nvase ase para para bebi bebida das s es un artíc artículo ulo cono conocid cido o que que se fabr fabrica ica con con tres tipos tipos E l eenv
difere diferente ntes s de mater material iales. es. Las Las bebid bebidas as se com comercia ercializ lizan an en latas latas de alum aluminio inio (meta (metal) l) (par (parte te supe superio rior), r), en botel botellas las de vidrio vidrio (cerám (cerámica) ica) (centr (centro) o),, y en botell botellas as de plástic plástico o (polí (polím mero) ero) (par (parte te infer inferior ior)~ )~ (El (El perm permiso para para usar usar estas estas foto fotogr grafí afías as fue fue conc conced edido ido por por la Com Compañía pañía Coca Coca Cola. Cola. Coca-C Coca-Cola, ola, Coca Coca-C -Cola ola Classic, Classic, el diseño de Conto Contour ur Bottle Bottle y el Dynam ynamic Ribbon Ribbon son marcas arcas comerciales erciales registrad registradas as de la compañ compañía ía Coca-C Coca-Cola que que se usan usan con su autoriz autorizació ación n expresa expresa.) .)
•1
Objetivos bjetivos de aprend aprendizaje izaje Despu espués és de estud estudia iarr
este este capí capítu tulo lo uste usted d será será capaz capaz de: de:
1. Seña Señala larr seis seis dife difere rent ntes es clas clasif ific icac acio ione ness de las propie propiedad dades es de los mater material iales es que determ determine inen n su aplicabilid aplicabilidad. ad. 2. Men Menci cion onar ar los los cuat cuatro ro comp compon onen ente tess que que inte interv rvie iene nen n en el dise diseño ño,, la pro produ ducc cción ión y el uso de los materiales materiales,, y desc descri ribi birr brev brevem emen ente te las las interr interrela elacio ciones nes entre entre estos estos compon component entes. es. 3. Indic Indicar ar tres tres crite criteri rios os impo import rtan ante tess en el proc proces eso o de selecc selección ión de mater material iales. es. 4. (a) Enunc Enunciar iar las tres tres clasif clasifica icacio ciones nes prima primaria riass de los los mater materia iale less sólid sólidos os,, y lue luego go cita citarr la
cara caract cter eríst ístic ica a quím químic ica a dist distin intiv tiva a de cada cada una. (b) (b) Indi Indica carr los los dos tipos tipos de mate materi rial ales es avanzados y, par para a cada cada uno, uno, su(s su(s)) caracter característica ística(s) (s) distintiva(s distintiva(s). ). 5. (a) (a) Defin Definir ir brevem brevement ente e "siste "sistema ma/ma /mater terial ial intelig inteligent ente" e" . (b) (b) Expl Explic icar ar bre breve veme ment nte e el conc concep epto to de "nan "nanot otec ecno nolo logí gía" a" tal tal como como se apl aplic ica a a los los materiales.
1.1 PERS PERSPE PECTI CTIVA VA HISTÓ HISTÓRIC RICA A Probab Probablem lement entee el emple empleo o de material materiales es está está más arraig arraigado ado en nuestra nuestra cultur culturaa de lo que que nos percatamos la mayoría. El transporte, la vivienda, el vestido, la comunicación, la recreación y la produc producció ción n de alimen alimentos tos,, prácti práctica camen mente te cada cada segmen segmento to de nuestr nuestraa vida vida cotidi cotidiana ana está está influido influido en mayor o menor grado por los materiales materiales.. Desde Desde la antigüe antigüedad, dad, el desarro desarrollo llo y proprogreso de las sociedad sociedades es ha estado estado íntimamen íntimamente te ligado ligado con la capacida capacidad d de sus miembros miembros para producir y manipular materiales para satisfacer sus necesidades. necesidades. De hecho, las civilizaciones primitivas son designadas por el nivel de desarrollo de sus materiales (es decir, Edad de Piedra, Edad Edad de Bronce Bronce,, Edad Edad de Hierro) Hierro).l .l Los Los prim primer eros os sere seress humano humanoss tení tenían an acce acceso so sola solame ment ntee a un núme número ro muy muy limita limitado do de materiales materiales,, aquellos aquellos que existen en la naturaleza: naturaleza: piedra, piedra, madera, madera, arcilla, arcilla, pieles, pieles, etcétera. etcétera. Con el tiempo tiempo descubrie descubrieron ron técnicas técnicas para producir producir materiales materiales que tuvieran tuvieran propiedades propiedades superiores superiores a las de los materi materiale aless natura naturales les;; estos estos materi materiale aless nuevos nuevos incluían incluían la cerámic cerámicaa y difere diferente ntess metale metales. s. Aún más, más, se descu descubri brió ó que las prop propied iedade adess de un materi material al podían podían altera alterarse rse con tratamien tamientos tos térmic térmicos os y con la adició adición n de otras sustan sustancia cias. s. En esta esta etapa, etapa, el uso de los materia materia-les era era totalmen totalmente te un proces proceso o de selecc selección ión que contem contempla plaba ba escoge escogerr de un conju conjunto nto dado dado y limitado limitado de materiales materiales aquel aquel que se ajustara ajustara mejor a una aplicación aplicación en virtud virtud de sus caracte caracte-rísticas. rísticas. No fue sino hasta hasta tiempos tiempos relativame relativamente nte recientes recientes que los científ científicos icos llegaron llegaron a entenentender la relac relación ión entre entre los elemen elementos tos estru estructu ctural rales es de los materia materiales les y sus propie propiedad dades. es. Este Este conoci conocimie miento nto,, adqui adquirid rido o en los último últimoss 100 años años aproxi aproximad madame amente nte,, les ha dado dado poder poder para para moldear, moldear, en gran medida, medida, las carac caracterís terísticas ticas de los materiale materiales. s. Así, han surgido surgido y evolucio evolucionanado decenas decenas de miles de materiales materiales diferentes diferentes con característi características cas más bien bien especiali especializada zadass que satisface satisfacen n las necesid necesidades ades de nuestra moderna moderna y compleja compleja sociedad sociedad;; éstos éstos incluyen incluyen metales, metales, plásticos, vidrios y fibras. El desarrollo desarrollo de muchas muchas tecnología tecnologíass que hacen tan cómoda cómoda nuestra nuestra existenc existencia ia ha estado estado relaci relaciona onado do íntima íntimamen mente te con la dispon disponibi ibilid lidad ad de materia materiales les adecua adecuados dos.. Un avance avance en el conocimie conocimiento nto de un tipo de material material suele ser el precursor precursor del progres progreso o gradual gradual de una tecnología. logía. Por ejempl ejemplo, o, los autom automóvi óviles les no habrí habrían an sido sido posibl posibles es sin la disponi disponibil bilida idad d de acero acero barato o de algún otro sustituto comparable. En nuestra era contemporánea, contemporánea, los aparatos electrónicos trónicos sofisticad sofisticados os dependen dependen de compone componentes ntes que se hacen hacen de lo que se denomina denomina materiamateriales semiconductores.
1
Las fechas fechas aproxi aproximad madas as
de los los inicio inicioss de la Edad Edad de Piedra Piedra,, Edad Edad de Bronce Bronce y Edad Edad de Hierro Hierro son 2.5 2.5 millomillo-
nes nes de años años a.C. a.C.,, 3500 3500 a.C. a.C. y 1000 1000 a.C., respectivam respectivamente. ente. 2 •
1.2 Lacienc Laciencia ia e inge ingeniería de materia teriale les s • 3 1.2
LA CIEN IENCIA E ING INGENIER IERíA DE DE MATE ATERIALES IALES
Algun Algunas as veces veces es útil útil subdiv subdividi idirr la discipl disciplina ina de la ciencia ciencia e ingenier ingeniería ía de material materiales es en las ingeniería ería de materiales. materiales. Estric subdisciplin subdisciplinas as de ciencia de materiales e ingeni Estrictame tamente nte hab hablan lando, do, la "cienci "cienciaa de materia materiales" les" incluy incluyee la investig investigació aciónn de las relacion relaciones es que existen existen entre entre las estructu tructuras ras y las las propi propieda edades des de los materia materiales. les. En con contras traste, te, la "ingen "ingenierí ieríaa de materiales materiales"" es, partiendo de las correlaciones de estructura-propiedades, el diseño o la ingeniería de la estructura estructura de un material material para producir producir un conjun conjunto to predetermina predeterminado do de propiedades propiedades..2 Desde una perspe perspectiv ctivaa funcio funcional nal,.,. el papel papel de un científi científico co de materia materiales les es desarro desarrollar llar o sintetiza sintetizar r materia materiales les nue nuevos vos,, mientras mientras que el ingeni ingeniero ero de material materiales es está llamad llamadoo a crear crear produc productos tos o sistemas sistemas nue nuevos vos usando usando los materia materiales les existen existentes tes y/o desarroll desarrollar ar técnica técnicass para para el proc procesaesamiento miento de los materi materiales ales.. La mayoría mayoría de los estudian estudiantes tes en los progra programas mas de especial especialida idadd en materia materiales les son prepar preparado adoss para para desemp desempeña eñarse rse como como científi científicos cos de material materiales es e ingen ingeniero ieross de materiales. "Estru "Estructu ctura" ra" es en este punto punto un término término con confus fusoo que merece merece una exp explica licació ción. n. En poc pocas as palabras, la estructura de un material generalmente se relaciona con la disposición de sus componentes internos. La estructura subatómica tiene que ver con los electrones dentro de los átomos individuale individualess y la interacción interacción con sus núcleos. núcleos. En el nivel nivel atómico, atómico, la estructura estructura comprende comprende la organi organizaci zación ón de los átomos átomos o molécula moléculass relacio relacionad nados os entre entre sÍ. El siguient siguientee reino reino estruct estructura urall más grand grande, e, que con contien tienee grupos grupos grandes grandes de átomos átomos que normalm normalment entee forman forman aglome aglomerad rados, os, se denomi denomina na "micro "microscóp scópico ico", ", porque porque para para su observa observació ciónn directa directa está sujeto sujeto al uso de algún algún tipo de microscopi microscopio. o. Finalmente, Finalmente, los elemento elementoss estructurales estructurales que pueden pueden observarse observarse a simple vista se denominan denominan "macroscópic "macroscópicos". os". La noción noción de "pro "propie piedad dad"" merece merece profun profundiz dizació ación. n. Durant Durantee su uso uso en el servici servicio, o, todos todos los mate material riales es están están exp expuest uestos os a estím estímulo uloss externo externoss que evocan evocan algún tipo tipo de respue respuesta. sta. Por ejemplo ejemplo,, una probeta probeta sujeta sujeta a fuerzas fuerzas exp experim eriment entará ará deform deformació ación, n, o una superfic superficie ie metálimetálica pulida pulida reflejar reflejaráá la luz. luz. Una Una propied propiedad ad es una una caracter característi ística ca del materia materiall en términ términos os de la clase clase y magnit magnitud ud de respue respuesta sta a un un estímul estímuloo específ específico ico impues impuesto. to. En general, general, las defin definiiciones ciones de las propie propiedad dades es se hacen hacen indepen independie diente ntemen mente te de la forma forma y tamaño tamaño del materi material. al. Prácticamente, Prácticamente, todas las propiedades propiedades importantes importantes de los materiale materialess sólidos sólidos pueden pueden agru parse en seis categorías diferentes: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y de deterio deterioro. ro. Para Para cada cada una existe existe un tipo tipo caracter característi ístico co de estímulo estímulo capaz capaz de provoc provocar ar respues respues-tas diferen diferentes. tes. Las propied propiedade adess mecáni mecánicas cas relacio relacionan nan la deform deformació aciónn con una carga carga o fuerza fuerza aplicada; aplicada; ejemplos ejemplos de está son el módulo módulo de elasticidad elasticidad y la resistenc resistencia. ia. Para las propiedades propiedades eléctricas, eléctricas, como conductividad conductividad eléctrica y constante constante dieléctrica, dieléctrica, el estímul estímuloo es un un campo eléctrico. trico. El comportam comportamien iento to térmico térmico de los sóli sólidos dos puede puede represe representa ntarse rse en términos términos de capacicapacidad calorífica calorífica y condu conductivid ctividad ad térmica. térmica. Las propied propiedades ades magnéticas magnéticas muestran muestran la respuesta respuesta de un material a la la aplicación aplicación de un campo magnético. magnético. Para las propied propiedades ades ópticas, ópticas, el estímulo estímulo es la radiación radiación electromagnéti electromagnética ca o la radiación radiación lumínica; lumínica; el índice índice de refracción refracción y la la reflectivireflectividad son propiedades propiedades ópticas ópticas representativas. representativas. Finalmente, Finalmente, las características características de deterioro deterioro están relacio relacionad nadas as con la reactivid reactividad ad química química de los materiales materiales.. Los capítu capítulos los que siguen siguen estudia estudiann las propied propiedades ades que se consideran consideran en cada una de estas seis clasificacio clasificaciones. nes. Además Además de la la estructura estructura y las propiedades propiedades,, existen otros otros dos componente componentess importantes importantes en la ciencia ciencia e ingeniería ingeniería de materiales, materiales, a saber, saber, "procesado" "procesado" y "compo "comportamien rtamiento". to". Con respecto respecto a las relac relacion iones es de estos estos cuatro compone componente ntes, s, la estruc estructur turaa de un material material dep depend enderá erá de cómo cómo sea procesad procesado. o. Aún más, el comportamien comportamiento to de un material será una una función función de sus propiedapropiedades. Así, la la interrelaci interrelación ón entre procesado, procesado, estructura, estructura, propiedade propiedadess y comportamien comportamiento to es como se descri describe be en el diagra diagrama ma que se muestra muestra en la figura figura 1.1. 1.1. A lo largo largo de este texto se subrasubra-
A lo largo de este texto se dirige la atención a las relaciones entre las propiedades de un material y los elementos estructurales. 2
Capítulo 4 • Ca
1 I Introducción
;:1 ;: 1 -1 '
QlmpÓrtam~nlO
I
Figura 1.1 Las cuatro cuatro component componentesde esde la disciplinade disciplinade la cienci cienciae ae ingeniería ingeniería de los material materiales es y su interrelación.
yan las relaciones relaciones entre estos cuatro cuatro component componentes es en términos términos del diseño, diseño, producción producción y uso uso de los materiales. Presentamo Presentamoss ahora un ejemplo de estos principios principios de procesado procesado-estru -estructura ctura-prop -propiedad iedadesescompor comportam tamien iento to en la figura figura 1.2, 1.2, una fotogra fotografía fía que muestra muestra tres tres probetas probetas de disco disco delgad delgadas as coloca colocadas das sobre sobre un materi material al impres impreso. o. Es eviden evidente te que las propie propiedad dades es óptica ópticass (es decir decir,, la transm transmita itanci nciaa de luz) luz) de cada cada uno de los tres tres materiale materialess son diferen diferentes tes;; el de la izquier izquierda da es transp transpare arente nte (es decir decir,, prácti prácticam cament entee toda toda la luz reflejad reflejadaa lo atravies atraviesa), a), mientra mientrass que los disdiscos del del centro y de la derech derechaa son translúcido translúcido y opaco, opaco, respectiva respectivamente mente.. Todas estas probetas probetas son del mismo material, material, óxido de aluminio, aluminio, pero el de la extrema extrema izquierda es lo que que se denomina mina un cristal cristal individ individual ual -es decir, decir, es muy perfec perfectoto- lo que que da lugar lugar a su trans transpar parenc encia. ia. El del centro centro está está compuest compuesto o de numeroso numerososs y diminu diminutos tos crista cristales les individ individual uales es que están todos todos conectado conectados; s; las fronte fronteras ras entre estos cristales cristales pequeños pequeños dispersan dispersan una parte de la luz reflejada reflejada por la página impresa, lo que hace a este material ópticamente translúcido. Por último, la pro beta de la derecha está compuesta no solamente de muchos cristales pequeños interconectados, dos, sino tamb tambié ién n de un gran gran núme número ro de poros poros pequ pequeñ eños os o espa espaci cios os vacío vacíos. s. Esto Estoss poro poross también también dispersan dispersan de manera manera muy eficaz eficaz la luz reflejad reflejadaa y hacen que este material material sea opaco. opaco. Así, Así, las estru estructu cturas ras de estas estas tres probetas probetas son diferent diferentes es en términos términos de las fronter fronteras as (límites) mites) y de los poros poros del crista cristal, l, lo que afecta afecta las propie propiedad dades es de transmita transmitanci nciaa óptica óptica.. Aún más, más, cada cada mate materia riall fue fue prod produc ucid ido o empl emplea eand ndo o una una técn técnic icaa de proces procesad ado o dife difere rent nte. e. Y por por supuesto, supuesto, si la transmitanc transmitancia ia óptica óptica es un parámetro parámetro importante importante relacionad relacionado o con la aplicaci aplicación ón final en servicio, servicio, el comport comportamien amiento to de cada material material será diferent diferente. e.
Figura 1.2 Fotografíade Fotografíade tres muestrasde muestrasde discosdelgadosde discosdelgadosde óxidode aluminio,que aluminio,que se se han colocadosobreuna colocadosobreuna página impresacon impresacon objeto de demostrar demostrar sus diferencia diferenciasen sen las característi característicasd casdee transmitanc transmitanciade iade la luz. luz. El discode la izquier izquierda da es transparen transparente te (es decir,práctica decir,prácticamentetoda mentetoda la luz reflejadapo reflejadaporr la páginalo atraviesa) atraviesa),mie ,mientras ntras que el del centro centro es translúcido(lo translúcido(lo que significaque significaque parte de esta luz reflejadase transmite a través del disco), y el discode discode la derech derechaa es opaco-es opaco-es decir, decir, la luz no lo atraviesa-o atraviesa-o Estas diferencias diferenciasen en las propiedad propiedadesópticas esópticas son una consecue consecuenciad nciadee las diferencias diferenciasen en la estructura estructura de los materiales materiales,que ,que son resultadode resultadode la forma en que se procesanlos procesanlos materiales.(Preparaciónde la probeta, P.A. Lessing;fotografía por S.Tanner.)
1.4 Clasi lasific ficac ación ión de mat mater eria iale les s • 5
1.3 1.3 ¿PO ¿POR QUÉ EST ESTU UDIAR CIEN IENCIA E ING INGENIER IERíA DE MATER ATERIALES IALES? ¿Por qué estudiamo estudiamoss los materiale materiales? s? Muchos Muchos científicos científicos o ingeniero ingenieross aplicados aplicados,, ya sea sea mecámecánicos, nicos, civiles, químicos químicos o eléctricos eléctricos,, estarán estarán expuestos expuestos alguna alguna vez a un problema de diseño que se relacio relacione ne con materiales. materiales. Los ejemplos pueden pueden ser un un engrane de transmisió transmisión, n, la superes superes-tructu tructura ra de un edific edificio, io, un compon component entee de una refinería refinería de petróle petróleo o o un chip chip para para un circuicircuito integrado. integrado. Por supuesto, supuesto, los expertos expertos en ciencia ciencia e ingeniería ingeniería de materiales materiales están están totalmente totalmente inmersos inmersos en la investigaci investigación ón y el diseño diseño de materiales. materiales. Muchas Muchas veces, veces, un problema de materiales materiales tiene que ver con con la elección elección del material material adecuado cuado entre los muchos miles que están están disponible disponibles. s. Existen Existen varios varios criterios sobre los cuales cuales se basa basa normalmente normalmente la decisión decisión final. Primero Primero que nada, deben deben caracteriza caracterizarse rse las condiciones condiciones de servic servicio, io, ya que éstas éstas dictar dictarán án las propie propiedad dades es requer requerida idass del material material.. Solame Solamente nte en pocas ocasio ocasiones nes un materi material al posee posee la combina combinació ción n máxima máxima o ideal ideal de propied propiedade ades. s. Así, Así, puede puede ser necesa necesario rio sacri sacrific ficar ar una caract caracterí erísti stica ca en favor favor de otra. El ejempl ejemplo o clásic clásico o tiene tiene que ver con resistenci resistenciaa y ductilidad ductilidad;; normalment normalmente, e, un material que tenga alta resistenc resistencia ia tendrá tendrá solamensolamente una ductilida ductilidad d limitada. limitada. En tales casos casos puede puede ser necesa necesario rio encontrar encontrar un punto punto medio razonable entre dos o más propiedade propiedades. s. Una segunda segunda considera consideración ción de elección elección es el deterioro deterioro de las propiedad propiedades es del material material que puede ocurrir durante la operación de servicio. Por ejemplo, reducciones significativas de la resist resistenc encia ia mecáni mecánica ca pueden pueden ser consec consecuen uencia cia de la expos exposici ición ón a tempera temperatur turas as elevad elevadas as o a ambientes corrosivos. Por último, es probab probable le que la considera consideración ción decisiva decisiva sea la econó económica: mica: ¿cuánto ¿cuánto costará costará el producto terminado? Puede encontrarse un material que tenga el conjunto ideal de propiedades pero cuyo cuyo costo costo sea proh prohibi ibitiv tivo. o. Nuevam Nuevament ente, e, es inevit inevitabl ablee aquí aquí encont encontrar rar un punto punto medio. medio. El costo costo de una pieza pieza termin terminada ada tambié también n incluy incluyee cualqu cualquier ier costo costo incurrid incurrido o durant durantee la fabricación fabricación para producir producir la forma forma deseada. deseada. Entre más familiari familiarizado zado esté un ingeniero ingeniero o científic científico o con las diferen diferentes tes caracterís características ticas y relaciones relaciones estructura-pro estructura-propied piedades ades,, así como como con las técnicas técnicas de procesado procesado de los materiale materiales, s, más hábil será y más seguro seguro se sentirá sentirá para hacer hacer eleccione eleccioness sensatas sensatas de los materiales materiales basánbasándose en estos criterios.
1.4 1.4 CLASIFI LASIFIC CACiÓN ACiÓN DE MATER ATERIALES IALES Los materiales materiales sólidos sólidos han sido agrupado agrupadoss convenie convenienteme ntemente nte en tres clasificacio clasificaciones nes básicas: básicas: metales, metales, cerámicas cerámicas y polímero polímeros. s. Este esquema se basa princip principalmen almente te en la composi composición ción química y la estructur estructuraa atómica, atómica, y la mayoría mayoría de los materiale materialess se ubican ubican en una o en otra clasificlasificación cación espec específic ífica, a, aunque aunque hay algunos algunos materi materiale aless interm intermedi edios. os. Adicio Adicional nalmen mente, te, están están los materiales materiales compuesto compuestos, s, que son combinacion combinaciones es de dos o más de las tres clases clases de materiales materiales básicos mencionados antes. Enseguida se ofrece una breve explicación de los tipos de materiales y de sus características características representativas. Otra clasificación es la de los materiales avanzados, aquellos aquellos que se utilizan utilizan en las aplicacio aplicaciones nes de alta tecnología, tecnología, a saber, semicon semiconduct ductores, ores, biomateriales materiales,, materiales materiales inteligente inteligentess y material materiales es de la nanoinge nanoingeniería niería,, estos estos últimos se estudi estudian an en la sección 1.5. Metales
Los materiales materiales en este grupo grupo están compuestos compuestos de uno o más elementos elementos metálicos metálicos (como hiehierro, rro, alumin aluminio, io, cobre, cobre, titanio, titanio, oro y níquel) níquel) y con frecue frecuenci nciaa tambié también n elemen elementos tos no metáli metálicos cos (por ejemplo, ejemplo, carbono, nitrógeno nitrógeno y oxígeno oxígeno)) en cantidade cantidadess relativame relativamente nte pequeñas pequeñas.. 3 Los átomos en los metales metales y sus sus aleaci aleacione oness están están dispue dispuesto stoss de una manera manera muy ordena ordenada da (como (como se estudia estudia en el capítulo capítulo 3), y en en comparación comparación con las cerámica cerámicass y los polímero polímeros, s, son relativamenrelativamen-
término aleación metálica se usa usa para para hace hacerr refe refere renc ncia ia 3 El término o más elementos. elementos.
a una una sust sustan anci ciaa
metál metálic icaa que que está está compue compuest staa
de dos dos
6 •
Ca Capítulo pítulo 1 / Introd Introduc ucció ción n Figura Figura 1.3
D i ag ag ra ra m a
d e b a rrrr as as
v al al or or es es
40
M etales
de los
d e d en en si s i d ad ad
a
t e m p er er at at u ra ra a m b iiee nt nte de difere diferente ntess m etale etales, s, cerám icas,
polím eros
m aterial ateriales es
com puestos.
y
- Plati Platino no
20
~
_ JPlata
10
.~
- - C ob ob r e - \.. \.. H ierro/ ierro/ace acero ro
8
'"
6
~
1
4
E
2
-Titanio
- M agnesio agnesio
~
. ., . Z r o z
_ JA i2 0 3
- A lum inio
M"
Cerá m icas
-
S lC .S i 3 N 4
-
-
Polím eros
M aterialescom pues tos
V id r io
- \.. \..
H orm igón igón
"O '"
~
c::
Q)
Cl
1.0 0.8 0.6 0.4
02
0.1
te densos densos (figura 1.3). Con respecto respecto a las caracte característica rísticass mecánicas mecánicas,, estos materiales materiales son relativame tivamente nte rígido rígidoss (figura (figura 1.4) 1.4) y fuertes fuertes (figura (figura 1.5), 1.5), aunque aunque dúctile dúctiless (es decir decir,, tienen tienen capaci capaci-dad para experime experimenta ntarr gran gran deform deformaci ación ón sin fractura fractura)) y son resisten resistentes tes a la fractur fracturaa (figura (figura 1.6), lo que que explica explica su uso genera generalizad lizado o en las aplicacion aplicaciones es estructura estructurales. les. Los materiales materiales metálicos tienen tienen una gran cantidad de electrones electrones no localizado localizados; s; es decir, decir, estos electrones electrones no están enlaza enlazados dos con ningún ningún átomo átomo en particu particular. lar. Muchas Muchas propie propiedad dades es de los metales metales son directa directa-mente atribuibles atribuibles a estos estos electrones electrones.. Por ejemplo, ejemplo, los metales metales son muy buenos conductore conductoress de electricida electricidad d (figura 1.7) y calor, y no son transparen transparentes tes a la luz visible visible;; una superficie superficie metálimetálica pulida pulida tiene una apariencia apariencia lustrosa. Además, algunos algunos de los metales metales (a saber, saber, Fe, Co y Ni) tienen tienen propiedade propiedadess magnéticas magnéticas deseables deseables.. La figura figura 1.8 es una una fotogra fotografía fía que muestra muestra varios varios objetos objetos comune comuness y familiare familiaress hechos hechos de materiales metálicos. metálicos. Los tipos y las aplicacio aplicaciones nes de los metales y sus aleaciones aleaciones se estudian estudian en el capítul capítulo o 11.
Cerámicas Las cerámica cerámicass son compues compuestos tos que combinan combinan elementos elementos metálicos metálicos y no metálicos; metálicos; con mucha frecuencia frecuencia son óxidos, nitruros y carburo carburos. s. Por ejemplo, ejemplo, algunos algunos de los materiales materiales cerámicos cerámicos
- Tungsteno Tungsteno - H ierro/acer ierro/aceroo JTItanío :::./" A lum inio - '- M a g nnee sisi o
M ateriales com puestos
cerám icas
M etales
-SIC -
A 1 2 0 3
:
'-S~N4
'-
Z r°z
-Vidrió
--H orm igón Pollm eros
Figura Figura 1.4
D i ag ag ra ra m a d e b a rrrr as as d e l o s v al al or or es es d e r ig ig iidd ez ez a t em em p er e r atat u ra ra a m b iiee nt nt e ( es es d ec ec irir , m ó du d u lloo d e elast elastici icidad) dad) de difere diferente ntess m etales, etales, cerám icas, y m ateriales po lím er os com puestos.
0.001
1.4
Clasific sificació ción de materia riales les
• 7
Figura Figura 1.5 M etales
Diagra Diagrama ma de barras barras de
M ateriales com puestos
los valores de resistencia
C erám icas
a temperatura temperatura ambiente ambiente
t
(es decir, resistencia resistencia a la tracción) tracción) de diferentes diferentes
C fR C
metales, metales, cerámicas, cerámicas, polímeros y materiales P olím eros
compuestos.
,t
. N ylon
P
pvct
1
M ade ras •
PT FE t
comune comuness incluy incluyen en óxido óxido de alumini aluminio o (o alúmina alúmina,, Al203), dióxid dióxido o de silicio silicio (o sílice, Si02), carbur carburo o de silicio silicio (SiC), (SiC), nitrur nitruro o de silicio silicio (Si3 N4) y, ademá además, s, lo que algunos algunos llaman llaman los cerámicos tradicionales ~quell ~quellos os compu compuest estos os de minera minerales les de arci arcilla lla (es decir, decir, la porcel porcelana ana)-, )-, así así como cemento cemento y vidrio. vidrio. Con respecto respecto al comportam comportamiento iento mecánico mecánico,, los materia materiales les cerámicos cerámicos son relativamen relativamente te rígidos rígidos y fuertes; fuertes; su rigidez y resistencia resistencia son comparable comparabless a las de de los metales (figuras 1,4 y 1.5). 1.5). Además, Además, las cerá cerámic micas as son típicame típicamente nte muy duras. duras. Por otro lado, lado, son son frágiles frágiles (carecen (carecen de ductilidad ductilidad)) y son son muy susceptibles susceptibles a la fractura fractura (figura (figura 1.6). Estos Estos materiales.son riales.son típicamente típicamente aislantes aislantes al paso paso de la electricidad electricidad y del calor calor (es decir, decir, tienen tienen una conductiv ductivida idad d eléctr eléctrica ica baja, baja, figura figura 1.7) 1.7) y son más resiste resistente ntess a las altas altas temper temperatu aturas ras y a los ambientes ambientes agresivos agresivos que los metales metales y los políme polímeros. ros. Con respecto respecto a las carac característ terísticas icas ópticas, ópticas, las cerám cerámica icass puede pueden n ser transpa transparen rentes tes,, transl translúci úcidas das u opacas opacas (figura (figura 1.2), 1.2), y algun algunas as de las cerámicas cerámicas de óxidos óxidos (por ejemplo, Fe 304) tienen comportam comportamiento iento magnético magnético..
M etales M ateriales com puestos
'A 1eaciones
J de acero
I .
A leacion es d e t it a n i o !
!
A leacion es de alum inio n io cerám icas P olím eros
0.1
Diagrama ma de barras barras de la resist resistenc encia ia a la frac fractur turaa a tempe temperat ratura ura ambient ambientee (es deci decir, r, Figura Figura 1.6 Diagra tenacidad tenacidad a la fractura) fractura) de diferentes diferentes metales, metales, cerámicas, cerámicas, polímeros y materiale materialess compuestos. compuestos. (Repro (Reproduci ducido do de Engineering Engineering
Materia/s Materia/s 1: An Intr odu ctio n
lo Pro per ties , App /ica tio ns
and De sig n, 3a.
edición, edición, M. F. Ashby Ashby y D. R. H. ]ones, ]ones, pp. 177 Y 178, Copyr Copyright ight @, con autorización autorización de Elsevier.) Elsevier.)
pítulo 8 • Capítulo
1 / Introd Introduc ucción ción
Figura Figura 1.7
M etale s
Diagrama Diagrama de barras barras de los rangos de conductividad conductividad eléctricade metales, cerámicas,polímerosy materiales semiconductores.
o C e r á m ic a s
sem iconduc tores
P o lim e r o s
En la fotogr fotografí afíaa de la figura figura 1.9 se muest muestran ran varios varios objetos objetos comune comuness de cerámica cerámica.. Las caracterís características ticas,, tipos y aplicacio aplicaciones nes de esta clase de materiales materiales se estudi estudian an en los capítulos capítulos 12 y 13.
Polímeros Los polímeros polímeros incluy incluyen en los materi materiale aless de plástic plástico o y caucho caucho conoci conocidos dos.. Muchos Muchos de ellos son compuesto compuestoss orgánicos orgánicos que químicamente químicamente se basan basan en el carbono, carbono, el hidrógeno hidrógeno y otros otros elemenelementos no metáli metálicos cos (a saber saber,, 0, N y Si). Aún Aún más, más, tienen tienen estruc estructur turas as molecu moleculare laress muy grande grandes, s, a menudo menudo de naturaleza naturaleza parecida parecida a las las cadena cadenass con un esqueleto esqueleto de átomos átomos de carbono. carbono. Algunos Algunos de los políme polímeros ros comune comuness y familia familiares res son polieti polietilen leno o (PE), (PE), nylon, nylon, cloruro cloruro de polivini polivinilo lo (PVC), (PVC), policarbona policarbonato to (PC), poliestiren poliestireno o (PS) y caucho caucho de silicón. silicón. Estos materiales materiales típicamentípicamente son de baja densida densidad d (figura (figura 1.3), mientra mientrass que sus caracte característic rísticas as mecánicas mecánicas en general general son distintas distintas de las de los material materiales es metálicos metálicos y cerámico cerámicos, s, no son tan rígidos ni tan fuertes fuertes como estos estos otros tipos de materiales materiales (figuras (figuras 1.4 y 1.5). 1.5). Sin embargo, con base en su baja densidad, densidad, en muchas ocasiones ocasiones su rigidez rigidez y resistenci resistenciaa por unidad de masa son comparable comparabless a las las de los
Figu Figura ra 1.8 1.8
Objetos familiares que están hechos hechos de metales y aleaciones metálicas:(de izquierda a derecha) y platería (tenedor y cuchillo),tijeras, monedas,un monedas,un engranaje,un anillo de bodas y un tornillo con tuerca. (Fotografíade (Fotografíade S. Tanner.)
1.4 Clasif lasific icac aciónde iónde mater ateriale iales s • 9
Figura Figura 1.9
Objetos Objetos comunes comunes que están hechos hechos de materiales cerámicos: tijeras, tijeras, taza de porcelana, un ladrillo, una loseta loseta de piso y un florero. florero. (Fotograf (Fotografía ía de S. Tanner.) Tanner.)
metale metaless y las cerámic cerámicas. as. Además Además,, muchos muchos de los políme polímeros ros son muy dúctile dúctiless y flexible flexibless (es decir, decir, plástic plásticos) os),, lo que signif significa ica que adoptan adoptan formas formas compl compleja ejass con facilidad facilidad.. En genera general, l, desde desde el punt punto o de vista vista químico químico son relativ relativame amente nte inerte inertess y no reacti reactivos vos para para un gran númenúmero de ambientes. ambientes. Una enorme enorme desventa desventaja ja de los polímeros polímeros es su su tendencia tendencia a rebland reblandecer ecerse, se, descomponerse componerse,, o ambas ambas cosas, a temperatura temperaturass moderadas moderadas,, lo que limita su uso en algunos algunos casos. Además, Además, tienen tienen una conductivida conductividad d eléctrica eléctrica baja (figura 1.7) Yno son magnético magnéticos. s. La fotograf fotografía ía de la figura figura 1.10 1.10 muestr muestraa varios varios artículo artículoss hechos hechos con polímer polímeros os que son muy familiares familiares para el lector. lector. Los capítulos capítulos 14 y 15 se dedican dedican al estudio estudio de las estruc estructuras turas,, las pro;>iedades, las aplicaciones y el procesamiento de los materiales poliméricos.
Figura Figura 1.10
Varios objetos comunes comunes que están hechos hechos de materiales materiales poliméricos: cubiertos de plástico plástico (cuchara, (cuchara, tenedor y cuchillo), bolas de billar, un casco de ciclistas, dos dados dados,, una rueda rueda de podadora de césped (cubo de plástico y llanta llanta de caucho) y un envase para leche de plástico. (Fotografía de S. Tanner.) Tanner.)
10 • Capítulo pítulo 1 I Introducción
<:
U
n artículo artículo comdn que presenta presenta algUnos algUnos requerimi requerimienentos interesan interesantes tes de las propi propiedade edadess de! matefi matefial al ese! envase envase de bebidas' bebidas' carbonatad carbonatadas. as. El materia materiar. r. usado usado para esta aplicación debe satisfacer las siguientes restric~iones: (1) proveer proveer una Harr;ra Harr;ra al paso paso de! bióxi bióxido do de carbono, carbono, que está a presión presión en e! envase; envase; (2) no ser tóxico, noreaccionar cionar con la. bel:>ida bel:>iday, y, de de preferen preferencia, cia, serreciCl serreciClablé ablé;; (3) serrelativamente,.tyerte, y tener capacidad de sobrevivir a una caída desde una altura altura de varios varios pies contenie conteniendo ndo la bebida; (4) ser barato barato y e! e! costo costo de fabricaci fabricación ón dda forma forma final final debe senel¡ti senel¡tivam vament entee bajo; bajo; (5) si es es transR transRare arente nte ~ópti ~óp ticam cament ente, e, con conseo seo/ar /ar su clarida claridadd óptica óptica,, y (6) tener capacidad,de ser producido producido con diferentes d:>lore~éYque pueda adornarse, con etiquetas decorativas o aII;1bas:cosas. Los t~estim)Sde material básico -metal(alu~inio), cerámi cerámica ca (vidrio) (vidrio) y polím polímero ero (p!ást (p!ástico ico dep depoli oliést éster) er)-se usan para los en"Jises en"Jises de bebidas bebidas carbonat carbonatadas adas (como (como en:, las fotograf fotografías ías enla entrada entrada de este capítu capítulo). lo). Touos Touos estos estos materiales no son tóxicos y no reaccionan con las bebioas. AsimisII;1o, AsimisII;1o,cada cada material tiene sus pros y sus cogt"fas.Por cogt"fas.Por . . ,
,' ,
i:
ejemplo, ejemplo, la aleació aleación;de n;de¡Uum ¡Uuminio inio es relativ relativamen amente te fuerJe fuerJe (pero (pero se abolla abolla fácilin fácilinente ente), ), es una una buena barrera barrera para la difusión difusión del bióxido'~ bióxido'~ee carbono, carbono, se recicla recicla fácilme fácilmente, nte, las bebidas se enfrían rapidamente, rapidamente, y pued pueden en pintar pintarse se etietiquetas en la superficie. Por otro lado, las latas son opacas óptica ópticame mente nte y su producci producción ón es relativ relativame amente nte cara;E cara;Elt lt vidrio vidrio es imperm impermeable eable;al ;al paso del bióxido bióxido de carbono, carbono, es' un material material re!ativa re!ativament mentee barato, barato, pued puedee reciclar reciclarse, se, Bero se quiebr quiebraa yse fractu fractura ra con facilid facilidad, ad, y las botellas~.1de vidrio vidrio son relativa relativament mentee pesadas. pesadas. Aun Aun cuando cuando el plást plástico ico es relativamente relativamente fuerte, ópticamente ópticamente puede hacerse tral"ís~ parente, es barato y ligero, y es recicla reciclable ble,, no es" tan tan imperm impermeab eable le so*del so*delBió Bióxid xidoo de carbon carbonoo como como el allÍ; allÍ; minio y el vidrio. vidrio. oi"~jempl oi"~jemplo, o, tal tal v~z v~z usted usted ha observado observado que las bebida bebidass en envases envases de aluminio aluminio y vidrio vidrio cons~rva cons~rvann s~ucarbo s~ucarboniz nizaci ación ón (es; (es; decir, decir, hacen un ruido ruido sibil sibilant ante) e) durante durante varios varios años, mientras mientras que aquellas aquellas en las bot~llas bot~llas de plástico plástico .de do~ litro litross pierden pierden su "efervescen "efervescencia" cia".,en .,en unos cuantos .meses.
.
Materi ateriale ales s compuestos compuestos
Un material material compuest compuestoo está forma formado do por dos o más materia materiales les individu individuales ales,, que provienen provienen de las categ categoría oríass estudiad estudiadas as anterior anteriorment mente: e: metales metales,, cerámica cerámicass y polímer polímeros. os. El objetivo objetivo de diseño de un material material compuest compuestoo es lograr lograr una combinac combinación ión de propied propiedades ades que no presenta presenta ningún ningún material material por sí solo, y también también incorpora incorporarr las mejore mejoress caracter característi ísticas cas de cada uno de los materiale rialess compone componente ntes. s. Existe Existe un gran gran número número de tipos de materi material ales es compue compuesto stoss que están representados por combinaciones combinaciones diferentes de metales, cerámicas y polímero polímeros. s. Además, Además, tam bién se considera que algunos materiales que ocurren en forma natural son materiales com puestos, por ejemplo, la madera y el hueso. Sin embargo, la mayoría de los que consideramos en nuestros estudios estudios son materiale materialess compuest compuestos os sintétic sintéticos, os, hechos hechos por el hombre. hombre. Uno de los material materiales es compuest compuestos os más comunes comunes y familia familiares res es la fibra fibra de vidrio, vidrio, en el cual diminut diminutas as fibras fibras de vidrio vidrio están embebidas embebidas dentro dentro de un material material poliméri polimérico co (normal(normalmente mente un epox epoxii o un poliéste poliéster).4 r).4 Las fibras fibras de vidrio son relativa relativament mentee fuertes fuertes y rígidas (pero también también frágiles frágiles), ), mientras mientras que el polím polímero ero es dúctil dúctil (pero (pero también también débil débil y flexible). flexible). Así, Así, la fibra fibra de vidrio vidrio resultan resultante te es relati relativame vamente nte rígida, rígida, fuerte fuerte (figuras (figuras 1.4 y 1.5), flexible flexible y dúctil. dúctil. Además, Además, tiene tiene baja densid densidad ad (figura (figura 1.3). 1.3). Otro de estos estos materiales materiales de import importanci anciaa tecnológ tecnológica ica es el mater material ial compuest compuestoo de "polí"polímero reforzado reforzado con fibra de carbono" carbono" (CFRP, (CFRP, por sus siglas siglas en inglés), inglés), fibras fibras de carbono que están están embebida embebidass en un polímero. polímero. Estos material materiales es son más rígidos rígidos y fuertes fuertes que los materiamateriales reforz reforzados ados con fibra de vidrio (figuras (figuras 1.4 y 1.5), 1.5), aunque aunque son más caros. caros. Los material materiales es compuest compuestos os CFRP se usan usan en algunas aplicaciones aplicaciones de la aviación aviación y aeroespac aeroespaciale iales, s, así como como Algunass veces veces a la la fibra fibra de vidri vidrioo se le denom denomina ina como como mater material ial compue compuesto sto de ""pol políme ímero ro reforz reforzado ado con fibra fibra 4 Alguna de vidrio", vidrio", abreviad abreviadoo G FRP.
1.5 Materiales teriales avanzados. dos.
11
en equipo equipo deportivo deportivo de alta tecnolog tecnología ía (por ejemplo, ejemplo, bicicletas, bicicletas, palos de golf, golf, raquetas raquetas de tenis, esquís y snowboards). El capítulo capítulo 16 se dedica dedica al estudi estudio o de estos estos interesantes interesantes materiales materiales.. 1.5 1.5
MATE MATERI RIAL ALES ES AVAN AVANZA ZADO DOS S
high teeh, teeh, se denom Los materiales que se usan en aplicaciones de alta tecnología, o high denominan inan algunas algunas materiales avanzados. Por alta veces materiales alta tecnol tecnologí ogíaa se entien entiende de un aparato aparato o produ producto cto que op~ra op~ra o funciona funciona con el uso uso de principios principios relativame relativamente nte complejos complejos y sofisticados sofisticados;; los ejemplos ejemplos incluincluyen equipo equipo electrónic electrónico o (videograb (videograbador adoras, as, reproduct reproductores ores de CDs y DVDs, DVDs, etc.), computa computadodoras, sistemas sistemas de fibra óptica, óptica, vehículos vehículos espaciale espaciales, s, aviones aviones y cohetes cohetes militares. militares. Estos materiales materiales avanzado avanzadoss son típicamen típicamente te materiales materiales tradiciona tradicionales les cuyas cuyas propiedade propiedadess han sido mejoradas mejoradas y también también materiales materiales de alto rendimie rendimiento nto recienteme recientemente nte desarrolla desarrollados. dos. Pueden Pueden ser de todos todos los tipos de materiales materiales (por ejemplo, ejemplo, metales, metales, cerámicas, cerámicas, polímeros) polímeros) y normalme normalmente nte son caros. caros. Los materiales materiales avanzado avanzadoss incluyen incluyen semicondu semiconductore ctores, s, biomaterial biomateriales es y lo que que podemos podemos denominar denominar los "materia "materiales les del futuro" (es decir, materiales materiales inteligent inteligentes es y materiales materiales de nanoingenier nanoingeniería), ía), que se estu estudia dian n ensegu enseguida ida.. En los capítul capítulos os subse subsecue cuente ntess tambié también n se estud estudian ian las prop propied iedaades y las las aplica aplicacio ciones nes de vario varioss materi materiale aless avanza avanzados dos,, por ejempl ejemplo, o, los materi materiale aless que se usan usan para lásere láseres, s, circuito circuitoss integr integrado ados, s, almace almacenam namien iento to de infor informac mación ión magnét magnética ica,, pantapantallas llas de cristal cristal líquid líquido o (LCDs) (LCDs) y fibra fibra óptica óptica.. Semiconductores
Los semicond semiconduc uctore toress tienen tienen propie propiedad dades es eléctr eléctrica icass que son interme intermedia diass entre entre conduc conductore toress (a saber, saber, metales y aleacion aleaciones es metálicas metálicas)) y aislant aislantes es eléctricos eléctricos (a saber, saber, cerámicas cerámicas y polímepolímeros) (figura (figura 1.7). Asimismo, Asimismo, las caracterís características ticas eléctricas eléctricas de estos materiales materiales son sumamensumamente sensibl sensibles es a la pres presenc encia ia de concen concentra tracio ciones nes diminu diminutas tas de átomos átomos de impurez impurezas, as, las cual cuales es pueden controlarse en regiones espaciales muy pequeñas. Los semiconductores hicieron posible el advenimiento de los circuitos integrados que han revolucionado totalmente la electr electróni ónica ca y las las indus industria triass de comput computaci ación ón (por (por no mencion mencionar ar nuestr nuestras as vidas) vidas) en las últiúltimas tres décadas. décadas. Biomateriales
Los biomat biomateri eriale aless se empl emplean ean en compon component entes es implan implantad tados os en el cuerp cuerpo o humano humano para para el reemplazo reemplazo de partes partes del cuerpo cuerpo enfermas enfermas o dañad dañadas. as. Estos Estos materiales materiales no deben deben producir producir sustancia tanciass tóxica tóxicass y deben deben ser compat compatibl ibles es con los tejidos tejidos del cuerpo cuerpo,, es decir, decir, no deben deben causar causar reaccione reaccioness biológicas biológicas adversas. adversas. Todos Todos los materiales materiales antes mencionados mencionados -metales, -metales, cerámicas, cerámicas, polímeros, materiales compuestos y semiconductorespueden usarse como biomateriales. Por ejemplo, en la sección sección 22.12 se estudi estudian an algunos algunos de los biomate biomateriales riales que se utilizan utilizan en las prótesis de cadera. Losm Los materiales teriales del futuro
Lo s m ate ria les le s intel in telig igen en tes te s materiales inteligentes inteligentes son un grupo Los materiales grupo de materiales materiales nuevos nuevos y de vangua vanguardia rdia que actualmenactualmente se están están desarrolland desarrollando o y que que tendrán una influencia influencia significati significativa va en muchas de nuestras tecnologías. nologías. El adjetivo adjetivo "inteligente" "inteligente" implica implica que estos materiales materiales tienen tienen la capacid capacidad ad de percibir percibir los cambio cambioss en el ambiente ambiente y respon responder der a estos estos cambios cambios de una manera manera predetermin predeterminada, ada, caraccaracterística terística que también también se encue encuentra ntra en los organism organismos os vivos. vivos. Asimismo, Asimismo, el concep concepto to de "inteli"inteligente" gente" se está está exten extendie diendo ndo a sistema sistemass bastan bastante te sofist sofistica icados dos que constan constan tanto tanto de materia materiales les inteligente inteligentess como de materiales materiales tradicional tradicionales. es. Los compone componente ntess de un material material (o sistem sistema) a) inteli inteligen gente te incluy incluyen en algún algún tipo de sensor sensor (que (que detec detecta ta una señal de entrada) entrada) y un actuador actuador (que (que ejecut ejecutaa una función función de respues respuesta ta y de
12 • Capítulo pítulo 1 / Intro Introdu ducc cción ión adapta adaptació ción). n). Los actuad actuadore oress pueden pueden requer requerirs irsee para para cambia cambiarr la forma, forma, posici posición, ón, frecue frecuenci nciaa natural natural o caracterís características ticas mecánicas mecánicas como respuesta respuesta a los cambio cambioss de temperatura temperatura,, campos campos eléceléctricos o campos campos magnéticos magnéticos.. Comúnmente Comúnmente se utilizan utilizan cuatro tipos de materiales materiales como actuadores: actuadores: aleacione aleacioness con memoria de forma, forma, cerámicas cerámicas piezoeléctr piezoeléctricas, icas, materiales materiales magnetost magnetostrictivo rictivoss y fluidos fluidos electrorreo electrorreológilógicos/magnetorreológicos. Las aleaciones con memoria de forma son metales que, después de haber sido deformados, deformados, regresan regresan a su forma original original cuando cambia cambia la temperatura temperatura (véase (véase la parte parte de Materiales Materiales importantes importantes que sigue a la sección sección 10.9). La cerámica cerámica piezoeléctri piezoeléctrica ca se expande expande y se contrae contrae en respuesta respuesta a un campo campo eléctrico eléctrico aplicado aplicado (o voltaje); voltaje); al contrario contrario,, también también generan generan un campo campo eléctrico eléctrico cuando se alteran alteran sus dimension dimensiones es (véase (véase la sección sección 18.25). 18.25). El comportami comportamiento ento de los materiales materiales magnetost magnetostrictivo rictivoss es análogo análogo al de los piezoeléctric piezoeléctricos, os, excepto que responden responden a los campos magnético magnéticos. s. También, También, los fluidos electrorreológ electrorreológicos icos y magnetorreológic magnetorreológicos os son liquidas que experimentan experimentan cambios cambios drásticos drásticos en la viscosida viscosidad d con la aplicación aplicación de campos eléctricos eléctricos y magnéticos, respectivamente. Los materi materiale ales/d s/disp isposi ositiv tivos os emplea empleados dos como como sensor sensores es incluy incluyen en fibras fibras ópticas ópticas (secci (sección ón 21.14), 21.14), materiales materiales piezoeléct piezoeléctricos ricos (como algunos algunos polímeros) polímeros) y los dispos dispositivos itivos microelect microelectroromecánicos mecánicos (MEMS, sección sección 13.8). 13.8). Por ejemplo, ejemplo, en los helicó helicópte pteros ros se emplea emplea un tipo de materi material al intelig inteligent entee para para reduci reducirr el ruido aerodinámico aerodinámico en la cabina cabina del piloto que es creado creado por las hojas hojas giratorias giratorias del rotor. Los sensores sensores piezoeléc piezoeléctricos tricos insertados insertados en las hojas monitorean monitorean los esfuerz esfuerzos os y las deformacione deformacioness de la hoja; las señales señales de de respuesta respuesta proveniente provenientess de estos sensores sensores alimentan alimentan un dispositivo dispositivo de adaptación tación controlado controlado por computadora, computadora, el cual cual genera genera un antirruido antirruido que cancela cancela el ruido.
Mat M ater eria iales les de na no inge in geni nier ería ía Hasta hace poco, poco, el procedimie procedimiento nto general general utilizado por los científicos científicos para entender entender la químiquímica y la física física de los materiales materiales ha sido comenzar comenzar por estudiar estructuras estructuras grandes grandes y complejas complejas,, y luego investigar investigar los elementos elementos fundamenta fundamentales les de estas estructur estructuras as que son más pequeños pequeños y más simples. simples. Algunas veces veces a este enfoque se le llama ciencia "de arriba arriba hacia abajo". abajo". Sin embargo, con el advenimie advenimiento nto de los microsco microscopios pios de barrido con sonda (sección (sección 4.10), que permiten permiten la observaci observación ón de los átomos y las moléculas moléculas individual individuales, es, ha sido posible manipular y mover átomos y moléculas moléculas para para formar estructura estructurass nuevas nuevas y así, diseña diseñarr materiales materiales nuevos nuevos que se construyen a partir de constituyente constituyentess simples simples a nivel atómico atómico (es decir, decir, "materiales "materiales por diseño"). diseño"). Esta capacidad capacidad para ordenar ordenar los átomos átomos cuidadosamen cuidadosamente te suministra suministra oportunida oportunidades des para desarrollar desarrollar propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas y de otra índole que de otra manera no son posi bles. A este enfoque lo llamamos "de abajo hacia arriba", y el estudio de las propiedades de estos materiales materiales se llama "nanotecn "nanotecnologí ología": a": el prefijo "nano" denota denota que las dimensiones dimensiones de estas estas enti9 dades dades estructurales estructurales son del orden orden de un nanómetro (10- m), como regla, menos que 100 nanómetros (equivalente (equivalente a aproximadam aproximadamente ente 500 diámetros diámetros atómicos). atómicos).5 5 Un ejemplo ejemplo de un material material de este tipo es el nanotubo nanotubo de carbono, carbono, estudiado estudiado en la sección sección 12.4. Es indudable indudable que en el futuro encontraremos encontraremos que cada vez más de nuestros avances tecnológ tecnológicos icos utilizarán utilizarán estos estos materiales de la nanoingeniería. 1.6
NECESID SIDADE ADES MODERNAS
DE MATERIALES
A pesar pesar del conside considerab rable le progre progreso so que ha habido habido en la discip disciplin linaa de la cienci cienciaa y la ingenie ingeniería ría de los materiales materiales en años recientes, recientes, todavía hay retos tecnológicos, tecnológicos, como el desarrollo desarrollo de materiales aún más sofisticados sofisticados y especiali especializado zados, s, así como como la considerac consideración ión del impacto ambiental ambiental
5
En su conf confer eren encia cia
de 1960 1960 para para la Ameri American can
Phys Physic ical al Soci Societ ety y que que se int intit itul uló ó
the the Bott Bottom om"" (Hay (Hay much mucho o espaci espacio o en el fon fondo do), ), Rich Richar ard d Feyn Feynma man n rio y prof proféti ético co en cuanto cuanto a la la posibi posibilid lidad ad
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hizo hizo un comen comenta tari rio o
de los materia materiales les de nano ingeni ingenierí ería. a.
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Referencia ferencias s • 13
por la producción de materiales. Es apropiado hacer un comentario en relación con estos aspectos aspectos para redondear redondear esta perspectiva. perspectiva. La energía nuclear nuclear es prometedora, prometedora, pero las solucion soluciones es a los los muchos muchos problemas problemas pend pendienientes necesariam necesariamente ente incluirán incluirán materiales, materiales, desde combustibles combustibles a estructuras estructuras de contenció contenciónn hasta instalaciones instalaciones para la disposición disposición de desechos desechos radiactivos. radiactivos. En el transpor transporte te interv intervien ienen en cantida cantidades des signif significat icativas ivas de energía energía.. La reducció reducciónn del peso peso de los vehíc vehículo uloss de transport transportee (autom (automóvi óviles, les, aeronav aeronaves, es, trenes, trenes, etc.), etc.), así como como el aument aumentoo de las temper temperatu aturas ras de operació operaciónn de los motores, motores, aument aumentarán arán la eficien eficiencia cia del combus combustib tible. le. Todavía Todavía quedan por desarrollar desarrollar nuevo nuevoss materiales estructurales estructurales de alta resistencia resistencia y baja dendensidad, así como materiales que tengan tengan capacidad capacidad para temperaturas temperaturas más altas, para su empleo en compon componentes entes de motores. motores. Adicio Adicionalm nalmente ente,, se recon reconoce oce la necesid necesidad ad de encontr encontrar ar nue nuevas vas fuentes fuentes económ económicas icas de energí energía, a, y usar usar los recurso recursoss present presentes es con más eficienci eficiencia. a. Sin duda, los material materiales es jugarán jugarán un papel significativo en estos desarrollos. Por ejemplo, ya está demostrada la conversión directa de energía energía solar en eléctrica. eléctrica. Las celdas solares solares emplean emplean algunos algunos materiales bastante bastante complecomple jos y caros. Para garantizar una tecnología viable, deben desarrollarse materiales que sean altamente eficientes en este proceso de conversión y que sean menos costosos. La celda celda de combust combustibl iblee de hidróg hidrógeno eno es otra otra tecnolo tecnología gía de conver conversió siónn de energía energía muy atractiv atractivaa y viable viable que tiene la vent ventaja aja de no contamina contaminar. r. Justame Justamente nte comien comienza za a emplear emplearse se en baterías para dispositivos electrónicos, y se tiene esperanza en ella como planta de poder de los automóvile automóviles. s. Todavía Todavía es necesario necesario desarrollar desarrollar nuevo nuevoss materiales materiales para celdas de combusticombusti ble más eficientes, y también para el empleo de catalizadores en la producción de hidrógeno. Además, Ade más, la calid calidad ad del ambient ambientee dep depend endee de nuestra nuestra capacid capacidad ad de contro controlar lar la conta contamiminación nación del aire y del del agu agua. a. Las técnicas técnicas de control control de la contami contaminac nación ión emplean emplean diferen diferentes tes materia materiales. les. Adicion Adicionalme almente nte,, es necesar necesario io mejora mejorarr los métodos métodos de procesad procesadoo y refinac refinación ión de materiales materiales para que produzca produzcann menor degradación degradación ambiental, ambiental, es decir, menor contaminación contaminación y menor menor deterio deterioro ro del paisaje paisaje debido debido a la explo explotaci tación ón de materias materias primas primas.. Tambié También, n, en algunos procesos procesos de manufactura manufactura de materiales materiales se producen producen sustancias sustancias tóxicas y debe considerarconsiderarse el impacto impacto ecológico ecológico de su disposición disposición (eliminación) (eliminación).. Muchos Muchos materiales materiales que empleamos empleamos se obtienen obtienen de recursos recursos no renovables, renovables, es decir, decir, no son capaces capaces de ser regenera regenerados dos.. Éstos Éstos incluy incluyen en polímer polímeros, os, para los cuales cuales la materia materia prima prima es el petróleo, y algunos a lgunos metales. Estos recursos no renovables se están agotando gradualmente, lo que requiere: 1) el descubrimien descubrimiento to de reservas reservas adicionales, 2) el desarrollo desarrollo de nuevos materiales que que tengan tengan propie propiedad dades es equ equipar iparabl ables es y un impacto impacto ambien ambiental tal menos menos adv adverso erso,, y 3) más campañas campañas de reciclado reciclado y el desarroll desarrolloo de nuevas tecnologí tecnologías as de reciclado. Como consecuencia consecuencia de los aspecto aspectoss económi económicos cos,, no sólo de la produ producció cciónn sino sino tambié tambiénn del impacto impacto ambien ambiental tal y de los factores factores ecológ ecológico icos, s, cada cada vez es más important importantee con consid siderar erar el ciclo ciclo de vida vida «del nacinacimiento hasta su muerte" muerte" de los materiales materiales en relación con el proceso proceso general general de manufactura. manufactura. El papel que los experto expertoss en ciencia ciencia e ingenierí ingenieríaa de materiale materialess desemp desempeña eñann en relación relación con estos aspectos, aspectos, así como otros otros aspecto aspectoss ambien ambientale taless y sociales sociales,, se estudian estudian con más detalle en el capítulo 23.
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