EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

1. Métodos de Obtención del Titanio

El titanio fue inicialmente descubierto a finales del siglo XVIII en la ilmenita (FeO•TiO2) y en forma de óxido rutilo (TiO2); fue Gregor quien aisló un oxido metálico de la que fue llamada manaccanita en 1791 y Klaproth encontró en 1795 un nuevo metal en las rocas de Boinik que llamo titanio. Sin embargo, no fue hasta 1910 cuando Hunter preparo una pequeña cantidad de titanio de alta pureza (98-99%) mediante la reducción con sodio y después en el año 1937 cuando el científico Kroll desarrollo un proceso que permitió la explotación industrial del titanio. Por lo tanto, el empleo del titanio a nivel industrial es relativamente reciente, ya que empezó a finales de los años 40 del siglo XX.

Este retraso en el empleo del titanio es debido principalmente a su elevada afinidad con elementos como el oxígeno, el nitrógeno, el hidrogeno y el carbono y, por lo tanto, a la complejidad del proceso de purificación de los óxidos de partida.

La energía necesaria para obtener titanio metálico elemental, normalmente en forma de esponja, es significativamente superior a la utilizada para producir otros metales, aproximadamente 14 veces la empleada para fabricar la misma cantidad de acero. Por esta razón, el titanio es mucho más costoso de lo que se podría suponer considerando su abundancia. La elevada energía de extracción junto con la necesidad de limitar el contenido de elementos contaminantes, que incluso en pequeñas cantidades afectan notablemente la ductilidad y la resiliencia, justifica el alto coste de este metal.

El proceso de reducción del rutilo (TiO2) a titanio elemental fue estudiado exhaustivamente pero fue solo al final de los años 30 del siglo XX cuando Wilhelm Kroll, un filólogo alemán, consiguió desarrollar un proceso de extracción para cantidades significativas que luego fue nombrado, en honor a su descubridor, proceso KROLL, y que sigue siendo utilizado a nivel industrial.

La obtención de titanio elemental a partir de sus óxidos resulta ser complicada a causa de la alta energía libre negativa de formación del TiO2 y de la capacidad del titanio de disolver una cantidad significativa de oxígeno en forma de solución sólida.

Por lo tanto, cada candidato a la reducción del óxido de titanio no solo tiene que enfrentarse a la barrera impuesta por la elevada energía libre sino que debe poder sobrepasar la gran afinidad del titanio por el oxígeno, ya que esta aumenta al disminuir el porcentaje relativo de este elemento.

El método desarrollado por Kroll, cuyo esquema se muestra en la Figura 1.3, es un proceso discontinuo de reducción metalotermica que incluye la carbocloracion del rutilo en un lecho fluido a aproximadamente 1000°C mediante la reacción TiO2 + 2Cl2 + C → TiCl4 + CO2 para poder obtener tetracloruro de titanio (TiCl4) libre de oxígeno. Sucesivamente, se lleva a cabo una destilación fraccionada con el fin de eliminar la mayoría de las impurezas que quedan antes de introducir lentamente el TiCl4 en un recipiente que contiene magnesio líquido a una temperatura comprendida entre 800oC y 900°C.

Figura 1.3 – Esquema del proceso Kroll para la obtención de titanio en forma metálica.

En presencia de exceso de magnesio se obtiene titanio elemental en forma de esponja mediante la reacción TiCl4 + Mg → Ti + 2MgCl2 evitando la formación de dicloruro de titanio (TiCl2). El tiempo de reducción es muy largo debido a la elevada cantidad de calor generado por la reacción exotérmica que gobierna esta etapa del proceso.

Una vez obtenido, el titanio esponja se somete a molienda, aleación y consolidación, utilizando el proceso de fusión por arco en vacío (Vacuum Arc Remelting) o en un horno de fusión mediante haz de electrones (Electron Beam Cold Hearth Melting) en función del producto final deseado.

A lo largo de los años se han llevado a cabo mejoras del proceso Kroll, como por ejemplo emplear TiCl4 como materia prima en lugar del TiO2, siendo esto más costoso, pero estas han sido solo evoluciones del proceso original siendo necesaria una nueva técnica de extracción metalúrgica para poder disminuir significativamente el coste del titanio elemental.

Una variante del proceso Kroll es el proceso Hunter donde en lugar de magnesio se emplea sodio para reducir el TiO2 a titanio elemental; todavía este proceso no se utiliza para la producción de titanio a nivel industrial, ya que resulta ser ligeramente más costoso.

En la última década se han ido desarrollado nuevos procesos de reducción para la obtención de titanio metálico en forma de polvo entre los cuales destacan el proceso ITP/Armstrong y el proceso Cambridge/FFC (Fray-Farthing-Chen)[30, 31] que se describen brevemente a continuación. Una comparación de los polvos actualmente disponibles se puede encontrar en diferentes artículos.

El ITP/Armstrong es un método continuo de bajo coste para la obtención de titanio elemental o aleaciones de titanio, ambos con un elevado grado de pureza, en una sola etapa que, en combinación con las técnicas pulvimetalurgicas actualmente disponibles debería aportar una reducción de los costes finales de fabricación de los componentes hasta un 50%.

Esta técnica se basa en las mismas reacciones químicas empleadas en el proceso Hunter, pero se utiliza tetracloruro de titanio en fase gaseosa que viene inyectado en un circuito cerrado de sodio líquido permitiendo la finalización de la reacción a baja temperatura y obteniendo partículas muy finas de titanio elemental y cloruro de sodio.

El flujo continuo de sodio líquido retira las partículas de la zona de reacción limitando el atrapamiento de elementos no reaccionados y de co-productos de la reacción y, por lo tanto, aumenta la pureza del producto final y la eficiencia del proceso.

Controlando la geometría de la zona de reacción y las velocidades relativas de los flujos es posible variar la morfología y la distribución del tamaño de partículas.

El polvo de titanio obtenido es sometido a un proceso de lavado antes de ser comercializado ya que cumple las especificaciones de los estándares en cuanto a composición química. Además, unos primeros experimentos han demostrado que es posible inyectar como reactivos cloruros de metales diferentes de forma simultánea en el reactor para poder obtener directamente la aleación deseada.

Sin embargo, algunos de los cloruros empleados son muy corrosivos, como por ejemplo el cloruro de aluminio (AlCl3), y el control de la distribución del tamaño de partícula mediante la boquilla del inyector es crítica porque el polvo de titanio producido tiene que ser lo suficientemente grande para evitar la contaminación por parte del oxígeno cuando es expuesto al aire.

La Figura 1.4 muestra un esquema del diagrama de flujo del proceso ITP/Armstrong para obtener titanio elemental o la aleación Ti–6Al–4V donde se destaca la morfología dendrítica tipo coral del polvo obtenido.

La novedad del proceso electrolítico Cambridge/FFC[30] esta en el enfoque empleado para la extracción del titanio, donde en lugar de intentar disolver el TiO2 en una sal fundida, como en todos los intentos precedentes, se sujetan pellets de rutilo mediante un hilo Kanthal (Ni–Cr) y se sumergen en un baño fundido de CaCl2.

A una temperatura suficientemente alta, aproximadamente 900°C, y aplicando una corriente eléctrica el TiO2, notoriamente aislante, el rutilo se transforma en TiOx (x < 2) que es conductor. Mediante esta configuración el oxígeno de los pellets se disuelve en la sal fundida y migra hacia el ánodo obteniéndose como resultado titanio metálico que se acumula en el cátodo.

La gran ventaja de este proceso es que no es necesario emplear rutilo puro, mucho más costoso, sino óxidos de metales mixtos u otros precursores más económicos como residuos ricos en titanio.

Figura 1.4 – Diagrama de flujo del proceso ITP/Armstrong para la obtención de titanio

elemental o directamente la aleación Ti–6Al–4V.

Como en el caso del proceso Kroll, el proceso Cambridge produce titanio esponja, que no es nada más que una mezcla de titanio elemental y sales de elementos alcalinos o alcalis que es necesario moler y destilar con el fin de eliminar los sales.

El método FFC debería disminuir significativamente el coste del titanio hasta un tercio del valor actual, ya que puede producir titanio con un contenido de oxigeno alrededor de 60 ppm y aleaciones de titanio convencionales y novedosas.

La Figura 1.5 muestra un esquema del proceso electrolítico Cambridge/FFC y una micrográfica del polvo de titanio elemental con morfología tipo esponja.

Figura 1.5 – Esquema del proceso electrolítico Cambridge/FFC.

2. Propiedades Características del Titanio

Independientemente de su forma de obtención, el titanio elemental es un metal dúctil y amagnetico de color blanco plata caracterizado por una estructura cristalina de tipo Mg, hexagonal compacta a temperatura ambiente, si bien ligeramente comprimida a lo largo del eje “c” (c/a = 1,585), y con un radio atómico de 0,145 nm, que corresponde a un numero de coordinación de 6.

Al aumentar el contenido de oxígeno, nitrógeno, hidrogeno y carbono, elementos intersticiales, aumenta ligeramente la longitud del parámetro “a” y, significativamente, la del parámetro “c” donde el carbono tiene el efecto más marcado y el hidrogeno el menos perceptible.

Siendo el vigésimo segundo elemento de la tabla periódica, el titanio forma parte de los elementos del grupo IV y, por lo tanto, es un metal reactivo y electropositivo si bien, al contrario de la mayoría de los elementos vecinos, como las tierras raras y los elementos alcalinos, se pasiva, es decir, forma una capa superficial de óxido altamente resistente a la difusión que lo protege tanto de la corrosión en ambiente acuoso como de la oxidación a altas temperaturas, hasta aproximadamente 500oC, porque a partir de esta temperatura la ganancia de peso debida a la oxidación aumenta notablemente.

Como los otros metales del cuarto grupo, el zirconio (Zr) y el hafnio (Hf), el titanio está caracterizado por una baja conductividad eléctrico y térmica, lo que se debe a la estructura electronica y, principalmente, a la interacción de los electrones más cercanos al núcleo con los electrones exteriores de conducción.

Por lo tanto, el titanio se caracteriza por una particular combinación de propiedades físicas que se muestran y comparan con las de aluminio y las del hierro en la Figura 1.6

Figura 1.6 – Valores medios de las propiedades físicas del titanio en comparación a las de

aluminio y hierro.

Las propiedades del titanio elemental indicadas en la Figura 1.6 se refieren a valores medios y a temperatura ambiente ya que muchas de las propiedades del titanio varían en función de la presencia de impurezas y de los tratamientos térmicos y mecánicos aplicados.

Come es sabido, los defectos de la estructura cristalina cambian las propiedades eléctricas, térmicas y el comportamiento plástico; por ejemplo el trabajo en frio aumenta la dureza y la resistencia y reduce tanto la conductividad eléctrica como la conductividad térmica. Sin

embargo, la aplicación de un tratamiento térmico de recocido (300–500°C) o de re cristalización (500–800°C) permite obtener nuevamente las propiedades de partida.

La combinación de propiedades del titanio lo convierte en uno de los materiales más atractivos para una amplia gama de aplicaciones. En comparación con el aluminio, el titanio ofrece una mayor resistencia específica y la posibilidad de trabajar a temperaturas relativamente altas, hasta aproximadamente los 600°C. Con respecto al acero, el titanio permite reducir el peso de los componentes hasta un 45% (Figura 1.6) además de proporcionar unas propiedades mecánicas mayores que muchos aceros actualmente empleados en el campo de la ingeniería.

Asimismo, el titanio se caracteriza por su excelente resistencia a la corrosión y es inerte en el cuerpo humano, lo que permite su aplicación en la fabricación de prótesis biocompatibles.

La Tabla 1.1 muestra algún ejemplo de propiedades importantes, desde el punto de vista industrial, del aluminio, del acero y del acero inoxidable con respecto al titanio. Cabe destacar que estas propiedades varían en función de la composición final de la aleación y del tipo de tratamiento térmico llevado a cabo. Además, hay que añadir que el ratio entre la resistencia y el peso es un parámetro significativo durante el diseño de un componente y que, a la vista de esta igualdad de peso, el titanio es tres veces más resistente que un acero.

Tabla 1.1 – Propiedades de algunos de los metales más importantes a nivel industrial.

Sin embargo, el titanio es mucho menos empleado a nivel industrial con respecto al aluminio y al acero a causa de su alto coste de extracción a partir de los minerales, 15 veces el del acero y 3 veces el del aluminio, así como su alto coste de fabricación, aproximadamente 30, 6 y 4 veces respectivamente para la fabricación de un componente a partir de un lingote. Por lo tanto, este metal no se emplea a menos que no pueda garantizar un mejor rendimiento, una mayor vida útil o una reducción de los costes de mantenimiento.

El titanio y sus aleaciones tienen una resistencia comparable a la de los aceros mas resistentes pero su módulo de elasticidad es solo aproximadamente la mitad, es decir 110 GPa frente a 207 GPa, lo que confiere un mayor grado de flexibilidad a las estructuras fabricadas empleando este metal.

La alta resistencia frente a su relativo bajo módulo de Young confiere también al titanio un excepcional módulo de resiliencia permitiendo el almacenamiento de una cantidad de energía elástica significativamente mayor con respecto a materiales con mayor módulo de elasticidad, como el acero. Esto hace posible la aplicación del titanio y de sus aleaciones en el campo deportivo, como por ejemplo en la cabeza de los palos de golf o las raquetas de tenis, ya que la energía almacenada que se libera al golpear la pelota permite imprimir un mayor impulso a esta.

Sin embargo, un alto módulo de resiliencia conlleva también un significativo efecto de recuperación elástica durante el conformado en frio porque el metal recupera la parte elástica de la deformación cuando se retira la carga. Por lo tanto, los moldes para conformar el titanio son, normalmente, sobredimensionados con el fin de compensar este efecto. Por otro lado, el empleo de un procesado en caliente permite reducir el efecto de recuperación elástica y conlleva un alivio de las tensiones almacenadas en el metal.

El titanio se caracteriza también por un pronunciado efecto Bauschinger, un fenómeno de endurecimiento por deformación que puede provocar una disminución drástica de la

resistencia a compresión, hasta un 50%, cuando se aplica previamente una carga de tracción que induce una deformación entre el 1% y el 5%[3].

El titanio elemental de elevada pureza (high–purity Ti), con un contenido de oxigeno inferior al 0,05% en peso, presenta un límite elástico de 140 MPa, una resistencia a fractura de 235 MPa y una deformación que alcanza el 50%. Sin embargo, tal como se aprecia en la Figura 1.7, al aumentar el contenido de impurezas intersticiales, como el oxígeno, la resistencia aumenta significativamente.

Figura 1.7 – Efecto de los elementos intersticiales en la resistencia a tracción del titanio.

El titanio elemental, comercialmente conocido con la sigla CP (Commercially Pure), supone una porción importante del porcentaje total de titanio fabricado anualmente ya que su resistencia a corrosión en ambientes acuosos es mayor que la de sus aleaciones.

Esto permite el uso del titanio comercialmente puro en componentes como intercambiadores de calor, tanques o recipientes de reacción.

El titanio comercialmente puro siempre contiene trazas de otros elementos contaminantes debido a su gran afinidad por los gases atmosféricos. Como se puede apreciar en la Tabla 1.2, actualmente existen diferentes grados de titanio elemental, caracterizados por un contenido de oxigeno variable entre 0,18% y 0,40% (en peso) y un porcentaje de hierro de 0,20–0,50% (en peso), comúnmente empleados a nivel industrial en función de las propiedades requeridas para una particular aplicación.

Tabla 1.2 – Composición química, propiedades físicas y propiedades mecánicas de los grados de titanio elemental clasificados como comercialmente puros.

Convencionalmente, tal y como muestra la Figura 1.7, a mayor porcentaje de impurezas corresponde una mayor resistencia y un menor coste, pero también una menor ductilidad, resiliencia y resistencia a la corrosión. Cabe destacar que de todos los contaminantes, exclusivamente el oxígeno se añade con el fin de aumentar la resistencia a fractura mientras que los otros son impurezas que derivan del proceso de producción.

El titanio elemental denominado CP–Ti grado 1 es el más dúctil, lo que proporciona excelente confortabilidad en frio. Normalmente se procesa por embutición y suele ser empleado donde se precisa buena resistencia a corrosión y relativamente alta resistencia, como los recubrimientos de recipientes de reacción de acero.

El CP–Ti grado 2 es el más ampliamente utilizado a nivel industrial, gracias a su buena confortabilidad en frío, especialmente para fabricar componentes capaces de soportar cargas estáticas hasta temperaturas modestas, aproximadamente 250°C.

Las propiedades del CP–Ti grado 3 permiten producir contenedores a presión con espesor reducido en comparación al CP–Ti grado 1 o grado 2, siendo esta su aplicación principal, mientas que el CP–Ti grado 4 se emplea para la construcción de componentes de aviones gracias tanto a su resistencia frente a la corrosión (conductos y tuberías hidráulicas) como por su mayor resistencia (sistemas de cierres).

El titanio elemental, que está constituido exclusivamente por granos de la fase a, puede ser endurecido por diferentes vías: por solución sólida tanto intersticial (O, C y N) como de sustitución (Al, Sn y Zr), por disminución del tamaño de grano, por formación de textura o deformación plástica y por precipitación de la fase a2. Esto último consiste en la formación del intermetálico Ti3Al, equivalente a la estructura cristalina ordenada (DO19), y solo se puede formar cuando el contenido mínimo de aluminio equivalente (Aleq) es superior al 5,5 %.

El endurecimiento por disminución del tamaño de grano es uno de los métodos más efectivos para obtener diferentes niveles de resistencia en el titanio elemental, por ejemplo, se obtiene un aumento de la resistencia de aproximadamente 50 MPa por un aumento de 5 puntos de d-1/2 (mm-1/2) en la relación de Hall–Petch[49] .

Finalmente, la resistencia a corrosión del titanio elemental, especialmente la resistencia a corrosión bajo tensión, puede ser incrementada mediante el empleo de un pequeño porcentaje, normalmente entre el 0,05% y el 0,20% en peso, de elementos del grupo del platino (Pt) y, en particular, el paladio (Pd) y el rutenio (Ru)[50]. Esto ha dado origen a diferentes grados ASTM comerciales, como por ejemplo el grado 7 (Ti–0,2Pd), el grado 16 (Ti–0,05Pd) y el grado 26 (Ti–0,1Ru), hasta un total de diez materiales con varios niveles de resistencia a la corrosión y a distintos tipos de corrosión.

La mejora de la resistencia a corrosión se debe al hecho de que la presencia del Pd disminuye el tamaño de grano en la superficie oxidada favoreciendo la adherencia de la capa de óxido e inhibe la estratificación y el desprendimiento de la misma.

A pesar de todo, la mayor contribución se obtiene mediante la formación tanto de precipitados de Ti2Pd como de una fase de titanio ß rica en Ru dispersa que actúan como pequeños sitios catódicos de despolarización en la superficie del metal. Este fenómeno induce un desplazamiento del potencial de corrosión hacia la parte más positiva o más noble, aumentando la cinética de reducción de los iones H+ suprimiendo su evolución.

Como se ha mencionado anteriormente, el titanio puede ser clasificado como metal ligero pero se diferencia con respecto a los demás en cuatro aspectos fundamentales que transforman su metalurgia física al mismo tiempo en compleja e interesante:

El titanio presenta dos estructuras cristalinas: hexagonal compacta (α) estable a bajas temperaturas y cubica centrada en el cuerpo (β) a partir de 882°C hasta el punto de fusión (Figura 1.8). En principio, la presencia de esta transición alotrópica ofrece la posibilidad de obtener aleaciones compuestas por una microestructura solo de α, solo de β o mixta de α + β y, por lo tanto, la posibilidad de aprovechar diferentes tipos de tratamientos térmicos para modificar los constituyentes microestructurales y, consecuentemente, las propiedades proporcionadas. A nivel general, la fase α resiste principalmente a la deformación plástica, es menos dúctil y es más resistente a la fluencia en caliente, si bien las propiedades físicas y mecánicas son más anisótropas. Además, las velocidades de difusión de los diferentes elementos en la fase α son dos órdenes de magnitud inferiores a las de los mismos elementos en la fase β. Cabe destacar que a elevadas presiones el titanio puede formar una tercera fase con estructura hexagonal denominada ω muy frágil que puede causar problemas durante los tratamientos térmicos. Sin embargo, el control apropiado de la composición y la aplicación de tratamientos de recocido suprimen la formación de esta fase no deseada;

Figura 1.8 – Poliformismo del titanio: alfa (H.C.) y beta (B.C.C.).

El titanio es un metal de transición: su particular posición en la tabla periódica le confiere una estructura electrónica capaz de formar soluciones solidas con la mayoría de los elementos sustituciones que tienen un factor de tamaño de +/- 20%;

El titanio es un metal de transición: su particular posición en la tabla periódica le confiere una estructura electrónica capaz de formar soluciones solidas con la mayoría de los elementos sustituciones que tienen un factor de tamaño de +/- 20%;

_ El titanio y sus aleaciones reaccionan con diferentes elementos intersticiales: debido a su particular estructura electrónica el titanio se caracteriza también por una elevada afinidad por elementos como el oxígeno y el nitrógeno con un límite de solubilidad del 14,5% y del 20% en peso respectivamente. Estos valores resultan ser extremadamente altos si se comparan con los del acero para estos elementos intersticiales, que son del orden de partes por millón (ppm). Los elementos intersticiales más importantes y deletéreos para la ductilidad y la resiliencia son el oxígeno, el nitrógeno y el carbono. El aspecto más importante es que las reacciones con los elementos intersticiales pueden ocurrir a temperatura netamente inferiores a la de los respectivos puntos de fusión. En particular, cuando el titanio se encuentra en presencia de oxígeno a altas temperaturas no solo se pasiva sino que se forma una capa superficial endurecida comúnmente denominada “alpha–case” que suele ser eliminada mediante mecanizado o ataque químico;

El titanio puede formar soluciones sólidas y compuestos con otros elementos

mediante los tres tipos de enlaces primarios, es decir, metálico, covalente o iónico.

3. Aleaciones de Titanio.

El titanio es un metal relativamente ligero (densidad de 4.54 g/cm3), altamente reactivo y que presenta una transformación alotrópica de una estructura hexagonal densa a temperatura ambiente a una estructura c.c. (b) a 883°C. El titanio es un metal caro, precisamente por su elevada reactividad, debido a su dificultad de extracción y transformación. A elevadas temperaturas se combina fácilmente con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono y hierro, por lo que es necesario la aplicación de técnicas de vacío durante su conformado. No obstante su elevada reactividad, el óxido obtenido es muy estable, por lo que puede utilizarse el titanio y sus aleaciones, una vez pasivado, en aplicaciones de resistencia a la corrosión en ambientes agresivos como ambientes marinos y soluciones cloruradas. La resistencia del titanio es muy elevada, 684 MPa para el Ti de pureza 99.0%, por lo que tanto el Ti como sus aleaciones pueden competir favorablemente con las aleaciones de Al para algunas aplicaciones aerospaciales, a pesar de su mayor precio, alrededor de unas 5.7 veces superior. La adición de elementos de aleación modifica la temperatura de transformación alotrópica del titanio, pudiendo dividir las aleaciones en cuatro grupos diferentes tal como se muestra en la figura 13.27. La adición de estaño produce un endurecimiento por solución sólida sin afectar apreciablemente la temperatura de transformación, figura 13.27a. El aluminio, el oxígeno, el hidrógeno y otros elementos estabilizan la fase a, incrementando la temperatura a la cual a se transforma en b. Elementos como el vanadio, tántalo, molibdeno y niobio, estabilizan por el contrario la fase b, haciendo incluso que la fase b sea estable a temperatura ambiente. Finalmente, el manganeso, cromo y hierro, presentan diagramas con transformación eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual sucede la transformación a ® b, y produciendo la estructura bifásica, por la transformación eutectoide, a temperatura ambiente.

Diagrama de equilibrio de diferentes aleaciones de titanio con: a) estaño, b) aluminio, c) manganeso, y, d) molibdeno.

Es debido a esto, que el titanio y sus aleaciones se clasifican en cuatro grupos, cuyas propiedades mecánicas fundamentales se recogen en la tabla 13.12, y que pasamos a comentar a continuación:

Tabla Propiedades de algunas aleaciones de titanio.

Titanio comercialmente puro. Este metal es relativamente débil, perdiendo su resistencia a temperaturas elevadas, pero tiene una elevada resistencia a la corrosión. En la figura 13.28 se observa la evolución de las propiedades mecánicas, caracterizadas por el límite de elasticidad con la temperatura de ensayo. Las aplicaciones de estas aleaciones incluyen intercambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas, para las industrias química y petroquímica.

Figura Disminución del límite elástico de diferentes aleaciones de Ti con la temperatura.

Aleaciones de titanio alfa. Estas aleaciones contienen normalmente un 5% de aluminio y 2.5% de estaño, ambos elementos son estabilizadores de la fase a y endurecedores por solución sólida. Estas aleaciones tienen una resistencia a la corrosión y a la oxidación bastante elevada, manteniendo su resistencia a elevadas temperaturas, resultando con una soldabilidad conveniente y normalmente poseen aceptable ductilidad y conformabilidad a pesar de su estructura hexagonal. Las aleaciones alfa se tratan, mediante recocido, a elevadas temperaturas en la zona b, enfriándose posteriormente. Si el enfriamiento es rápido, resulta una estructura a de grano acicular fino, en tanto que un enfriamiento lento, en horno, proporciona una estructura de placas tipo Widmanstaetten, figura.

a)

b)

Figura. a) Tratamiento térmico, y, b) microestructura de Ti a enfriado rápidamente. Estructura Widmastaetten de fase a.

Aleaciones de titanio beta. Aunque elevadas adiciones de vanadio o de molibdeno producen una estructura enteramente b a temperatura ambiente, ninguna de las aleaciones beta están aleadas hasta ese extremo. En lugar de esto, se combinan los estabilizadores, b, de modo que el enfriamiento rápido produce una estructura b metaestable. Estas aleaciones, por lo tanto, pueden ser tratadas térmicamente, respondiendo a procesos de endurecimiento por precipitación con los que se consigue aumentar la resistencia. Sus aplicaciones incluyen remaches de alta resistencia, vigas y otros elementos estructurales para uso aerospacial.

Aleaciones de Ti a + b. Las aleaciones a + b pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación se solubiliza cerca de la temperatura de transformación en fase b, figura 13.30, lo que permite que todavía quede cierta cantidad de fase a para evitar el crecimiento de grano. Después, la aleación se enfría rápidamente para formar una solución sólida sobresaturada metaestable b' o martensita de titanio a'. Posteriormente, la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C. Durante el envejecimiento, las fases a y b anteriores al enfriamiento, y los precipitados de las fases b' o a', aumentan considerablemente la resistencia de la aleación.

a)

b)

Figura. a) Esquema de los tratamientos térmicos de las aleaciones a + b. b) Microestructura conteniendo fase a primaria y una matriz b oscura con agujas de a'

formadas durante el envejecimiento.

Normalmente, la martensita de titanio se forma en las aleaciones a + b con menor contenido en elementos de aleación, mientras que la fase b sobresaturada se forma con mayor facilidad cuando el contenido de elementos de aleación se acerca a la composición de la fase b estable. La martensita de titanio tiene el aspecto típico acicular. Durante el envejecimiento, la fase a precipita en una estructura Widmanstatten que mejora las propiedades resistentes manteniendo la tenacidad elevada. Los componentes para estructuras aeroespaciales, motores a reacción y trenes de aterrizaje son algunas aplicaciones típicas de estas aleaciones a + b tratadas térmicamente. La aleación Ti6Al4V es la más utilizada en la industria tanto aeronáutica, como en la industria de prótesis quirúrgicas, ya que combina elevadas resistencias mecánicas y a corrosión, junto a propiedades de superplasticidad a deformaciones lentas y posibilidad de soldadura por difusión que amplía sus aplicaciones.

Efectos de los elementos de aleación:

El principal efecto de los elementos de aleación en las aleaciones de titanio, es la modificación de la temperatura de transformación. De esta manera, los elementos de aleación se clasifican en:

α –estabilizadores, que elevan la temperatura de transformación, y

β –estabilizadores que hacen que descienda.

A continuación se muestra una tabla resumen de algunos de los elementos de aleación del titanio en porcentaje y el efecto que provocan en el metal.

TABLA 2: Estabilizadores en las aleaciones de titanio.

- α –estabilizadores:

Son los elementos de aleación que elevan la temperatu ra de transformación de fases. El aluminio es el principal α –estabilizador. El aluminio tiene una gran solubilidad en el titanio y provoca el aumento de la resistencia de la fase α. El resultado de esto es un ligero aumento de la resistencia a temperatura ambiente, pero que se mantiene a temperatura elevada.

Estas aleaciones no son endurecibles mediante tratamientos térmicos y son utilizadas normalmente en estado de recocido, con el fin de eliminar las tensiones residuales originadas por su uso. De este modo, la principal variable de estas aleaciones es el tamaño de grano.

Entre las propiedades más destacables de las aleaciones α se debe señalar una resistencia a tracción a temperatura ambiente entre 540 y 930 MPa, una resistencia mecánica aceptable a altas temperaturas, buen comportamiento frente a fluencia, buena estabilidad térmica hasta temperaturas de alrededor los 550 ºC y una facilidad para la soldadura satisfactorias.

Otros elementos α –estabilizadores son el oxígeno, el estaño, el galio ó el germanio. El nitrógeno o el carbono son también α -estabilizadores pero no suelen ser añadidos intencionadamente.

- β –estabilizadores:

El manganeso, cromo, hierro, molibdeno o niobio hacen que descienda la temperatura de transformación de α a β, y dependiendo de la cantidad añadida pueden ocasionar la retención de algo de fase β a temperatura ambiente.

Las propiedades óptimas de las aleaciones β no se consiguen cuando su estructura esta formada por fase β exclusivamente, sino que éstas se alcanzan al realizar un tratamiento de envejecimiento que provoca la precipitación de finas partículas de α dentro de los granos β.

También se caracterizan por una elevada ductilidad en el trabajo en frío, lo que las hace susceptibles de ser conformadas en frío en estado de recocido. Además se pueden tratar térmicamente tras el conformado para elevar su resistencia.

Otros elementos como el circonio no tienen ningún efecto en la temperatura de transformación pero tienen otros efectos en el metal. El circonio incrementa la resistencia a temperaturas bajas y moderadas. Su uso en proporciones del 5 o 6 % pueden reducir la ductilidad y la resistencia a fluencia.

Las fases comentadas anteriormente además proporcionan una forma conveniente para la clasificación de los productos. De esta forma, basándonos en la presencia de estas fases, hablamos de las aleaciones de titanio como aleaciones α , β , ó α + β .

Se muestra a continuación un resumen de las propiedades de las aleaciones dependiendo del tipo de éstas:

TABLA 3: Diagrama cualitativo de las aleaciones de titanio en función de sus estabilizadores.

Normativa de clasificación de las aleaciones de titanio.

Una vez conocidas los principales aleantes (estabilizadores), pasamos a describir cómo organizan las diferentes normativas a estas aleaciones.

Norma UNE 38-700-81: Titanio y aleaciones de titanio para forja.

Esta norma tiene por objeto establecer los criterios generales que afectan al titanio y sus aleaciones para forja, así como las formas que se ocupan de los mismos. De acuerdo con la norma más general UNE 38-001, dichas aleaciones constituyen la Serie L-7XXX, que se

clasifica en grupos atendiendo al tipo de estructura de las aleaciones. De esta forma se tienen 5 grupos:

TABLA 4: Principales grupos de aleaciones de titanio en la norma UNE.

La designación de las aleaciones consideradas dentro de cada grupo son las siguientes, acompañadas por el número de norma UNE específica correspondiente a cada una. Tanto la designación numérica como la simbólica deber ser complementada añadiéndole la norma que define la aleación correspondiente.

TABLA 5: Desglose de las aleaciones de titanio en la norma UNE.

Norma ASTM

Dentro de la normativ a ASTM hay dos normas que recogen lo referente al titanio y sus aleaciones. Dichas normas son la: B 381-05 y la B 367-05.

- B 381-05. Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Forgings. (Titanio y aleaciones de Titanio para forja)

Esta norma recoge las especificaciones para los siguientes grados de titanio y aleaciones parar forja:

TABLA 6: Grados en que se dividen las aleaciones de titanio para forja en la norma ASTM.

B 367-05. Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Casting. (Titanio y aleaciones de Titanio para colada)

Esta norma incluye la información correspondiente al titanio y sus aleaciones para colada, diseñadas para aplicaciones industriales, designadas según los siguientes grados:

TABLA 7: Grados en que se dividen las aleaciones de titanio para colada en la norma ASTM.

Así, con este pequeño resumen, esperamos haber despejado algunas dudas básicas sobre aleaciones de titanio y su normativa de clasificación y registro.

4. Usos del titanio

Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie, lo que lo hace mucho más resistente a la corrosión).

Industria de procesos químicos: Determinadas aleaciones de titanio se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las emisiones de dióxido de azufre de las centrales térmicas de carbón. Estas aplicaciones son posibles gracias a la gran resistencia del titanio ante los agentes corrosivos

tales como el agua salada, las soluciones de clorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.

Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.

Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la construcción de los portaaviones, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.

Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales . El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas.

Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.

Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.

Joyería y bisutería: Cada vez se está utilizando más el titanio como metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.

Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.

Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios.

EL ZIRCONIO Y SUS ALEACIONES

1. EL ZIRCONIO

El Zirconio (del árabe “zargun”, que significa “color dorado”) fue descubierto en 1789 por Martin Klaproth a partir del zircón (ZrSiO4). En 1824 Jons Jakov Berzelius lo aisló en estado impuro y hasta 1914 no se preparó el metal puro.

Es uno de los elementos más abundantes y está ampliamente distribuido en la corteza terrestre. Pertenece a los metales de transición en el grupo IV de la tabla periódica. Es muy reactivo químicamente y sólo se halla combinado. En la mayor parte de las reacciones se enlaza con el oxígeno en preferencia sobre otros elementos; encontrándose en la naturaleza principalmente en los minerales zircón y la badeleyita (ZrO2). Desde el punto de vista comercial el zircón es el más importante.

2. PROPIEDADES

Es un metal lustroso, plateado, duro, similar al acero. Se ha comprobado que el metal no es reactivo a temperatura ambiente, porque se forma una capa de óxido invisible en la superficie. A temperaturas elevadas es muy reactivo con elementos no metálicos y muchos de los elementos metálicos, y forma compuestos sólidos y en solución. No presenta toxicidad en el manejo. Es un metal resistente a la corrosión frente a los ácidos, álcalis y al agua del mar.

Es especialmente aconsejable en los reactores nucleares, debido a su baja sección eficaz de absorción de neutrones, su excelente resistencia a la corrosión a temperaturas moderadamente altas, su resistencia mecánica, su ductilidad y su facilidad de fabricación.

El zirconio se utiliza ampliamente en la industria química que usa agentes corrosivos. Asimismo debido a sus excelentes propiedades a temperaturas elevadas junto con su baja absorción de neutrones, se utiliza en la construcción de reactores nucleares. El metal puro también se utiliza como revestimiento de los motores a reacción. Las aleaciones a base de zirconio tienen mejores propiedades mecánicas.

El óxido de zirconio, zirconia (ZrO2), se utiliza para dar opacidad a los esmaltes vidriosos y como pigmento. Sin embargo sus aplicaciones principales utilizan su excelente resistencia y sus propiedades a temperaturas elevadas y se emplea en la fabricación de crisoles de fundición, ladrillos y abrasivos. Su resistencia es suficiente para poder ser utilizado en la fabricación de cuchillas de precisión.

Los principales valores de sus propiedades se presentan en la siguiente tabla:

Figura 1. Propiedades del Zirconio

3. ESTRUCTURA ATÓMICA

El zirconio es un metal cuya estructura pertenece al grupo de los materiales hexagonales compactos (hcp). La forma de la red es un prisma hexagonal [Partridge67]. En este tipo de materiales, a diferencia de los cúbicos, la red es anisótropa y se definen dos parámetros de red diferentes: c0 y a0 cuyos valores se presentan en la tabla 1.2. Los ejes del cristal son el eje c perpendicular al hexágono que forma la base del prisma y tres ejes situados en el plano que forma la base del prisma y que se denomina plano basal a1, a2 y a3 (ver figura 1.9). Los ángulos

entre los ejes del plano basal son de α=120º y β=90º con el eje perpendicular al plano basal (eje c). Para definir planos y ejes en un material hexagonal compacto se utilizan cuatro coordenadas en lugar de tres como ocurre en los materiales cúbicos: (a1, a2, a3, c) donde a3 =-(a1 + a2).

La secuencia de apilamiento es de tipo ABABAB y presenta un empaquetamiento máximo de 0.74.

Los átomos del cristal se sitúan en puntos directos de la red de forma hexagonal. En una red cada uno de sus puntos tiene vecinos idénticos y las localizaciones de estos puntos se pueden describir por una celda primitiva en la cual los puntos de la red están situados en las esquinas. El número de coordinación (primeros vecinos) en una red hexagonal es 12, las coordenadas de las posiciones de los doce vecinos se presentan en la figura 1.10; el hexágono superior de la figura presenta un plano A, y el hexágono inferior presenta un plano B que puede ser tanto el plano superior (en +c0/2 en el eje z), como el inferior (en -c0/2 en el eje z) a A. La celda primitiva consta de dos átomos marcados como 1 y 2 en la figura. La razón entre los dos parámetros es de 1.595, un valor inferior al ideal de 1.633, por lo tanto los tres átomos situados encima del plano basal y los tres de abajo están a distancias más cortas de los que están en el plano basal; esto da una mayor facilidad de crecimiento en el eje c.

En un material hexagonal compacto existen tres direcciones importantes correspondientes a la intersección de los planos: <0001>, <101َ0>, <112َ0> que serán nuestros ejes z, y, x respectivamente. Los planos basales son los planos perpendiculares al eje c, los planos prismáticos de orden I son las caras del prisma hexagonal {101َ0}, los planos prismáticos de orden II {12َ10} y los planos piramidales {hkin} con n≠0.

En la figura 2 se observan estas direcciones y planos principales del cristal.

Figura 2. Ejes y planos principales en un cristal hexagonal compacto.

Figura 3. Celda primitiva formada por dos átomos 1 y 2.

4. ALEACIONES DEL ZIRCONIO.

4.1. Aleaciones en General

Las aleaciones de circonio poseen 95.5% a 99.2% de circonio con un máximo contenido de hafnio del 4.5%. Presentan una excelente resistencia a la corrosión. Excelentes para tubos sin costura.

Zr 702 es comercialmente circonio puro y Zr 705 es circonio aleado con niobio para incrementar la resistencia a la tracción y su conformación.

Características

Alta eficiencia en la transferencia de calor.

Muy baja expansión térmica.

Alta resistencia a erosión bajo tensiones.

Alta resistencia a las formaciones localizadas de corrosión (pitting y crevice)

Muy buena resistencia en la mayoría de ácidos orgánicos.

Excepcional resistencia a la corrosión en ácidos minerales.

Buena resistencia a la corrosión en medios intensamente alcalinos.

Baja absorción térmica de neutrones

4.2. Aleaciones Zircaloy

Aleaciones de Zirconio para aplicaciones en fisión nuclear: Cuando el zirconio no está en forma de aleación, tiene una corrosión y una resistencia a la oxidación en un ambiente de agua y vapor a alta temperatura inconsistente. Este comportamiento se atribuye a la presencia de impurezas menores como nitrógeno y carbono.

El Zircaloy es una aleación de zirconio con trazas de estaño, hierro, cromo y níquel utilizada normalmente en las vainas de combustible de reactores nucleares debido a la combinación de propiedades tales como resistencia y ductilidad a las temperaturas que operan los reactores, excelentes propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión a altas temperaturas en un medio acuoso, su baja sección eficaz de absorción de neutrones y su buena compatibilidad con materiales combustibles. El estaño es el elemento más importante ya que ayuda a un comportamiento más predecible de la aleación en agua y vapor. También mejora las propiedades mecánicas como la fuerza y la resistencia. Debido a la necesidad de aumentar la resistencia a la corrosión para temperaturas y quemado superiores, se han creado para reactores de nueva generación; una serie de nuevas aleaciones de zirconio basadas en el niobio [Jeong03].

Tipos de aleaciones de zirconio [Canay99], [Sváb04], [Khatamian99]:

Zircaloy-1: (2.5% de estaño) fue la aleación inicial. Sin embargo presenta un aumento en la tasa de corrosión y oxidación en función del tiempo. Se descubrió que los efectos beneficiosos del estaño no son plenamente satisfactorios a menos que estén presentes pequeñas variaciones de hierro, cromo y níquel.

Zircaloy-2: (1.20 a 1.70% de estaño, 0.07-0.2 de hierro, 0.05-0.15% de cromo y 0.03-0.08% de níquel) fue desarrollado y especificado para el reactor Nautilus. Se necesita controlar el contenido de estaño ya que es beneficioso a tiempos cortos pero no a tiempos largos. Se utilizó como tubos de calandria para el reactor actual CANDU. Ahora se utiliza el Zr-2.5%Nb.

Zircaloy-4: (1.5 % de estaño, 0.21 de hierro, 0.1 de cromo). Es el más utilizado actualmente en reactores de agua ligera.

Zr-1%Nb: Utilizado en reactores VVR-SM (VVER- Versión rusa de los PWR).

Zr-2.5%Nb: para reactores de agua ligera de nueva generación (alto quemado). Utilizado en reactores de tipo PHWR (Pressure Heavy Water Reactor, Reactor de agua pesada a presión), CANDU (Canadian Beuterium Uranium Reactor) y reactores rusos RBMK. También se están probando actualmente para reactores americanos y de Europa occidental.

ZIRLO: (1% niobio, 1% estaño, 0.1% hierro). Creado y patentado por Westinghouse; es el sucesor del Zircaloy-4 para los reactores de alto quemado Westinghouse, por ser más resistente a los efectos corrosivos del Litio.

M5: (1%niobio-0xígeno)

NDA: (Zr–0.1Nb–1.0Sn–0.27Fe–0.16Cr)

De forma general, las aleaciones basadas en el Niobio son las más actuales y están siendo investigadas actualmente como sustitutos para el Zircaloy-4.

4.3. Aleaciones ZALIUM

El Zalium es una aleación de zirconio y Aluminio utilizada en ingeniería aeronáutica en herramientas quirúrgicas, posee propiedades hipoalergénicas y muy resistente a la corrosión. Es conocido por su acabado en gris metálico brillante.

4.4. Zr y sus Aleaciones en Reactores Nucleares

El zirconio y sus aleaciones se han utilizado ampliamente en la industria química y nuclear debido a la baja sección eficaz de absorción de neutrones y sus excelentes propiedades mecánicas y de corrosión. Algunas aleaciones de zirconio se utilizan en la actualidad para reactores de fisión de agua ligera (reactores de agua a presión o reactores de agua en ebullición) como Zircaloy-2 o Zircaloy-4. Los reactores avanzados están comenzando a probar y utilizar nuevas aleaciones que contienen niobio (Zr-1%Nb, zr-2.5%Nb, ZIRLO) por razones mayor resistencia de alta temperatura y alto quemado.

Los conocimientos básicos de los fenómenos en el propio metal α-Zirconio son muy escasos y se basan sobre todo en las experiencias macroscópicas y pocas en el carácter microscópico [Fleck88], [Griffiths95] de manera que, a diferencia de otros metales, en el zirconio no se ha dado un estudio completo a escala conjunta atomística y microscópica.

El Zirconio y sus aleaciones en los reactores nucleares

Aplicaciones:

El zirconio metálico se utiliza casi exclusivamente (en torno a un 90%) para el revestimiento de los elementos combustibles de uranio en las plantas nucleares (vainas, tubos de presión, tubos de calandria, rejillas) debido a su baja sección eficaz de absorción de neutrones. El zirconio, sólo o aleado con estaño (Zircaloy) o niobio, se utiliza también en la fabricación de vainas para cartuchos de combustibles nucleares o de estructuras metálicas para las instalaciones nucleares.

Las aleaciones con plutonio y uranio se utilizan como combustible nuclear. Para usos nucleares, el zirconio debe purificarse previamente hasta que sólo contenga cantidades muy bajas de hafnio.

Otras aplicaciones:

El mayor empleo corresponde a la industria cerámica: refractarios, vidriados, barnizados, moldes fundidos y arenas abrasivas, componentes de cerámica eléctrica debido a que soporta cambios bruscos de temperatura. La incorporación del óxido de zirconio al vidrio incrementa significativamente su resistencia a los álcalis.

Se utiliza como aditivo en aceros obteniéndose materiales muy resistentes. Forma parte de aleaciones por su alta resistencia a la corrosión.

Es bien tolerado por los tejidos humanos, por lo que puede emplearse en articulaciones artificiales.

Intercambiadores de calor, tubos de vacío y filamentos de bombillas.

Aleado con niobio presenta superconductividad a bajas temperaturas, por lo que se puede emplear para hacer imanes superconductores. La aleación de zinc es magnética por debajo de los 35K.

El óxido de zirconio se utiliza en joyería; es una gema artificial denominada circonita que imita al diamante.

Flash fotográfico

EL TANTALIO Y SUS ALEACIONES

1. INTRODUCCIÓN

Los metales pesados niobio (Nb) y tántalo (Ta) constituyen, junto con el más ligero vanadio, el Grupo 5 del Sistema Periódico de elementos químicos. Como otras parejas de elementos pesados de transición, tienen tamaños atómicos semejantes (radios atómicos: Nb = 146 pm, Ta = 146 Å), lo que es una consecuencia de la denominada contracción de los lantanoides y de efectos relativistas. La primera es motivada por el incompleto apantallamiento de los electrones 4f a lo largo de la serie de elementos lantanoides, desde lantano a lutecio, que no compensa bien el aumento de la carga nuclear y, en consecuencia, se va produciendo una paulatina disminución del radio atómico, de tal forma que los elementos siguientes, hafnio y tántalo, tienen radios atómicos menores que los previsibles para el periodo en el que se encuentran. Estudios teóricos recientes indican que hay, además, un efecto superpuesto, derivado del aumento de la masa relativista de los electrones más exteriores (6s) del tántalo. Estos electrones se encuentran en estados cuánticos de simetría esférica muy alejados del núcleo y con una velocidad que se acerca a la velocidad de la luz, produciéndose un aumento de masa relativista. Dado que el momento angular está cuantizado, el momento lineal (cantidad de movimiento, mv) y el radio son inversamente proporcionales, debiéndose producir una disminución del radio orbital, es decir, una contracción del tamaño del átomo de tántalo (Housecroft y Sharpe, 2005).

La consecuencia práctica de los tamaños atómicos semejantes de niobio y tántalo es que sus comportamientos químicos son muy parecidos. Ambos se encuentran juntos en los mismos minerales y presentan grandes problemas de separación a la industria química. Precisamente los nombres asignados a los dos metales hacen referencia a este gran parecido químico: en la mitología griega, Niobe es la hija de Tántalo (Marañón, 2007). Sin embargo, dada la importancia tecnológica actual del tántalo como constituyente esencial de ciertos dispositivos electrónicos (especialmente condensadores de tántalo), la industria química ha tenido que poner a punto complejos métodos de separación de niobio y tántalo, así como de obtención de ambos metales. Puede decirse, sin lugar a dudas, que los modernos métodos de separación deben su eficacia a los problemas de separación de estos metales (y de otros parecidos, como circonio y hafnio o los elementos lantanoides).

2. MATERIA PRIMA: EL COLTÁN

Debido a las analogías químicas indicadas en el epígrafe anterior, niobio y tántalo se encuentran juntos en la naturaleza al estado de niobato-tantalato de hierro y manganeso, (Fe, Mn) (Nb, Ta)2O6, en un mineral que recibe el nombre de columbita-tantalita (columbio es el primer nombre que se le asignó al niobio). Coltán es la forma abreviada de columbita-tantalita y es el nombre que se utiliza en el África Central, donde hay grandes reservas de este mineral. Otras fuentes de tántalo son las escorias resultantes de la fundición del estaño, que contienen cantidades considerables del elemento. La minería de depósitos pegmatíticos, bien sea en canteras a cielo abierto (Australia) o en depósitos subterráneos (Canadá), se realiza por los métodos convencionales de voladura y trituración, y las menas suelen concentrarse principalmente por gravedad. Las escorias resultantes de la metalurgia del estaño (Tailandia, Malasia y Brasil) pueden contener hasta un 15% de Ta2O5, y se concentran pirometalúrgicamente. En una primera etapa, las escorias se mezclan con aditivos tales como Fe2O3 y CaO, y se llevan a un horno de arco eléctrico que se va alimentando con coque, consiguiéndose la reducción de los óxidos de tántalo, niobio, tungsteno y titanio. Se obtiene así una ferroaleación con alto

contenido de carbono que se separa de la escoria por métodos convencionales. A continuación, se oxida la aleación mediante adiciones de Fe2O3 o por tostación. Finalmente, el producto oxidado se reduce en un horno de arco eléctrico, en condiciones muy estrictas, con lo que se forma una aleación de elementos, excepto niobio y tántalo, que forman una escoria concentrada de los óxidos Nb2O5 y Ta2O5.

Figura 1: Barro de Coltan.

Aunque los teléfonos móviles emplean cantidades ínfimas de tántalo (los fabricantes no ofrecen datos precisos), utilizan el 50 % de la extracción mundial.

3. EXTRACCION Y SEPARACION DE NIOBIO YTANTALO.

La separación industrial de niobio y tántalo se consiguió aplicando métodos de cristalización fraccionada de los haptafluorometalatos de potasio (proceso Marignac) o por descomposición de la mena por fusión caustica (proceso Fansteel). Estos métodos se consideran históricos y, actualmente, han sido reemplazados por otros menos costosos. Un método actual utiliza como punto de partida una ferroaleación de niobio y tántalo, que se mezcla con cloruro sódico y se añade a un fundido de NaCl-FeCl3. Cuando se pasa cloro a través del fundido se va formando NaFeCl4, que es el verdadero agente de cloración. Los pentacloruros de niobio y tántalo obtenidos se separan en una columna de destilación. Por este procedimiento se obtiene TaCl5 a escala de toneladas y con un alto grado de pureza (Tripp et al., 1997). Sin embargo, los métodos de separación preferidos en la actualidad hacen uso de la extracción con disolventes, técnica que fue desarrollada inicialmente en Estados Unidos (Higbie y Werning , 1956). En la Fig. 2 se da un esquema simplificado del proceso. El coltán natural, o el sintéticamente producido como concentrado procedente de las escorias de la metalurgia del estaño, se trata con ácidos fluorhídrico y sulfúrico a elevadas temperaturas. De esta forma se obtiene un residuo insoluble, que se elimina por filtración, y una disolución que contiene los fluorocomplejos H2TaF7, H2NbF7 y H2NbOF5, junto con otros elementos (por ejemplo, Fe, Ti y Mg). La disolución acuosa de Ta/Nb en ácido fluorhídrico se somete a un proceso de extracción continua con un disolvente orgánico, que suele ser la metilisobutilcetona (MeiBuCO). De esta forma, los fluorocomplejos de tántalo y niobio se extraen en la fase orgánica y la mayoría de las impurezas quedan en la fase acuosa. A continuación, se trata la fase orgánica con ácido sulfúrico 6 – 15 N y se extrae con agua o sulfúrico diluido el fluorocomplejo de niobio y el ácido fluorhídrico libre, quedando en la fase orgánica disuelto el fluorotantalato. Todavía se puede recuperar más fluorotantalato añadiendo pequeñas cantidades de MeiBuCO a la fase acuosa. Finalmente, la sal de tántalo se extrae de la fase orgánica con agua o disolución acuosa diluida de fluoruro amónico. El rendimiento del proceso puede superar el 95% y puede conseguirse una sal de tántalo con una pureza del 99,9% mediante sofisticados métodos de optimización y control del proceso. Aunque en la literatura científica se han citado otros medios de extracción, en la industria solamente se han utilizado la ya citada metilisobutilcetona, el fosfato de tributilo (Bu3PO4) y el óxido de tri-n-octilfosfina [(n-C8H17)3PO].

Figura 2. Extracción y separación de tántalo y niobio con metilisobutilcetona (MeiBuCO).

4. OBTENCION DE TANTALO METALICO.

Los únicos métodos de preparación de tántalo metálico de importancia comercial son la reducción electroquímica del óxido de tántalo (Ta2O5) y la reducción química del K2TaF7 con sodio. Sin embargo, el tántalo producido por el primer método no tenía la calidad suficiente para su principal aplicación a partir de la década de los noventa.

Figura 3. Esquema del horno eléctrico utilizado en la fabricación de tántalo metálico. Casi todo el tántalo producido en la actualidad se basa en la reducción de K2TaF7 con sodio metálico. A escala comercial, el método fue primero utilizado por Siemens & Halske AG, Berlin, a principios del siglo veinte. Desde entonces, y debido a la gran demanda de tántalo en polvo de alta calidad para los condensadores, el método se ha ido mejorando

paulatinamente hasta la puesta a punto del reactor representado esquemáticamente en la Fig. 3. El reactor suele tener 1 m de diámetro y está cubierto con una tapa provista con un agitador. El reactor con su carga (K2TaF7 junto con alguna sal diluyente, como puede ser KF) se introduce en un horno eléctrico y se calienta a una temperatura suficiente para conseguir la fusión de las sales (generalmente, por debajo de 1000ºC), y, a continuación, se inyecta sodio metálico fundido en la retorta. Es imprescindible un fino control de las variables que afectan al proceso (temperatura de reducción, tipo y concentración de diluyente, velocidad de adición del sodio y eficiencia de la agitación), porque la calidad del producto final depende de ellas. Por ejemplo, una temperatura de reducción elevada favorece la calidad química del tántalo, pero disminuye el área superficial del polvo de tántanlo. La masa de reacción se enfría y se extrae de la retorta, se tritura y se lixivia, primero con un ácido mineral diluido y después con agua, para separar el polvo de tántalo de otras sales. Tras someterlo a un proceso de secado y clasificación, este polvo metálico primario ya está listo para procesarlo y convertirlo en láminas, varillas, alambres o polvo de calidad para los condensadores.

5. ALEACIONES Y COMPUESTOS:

El tantalio forma aleaciones con un gran número de metales. Tiene una importancia especial el ferrotantalio, el cual se agrega a los aceros austeníticos con el fin de reducir la corrosión intergranular.

El metal es bastante inerte al ataque con ácidos, excepto al ácido fluorhídrico. Se oxida con mucha lentitud en soluciones alcalinas. Los halógenos (halogenuros) y el oxígeno reaccionan con él en caliente, para formar haluros y óxido correspondientes, con estado de oxidación V. A temperatura elevada absorbe hidrógeno y se combina con el nitrógeno, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el silicio, el carbono y el boro. El tantalio forma también compuestos por reacción directa con el azufre, el selenio y el telurio, a temperaturas elevadas.

El tantalio también se utiliza para producir una variedad de aleaciones que tendrán puntos de fusión elevados, fuertes y de buena ductilidad. Aleado con otros metales, también se utiliza en la fabricación de las herramientas de carburo para el equipo metalúrgico y en la producción de superaleaciones para los elementos de motores de jet, equipos de procesos químicos, reactores nucleares y piezas de misiles.

El tantalio es aleado para mejorar sus propiedades mecánicas. Un bajo % de aleación no perturba su propiedad de alta resistencia a la corrosión. Son importantes las aleaciones con 2.5% de W y 10% de W. También es aleado con Cb(niobio) y Hf (aleaciones aero-espaciales T-111, T-222, Astar 811C).

Aleación Titanio Tantalio:

Conocidas como aleaciones beta del titanio junto con el vanadio y el niobio estabilizan la fase beta del titanio, estas aleaciones se endurecen por hipertemple y envejecimiento calentado a 450 y 650 °C así la fase alfa aparece fina y homogéneamente distribuida en una matriz beta retenida de ese modo se consiguen valores de resistencia a la tracción superiores a los de las aleaciones alfa.

Estas aleaciones tienen en la condición de hipertempladas buena ductilidad y tenacidad bajo límite elástico y hechurabilidad (maquinable) incluso a temperatura ambiente.

Aleación Tantalio Molibdeno

En realidad se emplean en conjunto como microalenates del acero para mejorar sus propiedades, resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción.

Aleación Tantalio Niobio

El Niobio se encuentra casi siempre junto con el tantalio se emplean también como microaleantes del acero para alcanzar una amplia gama de la fuerza y elasticidad, y es menos denso de los metales refractarios. Puede también ser usados en condensadores electrolíticos y en aleaciones superconductoras.

Aleación Tantalio al 2,5% de Tungsteno

Conocido también como NRC® 76 posee mayor resistencia mecánica que el Tantalio puro sin afectar sensiblemente la resistencia a la corrosión.

Compuestos:

Científicos del laboratorio nacional de Los Álamos han desarrollado un carburo - material compuesto de tantalio y grafito que es uno de los materiales más duros sintetizados nunca. Investigadores coreanos han desarrollado una aleación amorfa del tantalio-tungsteno-cobre que es una de las aleaciones de acero más fuerte que las tradicionales, más flexibles.

6. APLICACIONES DEL TANTALO

En la Tabla 1 se dan algunas propiedades físicas del tántalo metálico. Es un metal denso con una temperatura de fusión muy alta (de hecho, su primer uso comercial fue como filamento en las lámparas de incandescencia, aunque pronto fue reemplazado por el wolframio) y buen conductor de la electricidad. Pero sus principales aplicaciones derivan de su excelente resistencia a la corrosión química, debido a que se recubre de una capa adherente de óxido (Ta2O5) que actúa de protectora de la superficie metálica. Por debajo de 200 ºC no es atacado por los ácidos minerales ni por el agua regia, y es también inerte a la mayoría de los compuestos orgánicos. Solamente el ácido fluorhídrico o disoluciones ácidas que contengan fluoruro pueden destruir la capa protectora del óxido con la consiguiente corrosión del metal. El nombre de tántalo hace referencia precisamente a esta inercia química a los líquidos corrosivos. Su descubridor, A G Ekeberg, escribió en 1802: “This metal I call tantalum . . . partly in allusion to its incapacity, when immersed in acid, to absorb any and be saturated” (Greenwood y Earnshaw, 1984).

Según la mitología griega, los dioses honraron a Tántalo más que a ningún otro mortal. Comía a su mesa en el Olimpo, y en una ocasión fueron a cenar a su palacio. Para probar su omnisciencia, Tántalo mató a su único hijo, Pélope, lo coció en un caldero y lo sirvió en el banquete. Los dioses se dieron cuenta de la naturaleza del alimento y no lo probaron. Devolvieron la vida a Pélope y decidieron un castigo terrible para Tántalo. En lo que actualmente es un ejemplo proverbial de tentación sin satisfacción, su castigo consistió en estar en un lago con el agua a la altura de la barbilla, bajo un árbol de ramas bajas repletas de frutas. Cada vez que Tántalo, desesperado por el hambre o la sed, intenta tomar una fruta o sorber algo de agua, éstos se retiran inmediatamente de su alcance. Por las razones expuestas, el tántalo se utiliza en la industria química para la fabricación de recipientes de reacción e intercambiadores de calor en ambientes corrosivos. Se utiliza, asimismo, con fines biomédicos: en suturas, tornillos para los huesos, alambres para cartílagos, mallas para la reconstrucción de la pared abdominal en operaciones de hernias, implantes dentales, etc. En estas aplicaciones, además de la inercia química del metal, juega un papel importante su biocompatibilidad. En la década de los noventa se produce un aumento espectacular de la demanda de tántalo. Casi el 80 por ciento de la producción mundial está orientada a la manufactura de condensadores sólidos de tántalo para su utilización en dispositivos electrónicos.

OTROS USOS/APLICACIONES

Estas aleaciones y compuestos son empleadas principalmente en:

Industria de Procesos Químicos

Serpentines de refrigeración o calentamiento, calefactores de bayoneta, intercambiadores de calor, condensadores, válvulas, bombas, juntas de expansión, equipo para fabricación de vidrio, cubiertas para termocuplas, embudos.

Hornos

Calefactores, pantallas, botes, bandejas, fijaciones.

Equipo para fabricación

Matriz para extrusión, moldes para fundición, puntas para perforar, tazas, equipo para electroplateado.

Industria electrónica

Circuitos, capacitores, rectificadores, cargadores de batería, tubos electrónicos

Medicina

Prótesis, equipo quirúrgico* Herramientas de corteComo carburo de tantalio de altísima dureza

MÁS APLICACIONES:

El metal tantalio se emplea en la fabricación de capacitores para equipo electrónico, los cuales incluyen radios de banda civil, detectores de humo, marcapasos cardiacos y automóviles.

Se utiliza casi exclusivamente en la fabricación de condensadores electrolíticos de tantalio, por tanto, un componente esencial de los dispositivos electrónicos muy compactos: teléfonos móviles, GPS, satélites artificiales, armas teledirigidas, televisores de plasma, videoconsolas, ordenadores portátiles, PDAs, MP3, MP4, etc.

Se utiliza también en las superficies para transferencia de calor del equipo de producción en la industria química, en especial cuando se tienen condiciones extraordinarias corrosivas. Su inercia química ha hecho que se le hayan encontrado aplicaciones dentales y quirúrgicas.

Debido a su ductilidad, se pueden producir alambres o filamentos finos que se utilizan para evaporar metales tales como aluminio.

Debido al hecho que resiste ataque por fluídos corporales y es non –irritating (no irritante), el tantalio es ampliamente utilizado en la fabricación de instrumentos quirúrgicos y de implantes. Por ejemplo, las capas porosas del tantalio se utilizan en la construcción de implantes ortopédicos debido a la capacidad del tantalio de formar un enlace directo al tejido duro. El óxido se utiliza para hacer vidrios especiales de alto índice de refracción para lentes de cámaras.

Tiene una importancia especial el ferrotantalio, el cual se agrega a los aceros austeníticos con el fin de reducir la corrosión intergranular.

El Tantalio se emplea en la fabricación de condensadores para equipos electrónicos de todo tipo. Se utiliza también en las superficies para transferencia de calor en equipos de producción en la industria química, en especial cuando se tienen condiciones extraordinarias corrosivas. Su inercia química ha hecho que se le hayan encontrado aplicaciones dentales y quirúrgicas.

7. ¿CÓMO ES LA MANUFACTURA METALMECÁNICA?

Después de lograr la separación de ambos metales, el Ta y el Nb y sus aleaciones pueden ser laminados, estirados y extruídos, se pueden fabricar todo tipo de formas: lingotes, varillas, alambre, polvo metálico, barras, ángulos, tubos y chapas. Por la tendencia de estos metales a adherirse a la paredes de los moldes y herramientas, es recomendable usar lubricación abundante y apropiada para mecanizar materiales refractarios. En uno de sus boletines técnicos, la empresa chilena Fastpack Piping Products, proveedora de aceros inoxidables y al carbono, explica que tanto el Ta como el Nb son fáciles de mecanizar, son blandos, dúctiles y maleables; y son susceptibles de ser trabajados con la mayoría de los trabajos metalmecánicos. Procesos que se describen brevemente a continuación.

Mecanizado: El Ta puede ser mecanizado con herramientas de acero rápido y de carburo usando un refrigerante adecuado. Las operaciones de formado, plegado, estampado y estirado son normalmente realizadas en frío, aunque, cuando se trata de grandes espesores puede trabajarse en caliente a 426º C; dado que, el tantalio recocido se pega en las herramientas, es corriente su tendencia a agriparse, desgarrarse y erosionarse con facilidad, de ahí la necesidad de una buena lubricación. Para el perforar el Ta o el Nb recocidos, se usan matrices de acero dejando una luz de 6 por ciento del grosor del material (rango 0.004’’- 0.060’’) entre ambas partes de la perforadora. Para el estampado se usan matrices de acero y a veces bronce-aluminio o cobre-berilio.

Torneado: En el torneado se recomienda el uso de herramientas de carburo cementado, debidamente afiladas –preparadas en forma similar al torneado de cobre– con altas velocidades de corte –mínimo 100 sfpm– para evitar desgarramientos del material. Es de gran importancia aplicar abundante lubricación; incluso, cuando se use la lima o lija, y para las perforaciones mediante brocas.

Esmerilado: Pulir el tantalio y el niobio no es conveniente y debe evitarse, especialmente si es recocido, material que es casi imposible de esmerilar, dada su tendencia a ’pegarse’ en la piedra.

Soldadura: Tanto el Ta como el Nb, pueden ser soldados a otros metales usando diversas técnicas –por resistencia, TIG, plasma y haz electrónico– pero deben ser protegidos con gas inerte como Argón o Helio, para evitar que los metales absorban gases sobre los 300ºC, que los tornan quebradizos. De ser posible es conveniente emplear una cámara con atmósfera de Argón, también se pueden soldar a si mismos con TIG o autógena y nunca debe usarse soplete de acetileno, pues destruye los materiales.

8. CONDENSADORES DE TÁNTALO.

En la fabricación de los condensadores de tántalo, el polvo de tántalo se comprime en pastillas de unos cientos de miligramos, que, a continuación, se sinterizan a vacío a temperaturas por encima de 1300 ºC hasta obtener un material compacto poroso. El paso siguiente consiste en la anodización de la pastilla haciéndola actuar de ánodo en una celda de electrólisis con una disolución acuosa diluida de ácido fosfórico como electrólito. Se forma así una película de óxido de tántalo anódico en la superficie del tántalo, cuyo espesor es proporcional al voltaje aplicado. Esta capa superficial de óxido es un excelente aislante eléctrico y actúa de dieléctrico en la configuración conductor-dieléctrico-conductor típica de un condensador.

Un conductor es el tántalo y el otro es el dióxido de manganeso (MnO2), un semiconductor que se deposita en la superficie anódica del óxido de tántalo por pirólisis de nitrato de manganeso. La terminal anódica se construye con hilo de tántalo. El conjunto se encapsula resultando una configuración miniaturizada como la representada en la Fig. 4 (u otra variante de ella apropiada al uso al que se destine). Los condensadores de tántalo tienen una capacitancia volumétrica tan alta que son ideales para su utilización en sistemas electrónicos miniaturizados como los teléfonos móviles, las cámaras de video manuales o los ordenadores personales. Además, son muy estables a las variaciones de la temperatura, lo que explica su utilización en entornos tan severos como el compartimento de los motores de los automóviles. Su gran fiabilidad determina también que sean los condensadores preferidos en aplicaciones tan críticas como en componentes electrónicos de ingenios aeroespaciales, marcadores de pasos o equipos de seguridad.

MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS

1. ESTRUCTURA Y MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN.

Los polímeros o plásticos son producidos tras un proceso denominado polimerización que consiste en enlazar mediante enlaces covalentes miles de pequeñas moléculas orgánicas denominadas monómeros, o meros. Si una molécula monomérica es denominada A, la macromolécula, formada por n monómeros A, tiene estructura lineal (A A A A...)n. Los monómeros son moléculas orgánicas fundamentalmente formadas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno entre los cuales se establecen uniones o enlaces covalentes. Metano (CH4), propano (C2H2) y etileno (C2H4), son algunos ejemplos de moléculas monoméricas. No todos los monómeros son aptos para realizar el proceso de polimerización

que permite enlazar en cadena diversos monómeros idénticos. En el caso de monómeros iguales, como el etileno C2H4 con estructura:

1. Que permite con el desdoblamiento del doble enlace de carbono unir dos moléculas idénticas.

Con el proceso de desdoblamiento del doble enlace nuevos monómeros pueden seguir

adicionándose alargando la longitud de la macromolécula.

La nueva molécula de polimerización del etileno se denomina polietileno y está constituida por una cadena lineal de n monómeros de etileno. El número n de monómeros ligados en la cadena del polímero se denomina grado de polimerización (GP).La media de GP para los grupos del polietileno varía desde 3500 a 25000 correspondiendo en masas moleculares medias entre 100.000 y 700.000 g/mol. Para el caso de monómeros diferentes, el principio de formación de polímeros es igualmente el desdoblamiento del enlace insaturado de los monómeros. Esto puede observarse en el polímero formado por el cloruro de vinilo (C2H3Cl) y acetato de vinilo (C3H3O2CH3). Siendo la reacción la siguiente:

Para diferenciar los polímeros formados de un solo monómero, homopolímeros, a los conformados

por dos monómeros, éstos se denominan copolímeros. Aunque los monómeros en la mayoría de los copolímeros están ordenados aleatoriamente, han

sido identificados cuatro tipos distintos de copolímeros:

1) Estadísticos; con distribución de A y B aleatoria:

AABABBBABBB

2) Alternativas; con distribución alternada:

ABABABAB...

3) En bloque; con distribución en minicadenas de monómeros A y B alternándose:

AAA-BBBBB-AAAA-BBB..

4) En injerto; con distribución central de cadena de un monómero A con injertos ramificados del otro monómero B.

Figura 15.1. Ordenación de copolímeros: a) Al azar. b) Unidades alternadas. c) Bloques alternos.

d) Injertos.

Sin embargo, la clasificación de materiales poliméricos se justifica respecto a su diferente comportamiento frente al calor, dependiendo de cómo están enlazadas las cadenas, obtenemos los tres grandes grupos de materiales de naturaleza polimérica: termoplásticos, termoestables y elastómeros. Recordemos que los termoplásticos para ser conformados precisan de la aplicación previa al enfriamiento que les confiere la forma definitiva. Estos materiales pueden ser recalentados y reformados varias veces sin cambios significativos en sus propiedades. Deben su nombre a que se ablandan y plastifican. Su estructura molecular es mayoritariamente lineal, con o sin ramificaciones. Las moléculas están enlazadas unas con otras, pero sin reticulaciones. Los termoestables se fabrican de manera permanente por reacciones químicas, no se pueden refundir ni almacenar, y se degradan por calentamiento a elevadas temperaturas. En general son duros y rígidos aún a temperaturas elevadas. Existen numerosas reticulaciones entre cadenas. Los elastómeros o gomas reciben una mención especial dentro de los materiales conformados de forma permanente por las extraordinarias deformaciones elásticas que experimentan al aplicar una fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar su forma original totalmente o casi totalmente cuando cesa la fuerza. Su estructura es reticulada pero en menor extensión que en los materiales termoestables. Desde un punto de vista estructural podríamos citar como caso particular las fibras poliméricas como agrupaciones de macromoléculas lineales, con una configuración extendida en las que existe un principio ordenador que permite la formación de regiones ordenadas y regularmente orientadas. Todos estos materiales se obtienen de un modo sintético por medio de reacciones químicas que reciben el nombre de reacciones de polimerización. Recordemos las más importantes.

1.1 Polimerización por mecanismo de adición. Las moléculas de monómero se activan por efecto de la temperatura, presión o catalizador produciendo la rotura de los dobles enlaces y permitiendo las uniones entre los meros completando las cadenas siempre que existan electrones libres en el terminal de la cadena

polimérica en formación. La polimerización termina cuando esta posibilidad queda inhibida o cancelada, lo que sucede cuando:

a) Se combinan dos cadenas con electrones libres.

b) Se produce la reacción con radicales libres finalizadores, bien resultantes de catalizadores o de impurezas.

Algunos ejemplos de polímeros obtenidos por este procedimiento aparecen en la

figura 15.2. Este proceso de polimerización presenta tres etapas características:

1) Etapa de iniciación. Provocada por la acción de peróxidos orgánicos, estos mediante calor o radiación rompen su estructura para dar lugar a radicales libres (con electrones libres) que obligan al desdoblamiento del doble enlace.

2) Etapa de propagación. Se produce el crecimiento de la cadena de un modo espontáneo.

3) Etapa de terminación. El crecimiento de la cadena acaba cuando se produce la unión del extremo de la cadena en crecimiento con un radical libre (finalizador) o por la unión de los extremos de dos cadenas en crecimiento simultaneo.

Figura 15.2. Monómeros que siguen un mecanismo de polimerización por adición.

El material obtenido mantiene unidas las cadenas mediante fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrogeno, fuerzas polares o por ovillamiento, ya que debido a la naturaleza covalente, las cadenas se retuercen durante el crecimiento, produciendo el entrecruzamiento de unas con otras. El proceso de polimerización explica que existirá una distribución estadística de la longitud de las cadenas definidas por su correspondiente grado de polimerización ni. La masa molecular de una cadena Mni de GP = ni, viene definida a partir de la masa molecular del monómero M, por la fórmula:

Mni = ni . M (15.1)

y la masa molecular media Mn de un polímero con una frecuencia de cadenas fni, de longitud ni, está definida por la expresión:

(15.2)

1.2 Polimerización por mecanismo de condensación.

Este mecanismo permite conseguir cadenas a partir de monómeros que no precisan de la presencia de un doble enlace y liberan en la reacción una molécula pequeña. En este proceso también se produce la activación por efecto de la temperatura, presión o catalizador, produciéndose la reacción de dos grupos activos que dan lugar a un tercero que se repite en la cadena polimérica. Un ejemplo de polímero obtenido por este procedimiento es la reacción entre el ácido adípico y la hexametilendiamina que forma el nylon, desprendiendo una molécula de H2O, tal como se muestra en la figura 15.3.

Figura 15.3. Reacción de polimerización de la hexametilendiamina con el ácido adípico para

producir nylon 6.6.

1.3 Polimerización reticular. En esta la reacción tiene lugar cuando intervienen monómeros con mas de dos lugares activos o sitios donde pueden unirse mas moléculas al monómero. En este tipo de polimerización se forman redes tridimensionales debido a la presencia de más de dos lugares activos, lo que permite el crecimiento de las cadenas en las tres direcciones. Un ejemplo característico es la reacción de polimerización del fenol con formaldehído que produce las unidades que componen las resinas fenólicas (baquelitas), tal como se observa en la figura 15.4.

Figura 15.4. Reacción de polimerización de fenol con formaldehído para producir una

unidad de resina fenólica.

2. POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

2.1 Cristalinidad y estereoisometría de termoplásticos.

Cuando solidifican los termoplásticos desde el estado liquido pueden formar un sólido no

cristalino o un sólido cristalino. Si repasamos la solidificación y enfriamiento lento de

termoplásticos no cristalinos o semicristalinos se produce, como se observa en la figura

15.5, un descenso del volumen especifico con la disminución de temperatura que presenta

un cambio de pendiente a una temperatura característica del material que recibe el nombre

de temperatura de transición vítrea, Tg, por encima de la cual el polímero presenta un

comportamiento viscoso (gomoso, elástico), y por debajo un comportamiento de vidrio

quebradizo.

Figura 15.5. Solidificación y enfriamiento de termoplásticos no cristalinos y parcialmente cristalinos

con cambio de volumen específico con la temperatura.

Esta rápida disminución se debe al empaquetamiento de las cadenas poliméricas en las

regiones cristalinas del material, ya que la estructura del material está compuesta por

regiones cristalinas inmersas en una matriz amorfa de liquido subenfriado, que por debajo

de Tg pasa al estado vítreo, quedando la estructura formada por regiones cristalinas

inmersas en una matriz amorfa vítrea.

Aunque la forma exacta en la que las moléculas de polímeros se ordenan en estructuras

cristalinas no está perfectamente conocida, si que se conocen perfectamente diferentes

distribuciones estructurales para polímeros de idéntica composición química. Si tomamos

como ejemplo el polipropileno, pueden existir tres formas estereoisómeras diferentes, tal

como se aprecia en la figura 15.6:

Figura 15.6. Estereoisómeros del polipropileno: a) Isómero atáctico, b) isómero isotáctico, y c)

isómero sindiotáctico.

1) Estereoisómero atáctico. Los grupos metilo del polipropileno están dispuestos de forma

aleatoria a un lado y otro de la cadena principal.

2) Estereoisómero isotáctico. Los grupos metilo se encuentran siempre en el mismo lado de la

cadena principal.

3) Estereoisómero sindiotáctico. Los grupos metilo sustituyentes están distribuidos

alternativamente en uno y otro lado de la cadena principal.

De los tres, es el isotáctico el que a escala industrial se produce mayoritariamente puesto

que su alta cristalinidad hace que presente mejores resistencias en general y en particular

al calor que los otros estereoisómeros.

2.2 Termoplásticos de interés en ingeniería

A continuación se detallan algunos de los aspectos mas importantes de los materiales

termoplásticos de mayor aplicación, cuyas propiedades y aplicaciones mas extendidas,

aparecen reflejadas en la tabla 15.1.

Tabla 15.1. Propiedades y aplicaciones de termoplásticos.

Polímero Estructura

Carga

rotura

(MPa)

Alarg.

(%)

Módulo de

elasticidad

(GPa)

Densidad

(Mg/m3)

Temp.

def.

por

calor

a 455

kPa

Aplicaciones

Polietileno (PE)

Baja densidad

Alta densidad

8-21

21-38

50-800

15-130

0.1-0.28

0.4-1.20

0.92

0.96

42

85

Embalaje, aislantes

eléctricos, artículos

del hogar, botellas

Policloruro de

vinilo (PVC)

34-62 2-100 2.1-4.10 1.40 -

Tuberías, válvulas,

revestimientos de

suelos, aislantes

eléctricos,

revestimientos de

automóviles

Polipropileno (PP)

28-41 10-700 1.1-1.5 0.90 115

Tanques, embalaje,

fibras para ropa y

sobrenvolturas

Poliestireno (PS)

22-55 1-60 2.6-3.1 1.06 82

Embalaje y espumas

aislantes,

revestimientos de

automóviles,

electrodomésticos y

utensilios de cocina

Policloruro de

vinilideno

(PVPS)

24-34 160-240 0.3-0.55 1.15 60 Embalaje, tuberías,

chubasqueros

Poliacrilonitrilo

(PAN)

62 3-4 3.5-4.0 1.15 78

Fibras textiles,

precursor de fibras de

carbono, embalaje de

alimentos

Polimetil-

metacrilato

(PMMA)

41-82 2-5 2.4-3.1 1.22 93

Acristalamiento de

vehículos, lentes de

contacto, iluminación

exterior, señales

publicitarias,

pantallas de

seguridad, gafas

protectoras.

Policlorurotri-

fluoretileno

31-41 80-250 1.0-2.1 2.15 125

Aislante eléctrico,

componente de

válvulas, juntas.

Politetrafluor-

etileno (PTFE)

14-48 100-400 0.41-0.55 2.17 120

Cierres, juntas,

válvulas, anillos de

estancamiento,

recubrimientos

antiadherentes.

Polioximetileno

(Acetales)

(POM)

65-83 25-75 3.6 1.42 165

Cojinetes,

engranajes,

bolígrafos, fijación de

cañerías, aletas de

ventiladores.

Poliamida (PA)

(Nylon)

76-83 60-300 2.8-3.4 1.14 245

Cojinetes,

engranajes, fibras,

textil, componentes

de automóviles y

componentes

eléctricos.

Ftalato de

polietileno,

poliéster (PET)

55-72 50-300 2.8-4.1 1.36 38

Fibras, películas

fotográficas, cintas

audio, recipientes

para bebidas y

comidas

precocinadas.

Policarbonato

(PC)

62-76 110-130 2.1-2.8 1.2 138

Componentes y

herramientas

eléctricas

domésticas, lentes,

material

antivandálico.

Celulosa

14-55 5-50 1.4-1.7 1.30 67

Textiles (rayón),

embalaje (celofán),

adhesivos,

recubrimientos,

películas fotográficas,

gafas de seguridad.

Poliimidas (PI)

76-117 8-10 2.1 1.39 320

Adhesivos, circuitos

impresos, fibras para

equipos

aerospaciales.

Polieter-

etercetona (PEEK)

70 50-150 3.8 1.31 160

Aislamientos

eléctricos y

recubrimientos para

altas temperaturas.

Sulfuro de

polifenileno (PPS)

65.5 1-2 3.3 1.3 135

Revestimientos,

componentes

eléctricos y

electrónicos.

Polietersulfona

(PES)

84 30-80 2.4 1.37 200

Componentes de

electrodomésticos,

componentes de

microondas.

Poliacritalo

62 50-65 2.2 1.21 180

Señales de tráfico,

componentes de

microondas.

Polieterimida (PEI)

105 60 2.9 1.27 210

Eléctricas,

automoción y

componentes de

motores a reacción.

Poliamida-imida

(PAI) 117-186 15 4.1-5.0 1.39 267

Componentes

electrónicos,

aplicaciones en

automoción y

aerospaciales.

De todos ellos son el PE, PVC, PP y PS los que cubren casi el 70% del consumo total en

materiales plásticos. Sus aplicaciones de uso general se basan en exigencias que no

precisen propiedades muy especiales y de bajo coste, por ejemplo temperaturas de trabajo

no superiores a 120ºC, así como bajos valores de densidad.

POLIETILENO: Existen dos tipos de PE, el de baja densidad, LDPE y el de alta densidad,

HDPE. El de baja se caracteriza por tener una estructura de cadena ramificada, menor grado

de cristalinidad y densidad, mientras que el de alta presenta generalmente una estructura

de cadena lineal, con mayor cristalinidad y más alta resistencia. La estructura de la cadena

del PE se esquematiza en la figura 15.7, así como algunas de sus propiedades.

Figura 15.7. Estructura de cadena y propiedades más significativas de diferentes tipos de PE. a)

Alta densidad. b) Baja densidad.

Este termoplástico es el más ampliamente empleado, mas del 30% del total, y sus

propiedades más sobresalientes son:

Gran tenacidad a temperatura ambiente y bajas temperaturas.

Resistencia mecánica suficiente para las aplicaciones de producción.

Buena flexibilidad en un amplio rango de temperaturas.

Excelente resistencia a la corrosión.

Muy buenas propiedades aislantes.

Inodoro e insípido.

CLORURO DE VINILO: Es el segundo en importancia basado en su alta resistencia química

y su facilidad para mezclarse con numerosos aditivos que dan lugar a un elevado número

de compuestos de gran variedad de propiedades físicas y químicas.

La presencia del átomo de Cl, voluminoso y con gran electronegatividad, produce un

material amorfo y no cristalizable, con fuertes uniones cohesivas producidas por los intensos

momentos dipolares creados por los Cl y de cierta rigidez molecular que dificulta su

procesado. Es por ello que precise la acción de aditivos que permitan su procesado.

Los aditivos utilizados son plastificantes, derivados del ftalato, estabilizadores de calor para

impedir su degradación, compuestos organometálicos de Sn, Pb, Ca y Zn; lubrificantes,

ceras, ésteres grasos, cargas o productos de relleno, carbonato cálcico y pigmentos para

dar color, opacidad, impermeabilidad.

POLIPROPILENO: Este plástico resulta interesante por su bajo precio al obtenerse de

derivados petroquímicos. La incorporación a la cadena de PE de un grupo CH3 restringe el

movimiento de la cadena resultando un material más resistente y rígido, que aumenta la Tg

y la temperatura de fusión. Entre sus propiedades más significativas destacan:

POLIESTIRENO: Este material incorpora la presencia de un anillo de fenilo que proporciona una

configuración con fuerte impedimento estérico de gran rigidez, fácilmente procesable pero

relativamente frágil y quebradizo. La fragilidad se mejora por copolimerizaciones con polibutadieno.

En general acaban degradándose y son muy sensibles al ataque químico por disolventes orgánicos.

Resultan especialmente interesantes los derivados de su copolimerización con acrilonitrilos

(incorporan el grupo CN) que se conocen con las siglas SAN, amorfos, con grupos de gran polaridad

que presentan fuerzas atractivas por puentes de hidrógeno entre las cadenas. Estos tienen alta

resistencia química, superior tenacidad, son duros y rígidos, exhibiendo la transparencia y claridad

del PS.

ABS: Son los derivados del acrilonitrilo-butadieno-estireno. Estos materiales son conocidos por la

optimización de propiedades que presentan como la tenacidad, solidez mecánica combinada con

su fácil procesabilidad.

ACRILICOS: El polímero mas extendido de este grupo es el polimetacrilato de metilo, PMMA, que

es un termoplástico duro, rígido, transparente y de buena resistencia atmosférica. Se conoce con

el nombre comercial de Plexiglas o Lucite. La presencia de los grupos metilo y metacrilato sobre el

mismo carbono de la cadena determina un impedimento estérico importante, por lo que es rígido y

relativamente fuerte, dotado de una alta resistencia química, alta transparencia y completamente

amorfo.

Buena resistencia química a la humedad y calor.

Baja densidad (0,90-0,91 g/cm3).

Buena dureza superficial.

Buena estabilidad dimensional.

Flexibilidad notable.

FLUORPLASTICOS: Presentan uno o más átomos de F en el monómero lo que proporciona unas

propiedades muy especiales, destacando su uso como aislante, y sus excelentes propiedades

autolubricantes por su bajo coeficiente de fricción.

El polímero más extendido es el politetrafluoretileno, PTFE o teflón. Presenta alta cristalinidad y

densidad, 2,13-2,19 g/cm3, resistencia excepcional a los disolventes orgánicos, es particularmente

apto para usos criogénicos, -200°C, aunque sus propiedades resistentes son relativamente bajas

cuando se compara con otros plásticos.

2.3 Deformación de polímeros termoplásticos

En primer lugar recordemos los factores que más influyen en la resistencia de un material

termoplástico, dejando para la segunda parte del tema la adición de refuerzos.

1 - Peso molecular medio. Este parámetro no se suele emplear para el control de las

propiedades resistentes de polímeros, ya que una vez conseguida la masa molecular

suficiente para que se produzca un sólido estable, no hay un aumento notable de la

resistencia, tal como se observa en la tabla 15.2.

Tabla 15.2. Masas moleculares y grados de polimerización de termoplásticos

2 - Naturaleza de los grupos funcionales de la cadena. La dificultad de movimiento de

las cadenas, así como su deslizamiento se dificulta a medida que se incorporan grupos

laterales de la cadena principal de carbono, incrementándose a medida que estos son más

voluminosos, aumentando su rigidez y resistencia pero reduciendo su ductilidad, tal como

se observa en la tabla 15.1. El mismo efecto produce la introducción de átomos de O, N y S

en la cadena principal de carbono, así como anillos del tipo fenilo.

3 - Grado de cristalinidad. Este factor afecta notablemente la resistencia, puesto que a

medida que aumenta lo hacen la resistencia a tracción, modulo de elasticidad y densidad,

tal como se observa en la figura 15.8.

Figura 15.8. Curvas tensión-deformación para PE de alta y baja densidad.

Antes de explicar el diferente comportamiento de materiales termoplásticos recordemos

como se deforman bajo la acción de tensiones. Una curva característica de un termoplástico

aparece reflejada en la figura 15.9, que indica la forma en que las cadenas se mueven y que

distingue a estos materiales, especialmente cuando se compara este gráfico con el de

metales dúctiles como el aluminio en el cual la tensión disminuye rápidamente cuando

comienza la zona de plasticidad.

Figura 15.9. Curvas típica tensión-deformación de materiales termoplásticos.

Los termoplásticos se deforman fundamentalmente por deformación elástica por debajo de

su temperatura de transición vítrea, aumentando su resistencia y por encima de esta

temperatura la deformación es de tipo plástico, disminuyendo la resistencia y aumentando

las características dúctiles, como puede observarse en la representación de la figura 15.10

para el PMMA ensayado desde -40ºC a 68ºC, experimentando una transición dúctil-frágil

entre los 86 y 104ºC, que corresponde a su transición vítrea.

Figura 15.10. Curvas tensión-deformación para el PMMA a diferentes temperaturas.

Los mecanismos que rigen el comportamiento de los polímeros termoplásticos vienen

esquematizados en la figura 15.11, siendo básicamente el alargamiento de la cadena

principal, su desenrollado y el deslizamiento de las mismas.

Figura 15.11. Mecanismos de deformación en polímeros: a) Deformación elástica por enfriamiento

de los enlaces covalentes entre carbonos de la cadena principal. b) Deformación elástica o

plástica por desenrollado de la cadena principal. c) Deformación plástica por deslizamientos.

2.4 COMPORTAMIENTO ELASTICO

La deformación elástica en estos polímeros es debida a dos mecanismos. En el primero de

ellos los enlaces covalentes de los átomos de carbono de la cadena principal del polímero

sufren deformación elástica produciendo el alargamiento de los mismos. En el

momento en que la tensión se elimina la distorsión de la cadena puede desaparecer casi

instantáneamente, por lo que una fracción inicial de la curva tensión-deformación puede ser

lineal y calcular de este modo de la gráfica el módulo de elasticidad de manera similar al

caso de metales y cerámicos.

El segundo mecanismo que tiene lugar además es cuando fragmentos de la cadena del

polímero que se deforman pero al suprimir la tensión, los segmentos vuelven a sus

posiciones de origen por un periodo de tiempo variable, de horas a meses. Esta

dependencia con el tiempo en el comportamiento elástico puede contribuir a algo de

comportamiento elástico no lineal.

2.5 COMPORTAMIENTO PLASTICO

Los materiales poliméricos también pueden sufrir deformación del tipo plástico cuando la

tensión supera el limite elástico. Sin embargo, a diferencia de los metales esta deformación

no es consecuencia del movimiento de dislocaciones, sino al deslizamiento de unas

cadenas del polímero sobre otras rompiendo de esta manera los débiles enlaces de Van der

Waals, figura 15.12. Al retirar el esfuerzo las cadenas permanecen en sus nuevas

posiciones y de este modo el material se deforma de manera permanente.

Figura 15.12. Mecanismo de deformación plástica. a) Las cadenas se mantienen unidas por

fuerzas de Van der Waals. b) Cuando el polímero se estira, las cadenas se enderezan y deslizan

unas sobre otras.

La posibilidad de que la tensión cause el deslizamiento de las cadenas depende del

tiempo. Si la tensión se aplica lentamente, unas cadenas pueden deslizar mas

rápidamente que otras, y si se aplica la tensión rápidamente el deslizamiento puede

minimizarse y el polímero puede manifestar una tendencia acusada de comportamiento

frágil.

2.6 VISCOELASTICIDAD

La facilidad con la que sucede esta deformación permanente o no en el termoplástico

depende del comportamiento viscoelástico del material. Para deformar un material se

necesita un cierto porcentaje de tensión que depende del porcentaje total de deformación

y de la velocidad de la deformación.

La viscosidad, h, se define como el cociente entre la tensión que causa el deslizamiento y

el gradiente de velocidad, Du/Dx, que nos describe la rapidez con la que unas cadenas se

deslizan sobre otras,

(15.3)

por ello si los polímeros tienen alta viscosidad requieren mayores esfuerzos para causar la

deformación plástica y presentan menor deformación viscosa.

El efecto de la temperatura en la viscosidad es idéntica que en los vidrios,

(15.4)

donde h0 y Eh dependen de la estructura del polímero. La energía de activación está

relacionada con la facilidad con la que se deslizan las cadenas unas sobre otras. Al

aumentar la temperatura, el polímero es menos viscoso y se deforma mas fácilmente.

El comportamiento visco-elástico explica las propiedades dinámicas o que tienen una

influencia notable con el tiempo. Cuando se aplican altas velocidades a las tensiones como

en los ensayos de impacto, no se da el tiempo suficiente para que las cadenas se muevan

y causen la deformación plástica. Como resultado, el termoplástico exhibe un

comportamiento frágil y presenta valores más bajos de tenacidad y de resistencia a la

fractura.

Por otro lado cuando se aplica la tensión durante un largo periodo de tiempo, presenta un

flujo viscoso importante, incluso a bajas temperaturas, por lo que el termoplástico presenta

alargamientos permanentes continuos. Altas temperaturas o tensiones producen un mayor

aumento del alargamiento, de hecho, se obtienen curvas tensión-tiempo de rotura, figura

15.13, que se parecen bastante a las de los metales.

Figura 15.13. Efecto de la temperatura en el comportamiento a fractura del polietileno de alta

densidad.

Un método para determinar esta dependencia del polímero con la temperatura aparece

reflejado en el valor de la temperatura de resistencia al calor, tabla 15.1, que evalúa la

temperatura a la cual la deformación toma un valor concreto para un peso standard. Altos

valores de este parámetro indican una buena resistencia a la rotura

2.7 EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN TERMOPLÁSTICOS

Una propiedad importante de los materiales poliméricos termoplásticos es su comportamiento térmico, pues permite llevar a cabo diferentes procesos de conformación de los mismos. En general la temperatura influye en el comportamiento viscoelástico en el sentido de influir sobre los enlaces por fuerzas de Van der Waals entre las cadenas. Cuando la temperatura aumenta los enlaces se desenrollan y tiene lugar el flujo viscoso mas fácilmente con menor tensión aplicada. A bajas temperaturas, el polímero se vuelve viscoso, las cadenas no deslizan y el polímero presenta un comportamiento de sólido rígido. Estos comportamientos aparecen reflejados en la figura 15.14, dependiendo de la temperatura y de la estructura, grupos funcionales, de la cadena del polímero.

Figura 15.14. Efecto de la temperatura en la estructura y comportamiento de polímeros

termoplásticos. Sin embargo a muy altas temperaturas, los enlaces covalentes de la cadena principal pueden destruirse, el polímero se quema o se carboniza. Esta temperatura, denominadatemperatura de degradación, limita la utilidad del polímero y representa la temperatura superior a la cual el polímero puede ser conformado de manera útil. Cuando la temperatura de los polímeros lineales es alta, la viscosidad es baja. Las cadenas pueden moverse con facilidad incluso sin fuerzas externas, y si se aplica una tensión, el polímero fluye prácticamente sin que exista deformación elástica. El comportamiento que exhibe aparece reflejado en la figura 15.15, en el que la resistencia y módulo de elasticidad son casi nulos. Sin embargo, cuando bajamos la temperatura, se incrementa la viscosidad y no se mueven con facilidad las cadenas, hasta que llegamos a la temperatura de fusión en la que el polímero se vuelve rígido.

Figura 15.15. Efecto de la temperatura sobre el comportamiento tensión-deformación de polímeros

termoplásticos. Por debajo de la temperatura de fusión, el polímero es rígido y mantiene su forma, aunque sus cadenas están enroscadas, sin embargo, las cadenas se mueven y causan deformación al aplicar un esfuerzo. Cuando se elimina la tensión, el polímero solo recupera la parte elástica de la deformación. La resistencia y el módulo de elasticidad son bajos pero el alargamiento es altísimo, recordando al comportamiento de los elastómeros. Al ir disminuyendo la temperatura, la deformación elástica crece y disminuye la viscosa, el polímero se va rigidizando proporcionando mayores valores de resistencia y de modulo de elasticidad y menor alargamiento. Conforme disminuye la temperatura del polímero en estado rígido o vítreo, la viscosidad se hace tan baja que sólo es posible el movimiento muy localizado de pequeños grupos de la cadena, no se produce deslizamiento. Por debajo de la temperatura de transición vítrea el polímero se vuelve frágil y duro, comportándose de manera parecida a un vidrio cerámico. La temperatura de transición vítrea suele ser 0,5-0,75 veces la de fusión, dependiendo de la complejidad estructural de la cadena del polímero, tal como se aprecia en la tabla 15.3.

Tabla 15.3 Temperaturas de fusión y de transición vítrea de algunos termoplásticos y elastómeros.

Como se ha citado anteriormente el grado de cristalinidad es un parámetro importante en la deformación de polímeros. Algunos polímeros se cristalizan cuando se enfrían a temperaturas inferiores a la de fusión. En la cristalización influyen varios factores: tipo de monómero, resultando más difícil a medida que se complica la estructura monomérica, elenfriamiento rápido evita la cristalización y facilita la estructura vítrea, y el grado de deformación del polímero que tiene lugar entre la temperatura de fusión y la vítrea propicia la cristalización enderezando las cadenas y conduciéndolas a una estructura paralela. Las velocidades pequeñas de deformación son más efectivas que las altas velocidades para provocar las cristalizaciones. En los polímeros cristalinos la deformación elástica es baja puesto que las cadenas son casi rectas y paralelas entre sí. Las temperaturas mayores permiten un mayor alargamiento por lo que el modulo de elasticidad permanece alto, figura 15.16. Además, la estructura cristalina resiste la deformación plástica hasta que la temperatura se acerca al punto de fusión.

Figura 15.16. Efecto de la cristalinidad sobre el módulo de elasticidad de termoplásticos

termoplásticos. 3. Elastómeros

Estos materiales se caracterizan por mostrar una gran deformación elástica cuando se les

aplica una fuerza. La deformación puede desaparecer completamente cuando se elimina el

esfuerzo. Las estructuras y propiedades de los elastómeros más representativos aparecen en

la tabla 15.4.

15.4. Estructura, propiedades y aplicaciones de diferentes elastómeros industriales.

Polímero Estructura

Carga de

rotura

(MPa)

Alarg. (%) Densidad

(Mg/m3) Aplicaciones

Poliisopreno

21 800 0.93 Neumáticos

Polibutadieno

24 0.94

Neumáticos

industriales,

aislamiento de

vibraciones

Polibutileno

28 350 0.92

Tuberías,

aislamientos,

revestimientos

Neopreno

24 800 1.24

Mangueras,

vainas de

cables

Butadieno-

estireno

(BS)

4-21 600-2000 1.0 Neumáticos

Butadieno-

acrilonitrilo

5 400 1.0

Juntas,

mangueras

para

derivados del

petróleo

Silicona

2.4-7 100-700 1.5 Juntas y

cierres

En los elastómeros la cadena principal del polímero se encuentra enrollada debido a la

disposición cis de los grupos. Así pues cuando se aplica un esfuerzo, el polímero se alarga al

desenredarse la cadena lineal. Cuando el esfuerzo desaparece, las cadenas vuelven a

enrollarse y el polímero regresa a su forma y tamaño originales, tal como se esquematiza en la

figura 15.17.

Figura 15.17. Esquema del enroscamiento de un elastómero ideal comparado con el

comportamiento real.

Sin embargo en la realidad el polímero no se comporta exactamente como se muestra en el

esquema, puesto que no solo se desenredan las cadenas sino que también deslizan unas sobre

otras, obteniendo de este modo una combinación de deformación plástica (debida al

deslizamiento) y una deformación elástica (la cual se recupera debido al enrollamiento de la

cadena).

Se puede impedir la deformación plástica pero mantener una gran deformación elástica

mediante ligaduras cruzadas o entrecruzamiento. Durante su proceso de conformación

denominado vulcanización se unen las cadenas enroscadas con átomos de azufre,

empleando calor y presión.

Como se observa en la tabla 15.4, las cadenas de los elastómeros naturales y sintéticos

contienen enlaces de carbono no saturados, los cuales pueden romperse en dos cadenas

adyacentes, los cuales se completan con los átomos de azufre, causando la polimerización por

mecanismo de adición con entrecruzamiento. El proceso de vulcanización del butadieno

aparece esquematizado en la figura 15.18.

Figura 15.18. Cadenas individuales de elastómeros: a) unidas por átomos de azufre, b) secuencia

de polimerización del caucho con entrecruzamiento de cadenas en c).

La elasticidad o rigidez del elastómero está determinada por el número de entrecruzamientos

entre cadenas o por la cantidad de azufre. Así pequeñas cantidades de azufre dejan al

elastómero suave y flexible, su aumento restringe el desenroscamiento de las cadenas

haciendo al elastómero mas duro, rígido y más frágil. En general se añade entre un 30-40% de

azufre, aunque la reacción es lenta, por lo que se añaden aceleradores además de otros

aditivos (materiales de relleno, plastificantes y antioxidantes).

A continuación se detallan algunos de los aspectos más importantes de los elastómeros de

mayor aplicación.

CAUCHO NATURAL: El caucho natural se extrae del latex, un liquido lechoso que es una

suspensión que contiene partículas pequeñas de caucho, que se diluye y coagula formando el

ácido fórmico, el cual se deshidrata y lamina.

a) El componente estructural de la goma natural es el cis-1,4 poliisopropeno, figura

15.19 a). Las cadenas de polímero son largas, enredadas y en espiral y a

temperatura ambiente están en estado de agitación térmica, quedando la disposición

como se refleja en la figura 15.19 b).

Figura 15.19. a) Unidad estructural repetitiva del caucho natural. b) Segmento de una cadena de

polímero de caucho natural.

CAUCHOS SINTETICOS: Estos proporcionan el 70% de todo el caucho existente en el mundo.

Los mas extendidos son el estireno-butadieno, cauchos de nitrilo y policloroprenos.

El caucho de estireno-butadieno, SBR, es un copolímero de estireno y butadieno, que

contiene entre el 20-23% del primero, ampliamente utilizado en neumáticos al ser más

económico presentar una mayor resistencia al desgaste, aunque absorben disolventes

orgánicos, por lo que se hinchan.

Los cauchos de nitrilo son copolímeros de butanodieno y acrilonitrilo, con proporciones entre

el 55-82% del primero. La presencia del segundo proporciona un alto grado de polaridad

facilitando la creación de enlaces de hidrogeno, mejorando la resistencia a la abrasión y a los

disolventes orgánicos. Su precio es mas elevado.

Los elastómeros de neopreno y policloropreno, al incorporar átomos de cloro proporcionan una

mayor resistencia a la acción del calor, luz y el tiempo, con buena resistencia a la gasolina,

aunque poseen mala flexibilidad a baja temperatura y son más caros, por lo que se emplean

como recubrimiento de cables, mangueras y abrazaderas industriales.

CAUCHOS DE SILICONA: El átomo de silicio es capaz de formar moléculas de polímeros

mediante enlaces covalentes. Los polímeros de silicona se basan en el Si y el O en la cadena

principal, con unidades estructurales como las que aparecen en la figura 15.20.

Estos polímeros se emplean en un amplio rango de temperaturas, desde -100 a 250ºC,

empleándose en el sellado, juntas y aislantes eléctricos.

Figura 15.20. Unidades estructurales básicas repetitivas para el polímero de silicon

4. Polímeros termoestables Estos polímeros presentan una estructura del tipo reticular a base de uniones covalentes, con entrelazamiento transversal de cadenas producido por el calor o por una combinación de calor y presión durante la reacción de polimerización. A menudo, los polímeros termoestables se obtienen en forma de dos resinas liquidas. Una contiene los agentes de curado, endurecedores y plastificantes, la otra materiales de relleno y/o reforzantes que pueden ser orgánicos o inorgánicos. Cuando se mezclan estos dos componentes, se inicia la reacción de entrecruzado, de igual modo que en otros se inicia por calor y/o presión. Debido a esto, los termoestables no pueden ser recalentados y refundidos como los termoplásticos. Esto es una desventaja pues los fragmentos producidos durante el proceso no se pueden reciclar y usar. En general, las ventajas de los plásticos termoestables para aplicaciones en ingeniería son:

a) Alta estabilidad térmica. b) Alta rigidez. c) Alta estabilidad dimensional. d) Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga.

e) Peso ligero. f) Altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico. En la tabla 15.5 aparecen reflejadas las características y propiedades más importantes de los termoestables más extendidos, algunos aspectos de ellos los citamos a continuación.

Tabla 15.5. Estructura, propiedades y aplicaciones de diferentes polímeros termoestables industriales.

Polímero Estructura Carga rotura (MPa)

Alarg. (%)

Módulo de

elasticidad (GPa)

Densidad (Mg/m3)

Aplicaciones

Fenólicos

34-62 0-2 2.8-9.0 1.27

Adhesivos, revestimient

os, laminados.

Aminas

Melamina

Urea

34-69 0-1 6.9-11.0 1.50

Adhesivos, almacenami

ento de alimentos, moldeados eléctricos.

Poliésteres

41-90 0-3 2.1-4.5 1.28

Moldeados eléctricos, laminados

decorativos, matrices

para refuerzo con

fibra de vidrio.

Epoxis

28-103 0-6 2.8-3.4 1.25

Adhesivos, moldeados eléctricos, matriz para laminados

aeronáuticos.

Uretanos

34-68 3-6 1.30

Fibras, revestimient

os, espumas, aislantes.

Furanos

21-31 0 10.9 1.75

Aglomerantes para

moldeado en arena.

Siliconas

21-28 0 8.3 1.55

Adhesivos, juntas y cierres

estancos.

RESINAS FENOLICAS: Los plásticos fenólicos fueron los primeros desarrollados por la reacción del fenol con formaldehído para fabricar la baquelita. Son de bajo coste, tienen excelentes propiedades aislantes eléctricas y térmicas, aunque están limitadas por el color, negro y marrón. Este tipo de resinas se produce por reacciones de condensación. Para el curado de las mismas se precisan entre 120-177ºC y se suelen adicionar componentes de relleno que aumentan su peso desde el 50 hasta el 80%, reduciendo la contracción, abaratando costes y aumentando la resistencia. Los usos más extendidos de este tipo de resinas son: compuestos de uso general, con cargas que aumentan su resistencia al impacto desde harinas de madera a celulosa con fibra de vidrio; compuestos aislantes de la electricidad, con cargas del tipo mica para aumentar resistencia eléctrica y compuestos resistentes al calor, de 150 a 180ºC, que incorporan cargas de arcilla. Los usos mas corrientes son dispositivos de instalación e interruptores eléctricos, conectores, relés telefónicos, en el sector de automoción como adhesivos y en las arenas de moldeo de metales. RESINAS EPOXI. Este tipo de polímeros generalmente no da lugar a productos de reacción cuando se produce el curado además de presentar poca contracción. Presentan buena adherencia a otros materiales junto a buena resistencia química, propiedades mecánicas y buen comportamiento como aislante eléctrico. Estas resinas se caracterizan por tener dos o más grupos epoxi por molécula, junto a anillos aromáticos, tal como muestra la estructura de la figura 15.21.

Figura 15.21. Estructura química general de las resinas epoxi.

Para formar los sólidos termoestables, las resinas deben curarse o polimerizarse con agentes catalíticos y/o de cruzado de cadenas, produciendo el entrecruzado en los sitios ocupados por los grupos epoxi e hidroxílico, produciendo productos de condensación de aminas, anhídridos y aldehidos. Las resinas epoxi se caracterizan por su bajo peso molecular que en estado liquido les proporciona una elevada movilidad en el proceso, lo que las hace especialmente interesantes como adhesivos, así como la posibilidad de ser licuadas en su forma final para envasado y encapsulado eléctrico. Las aplicaciones mas extendidas de estos polímeros son una amplia variedad de recubrimientos protectores por su resistencia química y mecánica. Dentro de la industria electrónica se usan por su elevada resistencia dieléctrica, baja contracción en el curado, buena adhesión y alta humidificación, de aquí su extensa aplicación como aislantes de alto voltaje. POLIESTERES INSATURADOS: Estos termoestables tienen un doble enlace de carbono muy reactivo. El enlace éster se produce por la reacción de un alcohol con un ácido orgánico, tal como se observa en la figura 15.22, la resina poliéster se forma por la reacción de un diol (alcohol con dos grupos -OH) con un diácido, que tiene un doble enlace muy reactivo.

15.22. Reacción de formación de un poliéster lineal.

Los poliésteres se someten a cruzamiento con moléculas del tipo vinilo como el estireno en presencia de sustancias con radicales libres como los peróxidos. Estas resinas presentan bajas viscosidades, susceptibles de mezclarse con grandes cantidades de materiales de relleno y reforzantes (hasta un 80% de fibra de vidrio). Son usados en la fabricación de paneles de automóvil y prótesis, tuberías, conductos etc. UREAS Y MELAMINAS: Se producen por reacción controlada de formaldehído con compuestos que tienen el grupo amino, -NH2-. Los dos tipos de resinas más importantes son la urea-formaldehído y la melamina-formaldehído, que se producen por mecanismo de condensación, proporcionando un grupo amino en el extremo de la cadena que da lugar a una estructura reticular muy rígida con un elevado grado de entrecruzamiento. Se emplean para placas de pared y receptáculos eléctricos, adhesivos para madera etc.

5. ENVEJECIMIENTO DE LOS POLÍMEROS

Un aspecto importante de los polímeros es el envejecimiento y deterioro que sufren con el tiempo

con la consiguiente pérdida de características.

La degradación y el envejecimiento de los polímeros se producen por la acción conjunta de

diversos factores entre los que destacamos:

Agentes atmosféricos

El calor

La luz ultravioleta

La absorción de energía radiante luminosa

La degradación se produce debido a que la energía absorbida por las estructuras químicas puede

ser mayor que la de disociación de un determinado enlace produciendo la rotura del mismo. Este

efecto es más pronunciado cuanto menor es la longitud de onda, tal como se observa en la figura

15.23, siendo el efecto más pronunciado el debido a los rayos UVA, que produce decoloración y

fragilidad sobre el polímero.

Figura 15.23. Efecto de la radiación sobre los enlaces en polímeros.

6. ADITIVOS PARA POLÍMEROS

La degradación o envejecimiento se reduce adicionando al material cargas que absorban los rayos UVA y que reciben el nombre de estabilizantes. Estas sustancias forman parte de los llamados aditivos, que son sustancias ajenas a la formulación química del polímero y que se añaden para mejorar algunas propiedades, como se ha señalado anteriormente. Entre los aditivos más extendidos destacan:

Cargas y refuerzos como fibras, esferas... orgánicas o inorgánicas que aumentan propiedades mecánicas resistentes, acabado superficial y abaratan costes.

Colorantes y pigmentos se emplean para dar color y opacidad. Tiñen las piezas o semiacabados transparentes con el 0,5-2% que no alteran el cuadro general de propiedades.

Estabilizantes que impiden el deterioro del polímero provocado por el medio ambiente y la luz UVA.

Agentes antiestáticos pues al ser aislantes eléctricos generan electricidad estática. Estos atraen la humedad del aire hacia la superficie del polímero, reduciendo la posibilidad de chispa o descarga.

Lubricantes como cera o estearato de calcio, que reducen la viscosidad del polímero y mejoran las características de conformabilidad.

Plastificantes de moléculas de bajo peso molecular que reducen la Tg y mejoran las ¡propiedades y características de conformabilidad del polímero.

Agentes espumantes. Algunos polímeros como el poliestireno pueden ser expandidos en forma de espumas con huecos. El plástico se produce en forma de pequeñas gotas sólidas que contienen el agente expansor o insuflador. Cuando las gotas se calientan, el polímero se vuelve plástico, el agente se descompone para formar gas dentro de la gota y las paredes de esta se expanden. Dentro del molde se pegan entre si y conforman excelentes materiales aislantes con una densidad excepcionalmente baja.

Rellenos. Son muy variados. Se usan para diversos fines. El más conocido es el negro de humo que se añade al caucho para mejorar la resistencia y el desgaste de neumáticos. Otros como los extensores permiten que se introduzca una gran cantidad de volumen de polímero con poca resina como la sílice, arcilla y carbonato de calcio.

Refuerzos. La resistencia y rigidez de los polímeros se mejora introduciendo fibras de vidrio, polímero o grafito. Estos presentan unas propiedades excepcionales respecto al polímero que refuerzan.

9. MATERIALES COMPUESTOS: POLÍMEROS REFORZADOS

Los materiales compuestos se producen cuando dos materiales se unen para dar una combinación de propiedades que no puede ser obtenida en los materiales originales. Esta definición, en principio, nos justifica las buenas propiedades que se obtienen en aleaciones con la composición eutécticas, como se estudió en el tema correspondiente. Estos materiales se seleccionan para proporcionar combinaciones de propiedades poco usuales de rigidez, peso, resistencia, resistencia a corrosión, a altas temperaturas, dureza o conductividad. Los materiales compuestos pueden ser de metal-metal, metal-cerámica, metal-polímero, cerámica-cerámica o polímero-polímero. Sin embargo, los materiales compuestos suelen clasificarse en tres categorías: con partículas, con fibras y laminares, dependiendo de la forma del material, tal como se aprecia en la figura 15.24 y que recuerda a la disposición del cemento con la grava, las fibras de vidrio como refuerzo de polímeros y la madera.

15.24. Comparación de los tres tipos de materiales compuestos. a) Con partículas. b) Con fibras. c) Laminares.

Cuando las partículas de refuerzo se encuentran uniformemente distribuidas, los compuestos tienen propiedades isotrópicas, los compuestos fibrados pueden ser tanto isotrópicos como anisotrópicos y los compuestos laminares siempre tienen un comportamiento anisotrópico. 6.1 COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTÍCULAS

En estos materiales compuestos las partículas de material duro y frágil, dispersas de forma discreta y uniforme se rodean de una matriz más blanda y dúctil. Dependiendo del tamaño y la naturaleza de las partículas que influyen en las propiedades del compuesto, estos se clasifican en: a) Compuestos endurecidos por dispersión. b) Compuestos con partículas propiamente dichas En los compuestos endurecidos por dispersión el tamaño de las partículas es muy pequeño, con diámetros de 100-2500 Å. Debido a que estas partículas dificultan el movimiento de las dislocaciones, producen un efecto de endurecimiento notable en el material con pequeñas cantidades. A esto se añade que no presentan problemas de ablandamiento debido al sobrenvejecimiento, crecimientos de grano con mejor resistencia a fluencia que los metales y aleaciones a los que refuerzan.

Las propiedades de estos compuestos pueden optimizarse cuando se considera que:

1) La fase dispersa, generalmente un óxido duro y estable, debe ser un obstáculo efectivo para el deslizamiento.

2) El material disperso debe tener un tamaño, forma, distribución y cantidad óptimos.

3) El material disperso debe tener baja solubilidad en el material que refuerza, no deben existir reacciones químicas, como sucede en la alúmina respecto al aluminio que refuerza.

4) Se debe lograr una buena unión material dispersante-matriz, es decir una correcta interfase entre el refuerzo y el material, lo que se logra con una pequeña solubilidad.

Algunos de los materiales compuestos obtenidos por endurecimiento por dispersión aparecen reflejados en la tabla 15.6.

Tabla 15.6 Ejemplos y aplicaciones de compuestos endurecidos por dispersión.

Los compuestos con partículas propiamente dichas contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no dificultan de manera efectiva el movimiento de dislocaciones. En estos se incluyen numerosas combinaciones de metales, cerámicas y polímeros. El objetivo de estos radica en producir combinaciones de propiedades poco frecuentes y no en mejorar la resistencia.

Algunos ejemplos característicos de este tipo de compuestos son: los carburos sinterizados para herramientas de corte, que contienen las partículas cerámicas duras en una matriz metálica de cobalto; los contactos eléctricos de interruptores de buena resistencia al desgaste y excelente conductividad como aleaciones de W-Ag, polímeros con agentes de relleno como el caucho con negro de humo para neumáticos citado anteriormente.

6.2 COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relación

resistencia/peso, por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles, en una matriz más

blanda y dúctil. El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona

tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor parte de la fuerza o

tensión aplicada.

Una característica de estos compuestos respecto a los endurecidos por dispersión es que la

resistencia del compuesto aumenta tanto a temperatura ambiente como a elevadas

temperaturas.

Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la antigüedad se conoce

el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros días está extendido el refuerzo de acero en

estructuras, así como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polímeros, fibras de boro o carbono,

de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cerámicos

denominados whiskers desarrollados para este objetivo.

Los materiales de refuerzo presentan morfologías muy variadas con orientaciones

características como las señaladas en la figura 15.25. Las fibras cortas suelen tener una

orientación aleatoria, para fibras continuas se produce la orientación anisotrópica deliberada.

Las fibras pueden disponerse como telas o tejidos o ser producidas en forma de fibras largas.

También se puede cambiar la orientación en las capas alternadas de fibras largas.

Figura 15.25. Morfologías de compuestos reforzados con fibras. a) Fibras continuas

unidireccionales. b) Fibras discontinuas orientadas al azar. c) Fibras ortogonales o tejidos. d)

Fibras en capas múltiples.

6.2.1. PREDICCIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

La regla de las mezclas predice siempre la densidad, conductividad eléctrica y térmica

de los materiales reforzados con fibras a lo largo de la dirección de las fibras si estas son

continuas y unidireccionales.

Sin embargo cuando se aplica una carga paralelamente a las fibras continuas

unidireccionales, esta regla predice con precisión el valor del módulo de elasticidad, para

bajos valores de esfuerzos, puesto que cuando es elevado, la matriz empieza a

deformarse y la curva tensión-deformación no es lineal. La manera aproximada de

calcularlo es como se refleja en la figura 15.26.

Figura 15.26. Curva tensión-deformación para un compuesto reforzado con fibras. Valores del

módulo de elasticidad para altos y bajos esfuerzos.

La resistencia de un compuesto va a depender de la unión entre la fibra y la matriz, es decir de

su interfase, puesto que se encuentra limitada especialmente por la deformación de la matriz,

por lo que el valor calculado es siempre mas bajo que el calculado por la regla de las mezclas.

Otras propiedades como ductilidad, tenacidad, resistencia a fatiga y fluencia son más difíciles

de predecir. Al igual que sucede con el empleo de fibras discontinuas.

6.2.2. CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Existe una gran cantidad de factores que deben tenerse en cuenta a la hora de

seleccionar y diseñar con materiales compuestos reforzados con fibras.

Relación de aspecto. Las fibras continuas, que proporcionan mayores resistencias, son

a menudo difíciles de introducir en el material y producir el mismo, mientras que las

discontinuas son mas fáciles, mayor relación de aspecto, produciendo también alta

resistencia.

Fracción volumétrica de fibras. Una mayor fracción volumétrica de fibras aumenta la

resistencia, situándose el limite superior en el 80%, por la posibilidad de rodear las fibras

con el material que hace de matriz.

Orientación de las fibras. Las fibras unidireccionales presentan resistencia máxima

cuando la carga aplicada es paralela a las fibras, sin embargo las propiedades son muy

anisotrópicas. Por ello, se suelen usar fibras dispuestas en forma de tejido, capas

cruzadas, sacrificando la máxima resistencia con propiedades uniformes en el

compuesto.

Propiedades de las fibras El material de las fibras debe ser fuerte, rígido, ligero y tener

elevada temperatura de fusión. Se prefieren materiales con elevados módulos y

resistencia específicos. Algunas de sus propiedades más señaladas aparecen reflejadas

en la tabla 15.7.

El mayor modulo especifico se encuentra en el carbono y el boro, además de presentar

elevada temperatura de fusión y alta resistencia mecánica. Ambos deben usarse como

material compuesto pues demasiado frágiles y reactivos para se empleados por si solos.

El Kevlar, nombre comercial de un polímero poliamida aromático endurecido, con una

estructura constituida por anillos bencénicos, tiene excelentes propiedades mecánicas,

aunque su temperatura de fusión es baja.

La alúmina y el vidrio son ligeros, tienen alta resistencia y modulo especifico. Mas rígidos

son los wiskers, aunque son discontinuos y su fabricación es complicada y costosa.

Tabla 15.7 Propiedades de diferentes fibras utilizadas como refuerzo.

Propiedades de las matrices. Estos materiales son generalmente tenaces y dúctiles

para transmitir las cargas a las fibras y evitar que las grietas causadas por fibras rotas

se propaguen a todo el compuesto. La matriz debe ser resistente con el fin de contribuir

a la resistencia total del compuesto. La temperatura de trabajo del compuesto viene

limitada por la de la matriz.

6.2.3. SISTEMAS REFORZADOS CON FIBRAS

En la figura 15.27 se comparan el modulo y la resistencia especifica de varios compuestos

reforzados con fibras con los de los metales.

Figura 15.27. Comparación de módulo específico y resistencia específica de materiales

metálicos y compuestos.

El hormigón armado es un compuesto doble, por un lado es un compuesto de partículas,

cemento y grava, reforzado a su vez por varillas de acero, que son las que dan la

resistencia y evitan la rotura de la estructura si el hormigón falla.

El caucho reforzado, empleado en neumáticos, con nylon, kevlar, alambre de acero,

mejora su resistencia y duración.

La fibra de vidrio contiene fibras dentro de una matriz polimérica, generalmente de

poliéster. Son fibras cortas y discontinuas. Estas mejoran la resistencia del polímero y

proporcionan valores de módulo y resistencia específicos del orden de los buenos

metales y aleaciones.

Los compuestos avanzados son aquellos en los que se requieren combinaciones

excepcionales de resistencia y ligereza, como es el sector aeronáutico. Tal como refleja

la tabla 15.8 son las fibras de boro, carbono o kevlar, tanto en matrices polimericas como

metálicas las que proporcionan mejor resistencia en general, junto a un mejor

comportamiento a fatiga que las superaleaciones.

Tabla 16.8. Ejemplos de materiales reforzados con fibras y sus aplicaciones.

Estos materiales se emplean en aplicaciones estructurales dada su relación resistencia/peso.

Destinando los compuestos de matriz metálica para componentes que trabajan a alta

temperatura.

BIBLIOGRAFIA * Modelización microscópica del daño por irradiación en metales hcp (α-Zirconio): efecto de anisotropía en la difusión y evolución de defectos, por Cristina María Arévalo Mora - Universidad Politécnica de Madrid - (Tesis doctoral).