CUESTIONES TEÓRICAS CORRESPONDIENTES AL TEMA 1:

CUESTIONES TEÓRICAS CORRESPONDIENTES AL TEMA 1
MATERIALES METÁLICOS
1) Cite las propiedades más importantes de los materiales metálicos
Como propiedades eléctricas sus más importantes aplicaciones son la conductividad
eléctrica (alta). Aplicaciones en microelectrónica y semiconductores. Dentro de las
propiedades mecánicas destaca su gran deformación plástica. Aplicaciones en
aleaciones. También son importantes (en algunos metales y aleaciones) sus propiedades
magnéticas.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 1)
2) Diferencia entre los procesos de moldeo en caliente y en frío de un metal.
Nombre algún ejemplo de cada proceso.
En los procesos de trabajo en caliente el metal caldea en el grado suficiente para que
alcance una condición plástica y fácil de trabajar.
Ejemplos: laminado, rolado en caliente, forja, extrusión en caliente y prensado en
caliente.
El trabajo en frío significa la conformación de un metal a baja temperatura. Las piezas
que se labran en frío tienen un acabado nuevo brillante, son más exactas y requieren
menos maquinado.
Ejemplos: rolado, estirado. Torneado, esmerilado y pulimentado.
MATERIALES CERÁMICOS
1) ¿Por qué la mayoría de los materiales cerámicos tienen una baja conductividad
térmica?
En general, la mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades
térmicas debido a los fuertes enlaces iónico-covalentes entre los electrones y los núcleos
atómicos. Esto impide que los electrones puedan desplazarse libremente por el material
y, por tanto, que puedan conducir la corriente eléctrica o térmica. Así los materiales
cerámicos son buenos aislantes térmicos y eléctricos. Debido a su alta resistencia
mecánica al calor, estos materiales son usados en elementos refractarios.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 5)
2) ¿Qué tipo de ingredientes se añaden a las partículas cerámicas en la preparación
de materias primas para su procesado?
La mayoría de los productos cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas.
Las materias primas para estos productos varían dependiendo de las propiedades
requeridas por la pieza de cerámica. Las partículas y otros ingredientes como
aglutinantes, lubricantes..., pueden ser mezclados en seco o en húmedo.
Para productos cerámicos que no necesitan propiedades muy críticas como ladrillos
comunes, tuberías para alcantarillado...es una práctica común mezclar los ingredientes
con agua. En otros las materias son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos.
Algunas veces se combinan procesos húmedos y secos. Por ejemplo, en el caso de la
Alúmina, que es un buen aislante eléctrico, se mezcla con agua y aglutinante de cera
para formar la suspensión que luego se atomiza y se seca para obtener partículas
esféricas.
MATERIALES POLIMÉRICOS
1) ¿Qué es la temperatura de la transición vítrea de un polímero y qué
consecuencias origina en las propiedades de un material polimérico? Compararla
con la temperatura de fusión de un polímero.
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La temperatura de la transición vítrea de un polímero indica el valor de la temperatura
por encima del cual los enlaces covalentes se debilitan y entonces, los monómeros que
componen las cadenas poliméricas comienzan a moverse o intercambiarse entre sí.
Como consecuencia de esta ruptura, el polímero pasa de ser rígido y frágil a ser un
material plástico, dúctil y blando (goma o plástico).
Si la temperatura aumentara aún más, los enlaces intermoleculares (aún presentes)
comienzan a debilitarse. Por encima de la temperatura de fusión, estos enlaces
intermoleculares se rompen y el polímero se deshace convirtiéndose en un líquido.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 8)
2) ¿Qué tipos de enlaces atómicos o intermoleculares están presentes en un
polímero? ¿Cuál es la razón de su alta resistencia mecánica?
Los monómeros que componen las cadenas de un polímero están unidos entre sí por
fuertes enlaces covalentes. A su vez estas cadenas se atraen entre sí por medio de
interacciones atractivas intermoleculares como las Fuerzas de Van der Waals, dipolodipolo y enlaces de Hidrógeno, que son las responsables de la estabilidad de toda la
estructura tridimensional del polímero.
La alta resistencia mecánica de un polímero se debe precisamente a la fuerte atracción
que hay entre las cadenas mediante las comentadas fuerzas intermoleculares.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 8)
3) Diferencia entre homopolímeros y polímeros de condensación. Nombre algún
ejemplo.
Los primeros son polímeros obtenidos industrialmente (se conocen como plásticos) y
están formados por la polimerización de monómeros iguales.
Ejemplos: polietileno, poliestireno, PVC, etc.
Los polímeros de condensación son aquellos obtenidos por la combinación de
monómeros con pérdida simultánea de una pequeña molécula (H20, CO, HCl). Sus
productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del
polímero.
Ejemplos: poliésteres, nylon.
MATERIALES ELÉCTRICOS
1) Formas de aumentar la conductividad en semiconductores. Nombre algún
ejemplo de semiconductor.
Una forma de aumentar la conductividad es aumentar la temperatura. La magnitud de la
banda prohibida es pequeña, por lo que a bajas temperaturas son aislantes, pero
conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía
dentro de la banda de conducción, aumentando así la conductividad.
Un método alternativo al aumento de la temperatura es la aplicación de una diferencia
de potencial al material semiconductor lo que disminuye la magnitud de la banda
prohibida y así “acerca” la banda de conducción a los electrones. De este modo, se
facilita el paso de los electrones a la banda de conducción y se aumenta la
conductividad eléctrica del material.
Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles
de energía dentro de la banda prohibida.
Ejemplos: germanio y silicio.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 2)
2) Definición de banda de valencia y banda de conducción.
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Un átomo aislado tiene orbitales electrónicos (o niveles energéticos: s, p, d, f…) bien
definidos y ocupados por electrones según sean sus números cuánticos. Un material está
formado, a su vez, por muchos átomos y, por tanto, por una mezcla ordenada y
correspondiente de aquellos orbitales. Por ejemplo, los orbitales de menor energía de
todos los átomos se disponen en torno a un valor energético promedio y forman la
llamada primera banda, y así sucesivamente con las demás bandas en un material.
Posteriormente, dichas bandas se van rellenando de menor a mayor energía con todos
los electrones del material. La banda de energía más alta que contenga electrones se
llama banda de valencia. Por otro lado, la banda de energía más baja y que no contenga
electrones se denomina banda de conducción. Obviamente la banda de conducción está
siempre por encima o, como mínimo, solapada con la de valencia. Si los electrones de la
banda de valencia pueden “saltar” a la de conducción bien porque esté muy próxima (o
incluso solapada como en algunos metales) la capacidad del material para conducir la
corriente es grande. Si la diferencia entre ambas capas es enorme, tendremos un
aislante. En el caso de los semiconductores, la distancia entre dichas bandas es grande
pero puede salvarse por medio de suministro de energía térmica o potencial eléctrico al
material.
MATERIALES COMPUESTOS
1) Cite los tipos de materiales compuestos e indique algunos ejemplos.
Fibrosos: formados por fibras embutidas en una matriz. Algunos ejemplos son las fibras
de vidrio (polímero y vidrio), carbono (polímero y carbono) o poliéster con kevlar.
Particulados: compuesto de partículas embebidas en una matriz. Ejemplos: carburo de
wolframio, hormigón…
Laminados: formado por un material recubierto con otro. Un ejemplo puede ser el Arall
que consiste en planchas de aluminio recubiertas con un polímero aramida (polímero
poliamídico con grupos aromáticos en su cadena)
(COMISIÓN B DEL GRUPO 6)
2) Dentro de los materiales compuestos, ¿qué ventajas y limitaciones tienen los
materiales plásticos con refuerzos de fibra?
Ventajas: los materiales plásticos con refuerzos de fibra ofrecen el potencial de ser de
baja densidad, gran resistencia y módulo de elasticidad elevado. Su fabricación en
formas tanto simples como complejas es relativamente sencilla.
Los plásticos con refuerzo de fibra de vidrio son de bajo costo, pero los que tienen
refuerzo de fibra de carbono son de costos considerablemente mayores.
Limitaciones: son materiales altamente anisotrópicos. Esto puede reducirse por medio
de la orientación al azar de las fibras o por medio de laminados cruzados, pero esto
ocasiona una gran reducción de la resistencia potencial máxima.
Los materiales plásticos con refuerzos de fibra no son adecuados para el uso a altas
temperaturas.
INTERRELACIÓN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
1) ¿Qué diferencia a los materiales metálicos, los semiconductores y los compuestos
de los demás materiales (cerámicos y poliméricos) para que éstos no conduzcan el
calor o la electricidad y aquéllos sí?
La diferencia básica está en la estructura de bandas. Los tres primeros tienen una banda
de conducción más o menos llena de electrones (o huecos) que pueden moverse por el
material y así transportar la corriente eléctrica o el calor. Incluso en el caso de los
materiales compuestos, éstos pueden estar formados parcialmente de ciertos
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componentes o microcomponentes que posean dichas propiedades conductoras y, así
podérselas conferir al conjunto del material.
Por el contrario, los materiales cerámicos o poliméricos no cuentan en su estructura
interna con tal banda de conducción y, por ello, son aislantes eléctrico (cerámicos) o
térmicos (polímeros).
¡¡Obsérvese la interrelación Estructura Interna (bandas electrónicas)-Propiedad Física
(conductividad térmica o eléctrica)!!
(COMISIÓN B DEL GRUPO 4)
2) ¿Qué tipo de procesado se puede emplear para conseguir materiales cerámicos
con propiedades refractarias?
Se puede utilizar el prensado en seco; se consiguen materiales refractarios (con alta
resistencia térmica). También se utiliza para obtener componentes cerámicos
electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial
simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de
agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel.
Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas)
a fin de que consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas.
El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de
piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.
MATERIALES SUPERCONDUCTORES
1) ¿En qué efecto o propiedad de los materiales superconductores se basa el
funcionamiento del tren de alta velocidad, el cual se desplaza levitando (flotando)
por encima de los raíles de la vía?
El efecto es el conocido como efecto Meissner que consiste en la repulsión de las líneas
del campo magnético del interior de un material en estado superconductor. Por ejemplo,
las ruedas del tren pueden fabricarse de cierto material superconductor y las vías son de
un material magnético. Cuando las ruedas se enfrían por debajo de la transición
superconductora, éstas repelen el campo magnético creado por los rieles. Como
resultado de esa repulsión, las ruedas y el tren quedaría flotando sobre los rieles.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 7)
1) ¿Cómo se clasifican los materiales superconductores y qué diferencias hay entre
ellos en función del comportamiento frente al campo magnético aplicado?
Además de la temperatura, el estado de superconductividad depende de otras variables.
Las más importantes son el campo magnético (B) y la densidad de corriente (J). Para
que un material sea superconductor, la temperatura crítica del mismo, su campo
magnético y su densidad de corriente no deben ser superadas y para cada material existe
una superficie crítica en el espacio de T, B y J.
La clasificación en función del campo magnético aplicado es:
 Tipo I: son los que muestran una completa repulsión al flujo magnético entre
los estados normal y superconductor.
 Tipo II: son aquellos en el que el flujo magnético penetra gradualmente entre
los estados normal y superconductor.
Si un campo magnético suficientemente fuerte se aplica a un superconductor a cualquier
temperatura que esté por debajo de su temperatura crítica, el superconductor vuelve a su
estado normal. El campo magnético aplicado necesario para restablecer la
conductividad eléctrica normal en el superconductor se llama campo crítico Hc.
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En los superconductores tipo I, si se colocan en un campo magnético a temperatura
ambiente, el campo magnético penetra normalmente a través del metal. Sin embargo, si
la temperatura del superconductor tipo I se reduce por debajo de su temperatura crítica y
si el campo magnético está por debajo del Hc, el campo magnético será expulsado de la
muestra con excepción de una capa muy fina en la superficie (efecto Meissner).
Los superconductores tipo II se comportan de forma diferente en un campo magnético a
temperatura por debajo de la temperatura crítica. Son diamagnéticos (igual que los I)
hasta un valor de campo magnético aplicado llamado campo crítico inferior Hc1 y de
este modo el flujo magnético es rechazado del material.
Por encima de Hc1 el campo empieza a penetrar en el superconductor tipo II y continua
hasta alcanzar el campo crítico superior Hc2. Entre Hc1 y Hc2 el superconductor está en
estado mixto y por encima de Hc2 vuelve al estado normal.
EL USO DE LOS DISTINTOS MATERIALES A LO LARGO DE LA HISTORIA
(DESDE LA ANTIGÜEDAD HASTA NUESTROS DÍAS)
1) ¿Cómo fue elaborado el vidrio por primera vez?
Calentando una mezcla sin impurezas de sosa, cal y arena. Una vez fundida, el moldeo
de dicha mezcla se realiza por la técnica del soplado.
(COMISIÓN B DEL GRUPO 3)
2) ¿Qué factores han sido la causa de la substitución de unos materiales por otros a
lo largo de la Historia?
Inicialmente la abundancia de uno u otro. Posteriormente, el precio de procesado de
cada material, esto es, si se avanza en la simplificación y rapidez de su técnica de
procesado, el coste del material decrece notablemente y puede reemplazar a otro
material en determinadas aplicaciones.
Finalmente, en algunos casos el desarrollo de un nuevo material con propiedades
especiales para ciertas aplicaciones específicas y determinadas (nuevo material para
una nueva utilidad).
Ejemplo: En la industria del automóvil entre 1978 y 1993 el hierro y el acero han sido
substituidos progresivamente por aleaciones de aluminio y por polímeros (plásticos)
debido a la mayor relación resistencia-peso en estos materiales. A esto se añade que
actualmente, el coste de la fabricación de estos nuevos materiales resulta ser comparable
o más barato que los materiales antiguos.
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