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Estructuras cristalinas Materiales I Facultad de ingeniera Universidad de Pamplonaing_robertoparada@unipamplona.edu.co Colombia
HISTORIA
CLASIFICACION DE MATERIALES POR USOS TECNOLOGICOS Dependen propiedadesfsicas
FUNCIONALESVariadas aplicaciones generales y especficas Propiedades mecnicas y trmicas especiales
Magnticos Elctricos Semiconductores pticos Biomdicos Aeroespaciales
ESTRUCTURALESConstruccin maquinaria, equipos, edificios
Metales Cermicos Polmeros Compuestos
CLASIFICACION MATERIALES
MATERIALES METALICOS FERROSOS
NO FERROSOS
Aleacin: Mezcla o disolucin de dos o mas elementos por lo menos uno metlico y que posee propiedades metlicasAL CARBONO (BAJO, MEDIO ALTO) BAJA ALEACIN MEDIA ALEACION ALTA ALEACION INOXIDABLES HERRAMIENTAS
ACEROSHasta 2% C ALEACIONES FERROSAS
FUNDICIONES De 2 - 6.63% C
BLANCA GRIS MALEABLE NODULAR
MATERIALES METALICOS BASE ALUMINIO Aleaciones BASE TITANIO ligeras BASE MAGNESIO BASE COBRE Superaleaciones BASE NQUEL BASE PLOMO BASE METALES NOBLES BASE COBALTO BASE ZINC BASE ZIRCONIO BASE ANTIMONIO BASE ESTAO Y ALEACIONES
ALEACIONES NO FERROSAS
MATERIALES METALICOSPROPIEDADES tomos unidos por una nube electrnica (enlace metlico) Cristalinos Alta conductividad trmica y elctrica Densidad relativamente alta Materiales muy tenaces Brillo Metlico Resistentes a alta temperatura Algunos duros pero todos deformables
MATERIALES METALICOS
MATERIALES POLIMERICOSPLSTICOS
ELASTMEROS (CAUCHOS)
Termoplsticos
Termoestables
Polietileno Poliestireno Polivinilcloruro (PVC) Tefln Policarbonatos
Poli-steres Epoxicos Uretanos Fenolicos
Caucho natural Estireno-Butadieno Nitrilos Neoprenos Siliconas Poli - Uretanos
MATERIALES POLIMERICOS PROPIEDADESFormados por la unin de pequeas molculas orgnicas (monmeros) entre s Dichos grupos son unidos individualmente mediante enlaces covalentes Baja densidad Baja temperatura de fusin Aislantes trmicos y elctricos Degradables a rayos UV No son resistentes a alta temperatura Quimicamente inactivos con acidos o bases inorganicas
MATERIALES POLIMERICOS
MATERIALES CERAMICOSUnin qumica de un elemento metlico con un no metlico
CUAL ES LA DIFERENCIA ENTONCES CON UNA ALEACION???
Aleacin: Mezcla o disolucin de dos o mas elementos por lo menos uno metlico y que posee propiedades metlicas
MATERIALES CERAMICOSCRISTALINOS VITREOS
Cermicos tradicionales
Slice Arcilla Feldespatos
Cermicos de ingeniera
Aluminatos Nitruros
Carburos Boruros
Cermicos Electrnicos
Semiconductores Superconductores
MATERIALES CERAMICOSPROPIEDADES
Enlace qumico entre metalno metal Cristalinos o no Alta dureza Elevado punto de fusin Baja resistencia al impacto Bajo coeficiente de friccin Aislantes trmicos y elctricos.
MATERIALES CERAMICOS
MATERIALES COMPUESTOSMATRIZ
REFORZANTE
MATRIZ (continuo)
REFORZANTE
MATRIZ METALICA MATRIZ POLIMERICA MATRIZ CERAMICA
FIBRAS LARGAS FIBRAS CORTAS PARTICULAS
MATERIALES COMPUESTOSPROPIEDADES Mezclas de dos o ms materiales, fsicamente diferenciables e insolubles entre s. Las propiedades son intermedias segn el tipo de materiales que se hayan mezclado
MATERIALES COMPUESTOS
CIENCIA DE MATERIALESESTRUCTURA ATOMICA, ENLACES QUIMICOS Y PROPIEDADES SEGN ENLACES
OBJETIVOSDescribir los conceptos fsicos realacionados con la estructura de la materia Examinar las relaciones entre atomos enlaces y propiedades de los materiales Identificar las diferentes estructuras (estructura atomica, nanoestructura, microestructura, macroestructura)
TIPOS de la estructura DE ESTRUCTURA NivelEstructura Atomica Distancia atomicas Medida en Anstromg 1 = 1 x 10-10 m
Ejemplo de tecnologaArreglos atomicos Enlaces qumicos Dopado materiales (semiconductores)
Estructura Cristalina Estructuras cristalinas (Nanoestructura) Nanotecnologa Distancias moleculares Nanomquinas Medida en nanometros Nanofibras de carbono 1m = 1 x 10-9 m
TIPOS de la estructura DE ESTRUCTURA NivelMicroestructura Granos (cristales) Medida en micras 1m = 1 x 10-6 m
Ejemplo de tecnologa
Metales y aleaciones metlicas Propiedades mecnicas 100 m
Macroestructura Defectos (poros) Medida en milimetros 1mm = 1 x 10-3 m
Defectos de fabricacin Corrosin
1 cm
TIPOS DE ENLACES
Los enlaces se pueden clasificar en fuertes o primarios y dbiles o secundariosPrimarios o fuertes
Enlace Inico Enlace Metlico Enlace Covalente Enlaces MixtosEnlace Van der Waals Enlace Dipolares Puentes de hidrgeno
Secundarios o dbiles
Oscilantes Permanentes
ENLACE IONICOEs una ATRACCION ELECTROSTATICA de iones (tomos que han ganado o perdido electrones) de cargas opuestas.
Caractersticas Ceden electrones Gran diferencia de electronegatividad (electropositivos y electronegativos) Grupos VIA, VIIA y IA y IIA Disminucin de energa potencial de los iones No es direccional Slidos deben tener electroneutralidad
ENLACE IONICOENLACES PREDOMINANTES EN LOS CERAMICOS
ENLACE COVALENTESe COMPARTEN ELECTRONES formando pares de electrones y le dan a cada tomo una rbita externa estable
Caracteristicas Comparten electrones Es un enlace direccional Poca diferencia de electronegatividad (cercanos en la tabla peridica) No es tan fuerte como el inico (lquidos o gases a temperatura ambiente)
ENLACE COVALENTE
Predominante en lquidos y gases Molculas de no metales Molculas de metales y no metales Mismo elemento (homopolares)
ENLACE COVALENTEEnlace direccional, tiene un ngulo definido de enlace que no cambia, hace de los slidos covalentes FRAGILES
ENLACE METALICOLos tomos ceden sus electrones de valencia formando una nube de electrones. Los nucleos positivos se unen a la nube negativa por atraccin entre cargas + y Caractersticas No tienen direccionalidad No cumplen electroneutralidad Electrones libres (no estn ligados a ningn ncleo
ENLACES DEBILES O SECUNDARIOSIMPORTANTES EN DIELECTRICOS Y POLIMEROS
Formacin de slidos a bajas temperaturas, ejemplo: HIELO Caractersticas Dipolos elctricos entre molculas Atraccin electrosttica dbil
ENLACES DEBILES O SECUNDARIOSPVC (policloruro de vinilo) En las cadenas del polmero los tomos de cloro con cargas parciales negativas y del hidrogeno con cargas parciales negativas hacen una unin entre ellas, dando una dureza adicional. Cuando se aplica una fuerza se deslizan los tomos creando otro enlace de Van der Waals se desliza
ENERGIAS DE UNION Y PROPIEDADES SEGN ENLACEEspacio interatomico es el espacio de equilibrio entre los centros de dos atomos Energa de union es la energa requerida para separar dos atomos desde su distancia de equilbrio hasta una distancia infinita. Modulo de elasticidad (E) es la pendiente de la curva en la grafica Tensin Vs. Deformacin. Coeficiente de expansin trmica (CTE) es la cantidad en que cambian las dimensiones de un material al cambiar la temperatura
Energa de uninUnin tomos y iones intervienen Fuerzas de atraccin + y e-
Fuerzas de repulsin e- eEnerga mnimaAl unirse 2 tomos o iones disminuyen su energa a un valor ms bajo, este valor esta relacionado con la distancia de separacin de los ncleos y las fuerzas de atraccin y repulsinFuerza repulsin = Fuerza Atraccin
Comparacin energa enlaceTipo enlaceInico Covalente Metlico
Energa de enlace (Kcal/mol)150-370 125-300 25-200
Estiramiento de enlace Deformacin elstica
Rompimiento de enlace Slido - lquido
Van der Waals
10
A mayor energa de enlace es ms fuerte, mas energa para romperlo: Menor coeficiente de dilatacin trmica Mayor temperatura de fusin Mayor Modulo de elasticidad
Tipos enlaceTipoIonico
Energa UnionGrande Variable
CaracteristicasNo direccional (ceramicos) Electroneutralidad Direccional semiconductores, ceramicas polimeros (cadenas)
Covalente
Grande-Diamante Pequea-Bismuto Variable
Metalico
Grande-Tungsteno Pequea-Mercurio
No direccional (metales) Direccional Entre cadenas (polimeros) inter-molecular
Secundarios
Pequea
Materiales, propiedades, enlace Ceramicos Gran energa de union(Enlace Ionico & covalente)Gran Tf Gran E pequeo a
Metales(Enlace Metlico)
Variable Energia de unionmoderada Tf moderada E moderada a
Polimeros(Covalente & Secondario)
Propiedades segn direccinpequea T pequea E gran a
CIENCIA DE MATERIALES
ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Estructuras cristalinas en la naturaleza
Pirita Cuarzo
Diamante
Arreglos de corto y largo alcance
Arreglos de corto alcance Es un arreglo de atomos a corta distancia, usualmente 1 o 2 espacios atomicos. Este es regular y predecible Arreglos de largo alcance (LRO) Es un arreglo regular y repetitivo de atomos en un solido, que se extiende por muy largas distancias.
Niveles de arreglos atmicosGases nobles no tienen ningn ordenamiento atmico
Algunos materiales, slidos, lquidos o gaseosos como vapor de agua, vidrio, nitrgeno gaseoso y slice amorfa configuracin de corto alcance
Slidos metlicos, polmeros o cermicos configuraciones repetitivas y regulares que se extiende en todo el material largo alcance
Gases Monoatmicos Sin orden Ej. Argon, Neon
Materiales cristalinos Orden de corto y largo alcance
Materiales Amorfos Orden corto alcance Ej. Vidrios, plsticos, Si amorfo
Policristalinos Aleaciones, metales y cermicos
Lquidos cristalinos Orden corto o largo alcance en pequeos volmenes Ej. Polmeros
Monocristalinos Si, AsGa,Quarzo (microelectrnica)
Definiciones bsicas Red - Un grupo de puntos que divide el espacio en pequeos segmentos de igual tamao. Base Un grupo de atomos que se ubican en cada punton de la red Celda Unidad La subdivision de la red que aun retiene las caracteristicas de la red principal La unidad repetitiva de la red. Radio Atmico El radio del atomo que se calcula de la dimension de la celda unidad teniendo en cuenta direcciones de alto empacamiento (Depende del numero de cordinacin) Factor de empaquetamiento La fraccin de espacio que ocupan los atomos en la celda unidad
Definiciones bsicas
RED
BASE
RADIO ATOMICO
CELDA UNIDAD
FACTOR EMPAQUETAMIENTO
REDES DE BRAVAIS O SISTEMAS CRISTALINOSSistemas cristalinos que se encuentran en la naturaleza, 14 en total Agrupados en 7 grupos Cbicos Hexagonales Tetragonales Ortorrmbicos Monociclicos Rombodricos Triclnicos
Caractersticas de los sistemas cristalinos
Parmetros de la red de los sistemas cristalinosngulos y lados, depende de cada sistema
Cbico Todos los lados iguales, y todos los ngulos iguales 90
Sistemas cristalinos mas comunesDe todos los sistemas cristalinos,CUBICO CENTRADO EN LA CARA CUBICO CENTRADO EN EL CUERPO HEXAGONAL COMPACTO
Son los sistemas que mas se repiten en la naturaleza, el 98% de los metales lo presentan A estos tres sistemas los estudiaremos mas a fondo.
Cbico centrado en la cara
CC o FCC (Face cubic center)
Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)
Aluminio Cobre Oro Nquel Hierro
Cbico centrado en la cara - FCC Cuantos tomos hay en la celda unidad? Cual es el nmero de coordinacin? Cual el factor de empaquetamiento? Cual es la relacin radio atmico y parmetro de la red o parmetro reticular?
No atomos en FCC
41/8 1/2
No tomos = (1/2)x6 + (1/8)x8 = 4 tomos por celda unidad en FCC
Cbico centrado en la cara FCC
Nmero de coordinacin: Cantidad de tomos que estn rodeando al tomo central, o al catin en slidos inicos
Un octavo de tomo por celda unidad
A cada tomo lo rodean 12 tomos
Cbico centrado en la cara FCC Relacin radio atmico y parmetro reticular o de red:Deben tenerse en cuenta en donde se estn tocando los tomos, en este caso es ne las caras Por Pitgoras h2= c2 + c2 Pero h = 4r Entonces y c = ao
(4r)2 = 2ao2 ao2 = (4r)2 / 2
a0
4r 2
Cbico centrado en la cara Factor FCC de empaquetamiento: (Atomic packing factor) Espacio queocupan los tomos en la celda unidad, es una relacin de volmenes lleno a vaco se define por:Volumen de tomos en la celda unidad APF = Volumen de la celda unidadEl volumen de tomos se calcula suponiendo esferas rgidas
Cbico centrado en el cuerpo
CCC o BCC (Body cubic center)
Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)
Cromo Molibdeno Tantalio Wolframio Hierro a
Cbico centrado en el cuerpo - BCC Cuantos tomos hay en la celda unidad? Cual es el nmero de coordinacin? Cual el factor de empaquetamiento? Cual es la relacin radio atmico y parmetro de la red o parmetro reticular?
Cbico centrado en el cuerpo - BCC1/8
1
No tomos = (1/8)x8 + 1 2 tomos por celda unidad en BCC Numero de coordinacin = 8
Cbico centrado en el cuerpo - BCCRelacin radio atmico y parmetro reticular o de red Por Pitgoras h2= c12 + c22 Pero h = 4r c1 = ao2 c2 = ao (4r)2 = ao 2 + (ao 2 )2 (4r)2 = 3ao 2
a0
4r 3
Cbico centrado en el cuerpo - BCC Factor de empaquetamiento: (Atomic packing factor)
2
Hexagonal compacto
HCP (Hexagonal close packed) La celda unidad puede ser el hexgono completo o un prisma de los 6Magnesio Berilio Cobalto Titanio Cinc
Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)
HCP (Hexgono completo)Factor de empaquetamiento = 0.74 Igual a FCC
Numero de coordinacin = 12
c
a2
a1
a3
En HCP existen cuatro ejes coordenados a1, a2 a3 y c y por eso la relacin radio atmico parmetro de la red no se basa en un solo parametro
HCP (Hexgono completo)
La celda unidad de la HCP puede ser el hexgono completo o uno de los 6 tringulos equilteros
Numero de tomos por celda
Hexgono 6 tomos2*1/2= 1 caras 3 centro 6*1/3*1/2*2= 2 esquinas Triangulo = 1 tomo
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