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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 “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que
significa “cosa 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
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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
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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.
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• 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
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.
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.
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.
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.
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
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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.
Refractarios: 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.
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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:
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Su resistencia a altas y bajas temperaturas.
Su densidad volúmica (en el rango de 2,1 a 3,3 g/cm3).
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.
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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
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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 ZrO2 y 75 % Al2O3. 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 iónicos-
covalentes, 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:
ISO 178 (2001) Revisión alemana DIN EN ISO 178 (2002): Deformación en
pruebas de flexión de polímeros.
DIN EN 63 (1977): Deformación en pruebas de flexión para polímeros
reforzados con fibra de vidrio.
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
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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
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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
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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 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
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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
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
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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,
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,
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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.
IV CONLUSION
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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.
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
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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.
V BIBLIOGRAFIA
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Electrónicas
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Libros
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Editorial Mcgraw-Hill. 3ª Edición 1989.
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Greenwich. Isbn 0-85404-684-4.
Química Física Macromolecular I. Issa Katime. Servicio Editorial Upv/Ehu. Bilbao
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