ANTOLOGIA INGENIERIA DE MATERIALES

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ANTOLOGÍA:

INGENIERÍA DE MATERIALES

ASIGNATURA: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

GRUPO DE TRABAJO:

Cuerpo Académico de Materiales Avanzados

Dr. Sergio Martínez Vargas

Dr. Cristóbal Patiño Carachure

Cnd. Dr. José Enrique Flores Chan

M.C. Francisco Javier Romero Sotelo

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PARA LA ASIGNATURA: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

CONTENIDO

Prologo………...3

Introducción………...4

Objetivos……….…….5

Materiales metálicos y sus aleaciones……….….6

Fundamentos de la metalografía………...11

Materiales cerámicos………...……...15

Materiales poliméricos………21

Materiales compuestos………28

Conclusiones………...35

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PROLOGO

La presente Antología fue elaborada principalmente con el fin de que sea un material didáctico de apoyo a los estudiantes que cursan la asignatura de Propiedades de Materiales, la cual, forma parte del Plan de estudios del Programa Educativo de Ingeniería Mecánica.

Como es bien sabido, nuestra vida cotidiana está ligada a los materiales: vivienda, transportes, electrónica, energía, comunicación, etc. En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el comportamiento mecánico de un material.

La evolución de la humanidad ha estado siempre asociada a los materiales. El campo de los materiales con sus variantes ofrece en particular diferentes líneas de intervención en las áreas de producción, de investigación, de aplicación, de utilización altamente versátil y en general, de presencia permanente en las diversas actividades humanas; ello nos lleva a pensar de inmediato en los materiales cristalinos, los cerámicos, los metales y su gran diversidad de aleaciones, los diferentes tipos de vidrios, los recubrimientos cuya aplicabilidad se otorga a múltiples objetos, los plásticos y los distintos polímeros que usamos, los cementos y en general, toda la gama de materiales que actualmente forman parte insustituible de nuestra vida cotidiana. Las propiedades de los materiales son las maneras que el material responde al ambiente y a fuerzas externas.

Ante el desarrollo vertiginoso que ha logrado la tecnología y ciencia de los materiales, surge la necesidad de revisar los contenidos programáticos y prácticas de laboratorio de Estructura de los Materiales a fin de aplicar los ajustes pertinentes y actualizar las finalidades de esta unidad de enseñanza-aprendizaje de trabajo teórico y experimental, sin olvidar los antecedentes con que cuenta la generalidad de estudiantes que atendemos en esta etapa de su licenciatura y sin dejar de considerar la visualización de las necesidades que requerirán en futuras unidades de enseñanza aprendizaje, muchas de ellas a tratar en el tronco profesional.

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1. INTRODUCCIÓN

Vivimos en un mundo de posesiones materiales que define en gran medida nuestras relaciones sociales y nuestra calidad de vida. Las posesiones materiales de nuestros primeros ancestros eran probablemente sus herramientas y sus armas. De hecho, el modo más común de denominación de cada era en las primeras civilizaciones humanas es en términos de los materiales con los que se hacían esas herramientas y armas. La Edad de Piedra se ha remontado hasta unos 2,5 millones de años atrás, cuando los primeros homínidos cortaban piedras con el fin de utilizarlas como armas de caza. La Edad de Bronce, que corresponde aproximadamente al periodo comprendido entre los años 2000 a.C. y 1000 a.C., representa el inicio de la metalurgia, con el descubrimiento de aleaciones de cobre y estaño para producir mejores armas y herramientas (una aleación es un metal compuesto de más de un elemento). Los arqueólogos contemporáneos apuntan que existió en Europa una etapa anterior, aunque menos conocida, la «Edad del Cobre», aproximadamente entre los años 4000 a.C. y 3000 a.C., durante la cual se empleó cobre relativamente puro antes de que se dispusiera de estaño. La limitada utilidad de estos productos de cobre proporcionó una primera lección acerca de la importancia de la adición de aleantes adecuados. La Edad del Hierro define al periodo comprendido entre los años 1000 a.C. y 1 a.C. Hacia el año 500 a.C. las aleaciones de hierro habían reemplazado ampliamente al bronce en las herramientas y armas realizadas en Europa. Aunque los arqueólogos no hacen referencia a una «Edad del Barro» o de la alfarería, la realidad es que la presencia de vasijas para uso doméstico hechas a partir de arcilla cocida ha proporcionado algunas de las mejores descripciones de las culturas humanas durante miles de años. De forma similar, se han descubierto objetos de vidrio que se remontan al año 4000 a.C. en Mesopotamia. Algunas veces se denomina la cultura moderna en la segunda mitad del siglo XX como la del «plástico», en una referencia, no totalmente de alabanza, a los materiales poliméricos, de poco peso y económicos, con los que se hacen tantos productos. Algunos observadores, en cambio, han sugerido que este mismo periodo de tiempo debería designarse como la «edad del silicio» dado el gran impacto de los equipos electrónicos modernos, basados fundamentalmente en la tecnología del silicio. Por otro lado, el papel cada vez más dominante de las aleaciones metálicas alcanzó un máximo tras la Segunda Guerra Mundial. Desde la década de los 60, las presiones por el ahorro de costes y peso han llevado a una creciente demanda de nuevos y sofisticados materiales no metálicos.

El objetivo primordial de esta Antología es pues, conocer los tipos de materiales de que dispone un ingeniero y la forma de emplearlos en múltiples situaciones. Para utilizar un material determinado un ingeniero debe conocer la estructura microscópica y submicroscopica puesto que de ambas dependen las características del material y su comportamiento bajo situaciones específicas. De ahí que la importancia de este tipo de conocimiento en el momento de seleccionar un material para un diseño determinado.

En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el comportamiento mecánico de un material.

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es posible dar varias clasificaciones. En este trabajo se distinguirán cuatro categorías que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su práctica profesional: Metales, Cerámicos, Polímeros y Compuestos. 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. A demás, los materiales compuestos (composite) constan de combinaciones de dos o más materiales diferentes. A continuación se describen brevemente los tipos de materiales y sus características más representativas. En los temas siguientes se estudian con detalle los elementos estructurales y las propiedades de cada uno de ellos.

Esta clasificación de materiales es un tanto arbitraria pero se basa principalmente en el tipo de enlace predominante en el compuesto en cuestión como se verá más en el apartado próximo. Así, los materiales cerámicos son principalmente iónicos, los materiales poliméricos tienen enlaces covalentes dentro de las macromoléculas o polímeros y en los materiales metálicos el enlace es metálico. Los vidrios son materiales iono-covalentes pero amorfos, es decir, no presentar orden de sus constituyentes (átomos e iones) a larga distancia. Como ejemplos de materiales vítreos derivados de la sílice son las ventanas, pantallas de ordenador y TV, etc. También hay otros tipos. Materiales compuestos son aquellos que contienen dos tipos de materiales diferentes, generalmente una parte covalente y otra iónica.

En este trabajo se distinguirá entre estos cuatro tipos de materiales con base en algunas de sus propiedades mecánicas, eléctricas y físicas más importantes. En los temas posteriores se estudiarán las diferencias en cuanto a estructura interna entre estos tipos de materiales.

2. OBJETIVO

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3. MATERIALES METÁLICOS Y SUS ALEACIONES

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Los materiales metálicos constituyen los materiales fundamentales para ingeniería, o al menos así ha sido tradicionalmente. La extensión en el empleo estructural del acero principalmente, o del aluminio en determinadas industrias, hace imprescindible el estudio de este tipo de materiales.

Algunas de sus propiedades son:

Los metales se clasifican en:

 FERROSOS: Son aquellos materiales que tienen al hierro como elemento principal en su composición.  NO FERROSOS: Son aquellos materiales que NO tienen al hierro como elemento principal en su

composición.

 PRECIOSOS: Son aquellos que se encuentran en estado libre en la naturaleza, es decir, no se encuentran combinados con otros elementos formando compuestos. Los más representativos son el oro, (Au), la plata, (Ag), el paladio, (Pd) platino, (Pt), y el rodio, (Rh).

En el grupo de las aleaciones base hierro o aleaciones férreas se hallan los aceros al carbono, los aceros de baja aleación, los aceros de alta aleación y las fundiciones.

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Los aceros generalmente tienen un contenido en carbono comprendido entre el 0.05 % y el 2.0 % en peso. Las fundiciones normalmente contienen entre un 2.0 % y un 4.5 % en peso de carbono. Dentro de los aceros debe distinguirse el empleo o no de una cantidad significativa de elementos de aleación diferentes del carbono. De forma arbitraria, se emplea una concentración de un 5 por ciento en peso del total de elementos aleantes distintos del carbono como límite entre los aceros de baja aleación y los aceros de alta aleación. Los elementos de aleación deben seleccionarse cuidadosamente porque suponen un importante aumento del coste del material. Su uso queda justificado solamente por mejoras esenciales en ciertas propiedades, tales como una mayor resistencia o un mejor comportamiento frente a la corrosión.

La mayoría de los aceros incorporan una cantidad de aleantes mínima con el fin de mantener unos costes moderados. Son los aceros al carbono o aceros de baja aleación (con un total de aleantes distintos del carbono menor al 5 % en peso). Un cuidado especial en la selección de la aleación y en el procesado puede dar como resultado aceros de baja aleación y elevada resistencia (HSLA). En el caso de que las especificaciones de diseño sean exigentes, es necesario el uso de los aceros de alta aleación (con un total de aditivos distintos del carbono menor al 5 % en peso). La adición de cromo da lugar a los aceros inoxidables, con resistencia a la corrosión. Aleantes tales como el wolframio conducen a aleaciones de elevada dureza empleadas como aceros de herramientas. Las fundiciones presentan una amplia gama de comportamientos dependiendo de su composición y del procesado. Las fundiciones blanca y gris son típicamente frágiles, mientras que las fundiciones dúctiles y maleables se caracterizan por su ductilidad.

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CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono

El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican máquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc.

Aceros aleados

Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes

Es la familia de aceros más reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.

Aceros inoxidables

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decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.

Aceros de herramientas

Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

Las aleaciones no férreas y no ligeras incluyen una amplia gama de materiales. Las aleaciones de cobre y níquel resultan especialmente atractivas para resistencia química y a temperatura, y para aplicaciones eléctricas y magnéticas. Hay que destacar las superaleaciones metálicas, base níquel, base cobalto y base hierro como materiales de importancia por su muy buen comportamiento a elevadas temperaturas. Otras aleaciones no férreas de importancia son las aleaciones de cinc y las de plomo, así como los metales refractarios y los metales preciosos. Las aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y berilio, gracias a sus propiedades específicas, han encontrado un amplio uso en componentes estructurales ligeros.

Aplicaciones:

Los metales ferrosos se utilizan normalmente en aplicaciones donde la resistencia es el punto focal principal. El hierro fundido se utiliza para muchos propósitos, como en puertas, vallas de jardín, cubiertas de drenaje y sumideros. El acero fundido también se utiliza para muchos propósitos, tales como en herramientas y herrajes decorativos.

Los metales no ferrosos se utilizan en diversas aplicaciones, aprovechando su beneficio. Esta es la razón por la que los metales no ferrosos se utilizan normalmente en entornos industriales. Por ejemplo, ya que los metales no ferrosos tienen un peso más ligero, son beneficiosos en máquinas donde es importante la ligereza. Se suelen utilizar cuando la atracción magnética del hierro puede ser una desventaja. Los metales no ferrosos también son ideales para aplicaciones electrónicas y eléctricas.

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de su calidad. Y en el proceso de fabricación de acero reciclado, apenas hay merma de material: se da un rendimiento cercano al 100%, que no tiene ningún otro material, salvo los metales nobles.

En la construcción, el acero contribuye también al uso eficiente de los materiales de construcción y a la desmaterialización con un cada vez mejor ratio peso/resistencia, imbatible para cualquier otro material. Hoy se podría construir el Puente Golden Gate de San Francisco con la mitad del acero que se utilizó en 1937, con todas las garantías de seguridad. La durabilidad del acero y el mínimo mantenimiento que requiere permite construir edificios e infraestructuras de muy larga vida, ahorrando recursos.

En el campo del transporte (trenes, bicicletas, motos, automóviles, autobuses, barcos, aviones...), el acero aporta seguridad, larga duración, y una importante reducción de emisiones a través de la innovación en el diseño y el uso de aceros de alta resistencia que permiten reducir el peso y las emisiones.

En la producción y distribución de energía, nuevos tipos de acero eléctrico reducen las pérdidas de energía en los transformadores, y los aceros resistentes a altas temperaturas permiten fabricar tuberías altamente eficientes para el transporte del vapor en las modernas plantas de ciclo combinado. También el acero está íntimamente ligado al desarrollo de las energías renovables, ya que con acero se fabrican los aerogeneradores, los paneles solares, etc.

Asimismo en el almacenamiento y transporte de agua y alimentos, el acero aporta un alto grado de eficiencia. Las soluciones en acero para redes de suministro de agua potable mejoran la gestión del agua y reducen las pérdidas que se producen durante la distribución. Las latas de acero, por su parte, conservan los alimentos y bebidas preservando su valor nutricional sin necesidad de aditivos y no precisan refrigeración.

4. FUNDAMENTOS DE METALOGRAFIA

La metalografía es la preparación de especímenes para realizar una examinación microscópica seguida de un estudio de la microestructura en relación a las propiedades físicas, mecánicas y el método de fabricación de una aleación o material en particular. Esta técnica, como muchas otras, se complementa con otras técnicas, principalmente de microscopia y de análisis de imágenes. Los pasos primordiales de un ensayo metalográfico son: corte, montaje, desbaste, pulido, ataque químico y análisis microestructural.

El estudio de metalografía comprende en gran parte la observación de granos, la dirección, el tamaño y la composición de los mismos;

estas microestructuras pueden ser observadas en un rango entre 10-8 m y 10-2 m. El estudio de metalografía puede integrarse en dos subdivisiones: Análisis macroscópico y Análisis microscópico.

El análisis macroscópico es aquel que se puede realizar a simple vista, es decir sin necesidad de microscopio, dimensiones mayores a los 10-3_{m. Algunos ejemplos son:}

• Líneas de flujo en materiales forjados

• Capas en herramientas endurecidas por medio de tratamiento térmico • Zonas resultado del proceso de soldadura

• Granos en algunos materiales con tamaño de grano visible • Marcas de maquinado

• Grietas y ralladuras

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El análisis microscópico es aquel que no se puede realizar a simple vista, (menor a 10-3 m). Se emplea para observar las estructuras microscópicas en materiales, ayuda a comprender el comportamiento de los mismos. El análisis microscópico se puede usar en:

• Tamaño de grano

• Límites de grano y dislocaciones • Análisis microestructural

• Distribución de fases en aleaciones

Para comprender el análisis microscópico es necesario tener claridad sobre el concepto de grano y el funcionamiento del microscopio metalográfico.

Los metales son materiales de estructura policristalina, este tipo de materiales están compuestos por una serie de pequeños cristales los cuales se conocen convencionalmente como granos. Cada tipo de grano desde su concepción obtiene diferentes características físicas, por ejemplo, la orientación del mismo y la rugosidad en la superficie.

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ENSAYO DE METALOGRAFÍA

La preparación de una muestraconsiste en los pasos necesarios para poder analizar la misma de forma correcta. Específicamente se describen a continuación, los pasos para la preparación de muestras observadas en microscopio.

Selección de la muestra de estudio:

Consiste en remover una muestra del material analizado, teniendo en cuenta las convenciones en tamaño y qué tan representativa sea dicha porción del total a analizar.

Procedimiento de preparación de una muestra

1.- Corte transversal: Se deben cortar varios trozos pequeños del material a examinar. La ubicación de las muestras y la forma en que se corten afectarán los resultados y su interpretación. Dependiendo del tipo de pieza a examinar se determina el lugar de dónde extraer las muestras. Por ejemplo: Si se estudian perfiles o barras laminadas, deben extraerse probetas de sus extremos y parte media.

En una varilla de acero estirado en frío se pueden obtener las muestras de tal forma que quede expuesta una sección transversal o una longitudinal, y ambas secciones variarán notablemente su aspecto. Cuando el material a examinar es blando (acero al carbono recocido, aleaciones blandas de Al o de Cu), el corte se realizará con una sierra a mano y de diente grande (mientras más blando sea el material, más grande debe ser el diente de la sierra a utilizar, con el objeto de que la viruta sea fácilmente extraída de la zona de corte, evitando que al agruparse se adhiera a la superficie a estudiar, falseando la observación posterior). Los materiales duros (aceros aleados, templados, no ferrosos endurecidos) deben cortarse con discos abrasivos muy delgados de carbundum a altas velocidades y gran refrigeración. Los metales frágiles como fundición blanca, aceros templados, bronces ricos en estaño, etc, pueden romperse con golpe de martillo para extraer la probeta. En el caso del acero (y de algunas otras aleaciones), es necesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte.

2.- Montaje: si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande como para que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario montarla. Siempre que se pueda se eligen probetas de 20 x 20 mm y alturas de 15 mm. No obstante la mayoría de las veces la muestra es demasiado pequeña como para que pueda sostenerse de esta forma (por ejemplo un tramo de

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3.- Desbaste mediano: este proceso se efectúa usando lijas de grano cada vez más fino. La lija se sostiene sobre una superficie plana y dura, que puede ser acero o vidrio, y la

muestra se talla sin seguir un movimiento oscilatatorio, sobre el papel de lija. Cuando se termina de esmerilar con un tipo de lija, las marcas deben estar todas en la misma dirección, como se indica en la figura 2. Antes de continuar con la siguiente lija más fina, deben lavarse y secarse con cuidado tanto las manos como la muestra. Ahora, la muestra debe desplazarse en tal forma que las rayas hechas por las distintas lijas formen ángulos rectos con las del inmediatamente anterior. Así puede verse con claridad si se han eliminado las rayas más gruesas que se hicieron en la operación anterior, como se puede apreciar en la figura de al lado.

4.- Pulido: este procedimiento se basa en el uso de la rueda cubierta con un paño, cargada con una suspensión de alúmina. Periódicamente se deben aplicar unas gotas de detergente en solución y agua, para mejorar la acción cortante y la limpieza. Al principio, la muestra se sostiene en una posición sobre la rueda, sin hacerla girar, hasta que se hayan eliminado la mayoría de las marcas anteriores. Luego puede hacerse girar con lentitud en sentido contrario al de rotación de la rueda hasta que solo puedan verse las marcas dejadas por la alúmina. La rotación de la muestra reduce a un mínimo el peligro de formación de ranuras, por las que se extraen del metal partículas precipitadas. Se procede a hacer el pulido final después de lavar con sumo cuidado tanto las manos como la muestra, a fin de evitar cualquier contaminación de la rueda de pulido. A esta rueda cubierta de tela se le aplica una suspensión de alúmina. La muestra se hace girar con lentitud en sentido contrario al de la rotación de la rueda y se pule hasta que desaparecen las marcas dejadas por la alúmina anterior. Si los pasos descritos se realizan debidamente, este pulido no debe requerir más de dos minutos. Los resultados del pulido pueden mejorar si la última etapa de pulido se efectúa en una rueda de baja velocidad.

5.- Ataque químico: Un reactivo común para atacar el acero es el nital, que consiste de 2% de ácido nítrico disuelto en alcohol etílico. El nital se vierte en un recipiente (caja petri o cristalizador) y la muestra, lavada y secada previamente, se sumerge, agitándola suavemente durante un tiempo que oscila entre 5 y 20 segundos, dependiendo del contendido de carbono del acero y del tratamiento térmico previo. Inmediatamente después, se lava la muestra con agua corriente, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un chorro de aire. Para otros metales y aleaciones se usan diferentes reactivos. Se recomienda la técnica de frotación para ciertos metales y aleaciones en lugar de la técnica de inmersión.

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5. MATERIALES CERAMICOS

La palabra “cerámica” está presente en nuestro día a día y en muchos de los objetos que usualmente empleamos, desde una taza o una pieza de vajilla hasta en una torre de alta tensión, desde un azulejo o una baldosa hasta una bujía del coche. Y suele ser el producto de diversas materias primas, especialmente arcillas, que se fabrican en forma de polvo o pasta (para poder darles forma de una manera sencilla) y que al someterlo a cocción sufre procesos físico-químicos por los que adquiere consistencia pétrea. Dicho de otro modo, son materiales solidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico. Todos

ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o el caolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces.

Están formados por una combinación de fases cristalinas y/o vítreas. Se pueden presentar en función de la aplicación como sólido denso, polvo fino, película, fibra, etc. Los hay constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominándose monofásicos. Los constituidos por muchos cristales de la misma fase cristalina se denominan policristalinos. Los monocristales se refieren a materiales constituidos por un solo cristal de una única fase. En general los componentes de los materiales cerámicos, fase(s) cristalina(s) y/o vítrea(s), están formados por elementos metálicos y no metálicos Los enlaces en las diferentes fases pueden tener desde naturaleza iónica a covalente.

Clasificación:

Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos: Los cerámicos gruesos y los cerámicos finos.

Materiales cerámicos gruesos o porosos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas.

Los más importantes son:

 Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800 ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.

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 Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajillas y objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases:

1. Se cuece a unos 1100 ºC. tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte. 2. Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura

 Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1300 y los 1600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos y tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación, etc.).

Materiales cerámicos finos o impermeables: en los que se someten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son:

 Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1300 °C. Es muy empleado en pavimentos y paredes.

 Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1300 °C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea para vajillas, azulejos...

 Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín, mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1000 y 1300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).

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La cerámica avanzada también se conoce como cerámica técnica, de ingeniería o cerámica industrial. Estos términos engloban materiales cerámicos muy diferentes, y en parte muy especializados, que poseen propiedades bioquímicas, térmicas, eléctricas y mecánicas únicas así como una combinación de propiedades. En la tarea de diseñar componentes adecuados para aplicaciones de los más diversos sectores (aeronáutica, automoción, química, etc.) estamos acostumbrados a trabajar con los materiales denominados convencionales, entendiendo como tales básicamente el acero y sus variantes, aleaciones de uso común (aluminio, por citar uno de los más usuales), metales en sus diferentes formatos, desde el hierro forjado hasta el titanio, pasando por variantes especiales como el Cobre libre de O2 y materiales plásticos, y toda la amplia variedad de derivados.

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Algunas de las principales características de los materiales cerámicos avanzados (de Ingeniería), comparándolas con las de los aceros más usuales se muestran a continuación:

Característica Aceros Cerámicos

Densidad:

Menor densidad que el acero.

Resistencia Térmica:

Mucho más elevada que en el caso de los aceros: temperaturas de trabajo de hasta 1950 ºC. El bajo coeficiente de dilatación permite además que la geometría de las piezas se mantenga inalterada y precisa incluso en rangos muy amplios de temperatura.

Conductividad Eléctrica:

Las Cerámicas Técnicas presentan (salvo alguna excepción) muy altos niveles de aislamiento.

Resistencia a la Corrosión: Las Cerámicas Técnicas son especialmente aptas para ambientes corrosivos, ya que son prácticamente inatacables.

Módulo de Elasticidad:

En muchos casos la capacidad de carga de las Cerámicas Técnicas es comparable al acero. Con la ventaja adicional de que esta resistencia se mantiene en rangos mucho más amplios de temperatura.

Resistencia a Flexión:

Los aceros presentan una propiedad muy favorable en este aspecto y es su

elasticidad. La estructura de las Cerámicas Técnicas no admite esta flexibilidad, y por tanto su

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Característica Aceros Cerámicos

Resistencia a Compresión:

Las Cerámicas Técnicas permanecen inalteradas incluso bajo muy altas cargas compresivas.

Resistencia a Abrasión:

Las Cerámicas Técnicas tienen una dureza y una resistencia al desgaste superior incluso a la de un acero templado sobre el que se aplique un tratamiento superficial de alta dureza.

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Comparados con los metales son duros (pero frágiles) y no oxidables. Comparados con los plásticos no son combustibles. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas. Gran resistencia a altas temperaturas, con gran poder de aislamiento térmico y, también, eléctrico. Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos. Alta resistencia a casi todos los agentes químicos. Una característica fundamental es que pueden fabricarse en formas con dimensiones determinadas Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad.

Propiedades mecánicas: Son inferiores a las de los metales (son frágiles). Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía. A temperatura ambiente los cerámicos cristalinos y amorfos se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a la carga de tracción. La fractura frágil forma y propaga fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada. El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica. La capacidad de un cerámico para resistir la fractura cuando una grieta está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura.

El resto de las propiedades de los cerámicos se muestra en el diagrama siguiente:

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La palabra plásticos se utilizó como sustantivo de polímeros en el año de 1909, los plásticos forman parte de una gran gamma de materiales poliméricos que son formados por moléculas extremadamente grandes.

Debido a las propiedades únicas que estos materiales presentan, han desplazado y sustituido de manera creciente a componentes metálicos en diversas aplicaciones. Las principales propiedades que presentan los polímeros son: resistencia a la corrosión de los productos químicos, baja conductividad eléctrica y térmica, baja densidad o bajo peso, alta relación resistencia a peso particularmente cuando son reforzados con fibras como la fibra de vidrio, reducción del ruido, apariencia agradable de colores y transparencias, bajo costo y facilidad de manufactura. Pero el principal aspecto de la sustitución por los metales es debido a que los materiales poliméricos resisten más a la corrosión aunada al bajo peso.

La palabra plásticos procede del griego plastikos que significa “capaz de ser moldeado”. Los polímeros son en sí, moléculas de cadena larga que se forma a partir de polimerización, que es mediante el enlace cruzado de diferentes monómeros. Un monómero es la unidad básica de un polímero; la palabra mero proviene del griego mero que significa “parte”, indica la unidad repetitiva más pequeña. La palabra polímeros significa “muchos meros” o unidades, repetidas miles de veces en una estructura de cadena. La mayoría de los monómeros son materiales orgánicos que contienen átomos de carbono que se unen mediante enlaces covalentes con otros átomos como los de hidrógeno, nitrógeno, cloro, flúor, azufre y silicio.

CLASIFICACION Según su origen:

Naturales: Pueden encontrarse en la naturaleza, como el caucho. A partir de ellos se pueden fabricar otros polímeros de interés tecnológico.

Sintéticos: Obtenidos de productos derivados del petróleo en la torre de fraccionamiento.

Según su comportamiento frente al calor pueden ser:

Termoplásticos:

Son los polímeros que al calentarlos se ablandan, se pueden moldear y al enfriarlos se endurecen. Pueden llegar a fundirse varias veces, por este motivo son reciclables. El 80% de los plásticos son así.

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 Polietileno de baja densidad (LDPE): Se emplea en bolsas de basura y envases para alimentos. Es resistente a la corrosión, flexible, ligero, impermeable y no contamina los alimentos.

 Polietileno de alta densidad (HDPE): Es impermeable, no es tóxico, no contamina alimentos y es resistente aesfuerzos. Se emplea en envases para productos de limpieza del hogar y para higiene personal. También se usa en tuberías para gas, electricidad y telefonía.

 Polipropileno (PP): Sus propiedades son parecidas al polietileno, pero es más resistente al calor, es más duro y menos flexible. Se emplea en la fabricación de botellas, tubos y tuberías, juguetes, etc.

 Cloruro de polivinilo (PVC): Es muy resistente químicamente, es fácil de trabajar con calor, es resistente a la intemperie y no es tóxico. Se usa en tuberías de agua (plástico de fontanería), desagües, revestimiento de cables, mangueras y construcción (puertas y ventanas).

 Poliestireno (PS): Se usa en embalajes (corcho blanco), bandejas de alimentos, vasos de yogur y en su versión compacta sirve para carcasas de electrodomésticos. Es frágil, ligero, presenta baja resistencia al calor y buena resistencia al impacto. Además, no contamina alimentos.

 Policarbonato (PC): Se emplea en la fabricación de CDs, visores para cascos y lentes de gafas. Presenta alta resistencia al calor, es 200 veces más resistente al impacto que el vidrio y es transparente.

 Metacrilato (PMMA): Es el sustituto habitual del vidrio de aviones, barcos, letreros luminosos, tragaluces, etc. Es duro, rígido y transparente. También es más resistente al impacto que el vidrio.

 Teflón (PTFE): Presenta alta resistencia al calor y los agentes químicos, es caro, buen aislante y muy inerte. Se usa como antiadherente en sartenes y cacerolas.

Termoestables:

Son los plásticos que una vez formados no pueden volver a moldearse o fundirse, porque se descomponen y se carbonizan. Suelen ser más duro y resistentes que los otros, pero son más frágiles, porque si los intentas doblar se fracturan.

 Fenoles (PF): Es un excelente aislante térmico y eléctrico, es muy resistente a los ataques químicos y a los esfuerzos y posee gran dureza. Se emplea en dispositivos eléctricos (enchufes, etc.) y pomos de utensilios de cocina.

 Melamina (MF): Es resistente a ataques químicos y es un buen aislante. Se usa para recubrir tableros de madera.

 Resinas epoxi (EP): Posee buena resistencia química y a los esfuerzos, además, es muy duro. Se usa en adhesivos de dos componentes (poxipol) y en el revestimiento interior de lata.

Elastómeros:

Un elastómero es un polímero que cuenta con la particularidad de ser muy elástico pudiendo incluso, recuperar su forma después de ser deformado.

 Caucho (CA): Es muy flexible y resistente al calor, los factores químicos, al gas...etc. Se emplea en la fabricación de neumáticos, suelas de zapatos y guantes.

 Poliuretano (PUR): Es flexible y es un buen aislante térmico. Se usa en la fabricación de licra que es una variedad para prendas de ropa elástica. En forma de espuma se conoce como gomaespuma y se usa para colchones y asientos.

 Silicona (SI): Se emplea para sellar juntas en fontanería y para implantes. Es flexible y no le afecta el calor.

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Los polímeros tienen gran cantidad de usos, pues, encontramos polímeros con diversas propiedades debido a las estructuras que presentan.

De esta manera, podemos mencionar propiedades que presentan todos los polímeros como: -Un bajo costo de producción

-Alta relación resistencia mecánica/densidad

-Alta resistencia al ataque de sustancias químicas, como los ácidos o las bases -No son conductores de la electricidad

Sin embargo, hay otras propiedades que no están presentes en todos los polímeros, y de las cuales depende el uso que se les dará. Estas propiedades son las mecánicas, las físicas y su comportamiento frente al calor.

Propiedades mecánicas

Estas propiedades se relacionan con el comportamiento del polímero frente a distintos procesos mecánicos. Entre estas propiedades se encuentran:

-La resistencia; que se relaciona con la firmeza de un polímero frente a la presión ejercida sobre ellos sin sufrir

cambios en su estructura. Un ejemplo de un polímero resistente es el policarbonato:

-La dureza; que es la capacidad de un polímero de oposición a romperse. Un polímero con elevada dureza es

el polietileno.

-La elongación; es la capacidad de un polímero de estirarse sin romperse cuando se ejerce una presión externa.

Los polímeros que poseen esta propiedad también se denominan elastómeros, como por ejemplo, el polibutadieno.

Propiedades físicas

Según las características físicas que tenga el polímero, estos se pueden clasificar como:

-Fibras: Presentan baja elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas

dimensiones permanecen estables. Por ejempli: algodón, lana, seda, nailon, poliéster, dacrón, etc.

-Elastómeros: Son materiales con alta extensibilidad y elasticidad; es decir, se deforman mucho al someterlos

a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. Por ejemplo: caucho, neopreno, etc.

-Plásticos: Ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su

forma original. Por ejemplo: poliestireno, PVC, plexiglás o acrílico, etc.

-Recubrimientos: Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales

para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

-Adhesivos: Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o

más cuerpos por contacto superficial.

Comportamiento del polímero frente al calor

Frente al comportamiento de los polímeros frente al calor y la temperatura, podemos encontrar dos tipos de polímeros:

-Termoplásticos: Son polímeros que se caracterizan por presentar cadenas lineales y ramificadas no unidas,

por lo cual, las fuerzas intermoleculares son fáciles de vencer con la temperatura, poniéndose cada vez más blandos. A temperatura ambiente son rígidos. Por lo tanto se pueden fundir varias veces para poder moldearlos y posteriormente, adquieran la forma que se busca, sin que experimenten cambios en su composición ni su estructura. Ejemplos de polímeros termoplásticos son el polietileno, el nylon y el poliestireno.

-Termoestables. Son polímeros cuyas cadenas están interconectadas entre sí, provocado por el calor, dándole

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Los polímeros según su consumo:

De gran consumo (Comodities)

Estos son los plásticos más utilizados y comercializados en el mundo, los cuales tienen buenas propiedades y su precio va de un nivel bajo a moderado. Plásticos como el polietileno, polipropileno y PET son parte de este grupo.

De Ingeniería

Este término se emplea para los plásticos que presentan un alto desempeño funcional junto con un excelente conjunto de propiedades como resistencia mecánica y límites de temperatura elevados. Estos polímeros suelen ser más caros que los comodities y tampoco se comercializan los mismos volúmenes, pero aun así su consumo si es significante dentro del mercado de los plásticos. Algunos plásticos que conforman este grupo son poliamidas, poliacetales y poliéster termoplástico.

De Especialidades

Estos plásticos presentan propiedades sobresalientes, como, bajo índice de fricción y elevada resistencia dieléctrica. El precio de estos plásticos se encuentra muy por arriba de los plásticos de ingeniería y tanto el consumo como el número de aplicaciones es muy limitada.

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Aplicaciones:

Si miramos a nuestro alrededor vemos una computadora, cuya carcasa está fabricada con una poliofefina o un policarbonato y que contiene poliuretanos modificados como retardadores de llama, que evitan posibles incendios provocado por el calor generado por los componentes electrónicos. También, tenemos cerca de nosotros, la funda de la computadora, que está fabricada de neopreno, que es el mismo material con el que se hacen los trajes para deportes extremos, como el buceo.

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7. MATERIALES COMPUESTOS

Diferentes aplicaciones de alta tecnología requieren materiales con propiedades inusuales, por ejemplo: • Industria aeroespacial

• Industria automotriz • Industria de la construcción • Industria del deporte

Los materiales compuestos combinan materiales con el objetivo de obtener la mejor combinación de propiedades. Por ejemplo: la flexibilidad y peso de un polímero con la resistencia de una cerámica.

• Principio de acción combinada

– Las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos o más materiales diferentes. – Materiales compuestos en la naturaleza:

– Madera (fibras de celulosa flexible rodeada y sostenida por la lignina que es rígida). – Huesos (Colágeno suave y el mineral duro y frágil apatita).

De acuerdo con este principio de acción combinada, las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos o más materiales diferentes. Muchos materiales compuestos tienen propiedades excepcionales.

Un material compuesto es en este contexto un material hecho artificialmente. Sus constituyentes son químicamente distintos y separados por diferentes interfases.

A continuación se muestra una clasificación de los materiales compuestos:

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dispersa" significa, en este con texto, la forma, el tamaño, la distribución y la orientación de las partículas; estas características están representadas en la figura siguiente:

Materiales Reforzados con Partículas

Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con partículas grandes y

consolidados por dispersión. Esta distinción se fundamenta en el mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término "partículas grandes" se utiliza para indicar que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga. El grado de reforzamiento mejora del comportamiento mecánico y depende de la fuerza de cohesión en la intercara matriz-partícula. Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión normalmente son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.

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Algunos ejemplos de aplicación de materiales compuestos endurecidos por dispersión son: contactos eléctricos, componentes de turborreactores, rejillas para baterías, filamentos de calentadores, hasta incluso en la industria aeroespacial y en reactores nucleares.

Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos excepcionalmente elevados.

Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra. En el caso de fibras cortas, éstas suelen ser demasiado cortas para conseguir un apreciable aumento de resistencia.

Materiales compuestos con fibras discontinuas y alineadas.

Aunque la eficacia del reforzamiento con fibras discontinuas es inferior a la originada por fibras continuas, los materiales compuestos reforzados con fibras discontinuas y alineadas tienen una importancia cada vez mayor. Las fibras de vidrio cortadas se utilizan mucho; al igual que las fibras discontinuas de carbono y de aramida. Estos compuestos con fibras cortas alcanzan módulos de elasticidad y resistencia a la tracción de aproximadamente el 90% y el 50%, respectivamente, de los materiales compuestos con fibras continuas. Influencia de la orientación y colocación de las fibras.

Es de transcendental importancia en las propiedades de los materiales compuestos la cantidad y la orientación de las fibras que lo refuerzan. Se presentan dos situaciones extremas: a) Las fibras se encuentren perfectamente alineadas. Esto suele ocurrir en los compuestos reforzados con fibras continuas. b) Las fibras se encuentran al azar. Se puede afirmar que las mejores propiedades de los materiales compuestos se consiguen cuando las fibras están uniformemente distribuidas.

En la figura siguiente se representa esquemáticamente a los compuestos reforzados con fibras a) continuas y alineadas, b) discontinuas y alineadas y c) discontinuas y orientadas al azar.

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Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, éstas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo.

Materiales compuestos con fibras continuas alineadas.

En cualquier material compuesto se debe distinguir en el modo de aplicación de las cargas. No es lo mismo aplicar la carga en el sentido longitudinal a las fibras que en sentido transversal. Un material compuesto reforzado con fibras alineadas se usa para trabajar con cargas paralelas al eje de sus fibras.

Las fibras más utilizadas son las de vidrio, carbono y aramida. Estos tres materiales poseen una resistencia a la tracción extremadamente alta. Sin embargo, esto no parece muy evidente cuando los pensamos como sólidos macizos.

Fibra de vidrio.- Son las fibras más comúnmente utilizadas, en principio porque su costo es menor a las de carbono o aramídicas. Las matrices más comunes son las resinas de poliéster. Tienen una densidad y propiedades a la tracción comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y módulo de tensión, aunque pueden sufrir mayor elongación sin romperse. Las aplicaciones más comunes son: carrocerías de automóviles y barcos, recipientes de almacenaje, principalmente la industria del transporte en general. Fibra de carbono.- Es una forma de grafito en la cual estas láminas son largas y delgadas. Los manojos de estas cintas se empaquetan entre sí para formar fibras, de ahí el nombre fibra de carbono. La fibra de carbono es un material amorfo: las cintas de átomos de carbono están azarosamente empaquetadas o apretadas, juntas. Esto hace que ante una tensión de tracción, las hojas se “traben” unas con otras, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando, grandemente, su resistencia. La fibra de carbono que utilizamos en la actualidad como refuerzo de materiales compuestos se fabrica a partir de un polímero llamado poliacrilonitrilo (PAN), a través de un complicado proceso de calentamiento. Los filamentos de fibra de carbono tienen un diámetro que oscila entre 5 y 8 mm y están combinados en mechas que contienen entre 5000 y 12000 filamentos. Estas mechas pueden retorcerse en hilos y formar tejidos. Las fibras de carbono tienen alta resistencia mecánica y alta rigidez, pero son poco resistentes al roce y al impacto de baja energía.

Fibras orgánicas.- La aramida es un filamento orgánico que proviene de ciertos derivados del petróleo. Su nombre se deriva de las funciones orgánicas que poseen: aromático y amida. Se utilizan en estructuras compuestas, como en las fibras de Kevlar. Sólo se fabrica como fibra (mediante fricción en solución), tiene una estabilidad y resistencia térmica y a las llamas muy altas. Sus propiedades de tracción son superiores a las de las fibras textiles normales debido a un alto grado de orientación molecular resultante de sus moléculas lineales rígidas y de su propensión a formar cristales líquidos durante la fricción en solución. Se utilizan, ampliamente, en los compuestos más ligeros que aislantes eléctricos que se basan en fibra de carbono. Sus propiedades mecánicas suelen ser inferiores. Su coeficiente específico de tracción es alto y cercano al de los compuestos de fibra de carbono pero su resistencia a la compresión es bastante débil.

La matriz de un material compuesto soporta las fibras manteniéndolas en una posición correcta, transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de sufrir daños durante su manufactura y su uso y evitan la propagación de grietas en las fibras a lo largo del compuesto.

La matriz es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento y el uso a temperaturas elevadas del compuesto.

También se selecciona la matriz en función de la aplicación, por ejemplo: las matrices poliméricas son buenas ya que son moldeables; las matrices metálicas resisten altas temperaturas.

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interfase es débil, la transferencia de carga de la matriz a la fibra no será eficiente y/o bien será la matriz la que termine soportando las cargas (y fallando, puesto que no es muy resistente), o se producirán huecos entre la matriz y las fibras, lo cual llevará a la rotura de la pieza. Lograr una buena adhesión entre la fibra y la matriz no es tarea fácil, ya que en general se trata de materiales de familias diferentes (polímero - vidrio, metal - cerámico) y la buena adhesión depende del contacto íntimo de los átomos en la superficie de uno y otro componente. Es por eso que existe toda un área de desarrollo de aditivos con los cuales recubrir a las fibras para que resulten más compatibles con la matriz, y aumenten la adhesión entre los componentes del material compuesto.

Materiales compuestos estructurales

Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los compuestos laminares y los paneles sándwich son dos de los compuestos estructurales más comunes.

Materiales compuestos laminares:

Un material compuesto laminar consta de láminas o paneles que tienen una dirección preferente con elevada resistencia, tal como ocurre en la madera y en los plásticos reforzados con fibras continuas y alineadas. Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de modo que la orientación de la dirección de levada resistencia varía en cada una de las sucesivas capas. Por ejemplo, en la madera contrachapada, las direcciones de elevada resistencia de las sucesivas capas forman ángulos rectos entre sí. Las láminas también se pueden construir utilizando materiales plásticos para la matriz y algodón, papel o fibra de vidrio tejida como material de refuerzo. Así, un material compuesto laminar es relativamente resistente en varias direcciones del plano bidimensional; sin embargo, la resistencia en una dirección determinada es, desde luego, menor que la que resultaría del alineamiento de todas las fibras en esa dirección. Un ejemplo de una estructura laminar relativamente compleja es la de los esquís modernos.

Paneles sandwich:

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separa las caras y resiste la deformación perpendicular al plano de la cara. En segundo lugar, aporta cierto grado de resistencia a la cizalladura a lo largo de los planos perpendiculares a las caras. Como núcleo se utilizan varios tipos de materiales y estructuras, como por ejemplo polímeros espumosos, cauchos sintéticos, cementos inorgánicos y madera balsa. Otro popular núcleo consiste en una estructura "en panal": delgadas láminas dispuestas en forma de celdillas hexagonales trabadas con sus ejes perpendiculares a los planos de las caras. El material del panal puede ser similar al de las caras. Se construyen paneles sandwich para gran cantidad de aplicaciones: techos, suelos y paredes de edificios, y, en aviación, para revestimientos de alas, fuselajes y planos estabilizadores de cola de aviones.

Propiedades de los materiales compuestos

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Dado que los materiales compuestos combinan resinas con fibras de refuerzo, las propiedades del material resultante combinarán de alguna manera las propiedades de cada uno de estos dos componentes. Las propiedades del material compuesto estarán determinadas por:

 Las propiedades de la fibra  Las propiedades de la matriz

 La relación entre la cantidad de fibra y de resina en el material (la fracción en volumen de fibra)  La geometría y orientación de las fibras en el compuesto

La mayoría de los materiales compuestos poseen una alta resistencia mecánica al mismo tiempo que una baja densidad, lo cual permite realizar estructuras y dispositivos resistentes y a la vez livianos. A la relación entre la resistencia mecánica y la densidad se la denomina resistencia específica. Como se observa en las figuras de la página anterior, los cerámicos y los metales aventajan a los compuestos en mayor resistencia, mientras que los polímeros poseen en general la menor densidad, pero al evaluar ambas propiedades juntas, los materiales compuestos son la opción más conveniente. Esto se debe a que al utilizar una matriz polimérica logramos una baja densidad; mientras que las fibras aportan la resistencia mecánica, pero como son la fase minoritaria no agregan demasiado peso al material.

Resistencia a la corrosión:

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8. CONCLUSIONES

La ingeniería de los materiales (en conjunto, ciencia e ingeniería de los materiales) tiende un puente entre el conocimiento acerca de los materiales y las ciencias básicas (y las matemáticas) y las disciplinas de la ingeniería. La ciencia de los materiales se interesa primordialmente por el conocimiento básico sobre los materiales, mientras que la ingeniería de los materiales se interesa por el empleo de conocimiento aplicado sobre éstos. Las tres clases principales de materiales son metálicos, poliméricos y cerámicos. Una clase más de materiales, muy importante en la tecnología moderna, son los materiales compuestos. Las tres primeras categorías pueden relacionarse con los distintos tipos de enlace atómico. Los materiales compuestos abarcan combinaciones de dos o más materiales pertenecientes a las tres categorías anteriores. Estas cuatro categorías constituyen los materiales estructurales. En este trabajo se estudiaron todas estas clases de materiales.

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9. BIBLIOGRAFÍA

1. Callister, W. D. (2002). Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Editorial Reverté S.A.

2. Smith, W. F., Hashemi, J., Avilés, L. C., & Velasco, J. A. B. (2006). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. McGraw-Hill.

3. Shackelford, J. F., Piris, A. M., Mur, G., Marrero, F. J. C., Mur, J. M. J. G., Manero, J. M. C., & Tricario, E. J. (2010). Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros (No. 691). Pearson. 4. Askeland, D. R., & Phulé, P. P. (1998). Ciencia e Ingeniería de los Materiales (Vol. 3). International

Thomson Editores.

5. William, F. S. (1998). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Editorial McGraw-Hill.

6. Flinn, R. A., & Paul, K. (1989). Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones. McGraw-Hill. 7. Ashby, M. F., & Jones, D. R. (2009). Materiales para Ingeniería 1: Introducción a las propiedades,

las aplicaciones y el diseño (Vol. 1). Reverté.

8. Ashby, M. F., & Jones, D. R. (2009). Materiales para Ingeniería 2: Introducción a la Microestructura, el procesamiento y el diseño (Vol. 2). Reverté.

9. Pero-Sanz, J. A. (2000). Ciencia e Ingeniería de Materiales. CIE Dossat.

10.Salas-Banuet, Guillermo, Baena, O. J. R., Cockrell, B. R., Ramírez-Vieyra, José & Noguez-Amaya, M. E. (2012). La Química y la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Dyna, Vol. 79, no 175, p.

70-96. http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=49624956011

11.Interrante, L. V., Caspar, L. A., & Ellis, A. B. (Eds.). (1995). Materials Chemistry: An Emerging Discipline. American Chemical Society.

12.Kittel, C. (1995). Introducción a la Física del Estado Sólido. Reverté.