español para la captura y
almacenamiento geológico de CO2 en León.
De forma paralela, el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en el aprovechamiento
del CO2 para producir combustibles líquidos o policarbonatos con catalizadores abre
nuevas vías hacia procesos más favorables para el medio ambiente. Los catalizadores
pueden ser cerámicos y su estructura puede poseer poros, sin embargo son de tamaño
nanométrico.
11. Materiales con funcionalidad superficial
La ingeniería de superficies incluye una gran variedad de tratamientos y procesos
superficiales, dirigidos a la modificación de las propiedades de superficie de los
materiales. Entre los diferentes tratamientos cabe citar:
Acondicionamiento y funcionalización de superficies mediante plasma o iones (metales,
cauchos, plásticos, textiles), etc.
Difusión superficial de especies atómicas y moleculares (mediante tratamiento térmico
en atmósfera controlada, aplicación de plasmas, radiación láser o implantación iónica)
Deposito de recubrimientos y capas delgadas
Los recubrimientos que pueden lograrse pueden ser de espesor nanométrico pero de
considerable resistencia. Un ejemplo de aplicación son recubrimientos de capas
odontológicas.
Existen diferentes tipos de procesos de deposición o realización de estos
recubrimientos:
Tratamientos de difusión con plasma y láser para modificación de superficies,
incluyendo las técnicas de modelización
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Nuevos procesos de deposición mediante técnicas de sputtering de alta potencia, arco pulsado, plasmas de alta presión o implantación por plasma (PIII)
Estructuras multicapa y 'nanocomposite' de ciertos compuestos metálicos, con dureza muy próxima a la del diamante (con aplicación en la protección de herramientas de corte de alta velocidad o para el corte de materiales difíciles de mecanizar)
Nuevos compuestos en capa delgada con estructura metaestable obtenidos mediante técnicas de PVD o CVD, no alcanzables por otras técnicas de preparación convencionales
Técnicas avanzadas de medida de la rugosidad superficial, de caracterización mecánica y tribológica y de resistencia a la corrosión (nanoindentación, tests de adhesión, desgaste, fatigas, métodos electroquímicos, tribocorrosión, etc)
Técnicas de análisis superficial, tales como las modernas microscopías de sonda (AFM, STM), técnicas de plasma (GD-OES), de bombardeo con iones de alta energía (RBS) o de radiación sincrotrón (XANES, EXAFS), no siempre accesibles a los laboratorios de I+D de las empresas
Dentro de los principales campos de aplicación que pueden utilizarlos podemos
mencionar a la industria automotriz, herramientas, industria aeronáutica, química,
electrónica, etc.
Capas delgadas. Muy utilizadas como recubrimientos en aplicaciones electrónicas
(dispositivos integrados). Por ejemplo, la nanoelectrónica orgánica que consiste en
estructuras pentagonales que permiten ensamblar capas para obtener dispositivos
ultrapequeños. Cada capa tiene su función. Figura 59
Figura 59. Sistemas multicapa
Técnicas de deposición. Existen muchas técnicas para la deposición de capas, entre ellas
podemos citar las que son por inmersión en el medio de interés, mediante spray sin y
con temperatura, en cámaras de vacío conocidas como sputtering, etc.
Nanotecnología orgánica. La potencia de cálculo de un determinado tamaño de chip de
computadora se duplica cada dieciocho meses, es un fenómeno conocido como la ley de
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Moore. Sin embargo, se espera en breve un fin para este crecimiento. Al mismo tiempo, la
eficiencia de los componentes electrónicos utilizados para la generación de electricidad a
partir de la luz solar o en artefactos de iluminación se encuentra también limitada en cuanto
al desarrollo de técnicas de fabricación a escala nanométrica. Solución: nanoelectrónica
orgánica, que integra componentes orgánicos (como por ejemplo polímeros) capaces de
autoensamblarse permite crear dispositivos ultra diminutos.
12. Técnicas de estudio de materiales
Para definir la técnica de estudio apropiada cuando nos enfrentamos a un problema
asociado a la ciencia de materiales resulta de importancia tener claridad respecto al tipo de
estructura que presenta el material (cristalina o amorfa), a qué nivel de profundidad
necesitamos llegar en el estudio si es simplemente una caracterización básica o profunda,
qué tipo de información necesitamos para dicho estudio, de qué tipo de material nos vamos
a ocupar (metal, cerámico, polímero, compuesto, nanomaterial). En función de estos
requerimientos seleccionaremos técnicas de estudio que puedan proporcionarnos datos
sobre la estructura (microscopía óptica, electrónica de diferentes tipos), identificar
características cristalinas a través de la difracción de rayos X, determinar el comportamiento
durante el calentamiento de materiales o enfriamiento a través de técnicas de análisis
térmico diferencial, determinar comportamientos de materiales a través de la
determinación de sus propiedades mecánicas (dureza, tracción, compresión, etc), físicas
(transparencia óptica, densidad, porosidad,etc), químicas (reactividad, resistencia a la
corrosión, etc). En la figura 60 se sintetiza lo mencionado.
Figura 60. Técnicas de estudio que se aplican para el estudio de materiales
Estructura a nivel atómico
Materiales
ordenados
Materiales entre el orden y el
desorden
Materiales
desordenados Crista
l ideal Cristal real Polímeros y
cristales líquidos
Compuestos
amorfos
Metal
Cerámica
Plástico
Fibras
Capas delgadas
Materiales compuestos Microelectrónica
Diseño y selección de materiales
Difracción y microscopía
de campo próximo
Caracterización
estructural Técnicas de
análisis térmico
Propiedades mecánicas Propiedades térmicas
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Las técnicas de estudio involucra tres aspectos a tener presente: la observación de la
estructura a diferentes niveles de magnificación (desde lo macro a lo nano), la
determinación de propiedades (físicas, química, mecánicas) y finalmente realizar la
correlación de los aspectos estructurales con los resultados de las propiedades para
predecir comportamientos. Se debe tener presente también el estado de agregación en que
se encuentra nuestro objeto de estudio, el tipo de enlaces atómicos presentes.
Determinación de propiedades. La determinación de propiedades de un material se realiza
mediante ensayos: físicos, mecánicos, químicos, térmicos, etc. Dentro de los posibles
ensayos podemos citar:
Ensayos físicos (Temperatura de fusión, densidad, porosidad, fluidez,
viscosidad, etc)
Mecánicas Ensayos mecánicos (Tracción, compresión, torsión, dureza,
microdureza, flexión, fatiga, resistencia al choque o Charpy, etc)
Térmicas (análisis térmico diferencial (DTA), termogravimétricos (TG) y
calorimetría diferencial ( DSC) y dilatometría)
Químicas (resistencia a la corrosión, solubilidad, etc)
En el caso de las propiedades físicas, los puntos de fusión (material puro), comportamiento
de fusión (en sistemas complejos) se puede realizar por microscopios de alta temperatura.
En este último caso no puede determinarse una única temperatura de fusión, sino que se
establecen las temperaturas críticas: ablandamiento, hemisferio y fluidez. Figura 61
Figura 61. Microscopio de alta temperatura que establece la temperatura de fusión de un
material.
Los ensayos de densidad y porosidad se realizan tanto mediante ensayos de laboratorio
normalizados como a través de instrumentos que miden porosimetría. En el caso de la fluidez
también existen diferentes ensayos de laboratorio normalizados. En el caso de la viscosidad en
general se realiza mediante viscosímetros de diferentes características. Uno de los más conocidos
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es el rotativo. La determinación de propiedades físicas resulta fundamental para comprender
fenómenos vinculados a los materiales durante su uso. Ejemplos que podemos citar serían: cuando
debemos establecer la colabilidad de un cerámico, la penetración de un fundido en un cerámico, la
cobertura de una pintura en un sustrato, la permeabilidad de un sólido, etc.
En diseño de materiales es importante evaluar resistencias mecánicas y en este caso tener presente
cuales son las condiciones en las que los mismos se van a utilizar para poder establecer si el material
cumple con los requerimientos. Cuando se evalúa la calidad del material es también necesario
medir propiedades mecánicas en este caso para calificarlos. Las propiedades mecánicas a medir se
deben vincular a las condiciones en que dichos materiales estarán sometidas durante la aplicación.
Por ejemplo, no tiene sentido caracterizar un material a temperatura ambiente si en su función se
va ha encontrar a 1000ºC. Esta información sólo podría analizarse para comparar burdamente
materiales pero no aportan información de interés real para predecir su comportamiento. Lo mismo
ocurre con la selección de la propiedad a determinar. Si el material estará sometido a compresión a
temperatura ambiente, no tiene mucho sentido determinar como se comporta frente a la torsión
en caliente. En general los ensayos más comunes que se realizan serían:
Tracción
Compresión
Dureza
Microdureza
Torsión
Flexión
Todos ellos se realizan mediante instrumental específico: durómetros, microdurómetros, máquinas de tracción-compresión, máquinas de torsión, etc. Los ensayos son normalizados en su mayoría. En cuanto a las propiedades térmicas, podemos decir que son las que estudian
comportamientos del material en función de la temperatura de calentamiento o enfriamiento.
Miden variaciones que sufre el material en función de la temperatura. Se pueden sintetizar en las
siguientes:
Termogravimétricas, miden la variación de masa con la temperatura
Dilatometría, determinan dilatación o contracción en función de la temperatura,
permitiendo determinar los coeficientes específicos de cada material
Análisis térmico diferencial, establece e identifica las transformaciones o reacciones que
absorven o liberan calor (exotérmicas o endotérmicas) permitiendo predecir los cambios
que sufre el material durante el calentamiento y enfriamiento
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Calorimetría diferencial, identifica las transformaciones o reacciones que absorven o liberan
energía
Estos ensayos se realizan mediante instrumental de alta precisión y la evaluación de resultados
requiere expertos en materiales para su interpretación.
Para realizar el estudio a nivel estructural se requiere de observación de muestras a diferentes
niveles de aumentos o magnificaciones. Existen instrumentos específicos para cada rango de
observación.
Bajas magnificaciones (Lupa estereoscópica hasta 60x, microscopio óptico hasta 1000x)
Altas magnificaciones (microscopio electrónico de barrido, microscopio electrónico de
transmisión, microscopios de altas resoluciones, etc pueden llegar y superar los 100000x)
En el caso de la lupa se pueden observar muestras sin y con preparación y las imágenes que se
obtienen pueden ser en 3D o en 2D. Figura 62
Figura 62. Superficie de fractura de una muestra observada mediante lupa estereoscópica.
En el caso de los microscopios ópticos, la observación se puede realizar hasta 1000 x. Estos
microscopios trabajan con luz blanca o polarizada. Su imagen se obtiene siempre sobre el plano. La
muestra requiere de preparación:
Dimensionamiento Embutido Pulido Ataque metalográfico
A modo de ejemplo podemos observar la estructura de un acero inoxidable mediante microscopía
óptica. Figura 63
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Figura 63. Aspecto de la estructura de un acero inoxidable observada mediante microscopía óptica
Cuando se requieren magnificaciones superiores se recurre a los microscopios electrónicos. Dichos
microscopios ya no utilizan luz blanca sino haz de electrones. Ellos permiten observar diferentes
aspectos estructurales según sea el tipo de microscopio electrónico. Los más comunes son:
Microscopio electrónico de barrido (SEM)
Microscopio electrónico de transmisión (TEM)
Ambos tipos de microscopios pueden tener asociado accesorios para realizar análisis químico
semicuantitativo. Esto posibilita analizar los detalles que uno quiera dentro de la estructura. En la
actualidad estos microscopios también suman accesorios para determinar orientaciones
cristalográficas generadas sobre un metal por deformación y en este caso la técnica se denomina
EBSD. Figura 64 y 65
Figura 64. Microscopio electrónico y un ejemplo de análisis mediante EDS.
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Figura 65. Mapeo de orientaciones cristalinas observado mediante EBSD (SEM)
Los microscopios de transmisión (TEM) permiten evaluar la estructura incluso hasta el nivel de
defectos de la red (dislocaciones), establecer aspectos de la estructura a nivel atómico. Un ejemplo
de una estructura de un metal se puede observar en la figura 66. Donde las imágenes de la izquierda
corresponden a la observación a dos niveles de aumentos distintos, llegando incluso hasta nivel
nanométrico y a la derecha la imagen corresponde a la identificación de posiciones atómicas en la
red cristalina de un sólido.
Difracción de rayos X. Esta otra técnica también aporta información acerca de las fases cristalinas
presentes en un material y de la textura (orientación de los cristales) que puede generarse luego se
someter el material a procesos de deformación. Las determinaciones se realizan mediante
difractómetros de rayos X. Figura 67
Los resultados se deben procesar por especialistas para poder interpretar las fases o texturas
obtenidas.
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Figura 66. Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) en dos modos de observación
(izq, directa y der. Por transmisión)
Figura 67. Difractómetro de rayos X y ejemplo de fases cristalinas identificadas en una arcilla
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Referencias
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[2] W.D. Callister, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed.: Reverté
S.A., John Wiley and Sons (1995)
[3] J. Schaeffer, A. Saxena y colaboradores, Ciencia y diseño de ingeniería de los
materiales. 2da edición, Ed.: Compañía Editorial Continental, México (2000)
[4] C. Ferrer Giménez, V. Amigó Borrás, Tecnología de materiales, Ed.: Alfaomega,
Universidad Politécnica de Valencia, (2005)
[5] J. Cazallas, Los materiales nanoestructurados, Comunicación General de la Nanotecnología, (2007)