Clasificación de acuerdo al material

1.1 Generalidades

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto.

El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto.

En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material.

Los materiales se clasifican de forma muy general en:

Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos

1. 2. Materiales puros

El primer intento de hacer una clasificación de los materiales encontrados en la naturaleza fue hecho por el químico el químico J. W. Döbenreiner en 1829. Él organizó un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en conjuntos de tres denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos de una tríada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su masa atómica. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. En este caso, la masa de uno de los tres elementos de la tríada es intermedia entre la de los otros dos. Para 1850 ya se podían contar con unas 20 tríadas para llegar a una primera clasificación coherente.

En 1869, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba otra columna. Mendeleiev perfeccionó su tabla acomodando los elementos en filas horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el momento.

i = 50 Zr = 90 ? = 180

V = 51 Nb = 94 Ta = 182

Cr = 52 Mo = 96 W = 186

Mn = 55 Rh = 104.4 Pt = 197.4

Fe = 56 Ru = 104.4 Ir = 198

Ni = Co = 59 Pd = 106.6 Os = 199

H = 1 Cu = 63.4 Ag = 108 Hg = 200

Be = 9.4 Mg = 24 Zn = 65.2 Cd = 112

B = 11 Al = 27.4 ? = 68 U = 116 Au = 197 ?

C = 12 Si = 28 ? = 70 Sn = 118

N = 14 P = 31 As = 75 Sb = 122 Bi = 210 ?

0 = 16 S = 32 Se = 79.4 Te = 128 ?

F = 19 Cl = 35.5 Br = 80 I = 127

Li = 7 Na = 23 K = 39 Rb = 85.4 Cs = 133 Tl = 204

Ca = 40 Sr = 87.6 Ba = 137 Pb = 207

? = 45 Ce = 92

? Er = 56 La = 94

? Yb = 60 Dy = 95

? In = 75.6 Th = 118 ?

En la actualidad, hay 18 grupos en la tabla estándar:

1.3. Materiales metálicos

Al igual que la escritura, el descubrimiento de los metales y la forma de procesarlos, marcan la división entre la edad de piedra y el inicio de las civilizaciones en la llamada “Edad de los metales”. En la edad de cobre (4400 – 3800 a. C.) aparece la metalurgia y minería, comenzado a trabajarse el cobre y el oro, para fabricar armas rústicas como punzones, hachas, puñales, punta de flechas, y ornamentos como anillos y brazaletes.

Tras el descubrimiento del bronce, una aleación de nueve partes de cobre y una de estaño se inicia la edad de bronce (a partir del 2800 a. C.). Este material ofrece la posibilidad de trabajar con mayor facilidad y se pueden producir utensilios mucho más duros y trabajos ornamentales más finos.

La última era de los metales está representada por la edad de hierro (1300 a. C.) y es la etapa previa a la creación del imperio romano. La mayor ventaja del hierro sobre el bronce es que las vetas eran mucho más abundantes y por tanto era un material más económico. Además, no es necesaria aleación alguna y constituye un material admirable para la fabricación de sierras, hachas, azuelas y clavos. Sin embargo, es un material más difícil de trabajar y de temperatura de fundición más elevada, por eso se explica que su uso haya demorado tanto. La producción de hierro, sin embargo, no fue exclusiva del occidente, pues en China también hay registros de su uso a partir del año 600 a. C. Y de hecho, esta nación fue la única que pudo trabajar el hierro en molde.

El trabajo en hierro promovió el perfeccionamiento de técnicas metalúrgicas, el desarrollo de la forja y la herrería para la construcción de armas y herramientas de mayor dureza, calidad y duración.

1.4. Materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde la Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas las zonas del planeta . Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en construcción son ejemplos de estos.

1.5. Materiales poliméricos

Los polímeros son materiales que se forman por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros. A pesar de que cuando se habla estos materiales la imagen más recurrente es un envase o una bolsa plástica, la humanidad ha utilizado materiales poliméricos naturales desde hace mucho tiempo. El algodón, la seda, el caucho, el almidón y la celulosa son ejemplo de ello. Además, ahora se sabe que materiales como la la queratina, presente en el cuerpo o la glucosa, sustancia vital para nuestro funcionamiento también polímeros, incluso el formador de genes, el ácido desoxirribubucléico (ADN) es un polímero natural.

1.6. Materiales compuestos

Un material compuesto es el resultado de la combinación de dos tipos de materiales: metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, polímero-cerámico, polímero-polímero y cerámico-cerámico. Estos se encuentran en diferente porcentaje siendo la fase que se encuentra en mayor proporción la matriz o fase continua, mientras que la fase que se de menor proporción se le denomina refuerzo o fase discontinúa.

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interface.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presente.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales. La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.