I INTRODUCCION Hasta los años 1950, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También puede buscarse la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental. Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos no tradicionales. Esto también se ha buscado incorporándolas a materiales compuestos como es el caso de los cermets, que combinan materiales metálicos y cerámicos. Las cerámicas y los vidrios representan algunos de los materiales para ingeniería más antiguos y durables ante el ambiente. También son los materiales que han desarrollado avances para la industria aeroespacial y electrónica. El término ³cerámica´ proviene de la palabra griega ³keramikos´, que significa ³cosa quemada´, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina cocción. Son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Por ejemplo la alúmina (Al2O3) es un cerámico que tiene átomos metálicos (aluminio) y no metálico (oxígeno). Los materiales cerámicos tienen una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los materiales cerámicos por lo general son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, tiene baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química y térmica y elevada resistencia a la 3
compresión. Aunque la mayoría de los productos cerámicos son buenos aislantes eléctricos y térmicos, el SiC y el AlN tienen conductividad térmica parecida a las de los metales. Los productos cerámicos como el FeO y el ZnO, son semiconductores y, además, han sido descubiertos materiales superconductores como el YBa2Cu3O7-x. Una tecnología moderna de rápido crecimiento es la de los materiales cerámicos avanzados, también llamados materiales cerámicos estructurales. Estos fueron utilizados por primera vez en 1971 para aplicaciones a alta temperatura en tuberías de gas que funcionaban a 2506°C. En la fabricación de estas piezas se utilizaron nitruro de silicio y carburo de silicio. La materia base para la fabricación de los productos cerámicos es la arcilla en sus múltiples variedades; ésta, al amasarla con agua, adquiere características de plasticidad y por ello puede adoptar la forma deseada. Los materiales cerámicos de arcilla utilizados en la construcción se clasifican en ladrillos para pared, para pavimentación (suelos) y para cubiertas. Los materiales de ingeniería se pueden dividir en tres categorías principales: cerámicas cristalinas, vidrios y cerámicas de vidrio. Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. 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. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo. Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales 4
todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeros y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas de Van der Waals. Siempre se ha pensado que el hierro y sus aleaciones son materiales muy fuertes resistentes, pero estos tienen una gran desventaja: no soportan las altas temperaturas y son sensibles a la corrosión. Esto da pie a buscar la alternativa con otros materiales que resistan temperaturas muy elevadas. Esto sólo es posible para los nuevos materiales cerámicos. Las uniones atómicas de las cerámicas son mucho más fuertes que la de los metales. Por eso un pieza cerámica es muy eficaz, tanto en dureza como en resistencia a las altas temperaturas y choques térmicos. Además, los componentes cerámicos resisten a los agentes corrosivos y no se oxidan. Nitruro de silicio (Si 3 N 4?), utilizado como polvo abrasivo. 5
Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques. Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario. Diboruro de magnesio (Mg B 2?), es un superconductor no convencional. Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor. Ferrita (Fe 3 O 4?) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas. Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. Ladrillos, utilizados en construcción Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7?-x), superconductor de alta temperatura.
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II OBJETIVOS General El objetivo es dar un panorama general sobre la naturaleza, propiedades, comportamiento, transformaciones y aplicaciones de los no metales, aleaciones, cerámicas, polímeros.
Específicos y
Conocer la relación existente entre la estructura atómica de los materiales y su comportamiento mecánico y físico, que sirva como base para la selección de un material para un fin específico.
y
Conocer las propiedades físicas de un material, tales como electrónicas, magnéticas, ópticas y el comportamiento térmico y de como estas pueden ser controladas y utilizadas de una manera práctica.
y
Conocer el comportamiento de los materiales durante su servicio, para establecer las condiciones que puedan prevenir su deterioro, analizando problemas de corrosión y falla mecánica.
y
Insectivar a los estudiantes las ventajas del desarrollo de estos nuevos materiales.
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III MARCO TEÓRICO La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Existen polímeros naturales como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda y la lana son otros ejemplos. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. 3.1
Cerámicos
La industria de la cerámica se remonta a los albores de las primeras comunidades humanas, y son muchas las culturas prehistóricas que nos han dejado el testimonio de sus alfareros. Fue material de trabajo y vehículo de manifestaciones de las primeras inquietudes artísticas.
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La milenaria cultura china guardo por siglos el secreto de sus impresionantes porcelanas, con procesamientos de maduración que duraban hasta 100 años.Hoy, con el auxilio de las más modernas técnicas de investigación y fabricación, el hombre sigue usando estos materiales, ahora con un mayor conocimiento de su comportamiento. La estructura atómica de los materiales cerámicos les proporciona una gran estabilidad química, altos puntos de fusión, dureza y rigidez. Las cerámicas técnicas incluyen las cerámicas magnéticas, con propiedades magnéticas pero una resistencia ohmica relativamente alta. Algunas de las cerámicas de óxidos puros, que tienen propiedades físicas muy superiores, se utilizan en aplicaciones eléctricas y en proyectiles en las cuales son importantes elevadas temperatura de fusión y deformación y la estabilidad en él oxigeno. La cerámica fibrosa compuesta con fibras de oxido de circonio, ofrece una combinación optima de resistencia mecánica, baja conductibilidad térmica y resistencia a altas temperaturas, hasta unos 2490 C. Los materiales cerámicos se utilizan en gran variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Muchos tipos de cerámicas son utilizados como aislantes eléctricos para corrientes eléctricas de alto y medio voltaje. También encuentran su aplicación en varios tipos de capacitores, especialmente cuando se requiere la miniaturización. Otros tipos de cerámicas se llaman piezoeléctricos que pueden convertir débiles señales de presión en señales eléctricas, y viceversa.
Las cerámicas nucleares, que incluyen elementos de combustible de dióxido de uranio; el titanio de bario, que es un material con una elevada constante dieléctrica .Los cerámicos incluyen los silicatos tradicionales y los muchos compuestos de óxidos y sin óxidos ampliamente usados tanto en la tecnología tradicional como en la avanzada, las arcillas y refractarios hacen parte de este grupo. y
Arcillas:
Las arcillas comunes se utilizan en la fabricación de ladrillos para
la construcción de edificios y ladrillos refractarios. Estas arcillas comunes están formadas por alúmina y sílice en diversa proporciones, con la 9
presencia de otras impurezas, tales como óxido férrico (el cual le da color rojo), óxido de manganeso, potasa, magnesio y cal. El caolín (arcilla blanca formada principalmente por alúmina y sílice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, de porcelana fina, de otras porcelanas, de productos de papel y de ladrillos refractarios. y
Ref ractarios:
Un material refractario puede soportar altas temperaturas sin
desintegrarse (astillarse o fundirse). El ladrillo refractario que se utiliza en los hornos es un ejemplo muy común, y sin los refractarios, no sería posible la moderna industria del acero. Los materiales refractarios pueden colocarse o conformarse como ladrillos, lo cual se hace cuando se utiliza arcilla refractaria u otro material como mortero para unir los ladrillos refractarios. El grafito es un material refractario excelente ya que no puede astillarse (o sea, no se pueden separar pedazos por el choque térmico) debido a su alta conductividad térmica. La mayoría de los refractarios tales como los ladrillos refractarios pueden soportar temperaturas levemente mayores a 1647 °C antes de desintegrarse. El grafito tiende a oxidarse en presencia de aire y puede utilizarse hasta 3316 °C. El carburo de silicio abrasivo también puede utilizarse como refractario para altas temperaturas, pero es bastante caro para utilizarse en este sentido. Los ladrillos refractarios que contienen grandes cantidades de óxido de cromo se conocen como refractarios de cromita y son muy apropiados para usarlas a altas temperaturas en hornos de fusión de acero. El ladrillo de magnesita, compuesto predominante por óxido de magnesio, se usa también con este propósito. Los ladrillos refractarios aislantes se fabrican con arcilla refractaria común, pero para darles porosidad, la arcilla se combina con aserrín o con coque, material que se quema cuando el ladrillo se calcina.
10
3.1.1
Dureza Los productos cerámicos, en general, son considerablemente más duros
que la mayoría de los demás materiales. Esto hace que sean útiles como abrasivos, herramientas de corte, y para producir superficies que tengan que soportar acciones abrasivas intensas. Existen materiales cerámicos como el nitruro de boro cúbico, que es aproximadamente tan duro como el diamante.la dureza es la debilidad de los cerámicos, ya que es tanta la fuerza de atracción entre sus moléculas que al aplicárseles una gran fuerza, suele romperse con facilidad. Bajo presión todas las fuerzas de atracción se concentran al final de la línea de la fisura, hasta que se rompen más uniones moleculares, con lo cual la grieta se amplia a una velocidad vertiginosa y la pieza se quiebra. No hay deformación sino fractura. La ruptura de la unión molecular en el hierro exige más energía que el simple desplazamiento de una capa de átomos. La misma grieta en un componente metálico llega a un punto extremo en el que las fuerzas se reparten y al aumentar la fisura hasta fractura de la pieza requeriría casi cien mil veces más energía que la necesaria en una pieza similar de cerámica. Por ello, hoy por hoy, la principal precaución de los investigadores consiste en reducir esa fragilidad. En las cerámicas las uniones interatómicas son muy fuertes y rígidas, sin ningún gire errante, por lo que no hay ninguna posibilidad de desplazar algunos de sus átomos sin provocar la ruptura de la unión, por ello una mínima fisura de apenas el grosor de un pelo puede conducir a una catástrofe. Resistencia que opone un material para no ser penetrado por otro. Las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión tal como se ilustra en la figura:
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3.1.2
Resistencia a la Tensión Debe recordarse que estos materiales tienen mala resistencia al impacto, y
que la resistencia a la tracción es mucho menor que la resistencia a la compresión, por lo que fallan con facilidad al someterlos a tensión o tracción. La concentración de poros por volumen puede variar mucho (0 - 30%) y puede influir en la resistencia a los choques, resistencia física y permeabilidad. la mayoría de los materiales tienen una fase vítrea, una fase cristalina y cierta porosidad; esta ultima se puede eliminar mediante procesos de vitrificado en la superficie. Las propiedades de los materiales cerámicos se derivan de su estructura. los enlaces que existen entre los átomos son mixtos: iónicos y covalentes. Las cargas iónicas mantienen unidos los átomos del material y los enlaces covalentes, con su componente direccional, restringen el movimiento de los átomos. 3.1.3
Cedencia En la categoría de cerámicas se encuentran los materiales que tienen los
más altos puntos de fusión conocidos. Estos materiales son los carburos, sin embargo, muchos de los óxidos, baruros, nitruros y siliciuros tienen también puntos de fusión muy altos. En función de esta propiedad son empleados en la construcción de hornos de todo tipo. Las propiedades de los refractarios cerámicos son: 12
Su resistencia a altas y bajas temperaturas.
Su densidad volúmica (en el rango de 2,1 a 3,3 g/cm 3).
Su porosidad.
Los refractarios densos con baja porosidad tienen una mayor resistencia a la corrosión y erosión y a la penetración por líquidos y gases. Es este tipo de enlace híbridos iónico-covalentes, los que distinguen principalmente estos materiales de los metales o de los polímeros orgánicos. En los materiales cerámicos los átomos se disponen en agrupaciones, llamadas celdas unitarias, que se repiten periódicamente a través del material, formando cristales. Aunque algunas veces por la forma en que se han obtenido, no se logra una ordenación perfecta y aparece una estructura vítrea. Otra vez la estructura del material es mixta cristal-vítrea. 3.1.4
Choque Térmico La cerámica endurecida por transformación tiene resistencia y dureza
excelentes a temperaturas bajas e intermedias. Comparado con SiC y Si 3 N 4?, la cerámica de Zr O 2? endurecida puede soportar la tensión perceptiblemente más alta aplicada a temperatura ambiente (véase el cuadro 1), pero SiC y Si 3 N 4 tienen mayor potencial a alta temperatura. La cerámica de Zirconia esta limitado altas temperaturas (>800±1000 ºC) por dos razones: los ratios de abrasión son altos comparados con la cerámica sin óxidos; y la contribución de los mecanismos de endurecimiento por transformación disminuyen conforma la temperatura aumenta. Es decir, como la fase tetragonal llega a ser más estable, la fuerza impulsora para la transformación disminuye. Se enumera las características de la cerámica de zirconio para cada uno de las familias de materiales. Las características específicas son función de la cantidad ydel tipo de agente estabilizante, condiciones de proceso utilizadas, y microestructura resultante.
13
En general la mayoría tienen baja conductividad térmica debido a sus fuertes enlaces iónico-covalente y son buenos aislantes térmicos. Debido a sus altas resistencias al calentamiento, son usados como refractarios, materiales que resisten la acción de ambientes calientes, líquidos y gaseosos. Muchos compuestos cerámicos con altos puntos de fusión como el oxido de aluminio y el oxido de magnesio podrían tener aplicación como refractarios industriales, pero son caros y es difícil darles forma. Por lo tanto, la mayoría de los refractarios industriales usados se hacen de mezclas de compuestos cerámicos. 3.1.5
Refracción En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de
valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo Considerados en su totalidad como una clase de materiales, los cerámicos son relativamente frágiles. Las resistencias a la tensión observada en materiales cerámicos varia enormemente con rangos que van desde valores muy bajos, menores de 100psi (0,69 MPa)
hasta 106psi (7.103MPa) para las fibras de
cerámicas tales como alúmina preparadas bajo condiciones cuidadosamente controladas. Sin embargo, como tal clase de material, pocos cerámicos tienen resistencia a la tensión por encima de 25000 psi (172 MPa). Los materiales cerámicos también exhiben grandes diferencias entre la resistencia a la tensión y la compresión, siendo la resistencia a la compresión normalmente alrededor de 5 y 10 veces más altas que las tensoras. Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones iónicos-covalentes. Sin embargo, hay muchas 14
excepciones a las generalizaciones anteriores. Por ejemplo, la arcilla plastificante es un material cerámico blando y fácilmente deformable debido a las fuerzas de enlace secundarios débiles entre las capas de los átomos unidos fuertemente por enlaces iónicos-covalentes. 3.1.6
Reflactancia La gran dureza de algunos materiales cerámicos los hace susceptibles de
ser usados como abrasivos para cortar, afilar y pulir otros materiales de menor dureza. La alúmina fundida (oxido de aluminio) y el carburo de silicio son los abrasivos mas comúnmente usados industrialmente. Los productos abrasivos como laminas y ruedas se hacen por unión de partículas cerámicas individuales, estas partículas deben ser duras y con extremos cortantes afilados. Además el producto abrasivo debe tener cierta porosidad para proporcionar canales para el aire o el líquido que fluya a través de la estructura. Los granos de oxido de aluminio son más resistentes que los de carburo de silicio pero no son tan duros, y por eso el carburo de silicio es usado normalmente para materiales más duros. Combinando óxido de circonio con oxido de aluminio, se ha llegado ha obtener mejores abrasivos, con una alta resistencia, dureza y calidad de corte; una de estas mezclas por ejemplo, contienen 25 %de ZrO 2 y 75 % Al 2O3. Otro abrasivo cerámico importante es el nitruro de boro cúbico, el cual es casi tan duro como el diamante pero tiene mejor estabilidad al calentamiento que el diamante. 3.1.7
Transparencia Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las
bandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.
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Los materiales cerámicos, debido a su combinación de enlaces iónicoscovalentes, tienen inherentemente una baja tenacidad. Un gran esfuerzo investigador ha sido llevado acabo en los últimos años para mejorara la tenacidad de loa materiales cerámicos. Usando procesos tales como la presión en caliente de cerámicos con aditivos y reacciones de aglutinación, se han conseguido cerámicos con una mayor tenacidad. La transparencia en los elementos cerámicos puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al matriz, que de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.
3.1
Polímeros La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o
moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.
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Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. 3.2.1
Modulo de Flexión La prueba de flexión en polímeros es una prueba cuasiestática que
determina el módulo de flexión, el estrés de flexión y la deformación por flexión en una muestra polimérica. Los resultados de esta prueba describen el comportamiento de un polímero a través de un diagrama de estrés-deformación, al igual que las pruebas de ´tracción y compresión. Las normas para esta prueba son: y
ISO 178 (2001) Revisión alemana DIN EN ISO 178 (2002): Deformación en pruebas de flexión de polímeros.
y
DIN EN 63 (1977): Deformación en pruebas de flexión para polímeros reforzados con fibra de vidrio.
y
DIN 53423 (1975): Deformación en pruebas de flexión para polímeros espumados.
Existen 2 variantes para la prueba, con tres puntos de apoyo y 4 puntos de apoyo o con un punto g, si asi se requiere. Las ventajas de la prueba con 4 puntos incluyen la eliminación del cálculo el momento de flexión pues este es constante, además que el corte entre los apoyos
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es cosntante, la exactitud es mayor, sin embargo la instalación de la prueba con 4 puntos es más complicada y el costo de los equipos de 4 puntos es mayor. 3.2.2
Deformación Viscoelastica Un polímetro amorfo se comporta como un vidrio a baja temperatura, como
un sólido gomoelastico a temperaturas intermedias (por encima de la temperatura de transición vítrea) y como un liquido viscoso a temperaturas elevadas. Frete a deformaciones relativamente pequeñas, el comportamiento mecánico a bajas temperaturas es elástico y cumple la ley de Hooke: . A temperaturas muy elevadas prevalece el comportamiento viscoso liquido elástico. A temperaturas intermedias aparece un sólido, como de goma, que presentacaracterísticas mecánicas intermedias
entre
estos
dos
extremos:
esta
condición
se
denomina
Viscoelasticidad. La deformación elástica es instantánea; esto significa que la deformación total ocurre en el mismo instante que se aplica el esfuerzo ( la deformación es independiente del tiempo). Adema, al dejar de aplicar el esfuerzo la deformación se recupera totalmente: la probeta adquiere las dimensiones originales. Por el contrario, para el comportamiento totalmente viscosa, la deformación no es instantánea. Es decir la deformación, como respuesta a un esfuerzo aplicado, depende del tiempo. Además, esta deformación no es totalmente reversible o completamente recuperable después de eliminar el esfuerzo. En un comportamiento viscoelastico intermedio, la aplicación de un esfuerzo origina una deformación instantánea seguida de una deformación viscosa dependiente del tiempo, una forma de anelasticidad
18
3.2.3
Elasticidad Designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir
deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
Los elastómeros deben exhibir una alta elongación elástica. Pero para algunos otros tipos de materiales, como los plásticos, por lo general es mejor que no se estiren o deformen tan fácilmente. Si queremos conocer cuánto un material resiste la deformación, medimos algo llamado módulo. Para medir el módulo ténsil, hacemos lo mismo que para medir la resistencia y la elongación final. Esta vez medimos la resistencia que estamos ejerciendo sobre el material, tal como procedimos con la resistencia ténsil. Incrementamos lentamente la tensión y medimos la elongación que experimenta la muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se rompe. Luego graficamos la tensión versus elongación, de este modo:
Este gráfico se denomina curva de tensión-estiramiento. (Estiramiento es todo tipo de deformación, incluyendo la elongación. Elongación es el término que usamos cuando hablamos específicamente de estiramiento ténsil). La altura de la curva cuando la muestra se rompe, representa obviamente la resistencia ténsil, y la pendiente representa el módulo ténsil. Si la pendiente es pronunciada, la 19
muestra tiene un alto módulo ténsil, lo cual significa que es resistente a la deformación. Si es suave, la muestra posee bajo módulo ténsil y por lo tanto puede ser deformada con facilidad. Hay ocasiones en que la curva tensión-estiramiento no es una recta, como vimos arriba. Para algunos polímeros, especialmente plásticos flexibles, obtenemos curvas extrañas, como ésta: A medida que la tensión se incrementa, la pendiente, es decir el módulo, no es constante, sino que va experimentando cambios con la tensión. En casos como éste, generalmente tomamos como módulo la pendiente inicial, como puede verse en la curva de arriba. En general, las fibras poseen los módulos ténsiles más altos, y los elastómeros los más bajos, mientras que los plásticos exhiben módulos ténsiles intermedios. El módulo se mide calculando la tensión y dividiéndola por la elongación. Pero dado que la elongación es adimensional, no tiene unidades por cual dividirlas. Por lo tanto el módulo es expresado en las mismas unidades que la resistencia, es decir, en N/cm2. 3.2.4
Refracción En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de
valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energía Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar 20
a la capa de valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos, porque después de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan de forma gradual. Lo importante es saber que justamente, dado que un material es resistente, no necesariamente debe ser duro. Veamos algunos otros gráficos para comprender mejor esto. Observemos el de abajo, que tiene tres curvas, una en azul, otra en rojo y otra en rosa.
La curva en azul representa la relación tensión-estiramiento de una muestra que es resistente, pero no dura. Como puede verse, debe emplearse mucha fuerza para romperla, pero no mucha energía, debido a que el área bajo la curva es pequeña. Asimismo, esta muestra no se estirará demasiado antes de romperse. Los materiales de este tipo, que son resistentes, pero no se deforman demasiado antes de la ruptura, se denominan quebradizos. Por otra parte, la curva en rojo representa la relación tensión-estiramiento para una muestra que es dura y resistente. Este material no es tan resistente como el de la curva en azul, pero su área bajo la curva es mucho mayor. Por lo tanto puede absorber mucha más energía que el de la curva en azul. Entonces ¿por qué la muestra de la curva en rojo puede absorber más energía que la muestra de la curva en azul? La muestra roja es capaz de elongarse mucho más antes de romperse que la muestra azul. La deformación
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permite que la muestra pueda disipar energía. Si una muestra no puede deformarse, la energía no será disipada y por lo tanto se romperá. Generalmente deseamos materiales que sean duros y resistentes. Observemos las curvas nuevamente. La muestra azul tiene mucho mayor módulo que la muestra roja. Si bien es deseable que para muchas aplicaciones los materiales posean elevados módulos y resistencia a la deformación, en el mundo real es mucho mejor que un material pueda doblarse antes que romperse, y si el hecho de flexionarse, estirarse o deformarse de algún modo impide que el material se rompa, tanto mejor. De modo que cuando diseñamos nuevos polímeros o nuevos compósitos, a menudo sacrificamos un poco de resistencia con el objeto de conferirle al material mayor dureza. 3.2.5
Reflactancia
El gráfico de tensión versus estiramiento puede darnos otra valiosa información. Si se mide el área bajo la curva tensión-estiramiento, coloreada de rojo en la figura de abajo, el número que se obtiene es algo llamado dureza.
La dureza es en realidad, una medida de la energía que una muestra puede absorber antes de que se rompa. Piénselo, si la altura del triángulo del gráfico es 22
la resistencia y la base de ese triángulo es el estiramiento, entonces el área es proporcional a resistencia por estiramiento. Dado que la resistencia es proporcional a la fuerza necesaria para romper la muestra y el estiramiento es medido en unidades de distancia (la distancia que la muestra es estirada), entonces resistencia por estiramiento es proporcional a fuerza por distancia, y según recordamos de la física, fuerza por distancia es energía. 3.2.6
Transparencia Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las
bandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción. Cuando tratamos con otras propiedades, como las de compresión o flexión, las cosas pueden ser totalmente distintas. Por ejemplo, las fibras poseen alta resistencia ténsil y también buena resistencia a la flexión, pero por lo general exhiben una desastrosa resistencia a la compresión. Además tienen buena resistencia ténsil sólo en la dirección de las fibras. La transparencia en los elementos cerámicos puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al matriz, que de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones. 3.3
Materiales Compuestos Los materiales compuestos son aquellos que están formados por
combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los 23
forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz. En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación. Matriz. Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa. Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas. Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente
a
aplicaciones
estructurales
en
la
industria
automotriz, 24
aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor. Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos. Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad. Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al. 25
IV CONLUSION Luego de haber confeccionado el presente trabajo, estoy en condiciones de apreciar que los polímeros son un material imprescindible en nuestra vida, el cual se encuentra presente en un sinfín de objetos de uso cotidiano. Por sus características y su bajo costo, podríamos decir que es un material prácticamente irremplazable, del cual difícilmente podríamos prescindir. Es aquí donde debemos tomar conciencia de que este material tan práctico, útil y barato puede, y de hecho lo esta haciendo, causar estragos a nuestro planeta. Al ser la mayoría materiales derivados del petróleo, su biodegradabilidad esta bastante comprometida y al arrojarlo junto con los residuos domiciliarios de todos los días, contribuimos en mayor o menor grado a la contaminación del planeta. Afortunadamente algunas personas del mundo, principalmente los habitantes de países desarrollados, han comenzado a tomar conciencia de los riesgos que puede acarrear el uso descontrolado de este tipo de materiales; concientizados han comenzado a reemplazar las bolsas plásticas por unas prácticas bolsas de papel madera, prefieren comprar envases de vidrio reciclables en vez de los molestos envases plásticos que, una vez consumido el contenido, resultan inútiles. Por citar algunos casos, expongo a continuación un articulo que puede resultar de interés acerca de lo que se hace con los plásticos en EE.UU. Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas.
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Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso: en estado líquido (fundición, infiltración), en estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente), en estado semisólido (compocasting) y en estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico La pulvimetalurgia es uno de los métodos más empleados para la obtención de materiales compuestos con matriz de aluminios, entre los pasos seguidos para la obtención de estos materiales se encuentran: Mezclado de los polvos, Compactado, Sinterizado y Acabado del producto Como hemos podido ver brevemente los materiales cerámicos gozan de un amplio campo de aplicaciones, derivadas de las propiedades físico, químicas y estructurales que poseen; llegando a abarcar no solo la parte ingenieril, sino varias esferas de la ciencia, entre ellas la medicina, y muchas otras. Los materiales cerámicos avanzan, satisfaciendo las especiales demandas que las nacientes tecnologías
hacen de nuevos materiales, con los que se
obtengan propiedades optimas y a la vez sean económicos.
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V BIBLIOGRAFIA Electrónicas Http://Www.Textoscientificos.Com/Polimeros/Introduccion Http://Es.Wikipedia.Org/Wiki/Prueba_De_Flexi%C3%B3n_En_Pol%C3%Admeros Libros William D., Callister. ³Introducción A La Ciencia E Ingeniería De Materiales´. Editorial Reverté, S.A. España 1995. William F., Smith. ³Fundamentos De La Ciencia E Ingeniería De Materiales´. Editorial Mcgraw-Hill. España. 1999. Enciclopedia Encarta 2000. Richard A. Flinn Y Paul K. Trojan. ³Materiales De Ingeniería Y Sus Aplicaciones.´ Editorial Mcgraw-Hill. 3ª Edición 1989. J W Nicholson (2006). The Chemistry Of Polymers, 3rd Ed.. University Of Greenwich. Isbn 0-85404-684-4. Química Física Macromolecular I. Issa Katime. Servicio Editorial Upv/Ehu. Bilbao 1994 Química Física Macromolecular Ii. Issa Katime. Servicio Editorial Upv/Ehu. Bilbao 2004
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