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Universidad Autónoma de Nuevo León
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Caracterización de MaterialesCaracterización de Materiales
Ing. Marco Antonio Garza NavarroIng. Marco Antonio Garza Navarro
ÍndiceÍndice
• Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
• Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
• MuestreoMuestreo
Caracterización de MaterialesCaracterización de Materiales
• Presentación del cursoPresentación del curso
Presentación del cursoPresentación del curso
Objetivo del curso:
El objetivo de este curso es el de capacitar al alumno para que pueda tomar decisiones a cerca del tipo de técnica a emplear en función del material a caracterizar y los resultados buscados.
Metas especificas del curso:
• Que el alumno sea capaz de describir los principios físicos de las técnicas de caracterización más comunes y empleadas en el estudio convencional de los materiales.
• Que el alumno sea capaz de elegir las técnicas de caracterización idóneas para el estudio de ciertas propiedades en especifico de algún material en particular.
• Que el alumno sea capaz de interpretar los resultados obtenidos de las técnicas de caracterización más comunes, y en base a ello éste formule una resolución a cerca de la utilidad del material evaluado para una aplicación en especifico.
Presentación del cursoPresentación del curso
Evaluación:
• Primera evaluación escrita
• Segunda evaluación escrita
• Participación oral y asistencia
40 %
40 %
20 %
Presentación del cursoPresentación del curso
Temario:
• Conceptos básicos
• Análisis térmico
• Microscopía óptica
• Microscopía de sondeo superficial (AFM, STM, MFM)
• Difracción de rayos X
• Microscopía de electrónica de transmisión
• Microscopía electrónica de barrido
• Espectroscopía de infrarrojo y ultravioleta
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se sitúan, unos con respecto de los otros, los átomos o iones.
En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva y periódica, es decir, existe un ordenamiento de largo alcance.
Debido a su enlace, en los materiales metálicos no hay restricciones en cuanto al número y posición de átomos vecinos más próximos; lo cual conduce a que en éstos materiales se observen estructuras cristalinas con gran número de vecinos y densamente empaquetadas.
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Puesto que el enlace en los materiales cerámicos es parcialmente o totalmente iónico, muchas de sus estructuras cristalinas son compuestas de iones eléctricamente cargados, en lugar de átomos.
Los iones metálicos, cationes, están cargados positivamente, ya que han cedido sus electrones de valencia a los iones no metálicos, aniones, los cuales están cargados negativamente.
Puesto que las cerámicas están compuestas por lo menos de dos elementos y a menudo por más de dos, sus estructuras son generalmente más complejas que las de los metales.
Hay dos características que determinan su estructura cristalina: 1) el valor de la carga eléctrica de los iones y 2) los tamaños relativos de los cationes y de los aniones.
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Los polímeros son materiales que pueden presentar, hasta cierto punto, un grado de cristalinidad, más no un ordenamiento de largo alcance.
La cristalinidad de un polímero puede considerarse como el empaquetamiento de cadenas moleculares para producir una disposición atómica ordenada.
La mayoría de los polímeros son orgánicos, es decir, se encuentran compuestos de largas cadenas de carbono con enlace interatómico covalente. Debido a la que la longitud de dicha cadena normalmente es gigantesca, éstas usualmente reciben el nombre de macromolécula.
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Los materiales compuestos se encuentran constituidos por dos fases: una llamada matriz, la cual es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa.
Las propiedades de estos materiales son función de las propiedades de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de la fase dispersa, es decir, la forma, el tamaño, la distribución y orientación de ésta.
Los materiales compuestos se clasifican generalmente en: a) reforzados con partículas, b) reforzados con fibras y c) estructurales.
Clasificación de los materialesClasificación de los materiales
Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
La caracterización de materiales abarca una amplia gama de disciplinas, por lo cual su aplicación y posterior interpretación depende de la formación del usuario y de lo que éste busque.
Sus conceptos son aplicables tanto para el ramo científico, el cual normalmente estudia a los materiales a nivel atómico, como para el industrial, que usualmente estudia a los materiales en términos del aseguramiento de su calidad.
La caracterización de materiales, según el manual Materials Characterization de la ASM-International, se define como: aquello que describe la composición y estructura de un material, cuando éstas son significativas para evaluación de una preparación en particular, estudio de sus propiedades, uso y reproducibilidad.
Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
Un aspecto importante en la ingeniería de materiales involucra el conocimiento de las estructuras en la que se organiza la materia.
El estudio de dicha estructuras es llevado a cabo típicamente mediante la microscopía óptica y electrónica. Esta ultima puede realizarse a través de las técnicas de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) o de barrido (SEM).
El principio de operación de estas técnicas de microscopía es el mismo, sin embargo difieren en la fuente de emisora de luz, para un microscopio electrónico es un haz de electrones, y en las lentes objetivas, para un microscopio electrónico éstas son magnéticas.
Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
Otra poderosa herramienta de la microscopía, que ayuda al ingeniero en materiales a la interpretación de la estructura de la materia es la microscopía de sondeo superficial (SPM).
La técnicas utilizadas en este tipo de microscopía son variadas y su la utilización varia en función de las propiedades intrínsecas del material y en el tipo de resultados que se buscan obtener.
Las principales técnicas que componen dicho tipo de microscopía son: a) la microscopía de fuerza atómica (AFM), b) microscopía de fuerza magnética (MFM) y c) microscopía de túnelamiento (STM).
Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
Por otro lado, muchos de los conocimientos actuales de la disposición atómica y molecular de los sólidos han resultado de las investigaciones mediante el fenómeno de difracción, utilizando técnicas tales como la difracción de rayos X o de electrones.
La difracción ocurre cuando una onda encuentra una serie de obstáculos separados regularmente, que: 1) son capaces de dispersar la onda y 2) están separados por distancias comparables en magnitud a la longitud de onda.
Técnicas de CaracterizaciónTécnicas de Caracterización
Otra manera de caracterizar las propiedades de un material es a través del análisis térmico. Dicho análisis se define como: grupo de técnicas en las que se mide una propiedad física de una sustancia y/o productos de reacción en función de la temperatura mientras la sustancia se somete a un programa de temperatura controlado.
Este tipo de análisis involucra principalmente tres técnicas de caracterización, las cuales son: a) análisis termogravimétrico (TGA), b) análisis térmico diferencial (DTA) y b) calorimetría diferencial de barrido (DSC).
MuestreoMuestreo
El muestreo es la selección del tipo de pruebas de una porción de una cierta población.
La importancia del muestreo radica en que muchas decisiones industriales relacionadas con el control de calidad de los material, productos finales y del monitoreo ambiental dependen de tales mediciones de muestreo
¿Por qué solo
una porción?
Razones técnicas
Razones económicas
MuestreoMuestreo
La confiabilidad en las mediciones depende directamente de la calidad de las muestras.
Un mal plan de muestreo o incertidumbres durante el proceso de éste, tales como las condiciones previas al análisis de las muestras seleccionadas, pueden obscurecer los resultados e interpretación.
Diseño de un programa de
muestreo
Identificar la población de la cual se va a obtener la muestra
Seleccionar y extraer muestras solo de dicha población
Reducir el tamaño de la muestra a uno utilizable en las pruebas pertinentes
MuestreoMuestreo
Muestras al azar
Muestras sistemáticas
Muestras representativas
Evaluación
Medición
Muestra
Tamaño de muestras
Porción de muestras
Protocolo de proyecto
Número de muestrasPlan
Modelo
Objetivos
Técnicas
Precisión requerida
Población
