9.15 PROBLEMAS 9.1 ¿Cómo se extrae el arrabio en bruto a partir de minerales de óxido de hierro?
Se obtiene como material fundido en un alto horno mediante reducción del mineral de hierro. 9.2 Escriba una reacción química típica para la reducción del óxido de hierro
(Fe2O3) por monóxido de carbono para producir hierro. Fe2O3 + CO --> Fe + CO2 Si tratamos de balancear la reacción, primero podríamos, como hay 2 Fe del lado izquierdo y solo1 del derecho, multiplicar le de la derecha por 2, así Fe2O3 + CO --> 2Fe + CO2 El Fe ya está balanceado. Veamos ahora el e l Carbono. Hay 1 de cada lado, esta balanceado entonces. Ahora le toca al oxigeno... a la izquierda izquierda hay: 3 en el óxido y 1 en el monóxido. Así que hay 4 a la izquierda. A la derecha, hay solo 2 en el dióxido de carbono. Así que multiplicamos por 2 el dióxido a la derecha para tener 4 de cada lado. Nos queda así: Fe2O3 + CO --> 2Fe + 2CO2 Pero ahora desbalanceamos el C. Tenemos 2 a la derecha y solo 1 a la izquierda. Entonces agregamos un 2 a la izquierda: Fe2O3 + 2CO --> 2Fe + 2CO2 Y nuevamente vemos que los O nos quedaron desbalanceados. Hay, a la izquierda, 3 del óxido y 2 del monóxido, así que tenemos 5 a la izquierda. Y a la derecha tenemos 4. Hay que agregar más a la derecha entonces, cambiamos el 2 por el 3 a la derecha... Fe2O3 + 2CO --> 2Fe + 3CO2 Ahora tememos 3C a la derecha y solo 2 a la izquierda. Agregamos también un C a la izquierda. Y esto lo hacemos cambiando el 2 por el 3 del CO (monóxido): Fe2O3 + 3CO --> 2Fe + 3CO2 Y controlamos ahora si se balanceo. 2 Fe de cada lado 3 C de cada lado 6 O de cada lado 9.3 Describa el proceso básico de oxígeno para convertir el arrabio en acero.
El
proceso
de
acería
de
oxígeno
básico
es
como
sigue:
El hierro fundido de un horno alto es vertido en un contenedor refractario-rayado grande llamado un cucharón. El metal en el cucharón es enviado directamente para la acería de oxígeno básica a una etapa de pretratamiento. El pretratamiento del metal de alto horno es usado para reducir la carga de refinado de azufre, silicio, y fósforo. En el pre tratamiento
de desulfuración, una lanza es introducida en el hierro fundido en el cucharón y varios cientos de kilogramos de magnesio pulverizado son añadidos. Las impurezas de azufre son reducidas al a l sulfuro de magnesio en una reacción reac ción exotérmica violenta. El sulfuro es sacado del crisol en forma de escoria. El pretratamiento similar es posible para desiliconisación y defosforilación que usa la escala de molino (óxido de hierro) y la cal como reactivo. La decisión de pretratar depende de la calidad del metal de alto horno y la calidad final requerida del acero BOS. El relleno del horno con los ingredientes es llamado culpando. El proceso de BOS es autogenerado: la energía térmica requerida es producida durante el proceso. Manteniendo el equilibrio de precio apropiado, la proporción de hotmetal para desechar, es por lo tanto muy importante. El recipiente BOS es un quinto lleno de la pizca de acero. El hierro fundido de la cucharón es añadido como requerido por el equilibrio de precio. Una química típica de hotmetal cobrado en el contenedor BOS es: el 4 % C, 0.2-0.8%Si, 0.08 %-0.18%P, y 0.01-0.04%S. El recipiente es puesto entonces derecho y una lanza refrescada por agua es bajada abajo en ello. La lanza hace volar el oxígeno puro del 99 % en el acero y hierro, haciendo la temperatura elevarse a aproximadamente 1700°C. Este derrite la mezcla, baja el contenido de carbón del hierro fundido y las ayudas quitan elementos químicos no deseados. Esto es este uso de oxígeno en vez del aire que mejora en el proceso de Bessemer, para el nitrógeno (y otros gases) en el aire no reaccionan. Los flujos (cal quemada o dolomite) son alimentados al contenedor para formar la escoria que absorbe impurezas del proceso de acería. Durante la sopladura del metal en el contenedor forma una emulsión con la escoria, facilitando el proceso de refinado. Cerca del final del ciclo de soplado, que toma aproximadamente 20 minutos, la temperatura es medida y las muestras son tomadas. Las muestras son probadas y un análisis de computadora del acero dado dentro de seis minutos. Una química típica del metal hecho volar es 0.3-0.6%C, 0.05-0.1%Mn,.01-0.03%Si, 0.010.03%S y P. 9.4 ¿Por qué el diagrama de fases de Fe-Fe3C es un diagrama de fases
metaestable, en lugar de un verdadero diagrama de fases en equilibrio? Es importante notar que no se trata de un verdadero diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera cambio de fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente. 9.5 Defina las siguientes fases contenidas en el diagrama de fases del Fe-Fe3C: Fase Austenítica (0 hasta 2,1% C)
La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, como lo muestra la Figura 5.3 La cantidad de carbono disuelto, varía de 0 a 2.1 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C.
La austenita presenta las siguientes características:
Baja temperatura de fusión. Baja tenacidad. Excelente soldabilidad. No es magnética.
Ferrita alfa α (0 hasta 0,022%C)
Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, como se puede observar en la Figura 5.4, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono. La máxima solubilidad es 0,022% de C a 727°C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente. Fase Cementita (0,022% a 6,67%C)
Se forma cementita (Fe 3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por debajo de 727°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. La cementita se presenta de forma oscura al ser observada al microscopio como se puede ver en la Figura 5.5, Estrictamente hablando, la cementita es sólo metaestable; esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se calienta entre 650 y 700°C durante varios años, cambia gradualmente o se transforma en hierro α y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Es decir, el diagrama de fases no está verdaderamente en equilibrio porque la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierro-carburo de hierro es, en la práctica, válido.
Ferrita delta δ (0 hasta 0,09%C)
Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Las características de la ferrita δ son:
Muy blanda. Estructura cristalina BCC Es magnética. Muy poca posibilidad de disolución del carbono.
La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro. La ferrita δ es como la ferrita α, y sólo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen. 9.6 Escriba las reacciones correspondientes a las tres reacciones invariables que
ocurren en el diagrama de fases de Fe-Fe 3C.
9.7 ¿Cuál es la estructura de la perlita?
Formas que presenta: La perlita puede aparecer de 2 formas distintas: 1-Forma laminar(es la más frecuente): son laminas alternadas de las 2 fases que forman el constituyente bifásico. El espacio interlaminar puede ser variable, dependiendo de las condiciones de obtención de ese acero. Cuanto más fina sea la estructura, menor espacio interlaminar y presentará mayor dureza. Esto hace que las propiedades mecánicas puedan variar sus valores, es decir, las propiedades antes citadas son valores promedio. 2-Forma Globular: sobre una matriz ferrítica aparecen unos glóbulos de cementita, para obtener este tipo de estructura, que es menos dura y resistente. Esta estructura se busca para ablandar un acero que va a ser mecanizado. La perlita se ataca con el Nital, que ataca a una de las dos fases porque hay diferencia de potencial electroquímico entre ambas fases, lo que provoca un ataque selectivo a una de las fases que suele ser la ferrita de forma que la cementita aparece oscurecida.
En la estructura globular sólo es atacada la ferrita que está junto al borde de los glóbulos de cementita. 9.8 Indique la diferencia entre los tres tipos siguientes de aceros al carbono simples:
Los aceros eutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene composición del eutectoide 0.77 %. Inicialmente la microestructura de la fase γ es muy sencilla con granos orientados al azar. Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide 0.77 %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composición se dan en la figura 4.4. Para T ≈ 875 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar. Los aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono entre 0.77 y 2.11 %. Los cambios en la microestructura de un acero de esta composición se dan en la figura 10.6. Para T ≈ 900 °C, la microestructura de la fase γ es homogénea con granos orientados al azar . 9.9 Describa los cambios estructurales que tienen lugar cuando un acero al
carbono simple eutectoide es enfriado lentamente a partir de la región austenítica, apenas por arriba de la temperatura eutectoide. Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC) se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta temperatura eutectoide -o justo por debajo de ésta-, se provocará la transformación de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C). Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita. La estructura perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continúa el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. 9.10Describa los cambios estructurales que ocurren cuando un acero al carbono
simple con 0.4% C es enfriado lentamente desde la región austenítica, apenas por arriba de la temperatura superior de transformación. Un acero de un 0,4%C justo por encima de la temperatura de transformación se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta la temperatura b de la figura 3.4, se producirá la transformación de parte de la estructura de la austenita en ferrita-α (ferrita proeutectoide), que crecerá mayoritariamente en los bordes de grano austeníticos. Conforme se va enfriando, acercándose a la temperatura eutectoide (723 °C+∆T), punto c de la figura, la cantidad de ferrita proeutectoide formada irá aumentando hasta que transforme aproximadamente el 50% de la austenita. A 723 oC, si prevalecen las condiciones de enfriamiento muy lento, la austenita remanente se transformará en perlita (ferritaα + cementita). La ferrita-α de la perlita se llama ferrita eutectoide, para distinguirla de la ferrita proeutectoide formada anteriormente por encima de 723 °C.
10.15 PROBLEMA 10.1Un polietileno de alto peso molecular tiene un peso molecular promedio de 410
000 g/mol. ¿Cuál es su grado de polimerización promedio?
10.2 Si un tipo de polímero tiene un grado de polimerización promedio de 10 000,
¿cuál es su peso molecular promedio? X= (10 GP) (28 g /mol) = 280 GP g/mol 10.3Un nailon 6,6 tiene un peso molecular promedio de 12 000 g/mol. Calcule el
grado de polimerización promedio (consulte la sección 10. 7 para ver la estructura del mero). Peso molecular = 226 g/mol. La unidad repetitiva o mero del Nylon es 24 (H), 132 (C), 28 (N) Y 32 (O) cuya masa molecular es 216 gramos / mol GP =( Masa molecular del polímero (g/mol)) / Masa de un mero (g/mero) 55.6 meros / mol = (12,000 g/mol) / (216 g/mero) 10.4Un material de policarbonato moldeado por inyección tiene un peso molecular
promedio de 25 000 g/mol. Calcule su grado de polimerización (consulte la sección 10. 7 para ver la estructura del mero del policarbonato). Peso molecular =254 g/mol. La unidad repetitiva o mero del Policarbonato es 6 (H), 48 (C), Y 48 (O) cuya masa molecular es 102 gramos / mol GP =( Masa molecular del polímero (g/mol)) / Masa de un mero (g/mero) 245.1 meros / mol = (25,000 g/mol) / (102 g/mero)
10.5Calcule el peso molecular promedio M m de un termoplástico que tiene las siguientes fracciones en peso f i para los rangos de peso molecular que aparecen
en la lista:
*10.6Un copolímero está constituido por 75% en peso por poliestireno y 25% en
peso por poliacrilonitrilo. Calcule la fracción mol de cada componente en este material. Tomemos como base 100 g de copolímero; por consiguiente tenemos 75% poliestireno g de y 25% de poliacrilonitrilo. Primeramente determinaremos el número de moles de cada componente que tenemos, y entonces calcularemos la fracción molar de cada uno. 75% piliestireno (PM= 150) 25% poliacrilonitrilo (PM=53)
Numero de moles del poliestireno en 100g de copolimero = (75 g) / (150 g/mol ) = 0.5
Numero de moles del poliacrilonitrilo en 100g de copolimero = (25 g) / (53 g/mol)= 0.5 Fracción molar poliestireno = (0.5 g) / (0.5+0.471 g/mol) =0.5 Fracción molar poliacrilonitrilo = (0.471 g) / (0.5+0.471 g/mol ) = 0.485
10.7Un copolímero ABS está constituido por 25% en peso por poliacrilonitrilo, 35%
en peso por polibutadieno y 40% en peso por poliestireno. Calcule la fracción mol de cada componente en este material. 40% poliestireno (PM= 150) 25% poliacrilonitrilo (PM=53) 35% pilibutadieno (PM= 150) Numero de moles del polibutadieno= (35 g) / (54 g/mol ) = 0.6481 Numero de moles del poliacrilonitrilo = (25 g) / (53 g/mol ) =0.4716 Numero de moles del poliestireno = (40 g) / (150 g/mol ) =0.2666 Fracción molar polibutadieno = (0.6481) / (0.4716+0.6481+0.2666) = 0.4675 Fracción molar poliestireno = (0.2666) / (0.4716+0.6481+0.2666) = 0.1923 Fracción molar = poliacrilonitrilo (0.4716 ) / (0.4716+0.6481+0.2666)= 0.3401 10.8Determine la fracción mol del policloruro de vinilo y del poliacetato de vinilo en
un copolímero que tiene un peso molecular de 9 000 g/mol y un grado de polimerización de 125. Policloruro de vinilo Poliacetato de vinilo PM= 9 g/mol G.P= 125 125 mero = (9 g/mol ) / (72 g/mol.mero) fcv= (2.5)+(1.0fcv)(86)=72 fav= (1-fcv)= 1-0.86= 0.14
° fcv= 0.84
10.9 ¿Cuánto azufre se debe añadir a 10 g de caucho de butadieno para que se
entrecruce 3.0 por ciento de los meros? (Suponga que todo el azufre se usa para los enlaces entrecruzados de los meros y que solamente un átomo de azufre toma parte en cada enlace de entrecruzamiento).
PM (butadieno) = 6H+4C = 6(1)+4(12) = 54gr/mol Numero de moles = 10gr (54gr/mol) = 0.185 moles Para un entrecruzamiento al 100% se requieren 0.185 moles de azufre Esto en gramos es = 5.92gr Y para entrecruzar un 3% se tiene 5.92gr (0.03) = 0.1776gr 10.10 Si se añaden 10 g de azufre a 100 g de caucho de butadieno, ¿cuál es la
fracción máxima de los sitios de entrecruzamiento que pueden conectarse?
Si se tenemos 100gr de caucho y se tiene del problema anterior su PM = 54 gr/mol El numero de moles = 100gr/(54gr/mol) = 1.852 moles Para un entrecruzamiento al 100% se requieren 1.852 moles de azufre Esto en gramos es = 59.264gr Y por un regla de tres tenemos 10gr(100%)/59.264gr La fracción equivalente es de 0.1687 o un 16.87%
11.14 PROBLEMAS 11.1Defina un material cerámico.
Son aquellos productos (piezas, componentes, etc.) constituidos por compuestos inorgánicos, policristalino, no metálicos, cuya característica fundamental es que son consolidados en estado sólido mediante tratamientos térmicos a altas temperaturas. 11.2 ¿Cuáles son algunas propiedades comunes de la mayoría de los materiales
cerámicos?
Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas. Gran resistencia a altas temperaturas, con gran poder de aislamiento térmico y, también, eléctrico. Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos. Alta resistencia a casi todos los agentes químicos. Una característica fundamental es que pueden fabricarse en formas con dimensiones determinadas Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad.
11.3 Distinga entre materiales cerámicos tradicionales y de ingeniería y cite
ejemplos de cada uno. Son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica. 11.4 Usando la ecuación de Pauling (ecuación 2. 10), compare el carácter
porcentual covalente de los siguientes compuestos: carburo de hafnio, carburo de titanio, carburo de tantalio, carburo de boro y carburo de silicio.
11.5 ¿Cuáles son los dos principales factores que afectan el empaquetamiento de
iones en sólidos iónicos? En sólidos (cerámicos) iónicos el empaquetamiento de los iones esta determinado principalmente por los siguientes factores: El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (supóngase que los iones son esferas duras con radios definidos). La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para mantener una neutralidad eléctrica en el sólido.
11.6Defina a) el número de coordinación y b) la razón de radios críticos para el
empaquetamiento de iones en sólidos iónicos. a) Es la cantidad de átomos que se encuentran en contacto directo alrededor
de un átomo, o la cantidad de vecinos más cercanos. Es una medida de qué tan compacto y eficiente es el empaquetamiento de los átomos. En la estructura cúbica simple, cada átomo tiene seis vecinos más cercanos en contacto. En la estructura cúbica centrada en el cuerpo, cada átomo tiene 8 vecinos más cercanos en contacto.
b) Una estructura cristalina o vítrea puede considerarse en principio formada
por una serie de iones positivos y negativos que se dispone n alternadamente formando un empaquetamiento compacto. Las diferentes posibilidades de agrupamiento vienen determinadas por condicionamientos de tipo geométrico y de tipo eléctrico. Las limitaciones geométricas que regulan estas disposiciones espaciales dependen del tamaño de los iones que las constituyen.
11.9 Calcule la densidad, en gramos por centímetro cubico, del CsI, que tiene
la estructura del CsCl. Los radios iónicos son Cs+ = 0,165 nm e I- = 0,220 nm.
Como el CsI tiene una estructura BCC, se sabe que la cantidad de iones en la celda son iguales siendo 2 iones de Cs y 2 de I
⁄ ⁄ 9 1 ∗ 126, 9 = 1− ∗6,132, / 0 210 = 4,3110 1 65 − − = 2√ 3 = 20,2200, = 0, 4 44510 = 4, 4 4510 √ 3 = = 8,7810− − = 4,91 = = 48,,37110 810−
El volumen de una celda unitaria es calculado como de red de una estructura BCC
siendo el parámetro
Y la densidad será:
11.11 Calcule las densidades lineales, en iones por nanómetro, en las
direcciones [110] y [111] para a) el NiO y b) CdO. Los radios iónicos son Ni2+ = 0,078 nm, Cd2+ = 0,103 nm y O2- = 0,132 nm
[110]
[111]
Para el NiO en la posición [110]
= 2 2 = 2 ∗ 0,0−78 0,132 += 0,42 = √ 2 ∗ = 3,36 = 3,36 = 2 2 = 2 ∗ 0,1−03 0,132+ = 0,47 = √ 2 ∗ = 3 = 3 − + 1 = √ 3 ∗ = 1,37 = 1,37 − + 21 = √ 3 ∗ = 1,22 = 1,22
Para el CdO en la posición [110]
Para el NiO en la posición [111]
Para el CdO en la posición [111]
11.12 Calcule las densidades planares, en iones por nanómetro cuadrado,
en los planos (111) y (110) para a) el CoO y b) el LiCl. Lod radios iónicos son Co2+ = 0,082 nm, O2-= 0,132 nm, Li+ = 0,078 nm, Cl- = 0,181 nm.
(110)
(111)
Area de los planos
Parámetros de red
110 = (√ 2) = √ 2 ∗ 110 = 12 √ 2 ∗ 32 = √2 3 == 20,20,0082780,0,1181 32 == 0,0,541828 − + 2 = √ 2 = 7,72 = 7,72 − + 2 = √ 2 = 8,6 = 8,6 − + 2 = √ 3 = 5,27 = 5,27 2 − + 2 = √ 3 = 8,6 = 8,6 2
Para el CoO en el plano (110)
Para el LiCl en el plano (110)
Para el CoO en el plano (111)
Para el LiCl en el plano (111)
11.13 Calcule la densidad en gramos por centímetro cubico, del a) SrO y b)
VO. Los radios iónicos son V2+ = 0,065 nm, Sr2+ = 0,127 nm, y O2- = 0,132 nm. a) Densidad del SrO
= 4 ∗ 87,62⁄6,0210 4 ∗ 16⁄ = 6,8810− = 2 = 20,127 0,132 = 0,518 = 5,1810− = = 1,3810−
b) Densidad del VO
− = 4,98 = = 61,,83810 810−
= 4 ∗ 50,94⁄6,0210 4 ∗ 16⁄ = 4,4410− = 2 = 20,065 0,132 = 0,394 = 3,9410− = = 6,11610− = = 4,6,141610 410−− = 7,25 ∗ 12 = 3 14
11.19 ¿Qué fracción de los espacios intersticiales octaédricos están
ocupados en la estructura del
?
Ya que el posee una estructura FCC los huecos octaédricos se localizan en el centro de la celda unitaria y en los centros de las aristas del cubo. En cada uno de las aristas hay de hueco, siendo así huecos, para dar un total de 4 huecos sumando el que se encuentra en la mitad de la estructura.
11.22 Calcule el factor de empaquetamiento iónico para el SrF2, que tiene la
+ = 0,125 − =
estructura de la fluorita. Los radios iónicos son y . Como es sabido la estructura de la fluorita presenta una estructura FCC siento así:
0,133
= 20,1=250, = 0,133 137=0,516 4 2 ∗ 0, 5 16 √ 4 ∗ ∗ ∗ 3 4 # ∗ . ..= . = 0,137 = 0,746 + + = = 0, 1 06 0,064 − = 0,132 = 2+ −. 11.26 Calcule el factor de empaquetamiento iónico para
estructura de perovsquita. Los radios iónicos son y . Suponga la constante reticular
, que tiene la nm,
= 20,0=640, =10,32 06 = 0,392 4 2 ∗ 0, 3 92 √ 4 ∗ ∗ ∗ 3 4 ..= 0,06 = 0,743
11.32 Describa la distribución de enlaces en la estructura reticular de la
cristobalita (Sílice)
− −
Cuando todos los vértices del tetraedro comparten átomos de oxigeno, se forma una red una red de llamado sílice. Cada átomo de silicio está rodeado de 4 átomos de oxigeno y cada átomo de oxigeno forma parte de 2 tetraedros de . Existen tres estructuras básicas de Silice: Cuerzo, Tridimita y Cristobalita, y cada una de ellas tiene dos o tres modificaciones.
12.51 PROBLEMAS 12.1 Defina un material compuesto con respecto a un sistema de materiales.
Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre si. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm), macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å]. 12.2 ¿Cuáles son los tres tipos principales de fibras sintéticas que se usan para
producir materiales compuestos de plástico reforzado con fibra? se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos reforzados con partículas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales.
12.3 ¿Cuáles son algunas ventajas de los plásticos reforzados con fibra de vidrio?
Uso de un refuerzo de menor costo, Roving. Ganancias en proporción de fibra de vidrio, dado que no se tiene 4% en peso de ligante. Procedimiento más rápido. Posibilidad de automatizar el paso del rodillo.
¿Qué diferencias hay en las composiciones de los vidrios E y S? ¿Cuál es el más resistente y el más caro?
12.4
Diferencias entre cristal y vidrio El vidrio combina las propiedades de los cristales sólidos y los líquidos amorfos, pero en realidad es distinto de ambos: ni tiene la rigidez mecánica de los sólidos ni la organización molecular completamente al azar de los líquidos. El vidrio es un sólido inorgánico amorfo, el resultado de la fusión de materias como la sílice, la sosa o la cal que pasan a un proceso de enfriamiento antes de que los átomos se hayan organizado en una estructura cristalina.
Estructura del vidrio La estructura del cristal es por el contrario ordenada. Los átomos e iones se encuentran organizados de forma simétrica en celdas elementales que se repiten indefinidamente formando una estructura cristalina.
Estructura del cristal
¿Cómo se producen las fibras de vidrio? ¿Qué es un roving de fibra de vidrio?
12.5
La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de formulaciones especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro diminuto y aptas para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente: sólo hasta aho ra es posible fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas. Son cabos más o menos gruesos, de un número elevado de hilos de vidrio (roving) que se entrecruzan perpendicularmente, presentando aspecto de tela de saco. Se emplea como material de mayor refuerzo y se suele colocar entre dos capas de MAT. También con diferentes espesores. 12.6 ¿Qué propiedades hacen que las fibras de carbono sean importantes para los
plásticos reforzados?
12.7 Se usan dos materiales como precursores de las fibras de carbono ¿Cuáles
son? Polímeros termoestables y poliacrilonitrilo.
12.8 ¿Cuáles son los pasos del proceso de producción de fibras de carbono a
partir de poliacrilonitrilo? ¿Qué reacciones tienen lugar en cada paso? Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen anillos. Al aumentar el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados. Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen: Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas: De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito. 12.9 ¿Qué es un atado de fibras de carbono?
Son hebras muy finas de carbono (tan delgadas como el cabello humano) que son trenzadas, las cuales se tuercen y se agrupan continuamente para la formación de un hilo de varias hebras, se coloca sobre un molde y encima se le vierte una resina o plástico para pegar estos hilos tejidos y darles forma a sus diversas aplicaciones. 12.11 ¿Qué es una fibra de aramida? ¿Cuáles son dos tipos de fibras de aramida
comercialmente disponibles? Son fibras de origen sintético y se obtienen por hilado de poliamidas aromáticas del tipo politereftalato de polifenilendiamina. La aramida es una poliamidaaromática llamada poliparafenilenotereftalamida con una estructura química perfectamente regular cuyos anillos aromáticos dan como resultado las moléculas del polímero con unas propiedades de una cadena razonablemente rígida. Originalmente como material neumático acorde para los cinturones y las carcasas de neumáticos radiales.
