UNIDAD 1:
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Los materiales sólidos se clasifcan en tres clases basado en la composición !"mica # en la estr!ct!ra atómica$ estos son% •
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METALES% estos son combinaciones de elementos met&licos' Tienen !n (ran n)mero de electrones deslocali*ados$ pero no pertenecen a nin()n &tomo en concreto$ estos electrones nos dan la ma#or"a de las propiedades' Cond!cen per+ectamente el calor # la electricidad # son opacos a la l!* ,isible' Son resistentes a!n!e de+ormables' CER-MICAS% est&n constit!idos por metales # no metales$ a!" tambi.n incl!imos a la arcilla$ cemento # ,idrio' Son aislantes t.rmicos # el.ctricos$ !e a ele,ada temperat!ra # en ambientes a(resi,os son m&s resistentes !e los metales # los pol"meros' Son m!# d!ras # +r&(iles' /OL0MEROS% son comp!estos or(&nicos$ basados en carbono e 1idró(eno # otros elementos no met&licos$ caracteri*ados por !na (ran lon(it!d de s!s estr!ct!ras molec!lares' Estos tienen densidad ba2a # m!# b!ena 3e4ibilidad'
Adem&s$ e4isten otros dos (r!pos de importantes materiales t.cnicos # estos son% •
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MATERIALES COM/5ESTOS% estos est&n dise6ados para alcan*ar la me2or combinación combinación de las caracter"sticas de cada componente' SEMICOND5CTORES% tienen propiedades el.ctricas intermedias entre los cond!ctores cond!ctores # los aislantes el.ctricos' Las caracter"sticas caracter"sticas el.ctricas de los semicond!ctores son e4tremadamente sensibles a la presencia de dimin!tas concentraciones de &tomos e imp!re*as' Estas concentraciones se deben controlar en re(iones espaciales m!# pe!e6as'
RELACIÓN ENTRE ESTR5CT5RA7/RO/IEDADES7/ROCESAMIENTO •
/RO/IEDADES% podemos separarlas en dos cate(or"as% MEC-NICAS% describen la +orma en !e el material responde a !na +!er*a aplicada$ tomando en c!enta s! resistencia$ resistencia$ ri(ide* # d!ctilidad' Esta tambi.n determinan la +acilidad con la c!al se p!ede de+ormar !n material para lle(ar a !na +orma m&s )til F0SICAS% incl!#en el comportamiento comportamiento el.ctrico$ ma(n.tico t.rmico # !"mico dependen tanto de la estr!ct!ra como del procesamiento de !n material' o
o
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ESTR5CT5RA% la estr!ct!ra de !n material se p!ede considerar en di+erentes ni,eles' La disposición de los electrones !e rodean al n)cleo de los &tomos indi,id!ales a+ecta el comportamiento el.ctrico$ ma(n.tico$ t.rmico # óptico$ como tambi.n la conf(!ración electrónica in3!#e en la +orma en !e los &tomos de !nen entre s"' En el si(!iente ni,el se considera la disposición o arre(lo de los &tomos' Los metales$ semicond!ctores$ m!c1os cer&micos # al(!nos pol"meros tienen !na or(ani*ación de &tomos m!# re(!lar$ es decir !na estr!ct!ra cristalina' Otros materiales cer&micos # pol"meros no tienen !na or(ani*ación atómica m!# ordenada' Estos materiales amor+os o ,"treos$ se comportan de manera m!# distinta a los materiales cristalinos' En la ma#or parte de los metales$ de los semicond!ctores # de los cer&micos se enc!entra !na estr!ct!ra (ran!lar' El tama6o # la +orma de los (ranos in3!#en en el comportamiento del material' En la ma#or parte de los materiales se presenta m&s de !na +ase$ teniendo cada !na de ellas s! arre(lo atómico # propiedades )nicas' El control del tipo$ tama6o$ distrib!ción # cantidad de estas +ases dentro del material es otra de las principales +ormas de controlar las propiedades' /ROCESAMIENTO% este prod!ce la +orma deseada de !n componente a partir de !n material inicialmente sin +orma' Los metales se p!eden procesar ,ertiendo metal l"!ido en !n molde$ !niendo pie*as indi,id!ales de metal$ con+ormando el metal sólido en +ormas )tiles mediante alta presión$ etc' Los materiales cer&micos p!eden con+ormarse mediante procesos como colado$ +ormado$ e4t!rsión o compactación # a men!do mientras est&n 1)medos$ se(!idos por !n tratamiento t.rmico a altas temperat!ras' Los pol"meros se prod!cen mediante in#ección de pl&stico blando en moldes$ e4t!rsión # con+ormado' A men!do !n material se trata t.rmicamente por deba2o de s! temperat!ra de +!sión para lo(rar modifcar s! estr!ct!ra' Este procesamiento !tili*ado depender&$ en manera parcial$ de las propiedades # por lo tanto de la estr!ct!ra del material'
EFECTOS AM8IENTALES DE LOS MATERIALES
UNIDAD 2
ORDENAMIENTO DE CORTO 9 LAR:O ALCANCE Si no se consideran las imper+ecciones !e aparecen en los materiales$ entonces e4isten tres ni,eles de arre(lo atómico% •
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SIN ORDEN% en (ases inertes$ los &tomos no tienen orden # llenan de manera aleatoria el espacio en el c!al est& confnado el (as' ORDENAMIENTO DE CORTO ALCANCE% !n material m!estra esta clase de ordenamiento si el arre(lo espacial de los &tomos se e4tiende sólo a los ,ecinos m&s cercanos de dic1o &tomo' E2emplo% cada mol.c!la de a(!a en +ase ,apor tiene !n orden de corto alcance debido a los enlaces co,alentes entre los &tomos de 1idró(eno # o4"(eno' ORDENAMIENTO DE LAR:O ALCANCE% los metales$ semicond!ctores$ m!c1os materiales cer&micos e incl!so al(!nos pol"meros$ tienen !na estr!ct!ra cristalina en la c!al los &tomos m!estran tanto !n orden de corto alcance como !n orden de lar(o alcance$ el arre(lo espacial se e4tiende por todo el material' Los &tomos +orman !n patrón repetiti,o$ re(!lar$ en +orma de re2illa o de red' La red es !n con2!nto de p!ntos$ conocidos como p!ntos de red$ !e est&n or(ani*ados si(!iendo !n patrón periódico de +orma !e el entorno de cada p!nto en la red es id.ntico'
CELDAS 5NITARIAS A la 1ora de describir la estr!ct!ra cristalina$ con,iene di,idirla en pe!e6as entidades$ !e se repiten$ llamadas celdillas !nidad' Estas son paralelep"pedos o prismas con tres con2!ntos de caras paralelas' Esta se eli(e para representar la simetr"a de le estr!ct!ra cristalina$ de modo !e las posiciones de los &tomos en el cristal se p!edan representar despla*ando a distancias discretas la celdilla !nidad a lo lar(o de los e2es' De este modo$ la celdilla !nidad es la !nidad estr!ct!ral +!ndamental # defne la estr!ct!ra cristalina mediante s! (eometr"a # por la posición de los &tomos dentro de ella'
TI/OS DE ESTR5CT5RAS CRISTALINAS •
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ESTR5CT5RA CRISTALINA C;8ICA CENTRADA EN LAS CARAS '?@$ el c!al es el m&4imo empa!etamiento posible para es+eras r"(idas del mismo tama6o' ESTR5CT5RA CRISTALINA C;8ICA CENTRADA EN EL C5ER/O <8CC=% esta tiene &tomos locali*ados en los oc1o ,.rtices # !n &tomo en el centro' Los &tomos del centro # de los ,.rtices se tocan m!t!amente a lo lar(o de las dia(onales del c!bo # la lon(it!d a de la arista de la celdilla # el radio atómico R se relacionan mediante la si(!iente +órm!la% a=
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4 R
√ 3
Cada celdilla !nidad 8CC tiene asociados dos &tomos% !n &tomo e!i,alente a !n octa,o de cada !no de los oc1o &tomos de los ,.rtices$ !e son compartidos con otras oc1o celdillas !nidad$ # el &tomo del centro de la celdilla$ !e no es compartido' Adem&s$ las posiciones de los &tomos del centro # del ,.rtice son e!i,alentes' El +actor de empa!etamiento es >'B # el n)mero de coordinación es B' ESTR5CT5RA CRISTALINA EA:ONAL COM/ACTA <C=% las bases s!perior e in+erior consisten en 1e4&(onos re(!lares con s!s &tomos adicionales en los ,.rtices # !no en el centro' Otro plano !e pro,ee de tres &tomos adicionales a la celdilla !nidad est& sit!ado entre ambos planos' Cada celdilla !nidad e!i,ale a seis &tomos% cada &tomo sit!ado en los ,.rtices s!periores e in+eriores contrib!#e con la se4ta parte$ los &tomos del centro de los 1e4&(onos contrib!#en con la mitad # los G &tomos del plano central contrib!#en enteramente' el n)mero de coordinación # el +actor de empa!etamiento atómico son # >'?@ respecti,amente'
FACTOR DE EM/AH5ETAMIENTO
FEA =
volumende átomos en una celdilla unidad volumentotal de una celdillaunidad
/OLIMORFISMO 9 ALOTRO/0A Al(!nos metales # no metales p!eden tener m&s de !na estr!ct!ra cristalina$ a este +enómeno se lo conoce como polimorfsmo' Si este oc!rre en !n sólido elemental se denomina alotrop"a' /or lo (eneral la trans+ormación alotrópica ,iene acompa6ada de modifcaciones de la densidad # de otras propiedades +"sicas' /LANOS CRISTALO:R-FICOS La orientación de los planos cristalo(r&fcos de la estr!ct!ra cristalina se representa de modo similar' Tambi.n se !tili*a !n sistema de coordenadas de tres e2es # la celdilla !nidad es +!ndamental' Los planos cristalo(r&fcos del sistema 1e4a(onal se especifcan mediante tres "ndices de Miller <1l=' Dos planos paralelos son e!i,alentes # tienen tres "ndices id.nticos' El procedimiento !tili*ado para la determinación de los ,alores de los "ndices es la si(!iente% ' Si el plano pasa por el ori(en$ se tra*a otro plano paralelo con !na adec!ada traslación dentro de la celdilla !nidad o se esco(e !n n!e,o ori(en en el ,.rtice de otra celdilla !nidad' ' El plano cristalo(r&fco o bien corta$ o bien es paralelo a cada !no de los tres e2es' La lon(it!d de los se(mentos de los e2es se determina en +!nción de los par&metros de red$ 1$ $ l G' Se describen los n)meros rec"procos de estos ,alores' 5n plano paralelo a !n e2e se considera !e lo corta en el infnito #$ por lo tanto$ el "ndice es cero @' Estos tres n)meros se m!ltiplican o se di,iden por !n +actor com)n J' Finalmente se escriben 2!ntos los "ndices enteros dentro de !n par.ntesis <1l= DIFRACCIÓN DE RA9OS Los ra#os son !na +orma de radiación electroma(n.tica !e tiene ele,ada ener("a # corta lon(it!d de onda' C!ando !n 1a* de ra#os incide en !n material sólido$ parte de este 1a* se dispersa en todas direcciones a ca!sa de los electrones asociados a los &tomos o iones !e enc!entra en el tra#ecto'
Se consideran dos planos paralelos de &tomos A7AK # 878K !e tienen los mismos "ndices de Miller 1l # est&n separados por !na distancia interplanar d' Se s!pone !e !n 1a* paralelo$ monocrom&tico # co1erente de ra#os de lon(it!d de onda incide en estos dos planos se()n !n &n(!lo ' Dos ra#os de este 1a*$ se6alados como # son dispersados por los &tomos / # H' se()n !n &n(!lo con los planos$ oc!rre !na inter+erencia constr!cti,a de los ra#os dispersados K # K$ siempre !e las di+erencias de recorrido entre 7/7K # 7H7 K e!i,al(an a !n n)mero entero$ n$ de lon(it!d de onda' Es decir$ la condición para la di+racción es% N
SQ + QT
