Leccion1.CERAMICAS.TiposMATERIALES

Clasificación de los materiales.
Desde el punto de
vista mecánico son
duras y muy frágiles.
Desde el punto de
Desde el punto de
vista mecánico
vista mecánico
son resistentes,
tienen una
tenaces y dúctiles.
resistencia y rigidez
bajas
Este esquema se basa en la composición química y en la estructura
atómica. Por lo general, la mayoría de los materiales encajan en un
grupo u otro, aunque hay materiales intermedios.
Además, existen otros dos grupos de importantes materiales técnicos:
materiales compuestos (composites) y semiconductores.
Los materiales compuestos constan de combinaciones de dos o
más materiales diferentes, mientras que los semiconductores se
utilizan por sus extraordinarias características eléctricas.
HOY EN DIA:
“EDAD DE LA TECNOLOGIA”
NO HAY UN MATERIAL
PREDOMINANTE
-CERAMICAS DE ALTA
TECNOLOGIA
-FIBRAS OPTICAS
-SUPERALEACIONES
-SILICIO
-TITANIO
- TECNOPOLIMEROS
COMPOSITES
Clasificación de los materiales.
MATERIALES ESTRUCTURALES
SE UTILIZAN PARA LA REALIZACION DE ESTRUCTURAS,
EDIFICACIONES, ETC. SU UTILIZACIÓN ES FUNCION DE
LAS PROPIEDADES MECANICAS QUE PRESENTAN
MATERIALES FUNCIONALES
ENCUENTRAN APLICACIÓN EN FUNCIÓN DE OTRAS
PROPIEDADES, FUNDAMENTALMENTE, FISICAS COMO:
-CONDCUTIVIDAD TERMICA
-CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
PROPIEDADES ÓPTICAS
-PROPIEDADES MAGNETICAS
- PROPIEDADES QUIMICAS
ACEROS:
PLASTICOS:
VIDRIOS:
2000 TIPOS
5000 TIPOS
10000 TIPOS
Las propiedades de los materiales dependen de
su composición química, de su estructura,
fundamentalmente del tipo de enlace entre los elementos
que lo constituyen, de la ordenación espacial de los átomos
o iones y de la microestructura (NATURALEZA, CANTIDAD Y
DISTRIBUCION DE LAS FASES PRESENTES EN LA
CERAMICA: FASE CRISTALINA, FASE VITREA Y
POROSIDAD), es decir, el aspecto que presentan mediante
observación microscópica.
PROPIEDADES INTRINSECAS→DETERMINADAS POR AL
ESTRUCTURA A ESCALA ATOMICA
No son susceptibles de un cambio significativo por modificación de la
microestructura
Punto de fusión, Módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, si el
material es frágil, magnético, ferroelectrico o semiconductor, etc.
PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE DE LA
MICROESTRUCTURA (Propiedades críticas para aplicaciones
ingenieriles)
Resistencia mecánica, constante dieléctrica, conductividad eléctrica,
PROPIEDADES INTRINSECAS→DETERMINADAS POR AL
ESTRUCTURA A ESCALA ATOMICA
No son susceptibles de un cambio significativo por modificación de la
microestructura
Punto de fusión, Módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, si el
material es frágil, magnético, ferroelectrico o semiconductor, etc.
PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE DE LA
MICROESTRUCTURA (Propiedades críticas para aplicaciones
ingenieriles)
Resistencia mecánica, constante dieléctrica, conductividad eléctrica,
etc.)
EN MUCHOS CASOS EL COMPORTAMIENTO DE UN
DETERMINADO MATERIAL DEPENDE ADEMÁS DE SU
HISTORIA Y, ENPARTICULAR, DE SU HISTORIA TÉRMICA
ASÍ, POR EJEMPLO, UN ACERO AL CARBONO
QUE SE FABRICA EN ESTADO LÍQUIDO, SI SE SOLIDIFICA
MUY RÁPIDAMENTE Y SE DEJA ENFRIAR HASTA LA
TEMPERATURA AMBIENTE MUY LENTAMENTE PRESENTA
UNAS PROPIEDADES Y UNA ESTRUCTURA QUE SON MUY
DIFERENTES QUE SI SE HUBIERA ENFRIADO DESDE, POR
EJEMPLO, 1000 ºC A VELOCIDAD MUY RÁPIDA
(SUMERGIÉNDOLO EN AGUA). COMO CONSECUENCIA DE
ESTO, ADEMÁS DEL ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA Y
MICROESTRUCTURA DE LOS MATERIALES SE HA DE
ESTUDIAR LAS DESVIACIONES QUE PUEDEN APARECER
EN FUNCIÓN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE
CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO.
PARA CAMBIAR EL COMPORTAMIENTO Y EL
RENDIMIENTO DE UN MATERIAL SE DEBE MODIFICAR
SU ESTRUCTURA INTERNA.
SI LAS CONDICIONES DE SERVICIO ALTERAN LA
ESTRUCTURA DEL MATERIAL, EL INGENIERO O
DISEÑADOR DEBE ANTICIPAR QUE CAMBIOS TENDRÁN
LUGAR EN LAS PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO
DEL MATERIAL
LAS PROPIEDADES INFLUYEN SOBRE EL
COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL DURANTE SU
FABRICACIÓN Y SU SERVICIO
W: PF 3410 ºC, PE: 5930 ºC
Sn PF 232 º , PE: 2602 ºC
CERAMICOS
ENLACE IONICO
ENLACE COVALENTE
Ionic Bonding
NaCl
Formation of ionic bond
1. Mutual ionization occurs by electron transfer
2. Ions are attracted by coulombic forces
EA = − A / r
ER = B / r n , n ~ 8
~ 640 KJ/mole or 3.3eV/atom, Tm~ 801oC
An ionic bond is non-directional
(Ions can be attracted to one another in any direction)
ionic crystals
low ionization energy atoms (e.g. alkalis: Li, Na)
combined with high electron affinity atoms (e.g. halogens: F, Cl)
an alkali atoms transfer one or more electrons to a halogen atom
ionic crystals
low ionization energy atoms (e.g. alkalis: Li, Na)
combined with high electron affinity atoms (e.g. halogens: F, Cl)
an alkali atoms transfer one or more electrons to a halogen atom
CH4
Covalent Bonding
Formation of covalent bond
1. Cooperative sharing of valence electrons
2. Valence electronic can participate in bonding
Strong: For Diamond (sp3)
C
~ 713 KJ/mole or 7.4eV/atom, Tm~ 3550oC
CN=4 (r/R=1, CN=12?)
Weak: Polymers..
Bond angle: 109.5o
A covalent bond is directional
(Bonds form in the direction of greatest orbital overlap)
covalent crystals
two or more atoms share electrons to reach
noble gas configuration for each atom
often atoms with similar ionization energies (
diatomic molecules)
covalent crystals
•only few solids are covalently bound (diamond, Si, Ge, SiC)
•covalent bond stronger than ionic
•hardest materials
•high melting points
•insoluble
•all covalent crystals have tetrahedral (diamond) structure
Metallic Bonding
Formation of metallic bond
1. Cooperative sharing of valence electrons
2. Delocalized valence electrons (free electrons)
Strong:
For W
~ 850 KJ/mole or 8.8eV/atom, Tm~ 3410oC
Weak: Hg
A covalent bond is directional
Bonds form in any direction, pack closely (high CN)
Secondary Bonding
Formation of secondary bonds
1. Are formed between groups of atoms or ions
2. No electron transfer or sharing
3. Based upon the attraction of dipoles
Dipole moment=
charge x distance
Van der Waals bonds: fluctuating dipole bonds,
e.g., Ar (7.7KJ/mole, -189oC)
Hydrogen bonds: permanent dipole bonds,
e.g., H2O (51KJ/mole,
0oC)
Why ρl > ρs?
Summary: Bonding
Directional Bonds
Covalent
Permanent dipole
Non-Directional Bonds
Metallic
Ionic
Fluctuating dipole
Metallic
M
Examples:
Metals:
Metallic bonding
Secondary
Ceramics: Ionic/covalent
Polymers: Covalent and secondary
Semiconductors: Covalent or covalent/ionic
Ionic
C
P
S
Covalent
bonding in crystalline solids
Electronegatividad (EN).
Los enlaces de moléculas homodiatomicas como el H2 son
covalentes puros. En una molécula heterodiatomica como el
HF, el par de enlace esta más localizado sobre el fluor,
produciendo una carga parcial positiva sobre el hidrogeno, y
una negativa sobre el fluor. Un enlace de este tipo se llama
polar, ya que presenta un momento dipolar eléctrico.
La capacidad de cada átomo de atraer los electrones del
enlace covalente determina la distribución de cargas y se
llama electronegatividad.
La electronegatividad se define “como la tendencia relativa
de los distintos átomos a atraer hacia sí el par de
electrones que comparte con otro en un enlace covalente”.
Dicha tendencia debe estar relacionada con el potencial
de ionización (energía que hay que comunicar a un
átomo aislado neutro (gaseoso) en su configuración
electrónica fundamental para arrancarle un electrón (el
más débil) y convertirlo en un catión)
X + 1ªE.I. → X+ + eX+ + 2ªE.I. → X2+ + e1 eV = 1,6.10-19 culombios . 1 voltio = 1,6.10-19 julios
Electroafinidad o afinidad electrónica (Energía
desprendida en un proceso en el que un determinado
átomo neutro gaseoso en estado fundamental, capta un
electrón para dar un ion mononegativo gaseoso en
estado fundamental )
Un átomo con una afinidad electrónica muy negativa y un
potencial de ionización elevado, atraerá electrones de otros
átomos y además se resistirá a dejar ir sus electrones ante
atracciones externas. Será muy electronegativo.
El método sugerido por el profesor R.S. Mulliken promedia
los valores del potencial de ionización y afinidad electrónica
de un elemento:
XM = 0.0085 (P.I. + A.E.)
A medida que aumentan ambas magnitudes el átomo
querrá tomar electrones y será bastante difícil que los
pierda.
Cuando la diferencia de
electronegatividades es suficientemente
alta, se produce una transferencia
completa de electrones, dando lugar a la
formación de especies iónicas.
Ejemplo:
Compuesto
Diferencia de
electronegatividad
Tipo de enlace
F2
HF
4.0 - 2.1
4.0 - 4.0 = 0
= 1.9
Covalente Covalente
no polar
polar
LiF
4.0 - 1.0
= 3.0
Iónico
Gráfica que relaciona el carácter iónico de un enlace con la diferencia de
electronegatividad de los dos átomos enlazados, según una formula propuesta por
Pauling. El carácter iónico aumenta con la diferencia entre las electronegatividades
ELEMENTOS METALICOS (Mg, Al, Ti, Fe, Na, Zr)
ELEMENTOS NO METALICOS
(C, Si, S, N, B, O)
MATERIALES METALICOS
LOS MATERIALES METALICOS TIENEN GRAN NÚMERO DE
ELECTRONES DESLOCALIZADOS, QUE NO PERTENECEN A NINGÚN
ÁTOMO EN CONCRETO. LA MAYORÍA DE LAS PROPIEDADES DE
LOS METALES SE ATRIBUYEN A ESTOS ELECTRONES.
-CONDUCEN PERFECTAMENTE EL CALOR Y LA ELECTRICIDAD
- ELEVADO PUNTO DE FUSIÓN
-SON OPACOS A LA LUZ VISIBLE
-LA SUPERFICIE METÁLICA PULIDA TIENE APARIENCIA LUSTROSA
-DESDE EL PUNTO DE VISTA MECÁNICO LOS METALES SON DUROS
RESISTENTES A LOS ESFUERZOS, TENACES (SE NECESITA GRAN
CANTIDAD DE ENERGIA PARA QUE SE ROMPAN) Y DÚCTILES.
LOS METALES SON DEFORMABLES, LO QUE CONTRIBUYE A SU
UTILIZACIÓN EN APLICACIONES ESTRUCTURALES
INCONVENIENTES:
- MALAS PROPIEDADES MECÁNICAS A ALTAS TEMPERATURAS
- ELEVADA DENSIDAD EN MUCHOS CASOS
- TENDENCIA A REACCIONAR CON AGENTES QUÍMICOS AGRESIVOS,
PRODUCIÉNDOSE FENÓMENOS DE CORROSIÓN QUE PUEDEN
INUTILIZARLOS PARA EL SERVICIO AL QUE ESTÁN DESTINADOS.
En la figura puede verse la resistencia a la rotura para varios
materiales y su evolución en función de la temperatura. Puede
observarse que los materiales cerámicos y los materiales
compuestos de matriz cerámica (CMCs) son los únicos que se
pueden utilizar a temperaturas superiores a los 1400 °C.
Resistencia a la
rotura para
varios
materiales y su
evolución en
función de la
temperatura.
MATERIALES CERAMICOS
LOS COMPUESTOS QUÍMICOS CONSTITUIDOS, EN GENERAL, POR
METALES Y NO METALES O METALOIDES (ÓXIDOS, NITRUROS,
CARBUROS, BORUROS, SILICIUROS, ETC.) PERTENECEN AL GRUPO
DE LAS CERÁMICAS, QUE INCLUYE MINERALES DE ARCILLA,
CEMENTO Y VIDRIO.
POR LO GENERAL SE TRATA DE MATERIALES QUE SON AISLANTES
ELÉCTRICOS Y TÉRMICOS Y QUE A ELEVADA TEMPERATURA Y EN
AMBIENTES AGRESIVOS SON MÁS RESISTENTES QUE LOS
METALES Y LOS POLÍMEROS.
DESDE EL PUNTO DE VISTA MECÁNICO, LAS CERÁMICAS TIENEN UN
ELEVADO PUNTO DE FUSION, PRESENTAN UNA ELEVADA
RESISTENCIA A LA COMPRESION, SON MUY DURAS, BUENAS
PROPIEDADES MECÁNICAS A ALTAS TEMPERATURAS Y TIENEN EL
INCONVENIENTE DE SER MUY FRÁGILES.
SON RESISTENTES A MUCHOS MEDIOS AGRESIVOS
QUÍMICAMENTE
PROPIEDADES TIPICAS DE LAS CERAMICAS
MATERIALES POLIMÉRICOS
LOS POLÍMEROS COMPRENDEN MATERIALES QUE VAN DESDE LOS
FAMILIARES PLÁSTICOS AL CAUCHO.
SE TRATA DE COMPUESTOS ORGÁNICOS, BASADOS EN EL
CARBONO, HIDROGENO Y OTROS ELEMENTOS NO METÁLICOS,
CARACTERIZADOS POR LA GRAN LONGITUD DE LAS
ESTRUCTURAS MOLECULARES.
LOS POLÍMEROS POSEEN:
-DENSIDADES BAJAS, LO QUE LOS HACE INTERESANTES EN
INDUSTRIAS TALES COMO LA AUTOMOCIÓN Y AERONÁUTICA
-EXTRAORDINARIA FLEXIBILIDAD (FACILMENTE DEFORMABLES)
-RESISTENTES A MEDIOS AGRESIVOS
- COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA ES GRANDE.
DESDE EL PUNTO DE VISTA MECÁNICO LOS POLÍMEROS
TIENEN UNA RESISTENCIA Y RIGIDEZ BAJAS.
SE DETERIORAN A TEMPERATURAS RELATIVAMENTE
BAJAS (A 200-300ºC SE INUTILIZAN).
MATERIALES COMPUESTOS
SE HAN DISEÑADO MATERIALES COMPUESTOS FORMADOS POR
MÁS DE UN TIPO DE MATERIAL, GENERALMENTE UNO HACE DE
FASE CONTINUA (MATRIZ) Y EL OTRO DE FASE
DISCONTINUA (DISPERSA) . LA FIBRA DE VIDRIO, QUE ES
VIDRIO EN FORMA FILAMENTOSA EMBEBIDO DENTRO DE UN
MATERIAL POLIMÉRICO, ES UN EJEMPLO FAMILIAR.
LOS MATERIALES COMPUESTOS ESTÁN DISEÑADOS PARA
ALCANZAR LA MEJOR COMBINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS
DE CADA COMPONENTE (COMBINAR LAS PROPIEDADES DE LOS
DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES).
LOS MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRA DE
VIDRIO SON MECÁNICAMENTE RESISTENTES DEBIDO AL VIDRIO
Y FLEXIBLES DEBIDO AL POLÍMERO.
LA MAYORÍA DE LOS MATERIALES DESARROLLADOS
ÚLTIMAMENTE SON MATERIALES COMPUESTOS.
MATERIALES SEMICONDUCTORES
LOS SEMICONDUCTORES TIENEN PROPIEDADES ELÉCTRICAS
INTERMEDIAS ENTRE LOS CONDUCTORES Y LOS AISLANTES
ELÉCTRICOS. LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES SON EXTREMADAMENTE SENSIBLES A LA
PRESENCIA DE DIMINUTAS CONCENTRACIONES DE ÁTOMOS DE
IMPUREZAS. ESTAS CONCENTRACIONES SE DEBEN
CONTROLAR EN REGIONES ESPACIALES MUY PEQUEÑAS.
LOS SEMICONDUCTORES POSIBILITAN LA
FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS QUE
HAN REVOLUCIONADO, EN LAS ÚLTIMAS DÉCADAS,
LA INDUSTRIA ELECTRÓNICA Y DE LOS
ORDENADORES.
PRESENTAN COMO PARTICULARIDAD QUE SU
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA ES MAYOR AL
AUMENTAR LA TEMPERATURA
MATERIALES COMPUESTOS
Tipos de materiales compuestos en base al material que
constituye la matriz:
- Materiales compuestos de matriz polimérica (PMCs),
- Materiales compuestos de matriz metálica (MMCs)
- Materiales compuestos de matriz cerámica (CMCs).
Tipos de materiales compuestos en base a la forma en que se refuerzan.
TENDENCIA ACTUAL EN LA BUSQUEDA DE NUEVOS
MATERIALES:
1.- MEJORA DE LAS PROPIEDADES MECANICAS
2.- MATERIALES DE BAJA DENSIDAD
3.- MATERIALES RESISTENTES A TEMPERATURAS ALTAS
4.- MATERIALES RESISTENTES A LA CORROSIÓN
5.- MATERIALES CON PROPIEDADES FÍSICAS (NO
MECÁNICAS) MUY ESPECÍFICAS
UN FACTOR IMPORTANTE ES EL ENERGÉTICO,
REFIRIÉNDOSE SIEMPRE AL CONSUMO
DE ENERGÍA EN LA FABRICACIÓN DEL MATERIAL.
ADEMÁS, SE HA DE TENER EN
CUENTA EN DICHA FABRICACIÓN EL FACTOR ECONÓMICO,
EL MEDIOAMBIENTAL Y EL POSIBLE RECICLADO.
ACERO ALTO EN CARBONO
1.- MODULO ELEVADO MIDE LA
RESISTENCIA DEL MATERIAL A LA
DEFORMACIÓN ELÁSTICA (DEFLEXIÓN, )
2.- LIMITE ELASTICO (YIELD STRENGHT)
ELEVADO, SINO SE DEFORMARA
PLASTICAMENTE O PERMANENTEMENTE
SI EL ESFUERZO ES GRANDE
3.- DUREZA ELEVADA
4.- TENAZ (TENACIDAD A LA FRACTURA
ELEVADA), PARA QUE SE DEFORME
ANTES DE LA FRACTURA
EL VIDRIO CUMPLE LAS TRES PRIMERAS
CONDICIONES, PERO NO LA CUARTA, YA
QUE ES UN MATERIAL FRAGIL
MANGO: MADERA, PMMA,…
1.- EL VALOR DEL MODULO NO TIENE
TANTA IMPORTANCIA (SECCION
GRANDE)
2.- PPMA SE PUEDE CONFORMAR CON
FACILIDAD
3.- DENSIDAD BAJA
4.- RAZONES ESTETICAS: APARIENCIA,
TACTO Y TEXTURA
5.- EL PMMA ES BARATO
COMPONENTES DEL HORMIGON
DOSIFICACION H.C. (m3 de HORMIGON)
ARENA
790 Kg
GRAVILLA 466 Kg
GRAVA
662 Kg
ARIDOS 1918 Kg
CEMENTO 300 Kg (~12.6 %)
AGUA
167 dm3
TOTAL
2385 Kg
DOSIFICACION H.A.R.
ARENA
GRAVA
685 Kg
1094 Kg
ARIDOS
1779 Kg
CEMENTO (~20 %)
496 Kg
AGUA
136 dm3
SUPERPLASTIFICANTE
16.6 Kg
MICROSILICE
47.6 Kg
TOTAL
2475.2 Kg
HORMIGON
PALACIO CONGRESOS - OVIEDO
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North America, Inc. using DuPont Zytel® glass-reinforced nylon