Tema 7 Estructura de los materiales.

Transcripción

1 Tema 7 Estructura de los materiales. Metales. Todos los metales son materiales cristalinos, es decir, sus átomos están ordenados siguiendo un patrón definido. Esquema de la estructura de un metal Poseen enlace metálico. En este enlace, los electrones de valencia de los átomos se separan del núcleo, teniendo la facultad para moverse libremente en todo el material razón por la cual se le llaman electrones libres. Los electrones libres se comportan como si fueran una nube que mantiene unidos a los iones positivos que quedan cuando los átomos pierden sus electrones de valencia. La mejor analogía consiste en imaginarse que los electrones son una masa de plastilina y los iones positivos son chibolas. La masa de plastilina al mezclarse con las chibolas evita que éstas se separen, dando cohesión al material. El enlace metálico es no-direccional. Esto hace que las dislocaciones se puedan desplazar en los metales con facilidad. Por esa razón, los metales son materiales dúctiles. Además, la no-direccionalidad de los enlaces también facilita la difusión de los átomos en la estructura cristalina. Por esa razón, los metales pueden cambiar sus propiedades por medio de tratamientos térmicos. Un tratamiento térmico no es más que un proceso de calentamiento y enfriamiento controlado de modo que se modifique la microestructura del metal. Para aplicaciones de ingeniería, los metales normalmente se utilizan aleados. Debido a esto, poseen varias fases en su estructura microscópica. Cerámicas. La gran mayoría de materiales cerámicos son cristalinos. La estructura cristalina de las cerámicas suele ser bastante compleja. Las cerámicas poseen enlace iónico. Este enlace consiste en que uno de los átomos pierde uno o varios electrones cediéndolo a otro átomo diferente. El átomo que pierde 60

2 el electrón queda con carga positiva mientras que el átomo que lo gana adquiere carga negativa. La cohesión del material resulta de la atracción electrostática que ejercen las cargas eléctricas de signo contrario. Los iones deben estar colocados de manera ordenada en los puntos de red del material de modo que éste sea eléctricamente neutro. Esquema de la estructura de una cerámica En los materiales cerámicos, el deslizamiento de las dislocaciones es muy difícil debido a que debe mantenerse la neutralidad eléctrica del material. Esto hace que los materiales cerámicos no posean ductilidad. Además, la difusión también es muy difícil por la misma razón, no teniendo ningún sentido tratarlos térmicamente para cambiar su microestructura. Polímeros. Los polímeros son materiales formados por moléculas muy largas. Esquema de una molécula de polietileno Los átomos que forman la molécula están unidos entre sí por enlaces covalentes. Estos enlaces son direccionales lo que hace que la mayoría de moléculas tiendan a ser rizadas. Los enlaces direccionales hacen que la molécula no sea recta, sino que tienda a rizarse 61

3 El material polímero está formado por una gran cantidad de moléculas de longitud diferente enredadas entre sí. Las moléculas se enredan dándole cohesión al material La cohesión y resistencia del material dependen de que tan enredadas estén sus moléculas. Generalmente entre más largas son las moléculas, mejor se enredan y el material posee mayor resistencia. Si las moléculas son cortas, no pueden enredarse bien y el material se deforma con facilidad. Debido a que las moléculas normalmente están enredadas, es muy difícil que los materiales polímeros formen estructuras cristalinas. La mayoría de polímeros son amorfos o a lo sumo semicristalinos. Materiales compuestos. Estos materiales poseen múltiples fases. Sus propiedades dependen proporcionalmente de las propiedades y la cantidad de las fases que lo forman. Por esa razón, las fases se combinan en la cantidad adecuada para obtener las propiedades que se deseen. Un ejemplo de un material compuesto sería mezclar hilos metálicos con un material polímero. Los hilos le proporcionan resistencia al material, mientras que el polímero le proporciona un peso bajo. Combinando la cantidad correcta de hilos y polímero, se puede obtener un material de buena resistencia y bajo peso. La mayoría de materiales compuestos está formado por dos fases. Una de ellas se llama la matriz. La matriz es la fase contínua y generalmente se encuentra en mayor cantidad en el material. La otra fase se llama fase dispersa, y es rodeada por la matriz. Las propiedades físicas del material dependen de las propiedades de cada fase, su cantidad relativa en el material y la geometría de la fase dispersa. Los materiales compuestos pueden clasificarse de la siguiente manera: Reforzados con partículas Reforzados con fibras Estructurales Semiconductores. Son materiales cuya conductividad eléctrica es menor que la de los metales, pero que sin embargo poseen características eléctricas muy particulares que los hacen muy útiles en aplicaciones electrónicas. 62

4 Las propiedades eléctricas de los semiconductores dependen significativamente de la presencia de pequeñas cantidades de impurezas. Controlando la cantidad y el tipo de impurezas, se pueden controlar las propiedades eléctricas. El fenómeno de semiconductividad consiste en que el material puede comportarse como conductor eléctrico o como aislante dependiendo de los estímulos externos que reciba. La semiconductividad puede ser de dos tipos: Intrínseca: cuando el comportamiento eléctrico se basa en la estructura electrónica propia del metal puro. Extrínseca: cuando las propiedades eléctricas están definidas por la presencia de impurezas. En todos los materiales conductores, semiconductores y en muchos materiales aislantes, la conducción eléctrica es causada por el flujo de electrones que se da en el material cuando se aplica un campo eléctrico. La magnitud de la conductividad eléctrica del material depende significativamente del número de electrones disponibles para participar en el proceso de conducción. No todos los electrones que posee un átomo son capaces de ser acelerados por la presencia de un campo eléctrico. El número de electrones disponible para la conducción eléctrica en un material en particular se relaciona con el arreglo de los electrones en estados o niveles de energía y con la manera como dichos estados son ocupados por los electrones. Una explicación detallada de estos temas es complicada y requiere de principios de mecánica cuántica los cuales están más allá de los objetivos de este curso. A continuación se describe un modelo que omite muchos conceptos de mecánica cuántica y simplifica otros. Los electrones de un átomo ocupan niveles de energía por todos ya conocidos. Estos niveles son válidos cuando el átomo se encuentra aislado. Para cada átomo aislado existen niveles y subniveles de energía discretos, los cuales pueden estar ocupados por electrones. Los niveles se designan por números enteros (1, 2, 3, etc) y los subniveles por letras (s, p, d y f). Para cada uno de los subniveles s, p, d y f existen respectivamente uno, tres, cinco y siete estados de energía. Los electrones en la mayoría de átomos llenan los estados comenzando por aquellos que poseen menor energía. Cada estado es ocupado por dos electrones con spin opuesto, de acuerdo al principio de exclusión de Pauli. Un material sólido está compuesto por un gran número de átomos. Digamos por ejemplo que un material está compuesto por N átomos los cuales se encuentran inicialmente separados unos de otros. Los N átomos se acercan y se juntan para formar la estructura cristalina del material. Cuando la distancia de separación es relativamente grande entre los átomos, cada átomo es independiente de los otros y tendrá los niveles de energía y la configuración de los electrones de un átomo aislado. Sin embargo, a medida los átomos se acercan, sus electrones son perturbados por los electrones y núcleos de los átomos adyacentes. La perturbación es tan significativa que cada estado de energía de los electrones se divide en una serie de estados muy cercanos unos de otros, formando lo que llamamos la banda de energía de los electrones. La magnitud en que se dividen los estados de energía depende de la separación entre los átomos y comienza con los niveles de energía más externos, ya 63

5 que éstos son los primeros en ser perturbados por los átomos adyacentes. Dentro de cada banda, los estados de energía son discretos, sin embargo la diferencia entre estados adyacentes es muy pequeña. Cuando los átomos se encuentran a su distancia de equilibrio, la formación de bandas para los niveles cercanos al núcleo puede no darse, formándose espacios vacíos o gaps entre bandas adyacentes. Normalmente las energías que se encuentran dentro de estos espacios vacíos no están disponibles para que las ocupe un electrón. La figura a continuación muestra la forma convencional de representar las bandas de energía para un material sólido. Las propiedades eléctricas de un material sólido son consecuencia de la estructura de bandas que forman sus electrones, es decir, de la forma como quedan arregladas las bandas exteriores y de la manera como éstas son ocupadas por los electrones. La banda que contiene los electrones con la mayor energía o electrones de valencia se llama banda de valencia. La banda de conducción es la banda que le sigue y que corresponde a niveles de energía mayores. En la mayoría de casos, la banda de conducción se encuentra vacía. La estructura de las bandas de energía depende de la temperatura. A cero grados Kelvin pueden existir cuatro configuraciones diferentes de estos niveles de energía. 64

6 a) Estructura característica de los metales como el cobre. Existen estados de energía disponibles por encima y adyacentes a los estados llenos en la misma banda (banda de valencia). b) Estructura característica de metales como el magnesio. La banda de valencia se traslapa con la banda de conducción, la cual se encuentra vacía. c) Estructura característica de los aislantes eléctricos. La banda de valencia está llena, pero está separada de la banda de conducción vacía por un gap relativamente grande (> 2eV). d) Estructura característica de los semiconductores. Es la misma estructura de los aislantes con la diferencia que el gap es menor (< 2eV). En este esquema, la energía que corresponde al nivel más alto que esta lleno con electrones se llama la Energía Fermi, y se representa por Ef. Solamente aquellos electrones que posean energía mayor que la Energía Fermi pueden ser acelerados por un campo eléctrico. Estos son los electrones que participan en el proceso de conducción y se llaman electrones libres. En los metales, para que un electrón se convierta en un electrón libre, debe recibir energía para trasladarse a uno de los estados disponibles por encima de la Energía Fermi (Ef). Debido a que en los metales existen bandas disponibles adyacentes al último nivel lleno, se necesita muy poca energía para enviar al electrón a la banda de conducción. Por lo general, la energía suministrada por el campo eléctrico aplicado es suficiente para enviar a grandes cantidades de electrones a la banda de conducción. Para el caso de los aislantes y semiconductores, no hay disponibles estados vacíos adyacentes a la banda de valencia llena. Para que un electrón se vuelva libre, debe saltar el gap para llegar a los estados vacíos. Esto solamente es posible dándole al electrón una cantidad de energía igual a la diferencia de energías entre los dos estados. Como se puede ver de los esquemas, los semiconductores requieren recibir menos energía que los aislantes. Esta energía de excitación puede ser suministrada por una fuente no eléctrica como el calor o la luz. El número de electrones que pueden ser enviados a la banda de conducción por medio de energía térmica (calor) depende de la energía del gap así como también de la temperatura. A cierta temperatura, entre mayor es el gap menor es la probabilidad de que un electrón de valencia pueda ser enviado a un estado de energía dentro de la 65

7 banda de conducción, resultando esto en menos electrones para la conducción. En otras palabras, entre mayor es el gap, menor es la conductividad eléctrica a una temperatura específica. La diferencia entonces entre semiconductores y aislantes reside en el tamaño del gap. Para los semiconductores el espacio vacío entre las bandas es pequeño, mientras que para los materiales aislantes es muy grande. Cuando se incrementa la temperatura de un semiconductor o un aislante, la energía térmica disponible para excitar a los electrones también se incrementa. Un número mayor de electrones es enviado a la banda de conducción, lo cual produce un aumento en la conductividad eléctrica del material. 66