INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA INGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
QUIMICA BASICA
POLÍMEROS Y CERÁMICOS
GRUPO: 1CM5
INTEGRANTES: CAMACHO RANGEL ANAID CRUZ SANTIAGO ERIKA MOCTEZUMA ALVAREZ KARINA MORENO GONZALEZ ANGÉLICA ORTEGA TAPIA HECTOR ELIHÚ
Prof. (a): INGENIERA ALINE M. ORTEGA MARTÍNEZ
FECHA DE ENTREGA: 30 DE NOBIEMBRE DE 2011
INDICE POLIMEROS Concepto de: Polímero, Monómero, Homopolímero, Copolímero…………………3 Tipos de cadena: Lineal, Ramificada, Tridimensional y Enlazada…………………4 Clasificación de polímeros………………………………………………………………6 Fibras……………………………………………………………………………………...10 Elastómeros……………………………………………………………………………....21 Plásticos…………………………………………………………………………………..24 Principales polímeros utilizados en ingeniería y su aplicación……………………..27
CERÁMICOS Antecedentes……………………………………………………………………………..29 Definición………………………………………………………………………………….30 Clasificación………………………………………………………………………………31 Estructura química……………………………………………………………………….33 Propiedades Físicas……………………………………………………………………..33 Propiedades Químicas…………………………………………………………………..34 Propiedades Eléctricas: Constante dieléctrica y Rigidez Dieléctrica………………34 Propiedades Térmicas…………………………………………………………………..34 Materiales aislantes……………………………………………………………………...35 Materiales semiconductores……………………………………………………………35 Aplicación en la ingeniería………………………………………………………………39
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POLÍMEROS Los monómeros son compuestos de bajo peso molecular que pueden unirse a otras moléculas pequeñas (ya sea iguales o diferentes) para formar macromoléculas de cadenas largas comúnmente conocidas como polímeros. Un polímero es una molécula muy grande o macromolécula constituida por la unión repetida de muchas unidades pequeñas (monómeros) a través de enlaces covalentes. *Etimológicamente: La palabra polímero esta constituida por las raíces griegas poli, que significa muchos, y mero, que significa parte; es decir, los polímeros son moléculas de alto peso molecular integradas por muchas partes o elementos unidos por un enlace covalente. Los polímeros son mezclas de macromoléculas de distintos pesos moleculares. Por lo tanto no son especies químicas puras y tampoco tienen un punto de fusión definido. Un polímero es un material constituido al combinar varios meros o unidades. Los polímeros son materiales que consisten en moléculas gigantes o macromoléculas en cadena con pesos moleculares promedio de10000 a más de 1000,000 g/mol y que se forman al unir muchos meros o unidades mediante enlace químico. Una definición general de polímeros es: a cualquier sustancia natural o sintética que posee un alto peso molecular, comúnmente superior a 10 000g/mol, se le da el nombre de sustancia macromolecular o polímero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. La mayoría de los polímeros, sólidos o líquidos, son orgánicos basados en el carbono; sin embargo, también pueden ser inorgánicos. Existen diferentes términos usados en la industria de polímeros, los cuales corresponden a diferentes modos de clasificación y en general destacan alguna característica especial del material. Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los homopolímeros, a demás, contienen cantidades menores de irregularidades en los extremos de la cadena o en ramificaciones. Por otro lado los copolímeros contienen varias unidades estructurales, como es el caso de algunos muy importantes en los que participa el estireno. Estas combinaciones de monómeros se realizan para modificar las propiedades de los polímeros y lograr nuevas aplicaciones.
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TIPOS DE CADENA Los diferentes estudios acerca de los polímeros han demostrado que su estructura es en forma de cadena, integrada por unidades estructurales repetitivas entre si por medio de enlaces covalentes. El primer trabajo relacionado con la formulación de esta teoría fue el de Staudinger en 1920. La unidad repetitiva corresponde químicamente a la del monómero en el caso de procesos de polimerización por adición, y es ligeramente diferente en los procesos de polimerización por adición, ya que en este último caso se eliminan las moléculas pequeñas (por ejemplo agua) durante la reacción. La representación esquemática de un segmento de cadena polimérica sería la siguiente:
La estructura de las cadenas poliméricas puede ser lineal, ramificada o entrecruzada. Sus correspondientes representaciones serían: Polímeros Lineales. En un polímero lineal las unidades monoméricas se unen unas a otras formando cadenas sencillas. Estas largas cadenas son flexibles y se comportan como una masa de fideos, esquematizada en la figura, donde cada círculo representa una unidad monomérica. Las cadenas de los polímeros lineales pueden unirse entre sí por fuerzas de van der Waals. Polietileno, cloruro de polivinilo, poliestireno, poli (metacrilato de metilo), nilón y fluorocarbonos son algunos polímeros de estructura lineal.
Polímeros ramificados. Se sintetizan polímeros cuya cadena principal está conectada lateralmente con otras cadenas secundarias, como está esquematizado en la figura. Son los llamados polímeros ramificados. Las ramas, que forman parte de la cadena molecular principal, son el resultado de las reacciones locales que ocurren durante la síntesis del polímero. La eficacia del empaquetamiento de la cadena se reduce con las ramificaciones y, por tanto, también disminuye la densidad del polímero.
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Polímeros entrecruzados. En los polímeros entrecruzados, cadenas lineales adyacentes se unen transversalmente en varias posiciones mediante enlaces covalentes, como está re presentado en la figura. El entrecruzamiento se realiza durante la síntesis o por reacciones químicas irreversibles que normalmente ocurren a elevada temperatura. A menudo el entrecruzamiento va acompañado por la adición mediante enlace covalente de átomos o moléculas a las cadenas. Muchos de los materiales elásticos de caucho están entrecruzados.
Polímeros reticulados. Las unidades monoméricas trifuncionales, que tienen tres enlaces covalentes activos, forman redes tridimensionales (figura) en lugar de las cadenas lineales generadas por las unidades monoméricas bifuncionales. Los polímeros compuestos por unidades trifuncionales se denominan polímeros reticulados. Un polímero entrecruzado, prácticamente, se puede clasificar como polímero reticulado. Estos materiales tienen propiedades mecánicas y térmicas específicas. Los polímeros epoxi y los fenol-formaldehido pertenecen a este grupo. Conviene recordar que algunos polímeros no pertenecen a un solo grupo. Por ejemplo, un polímero predominantemente lineal puede tener algún número limitado de ramas y de entrecruzamiento o de reticulación bidimensional.
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CLASIFICACION DE POLIMEROS Los polímeros pueden clasificarse de diferentes maneras, y a su vez, esas clasificaciones, pueden subdividirse en otras. Partiremos de lo más básico a lo más complejo: De acuerdo a su origen: Naturales y sintéticos Los polímeros naturales son todos aquellos que provienen de los seres vivos, y por lo tanto, dentro de la naturaleza podemos encontrar una gran diversidad de ellos. Las proteínas, los polisacáridos, los ácidos nucleicos son todos polímeros naturales que cumplen funciones vitales en los organismos y por tanto se les llama biopolímeros. Otros ejemplos son la seda, el caucho, el algodón, la madera (celulosa), la quitina, etc.…
Los polímeros sintéticos son los que se obtienen por síntesis ya sea en una industria o en un laboratorio, y están conformados a base de monómeros naturales, mientras que los polímeros semisinteticos son resultado de la modificación de un monómero natural. El vidrio, la porcelana, el nailon, el rayón, los adhesivos son ejemplos de polímeros sintéticos, mientras que la nitrocelulosa o el caucho vulcanizado, lo son de polímeros semisinteticos. Rayón
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Celuloide
La síntesis de polímeros se dio en el 1869 al obtener celuloide a partir de la celulosa; años después, al descubrirse la estructura de la seda, se creo la seda artificial llamada nailon. Hoy en día, al fabricarse polímeros se le pueden agregar ciertas sustancias que modifican sus propiedades, ya sea flexibilidad, resistencia, dureza, elongación, etc. De acuerdo al tipo de monómeros: Homopolímeros y copolimeros Los homopolímeros son macromoléculas que están formadas por monómeros idénticos, la celulosa y el caucho son homopolímeros naturales, mientras que el PVC y el polietileno son sintéticos. Los copolimeros están constituidos por 2 o mas monómeros diferentes, como por ejemplo, la seda como copolímero natural, y la baquelita como sintético. Ahora bien, en los copolimeros encontramos una sub clasificación, que depende de la forma en que estén ordenados los monómeros: Al azar: Es cuando los monómeros no presentan orden alguno, por tanto presentan un patrón azaroso. Alternado: Se observa un patrón de monómeros alternados. En bloque: Son los que presentan un patrón alternado, pero bloques o “paquetes”. Injertado: Es cuando se ve una cadena principal formada por un solo monómero, y contiene ramificaciones formas por el otro monómero unidas a la cadena principal.
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Según su forma: Lineales o Ramificados Los monómeros al unirse pueden dar diferentes formas de polímeros, lo que influye en sus propiedades, por ejemplo, el material blando y moldeable tiene una forma lineal con cadenas unidas por interacciones (fuerzas) débiles, mientras que un polímero rígido y frágil tiene una estructura ramificada, y así vemos muchas otras características. Los lineales se forman cuando el monómero que lo origina tiene 2 puntos de “ataque” (de unión), de modo que la polimerización ocurre en una sola dirección, pero en ambos sentidos. Los polímeros ramificados, se forman debido a que, a diferencia del lineal, estos tiene 3 o más puntos de “ataque”, de tal forma que la polimerización ocurre en forma tridimensional, en las 3 direcciones del espacio. Dentro de los polímeros ramificados encontramos 3: los con forma de estrella, de red y de dendritas.
Según sus propiedades mecánicas: Resistencia*, dureza* y elongación* (* Las mas importantes). Un polímero puede ser resistente a la compresión o al estiramiento, es decir, puede soportar golpes sin perder su forma o no estirarse con facilidad, respectivamente. También hay ciertos polímeros que son resistente al impacto, y por tanto no se destruyen al golpearlos; a su vez hay otros que presentan resistencia a la flexión: los doblamos con facilidad; y finalmente podemos encontrar resistencia a la torsión, que son los que recuperan su forma luego de haberlos torcido. Un ejemplo de resistencia al estiramiento son las cuerdas (específicamente sus fibras), ya que por lo general están sujetadas a tensión y es necesario que no se extiendan al aplicarles esta fuerza. En sí, la resistencia es la medida de la cantidad de tensión necesaria para romper el polímero.
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En cuanto a dureza, un polímero puede ser rígido o flexible. El primer tipo suelen ser resistentes y casi no sufren deformaciones, pero al no ser duros, se quiebran con facilidad; el segundo tipo, por el contrario, aguantan bastante bien la deformación y no se rompe tan fácilmente como los rígidos. En lo que a elongación respecta, los polímeros llamados elastómeros pueden ser estirados entre un 500% y un 1.000% y aun así volver a su longitud original sin haber sufrido rotura alguna. Al fin y al cabo, la elongación es el cambio de forma que sufre un polímero cuando es sometido a tensión; es la capacidad de estiramiento sin que se rompa. En lo que a plásticos respecta, encontramos termoplásticos y termoestables: Antes de comenzar, un plástico, en resumidas cuentas, es un polímero principalmente sintético que se puede moldear en algún momento de su elaboración, ante la aplicación de fuerzas relativamente débiles a temperaturas moderadas; así encontramos plásticos como el caucho (natural), el celuloide (semisinteticos) y todos los sintéticos, como el polietileno. Los termoplásticos son materiales rígidos a temperatura ambiente, pero se vuelven blandos y moldeables al elevar la temperatura, por lo que se pueden fundir y moldear varias veces, sin que por ello cambie sus propiedades, esto los hace reciclables. Son termoplásticos debido a que sus cadenas, sean lineales o ramificadas, no están unidas, o sea, presentan entre sus cadenas “fuerzas” intermoleculares, que se debilitan con un aumento en la temperatura, provocándose el reblandecimiento. Están presentes en el poliestireno, el polietileno; la seda, la lana, el algodón (fibras naturales), el poliéster y la poliamida (fibras sintéticas). Los termoestables son materiales rígidos, frágiles y con cierta resistencia térmica. Una vez que son moldeados no se pueden volver a cambiar en la que a forma respecta, porque no se ablandan cuando se calientan, volviéndolos esto no reciclables. Son termoestables porque sus cadenas están interconectadas por medio de ramificaciones que son mas cortas que las cadenas principales. La energía calórica es la principal responsable del entrecruzamiento que da una forma permanente a este tipo de plásticos y es por esto que no pueden volver a procesarse. Los encontramos en la baquelita, el PVC y el plexiglás.
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FIBRAS Son todas aquellas fibras obtenidas por el hombre por medio de métodos químicos. Las fibras logradas por transformación química de productos naturales son fibras artificiales que as u vez se dividen en: Celulósicas: Regeneradas, como son el rayón de viscosa y el rayón cupramonio. Modificadas, como el rayón acetato. Proteicas regeneradas a partir de caseína, cacahuate, maíz, algas marinas. Sintéticas: Se denominan fibras sintéticas las que se obtienen a partir de determinadas sustancias, sin intervención de la naturaleza, como los derivados del petróleo u otros compuestos. Polímeros Regenerados, como alginatos. Sintéticos de adición termoplásticos, como polivinílicos y poliacrílicos. Sintéticos de condensación termoestables, como poliésteres y poliamidas. Una fibra polimérica es un polímero cuyas cadenas están extendidas en línea recta (o casi recta) una al lado de la otra a lo largo de un mismo eje, tal como usted ve en la figura.
Los polímeros ordenados en fibras como éstas, pueden ser hilados y usados como textiles. Las prendas que usted usa, están hechas de fibras poliméricas. También las alfombras. También las sogas. Aquí tenemos algunos de los polímeros que pueden ser empleados como fibras: Polietileno El polietileno es probablemente el polímero que más se ve en la vida diaria. Es el plástico más popular del mundo. Éste es el polímero que hace las bolsas de almacén, los frascos de champú, los juguetes de los niños, e incluso chalecos a prueba de balas. Por ser un material tan versátil, tiene una estructura muy simple, la más simple de todos los polímeros comerciales. Una molécula del polietileno no es nada más que una cadena larga de átomos de carbono, con dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. Eso es lo que muestra la figura de la parte superior de la página, pero puede representarse más fácilmente como en la figura de abajo, sólo con la cadena de átomos de carbono, de miles de átomos de longitud:
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En ocasiones es un poco más complicado. A veces algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno. Esto se llama polietileno ramificado, o de baja densidad, o LDPE. Cuando no hay ramificación, se llama polietileno lineal, o HDPE. El polietileno lineal es mucho más fuerte que el polietileno ramificado, pero el polietileno ramificado es más barato y más fácil de hacer.
El polietileno lineal se produce normalmente con pesos moleculares en el rango de 200.000 a 500.000, pero puede ser mayor aún. El polietileno con pesos moleculares de tres a seis millones se denomina polietileno de peso molecular ultra-alto, o UHMWPE. El UHMWPE se puede utilizar para hacer fibras que son tan fuertes que sustituyeron al Kevlar para su uso en chalecos a prueba de balas. Grandes láminas de éste se pueden utilizar en lugar de hielo para pistas de patinaje.
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El polietileno es un polímero vinílico, hecho a partir del monómero etileno. Aquí está un modelo del monómero etileno. Para ser sinceros, parece una cierta clase de osito de juguete del arte contemporáneo. El polietileno ramificado se hace por medio de una polimerización vinílica por radicales libres. El polietileno lineal se sintetiza por medio de un procedimiento más complicado llamado polimerización Ziegler-Natta. El UHMWPE se fabrica empleando la polimerización catalizada por metalocenos. Polipropileno El polipropileno es uno de esos polímeros versátiles que andan a nuestro alrededor. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer cosas como envases para alimentos capaces de ser lavados en un lavaplatos. Esto es factible porque no funde por debajo de 160 ºC. El polietileno, un plástico más común, se recalienta a aproximadamente 100 oC, lo que significa que los platos de polietileno se deformarían en el lavaplatos. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, la clase que usted encuentra siempre alrededor de las piscinas y las canchas de mini-golf. Funciona bien para alfombras al aire libre porque es sencillo hacer polipropileno de colores y porque el polipropileno, a diferencia del nylon, no absorbe el agua. Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo. El polipropileno se puede hacer a partir del monómero propileno, por polimerización Ziegler-Natta y por polimerización catalizada por metalocenos.
Nylon
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Los nylons son unos de los polímeros más comunes usados como fibra. En todo momento encontramos nylon en nuestra ropa, pero también en otros lugares, en forma de termoplástico. El verdadero éxito del nylon vino primeramente con su empleo para la confección de medias femeninas, alrededor de 1940. Fueron un gran suceso, pero pronto se hicieron muy difíciles de conseguir, porque al año siguiente los Estados Unidos entraron en la Segunda Guerra Mundial y el nylon fue necesario para hacer material de guerra, como cuerdas y paracaídas. Pero antes de las medias o de los paracaídas, el primer producto de nylon fue el cepillo de dientes con cerdas de nylon.
Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a ésto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras.
En las animaciones de esta página, el nylon se llama nylon 6.6, porque cada unidad repetitiva de la cadena polimérica, tiene dos extensiones de átomos de carbono, cada una con una longitud de seis átomos de carbono. Otros tipos de nylon pueden tener diversos números de átomos de carbono en estas extensiones. Los nylons se pueden sintetizar a partir de las diaminas y los cloruros de diácido. El nylon 6.6 se hace con los monómeros cloruros del adipoilo y hexametilén diaminas.
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Ésta es una forma de hacer nylon 6.6 en el laboratorio. Pero en una planta industrial de nylon, se lo fabrica generalmente haciendo reaccionar el ácido adípico con la hexametilén diaminas.
Otra clase de nylon es el nylon 6. Es muy parecido al nylon 6.6, excepto que tiene sólo un tipo de cadena carbonada, de seis átomos de largo.
Se hace a partir del monómero caprolactama, por medio de una polimerización por apertura de anillo. El nylon 6 no se comporta de manera diferente al nylon 6.6. La única razón por la que se fabrican los dos tipos, es porque DuPont patentó el nylon 6.6 y otras compañías tuvieron que inventar el nylon 6 para poder entrar en el negocio del nylon. Una familia de nylons que tiene su propia página, son las aramidas.
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Poliéster Los poliésteres son los polímeros, en forma de fibras, que fueron utilizados en los años '70 para confeccionar toda esa ropa maravillosa que se usaba en las confiterías bailables, de la clase que usted ve a la derecha. Pero desde entonces, las naciones del mundo se han esforzado por desarrollar aplicaciones más provechosas para los poliésteres, como esas formidables botellas plásticas irrompibles que contienen su gaseosa favorita, como la botella azul en la figura de abajo. Como puede apreciar, los poliésteres pueden ser tanto plásticos como fibras. Otro lugar en donde usted encuentra poliéster es en los globos. No los baratos que se utilizan como bombitas de carnaval, ésos se hacen de caucho natural. Estoy hablando de los elegantes que usted ve cuando está en el hospital. Éstos se hacen de una película de poliéster hecha por DuPont llamada Mylar. Los globos se hacen con una mezcla compuesta por Mylar y papel de aluminio. Los productos como éstos, hechos de dos clases de materia prima, se llaman compósitos. Una familia especial de poliésteres son los policarbonatos. Los poliésteres tienen cadenas hidrocarbonadas que contienen uniones éster, de ahí su nombre.
La estructura de la figura se denomina poli (etilén tereftalato) o PET para abreviar, porque se compone de grupos etileno y grupos tereftalato. Entiendo que tereftalato no es una palabra sencilla de pronunciar, pero con práctica usted será capaz de hacerlo con sólo una leve sensación de dificultad.
Los grupos éster en la cadena de poliéster son polares, donde el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una carga negativa y el átomo de carbono del carbonilo tiene una carga positiva. Las cargas positivas y negativas de los diversos grupos éster se atraen mutuamente. Esto permite que los grupos éster de cadenas vecinas se alineen entre sí en una forma cristalina y debido a ello, den lugar a fibras resistentes. El inventor que descubrió primero cómo hacer botellas de PET fue Nathaniel Wyeth. Es hermano de Andrew Wyeth, el famoso pintor. Pero otros habían intentado antes. Lea esta historia sobre alguien que pudo haber sido la primera persona en intentar hacer una botella irrompible.
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Kevlar y Nomex Las aramidas pertenecen a una familia de nylons, incluyendo el Nomex y el Kevlar. El Kevlar se utiliza para hacer objetos tales como chalecos a prueba de balas y neumáticos de bicicleta resistentes a las pinchaduras. Creo que si fuera necesario, con el Kevlar hasta se podrían hacer neumáticos de bicicleta a prueba de balas. Las mezclas de Nomex y de Kevlar se utilizan para hacer ropas anti-llama. El Nomex es el que protege de morir quemados a los conductores de grandes camiones y de tractores, en el caso de que sus trajes se incendien. Gracias al Nomex, una parte importante de la cultura americana puede ser practicada con seguridad. (Los polímeros juegan otro papel en esos inmensos camiones, bajo la forma de elastómeros con los cuales se fabrican sus gigantescos neumáticos). Las mezclas de Nomex-Kevlar también protegen a los bomberos. El Kevlar es una poliamida, en la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4. El Kevlar se muestra en la figura grande, en la parte superior de esta página.
El Nomex, por otra parte, posee grupos meta-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en las posiciones 1 y 3.
El Kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No se derretía por debajo de los 500oC, de modo que también se descartaba el hecho de procesarlo en su estado fundido. Fue entonces cuando una científica llamada Stephanie Kwolek apareció con un plan brillante. Las aramidas se utilizan en forma de fibras. Forman fibras aún mejores que las poliamidas no aromáticas, como el nylon 6,6.
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Poliacrilonitrilo El poliacrilonitrilo se utiliza para... bueno... no mucho, realmente, excepto para hacer otro polímero, la fibra de carbono. Pero los copolímeros que contienen principalmente poliacrilonitrilo, se utilizan como fibras para hacer tejidos, como medias y suéteres, o también productos para ser expuestos a la intemperie, como carpas y otros. Si la etiqueta de cierta prenda de vestir dice "acrílico", entonces es porque la prenda está hecha con algún copolímero de poliacrilonitrilo. Generalmente son copolímeros de acrilonitrilo y metil acrilato, o acrilonitrilo y metil metacrilato:
A veces también hacemos los copolímeros a partir de acrilonitrilo y cloruro de vinilo. Estos copolímeros son retardantes de llama y las fibras hechas de ellos se llaman fibras modacrílicas.
Pero la gran cantidad de copolímeros de acrilonitrilo no termina aquí. El poli(estireno-co-acrilonitrilo) (SAN) and el poli(acrilonitrilo-co-butadieno-co-estireno) (ABS), se utilizan como plásticos.
El SAN es un simple copolímero al azar de estireno y acrilonitrilo. Pero el ABS es más complicado. Está hecho por medio de la polimerización de estireno y acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. El polibutadieno tiene enlaces dobles carbono-carbono en su estructura, los que pueden también polimerizar. Así que terminamos con una cadena de polibutadieno, conteniendo cadenas de SAN.
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Celulosa La celulosa es uno de los muchos polímeros encontrados en la naturaleza. La madera, el papel y el algodón contienen celulosa. La celulosa es una excelente fibra. La madera, el algodón y la cuerda de cáñamo están constituidas de celulosa fibrosa. La celulosa está formada por unidades repetidas del monómero glucosa. Ésta es la misma glucosa que su cuerpo metaboliza para vivir, pero usted no puede digerirla en la forma de celulosa. Dado que la celulosa está constituída por un monómero del tipo de los azúcares, se la denomina polisacárido.
La celulosa ocupa un lugar importante en la historia de los polímeros porque fue utilizada para hacer algunos de los primeros polímeros sintéticos, tales como el nitrato de celulosa, acetato de celulosa y rayón Poliuretanos Los poliuretanos son los polímeros mejor conocidos para hacer espumas. Si en este momento usted está sentado en una silla tapizada, el almohadón está hecho
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probablemente, de una espuma del poliuretano. Los poliuretanos son más que espumas. Los poliuretanos componen la única familia más versátil de polímeros que existe. Pueden ser elastómeros y pueden ser pinturas. Pueden ser fibras y pueden ser adhesivos. Aparecen en todas partes. Un poliuretano maravillosamente extraño es el spandex. Por supuesto, los poliuretanos se llaman así porque en su cadena principal contienen enlaces uretano.
La figura muestra un poliuretano simple, pero un poliuretano puede ser cualquier polímero que contenga un enlace uretano en su cadena principal. Incluso existen poliuretanos más sofisticados.
Los poliuretanos se sintetizan haciendo reaccionar diisocianatos con di alcoholes.
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A veces, el di alcohol se sustituye por una diaminas y el polímero que obtenemos es una poliurea, porque contiene más bien un enlace urea, en lugar de un enlace uretano. Pero generalmente se los llama poliuretanos, porque probablemente no se venderían bien con un nombre como poliurea.
Los poliuretanos son capaces unirse perfectamente por enlace por puente de hidrógeno y así pueden ser muy cristalinos. Por esta razón se utilizan a menudo para hacer copolímeros en bloque con polímeros de estructura similar al caucho. Estos copolímeros en bloque tienen características de elastómeros termoplásticos.
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ELASTÓMEROS Los elastómeros son materiales basados en polímeros de comportamiento elástico y de consistencia flexible (experimentan grandes deformaciones con esfuerzos moderados) y resilencia elevada. Elastómero es una elegante palabra que significa simplemente "caucho". Entre los polímeros que son elastómeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el polibutadieno, el poliisobutileno, y los poliuretanos. La particularidad que destaca a los elastómeros es su facilidad para rebotar. Pero decir "que rebotan" es poco preciso. Seamos más específicos. Lo particular de los elastómeros es que pueden ser estirados hasta muchas veces su propia longitud, para luego recuperar su forma original sin una deformación permanente. Poliisopreno Uno de los polímeros naturales mejor conocidos es el poliisopreno, o caucho natural. Los antiguos mayas y aztecas lo extraían del árbol de la Hevea y lo empleaban para hacer botas de lluvia y las pelotas que utilizaban en un juego similar al básquet. Es lo que llamamos un elastómero, es decir, después de ser estirado o deformado, recupera su forma original. Normalmente, el caucho natural es tratado para producir entrecruzamientos, lo que lo convierte en un elastómero aún mejor.
El poliisopreno es un polímero dieno, o sea un polímero formado a partir de un monómero que contiene dos enlaces dobles carbono-carbono. Como la mayoría de los polímeros dieno, tiene un enlace doble carbono-carbono en la cadena polimérica. El poliisopreno puede extraerse de la savia del árbol de la Hevea, pero también puede sintetizarse por medio de la polimerización Ziegler-Natta. Este es un raro ejemplo de un polímero natural que puede hacerse casi tan bien como lo hace la naturaleza.
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Polibutadieno
El polibutadieno fue uno de los primeros tipos de elastómeros sintéticos, o caucho, en ser inventados. No fue necesario un gran esfuerzo de imaginación para llegar a él, al igual que el poliisopreno, muy similar al caucho natural. Es adecuado para las aplicaciones que requieren exposición a bajas temperaturas. Los neumáticos se hacen a menudo con mezclas de polibutadieno y de otras clases de caucho. Las correas, mangueras, juntas y otras piezas de automóvil se hacen de polibutadieno, porque éste tiene mejor resistencia a las bajas temperaturas que otros elastómeros. Muchos polímeros pueden llegar a ser quebradizos a bajas temperaturas debido a un fenómeno llamado transición vítrea. ¡Conducir en invierno puede ser bastante malo si se quebraran las mangueras y las juntas! Un caucho duro llamado poli (estireno-butadieno-estireno), o caucho SBS, es un copolímero que contiene polibutadieno.
El polibutadieno es un polímero dieno, o sea un polímero hecho a partir de un monómero que contiene dos enlaces dobles carbono-carbono, específicamente butadieno. Se obtiene por medio de una polimerización Ziegler-Natta.
Poliisobutileno
El poliisobutileno es un caucho sintético, o elastómero. Es especial porque es el único caucho impermeable a los gases, es decir, es el único caucho que puede mantener el aire por largos períodos. Usted puede haber notado que los globos se desinflan después de algunos días. Esto es porque están hechos de poliisopreno, que no es impermeable a los gases. Dado que el poliisobutileno mantiene el aire, se utiliza para hacer cosas como cámaras para neumáticos y pelotas de básquet. El poliisobutileno, a veces llamado caucho butilo, y otras veces PIB, es un a polímero vinílico, de estructura muy similar al polietileno y al polipropileno excepto que uno de los carbonos está sustituido por dos grupos metilo. Se hace a partir del monómero isobutileno, por polimerización vinílica catiónica.
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Generalmente, una cantidad pequeña de isopreno se agrega al isobutileno. La polimerización se realiza a -100 ºC. Esto es porque la reacción es tan rápida que no podemos controlarla, a menos que trabajemos a esa temperatura. El poliisobutileno fue desarrollado primeramente a principios de los años '40. En aquella época, el caucho más extensamente usado era el caucho natural, poliisopreno. El poliisopreno era un excelente elastómero, fácil de aislar de la savia del árbol de Hevea. Las enormes plantaciones prosperaron en Malasia, que plantó árboles de Hevea para proveer las necesidades mundiales de caucho. Sólo había un pequeño problema y era que Malasia acababa de ser conquistada por el Ejército Imperial Japonés, el cual se encontraba en guerra con los Estados Unidos. Antes de que la guerra concluyera, morirían más de sesenta millones de personas. Privadas del caucho natural, las naciones aliadas pensaron rápidamente y aparecieron con el PIB. Obviamente funcionó, porque los aliados ganaron la guerra. Bueno, en realidad no inventamos el poliisobutileno durante la guerra. Había sido inventado mucho antes de la guerra por químicos de Alemania. ¡Vaya ironía! Pero no prestó mucha utilidad hasta que los químicos americanos idearon una manera de entrecruzarlo. Lo que hicieron fue copolimerizar el isobutileno con una pequeña cantidad de isopreno, digamos un uno por ciento. Este es el isopreno:
Elastómeros termoplásticos
Materiales que combinan las propiedades de los elastómeros (elasticidades situadas entre las de los termoplásticos flexibles y las de los elastómeros) con las facilidades de conformado de los termoplásticos. Ello se debe a la presencia simultánea de segmentos rígidos, normalmente semicristalinos (hacen de enlaces cruzados), con una temperatura de reblandecimiento, Tm, mayor que la de servicio (posibilidad de conformado como termoplástico), y segmentos elásticos, normalmente amorfos, con una temperatura de transición vítrea, T g, menor que la de servicio. Entre las familias de elastómeros termoplásticos TPE, las durezas menores (poliestirenos, TPE-S y en parte poliolefinas, TPO/TPE-O), de buena la elasticidad, no sustituyen fácilmente los elastómeros termoestables debido a las limitadas temperaturas de servicio máximas; y, las de mayores durezas (poliuretanos, TPU/TPE-U, poliésteres, TEEE/TPE-E y poliamidas, PEBA/TPE-A), siendo menor su elasticidad, se aplican a elementos como amortiguadores, muelles, parachoques y tubos flexibles, gracias a propiedades como las de los termoplásticos técnicos. Los nuevos elastómeros termoplásticos vulcanizados (TPV/TPE-V), fruto de la mezcla de un termoplástico (matriz) y un elastómero (partículas de ~1 µm) que se vulcaniza dinámicamente en la mezcla durante la
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fabricación, tienen propiedades cercanas a las de los elastómeros termoestables. Aun siendo los materiales TPE relativamente caros, su transformación es más versátil y barata que la de los elastómeros termoestables, siendo posible la fabricación de piezas más complejas y precisas a un coste global menor.
PLÁSTICOS Los plásticos son materiales orgánicos compuestos fundamentalmente de carbono y otros elementos como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno o el azufre. En la actualidad, la mayoría de los plásticos que se comercializan provienen de la destilación del petróleo. La industria de plásticos utiliza el 6% del petróleo que pasa por las refinerías. Los plásticos se obtienen mediante polimerización de compuestos derivados del petróleo y del gas natural. La mayoría de los materiales plásticos son transparentes, incoloros y frágiles. Pero si se les añade determinadas sustancias, sus propiedades cambian, y se les puede hacer ligeros, flexibles, coloreados, aislantes, etc.
También pueden Algunos plásticos Otros son flexibles, y ser aislantes son ligeros, como se usan en reglas y eléctricos, y se usan ocurre con plantillas escolares. para cables el porexpán. eléctricos. Los plásticos se clasifican en tres grupos, las macromoléculas que los constituyen. los termoestables y los elastómeros.
según Son
la disposición de los termoplásticos,
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TERMOPLÁSTICOS Los plásticos más utilizados pertenecen a este grupo. Sus macromoléculas están dispuestas libremente sin entrelazarse.
Gracias a esta disposición, se reblandecen con el calor adquiriendo la forma deseada, la cual se conserva al enfriarse.
TERMOESTABLES
ELASTÓMEROS
Sus macromoléculas se entrecruzan formando una red de malla cerrada.
Sus macromoléculas se ordenan en forma de red de malla con pocos enlaces.
Esta disposición no permite nuevos cambios de forma mediante calor o presión: solo se pueden deformar una vez.
Esta disposición permite obtener plásticos de gran elasticidad que recuperan su forma y dimensiones cuando deja de actuar sobre ellos una fuerza.
TIPOS MÁS USOS COMUNES TERMOPLÁSTICOS POLIETILENOS Bolsas, recipientes, contenedores... POLIÉSTERES Botellas para SATURADOS bebidas, envases alimenticios... POLIESTIRENOS Protectores en embalajes, planchas aislantes... POLIVINILOS Tuberías de agua y gas, aislantes eléctricos, impermeables, antiguos discos de
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TERMOESTABLES
ELASTÓMEROS
música... POLIPROPILENOS Cajas, estuches con tapa abatible, jeringuillas... FENOLES Aislantes eléctricos, interruptores, bases de enchufe... AMINAS Clavijas, interruptores, recubrimientos de tableros... RESINAS DE Embarcaciones, POLIÉSTER piscinas, fibras y tejidos... RESINAS EPOXI Material deportivo, alas de aviones, adhesivos... CAUCHOS Neumáticos, mangueras, artículos de goma... NEOPRENOS Trajes de submarinismo, rodilleras, correas... POLIURETANOS Gomaespuma, piel artificial, guardabarros... SILICONAS Prótesis, sondas y tubos de uso médico, cierres herméticos...
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PRINCIPALES POLIMEROS UTILIZADOS EN INGENIERIA Y SU APLICACIÓN
Nylon (poliamida 6, PA 6)
Polilactona
Policaprolactona
Poliester
Polisiloxanos
Polianhidrido
Poliurea
Policarbonato
Polisulfonas
Poliacrilonitrilo
Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
Polióxido de etileno
Policicloctano
Poli (n-butil acrilato)
Poliéster
Tereftalato de Polibutileno (PBT)
Estireno Acrilonitrilo (SAN)
Poliuretano Termoplástico (TPU)
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CERÁMICOS ANTECEDENTES La historia de la cerámica va unida a la historia de casi todos los pueblos del mundo. Abarca sus mismas evoluciones y fechas y su estudio está unido a las relaciones de los seres humanos que han permitido el progreso de este arte. La invención de la cerámica se produjo durante la revolución neolítica, cuando se hicieron necesarios recipientes para almacenar el excedente de las cosechas producido por la práctica de la agricultura. En un principio esta cerámica se modelaba a mano, con técnicas como el pellizco, el colombín o la placa (de ahí las irregularidades de su superficie), y tan solo se dejaba secar al sol en los países cálidos y cerca de los fuegos tribales en los de zonas frías. Más adelante comenzó a decorarse con motivos geométricos mediante incisiones en la pasta seca, cada vez más compleja, perfecta y bella elaboración determinó, junto con la aplicación de cocción, la aparición de un nuevo oficio: el del alfarero. Según las teorías difusionistas, los primeros pueblos que iniciaron la elaboración de utensilios de cerámica con técnicas más sofisticadas y cociendo las piezas en hornos fueron los chinos. Desde China pasó el conocimiento hacia Corea y Japón por el Oriente, y hacia el Occidente, a Persia y el norte de África hasta llegar a la Península Ibérica. En todo este recorrido, las técnicas fueron modificándose. Esto fue debido a ciertas variantes; una de ellas fue porque las arcillas eran diferentes. En China se utilizaba una arcilla blanca muy pura, el caolín, para elaborar porcelana, mientras que en Occidente estas arcillas eran difíciles de encontrar. Otras variantes fueron los motivos decorativos y los diferentes métodos utilizados para la cocción. El invento del torno de alfarero, ya en la Edad de los Metales, vino a mejorar su elaboración y acabado, como también su cocción al horno que la hizo más resistente y amplió la gama de colores y texturas. En principio, el torno era solamente una rueda colocada en un eje vertical de madera introducido en el terreno, y se la hacía girar hasta alcanzar la velocidad necesaria para elaborar la pieza. Poco a poco fue evolucionando, se introdujo una segunda rueda superior y se hacía girar el torno mediante un movimiento del pie; posteriormente se añadió un motor, que daba a la rueda diferente velocidad según las necesidades. A menudo la cerámica ha servido a los arqueólogos para datar los yacimientos e, incluso, algunos tipos de cerámica han dado nombre a culturas prehistóricas. Uno de los primeros ejemplos de cerámica prehistórica es la llamada cerámica cardial. Surgió en el Neolítico, debiendo su denominación a que estaba decorada con incisiones hechas con la concha del cardium edule, una especie de berberecho. La cerámica campaniforme, o de vaso campaniforme, es característica de la edad de los metales y, más concretamente, del calco lítico, al igual que la cerámica de El Argar (argárica) lo es de la Edad del Bronce. Los ceramistas griegos trabajaron la cerámica influenciados por las civilizaciones del Antiguo Egipto, Canaán y Mesopotamia. Crearon recipientes con bellas formas que cubrieron de dibujos que narraban la vida y costumbres de su época. La estética griega fue heredada por la Antigua Roma y Bizancio, que la propagaron
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hasta el Extremo Oriente. Se unió después a las artes del mundo islámico, de las que aprendieron los ceramistas chinos el empleo del bello azul de cobalto. Desde el norte de África penetró el arte de la cerámica en la Península Ibérica, dando pie a la creación de la loza hispano-morisca, precedente de la cerámica mayólica con esmaltes metálicos, de influencia persa, y elaborada por primera vez en Europa en Mallorca (España), introducida después con gran éxito en Sicilia y en toda Italia, donde perdió la influencia islámica y se europeizó. Definición La cerámica (palabra derivada del griego κεραμικός keramikos, "sustancia quemada") es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, barro, loza y porcelana. También es el nombre de dichos objetos. El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal.. La cerámica se puede definir como materiales inorgánicos no metálicos. Son de naturaleza típicamente cristalina y son compuestos formados de elementos metálicos y no metálicos. Es una técnica de modelar la arcilla y cocerla en un horno como mínimo a 500ºC para que adquiera dureza. Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos (no contienen carbono) de alto punto de fusión. En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades específicamente dieléctricas. Todos los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia tienen una resistencia excepcional al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en fuerte concentración, excepción hecha del ácido fluorhídrico. Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente: Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.) Silicatos magnésicos (talco) A estos componentes fundamentales se añaden otros muchos constituyentes secundarios, entre ellos: el cuarzo, el feldespato, la alúmina, el carburo silícico, etc.
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Clasificación Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámico:
Materiales compactos:Ha sufrido vitrificación, pues la mezcla ha sido sometida a altas temperaturas y el cuarzo llega a fundirse con la arena. Destacan el gres y la porcelana. Materiales porosos: No han sufrido vitrificación , pues no llega a fundirse el cuarzo con la arena. Destaca la arcilla cocida y la loza.
Dicha característica física se relaciona con tres aspectos fundamentales de su proceso productivo: Temperatura de Cocción Presión de Moldeo Granulometría de la Mezcla Base. Así, los cuatro tipos cerámicos básicos y su capacidad de absorción de agua se relacionan con la temperatura de cocción según la siguiente tabla: Clasificación
Absorción De Agua
Temperatura De Cocción
Porcelana
0%
> 1200 º C
Gres Cerámico
0,50 % a 3,00%
1200 ºC a 1050 ºC
Semi Gres Cerámico
3,00% a 6,00%
1200 ºC a 1050 ºC
Loza Porosa
> 6,0%
1050 ºC a 890 ºC
Una segunda clasificación es según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos, que se definen a continuación. GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.
GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.
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GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.
GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc. GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita,etc.
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Estructura Química La estructura de los cerámicos, que contienen varios átomos de tamaños diferentes, es de las más complejas de todas las estructuras de los materiales. Los enlaces entre estos átomos son por lo general covalentes (compartiendo electrones, de ahí que se trate de enlaces fuertes). Estos enlaces son mucho mas fuertes que los enlaces metálicos. En consecuencia las propiedades como son la dureza o la resistencia térmica y eléctrica, son significativamente más elevadas en los cerámicos que en los metales. Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico, más fuerte que el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que sean conductores pobres. Tienen estructura cristalina más compleja que la de los materiales metálicos
Propiedades físicas
Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros. Baja conductividad eléctrica. Baja conductividad térmica. Baja expansión y fallas térmicas
La conductividad térmica en los cerámicos varia tanto como 3 órdenes de magnitud, dependiendo de su composición, mientras que en los metales solo varia en un orden. La conductividad térmica de los cerámicos, al igual que la de los otros metales, se reduce al incrementarse la temperatura y la porosidad, ya que el aire es un mal conductor térmico.
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Propiedades químicas
Baja conductividad eléctrica. Baja conductividad térmica. Son aislantes. Son capaces de soportar altas temperaturas. Tienen gran estabilidad Son resistentes a la corrosión. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Bajo coeficiente de dilatación Baja conductividad térmica. Elevados puntos de fusión.
Propiedades Dieléctricas La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. Rigidez Dieléctrica Entendemos por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática a el valor límite de La intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor, y esto se mide en Voltios por metro en el sistema internacional también la podemos definir como la máxima tención que puede soportar un aislante sin perforarse a esta tención se le denomina tención de rotura de un dieléctrico. Propiedades Térmicas La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este echo son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
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Materiales cerámicos aislantes Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector). La mayoría de los no metales son apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes. Esto se debe ala ausencia de electrones libres. Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que puedendeducirse las demás características necesarias. Para ello se han normalizado algunos conceptos y se han fijado los procedimientos de medidas.
TEORIA DE SUPERCONDUCTIVIDAD: MATERIALES METÁLICOS Y CERÁMICOS Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. MATERIALES METÁLICOS SUPERCONDUCTORES En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores Tipo I. En cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético. Estos superconductores se denominan superconductores Tipo II. MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiometria de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 en el cual los metales
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presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con otros cerámicos METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización: • Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal. • Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material. • Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo. PIEZOELECTRICIDAD PROPIEDAD ELÉCTRICA DE LOS CERÁMICOS Los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas. PROPIEDADES MAGNETICAS Ferromagnetismo El ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferro magnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferro magnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. Generalmente, los ferro magnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía. Al someter un material ferro magnético a un campo magnético intenso, los dominios se alinean con éste,
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dando lugar a un mono dominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo. Paramagnetismo El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferri magnetismo. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva (y pequeña). En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferro magnéticos, este comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie. Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está favorecido energéticamente. Diamagnetismo El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos tanto el polo norte como el sur. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en Septiembre de 1845 por Michael Faraday. Generalmente, el diamagnetismo se justifica por la circulación de los electrones en los orbitales doblemente ocupados. Como en un cable de un material conductor, la circulación de los electrones se produce en el sentido en el que el campo magnético que generan se opone al campo aplicado, generando una repulsión (efecto Hall). Por este mismo mecanismo, los superconductores presentan un diamagnetismo extraordinariamente alto. Materiales diamagnéticos son por ejemplo: bismuto, grafito, plata, agua. Susceptibilidad magnética La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en respuesta a un campo magnético En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material.
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Aplicaciones en la ingeniería Un tipo especial de cerámica blanca esta dad por la llamada cerámica de los óxidos, que explota la alta dureza de los productos obtenidos para aplicarlos como sustitutos de herramientas de corte, tradicionalmente elaboradas de metales o de carburos metálicos. Las herramientas de cerámicas están formadas por óxidos de aluminio sintetizado (alúmina casi pura, o bien con otros elementos que reducen la proporción de la alúmina al 90 %). Estas herramientas constituyen la más moderna contribución de la cerámica al progreso de los materiales para herramientas de corte, pues prácticamente se han empezado a generalizar a partir de 1960. Se trata de materiales porosos con densidades entre 3,5 – 4,5 g/cm3, de dureza superior a los carburos metálicos y, por su puesto, a los aceros rápidos. Tienen el inconveniente de que son muy frágiles. Sin embargo, la simplicidad de los métodos de moldeo para fabricar esta herramienta, economía de ellos y altas productividades alcanzadas con su aplicación, este último inconveniente pierde significado. Se utilizan, hoy en día, en la construcción de dados de trefilas para el estirado y en forma de plaquitas para ser soldadas por resinas epoxi, a los mangos de herramientas de maquinado. Con estas herramientas se pueden trabajar a velocidades superiores a las empleadas en los carburos metálicos, pues resisten temperaturas de 1200 ºC sin perder el filo. Las herramientas de cerámicas aplicadas al torneado de la fundición, con una dureza Brinell de 200, permite velocidades hasta de 400 m/min, con profundidades de pasada hasta de 5 mm y avances de hasta 8 mm por vuelta. En trabajos de acabado, de esa misma fundición, se ha llegado a trabajar a velocidades de 2000 m/min, con profundidades de pasada de 1 mm y avances de 0,2 mm. También en el torneado de los aceros se ha llegado emplear a velocidades de corte de 200 m/min con resultados satisfactorios. El cobre y sus aleaciones, y los metales ligeros se maquinan, también, a grandes velocidades con herramientas cerámicas. Como resumen puede admitirse que la velocidad de corte de las cuchillas de cerámica pueden llegar a ser de 1,5 a 4 veces superior a la correspondiente a las cuchillas de carburo, con alta significación económica que resulta de poder elevar los regímenes de corte, elevando la productividad de las máquinas, economizando tiempo y materiales, disminuyendo tiempos de afilados, etc.
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