MATERIALES CERAMICOS, VIDRIOS Y POLIMEROS

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1 MATERIALES CERAMICOS, VIDRIOS Y POLIMEROS

2 Metales Semiconductores Compuestos Cerámicos Polímeros

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4 Materiales cerámicos Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta resistencia a la compresión Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como térmica. Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto Bajo peso, alta resistencia al calos y al desgaste, poca fricción Propiedades aislantes Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio

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6 Tipos de materiales cerámicos

7 Usos de materiales cerámicos

8 Esquema comparativo de la estructura a escala atómica de (a) cerámico (b) vidrio. Los círculos blancos representan un átomo no metálico y los círculos negros representan un átomo metálico

9 Los materiales cerámicos varían mucho en cuanto a sus propiedades. Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste. Usados en aviones, proyectiles y vehículos espaciales pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes metálicos. Son quebradizos debido a sus enlaces, impiden que los átomos se deslicen unos sobre otros.. Elevados costos de fabricación.

10 VIDRIOS Material amorfo que se fabrica a partir de dióxido de silicio SiO 2 fundidos a altas temperaturas con carbonato y / o boratos de Na, Ca, Pb, y otros elementos metálicos. Es transparente y también puede ser traslucidos y opaco, sus colores varían según los compuestos usados en su fabricación. El vidrio fundido es maleable y en frío puede ser tallado. No es atacado por agentes químicos con facilidad, desde el punto de vista mecánico es rígido y frágil.

11 Se utiliza en innumerables objetos domésticos, en joyas, en la construcción de ventanas, parabrisas, anteojos, etc. Es mal conductor del calor y la electricidad por lo que se puede usar como aislante. El vidrio Pyrex es muy resistente al calor y el vidrio fotocromático son ejemplos de los nuevos materiales de vidrio que se han producido en las últimas décadas.

12 Polímeros Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al caucho Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada. Tienen buena relación resistencia peso. No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.

13 Polímeros Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al caucho Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada. Tienen buena relación resistencia peso. No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.

14 Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los principales polímeros comerciales

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16 Monómero polímero La polimerización se produce cuando las moléculas pequeñas llamadas monómeros, se combinan para producir moléculas más largas o polímeros.

17 Según sus aplicaciones se clasifican en: Termoplásticos Termoestables Elastómeros

18 Polímeros termoplásticos Formados de largas cadenas. Se comportan de manera plástica y dúctil. Sus cadenas pueden o no estar ramificadas, individualmente están entrelazadas. Las cadenas poseen fuerzas de atracción de Van Der Waals débiles. Las cadenas se desenlazan mediante esfuerzos, pueden ser amorfos o cristalinos. Se reciclan fácilmente. Polietileno, poliuretano

19 Polímeros termoestables Formados por cadenas de polímeros, con una gran cantidad de enlaces cruzados que forman una red tridimensional. Poseen buena resistencia, rigidez y dureza, pero baja ductilidad e impacto. polietileno de alta y baja densidad, polivinilo

20 Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces cruzados) que tienen una deformación elástica mayor al 200%. (10 veces y regresan a su dimensión original). Caucho natural y artificial Elastómeros

21 TEFLON

22 Materiales electrónicos o semiconductores Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos. No son importantes por su volumen pero sí son extremadamente importantes por su avanzada tecnología. La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras ópticas, los semiconductores convierten las señales eléctricas en luz y viceversa. El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que se puede modificar para cambiar sus características eléctricas. Con estos materiales se han podido crear fabricar los circuitos integrados que han revolucionado la industria electrónica y de ordenadores

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25 Materiales Compuestos Constan de dos o mas materiales físicamente distintos y separables mecánicamente (difieren en forma y composición química y son insolubles entre sí) Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto especifico, a las propiedades de los componentes por separado Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo. También se pueden fabricar herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas. Ej.: concreto, concreto armado, la madera contrachapada, fibra de vidrio, etc.

26 Industria Usos aeronáutica Alas, fuselaje, tren de aterrizaje automóviles Carrocerías, parrillas, parachoques náutica Cascos, cubiertas, mástiles química Recipientes de presión deportes Cañas de pescar, palos de golf

27 Para ingeniería, los materiales compuestos más importantes son: - Plásticos reforzados con fibras - Concreto - Asfalto - Madera - Materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica

28 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento Procesamiento Producto Final Estructura Propiedades

29 Propiedades de los materiales Propiedades mecánicas Determinan como responde un material al aplicársele una fuerza o esfuerzo. Influyen en la facilidad con que puede ser conformando. Las más comunes son: resistencia mecánica ductilidad rigidez del material resistencia al impacto desgaste

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31 Propiedades físicas Determinan como se comporta un material desde el punto de vista eléctrico, magnético, óptico, térmico y elástico. Dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los materiales. Propiedades químicas Comprenden las fuerzas de enlace (debido a la composición) y su comportamiento ante medios agresivos (corrosividad). Pequeños cambios en la composición pueden alterar fuertemente las propiedades físicas.

32 Importancia de las propiedades ópticas Instrumentos ópticos Laser y aplicaciones

33 Importancia de las propiedades eléctricas Conductores Aislantes

34 Transformadores Importancia de las propiedades magnéticas Motores Almacenamiento de datos Imanes permanentes

35 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento Procesamiento Producto Final Estructura Propiedades

36 Estructura La estructura puede considerarse en varios niveles, todas las cuales afectan el comportamiento final del producto. Estructura atómica: La distribución de los electrones alrededor del núcleo atómico afecta los comportamientos eléctricos, magnéticos, térmicos, ópticos y la resistencia a la corrosión También determina que un material sea un metal, un cerámico o un polímero. Arreglo atómico o estructura cristalina: se refiere a la organización de los átomos en el espacio e influye en las propiedades mecánicas de los materiales como la ductilidad, la resistencia mecánica y la resistencia al impacto.

37 Estructura de granos: Existe una estructura granular en la mayoría de los metales, en algunos cerámicos, y ocasionalmente en polímeros. Entre los granos, el arreglo atómico cambia su orientación influyendo así en las propiedades, así como el tamaño y la forma de los granos desempeña una función primordial sobre éstas. Fase: En la mayoría de los materiales se presenta más de una fase, cada una de las cuales tiene su propio arreglo atómico y propiedades. El control del tipo, tamaño, distribución y cantidad de estas fases dentro del material, proporciona una manera adicional de controlar las propiedades.

38 Estructura atómica Estructura cristalina Estructura granular de hierro (x100) Estructura multifasica del hierro (perlita x400)

39 Relación entre estructura, propiedades y procesamiento Procesamiento Producto Final Estructura Propiedades

40 Procesamiento Metales: Laminado (rolado) Forjado Trefilado Doblado Extrusión Embutido Estirado

41 Efectos ambientales en el comportamiento de los materiales

42 Las relaciones entre estructura - propiedades - procesamiento recibe además la influencia del medio circundante al que está expuesto el material durante su uso Temperatura Atmósfera Corrosión Radiación Carga

43 Temperatura Los cambios de temperatura alteran las propiedades del material. La resistencia de la mayoría de los metales disminuye conforme la temperatura aumenta. Las temperaturas muy bajas pueden causar que el metal falle por fragilidad aún cuando la carga aplicada sea baja. Las temperaturas altas también pueden modificar la estructura de las sustancias cerámicas o provocar que los polímeros se derritan o carbonicen.

44 Variación de la resistencia con la temperatura de los materiales

45 Atmósfera La mayoría de los polímeros y metales reaccionan con el oxígeno y otros gases (particularmente a temperaturas elevadas). Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse muy severamente o ser atacados químicamente, mientras otros se pueden autoproteger. Los polímeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse. Los aceros pueden reaccionar con el hidrógeno y volverse frágiles.

46 Corrosión Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo degradados uniforme o selectivamente. Pueden desarrollar también grietas o picaduras que conducen a falla prematura. Las sustancias cerámicas son atacadas por cerámicos en estado líquido. Los polímeros pueden ser disueltos por sustancias disolventes.

47 Radiación La radiación nuclear puede afectar la estructura interna de todos los materiales. Puede ocasionar pérdida de resistencia, fragilidad o alteración crítica de las propiedades físicas. La dilatación, producida por cavidades y burbujas de origen radiactivo, pueden causar cambios en las dimensiones externas y aun agrietamiento.

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