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PERSPECTIVA HISTÓRICA
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado
íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar
los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades.
Primeras civilizaciones: sus nombre deriva del material que alcanzó mayor grado
de desarrollo. Ejemplo: Edad de Piedra, Edad de Bronce.
Primeros materiales utilizados por el hombre: piedra, madera, arcilla y cuero
(materiales naturales).
Cerámicas y metales → nuevos materiales con propiedades superiores a los
naturales.
Se descubrió la posibilidad de modificar las propiedades de los materiales por
tratamiento térmico o por adición de otras sustancias.
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PERSPECTIVA HISTÓRICA
Históricamente, la utilización de materiales fue un proceso de selección: de un
conjunto limitado de materiales se decidía cuál era, en virtud de sus características,
el más idóneo para una aplicación en particular.
Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características
muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra compleja sociedad:
aleaciones, plásticos, cerámicas y fibras.
El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del
progreso de una tecnología.
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Fabricación de automóviles
Aparición de un acero idóneo y barato
o de algún sustituto comparable
Adelantos electrónicos sofisticados
Materiales semiconductores y superconductores
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Una de las más populares bebidas refrescantes se envasa en
recipientes fabricados con tres tipos de materiales: el envase de
la derecha es de vidrio (cerámicos), los del medio son metálicos,
y el de la derecha es plástico (polímeros).
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
Ciencia de los materiales → investigación sobre la relación entre la estructura y
las propiedades de los materiales.
Ingeniería de los materiales → estudio de las relaciones propiedad-estructura;
diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto
predeterminado de propiedades.
• Disposición de sus componentes internos• Organización de átomos o moléculas entre sí.ESTRUCTURA
• Se expresan en términos del tipo y magnitud de la respuesta a un estímulo específico impuesto
• Suelen ser independientes de la forma y del tamaño del material.
PROPIEDAD
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
Todas las propiedades importantes de los materiales sólidos se agrupan en seis
categorías:
1. Mecánicas
2. Eléctricas
3. Térmicas
4. Magnéticas
5. Ópticas
6. Químicas
Para cada categoría existe un tipo característico de estímulo capaz de provocar
respuestas diferentes.
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
PROPIEDADES QUÍMICAS
Reactividad química de un material Resistencia a la corrosión
PROPIEDADES ÓPTICAS
Estímulo por la radiación lumínica Índice de refracción y Reflectividad
PROPIEDADES MAGNÉTICAS
Respuesta frente a un campo magnético Magnetización y Permeabilidad magnética
PROPIEDADES TÉRMICAS
Comportamiento térmico de la materia Capacidad calorífica y Conductividad térmica
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Estimuladas por un campo eléctrico Conductividad eléctrica y Constante dieléctrica
PROPIEDADES MECÁNICAS
Relacionan la deformación con la fuerza aplicada Módulo elástico y Resistencia
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
¿POR QUÉ SE ESTUDIAN LOS MATERIALES?
Hay que resolver el problema de la elección del material más idóneo de entre los
miles de materiales disponibles.
1. Deben caracterizarse las condiciones en que el material prestará servicio y
se anotarán las propiedades requeridas por el material para dicho servicio
(Resistencia vs. Ductilidad: materiales con alta resistencia tienen ductilidad
limitada).
2. Tomar en cuenta la degradación que el material experimenta en servicio
(elevadas temperaturas y ambientes corrosivos disminuyen la resistencia
mecánica).
3. Consideraciones económicas.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Los materiales sólidos se clasifican en tres grupos: metales, cerámicas y
polímeros. Este esquema se basa en la composición química y estructura atómica.
La mayoría de los materiales encajan en esta clasificación, aunque hay materiales
intermedios.
Existen otros dos grupos de materiales técnicos: materiales compuestos
(composite) y semiconductores.
Materiales Compuestos→ combinación de dos o más materiales diferentes.
Semiconductores → se comporta como conductor o como aislante dependiendo
de la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
METALES
Son combinaciones de elementos metálicos.
Tienen gran número de electrones deslocalizados, que no pertenencen a ningún
átomo en concreto, de aquí sus propiedades.
Conducen perfectamente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible.
Son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a sus utilización en
aplicaciones estructurales.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
CERÁMICAS
Los compuestos químicos constituidos de metales y no metales (óxidos, nitruros,
carburos, etc.) pertenecen a este grupo, incluyendo minerales de arcilla, cemento y
vidrio.
Son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes
agresivos son más resistentes que los metales y polímeros.
Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son muy duras y muy frágiles.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
POLÍMEROS
Comprenden materiales desde el plástico hasta el caucho.
Son compuestos orgánicos (basados en carbono) caracterizados por la gran
longitud de las estructuras moleculares.
Poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
MATERIALES COMPUESTOS
Materiales diseñados a partir de más de un tipo de material.
Fibra de vidrio → vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material
polimérico. Es mecánicamente resistente debido al vidrio, y flexible debido al
polímero.
Están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de
cada componente.
La mayoría de los materiales desarrollados últimamente con materiales
compuestos.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
SEMICONDUCTORES
Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes
eléctricos.
Sus características eléctricas son extremadamente sensibles a la presencia de
diminutas concentraciones de átomos de impurezas, que deben ser controladas en
regiones espaciales muy pequeñas.
Posibilitan la fabricación de los circuitos integrados en la industria electrónica y
de ordenadores.
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NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS
El permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados
y especializados.
Por ejemplo, las células solares emplean algunos de los materiales más complejos
y caros. La viabilidad tecnológica se aseguraría si se desarrollan materiales baratos
y de alta eficiencia en el proceso.
El problema con la energía nuclear radica precisamente en los materiales: desde
el combustible a la estructura de los recipientes para controlar los residuos
radiactivos.
Las técnicas de control de la contaminación emplean diversos materiales.
Además, los procedimientos de fabricación de los materiales deben producir
mínima contaminación y mínima destrucción del paisaje en los lugares donde se
extraen las materias primas.
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NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS
La disminución del peso de los vehículos de transporte y el aumento de la
temperatura de funcionamiento de los motores mejoran el rendimiento del
combustible, por lo que es necesario desarrollar nuevos materiales de elevada
resistencia y baja densidad, así como materiales capaces de soportar elevadas
temperaturas.
La mayoría de los materiales que utilizamos proceden de fuentes que no son
capaces de regenerarse, como los polímeros, cuya principal fuente es el petróleo, y
algunos metales. Debido a este empobrecimiento paulatino, es necesario descubrir
nuevas reservas o desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables y
con menos impacto medioambiental.
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