Unidad 1. Estudio de Los Materiales

7/23/2019 Unidad 1. Estudio de Los Materiales

1/52Divisin de Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en Energas Renovables 1

Materiales y nanotecnologaUnidad 1. Estudio de los materiales

Materiales y nanotecnologa

6Semestre

Unidad 1. Estudio de los materiales




ndice

Unidad 1. Estudio de los materiales ............................................................................... 3

Presentacin de la unidad .............................................................................................. 3

Propsitos ...................................................................................................................... 4

Competencia especfica ................................................................................................. 4

1.1. Clasificacin y generalidades de los materiales....................................................... 7

1.1.1. Materiales tradicionales .................................................................................... 7

1.1.2. Nanomateriales ............................................................................................... 191.2. Propiedades de los materiales .............................................................................. 24

1.2.1. Propiedades fsicas de los materiales ............................................................. 25

1.2.2. Propiedades de las nanopartculas individuales .............................................. 46

Evidencia de aprendizaje. Materiales en un sistema energtico ................................... 49

Autorreflexiones ........................................................................................................ 49

Cierre de la unidad ....................................................................................................... 50

Para saber ms ........................................................................................................ 50

Fuentes de consulta ..................................................................................................... 51




Unidad 1. Estudio de los materiales

Presentacin de la unidad

En las ciencias o ingenieras se presentan continuamente situaciones que involucran eldiseo de sistemas energticos, y en consecuencia el estudio de los materiales. Laimportancia radica en la eleccin del material adecuado de entre los disponibles. Se debetomar en cuenta para su eleccin las condiciones en que el material prestar servicio, ypor lo tanto, las propiedades requeridas del material. Generalmente, un material no renetodas las caractersticas deseadas en el sistema, de modo que se deben valorar algunaspropiedades por otras, adems de tener en cuenta otro tipo de criterios como el

procesado y el costo del material.

Por otro lado, existe la necesidad de generar nuevas fuentes de energa y mejorar las yaexistentes. Los materiales desempean un papel importante en este desarrollo. Porejemplo, para lograr la conversin de la energa solar en energa elctrica, se necesitanceldas solares cuyos materiales son caros y complejos. Por lo tanto, la viabilidadtecnolgica de esta conversin est en funcin del desarrollo de materiales de bajo costoy de alta eficiencia para este proceso.

En los ltimos aos, uno de los campos ms estudiados ha sido el de los nanomateriales.Se ha encontrado que hasta los materiales ms simples y ms conocidos poseensorprendentes propiedades cuando se encuentran en tamaos nanomtricos. Estosucede con la resistencia mecnica por ejemplo, que es muy superior a la encontrada enlos materiales convencionales. Los nanomateriales ofrecen un amplio espectro deposibilidades para el desarrollo de nuevos dispositivos con fascinantes aplicacionespticas, magnticas, electrnicas y mecnicas.

En esta unidad, se podrn diferenciar los tipos de materiales con base en algunas de suspropiedades fsicas ms importantes. En las unidades siguientes se estudiarn lasdiferencias en cuanto a estructura interna, entre estos tipos de materiales.




Propsitos

Al finalizar con el estudio de la unidad:

Identificars las caractersticas generales de losmateriales.

Reconocers las diferentes propiedades de losmateriales.

Relacionars las propiedades con los tipos demateriales.

Competencia especfica

Diferenciar los tipos de materiales para relacionarlos con suspropiedades macroscpicas identificando su estructura qumica.




Planeacin del docente en lnea

Es un espacio diseado para que tu docente en lneaestablezca suplaneacin didctica, es decir, el diseo de cada una de lasactividades que debes realizar.

Recuerda estar atento a dicho espacio para revisar las indicacionesprecisas, por ejemplo, fechas de entrega, formatos, materiales deconsulta, actividades o ejercicios que te aportarn en tu aprendizaje.

Tambin en este espacio tu docente en lneate indicar al finalizarel curso la actividad que debers entregar en laAsignacin a cargodel docente en lnea, as que mantente atento a lo largo del curso, yrevisa constantemente esta herramienta, porque ser lacomunicacin directa con tu docente en lneasobre cada una de lasactividades a entregar.

Por lo tanto, este espacio solo es de consulta y no es necesario queparticipes en l.

Foro de dudas

Este es un espacio de consulta y comunicacin, recuerda que fuedelimitado para resolver inquietudes y compartir ideas sobre losaspectos que abordars durante el semestre.

El objetivo del foro es generar una mejor comunicacin con tuscompaeros(as) y docente en lnea.

Para desarrollar algn planteamiento sobre la asignatura, debersrealizarlo siguiente:

1. Revisalos comentarios desarrollados por tus




compaeros(as) para saber si ya existen aportes similares atu planteamiento.

2. Si no es as, describetu planteamiento de forma clara paraque todos(as) puedan comprenderlo y te ayuden aresolverlo.

*Se recomienda que en caso de que ya exista unplanteamiento hecho por alguien ms y que sea similar altuyo, puedes describir tu respuesta a este planteamiento enesa misma lnea de discusin para evitar temas duplicados.

3. Esperaa que tu docente en lneau otro(a) compaero(a) teresponda.

Adems de exponer tus dudas, puedes apoyar en contestar las quegeneran tus compaeros(as), si es el caso, puedes realizarlosiguiente:

Consulta los comentarios de tus compaeros(as) y si tienesla respuesta, aydalospara que resuelvan sus inquietudes.*Recuerda que al hacerlolo debers realizar de formarespetuosa y clara, siempre enfocndote en las cuestionesacadmicas.

*Para dar solidez a los comentarios que hagas relacionadoscon el contenido de la asignatura, respaldatus aportes confuentes de referencia confiables. (Artculos cientficos, libros,pginas web de universidades, etc.)

*No olvides que tu docente en lneaestar al pendiente de todos loscomentarios que se emitan en el foro, ya que l es el (la)encargado(a) de mediar y cerrar este espacio.




1.1. Clasificacin y generalidades de los materiales

La palabra material adquiere diferentes significados segn el contexto en el que seencuentre. En este contexto, un material es un compuesto o mezcla de compuestos quegracias a sus propiedades fsicas, qumicas o biolgicas satisface alguna necesidad delser humano. Esta definicin no excluye lquidos ni gases, sin embargo, la mayor parte delos materiales que poseen diversas propiedades funcionales, son los materiales slidos(Martnez, 2011).

1.1.1. Materiales tradicionales

El desarrollo y la evolucin de las sociedades estn ntimamente vinculados con su

capacidad para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer susnecesidades. El hombre primitivo, solo tena acceso a un nmero muy limitado demateriales que encontraba en la naturaleza, como piedras, madera, arcilla, cuero y otros.

Con el transcurso del tiempo, el hombre descubri tcnicas para producir materiales conpropiedades superiores a las naturales, como los metales y algunas cermicas. Adems,encontr que las propiedades se podan modificar por tratamientos trmicos o adicin deotras sustancias. Ms cercano a esta era, los cientficos han llegado a comprender larelacin entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. De maneraque este conocimiento ha permitido modificar las caractersticas de los materiales parasatisfacer las necesidades de la sociedad moderna.

Los materiales slidos se pueden clasificar en cuatro grupos: metales, cermicos,polimricos y compuestos, de acuerdo a su composicin qumica, estructura ypropiedades. Adems, existen otro tipo de materiales avanzados como losnanomateriales, donde en su estructura existe una dependencia de las propiedades con eltamao de partcula (entendida como aglomerados de material).

Metales

Seguramente ests familiarizado con los elementos metlicos que se clasifican en la tabla

peridica. Por ejemplo, el hierro, el cobre, el aluminio, el nquel, el titanio son algunos delos ms conocidos, tal como se muestra en la imagen de la tabla peridica. Sin embargo,cuando se habla de materiales metlicos, no solamente se refiere a elementos puros, sinoa mezclas de dos o ms elementos, conocidas como aleaciones. No obstante, tambin sepueden incluir elementos no metlicos en una aleacin, como por ejemplo el carbono,nitrgeno y oxgeno, aunque en menor proporcin.




IA

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Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw

Elementos metlicos en la tabla peridica (sombreados de color verde).

Algunas de las caractersticas de estos materiales son bien conocidas, debido a queexiste una gran cantidad aplicaciones en la vida cotidiana. En general, los metales sonbuenos conductores trmicos y elctricos, adems pueden ser resistentes y dctiles (sedeforman sin romperse) a temperatura ambiente. Por otro lado, pueden obtenersealeaciones con una alta resistencia mecnica incluso a altas temperaturas, mucho mejorque los metales puros.

Aplicaciones comunes de los metales. Fuente: tomado de Flickr de Yahoo, (2013).




Ya sea en aleacin o puros, los metales se emplean en numerosas industrias, como laaeronutica, la biomdica, de los semiconductores, electrnica, energtica, de estructurasciviles y del transporte.

De acuerdo a sus aplicaciones, los metales se pueden clasificar en dos clases:1. Aleaciones y metales ferrosos, los cuales contienen hierro como uno de sus

principales componentes.2. Aleaciones y metales no ferrosos que carecen de hierro.

Aleaciones frreas

Las aleaciones frreas se pueden clasificar segn el contenido en carbono en tresgrandes grupos: el hierro, que no contiene carbono o se encuentra en proporcionesmenores a 0.008%, el acero cuando la aleacin Fe-C tiene un contenido de carbonomenor al 2% en peso y fundicin cuando la aleacin Fe-C tiene un contenido de carbonosuperior al 2.1%

Las aleaciones frreas son de gran inters comercial debido a su uso como material parala construccin, el transporte y diversos aparatos. Por ejemplo, el hierro puro tiene muypocos usos, pero al mezclarlo con el carbono puede formar acero e hierro colado. Estosmateriales son muy verstiles, debido a que es posible manipular las proporciones de suscomponentes a fin de que tengan determinadas propiedades fsicas y mecnicas. Sinembargo, estos materiales son susceptibles a la corrosin, un problema bastante comnen las construcciones.

Motor de combustin interna. Fuente: tomado de Flickr de Yahoo, (2013).

Los metales usados dentro de un motor deben ser capaces de resistir las altastemperaturas y presiones generadas durante su funcionamiento. Muchas aleacionesmetlicas como las de titanio, acero inoxidable y las basadas en cobalto se han empleado




en aplicaciones biomdicas, como implantes ortopdicos, vlvulas cardacas, dispositivosde fijacin y tornillos. Estos materiales ofrecen gran resistencia, dureza ybiocompatibilidad. Esta ltima caracterstica es muy importante, ya que el ambiente dentro

del cuerpo humano es muy corrosivo y la impenetrabilidad de los materiales empleadospara estas aplicaciones es fundamental.

El acero tiene un especial inters debido a que es un material con excelentes propiedadesmecnicas. Posee una gran capacidad de deformacin o ductilidad, factor importante quele permite deformarse poco frente a cargas sbitas y elevadas. Por ejemplo, durante lossismos, las ventanas de vidrio se rompen, al ser materiales frgiles (sin ductilidad),mientras que los marcos de acero continan funcionando con normalidad (Shackelford,2005). Sin embargo, el acero presenta ciertas desventajas, como su alta densidad, bajaconductividad elctrica y cierta susceptibilidad a la corrosin. Por estos motivos, es comncombinarlo con otros metales como manganeso, cromo, nquel y molibdeno con el fin demejorar sus propiedades y abrir su rango de aplicaciones. De acuerdo a su concentracinen carbono (menor al 2%), se pueden clasificar en aceros bajos, medios y altos encarbono (Callister, 1995).

En las fundiciones tambin se encuentra presente el silicio y otros elementos, con el fin demejorar las propiedades del producto final. El hierro colado por ejemplo, se utiliza para lafabricacin de monobloques y cabezas para motores de combustin interna.

Clasificacin general de las aleaciones.

Aleaciones no frreas

Los metales no ferrosos estn compuestos por elementos metlicos y aleacionesdiferentes al hierro. Los metales ms importantes en este grupo son el aluminio, cobre,magnesio, nquel, titanio y zinc. Este tipo de materiales no pueden igualar la resistenciade los aceros, sin embargo, algunas aleaciones no ferrosas tienen caractersticas comoresistencia a la corrosin y relaciones resistencia-peso que los hacen competitivos con losaceros en aplicaciones para esfuerzos moderados y altos. Adems, muchos de ellostienen otras propiedades distintas a las mecnicas que los hacen ideales paraaplicaciones en las que el acero podra ser inadecuado. Por ejemplo, el cobre tiene una

Aleaciones

Frreas

Aceros

Fundiciones

No frreas

Aluminio, cobre, magnesio,

nquel, titanio, zinc, bronce,

estao.




de las menores resistividades elctricas entre los metales y es ampliamente usado paraconductores elctricos. El aluminio es un excelente conductor trmico y sus aplicacionesincluyen intercambiadores de calor y utensilios de cocina, adems es uno de los metales

ms fciles de formar. El zinc tiene un punto de fusin relativamente bajo, por lo cual, seutiliza ampliamente en operaciones de fundicin en dados. Los metales no ferrososcomunes tienen su propia combinacin de propiedades que los hacen tiles para unavariedad de aplicaciones (Callister, 1995).

Cermicos

En general, los materiales cermicos son aislantes elctricos, trmicos y son msresistentes que los metales o los polmeros en ambientes agresivos o de elevadastemperaturas.

Algunos materiales cermicos de uso comn. Fuente: tomado de Flickr de Yahoo, (2013).

Aunque el aluminio (Al) es un metal, como se mencion anteriormente, el compuestoformado por aluminio y oxgeno, el xido de aluminio () forma parte de otro tipo muydistinto de materiales, los cermicos.

En particular, el xido de aluminio tiene dos ventajas sobre el aluminio, es qumicamenteestable en una gran variedad de condiciones en las cuales el aluminio se oxidara. Estecompuesto, obtenido por la reaccin espontnea entre el aluminio y el oxgeno, cambiatrascendentalmente varias de sus propiedades. Por ejemplo, tiene una temperatura defusin mucho mayor (2020C) que la del aluminio (660C). Esto hace del xido dealuminio, un material resistente a altas temperaturas. Este material refractario esampliamente usado en la construccin de hornos industriales. Adems, su dureza es

mayor comparada con la del aluminio, permitiendo su uso como polvo para pulido demetales y otras cermicas (Shackelford, 2005).

Comparando las propiedades de las cermicas y los metales, vistas con anterioridad,surge la siguiente pregunta: por qu no se utiliza el xido de aluminio en motores deautomviles en lugar de las aleaciones metlicas? El xido de aluminio o almina es unmaterial con mayor estabilidad a altas temperaturas y un punto de fusin alto comparadocon la mayora de los metales y las aleaciones metlicas. No obstante, las cermicas por




su dureza, son muy frgiles. Lo que las excluye como materiales para aplicacionesestructurales. Adems, los metales y sus aleaciones tienen alta ductilidad, una propiedaddeseable que les permite soportar cargas de impacto relativamente grandes sin romperse.

En los materiales cermicos, y en general en los slidos, se pueden distinguir dosgrandes grupos que permiten clasificarlos de acuerdo al ordenamiento de sus tomos omolculas. De esta manera, un material slido se puede clasificar como ordenado ocristalino y desordenando o amorfo. Sus propiedades fsicas cambian drsticamente, porejemplo, un slido ordenado de silicio () puede tener excelentes propiedadeselectrnicas, y su contraparte, un slido amorfo de Si tiene pobres propiedades detransporte de carga. De la misma forma, la dureza de una slido ordenado de xido desilicio () puede resistir gradientes de temperatura ms altos que cuando se tiene elmismo compuesto conformando un slido amorfo.

Entre los slidos amorfos ms notables y con mayor nmero de aplicaciones, seencuentran los vidrios. Estos se usan como recipientes, ventanas, lentes y fibra. Losvidrios son silicatos no cristalinos (), es decir amorfos, que contienen otros xidoscomo , , , y, los cuales influyen en las propiedades del vidrio. Un vidriotpico de cal y sosa est formado por aproximadamente 70% en peso de , el resto esprincipalmente (sosa) y (cal). Las principales propiedades de estos materialesson su transparencia ptica y la facilidad con que pueden fabricarse.

Adems del xido de aluminio, otros buenos ejemplos de materiales cermicos son elxido de magnesio y silicio. La slice (xido de silicio) constituye la base de la amplia

familia de los silicatos que incluye las arcillas y los materiales arcillosos. La mayor partede los cermicos con importancia comercial son compuestos qumicos constituidos por almenos un elemento metlico y uno de los cinco elementos no metlicos (, , , o ).

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Fr Rs Ac Rf Db Sg


Elementos metlicos y no metlicos usados para producir materiales cermicos (sombreados).




En la tabla se muestra la variedad de materiales cermicos que es posible producircombinando metales (sombreado claro) con los cinco elementos no metlicos (sombreadooscuro).

Finalmente, los vitrocermicos, son materiales que a diferencia de los vidrios tiene uncomponente cristalino, es decir, sus componentes presentan cierto orden. La mayor partede los vitrocermicos son ms resistentes que el vidrio. Estos productos primero seforman y luego se tratan trmicamente a fin de que ocurra la desvitrificacin(recristalizacin) del vidrio, que se tratar a detalle en la siguiente unidad. A diferencia dela mayor parte de los vidrios, que son transparentes, los vitrocermicos son, por lo generalde color blanco o gris. Tienen una buena resistencia al choque trmico, debido a que sudilatacin trmica es muy baja, adems de su baja porosidad en comparacin a la queusualmente se encuentra en los cermicos convencionales. Algunas de sus aplicacionestpicas son en utensilios de cocina, intercambiadores de calor en los motores de turbinasde gas y en aplicaciones elctricas y electrnicas.

Polimricos

Los polmeros estn formados por muchas molculas (monmeros) unidas entre s. Lamayora de los materiales polimricos constan de largas cadenas basadas en el carbono,hidrgeno y otros elementos no metlicos (Shackelford, 2005). Uno de los polmeroscomerciales ms comn es el polietileno (), donde n puede variar entre 100 y 1000.

Algunas de sus propiedades ms reconocidas son sus bajas densidades y suextraordinaria flexibilidad.

Los polmeros son molculas de cadena larga formadas por muchas molculas(monmeros) unidas entre s.

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Elementos de la tabla peridica que se asociada a los polmeros comerciales (sombreados).




En este curso nos centraremos a los polmeros sintetizados artificialmente, sin embargo,es interesante saber que existen una gran cantidad de polmeros naturales procedentesde plantas y animales, como la madera, caucho, lana, cuero y seda. Tambin hay otro tipo

de polmeros naturales, tales como las protenas, los enzimas, los almidones y la celulosa,aunque su importancia radica en los procesos bioqumicos y fisiolgicos de plantas yanimales.

Usos comunes de los polmeros, botellas y suelas de zapatos. Fuente: tomado de Flickr de Yahoo,(2013).

La sntesis de los polmeros suele ser barata y las propiedades conseguidas comparablesy a veces superiores a las de los anlogos naturales. Uno de los mayores impactos

tecnolgicos en la vida cotidiana ha sido realizado por los polmeros, comercialmenteconocidos como plsticos. Es fcil encontrar ejemplos de productos baratos y funcionalesfabricados con polmeros. En algunas aplicaciones, los metales y la madera se sustituyenpor polmeros, ya que tienen propiedades idneas y se pueden fabricar a bajo costo.

La mayora estos materiales son malos conductores de electricidad. En general, tienenbajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposicin relativamentebajas. La mayora de los polmeros, de manera similar a los metales, tienen la propiedadmecnica de la ductilidad. Y a diferencia de los cermicos, son a menudo una alternativade bajo costo y de baja densidad en ciertas aplicaciones estructurales como el panel de lacarrocera de un automvil.

Normalmente las industrias crean mezclas de polmeros a fin de ajustarlas a aplicacionesespecficas, ya que ningn otro polmero es adecuado por s solo. Debido a que estasmezclas se producen con base en los polmeros existentes con propiedades bienconocidas, su creacin resulta menos costosa y ms confiable que sintetizar un polmeronico para una aplicacin especfica. Por ejemplo, los elastmeros, un polmero muydeformable, suele mezclarse con otros plsticos para mejorar su resistencia al impacto.




Esas mezclas tienen un empleo importante en parachoques automotores, alojamientos delas herramientas motorizadas, artculos deportivos y componentes sintticos de muchasinstalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar fabricadas con una

combinacin de caucho y poliuretano.

Muchos polmeros, incluido el polietileno, son simplemente compuestos de carbono ehidrgeno. Otros tipos tambin pueden contener oxgeno (acrlicos), nitrgeno (nylon),flor (plsticos fluorados), o silicio (siliconas).

Existen diversas clasificaciones de los polmeros, de acuerdo a alguna de suscaractersticas (Callister, 1995). De manera general los podemos clasificar en

Termoplsticos. Estos polmeros se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse. Esteproceso es reversible, de modo que estos materiales pueden ser moldeados.

Termoestables.Son polmeros que endurecen al calentarse y no se ablandan al continuarsuministrando calor. Son rgidos debido al gran nmero de entrecruzamientos entre suscadenas de macromolculas.

Elastmeros. Estos polmeros son flexibles y pueden expandirse o contraerse fcilmenteante la aplicacin de una fuerza externa

Materiales compuestos

Los materiales compuestos conforman un importante grupo de materiales obtenidos poruna combinacin de materiales individuales pertenecientes a las categoras previas. Losmateriales compuestos estn formados por ms de un tipo de material con el objetivo dealcanzar la mejor combinacin de las caractersticas de cada componente. Los materialescompuestos basados en fibra de vidrio son muy comunes. En general, se componen poruna serie de fibras de vidrio embebidas en una matriz polimrica. El material compuestorene lo mejor de sus componentes, dando lugar a un producto superior a cualquiera dedichos componentes por separado. La alta resistencia de las fibras de vidrio de pequeodimetro, se combina con la ductilidad de la matriz polimrica para producir un materialresistente, capaz de soportar la carga habitual requerida en un material estructural(Shackelford, 2005).




Fibras de vidrio. Fuente: tomado de Flickr de Yahoo, (2013).

La mayora de las nuevas tecnologas requiere materiales con propiedades muyespecficas, que sera imposible de conseguir con los materiales convencionales por ssolos. En ingeniera aeronutica por ejemplo, se requieren materiales de baja densidadque sean rgidos y resistentes al impacto, a la abrasin y a la corrosin. Normalmente, los

materiales ms resistentes son relativamente densos, adems un incremento de laresistencia y de la rigidez se traduce, generalmente, en una disminucin de la resistenciaal impacto. Por estas razones, los cientficos e ingenieros combinan metales, cermicas ypolmeros para producir materiales con caractersticas superiores. La mayora de losmateriales compuestos se han creado para mejorar la combinacin de propiedadesmecnicas, tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la traccin a temperaturaambiente y a elevadas temperaturas.

Durante el desarrollo de esta unidad ya se han mencionado algunos tipos de materialesformados por diferentes materiales, como las aleaciones metlicas, las cermicas y los

polmeros. Por otro lado, existen materiales de compuestos naturales, como por ejemplola madera, que consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rgidollamado lignina. El hueso tambin es un material compuesto, est formado por colgeno,una protena resistente pero blanda, y por hidroxiapatita, un cermico frgil.

Para los fines de este curso, un material compuesto es un material multifase obtenidoartificialmente. Adems, las fases constituyentes deben ser qumicamente distintas yseparadas por una intercara o interfase. Por este motivo, algunas de las aleacionesmetlicas y muchas cermicas no entran en esta definicin.

El hormign es un ejemplo bastante comn de un material compuesto granular. En l la

arena y la grava refuerzan una matriz compleja de cemento de silicato.

La mayor parte de los materiales compuestos estn formados por dos fases: la matriz, escontinua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las propiedades de loscompuestos son funcin de las propiedades de las fases constituyentes, de susproporciones relativas y de la geometra de las fases dispersas, es decir, su forma,tamao, distribucin y orientacin de las partculas.




De forma simple se puede a clasificar los materiales compuestos como: compuestosreforzados con partculas, compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales.

En este caso no se muestra la zona de la tabla peridica caracterstica de los materialescompuestos, puesto que este tipo de materiales comprende la tabla peridica completa, aexcepcin de los gases nobles.

Semiconductores

Los semiconductores son materiales con propiedades elctricas que permiten lafabricacin de los circuitos integrados y que han revolucionado, las industrias electrnicasy de ordenadores. Son materiales en los cuales sus propiedades de transporte de cargapermiten el control de su conductividad elctrica. No son ni buenos conductores elctricosni buenos aislantes elctricos, en lugar de ello, su capacidad para conducir la electricidades intermedia. En comparacin, los metales son buenos conductores elctricos, loscermicos y los polmeros son generalmente malos conductores pero buenos aislantes.

Circuito integrado (chip). Fuente: tomado de Flickr de Yahoo, (2013).

A diferencia de los metales, en los semiconductores, las bandas de valencia y deconduccin estn separadas por una brecha o banda prohibida de energa. Losportadores de carga deben cumplir con condiciones especiales de energa y momentumpara poder contribuir en la conduccin. Afortunadamente, estas condiciones puedenalcanzarse gracias a una perturbacin externa, la cual puede ser de origen elctrico, por

la aplicacin de una diferencia de potencial, por la incidencia de radiacin, entre otras.

Se distinguen dos tipos de estos materiales, los semiconductores intrnsecos que sonaquellos cuyo comportamiento elctrico se basa en la estructura electrnica inherente almaterial puro y los extrnsecos cuyas propiedades elctricas dependen de la naturalezaqumica de la impureza, siendo esta de una especie qumica distinta al semiconductor.




Las propiedades elctricas de estos materiales son extremadamente sensibles a lapresencia de pequeas concentraciones de impurezas. La mayor parte de lossemiconductores comerciales son extrnsecos, es decir el comportamiento elctrico est

determinado por impurezas, las cuales introducen electrones o huecos en exceso auncuando estn presentes en pequeas concentraciones.

Como se expuso anteriormente, los metales son buenos conductores elctricos. Loscermicos y los polmeros son generalmente malos conductores pero buenos aislantes.

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Elementos de la tabla peridica con los que se produce materiales semiconductores(sombreados).

Los elementos semiconductores ms usados son el silicio y el germanio (Si y Ge), se

encuentran en la columna IVA y constituyen una especie de frontera entre los elementosmetlicos y los no metlicos. El control preciso de su pureza qumica permite controlarexactamente sus propiedades electrnicas. A medida que se han ido desarrollandotcnicas para producir variaciones en la pureza qumica en zonas muy pequeas, se hanpodido obtener complicados circuitos electrnicos en superficies diminutas. Estosmicrocircuitos son la base de la actual de la tecnologa.

Existen otros compuestos semiconductores que presentan tambin comportamientointrnseco. Entre los ejemplos se incluyen el arseniuro de galio (GaAs), que se empleacomo un rectificador para alta temperatura y en la fabricacin de cristales de lser, y el

sulfuro de cadmio (CdS), que se utiliza como una clula solar de bajo costo paratransformar la energa solar en energa elctrica utilizable. Los distintos compuestosobtenidos a partir de estos elementos muestran similitudes con muchos de loscompuestos cermicos. Con adiciones apropiadas de determinadas impurezas, algunoscermicos pueden presentar un comportamiento semiconductor por ejemplo, el xido decinc (ZnO), que se utilizaba como fsforo en las pantallas de televisores en color.




En general, se han presentado y distinguido los diferentes tipos de materiales, suscomponentes caractersticos, as como algunas de las propiedades generales que losdistinguen de los dems grupos. Se considera que estos materiales, que se han llamado

tradicionales, se encuentran en conjuntos microscpicos o mayores, de manera que laspropiedades del material no cambian sin importar el volumen. En la siguiente seccin setratarn los materiales a menores escalas, donde el comportamiento de las propiedadespuede variar de acuerdo a su tamao.

1.1.2. Nanomateriales

Las nanopartculas y las nanoestructuras han sido parte de la naturaleza y de la vida pormillones de aos, pero el ser humano ha ido adquiriendo la habilidad para trabajar, mediry manipular estas estructuras. Uno de los objetivos de la nanotecnologa, es aprovecharlas nuevas propiedades que presentan las partculas en estas dimensiones, y que son

distintas a sus propiedades volumtricas, es decir, materiales de tamaos macroscpicos.

Para leer ms sobre la nanotecnologa y el surgimiento de este rea, se recomiendaconsultar la publicacin: Nanociencia y Nanotecnologa: Entre la ciencia ficcin delpresente y la tecnologa del futuro. Y si se desea conocer la situacin de Mxico en estecontexto, se recomienda el artculo: Diagnstico y prospectiva de la nanotecnologa enMxico.

Los nanomateriales son granos, fibras, pelculas y compuestos que son del orden de 1-100 nm de tamao en alguna de sus dimensiones. La disminucin del tamao permite

obtener propiedades que promueven el desarrollo de materiales y dispositivos confuncionalidades y caractersticas completamente nuevas (Ramos, 2011). Estos materialesse pueden clasificar en nanomateriales basados en carbono, nanomateriales metlicos,dendrmeros y nanocompuestos.

Dentro de estas categoras se incluyen agregados atmicos (clusters) y partculas, fibras,lminas delgadas, con dimetro, longitud y espesor inferiores a 100 nm respectivamente.Tambin comprende a los materiales compuestos, los cuales contienen alguno de estos

Ejercicio prctico

Antes de continuar con el estudio de los siguientestemas, realizalos ejercicios que se proporcionan en el

documento de Ejercicio 1. Materiales tradicionales, quese encuentra en la carpeta de Material deestudio.




elementos combinado en algn material. Entre las composiciones de mayor importanciaestn los carburos, los xidos, los nitruros, los metales y sus aleaciones, los polmerosorgnicos y varios materiales compuestos.

Los nanomateriales tienen algunas propiedades que con frecuencia son superiores a losmateriales tradicionales. Estas caractersticas pueden incluir la resistencia mecnica, ladureza, la ductilidad, la resistencia al desgaste y a la corrosin.

Nanomateriales basados de carbono

Estos nanomateriales estn compuestos mayoritariamente por carbono y suelen adoptarformas como esferas huecas, elipsoides o tubos. Los nanomateriales de carbono conforma elipsoidal o esfrica se conocen como fullerenos, mientras que los cilndricosreciben el nombre de nanotubos. Estas partculas tienen muchas aplicaciones, incluido eldesarrollo de recubrimientos y pelculas mejoradas, materiales ms ligeros y resistentes ydiversas aplicaciones en el campo de la electrnica.

Estructura del fullereno C60. Fuente: tomado de Poole, (2007).

Los fullerenos son la tercera forma ms estable del carbono, despus del diamante y elgrafito. Hay una gran diversidad de estas estructuras, estn formadas nicamente portomos de carbono y presentan diferentes formulaciones: C20, C60, C70, etc. La msconocida de todas ellas es el C60, formada por 20 hexgonos y 12pentgonos, con unaspecto similar al de un baln de ftbol. De entre las posibles aplicaciones estn laelaboracin de nuevos tipos de polmeros, superconductores, estructuras con metales o




con otros tomos atrapados dentro de estos agrupamientos de carbono, as como nuevoscatalizadores, productos farmacuticos y otras posibles aplicaciones industriales.

Nanotubo de carbono. Fuente: basado en Poole, (2007).

Los nanotubos son estructuras tubulares cuyo dimetro es del orden de 1 nanmetro(nm), pero la longitud del tubo puede ser miles de veces ms grande. Existen nanotubosde muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el trminose aplica a los nanotubos de carbono. Estos son una forma alotrpica del carbono, comoel diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente deuna lmina de grafito enrollada sobre s misma. Dependiendo del grado de enrollamientoy la manera como se conforma la lmina original, el resultado puede llevar a nanotubos dedistinto dimetro y geometra interna. Existen tambin nanotubos cuya estructura seasemeja a la de una serie de tubos concntricos, incluidos unos dentro de otros, estosson llamados nanotubos multicapa. Tambin existen derivados en los que el tubo estcerrado por media esfera de fullereno.

Debido a sus excelentes propiedades mecnicas, las aplicaciones de los nanotubos son

muy variadas. Se pueden utilizar en ropa militar, para hacerla ms resistente, hormign,para incrementar su resistencia a la tensin, equipo deportivo para disminuir su peso yaumentar su resistencia, etc.

El grafeno son lminas planas de tomos de carbono que constituyen el grafito. Es elcomponente bsico de los nanotubos de carbono y los fullerenos. Este material esbidimensional, ya que cuenta con un solo un tomo de grosor y los tomos forman unared hexagonal. Es un material muy resistente y es mejor conductor de la electricidad quemuchos materiales metlicos.

Nanomateriales metlicos

Estos nanomateriales incluyen nanopartculas de oro y plata y xidos metlicos como eldixido de titanio. Las nanopartculas son generalmente de forma esfrica, con dimetrosmenores a 100nm. Las ms comnmente sintetizadas y estudiadas son las de metalesnobles como oro, plata, platino y paladio.




Las nanopartculas de metales nobles, en particular las nanopartculas de oro, presentanexcelentes propiedades fsicas, qumicas y biolgicas, que son intrnsecas a su tamaonanomtrico. Destacan sus propiedades fototrmicas, por las que al ser activadas en

presencia de luz lser, desprenden calor, actuando como nano-calefactores.

Aunque la palabra nanopartcula es relativamente nueva, han estado presentes inclusoantes de que la palabra surgiera. Por ejemplo, en el papel fotogrfico, pequeaspartculas de plata son parte del proceso de formacin de las imgenes. A temperaturaambiente, el agua consiste en cmulos de molculas de agua enlazadas entre s porpuentes de hidrgeno. De manera generalmente se considera que las nanopartculas soncierto nmero de tomos o molculas enlazados entre s, con un radio menor a 100nm.

Dendrmeros

Los dendrmeros forman parte de los polmeros, pero su diferencia radica en que ladistribucin de las molculas que constituyen a los polmeros lineales es probabilstica, encambio los dendrmeros, tienen una estructura qumica precisa, donde los enlacesqumicos entre los tomos pueden ser descritos con exactitud. Las macromolculasdendrimricas presentan una forma de crecimiento generacional.

La superficie de un dendrmero tiene numerosos extremos de cadena, que se puedenadaptar para desempear funciones qumicas especficas. Esta propiedad se podrautilizar tambin para la catlisis. Adems, debido a que los dendrmeros tridimensionalescontienen cavidades interiores en las que se pueden introducir otras molculas, pueden

ser tiles para la administracin de frmacos.

Compuestos

Los compuestos combinan nanomateriales con otros o con materiales de mayor tamao.Las nanopartculas, como arcilla a nanoescala, se aaden a numerosos productos, desdepiezas de automviles a materiales de empaquetado, para mejorar sus propiedadesmecnicas, trmicas, protectoras, etc.

Los nanomateriales compuestos son materiales en los que al menos una dimensin de laspartculas dispersadas en la matriz tiene dimensiones del orden del nanmetro. Lasdimensiones de las partculas son tan pequeas que tienen una elevada superficieinterfacial, debido a su gran rea superficial.

Los materiales conformados con nanomateriales y los llamados aqu, tradicionales, sonlos de mayor inters en este campo, debido a que se pueden fabricar materiales concaractersticas especiales que anteriormente no era posible conseguir con los materialescompuestos tradicionales. Con este tema se finaliza la descripcin general de los tipos de




materiales, continuado con la presentacin de las diferentes propiedades que puedendescribir el comportamiento de los materiales.

Ejercicio prctico

Respondelas siguientes preguntas.

1. Indique si la oracin es verdadera o falsa.

El grafito son lminas planas de tomos de carbonobidimensionales.

2. Elige la opcin que responda a la pregunta.

La forma de los fullerenos es:a) cuadradab) tubular o cilndricac) puntuald) elipsoidal o esfrica

RetroalimentacinF. El grafeno son lminas planas de tomos de carbonoque constituyen el grafito.

d. Los nanomateriales de carbono con forma elipsoidal oesfrica se conocen como fullerenos.




Actividades

Con lo revisado hasta el momento, ests preparado(a) para realizarla Actividad 1. Materiales en un sistema energtico, solo esperaque tu docente en lneate proporcione las indicaciones para realizarla actividad.

Actividades

Realiza la Actividad 2. Aplicaciones, solo espera que tu docenteen lneate proporcione las indicaciones para realizar la actividad.

1.2. Propiedades de los materiales

Un material utilizado en algn sistema energtico est continuamente expuesto aestmulos externos que provocan algn tipo de respuesta. Por ejemplo, una muestrasometida a esfuerzos experimenta deformacin; o un metal pulido refleja la luz. Laspropiedades de un material se expresan en trminos del tipo y magnitud de la respuesta aun estmulo especfico impuesto. Las definiciones de las propiedades suelen serindependientes de la forma y del tamao del material.

De esta manera, las propiedades son caractersticas que identifican a un material, las

cuales se pueden organizar en propiedades fsicas, qumicas y mecnicas. Para los finesde esta unidad se tratarn las fsicas y mecnicas, que se han comprendido enpropiedades fsicas.

Las propiedades fsicas ms importantes de los materiales slidos se agrupan en cincocategoras: mecnicas, elctricas, trmicas, magnticas y pticas. Para cada categoraexiste un tipo caracterstico de estmulos capaz de provocar respuestas diferentes.




Las propiedades mecnicas relacionan la deformacin con la carga o fuerzaaplicada; ejemplos de ellas son el mdulo elstico y la resistencia.

En las propiedades elctricas, tales como conductividad elctrica y constantedielctrica, el estmulo es un campo elctrico.

El comportamiento trmico de los slidos se representa en funcin de la capacidadcalorfica y de la conductividad trmica.

Las propiedades magnticas se refieren a la respuesta de un material frente a lainfluencia de un campo magntico.

En las propiedades pticas, el estmulo es la radiacin electromagntica olumnica; el ndice de refraccin y la reflectividad son propiedades pticasrepresentativas.

En los siguientes subtemas se tratarn las propiedades incluidas en cada una de estascinco clasificaciones.

1.2.1. Propiedades fsicas de los materiales

Propiedades mecnicas

Las propiedades mecnicas determinan el comportamiento de los materiales cuando seles sujetan a esfuerzos mecnicos. Estas propiedades incluyen el mdulo de elasticidad,ductilidad, dureza y resistencia. Las propiedades mecnicas son importantes en el diseo,porque el funcionamiento de los productos depende de su capacidad para resistirdeformaciones bajo los esfuerzos que enfrentan en el servicio. El objetivo general delproducto sera resistir esos esfuerzos sin un cambio significativo en su geometra.

Si una carga es esttica o cambia con el tiempo muy lentamente y es aplicada de manerauniforme sobre una seccin de superficie de una pieza, se puede estimar elcomportamiento mecnico mediante un ensayo esfuerzo-deformacin.

Existen diferentes maneras de aplicar la carga: traccin, compresin, cortante y torsional.Un esquema del comportamiento general se muestra en la siguiente figura.




Ilustracin esquemtica de cmo una carga produce una deformacin. Las lneas punteadasmuestran la forma antes de la deformacin. Cada figura corresponde a cargas de a) traccin, b)

compresin, c) cortante, d) torsin. Fuente: tomado de Callister, (2010).

Ensayos de traccin

Uno de los ensayos mecnicos esfuerzo-deformacin ms comunes es el realizado a

traccin. Este ensayo puede ser utilizado para determinar varias propiedades de losmateriales que son importantes para el diseo. Para realizar el ensayo se utiliza una

probeta, una pieza hecha del material a estudiar con forma y tamao determinados por lanorma correspondiente. Normalmente se deforma una probeta hasta la rotura, con unacarga de traccin que aumenta gradualmente y que es aplicada uniaxialmente a lo largodel eje de la probeta.




La probeta se monta con sus extremos en las mordazas de la mquina de ensayos comose muestra en la figura. Est diseada para alargar la probeta a una velocidad constante,y medir simultneamente la carga instantnea aplicada (con la celda de carga) y el

alargamiento resultante (con el extensmetro).

Esquema de la mquina universal de ensayos. Fuente: tomado de Callister, (2010).

Una secuencia tpica del ensayo esfuerzo-deformacin aparece en la siguiente figura. Alprincipio, cuando se aplica la carga, el material se alarga en proporcin con la carga. Esteefecto se conoce como comportamiento elstico lineal y corresponde a los valores que

van desde el origen a lo largo de la lnea recta. La deformacin elstica no espermanente, si se retira la carga, el comportamiento ira en la direccin opuesta volviendoal origen. Es un proceso elstico similar al estiramiento de una liga y su liberacin.




Diagrama general esfuerzodeformacin para un material. Fuente: tomado deKalpakjian, (2002).

El esfuerzo se define mediante la relacin:

=

donde F es la carga instantnea aplicada perpendicularmente a la seccin de la probetaen newtons () yes el rea de la seccin original antes de aplicar la carga ().

Si se contina incrementando la carga, la muestra comienza a sufrir una deformacinpermanente o plstica. En la grfica, se reconoce ese punto donde el comportamientodeja de ser lineal o elstico. Por lo tanto, el esfuerzo y la deformacin ya no sonproporcionales como lo eran en la regin elstica. El punto en el cual ocurre estefenmeno se conoce como el esfuerzo de cedencia o lmite proporcional.

Matemticamente la deformacin se define como:

= =

en donde es la longitud original antes de aplicar la carga, y es la longitud instantnea.




La pendiente de la curva esfuerzo-deformacin en la zona elstica, corresponde almdulo elstico, tambin conocido como mdulo de Young. Como se puede intuir, lalinealidad de la curva esfuerzo-deformacin en la zona elstica es una evidencia de la ley

de Hooke:

=

donde es el mdulo de Young, equivalente a la constante k del resorte. Cuanto mayores el mdulo, ms rgido es el material, es decir, menor es la deformacin elstica que seorigina cuando se aplica una determinada tensin. El mdulo es un parmetro de diseoimportante utilizado en el clculo de las deformaciones y proporciona una informacinmuy prctica. En el caso de los metales, representa la resistencia a la deformacinpermanente y la facilidad con la que el material puede ser conformado mediante las

operaciones de laminado y estirado.

Conforme se avanza para valores de tensin por encima del lmite elstico, el esfuerzosigue aumentando hasta alcanzar un valor mximo. Esta tensin mxima se denominaresistencia ltima a la traccin o resistencia tensil mxima. Dentro de la zona de la curvaesfuerzo-deformacin comprendida entre el lmite elstico y la resistencia tensil mxima,la resistencia aumenta a medida que aumenta la deformacin, fenmeno que se conocecomo endurecimiento por deformacin.

Por arriba de la resistencia tensil mxima, el rea de la seccin transversal de la probetacomienza a disminuir en una zona en lugar de hacerlo en toda su longitud. Como

resultado, tiende a desarrollarse un cuello a medida que la muestra se alarga cada vezms. Puesto que el rea de la seccin transversal en esta zona est decreciendocontinuamente, el rea ms pequea puede soportar slo una carga siempre decreciente.De aqu que el diagrama de esfuerzo-deformacin unitaria tienda a curvarse hacia abajohasta que la probeta se rompe en el punto del esfuerzo de fractura.

Otro comportamiento importante observado durante una prueba es la ductilidad, esto es,la cantidad de deformacin plstica que sufre el material antes de su fractura. Un materialque experimenta poca o ninguna deformacin plstica se denomina frgil. Elcomportamiento esfuerzo-deformacin para materiales dctiles y para materiales frgiles

se ilustra esquemticamente en la siguiente figura. Se observa la gran diferencia en elpunto de fractura para el caso de los materiales frgiles.




Diagramas de traccin de materiales frgiles y dctiles ensayados hasta la fractura. Fuente:tomado de Callister, (2010).

Con la finalidad de repasar los temas expuestos se te recomienda observar los siguientesvdeos de ensayos de traccin a una probeta de acero en la mquina universal deensayos que se encuentran divididos en los siguientes sitios:

1. Ensayo de traccin a una probeta de acero en la mquina universal de ensayos.

http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098 2. Ensayo de traccin a una probeta de polmero en la mquina universal de

ensayos.http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098

3. Ensayo de traccin a una probeta de elastmero en la mquina universal deensayos.http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098

Ensayos de compresin

Los ensayos de compresin-deformacin se realizan si las fuerzas que operan el materialen servicio son de este tipo. Un ensayo de compresin se realiza de forma similar a unensayo de traccin, excepto que la fuerza es compresiva y la probeta se contrae a lo largode la direccin de la fuerza.

Las ecuaciones mostradas en los ensayos de traccin, se utilizan para calcular elesfuerzo de compresin y la deformacin, respectivamente.
http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098http://envivo.eafit.edu.co/EnvivoEafit/?p=11098




Por convencin, una fuerza de compresin se considera negativa y por tanto, produce unesfuerzo negativo. Adems, puesto que , es mayor que , las deformaciones decompresin son tambin necesariamente negativas. Los ensayos de traccin son mucho

ms comunes que los de compresin porque son ms fciles de realizar. Por otra parte,para la mayora de los materiales utilizados en aplicaciones estructurales, se obtiene muypoca informacin adicional a partir del ensayo de compresin. Los ensayos decompresin se utilizan cuando se desea conocer el comportamiento del material bajodeformaciones permanentes grandes (es decir, plsticas), tal como ocurren en losprocesos de conformacin, o bien, cuando se tiene un comportamiento frgil a traccin.

Ensayos de corte y de torsin

Los ensayos de esfuerzo cortante se expresa:

=

donde F es la carga o fuerza impuesta paralelamente a las caras superior e inferior, cadauna de las cuales tiene un rea A0. La deformacin de corte se define como la tangentedel ngulo de deformacin , tal como se indica en la figura de deformaciones. Lasunidades de tensin y deformacin de corte son las mismas que las correspondientes detraccin. Las fuerzas de torsin producen un movimiento rotacional alrededor del ejelongitudinal de un extremo de la pieza respecto al otro extremo. Ejemplos de torsin seencuentran en el caso de ejes de mquinas y ejes impulsores, as como en las brocas.

Los ensayos de torsin generalmente se realizan sobre cilindros slidos, o bien sobretubos.

Dureza

Otra propiedad mecnica que puede ser sumamente importante es la dureza, la cual, esuna medida de la resistencia de un material a la deformacin plstica localizada, porejemplo, una pequea abolladura o ralladura. Un mtodo cualitativo de ordenar de formaarbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de Mohs, la cual vadesde 1 en el extremo blando para el talco hasta 10 para el diamante. A lo largo de los

aos se han ido desarrollando tcnicas cuantitativas de dureza que se basan en unpequeo penetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar encondiciones controladas de carga y velocidad de aplicacin de la carga. En estos ensayosse mide la profundidad o tamao de la huella resultante, lo cual, se relaciona con unnmero de dureza; cuanto ms blando es el material, mayor y ms profunda es la huella,y menor es el nmero de dureza. Las durezas medidas tienen solamente un significadorelativo (y no absoluto), y es necesario tener precaucin al comparar durezas obtenidaspor tcnicas distintas.




Casos particulares

Generalmente, los materiales metlicos experimentan una deformacin plsticasignificativa durante la realizacin de un ensayo de traccin tpico. Por el contrario, loscermicos y los vidrios no suelen hacerlo.

Curvas de tensin-deformacin y compresin-deformacin para materiales cermicos. Fuente:Shackelford, (2005).

En la figura se presentan los resultados caractersticos que se obtienen al someter unacarga uniaxial una muestra de Al2O3densa policristalina. Como se puede ver, el fallo de laprobeta tiene lugar en la regin elstica. Esta fractura es tpica de los cermicos y vidrios.Otra caracterstica importante es la diferencia entre las dos partes de la figura, donde esevidente como la resistencia a la rotura en un ensayo de traccin (280 MPa) es muchomenor que la resistencia a la rotura en el caso de un ensayo de compresin (2100 MPa).Se trata de un ejemplo muy llamativo del hecho de que los cermicos son muy dbiles entraccin, pero relativamente resistentes en compresin.

Como en el caso de los cermicos, las propiedades mecnicas de los polmeros pueden

describirse a partir de los conceptos introducidos para los metales. La resistencia atraccin y el mdulo elstico son parmetros de diseo importantes para los polmeros,tanto como para los materiales estructurales inorgnicos. Aunque los valores deresistencia y los mdulos son parmetros importantes para estos materiales, lasaplicaciones de diseo frecuentemente involucran un mdulo de flexin ms que detraccin. Como resultado, suelen proporcionarse la resistencia a flexin y el mdulo deflexin.




Los nanotubos de carbono son muy resistentes y muy elsticos cuando se doblan. Lamayora de los materiales se fracturan al doblarse, debido a la presencia de defectos, sin

embargo los nanotubos pueden doblarse sin romperse y volver a su posicin inicial sinsufrir dao alguno. Por ejemplo, la resistencia a la tensin de los nanotubos es 20 vecesmayor que el acero.

Propiedades trmicas

El cambio de temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta aprcticamente todas las caractersticas de los materiales. Las propiedades mecnicas,elctricas o magnticas sufren importantes cambios cuando la temperatura vara, por loque, los efectos trmicos sobre estas propiedades debern tenerse en cuenta siempre ala hora de dimensionar o seleccionar el material idneo. En efecto, cuando un slidorecibe energa en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite y se expande.Estos tres fenmenos dependen respectivamente de tres propiedades caractersticas delmaterial: la capacidad calorfica o su equivalente calor especfico, de su conductividadtrmica y de su coeficiente de dilatacin. A continuacin se analizarn por separado cadauno de ellos.

Capacidad calorfica y calor especfico

Cuando se calienta un material, aumenta de temperatura, indicando con ello que absorbeenerga en forma de calor. La capacidad calorfica es una propiedad que indica la

capacidad de un material de absorber calor, y se define como la cantidad de energanecesaria para aumentar la temperatura por mol. En trminos matemticos, la capacidadcalorfica C puede expresarse como:

=

donde es la cantidad de calor absorbida y es el cambio de temperatura y se expresaen unidades de energa por mol y temperatura ,

. A veces se utiliza el calor

especfico, el cual, representa la capacidad calorfica por unidad de masa y sus unidades

son , .

Dilatacin trmica

Al aumentar la temperatura, los tomos del material vibran con mayor amplitud alrededorde su posicin de equilibrio provocando un incremento en la distancia interatmica de




equilibrio, y por lo tanto, haciendo aumentar las dimensiones del material. Por el contrario,una disminucin de la temperatura provoca una reduccin de sus dimensiones.

El cambio de longitud con la temperatura para un material slido puede expresarse de lasiguiente manera:

= ( )o bien,

=

donde y representan las longitudes inicial y final, correspondientes a los cambios detemperatura y . El parmetro se define como el coeficiente lineal de dilatacintrmica o coeficiente de dilatacin. El cambio de longitud se puede aplicar a varillas,alambres o materiales cuyas dimensiones de longitud sean ms representativas.

Por otro lado, no solamente se est interesado en su cambio de longitud. Si lasdimensiones del material son proporcionales, se pueden calcular los cambios de volumenproducidas por un calentamiento o enfriamiento como:

=

donde y representa el volumen inicial y el cambio de volumen respectivamente. Eneste caso el parmetro se define como el coeficiente volumtrico de dilatacin trmica.

Los coeficientes lineales de dilatacin trmica de los metales ms comunes estn entre5 1 06y 25106(). En algunas aplicaciones es necesario un alto grado deestabilidad dimensional con respecto a los cambios de temperatura. Esto ha dado lugar aldesarrollo de una familia de aleaciones hierro-nquel y hierro-cobalto que tienen valoresde , del orden de 1 1 06(). De esta manera se evitan las tensiones trmicas y lasrotura cuando es sometida a variaciones de temperatura.

En muchos materiales cermicos los enlaces son relativamente fuertes, lo que se reflejaen los coeficientes de dilatacin bajos. Los valores de sus coeficientes se encuentranentre 0.5106y 15106(). Sin embargo, mientras que en algunas cermicas, elcoeficiente de dilatacin es isotrpico (igual en todas direcciones), algunas cermicaspueden contraerse en una determinada direccin mientras ocurre lo contrario en otrasdirecciones, en este caso el coeficiente es anisotrpico. En los vidrios inorgnicos elcoeficiente de dilatacin depende de la composicin. La slice vtrea (vidrio de de alta




pureza) tiene un coeficiente de dilatacin pequeo 0.5106(). De manera que elcambio en la distancia interatmica produce un pequeo cambio dimensionalmacroscpico. En cambio, aadiendo ciertas impurezas a la slice vtrea se aumenta el

coeficiente de dilatacin.

Los materiales cermicos que se encuentran frecuentemente sometidos a cambios detemperatura deben tener coeficientes de dilatacin trmica bajos y adems, deben serisotrpicos. En caso contrario, estos materiales frgiles pueden experimentar fracturacomo consecuencia de los cambios dimensionales no uniformes, lo cual, se denominachoque trmico.

Algunos materiales polimricos experimentan dilataciones trmicas muy elevadas al sercalentados. Como es de esperar, tiene altos coeficientes de dilatacin que van desde

50106

hasta 300106

()

, aproximadamente. Los valores ms altos de seencuentran en los polmeros lineales y ramificados debido a que los enlacesintermoleculares son dbiles y el entrecruzado es mnimo. Los coeficientes ms bajos seencuentran en los polmeros termoestables, tales como la baquelita, en donde el enlacees muy fuerte.

Conductividad trmica

La conductividad trmica es una propiedad de los materiales que determina la velocidaden la que el calor se transmite en el material. La ecuacin viene dada por el calor porunidad de tiempo a travs de un rea transversal, cuando existe un gradiente de

temperatura /.

=

El parmetro representa la conductividad trmica del material. Las unidades de y son

y

respectivamente.

Los metales son muy buenos conductores del calor debido a que existe un nmero muyelevado de electrones libres que participan en la conduccin trmica. Los valores,

generalmente, estn comprendidos entre 20 y 400 .

Aleando los metales con impurezas se produce una reduccin en la conductividadtrmica, al igual que la conductividad elctrica, debido a que las impurezas disminuyen laeficiencia del movimiento de los electrones. Este efecto se muestra en la siguiente grfica,donde la conductividad trmica disminuye de acuerdo a la composicin para aleaciones




cobre-zinc. Tambin el acero inoxidable, el cual, est fuertemente aleado, presenta unaresistencia al transporte de calor.

Conductividad trmica frente a la composicin para aleaciones cobre-zinc. Fuente: tomado deCallister, (2010).

Los materiales cermicos, al ser materiales no metlicos son aislantes trmicos, puestoque no contienen electrones libres. Las conductividades trmicas a temperatura ambiente

van desde 2 hasta 50

.

La porosidad de los materiales cermicos puede tener una drstica influencia sobre laconductividad trmica; el aumento en la fraccin de volumen de poros conduce,generalmente, a una reduccin de la conductividad trmica. De hecho, muchas cermicasque se utilizan como aislantes trmicos son porosas. La transferencia de calor a travs delos poros es normalmente lenta e ineficiente. Los poros internos normalmente contienen

aire, el cual, tiene una conductividad trmica muy baja, aproximadamente 0.02 . Otra

caracterstica importante de este tipo de materiales es que su conductividad trmica varacon el aumento de la temperatura. En la siguiente grfica se puede observar elcomportamiento de las conductividades de algunos de esos materiales, indicando ademsel grado de pureza y de densidad. De acuerdo a esta ltima propiedad, se puede notarque la mayora de estos materiales tienen una baja porosidad.




Conductividades trmicas de algunos materiales cermicos respecto a la temperatura. Fuente:tomado de Callister (2010).

En el caso de los polmeros, las conductividades trmicas son del orden de 0.3 . Enestos materiales la transferencia de calor se realiza por la vibracin, traslacin y rotacinde molculas. Los polmeros con un alto grado de cristalinidad y estructura ordenada,como se ver en la siguiente unidad, tendrn una conductividad mayor que el polmeroamorfo. Esto se debe a que la vibracin para transmitir el calor es ms efectiva en lascadenas de molculas en el estado cristalino.

Los polmeros son a menudo utilizados como aislantes trmicos debido a que susconductividades trmicas son bajas. De la misma manera que las cermicas, suspropiedades aislantes pueden ser mejoradas mediante la introduccin de pequeos

poros, los cuales, ordinariamente se introducen mediante espumacin durante lapolimerizacin. La espuma de poliestireno (poliestireno expandido) se utiliza para fabricarvasos y recipientes aislantes, y se conoce comnmente como unisel.




Propiedades elctricas

Las propiedades elctricas miden la respuesta del material cuando se le aplica un campoelctrico. Entre las propiedades elctricas se encuentran la conductividad elctrica,resistencia elctrica, y la estructura de bandas de energa de un material que determinasu capacidad conductora. Estos principios se extienden a los metales, semiconductores yaislantes. Especialmente semiconductores y los dispositivos semiconductores.

Resistividad y conductividad

El flujo de la corriente elctrica implica el movimiento de portadores de carga, especiesindividuales de escala atmica. En los slidos, estos portadores de carga son loselectrones. En una solucin lquida, los portadores son los iones positivos y negativos. Elmovimiento de los portadores es impulsado por la presencia de un voltaje elctrico yfrenado por las caractersticas de resistencia inherentes al material, como la estructuraatmica y los enlaces entre tomos y molculas. Esta es la familiar relacin definida por laley de Ohm:

=

donde = corriente (), = voltaje () y = resistencia elctrica ().

La resistencia en una seccin uniforme de material, depende la longitud L, del rea de laseccin transversal A, y de la resistividad del material r (caracterstica del material),entonces:

=

donde I = corriente (A), V = voltaje (V) y R = resistencia elctrica ().

La resistividad es la propiedad bsica que define la capacidad de un material para resistirel flujo de una corriente elctrica. La resistividad no es una constante, vara con la

temperatura igual que otras propiedades. En el caso de los metales, la resistividadaumenta con la temperatura.




Resistividad del cobre en funcin de la temperatura. Fuente: tomado de Groover; (1997).

A veces es ms conveniente considerar la capacidad de un material de conducir lacorriente elctrica, que de resistirla. Como se puede suponer, la conductividad de unmaterial es el recproco de la resistividad:

=1

donde la conductividad tiene las unidades (m)-1.

Los metales son los mejores conductores de la electricidad debido a sus enlacesmetlicos. Estos materiales tienen las resistividades ms bajas. La mayora de losmateriales cermicos y polmeros cuyos electrones estn firmemente unidos por enlacescovalentes o inicos, son conductores pobres. Muchos de estos materiales se usan comoaislantes debido a que poseen una alta resistividad.

Algunas veces se llama dielctrico a un aislante, debido a que el trmino dielctricosignifica no conductor de la corriente directa. Es un material que puede colocarse entredos electrodos sin conducir la corriente entre ellos. Sin embargo, si el voltaje es losuficientemente alto, la corriente pasa repentinamente a travs del material en la forma de

un arco. Entonces, la resistencia dielctrica de un material aislante es el potencialelctrico necesario para romper la resistencia del aislante por unidad de espesor. Susunidades apropiadas son (V/m).

Adems de conductores y aislantes (o dielctricos) hay tambin superconductores ysemiconductores. Un superconductor es un material que exhibe una resistividad nula. Esun fenmeno que ha sido observado en ciertos metales y cermicos a temperaturasextremadamente bajas que se aproximan al cero absoluto. Se podra esperar la existencia




de este fenmeno debido al significante efecto que la temperatura tiene sobre laresistividad. La existencia de estos materiales superconductores es de un gran interscientfico. Si se desarrollaran materiales que exhibieran esta propiedad a temperatura

ambiente, tendran una significante implicacin prctica en aplicaciones de transmisin depotencia, velocidad en la conmutacin electrnica y en campos magnticos.

Los semiconductores han demostrado ya su importancia prctica, sus aplicaciones seextienden desde las macro computadoras hasta los enseres domsticos y loscontroladores de motores para automviles. Como es fcil adivinar, un semiconductor esun material cuya resistividad se ubica entre los aislantes y los conductores. El materialsemiconductor ms comnmente usado hoy en da es el silicio a causa de su abundanciaen la naturaleza, a su bajo costo y a la facilidad de su procesamiento. Lo que hace nicosa los semiconductores es la capacidad de alterar significativamente las conductividadesen la qumica superficial de reas muy localizadas para fabricar circuitos integrados.Las propiedades elctricas juegan un papel importante en varios procesos demanufactura. La mayora de los procesos de soldadura utilizan la energa elctrica parafundir el metal de las uniones. Adems, la capacidad de alterar las propiedades elctricasde los materiales semiconductores, es la base para la manufactura en microelectrnica.

Propiedades magnticas

Las fuerzas magnticas son producidas por el movimiento de partculas cargadaselctricamente. Pueden ser corrientes macroscpicas en cables o microscpicas como loselectrones en las rbitas atmicas. Muchas veces es conveniente pensar en las fuerzas

magnticas en trminos de campos. Se suele dibujar lneas imaginarias de fuerza paraindicar la direccin de la fuerza en las proximidades de la fuente del campo.

a) b)

Distribucin del campo magntico de un imn (a) y una espira por donde circula una corriente (b).Fuente: tomado de Callister, (2010).




Llamaremos H al campo magntico aplicado externamente. En la figura se muestra elcampo magntico generado por el imn en forma de barra y el generado por la corriente

que circula por una espira. Como ejemplo, pensemos en el campo magntico generadopor una bobina cilndrica (espiral) formada por N espiras con una longitud total ytransportanto una corriente de magnitud :

=

La induccin magntica o densidad de flujo magntico, B representa la magnitud de laintensidad del campo magntico dentro de un material que es sometido a un campo H. Laintensidad de campo magntico y la induccin magntica estn relacionadas por mediode:

=

El parmetro se denomina permeabilidad y es una propiedad especfica del medio atravs del cual pasa el campo y en el cual es medido. En el vaco = donde es la permeabilidad del vaco, una constante universal cuyo valor es de 4 107/(henrio por metro).

En los materiales magnticos existen polos magnticos, los cuales, en muchos aspectos,son anlogos a los dipolos elctricos. Los dipolos magnticos pueden considerarse como

pequeos imanes formados por un polo norte y un polo sur en lugar de cargas elctricaspositivas y negativas. Por simplicidad, los momentos magnticos dipolares se representanpor flechas.

Los dipolos magnticos son influenciados por los campos magnticos de manera similar acomo los dipolos elctricos son afectados por los campos elctricos. La fuerza que ejerceel campo magntico tiende a orientar los dipolos en la direccin del campo. Un ejemplofamiliar es la manera como un brjula se alinea con el campo magntico terrestre.

De manera que otra magnitud importante es M, denominada magnetizacin del slido,que se define mediante la expresin:

= +

Como se mencion, en presencia de un campo H, los dipolos magnticos dentro delmaterial tienen a alinearse con el campo y por lo tanto contribuyen en a la densidaddel flujo.




Existen diferentes tipos de magnetismo como el diamagnetismo, paramagnetismo yferromagnetismo. Todos los materiales presentan por lo menos uno de esos tipos demagnetismo, y el comportamiento depende de la respuesta de los dipolos magnticos

atmicos y electrnicos a la aplicacin del campo externo.

El diamagnetismo es una forma muy dbil de magnetismo que no es permanente ypersiste solo mientras el campo externo est presente. La magnitud del momentomagntico inducido es extremadamente pequea y en una direccin opuesta a la delcampo aplicado.

En algunos materiales slidos, cada tomo posee un momento magntico dipolarpermanente. En ausencia de un campo magntico aplicado, las orientaciones de estosmomentos magnticos atmicos son al azar, de tal manera que una pieza de material noposee una magnetizacin neta permanente. Estos dipolos atmicos son libres para girar yse produce paramagnetismo cuando, mediante rotacin, se alinean de forma preferentecon un campo externo. Estos dipolos magnticos son influenciados individualmente sinque exista interaccin mutua entre dipolos adyacentes.

Tanto los materiales diamagnticos como los paramagnticos son consideradosmateriales no magnticos debido a que slo presentan magnetizacin en presencia de uncampo externo.

Ciertos materiales metlicos poseen un momento magntico permanente en ausencia delcampo externo aplicado y manifiestan magnetizaciones permanentes muy grandes. stas

son las caractersticas del ferromagnetismo y lo presentan los metales de transicin comoel hierro, cobalto y nquel, y algunos elementos de las tierras raras tales como el gadolinio(Gd).

En la siguiente figura se muestra una representacin de la densidad de flujo debido a laaplicacin de un campo para los diferentes tipos de materiales.




Representacin de la densidad de flujo B en presencia de un campo magntico H para diferentesmateriales. Fuente: Callister (1995).

Es importante destacar, que la temperatura puede influir en las caractersticas magnticasde los materiales. Al aumentar la temperatura de un slido se produce un aumento en lamagnitud de las vibraciones trmicas de los tomos. Los momentos magnticos atmicospueden girar: por tanto, la agitacin trmica de los tomos tiende a desalinear los

momentos.

Propiedades pticas

Las propiedades pticas son la respuesta de un material expuesto a una radiacinelectromagntica, en particular, a la luz visible.

En sentido clsico, se considera que la radiacin electromagntica es un tipo de onda queconsiste en los componentes de un campo magntico y de un campo elctricoperpendicular entre si y, a su vez, es perpendicular a la direccin de propagacin. La luz,el calor, el radar, las ondas de radio y los rayos X son formas de radiacin

electromagntica. Cada una de estas formas de radiacin electromagntica se caracterizapor un determinado intervalo de longitud de ondas y tambin por las maneras en que segeneran.




Onda electromagntica, donde es el cambio elctrico y H el campo magntico. Fuente: tomadode Callister, (2010).

El espectro electromagntico abarca desde radiaciones de los rayos (emitidos pormateriales radiactivos) hasta las ondas de radiofrecuencia, pasando por los rayos X,ultravioletas, visibles e infrarrojos. La luz visible abarca una regin pequea del espectro,con longitudes de ondas comprendidas entre 0.4 y 0.7 m. El color percibido vienedeterminado por la longitud de onda; por ejemplo, la radiacin con una longitud de ondade unos 0.4 m aparece de color violeta, mientras que los colores verdes y rojos estnasociados a longitudes de onda de 0.050 y 0.65 m, respectivamente. La luz blanca es

simplemente la mezcla de todos los colores.




Espectro de la radiacin electromagntica. Fuente: tomado de Callister, (1995).

Cuando la luz pasa de un medio a otro, por ejemplo, del aire al interior de un slido,pueden ocurrir varios fenmenos. Parte de la luz se transmite a travs del medio, parte esabsorbida y parte se refleja en la intercara o interfaz de los dos medios. La intensidad delhaz que incide en la superficie del medio slido debe ser igual a la suma de lasintensidades de los haces transmitido, absorbido y reflejado, representadas por , yrespectivamente:

= + +

Comnmente se trabaja con las fracciones de la luz que son transmitidas, absorbidas oreflejadas, y se conocen como la transmitancia (

/

), la absorbancia (

/

)y la

reflectancia (/).

Los materiales capaces de transmitir la luz con relativamente poca absorcin y reflexinse denominan transparentes, de manera que se puede ver a travs de ellos. Losmateriales se denominan translcidos si dejan pasar parcialmente la luz, esto es, la luz sedispersa en el interior de modo que al observar a travs de una muestra de este material




los objetos no se distinguen claramente. Los materiales que son impermeables a latransmisin de la luz visible se denominan opacos.

Los metales son opacos respecto al espectro visible, es decir, la luz incidente o seabsorbe o se refleja. En cambio, los materiales no metlicos pueden ser transparentes uopacos al igual que los semiconductores.

Con este tema finaliza la descripcin de las propiedades que caracterizan a los materialesen volumen. A continuacin, se mostrarn algunas de las propiedades de lasnanopartculas individuales con el fin de enfatizar la diferencia de stas con los materialesa otras dimensiones. Es importante resaltar, que el mayor uso de estos materiales ser encombinacin con los tradicionales, sin embargo, el conocimiento del comportamientoindividual permitir en comprender de manera ms clara, el porqu de sus propiedades envolumen.

1.2.2. Propiedades de las nanopartculas individuales

Muchas propiedades de los slidos dependen de la escala dimensional en la que semidan. El tamao de los objetos a escala macro va desde milmetros hasta kilmetros. Eneste caso, las caractersticas microscpicas se promedian cuando se estudian losmateriales voluminosos. Esto quiere decir, que las propiedades que se asocian a estosmateriales son propiedades promediadas, como la densidad, el mdulo de elasticidad, laresistividad, la magnetizacin, la constante dielctrica, etc. (Poole, 2007).

Ejercicio prctico

Antes de continuar con el estudio de los siguientestemas, realizalos ejercicios que se proporcionan en eldocumento de Ejercicio 2. Propiedades de losmateriales, que se encuentra en la carpeta de Materialde estudio.




Clasificacin de las molculas, nanopartculas y material voluminoso de acuerdo al nmero de

tomos que contienen. Fuente: Poole, (2007).

La figura muestra una clasificacin general de los materiales de acuerdo al tamao, sinembargo esta clasificacin no es estricta, ya que normalmente no se hacen una distincinentre las molculas y las nanopartculas.

De acuerdo a lo anterior, surge la pregunta, cuntos tomos son necesarios para formarun cmulo que tenga las propiedades de un material voluminoso? Se ha encontrado porejemplo, que los cmulos de oro tienen el mismo punto de fusin del oro voluminososolamente si contienen 1000 tomos o ms. Sin embargo, en general las propiedades

fsicas de los cmulos alcanzan el valor caracterstico del slido a diferentes tamaos decmulo y dependen de la propiedad que se desea determinar.

Es importante resaltar la relacin superficie-volumen de cualquier material cuando sereduce su tamao (Pfeiffer, 2011). Veamos en la siguiente tabla que al reducir el volumende una esfera, la razn superficie-volumen es mucho mayor.




Esferas

Dimetro () 0.5 1.0 1.5Superficie () 0.79 3.14 7.07Volumen () 0.06 0.52 1.77Razn superficie-volumen 13.17:1 6.04:1 3.99:1

Relacin superficie-volumen para esferas de diferente tamao.

De esta manera se pone en evidencia una de las diferencias que existen entre un

Unidad 1. Estudio de Los Materiales

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