Ciencia de Materiales. Capitulo 3. Parte 2

Ciencia de Materiales:

Estructuras cristalinas en materiales

cerámicos.

Juan José Reyes Salgado


Estructuras cristalinas en materiales cerámicos.

Enlace iónico y covalente en compuestos cerámicos simples

I En enlace atómico es una mezcla de enlaces iónicos ycovalentes.

I Ecuación de Pauling:

% de caracter ionico = (1− e(−1/4)(XA−XB)2)(100%)















Distribuciones iónicas sencillas que se encuentran en sólidos enlazados iónicamente

I El empaquetamiento de los iones está determinado por lossiguientes factores:

1 El tamaño de los iones en el sólido iónico.

2 La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para

mantener su neutralidad eléctrica en el sólido iónico.


















Limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso deiones en un sólido iónico.

I Los sólidos iónicos constan de aniones y cationes.

I El número de aniones que rodean a un catión central en unsólido iónico se denomina número de concordancia (NC).

I Los aniones tienen que hacer contacto con el catión central yse debe conservar la neutralidad de la carga.

























I Razón de radios = rcation/ranion.

I Cuando se tocan entre sí la razón de los radios se denominarazón de radios crítica (mínima).













Problema

Calcule la razón de radios crítica (mínima) r/R para la coordinacióntriangular (NC=3) de tres aniones de radio R que rodean a uncatión central de radio r en un sólido iónico.



Problema




Problema


SOLUCIÓN:



Problema


SOLUCIÓN:

AD = R + r



Problema


SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

AD=

R

R + r= 0.866



Problema


SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

AD=

R

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)



Problema


SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

AD=

R

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)

R − 0.866R = 0.866r



Problema


SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

AD=

R

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)

R − 0.866R = 0.866rr

R= 0.155



Estructura cristalina del cloruro de cesio (CsCl)

NC=8



Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl)

NC=6



Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl)

NC=6



Problema

Calcule la densidad de NaCl a partir del conocimiento de suestructura cristalina, los radios iónicos Na+ y Cl−, y las masasatómicas del Na y Cl. Los radios iónicos del Na+=0.102nm el delCl−=0.181nm. Las masas atómicas del Na=22.99 g/mol y la delCl=35.45 g/mol.



Problema

Calcule la densidad de NaCl a partir del conocimiento de suestructura cristalina, los radios iónicos Na+ y Cl−, y las masasatómicas del Na y Cl. Los radios iónicos del Na+=0.102nm el delCl−=0.181nm. Las masas atómicas del Na=22.99 g/mol y la delCl=35.45 g/mol.SOLUCIÓN:



Problema


masa =(4Na+ × 22.99g/mol) + (4Cl− × 35.46g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g



Problema



6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm



Problema



6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm

V = a3 = 1.81× 10−22cm3



Problema



6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm

V = a3 = 1.81× 10−22cm3

ρ =m

V= 2.14g/cm3



Espacios intersticiales en redes cristalinas de FCC y HCP

Hueco intersticial octaédrico Hueco intersticial tetraédrico







Hueco intersticial octaédrico Hueco intersticial tetraédrico



Estructura cristalina de blenda de zinc (ZnS)

NC=4

Y semiconductores: CdS, InAs, InSb y ZnSe.



Problema

Calcule la densidad de ZnS. Suponga que la estructura consta deiones y que el radio iónico del Zn2+=0.060 nm y el del S2+=0.174nm



Problema

Calcule la densidad de ZnS. Suponga que la estructura consta deiones y que el radio iónico del Zn2+=0.060 nm y el del S2+=0.174nmSOLUCIÓN:



Problema


m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g



Problema


m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

√3

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm



Problema


m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

√3

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm

V = a3 = 1.57× 10−22cm3



Problema


m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

√3

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm

V = a3 = 1.57× 10−22cm3

ρ =m

V= 4.12g/cm3



Estructura cristalina del �uoruro de calcio (CaF2)

UO2, BaF2, AuAl2 y PbMg2.



Estructura cristalina de la anti�uorita

I Celda unitaria FCC con aniones.

I Los cationes ocupan 8 sitios tetraédricos de la red FCC.

I Li2O, Na2O, K2O y Mg2Si .















Estructura cristalina del coridión (Al2O3)



Estructura cristalina del espinel (MgAl2O4)

I Iones de O forman una red FCC.

I Los iones ocupan los huecos intersticiales del tetraedro y deloctaedro.

I Se usan en materiales magnéticos no metálicos paraaplicaciones electrónicas.















Estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3)



Estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3)

Materiales piezoeléctricos: SrTiO3, CaZrO3, SrZrO3, LaAlO3.



I Alótropos signi�ca que puede existir en múltiples formascristalinas.

I El carbono y sus polimorfos no pertenecen directamente aninguna de las clases convencionales de materiales.

I Discutiremos estructuras y propiedades del gra�to, diamante,buckyball y buckytube.













Gra�to

I Distribuciones hexagonales enlazadas fuertemente en formacovalente.

I Enlaces secundarios débiles entre las capas.



Gra�to

I Distribuciones hexagonales enlazadas fuertemente en formacovalente.

I Enlaces secundarios débiles entre las capas.



Gra�to

I El electrón se desplaza libre a lo largo de las capas.

I No se desplaza fácilmente entre capas.

I El gra�to es anisotrópico (las propiedades dependen de ladirección).

I Tiene una densidad baja de 2.26 g/cm3.

I Buen conductor eléctrico y térmico en el plano basal pero noen el plano perpendicular.

I Se puede elaborar en largas �bras para materiales compuestos.

I Puede usarse como lubricante.



Gra�to










Gra�to










Gra�to










Gra�to










Gra�to










Gra�to










Diamante



Diamante

I Es un material isotrópico.

I Tiene una densidad alta de 3.51 g/cm3.

I Es el material más rígido y duro, y el menos comprensible de lanaturaleza.

I Tiene una conductividad térmica alta.

I Tiene una conductividad eléctrica baja.

I Impurezas como el nitrógeno, afectan sus propiedades.

I Diamante natural extremadamente caro y su mayor valor escomo gema.

I Diamante sintético tiene una dureza comparable, son másbaratos y se usan en herramientas de corte, revestimientos yabrasivos.



Diamante











Diamante











Diamante











Diamante











Diamante











Diamante











Diamante











Fullerenos Buckminster (Buckyball)




I Descubiertos en 1985 por Buckminster.

I Parecido a un balón de soccer constituido por 12 pentágonos y20 hexágonos.

I En 1990 se identi�caron otras formas de estas moléculas(fullerenos).

I Tiene un diámetro de 0.710nm y se clasi�can comonanocúmulo.

I Aplicaciones como lubricantes, celdas de combustible ysuperconductores.



































Nanotubos de carbono




I Los nanotubos tienen una resistencia 20 veces mayor que losaceros más fuertes.

I Muestran una resistencia a la tensión de 45GPa en dirección ala longitud del tubo.

I El módulo elástico es de 1.3TPa.

I Baja densidad.

I Alta conductividad térmica y eléctrica.

I Se pueden formar estructuras de cuerdas, �bras y películasdelgadas alineando un gran número de tubos.

I Aplicaciones en puntas de STM (microscopio de efecto túnel),emisores de campo en pantallas planas, sensores químicos y�bras para fabricar compuestos.







I Baja densidad.










I Baja densidad.










I Baja densidad.










I Baja densidad.










I Baja densidad.










I Baja densidad.






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Ciencia de Materiales. Capitulo 3. Parte 2