Manufactura de Materiales No Metálicos

UNIDAD IV

“Manufactura De Materiales No Metálicos”

INTRODUCCION Todas las personas y especialmente los ingenieros tienen que ver con materiales, de

manera

cotidiana

ya

sea

en manufactura manufactura,,

procesamientos

y

en

el diseño diseño y y construccin de componentes o estructuras estructuras,, ya que de!en seleccionar y utili"ar materiales y anali"ar fallas de los mismos# De!en tomar una importante decisin al seleccionar los materiales a incorporar en un diseño porque se tiene que verificar si las propiedades requeridas se pueden conseguir y mantener durante el uso del producto producto,, si el material es compati!le con otras partes de un ensam!le y si puede unirse fácilmente a ellas$ por otro lado consi conside derar rar que que se pued pueda a recic recicla larr fáci fácilm lmen ente te y o!se o!serv rvar ar si el mate materi rial al o su fa!ricacin pueden causar pro!lemas pro!lemas ecolgicos ecolgicos e incluso si puede convertirse de manera econmica en un componente %til# &n este este tra!a'o se pret pretend ende e dar dar a conoc conocer er de una una mane manera ra gener generali ali"a "ada da los los dist distin into toss tipos ipos de mat materi eriales ales dis dispon poni!l i!les para ara compr ompren ende derr un poco poco de su comportamiento y sus capacidades y poderlos aprovec(ar de una manera más eficiente, as) como ampliar el panorama de las personas de la ingenier)a en materiales y su relevancia en la industria#

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UNIDAD IV


OBJETIVOS GENERALES •

• • •

+dentificar los tipos de materiales y sus composiciones, en este caso, erámicos y ompsitos# onocer los procesos de ela!oracin de cada material +dentificar o!'etos cotidianos que presenten estas cualidades# -econocer las principales caracter)sticas que re%nen estos o!'etos#

ESPECIFICO •

+dentificar las principales aplicaciones de los materiales no metálicos más utili"ados en la industria moderna

CERAMICOS

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UNIDAD


IV

/n material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, !uen aislante, que, además, tiene la propiedad de tener una temperatura de fusin y resistencia muy elevada# 0simismo, su mdulo de oung 2pendiente (asta el l)mite elástico que se forma en un ensayo de traccin3 tam!i4n elevado, además presentan un modo de rotura frágil# Todas estas propiedades, (acen que los materiales cerámicos sean imposi!les de fundir y de mecani"ar por medios tradicionales 2fresado, torneado, !roc(ado, etc#3# Por esta ra"n, en las cerámicas reali"amos un tratamiento de sinteri"acin# &ste proceso, por la naturale"a en la cual se crea, produce poros que pueden ser visi!les a simple vista# /n ensayo a traccin, por los poros y un mdulo de oung y

una

fragilidad

elevados

y

al

tener

un

enlace

interatmico

2inico y5o covalente3, es imposi!le de reali"ar# &6isten materiales cerámicos cuya tensin mecánica en un ensayo de compresin puede llegar a ser superior a la tensin soportada por el acero# 7a ra"n, viene dada por la compresin de los poros5agu'eros que se (an creado en el material# 0l comprimir estos poros, la fuer"a por unidad de seccin es mayor que antes del colapso de los poros#

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UNIDAD IV


TIPO DE SUSTANCIA •

• •

9on compuestos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos# 9u enlace puede ser inico o covalente# Presenta estructura cristalina#

ESTRUCTURA CRISTALINA /n gran n%mero de materiales cerámicos poseen estructuras t)picas como la estructura del Nal, de !lenda 2:n93 y de fluorita 2a; *3# 9in em!argo la mayor)a de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas y variadas# &ntre estas estructuras podr)amos destacar las más importantes como son< •

•

•

•

Estructura perovskita (CaTiO!" &'emplo< =aTi> ., en la cual los iones de !ario y o6igeno forman una celda unidad c%!ica centrada en las caras con los iones !ario en los v4rtices de la celda unidad, y los iones o6ido en el centro de las caras, el in titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a seis iones o6)geno# Estructura #e$ cori%#&% (A$ 'O!# &s similar a una estructura (e6agonal compacta$ sin em!argo, a cada celda unidad están asociados 1* iones de metal y 1? de o6)geno# Estructura #e espi%e$a (MA$'O)!# Donde los iones o6igeno forman un ret)culo c%!ico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetra4dricas u octa4dricas dependiendo del tipo de espinela en particular# Estructura #e ra*ito# Tiene una estructura (e6agonal compacta#

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PROPIEDADES •

P->P+&D0D&9 M&AN+09

9on duros y frágiles a temperatura am!iente de!ido a su enlace inico5covalente 2al aplicarles una fuer"a los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace3, este (ec(o supone una gran limitacin en su n%mero de aplicaciones# &sta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones# 9on deforma!les a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el desli"amiento de !ordes de grano#

P->P+&D0D&9 M0BNCT+09 No suelen presentar propiedades magn4ticas, sin em!argo podemos encontrar cerámicas con propiedades magn4ticas de gran importancia como ferritas y granates# Cstas son las llamadas cerámicas ferrimagn4ticas# &n estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magn4ticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magn4tico se produ"ca como resultado una imantacin neta# •

P->P+&D0D&9 &7CT-+09 9on en su mayor)a aislantes el4ctricos de!ido a que tienen una alta resistencia diel4ctrica y !a'a constate diel4ctrica# 0lgunos de ellos presentan otras propiedades diel4ctricas como es la facilidad de polari"arse# •

P->P+&D0D&9 TC-M+09 7a mayor)a de los materiales cerámicos tienen !a'as conductividades t4rmicas de!ido a sus fuertes enlaces inico5covalentes# 7a diferencia de energ)a entre la !anda de covalencia y la !anda de conduccin en estos materiales es demasiado grande como para que se e6citen muc(os electrones (acia la !anda de conduccin, por este (ec(o son !uenos aislantes t4rmicos# De!ido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utili"ados en las industrias metal%rgicas, qu)micas cerámicas y del vidrio# •

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UNIDAD IV


CLASI+ICACI,N •

•

Materiales cerámicos tradicionales< 1# 0rcilla *# 9)lice .# ;eldespato Materiales cerámicos de uso espec)fico en ingenier)a< 1# >6ido de aluminio *# ar!uro de silicio .# Nitruro de silicio

APLICACIONES •

•

•

• • •

•

;a!ricacin de productos de alfarer)a, de!ido a su dure"a y resistencia al calor# 7osetas t4rmicas 2tras!ordadores espaciales3, por su !a'a conductividad t4rmica# ;a!ricacin de materiales de construccin 2ladrillos, cemento, a"ule'os, !aldosas, etc#3, por su dure"a y !a'a conductividad t4rmica y el4ctrica# 0islantes en aparatos electrnicos# Materiales refractarios, por su punto de fusin tan elevado# 9irven para pulir o afilar otros materiales de menor dure"a de!ido a su gran dure"a# &'emplos< al%mina fundida y car!uro de silicio# Eidrio#

COMPOSITOS Pagina 

UNIDAD


IV

&n ciencia de materiales reci!en el nom!re de -ateria$es co-puestos aquellos materiales que se forman por la unin de dos materiales para conseguir la com!inacin de propiedades que no es posi!le o!tener en los materiales originales# &stos compuestos pueden seleccionarse para lograr com!inaciones poco usuales de rigide", resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosin, dure"a o conductividad#1 7os materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes caracter)sticas< •

&stán formados por dos o más componentes distingui!les f)sicamente y separa!les mecánicamente#

•

Presentan varias fases qu)micamente distintas, completamente insolu!les entre s) y separadas por una interface#

•

9us propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes 2sinergia3#

•

No pertenecen a los materiales compuestos los materiales polifásicos, como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento t4rmico se cam!ia la composicin de las fases presentes#

&stos materiales nacen de la necesidad de o!tener materiales que com!inen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales# Por e'emplo, en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, r)gidos, resistentes al impacto y que resistan !ien la corrosin y el desgaste, propiedades 4stas que rara ve" se dan 'untas# 0 pesar de (a!erse o!tenido materiales con unas propiedades e6cepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan muc(o su costo, como la dificultad de fa!ricacin o la incompati!ilidad entre materiales#

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UNIDAD IV


CLASI+ICACION 1.- Clasificación según la forma de los constituyentes

Co-posites *i.rosos< el refuer"o es una fi!ra, es decir, un material con una relacin longitudGdiámetro muy alta# 7as fi!ras pueden ser continuas o discontinuas 2estas %ltimas

pueden ser

aleatorias o

unidireccionales3#

&'emplo< epoxi con fibra de vidrio #

Co-posites particu$a#os< el refuer"o son part)culas equia6iales, es decir, las dimensiones de las part)culas son apro6imadamente iguales en todas las direcciones# &'emplo< caucho reforzado con negro de humo

Co-posites estructura$es< son materiales constituidos por la com!inacin de materiales compuestos y materiales (omog4neos# 9e clasifican a su ve" en materiales laminados 2constituidos por apilamiento de láminas paralelas3 o paneles sándHic( 2compuestos de n%cleo y tapas3

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes

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ompositos de -atri/ or0%ica 2pol)meros3# G presentan !a'a densidad G posi!ilidad de o!tencin de pie"as complicadas G son los más utili"ados en la actualidad &ntre sus desventa'as se incluye la poca resistencia frente al fuego# ompositos de -atri/ -et0$ica 2aleaciones de aluminio, titanio y magnesio3 G mayor duracin G elevada conductividad t4rmica y el4ctrica G no a!sor!en (umedad G mayor resistencia al desgaste 9u principal desventa'a es su alto precio ompositos de -atri/ -i%era$ (cer0-ica!1 al%mina, 9i 2car!uro de silicio3, etc# Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventa'a su fragilidad y !a'a resistencia a c(oques t4rmicos#

3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa

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UNIDAD


IV

Microco-positos o co-positos co%ve%cio%a$es< el tamaño del refuer"o es del orden de la micra 21J G m3# 0 pesar de las me'ores propiedades mecánicas de estos compositos, tam!i4n presentan pro!lemas< G dificultad de procesado G no se pueden procesar para o!tener láminas o fi!ras &stos pro!lemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuer"o y los componentes de la matri" 2cadenas de pol)mero en el caso de los compositos de matri" orgánica3# &sta diferencia da lugar a interacciones d4!iles entre la matri" y la interfase# Para evitar este pro!lema y me'orar las interacciones se (a desarrollado un nuevo tipo de composito<

Na%oco-positos< el tamaño del refuer"o es del orden del nanmetro 21J GI mK1JG micras3# &n este caso, las interacciones matri"Grefuer"o se dan a nivel molecular#

.

ESTRUCTUR A

Matriz Pagina 1J

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&s el volumen donde se encuentra alo'ado el refuer"o, se puede distinguir a simple vista por ser continuo# 7os refuer"os de!en estar fuertemente unidos a la matri", de forma que su resistencia y rigide" sea transmitida al material compuesto# &l comportamiento a la fractura tam!i4n depende de la resistencia de la interface# /na interface d4!il da como resultado un material con !a'a rigide" y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa# 7as matrices se pueden clasificar en< Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas#

Refuerzos

7os tipos de refuer"o se pueden clasificar en tres categor)as< fi!ras, H(isLers y part)culas# Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede o!tener Pagina 11

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una gran me'ora mediante el uso de fi!ras continuas, refor"ando en la direccin del esfuer"o aplicado$ mientras que con H(isLers y part)culas se e6perimenta una disminucin de resistencia pero se o!tiene una gran isotrop)a en el material# ;i!ras ontinuas< &n el caso de las fi!ras metálicas, los pro!lemas de ataque qu)mico por parte de la matri", los posi!les cam!ios estructurales con la temperaturas, la posi!le disolucin de la fi!ra en la matri" y la relativamente fácil o6idacin de las fi!ras de metales refractarios 2, Mo, N!3, (acen que 4ste tipo de materiales sean poco empleados# Part)culas< &l uso de part)culas como material refor"ante, tiene una mayor acogida en los MM, ya que asocian menores costos y permiten o!tener una mayor isotrop)a de propiedades en el producto #

PROPIEDADES

•

9uelen ser slidos a temperatura am!iente#

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•

Tienen puntos de fusin y e!ullicin muy variada 2aunque suelen ser más !ien alto3#

•

7as conductividades t4rmicas y el4ctricas son muy elevadas#

•

Presentan !rillo metálico#

•

9on muy solu!les en estado fundido en otros metales formando aleaciones#

•

9on d%ctiles y malea!les 2no frágiles3#

PROCESO S DE +ABRICACION

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IV

•

Moldeo 9M

•

Moldeo por proyeccin

•

Moldeo por v)a (%meda o contacto 0pilado por !olsa de vac)o

•

•

-esine Transfer Moulding, -TM

•

Eacuum 0ssisted -esine Transfer Moulding, E0-TM

•

-esine +nfusion Moulding, -+M

•

;ilament inding

•

;i!er Placement

•

Pultrusin 0utomatic Tape 7aying, 0T7

•

&! curing

•

APLICACIONES 2 LIMITACIONES •

7as aplicaciones actuales e6igen materiales de !a'a densidad y !uenas propiedades mecánicas 2elevada rigide" y resistencia3# &sta com!inacin de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales< metales, pol)meros y cerámicos# &l desarrollo de los compositos (a

• •

permitido la me'ora de las propiedades de los materiales# Eenta'as que presentan los materiales compuestos G 0lta resistencia espec)fica 2resistencia5densidad3 y rigide" espec)fica 2rigide"5densidad3

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•

G Posi!ilidad de adaptar el material el esfuer"o requerido gracias a la

•

anisotrop)a 7os materiales compuestos de matri" polim4rica se utili"an en la industria automovil)stica, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrnica, de material deportivo y de la construccin, reempla"ando a los metales y otros materiales en muc(as aplicaciones#

CONCLUSION 0l concluir con el anterior tra!a'o de investigacin, podemos darnos cuenta de la importancia del mundo de los materiales en la industria, ya que tiene una amplia gama de aplicaciones# 7o importante es darnos cuenta de cmo aprender a utili"arla y darle la importancia que merece ya que conoci4ndola me'or podemos tener

grandes

a(orros

durante

el

proceso

con

una

me'or calidad y

tomando conciencia del daño que se le puede (acer al medio am!iente ya que el ingeniero en materiales toma en cuenta las repercusiones que puede (acerle al medio

am!iente con

la

creacin

de

nuevos

materiales#

Por este y muc(os más motivos considero muy importante ir comprendiendo las !ases tericas de la mecánica, en este caso de erámicos y ompuestos, para as) mismo, en el momento de la!orar podamos tener el fundamento y as) lograr un tra!a'o en la práctica que sea totalmente eficiente# oncluyendo, puedo comprender personalmente el (ec(o de que lo que a(orita se está estudiando tiene una gran importancia, ya que forma parte en el diseño de muc(as cosas que en estos momentos son muy %tiles para el ser (umano#

onclusin< Daniel elestino 7ara -o'as

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CONCLUSION &n conclusin, puedo decir que los materiales cerámicos son compuestos qu)micos inorgánicos o soluciones comple'as, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre s) principalmente mediante enlaces inicos y5o covalentes$ con gran aplicacin en alfarer)a, construccin, utensilios de cocina, dispositivos el4ctricos, de igual manera los materiales compositos son aquellos que están formados por com!inaciones de metales, cerámicos y pol)meros# 7as propiedades que se o!tienen de estas com!inaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que (ace que su utili"acin cada ve" sea más imponente so!re todo en aquellas pie"as en las que se necesitan propiedades com!inadas# &n pocas pala!ras, puedo decir que lo reali"ado en esta investigacin (a sido de muc(o provec(o y ayuda, pues (emos podido descu!rir conceptos y definiciones que antes no conoc)amos, y crece en nosotros a%n más la conviccin de que lo que estamos estudiando es provec(oso#

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RE+ERENCIAS BIBLIO3RA+ICAS onclusin< 7i"!et( 0reli ru" 7ara

(ttp<55HHH#monografias#com5tra!a'os15materialesGcompuestosG aluminio5materialesGcompuestosGaluminio*#s(tml6concl (ttp<55HHH#monografias#com5tra!a'os?*5ingenieriaGmateriales5ingenieriaG materiales#s(tml (ttp<55tecnologiadelosplasticos#!logspot#m65*J115JF5materialesGcompuestos#(tml (ttp<55HHH#uniovi#es5usr5f!lanco57eccion1#&-0M+09#TiposM0T&-+07&9#pdf (ttps<55es#HiLipedia#org5HiLi5MaterialOcer.01mico (ttp<55descom#'mc#utfsm#cl5proi5materiales5&-0M+>95&-0M+>9#(tm (ttp<55HHH#monografias#com5tra!a'os15materialesGcompuestosG aluminio5materialesGcompuestosGaluminio*#s(tml6concl

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