Materiales Electrotécnicos4EM3

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICADEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELÉCTRICA

Clasificación general de los materiales Eléctricos

Yáñez Hernández Alejandro Javier

Aquino Gallegos David

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

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.

Materiales metálicos

A una gran parte de los elementos de la tabla periódica se le puede asociar un comportamiento metálico de diferentes valores, siendo más alto el de aquellos con enlaces netamente metálicos. Los metales se caracterizan por ser buenos conductores térmicos y eléctricos. Todos son sólidos en condiciones naturales excepto el mercurio (Hg) y tienen un brillo característico, denominado brillo metálico que ningún otro tipo de material posee.

El término aleación define una unión íntima y homogénea de dos o más metales. Esta se consigue con un proceso de calentamiento hasta llegar a fundir los compuestos y posteriormente un proceso de solidificación (enfriamiento) que puede ser lento o rápido dependiendo del tipo de aleación deseado. Las propiedades de las aleaciones están relacionadas con la composición, tamaño,

forma y distribución de sus componentes, tan es así, que la adición de un componente, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación.

Se manejan los términos “aleaciones ferrosas” y “aleaciones no ferrosas” para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como elemento mayoritario. Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener.

A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha desarrollado otras aleaciones con metales distintos al Fe, denominadas aleaciones no ferrosas. Entre las más utilizadas en la industria se encuentran:

Aleaciones base Cu. Son buenas conductoras y en algunos casos, tienen propiedades mecánicas especiales que las hacen muy útiles en la fabricación de muelles, diafragmas y piezas que forman parte de aparatos de medida eléctrica y barométrica.

Aleaciones base Al. Son materiales ligeros y muy flexibles, lo que permite maquinarlos a formas muy diversas, además de ser de baja corrosión. Se usan en el enlatado de alimentos y manufactura de todo tipo de piezas, incluyendo las de automóviles y aviones.

Aleaciones base Ti. Son aleaciones menos densas que el acero pero con propiedades mecánicas muy similares, por lo que se usan en la industria aeronáutica y aeroespacial. Además también son materiales de bajo

porcentaje de corrosión por lo que son muy útiles en la industria química donde se trabajan muchas sustancias corrosivas.

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 baja conducción eléctrica.

Los diversos métodos de producción han permitido crear cerámicas avanzadas o estructurales, materiales de muy diversas características, incluyendo aquellas con buena conductividad eléctrica o con mejores propiedades mecánicas.

Entre las cerámicas avanzadas cabe destacar la alúmina, la berilia, los carburos, los nitruros y los boruros. La correcta composición de los polvos constituye un punto fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas y uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados industrialmente son:

La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se forma un sólido suave. El líquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira del molde.

Prensado con polvo seco. Se consigue rellenando un troquel con polvo y luego prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido, esteárico o cera.

El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de prensado y sinterización. Se obtienen mayor densidad y tamaño más fino del grano.

La compactación isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que se pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado.

Materiales poliméricos

Los polímeros son materiales que se forman por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros. Los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen por distintas fuerzas de atracción intermolecular que dependen de la composición química del polímero.

La polimerización es el proceso por el cual se forman polímeros a partir de monómeros. De acuerdo a las reacciones de los procesos se pueden dividir en:

Condensación. La molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero y genera subproductos. (figura b)

Adición. La molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos. (Figura a).

Crecimiento de cadena. Los monómeros pasan a formar parte de la cadena de uno en uno.

Los polímeros termoplásticos son relativamente blandos y dúctiles. Por otro lado, los polímeros termoestables son blandos o "plásticos" al calentarlos por primera vez. Después de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores.

Todos ellos tienen una estructura molecular de forma reticular tridimensional por lo que son materiales compactos y duros. No son afectados por la temperatura, es decir, tienen temperaturas de fusión relativamente altas y son insolubles a la mayoría de los solventes.

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.

Las variables que se manejan en este tipo de materiales son generalmente el volumen que ocupa el refuerzo, su tamaño, su forma y el tipo de acomodo que tiene, incluyendo distribución y orientación. Los materiales compuestos más usados son:

Materiales Compuestos reforzados con fibras que están inmersas en una matriz (a).

Materiales compuestos reforzados con varias capas de láminas de distintos materiales (Figura b).

Materiales compuestos reforzados con partículas de diferente diámetro diseminadas en el volumen de la matriz (Figura c)

La gran ventaja de los materiales compuestos es que se puede modificar algunas de sus propiedades. Estas propiedades pueden ser mecánicas, como mayor resistencia, rigidez, resistencia al desgaste o a la fatiga; de tipo químico como mayor resistencia a la corrosión o de tipo físico como mejoras en el

comportamiento de los materiales a campos eléctricos, acústicos o a la temperatura y la presión.

Debido a estas ventajas, los materiales compuestos tienen una gran aplicación en áreas donde las propiedades mecánicas, la resistencia y la baja densidad de los materiales son decisivos, como la construcción, la aeronáutica, la automotriz y la odontológica entre otras.