Clasificación de los materiales.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.En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.Los materiales se clasifican de forma muy general en:

Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos

Metales.Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.

El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen.

Propiedades.Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son conductores de la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este fenómeno se denomina policromismo.Otras propiedades serían:

Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión.

Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción.

Tenacidad: resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc.)

Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad, son dúctiles y maleables, tienen un punto de fusión alto, son duros, y son buenos conductores (calor y electricidad).La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un traslape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo cual le da su peculiar brillo.

La gran resistencia del metal junto a la facilidad de su trabajo lo hace un material excelente para cualquier construcción, en la imagen el Puente de La Vicaria construido en acero corten.

El comportamiento metálico y las aleaciones.A una gran parte de los elementos de la tabla periódica se les puede asociar un comportamiento metálico de diferentes valores, siendo más alto el de aquellos con enlaces netamente metálicos (Figura 6.1.). 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. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega, por lo que pueden ser usados como espejos, de hecho, son los materiales más usados para la producción de espejos astronómicos.

Figura 6.1. Comportamiento metálico de los elementos químicos. Dentro de los metales reactivos, el comportamiento aumenta hacia debajo de la tabla, mientras que en los otros metales, incluyendo los de transición, el aumento va de derecha a izquierda de la tabla.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.Además de los componentes, el proceso de obtención también es determinante en las propiedades de las aleaciones, por lo que los estudiosos de los metales han construido experimentalmente diagramas de comportamiento de las aleaciones, denominados diagramas de fase, que permiten determinar las temperaturas y la estructura que tendrá cierta composición de aleación (Figura 7.1.). Estos diagramas se pueden construir para dos (binarios), tres (ternarios) e incluso cuatro elementos (cuaternarios).

Figura 7.1. Diagrama de fase binaro. El eje delas abscisas contiene la composición de los elementos, a la izquierda se lee 100% de A y a la derecha 100% de B. El eje de las ordenadas es de la temperatura (ºC o K). Dentro del diagrama se marcan las fronteras y las fases contenidas en los intervalos de composición. La ventaja de trabajar aleaciones sobre metales puros son que se pueden reducir las temperaturas de obtención, se pueden mejorar las propiedades de los materiales de origen y con ligeros cambios en la composición o agregando algún otro material en pequeñas cantidades se puede conseguir otra aleación con propiedades diferentes, lo cual abre un abanico de posibilidades en la investigación, estudio y producción de nuevos materiales metálicos.

Aleaciones ferrosas y no ferrosas.Algunos autores manejan los términos “aleaciones ferrosas” y no “aleaciones no ferrosas” (ferreas) para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como elemento mayoritario. Esto se debe a la importancia histórica del hierro, incluyendo la revolución industrial y la fabricación del acero como material de construcción.Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener,. La mayor producción de estas son los aceros, aleaciones Fe – C, a los que cambiando el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar.La industria del acero (Figura 8.1.) se divide en varias ramas:

Aceros al carbón, con uso en construcción Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e

instrumental quirúrgico Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para

endurecerlos Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de

usos más específicos de acuerdo al elemento agregado Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los

aceros de última generación.

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 base, 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. Ejemplos son el bronce y las aleaciones Cu-Be.

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 y, en la actualidad, tienen además aplicación en el área de biomateriales como prótesis de huesos de alta carga mecánica (cadera, rodilla, fémur, etc.).

Usos en la industria.Metales que están destinados a un uso especial, son el antimonio, el cadmio o el litio.Los pigmentos amarillos y anaranjados del cadmio son muy buscados por su gran estabilidad, como protección contra la corrosión, para las soldaduras y las aleaciones correspondientes y en la fabricación de baterías de níquel y cadmio, consideradas excelentes por la seguridad de su funcionamiento. También se le utiliza como estabilizador en los

materiales plásticos (PVCsad ) y como aleación para mejorar las características mecánicas del alambre de cobre. Su producción se lleva a cabo en el momento de la refinación de zinc, con el que está ligado, se trata de un contaminante peligroso.El litio, metal ligero, se emplea principalmente en la cerámica y en los cristales, como catalizador de polimerización y como lubricante, así como para la obtención del aluminio mediante electrólisis. También se emplea para soldar, en las pilas y en las baterías para relojes, en medicina (tratamiento para los maníaco-depresivos) y en química.El níquel, a causa de su elevada resistencia a la corrosión, sirve para niquelar los objetos metálicos, con el fin de protegerlos de la oxidación2 y de darles un brillo inalterable en la intemperie.El denominado "hierro blanco" es, en realidad, una lámina de acero dulce que recibe un baño de cloruro de zinc fundido, y a la que se da después un revestimiento especial de estaño.

Cerámicos.Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también elevado, además presentan un modo de rotura frágil.Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc). Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un módulo de Young y una fragilidad elevados y al tener un enlace interatómico (iónico y/o covalente), es imposible de realizar. Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

El producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:

Materiales cerámicos porosos.No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:

Arcilla cocida. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la componen. La temperatura de cocción es de entre 700 a 1.000 °C. Si una vez cocida se recubre con óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se denomina loza estannífera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.

Loza italiana. Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción varía entre 1.050 a 1.070 °C.

Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido de hierro y se le añade sílex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. La cocción se realiza en dos fases:

1. Cocido entre 1.200 y 1.300 °C.2. Se extrae del horno y se cubre de esmalte. El resultado es análogo

a las porcelanas, pero no es impermeable. Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior

hay unas proporciones grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son:

1. Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el interior de hornos.

2. Electro cerámicas: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc., con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el aterrizaje.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables.Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. Los más destacados:

Gres cerámico común.- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos.

Gres cerámico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo óxidos metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina. La sal reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico.

Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2 a 4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto se considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen dos tipos:

1. Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1.000 °C, se sacan se les aplica esmalte y se vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1.250 °C o más.

2. Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000º C, a continuación se sacan, se esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se decoran se realiza esta operación y luego se vuelven a introducir en el horno a unos 800 °C.

Materiales refractarios.- Según la norma Europea DIN 51060/ISO/R 836, considera resistente al calor aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de 1,500°C; y refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de temperatura de 1,500°C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece a un temperatura mínima de 1,800;°C.

Y en general un material refractario es aquel que tiene una aplicación a temperatura por arriba de los 600°C. Los materiales cerámicos son incandescentes si se le aplican 30W.

Polímeros.Los polímeros (del Griego: poly: muchos y mero: parte, segmento) son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.

El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno.

Polimerización.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, generalmente agua o HCL gaseoso (Figura 10.1a).

Adición. La molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos. La polimerización por adición no produce subproductos (Figura 10.1b).

Crecimiento de cadena. Los monómeros pasan a formar parte de la cadena de uno en uno. Primero se forman dímeros, después trímeros, a continuación tetrámeros, etc. La cadena se incrementa de uno en uno, monómero a monómero y sólo los monómeros pueden reaccionar con cadenas en crecimiento (Figura 11.1.).

Crecimiento por etapas. Es posible que un oligómero reaccione con otros, es decir, un dímero con un trímero, un tetrámero con un dímero, etc. La cadena se incrementa en más de un monómero, por lo que en este caso las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. (Figura 12).

Figura 10.1. Esquemas de una reacción por (a) condensación y (b) por adición.

Figura 11.1. Esquema de crecimiento por cadena

Clasificación.Según su origen

Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el Policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

Según su composición química. Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de

carbono. Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas

está formada exclusivamente por átomos de carbono.Dentro de ellos se pueden distinguir:

Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.Ejemplos: polietileno y polipropileno.

Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.

Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno. Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de

halógenos (cloro, flúor...) en su composición.Ejemplos: PVC y PTFE.

Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA. Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen

átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.Algunas sub-categorías de importancia:

Poliésteres Poliamidas Poliuretanos

Polímeros inorgánicos. Entre otros: Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros. Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

Según sus aplicaciones.Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.

Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.

Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.

Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

Materiales Compuestos.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 interfase.

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.

Estructura.Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Clasificación.Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partículas.Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil.Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas propiamente dichasCompuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su

resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.Sus principales propiedades son:

La fase es generalmente un óxido duro y estable. El agente debe tener propiedades físicas óptimas. No deben reaccionar químicamente el agente y la fase. Deben unirse correctamente los materiales.

Materiales Compuestos reforzados con fibras.Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Materiales Compuestos Estructurales.Están formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Esquemas de los materiales compuestos más usados, (a) refuerzo con fibras, (b) refuerzo en capas, (c) refuerzo con partículas.

Ejemplos de materiales compuestos. Plásticos reforzados con fibra: Clasificados por el tipo de fibra.

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o,

informalmente, "fibra de vidrio") Clasificados por la matriz.

Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs: Cermet (cerámica y metal). Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica) Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica: Hormigón/Concreto Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de

grafito). Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno) Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico Madreperla o nácar Concreto asfáltico

Madera mejorada Contrachapado Tableros de fibra orientada (OSB). Trex Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de

polietileno) Pycrete (aserrín en matriz de hielo)

Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc.

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.En 1914, el físico y químico inglés, Henry Moseley, descubrió que los átomos de cada elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el número de protones igual al número atómico del átomo. Moseley organizó los elementos en orden ascendente de número atómico y no en orden ascendente solucionando los problemas de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica. La organización que hizo Moseley de los elementos por número atómico generó un claro patrón periódico de propiedades.En la actualidad, hay 18 grupos en la tabla estándar. El hecho de que la mayoría de estos grupos correspondan directamente a una serie química no es fruto del azar. La tabla ha sido estructurada para organizar las series químicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribución de los elementos en la tabla periódica proviene del hecho de que los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa más externa. Como el comportamiento químico está principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan propiedades físicas y químicas similares. Cabe señalar, además de los elementos naturales, se han agregado elementos sintéticos producidos en laboratorio,

En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de sus propiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:

Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el orbital más externo.

Que haya transferencia de electrones en las capas de valencia de ambos átomos.

Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el enlace iónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de atracción débiles o fuerzas intermoleculares.

Enlaces.Enlace Iónico.

P ara que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro de sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa (Figura 2.1).

Figura 2.1. Formación del cloruro de sodio (NaCl) a través del enlace iónico.

Algunas características de este tipo de enlace son: Ruptura de núcleo masivo. Son enlaces muy fuertes Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico. Altos puntos de fusión (entre 300 °C y 1000 °C y ebullición). Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los

grupos I y II y los no metales de los grupos VI y VII. Son solubles en agua y otras disoluciones acuosas. Una vez en solución acuosa son excelentes conductores de

electricidad. En estado sólido no conducen la electricidad. Si utilizamos un

bloque de sal como parte de un circuito en lugar del cable, el circuito no funcionará. Así tampoco funcionará una bombilla si utilizamos como parte de un circuito un cubo de agua, pero si disolvemos sal en abundancia en dicho cubo, la bombilla del circuito se encenderá. Esto se debe a que los iones disueltos de la sal son capaces de acudir al polo opuesto (a su signo) de la pila del circuito y por ello éste funciona.

Enlace iónico en un cristal de NaCl.

Enlace covalente.En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones (Figura 3.1.).

Figura 3.1. Esquema de un enlace covalente. Ambos átomos comparten electrones para formar un solo enlace.Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.

Enlace covalente polar.Cuando un mismo átomo aporta el par de electrones, se dice que el enlace covalente es dativo. Aunque las propiedades de enlace covalente dativo son parecidas a las de un enlace covalente normal (dado que todos los electrones son iguales, sin importar su origen), la distinción es útil para hacer un seguimiento de los electrones de valencia y asignar cargas formales. Una base dispone de un par electrónico para compartir y un ácido acepta compartir el par electrónico para formar un enlace covalente coordinado.

Características del enlace covalente polar: Enlace sencillo ó simple: se comparten 2 electrones de la capa de

valencia. Enlace doble: se comparten cuatro electrones, en dos pares, de la

capa de valencia. Enlace triple: se comparten 6 electrones de la capa de valencia en

3 pares. Enlace cuádruple: es la unión de 8 electrones de la capa de

valencia en 4 pares. Enlace quíntuple: es la unión de 10 electrones de la capa de

valencia en 5 pares.

En general cuando un átomo comparte los dos electrones para uno solo se llama enlace covalente dativo y se suele representar con una flecha (→).

Enlace Covalente Apolar.Se forma entre átomos iguales o diferentes, y la diferencia de electronegatividad debe ser cero o muy pequeña (menor que 0,4).En este enlace, los electrones son atraídos por ambos núcleos con la misma intensidad, generando moléculas cuya nube electrónica es uniforme.

Enlace covalente polar hidrógeno y carbono: metano.Enlace Metálico.

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1,2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica.Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve (Figura 4.1.).

Figura 4.1. Modelo descriptivo del enlace metálico. Los iones positivos del metal forman una red que se mantiene unida gracias a la nube de electrones que los envuelven.

Enlace metálico en el Cobre.Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos.

Enlaces intermoleculares.Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno. Estos enlaces son los que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática). A diferencia de los otros enlaces, este es más común moléculas y no tanto para átomos.

Figura 5.1. Diagrama de un enlace intermolecular, puente de hidrógeno de las moléculas de agua.En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tiene impurezas de otra naturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmente puros, por eso que se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metales preciosos, les da su valor comercial.

Fuentes de Información Electrónicas.http://www.andragogy.org/_Cursos/Curso00188/Temario/pdf%20leccion

%201/lecci%C3%B3n%201.pdfes.Wikipedia.org

http://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/propiedad-de-los-materiales/1-2-materiales-puros/