MATERIALES DE INGENIERÍA Y SUS APLICACIONESMATERIALES CERÁMICOS LOS CERÁMICOS Y LOS MATERIALES RELACIONADOS El principio que hace posible discutir la importancia que tienen los materiales cerámicos es que todos tienen estructuras de enlace semejantes. El estudio que haremos sobre los materiales cerámicos estará dividido en tres partes o bloques principales: 1.-Vidrio (cerámicos no cristalinos) y procesamiento del vidrio. 2.-Materiales cristalinos simples: sintéticos y naturales. 3.-Productos cerámicos distintos del vidrio. . PROCESAMIENTO DEL VIDRIO Y DE SUS PRODUCTOS Debido a las propiedades únicas del vidrio, se puede fundir, laminar, estirar y prensar como a un metal y, además, se puede soplar. -Fundición:-Laminado: -Fundición centrifugada:.-Estirado: -Prensado:Soplado: MATERIALES CERÁMICOS SIMPLES Sílice:Este material, SiO2, se emplea en hornos de ladrillo refractario donde hay altas temperaturas, como en la fabricación de acero (1649ºC). El ladrillo se hace de sílice y se le añade antes de calentar una pequeña cantidad (2%) de Ca(OH)2, que reduce el punto de fusión del líquido que cementa los granos durante el calentamiento y también cataliza la transformación de parte del cuarzo en una mezcla de cristobalita y tridimita. Esto da como resultado mejores características de expansión respecto a los ladrillos compuestos únicamente de cuarzo. Sin embargo, esta mezcla tiene que calentarse cuidadosamente para evitar que se agriete debido al choque térmico. También se emplea el cuarzo para cristales oscilantes de una frecuencia determinada, tales como los que se utilizan en algunos equipos de comunicación. Aunque una gran cantidad de cuarzo se extrae de minas, se han desarrollado métodos para producir excelentes cristales sintéticos. Alúmina:Al2O3 se emplea extensamente como materia prima en las mezclas cerámicas y también en estado puro. Se encuentran en la naturaleza los cristales simples de alúmina pura, o sea, el zafiro y el rubí que adquieren su color debido a cantidades diminutas de cromo, hierro y titanio. Sin embargo, el material para usos ópticos como en el caso del láser de rubí, se producen al fundir polvo de alúmina en la llama de oxiacetileno que forman un solo cristal con las gotas. Debido a su alto punto de fusión, la alúmina se emplea extensamente como refractaria. Se prensan granos de alúmina de relativa alta pureza para darles forma y se sinterizan, a altas temperaturas para producir ladrillo, tubos y crisoles. Se emplean pequeñas cantidades de fundente. En aplicaciones más recientes se han utilizado tubos de alúmina para lámparas de iluminación con vapor de sodio debido a la resistencia al ataque de estos vapores y a su transmisión óptica del 90%. También se han desarrollado herramientas cortantes para maquinar metal debido a la alta dureza de la alúmina. Magnesia:MgO es también una materia prima importante y es refractaria. La celda unitaria es de la estructura del cloruro de sodio. En muchos casos se preparan los refractarios calentando el mineral dolomita, un carbonato de magnesio y calcio, (MgCa)CO3, para eliminar el CO2.Esta clase de ladrillo se conoce como refractario de dolomita.La ventaja de este tipo de refractario es que al fabricar acero muchas veces es necesario emplear una escoria en la superficie del metal que sea rica en CaO. Si las paredes del horno o de la cuchara se hacen de SiO2, el CaO hace de fundente para formar un vidrio de bajo punto de fusión y, por lo tanto, gradualmente se disuelve. Sin embargo, hay poca reacción con los refractarios de dolomita puesto que no se forman materiales de bajo punto de fusión. Silicatos:La sílice reacciona con Al2O3, MgO, CaO y FeO, así como con el Na2O y el K2O para formar muchos complejos útiles, que incluyen los vidrios, que discutiremos al final. Para ilustrar la gama de propiedades y cómo dependen de su estructura, consideremos los minerales corrientes como asbestos, mica y arcilla. ASBESTOS O AMIANTOS (COMPLEJOS DE SILICATOS DE MAGNESIO HIDRATADO) El bloque original de la construcción de la sílice es el tetraedro SiO44-. Consideremos ahora la adición de varias de estas islas para hacer una cadena sencilla o doble. Los átomos de oxígeno incompletos permanecen únicamente en las aristas de las cadenas y se pueden enlazar con átomos externos. En el asbesto, los iones Mg2+ pueden unirse a estas cadenas y dichas cadenas pueden terminar en iones OH- debido al agua. Por lo tanto, la ocurrencia natural es que la estructura sea fibrosa, de manera que cuando se le aplica esfuerzo, las cadenas no se fracturan, sino que se presentan fallas entre las cadenas. El hecho de que el asbesto sea acuoso y que, por lo tanto, se pueda deshidratar a temperaturas elevadas, se debe recordar en caso de que el material se vaya a utilizar en sistemas al vacío de alta temperatura. Otra característica importante de los asbestos es su toxicidad, lo cual ha limitado su uso a partes comunes como los revestimientos del freno. MICA:Este Material es un silicato complejo en el cual el enlace produce una estructura en láminas, por ejemplo en la muscovita, Kal2(Si3AlO10)(OH)2. Las cadenas dobles están unidas entre sí por medio de los oxígenos incompletos ubicados en los bordes de la cadena para producir láminas. Por lo tanto hay un enlace fuerte de silicio-oxígeno en dos dimensiones, en lugar de estar en una sola línea. Los enlaces adicionales para los átomos de oxígeno sobre el plano de la lámina, nuevamente se satisfacen por medio de iones externos. En este caso tenemos una ruptura como una plancha, lo que permite que la mica se divida en láminas muy delgadas. ARCILLA:En este material tenemos una estructura en láminas semejantes a la de la mica. En la caolinita, [Al2Si2O5, (OH)4]2, por ejemplo, hay estratos alternos de iones Si4+ y Al3+, pero el tetraedro SiO44+ es todavía distinguible. La unidad celular compleja conduce a una ruptura en forma de lámina y que da a la arcilla una característica que la hace que se sienta como si fuese grasosa. A esta estructura se debe la excelente moldeabilidad de este mineral cuando se le adiciona agua. Las moléculas de agua, siendo polares, pueden adherirse a los estratos de arcilla debido a las fuerzas de Van der Waals, generándose su plasticidad. El exceso de agua permite enlaces de agua a agua y, por lo tanto, hay una pérdida en la plasticidad o una consistencia limosa. Las estructuras de los silicatos en general se pueden identificar fácilmente por sus proporciones de oxígeno a silicio.Sin embargo, el reemplazo sustitucional de los iones de silicio con otros iones positivos a vaces enmascara la identidad, como por ejemplo en la estructura laminar de la mica. Mullita:Son sustancias cerámicas importantes compuestas de varios porcentajes de sílice y alúmina. Cuando se calienta arcilla refractaria (caolín) se libera agua y tienen lugar otros cambios complejos, de modo que por encima de 1595ºC están presentes el mineral de mullita y un líquido. Ello limita el empleo de refractarios alúmina-sílice con menos del 72% de Al2O3 a temperaturas por debajo de los 1550ºC;sin embargo, por encima de ese 72% tenemos mullita, (3Al2O3 . 2SiO2) o mullita más corindón con un solidus a 1840ºC. Por lo tanto, los refractarios con alto contenido de alúmina, se emplean ampliamente en la fabricación del acero. Se debe reclacar que un cambio relativamente ligero en el Al2O3, del 70 al 80% por ejemplo, cambia el solidus en 255ºC en una escala de temperatura muy importante. Por esta razón la mullita es un refractario importante. Espinelas:Las espinelas que tienen la estructura A2+B3+O4 (donde A y B son iones metálicos) se utilizan en la industria refractaria y en la eléctrica. En la industria eléctrica el interés en la estructura espinela se debe a sus propiedades magnéticas. La magnetita, FeFe2O4 , o sea, la piedra imán, es una espinela que se encuentra en la naturaleza.En contraste con las espinelas refractarias, las únicas de interés en la industria eléctrica son aquellas con elementos de transición que conducen a la formación de materiales magnéticos, tales como el CoFeO4. Titanato de bario:Este material, BaTiO3, tiene la estructura de la perovskita, que contiene bario en lugar de calcio. Sus usos eléctricos dependen del hecho de que el ión Ti4+ no cabe en el centro de la celda unitaria formada por iones de bario y oxígeno, dando esto como resultado una carga fuera de centro para la celda.Esto conduce al empleo de tranductores. Otros compuestos cerámicos: Aunque el tonelaje total no es muy grande, se ha desarrollado un interesante grupo de materiales refractarios duros en el campo de los carburos, nitruros y siliciuros, así como en el del grafito. Comercialmente se producen carburos de tungsteno, titanio, tántalo y cromo por reacción del metal o de su óxido con carbono, mientras que otros se producen generalmente por medio de procesos especiales de alta temperatura. En muchos casos es necesario mezclar los carburos, etc., con un metal más blando, tal como un 10% de cobalto, para obtener la tenacidad necesaria en una herramienta de corte. La aleación obtenida por este proceso se denomina cermet.Se podrían mencionar otros compuestos , tal como el carburo de boro, o el nitruro de boro, que es un aislante eléctrico y es más resistente a la oxidación que el grafito. Debido a su estructura, tal como en el grafito, es relativamente fácil de maquinar. Otros carburos y nitruros han despertado interés debido a sus altos puntos de fusión y a su alta dureza, lo cual sugiere usos posibles que van desde conos para la nariz de vehículos espaciales hasta refractarios, motores turboalimentados, y herramientas de corte. Carbono:Se puede producir en varias formas importantes en materiales cerámicos. Las partículas de carbono se pueden unir con brea, y la mezcla se puede calentar para descomponer la brea en “carbón amorfo”. Cuando se calienta esta mezcla a una temperatura mayor, (como cuando se pasan corrientes eléctricas altas a través de ella), el grafito se cristaliza en la masa. La estructura laminar tiene enlaces covalentes fuertes dentro de las láminas, pero enlaces semimetálicos entre las láminas. Esta disposición conduce a un clivaje entre las láminas, los cual produce excelentes propiedades como lubricante y también propiedades, tales como la alta conductividad eléctrica y térmica paralela a las láminas. Entre estas láminas hay barreras para el movimiento de electrones. En la forma de diamante el enlace covalente perfecto en toda la masa conduce a la mayor dureza conocida. No obstante, las herramientas de diamante y los discos impregnados con diamante son muy valiosos para dar forma a otros cerámicos duros. Sin embargo, el clivaje en los planos (111) es perfecta, de modo que el cristal puede tallarse con una herramienta afilada. MATERIALES POLIMÉRICOS POLÍMEROS ORGÁNICOS La naturaleza presenta una gran riqueza de materiales poliméricos: la madera, el caucho, el petróleo, y otros, están constituídos por polímeros orgánicos. En la naturaleza hay también materiales poliméricos inorgánicos tales como el asbesto (inosilicatos), o como el caolín y otros filosilicatos o silicatos laminares. Entre los polímeros orgánicos naturales ofrece particular interés la celulosaC6H7O2(OH)3- presente en las partes leñosas de las plantas y, sobre todo, en su forma más pura, en el algodón. De ella se deriva el papel, y los polímeros termoplásticos celulósicos obtenidos a partir de etil celulosa (EC); acetato de celulosa (CA); acetato butirato(CAB); acetato propionato (CAP); nitrato de celulosa (CN): rayón, celofán, algodón pólvora, celuloide, lacas para pinturas y otros. Esos polímeros orgánicos artificiales son materiales formados por la unión repetida de moléculas orgánicas sencillas denominadas monómeros. Así, sustancias tales como el eteno o etileno, CH2=CH2, con enlaces no saturados, pueden dar origen mediante rotura del enlace a cadenas del monómero que reciben el nombre de MACROMOLÉCULAS: X-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-.....-CH2-CH2-CH2-X (polietileno) Los finales de la cadena, X, enlazan con otras macromoléculas o bien se cierran con otro radical que recibe el nombre de terminal. El número de monómeros que componen una macromolécula define su grado de polimerización. Las propiedades de un sólido resultante de la agragación de macromoléculas de igual longitud, por repetición de un mismo monómero, dependen del grado de polimerización de éste. Las macromoléculas de polímeros comerciales suelen constar de 1000 a 100.000 monómeros (a veces se llega hasta 500.000, en los denominados “de alta densidad”). Como es lógico, de un mismo monómero, por ejemplo el polietileno, pueden obtenerse materiales muy diversos, con propiedades diferentes según sea su grado de polimerización. Se denomina polimerización por adición a la conseguida, como la citada del etileno, por simple repetición continua de un mismo monómero. Para poder polimerizar es preciso que el monómero tenga enlaces insaturados. Por esta razón, entre los derivados del petróleo, no polimerizan los hidrocarburos saturados o parafinas. La facilidad de polimeración es mayor cuanto mayor sea la polaridad del monómero. Ello explica que el CH3-CH2-CH=CH2 polimerice fácilmente y, en cambio, otra olefina de igual composición química, (pero con el doble enlace en el centro de la molécula), polimerice con dificultad. Los monómeros que dan polímeros de adición de alto grado contienen generalmente un doble enlace terminal, RR1C=CH2. Se llaman copolímeros a los compuestos formados por dos sustancias distintas polimerizadas al mismo tiempo. Y se denomina polimerización de condensación a la que supone la eliminación de pequeñas moléculas, frecuentemente H2O, por reacción entre los monómeros. Por citar un solo ejemplo, tal es el caso de la poliamida (PA) Nylon 6/6: formada por copolimerización de exametilendiamina y el ácido adípico que origina esa poliamida termoplástica (identificada por los 6 átomos de C de la diamina y los otros 6 del ácido dicarboxílico): n. HOOC-(CH2)4-COOH + n. H2N-(CH2)6 -NH2 (2n-1). H2O + HO-{ CO-(CH2)4-CO-NH-(CH2)6-NH}n-H Los polímeros suelen clasificarse : en termoplásticos, termoestables, elastómeros y espumas o polímeros expandidos. La producción mundial de polímeros se cifra actualmente en unos 90 millones de toneladas. Se emplean sobre todo en la industria del embalaje (43%), en edificación (35%), industria eléctrica (7%), transporte (4%) y otros. POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Al igual que el etileno, pueden polimerizar por adición otros muchos polímeros termoplásticos; tales como el propileno, el tetrafluoretileno, el estireno, el metacrilato de metilo derivado del ácido acrílico, el cloruro de vinilo, muchos del grupo vinílico que es base de monómeros tales como el fluoruro de polivinilo, el alcohol vinílico, el acetato de vinilo, etc. Y otros. Según la nomenclatura adoptada por la International Union of Pure and Applied Chemistry, norteamericana, estos polímeros suelen denominarse: PE (o LDPE polietileno de baja densidad), HDPE (polietileno de alta densidad); PP (polipropileno); PTFE (politetrafluoretileno); PS (poliestireno); PVC ( cloruro de polivinilo); PMMA (polimetilmetacrilato). Entre la nomenclatura habitual para algunos otros polímeros termoplásticos- que como los PES resultan además de interés para los materiales compuestos de matriz polimérica- merecen citarse también: PTB (polibutileno terftalato), PET (polietileno tereftalato), PA (poliamidas o nylons). Los polímeros termoplásticos están constituídos por la agrupación de macromoléculas lineales prácticamente atómicas en su sección transversal, pero casi microscópicas en longitud. Esas macromoléculas están ligadas entre sí mediante enlaces débiles: de tipo Van der Waals y puentes de Hidrógeno. Esos enlaces desaparecen durante el calentamiento cuando llega a alcanzarse una determinada temperatura TG (“glass transition temperature”) denominada temperatura de reblandecimiento, o de transición viscoelástica. Los polímeros, a diferencia de las aleaciones y de las cerámicas, no pasan al estado líquido por fusión; simplemente se reblandecen o se queman. Con todo, no es infrecuente que a TG se le denomine “temperatura de fusión” del polímero termoplástico. Aunque esa denominación no es adecuada, teniendo en cuenta lo que propiamente comporta una temperatura de fusión o solidificación. La estructura de esas macromoléculas conlleva un habitualmente fácil conformado plástico, a temperaturas superiores a TG, aplicando calor y presión. En efecto, desaparecidos los débiles enlaces entre macromoléculas, éstas adquieren una movilidad relativa que se traduce en una especie de reblandecimiento viscoso. Ese reblandecimiento va acompañado de ligero aumento de volumen (que conviene no identificar, erróneamente, con las dilataciones por verdadera fusión. Así pues, cada macromolécula, desligada de las que le rodean, puede moverse bajo el efecto de la fuerza aplicada. Esa misma estructura lineal justifica que, si la tensión es por ejemplo de tracción, cada macromolécula individual tienda a enderezarse en la dirección de la tracción. Ese movimiento resulta posible en el interior de una especie de tuboide irregular que rodea a la macromolécula debido al espacio libre que dejan otras macromoléculas contiguas. A temperaturas inferiores a TG, el polímero termoplástico se comporta a la manera de un conjunto enmarañado de largas cuerdas unidas entre sí por aquellos enlaces débiles. Se constituye así un sólido amorfo. Sólo cuando el grado de polimerización es muy grande llega a obtenerse una cierta cristalinidad, por plegado repetido de la macromolécula lineal. La resistencia mecánica de los polímeros termoplásticos es el resultado de esos enlaces de pequeña rigidez entre las macromoléculas lineales, del grado de enmarañamiento de esas “cuerdas”, y de los enlaces covalentes que forman las macromoléculas. Por debajo de 0,75.TG resultan generalmente muy poco tenaces. El mismo nombre de TG, “glass transition temperature”, ya indica que por debajo de esta temperatura el polímero es como un vidrio; aunque la denominación de “vidrio” no es la más adecuada. Muchos polímeros termoplásticos son sensibles a la acción del Oxígeno, que puede endurecerlos por formación de enlaces covalentes entre macromoléculas, con las dos valencias libres del Oxígeno. Hay casi una treintena de familias diferentes dentro de los polímeros termoplásticos, con la consiguiente numerosa variedad de tipos dentro de cada familia; a continuación expondremos algunas características, particularidades y aplicaciones de los polímeros más comunes. Polietilenos: Los PE (“low density polyethylene”, LDPE) en secciones delgadas conservan su dureza y flexibilidad hasta los 55ºC bajo cero. Se emplean para tubos, botellas, aislantes eléctricos, separadores de acumuladores, bandejas, tazas, barriles, fibras, etc. Los polietilenos de alta densidad (HDPE), con macromoléculas de hasta 500.000 monómeros, proporcionan gran rigidez, resistencia a la abrasión, aceptable tenacidad a temperatura ambiente y resistencia química. Como es obvio, el coste de su manufactura supera al de los LDPE. Polipropilenos (PP): Su característica más señalada es la ligereza (su densidad es 0,88-0,91). Se emplean para los mismos usos que los PE y resultan más rígidos que éstos y más resistentes a la luz solar. Politetrafluoretilenos (PTFE): Su propiedad significativa es la resistencia química: apenas le afectan los ácidos, bases y solventes. Suelen conformarse por extrusión debido a sus dificultades para el moldeo. Se utilizan para aislamiento en cables de alta frecuencia, juntas de expansión, tuberías, industria del automóvil, aplicaciones biomédicas, etc. Su aspecto es céreo. Poliestirenos (PS): Tienen una gran aceptación por su excelente combinación entre bajo coste, muy buenas propiedades dieléctricas, resistencia al agua y a los agentes químicos, brillantez y transparencia, así como posibilidades de coloración. De todas maneras, su tenacidad es muy pequeña; y bajo carga constante llegan a romperse. Por todo no resultan recomendables como constituyente matriz para materiales compuestos. Se utilizan para objetos de adorno, en uso doméstico, mangos de pequeñas herramientas, etc. Precisamente, para mejorar su tenacidad se están desarrollando, mediante aditivos orgánicos, algunos tipos denominados (HIPS, “high-impact polystyrenes”) utilizados sobre todo en la industria del embalaje. Cloruros de polivinilo (PVC): Estos termoplásticos tienen buena resistencia al envejecimiento, al aceite, y al agua. Por ello suelen emplearse en la protección de cables. Debido a su resistencia a la abrasión, duración y facilidad de limpieza, se utilizan también para impermeabilizaciones, tuberías y desagüesm, recubrimiento de suelos, tapicerías, bolsos, maletas, persianas, etc. Polimetilmetacrilatos (PMMA): Éstos son transparentes, por lo que se usan para la fabricación de vidrios orgánicos (no se astillan tan fácilmente como el vidrio pero se rayan con más facilidad), lentes, prismas ópticos, lucernarios, cúpulas, etc. Son permeables a los rayos ultravioleta. Tiene buena estabilidad dimensional, y resisten al agua hirviendo sin deformarse. Nylons (poliamidas PA): Los Nylons son muy populares por su empleo como fibra textil. Si bien, por su resistencia al desgaste, buen comportamiento químico y aceptable tenacidad, se utilizan ampliamente en otros campos. Conformados por moldeos se usan para engranajes y cojinetes de poca responsabilidad, vasos y platos “irrompibles”, componentes electrónicos, elementos deportivos, etc. Conformados por extrusión pueden proporcionar hilos y cables, hojas, barras, tubos, etc. Para RESUMEN DE PROPIEDADES GENERALES DE LOS POLÍMEROS ORGÁNICOS Como conclusión, y aparte de las peculiaridades de cada uno, los polímeros orgánicos son materiales ligeros; resistentes a la corrosión; insolubles en agua; solubles muchos de ellos en disolventes orgánicos; versátiles de color; con baja conductividad térmica (entre 100 y 1000 veces menor que la de los metales) y eléctrica; de coeficiente de dilatación muy superior a la de los metales (lo que suele plantear problemas en los compuestos de polímero y metal);con alta capacidad calorífica (superior a la de los metales). Algunos envejecen con el oxígeno. También con la luz solar por cuanto el fotón ultravioleta tiene energía suficiente para romper el enlace covalente entre dos átomos de Carbono, desdoblando las macromoléculas en cadenas más cortas. Sus características mecánicas resultan bajas. Pero su principal limitación es que sólo pueden usarse a temperaturas moderadas.Por otro lado, a bajas temperaturas resultan casi frágiles. Materiales: Un caso característico de la idea de materiales es cuando se habla de aquellos elementos que se utilizan en la construcción. Por ejemplo, suelen considerarse materiales a los ladrillos, a las herramientas de diverso tipo, a la pintura, el yeso, elementos eléctricos, vigas, metales, maderas y demás. Todos ellos en conjunto son necesarios para construir o reparar ciertos espacios y son siempre los elementos básicos con los que se debe contar. En este sentido, las maquinarias pueden entrar dentro del conceptode materiales pero este versará más sobre la materia prima a usar. Materiales metálicos. Podemos encontrar como materiales metálicos los metales y sus aleaciones, como también sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o más elementos metálicos; por ejemplo: hierro cobre, aluminio, níquel y titanio. Es importante tener en cuenta que el carbono es un elemento no metálico. Los metales tienen muchas características pero las más importantes son: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc. Ahora bien, podemos subdividir a los materiales metálicos en dos grupos importantes: los ferrosos y los no ferrosos. Ferrosos: a este grupo pertenece el hierro y sus derivados: el acero y la fundición. No ferroso: este grupo esta formado por los demás metales y sus aleaciones. A su vez, en función del peso, los metales se pueden subdividir en dos grupos: metales ligeros y metales pesados. Materia Prima. Es importante aclarar que estos en estado natural, se encuentran puros, ya que se hallan combinados con el oxígeno, o con otros no metales, en especial del azufre, cloro y carbono. Los metales que se encuentran puros en la naturaleza, llamados metales nativos son: Oro, Plata, Cobre, y Platino. El hombre para poder usar los metales, ha tenido que aprender como extraerlos de la naturaleza, pues en estado natural los metales están mezclados con otros minerales. Solo unos pocos aparecen solos, en estado natural, si bien en pequeñas cantidades como es el caso del cobre. El hierro es uno de los metales más exuberante en la naturaleza. Productivamente el hierro contiene carbono y otras sustancias que alteran sus propiedades físicas pero estas se pueden reformar al desarrollar aleaciones con otras sustancias como el carbono. Proceso de fabricación de los materiales metálicos. La gran mayoría de los metales los podemos encontrar en la naturaleza mezclados con otros elementos, formando minerales metálicos. Es por esto que, el primer paso es la: • Obtención del metal: esto consiste en localizar y extraer el mineral, que normalmente se encuentra en el subsuelo. A esta etapa corresponden los trabajos de minería. La extracción de los minerales se realiza practicando minas subterráneas o a cielo abierto con la ayuda de grandes máquinas. Como los minerales metálicos están mezclados con otros materiales, hay que triturar la roca extraída para separar el mineral metálico del resto de materiales. Finalizado el proceso de obtención y tratamiento del metal, podemos fabricar con él una gran variedad de piezas metálicas. Algunos de los procedimientos de trabajo más habituales son: fundición y moldeo, deformación y corte y mecanizado. Propiedades físicas. Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: a excepción del mercurio son sólidos a condiciones ambientales normales, suelen ser opacos y brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos conductores del calor y electricidad. Estas propiedades se deben al hecho de que los electrones exteriores están ligados sólo ligeramente a los átomos, formando una especie de mar (también conocido como mar de Drude), que se conoce como Enlace metálico. Los materiales metálicos, al estar enterrados durante mucho tiempo, sufren ataques diferentes a otros materiales extraídos de excavaciones arqueológicas. Mayores productores de los materiales metálicos. Alemania Países bajos Japón Estados Unidos. Su uso en la Ingeniería. Es importante destacar que metales se utilizan en infinidad de aplicaciones. El hierro por, ejemplo, es uno de los más abundantes en la naturaleza, y con el se obtiene el acero. En las construcciones se utilizan hierro y acero de distintos tipos. Utilizamos el cobre para cables, el estaño lo usamos para soldar, etc. La mayor parte del hierro se utiliza luego de ser sometido a tratamientos especiales, como el hierro forjado, el hierro colado o el acero (tal vez la más usada en construcción en la actualidad por sus características especiales). Los metales son unos materiales de enorme interés. Se usan muchísimo en la industria, pues sus excelentes propiedades de resistencia y conductividad son de gran utilidad en la construcción de máquinas, estructuras, mecanismos, circuitos y herramientas. Las características de los elementos METALICOS son: Conducen con facilidad el calor y la electricidad. Presentan brillo metálico Generalmente pueden ser laminados o estirados formando alambres, propiedades que se conocen como MALEABILIDAD y DUCTILIDAD. Por lo regular a temperatura ambiente son sólidos excepto Hg, Ga, Cs y Fr. Al combinarse con NO METALES ceden electrones por lo que adquieren cargas positivas (CATIONES). Características de los materiales cerámicos Resistencia a las altas temperaturas, por lo que son buenos aislantes del fuego. Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos. Alta resistencia a casi todos los agentes químicos. Gran poder de aislamiento térmico y, también, eléctrico. La arcilla puede tener diferentes composiciones y características, según el modo en que se trabaje la masa y la forma de cocción. Para fabricar porcelana, por ejemplo, se usa casi exclusivamente caolín. Los vidrios también se consideran un tipo de material cerámico. .8.4.-Estructura y propiedades de cerámicos Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. Materiales cerámicos Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos. Cerámicos cristalinos Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios. Cerámicos no cristalinos Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos. Vitro cerámicos Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica. Propiedades y aplicaciones Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: • Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. • Son capaces de soportar altas temperaturas • Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión • Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas. Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes. Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible. Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura. Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación. Resistencia a la temperatura Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica. Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio. Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su posterior rotura. Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes. Resistencia a los agentes químicos La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos. La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo. OTRAS CARACTERISTICAS : Resistencia a la abrasión: consiste en someter a una probeta de material a la accion abrasiva conjunta de una rueda con polvo de corindón. Luego de un tiempo determinado (200 revoluciones) se procede a medir el hueco dejado en el material, en mm3. a menor volumen del material removido, mayor resistencia del material ensayado. - Porosos : mala . - Vítreos : aceptable a buena. Resistencia a la heladicidad : en porosos puede generar deterioro para esto se realizan ensayos que miden la resistencia de una probeta ante heladas y deshielos. Envejecimiento : buen comportamiento ( excepto azulejos ). Disolución : son atacados por sales solubles ( sulfatos, nitratos ). Combustibilidad : no inflamables . Reciclabilidad : algunos productos. Eflorescencias: son debidas a la cristalización de las sales solubles contenidas en los ladrillos o tejas. No es posible fijar un mínimo de sales para que no se produzcan eflorescencias. Parece ser que la presencia de diversas sales juntas, su proporción relativa y el sistema capilar de la pieza son las causas decisivas para que aparezcan. El ensayo para determinar si existen o no en una pieza de cerámica, se basa en la observación de las piezas cuando se desecan después de haber estado parcialmente sumergidos en agua destilada. PROPIEDADES. 1 ) PLASTICIDAD Es la propiedad de un material que al recibir la accion de una fuerza puede permanecer deformado luego que esta se retira. Es una propiedad natural , la cual puede obtenerse también artificialmente. Reguladores : 1 Pureza (a mayor pureza = mayor plasticidad). 2 - Contenido de agua: seca (no plástica), con hidratación del 50 % (mayor volumen, más dócil), excedida de agua ( líquido viscoso. Tamaño y forma de las partículas: menor dimensión da mayor plasticidad. 3- Contenido de aire: mayor aire disminuye plasticidad. Agregados: plastificante = materia orgánica (da mayor plasticidad), desengrasante = sílice, ladrillo partido (dan 5 - menor plasticidad). 4- Es esencial para facilitar el moldeado. Depende del contenido en arcilla, un alto porcentaje puede producir hinchamiento y retracción, lo que tampoco es adecuado para la fabricación de ladrillos. 2 ) COHESION : La estructura molecular permite conservar la forma. 3 ) CONTRACCION : Depende del secado ( aproximadamente 10 % del volumen ). Los elementos principales para regularla son la temperatura, humedad y volumen del aire 4 ) COCHURA : a) Hasta 400 °C Arcilla seca, sin cambios estructurales. Reversibles. b) de 400 a 600 °C Se elimina agua de composición y varían sus propiedades. Proceso irreversible. Retracción definitiva. Puntos de fusión distintos según arcillas: c) más de 600 °C temperat ura Si Al % % ºC % % 60 20 2 1,5 Cerámicas Rojas. VITRIFICAB 1280LES 1600 70 25 2 1,0 Gres, azulejo, mayólica. REFRACTA RIAS 16001700 75 30 1 0,2 Ladrillos, polvos. KAOLIN 17002700 50 40 0,5 0,2 Porcelanas. FUSIBLES 8001280 O Ca Fe O Uso de los materiales cerámicos En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica. A las substancias a partir de las cuales se puede construir: autos y aeroplanos, puentes y edificios, platos y puertas, paracaídas y medias, naves espaciales y tubos de alcantarillado, se las conoce como; "materiales de ingeniería". Estos materiales son de vital importancia para el desarrollo y supervivencia de nuestra sociedad. Una de las formas en que se puede clasificar a las épocas de la Humanidad, es en base a la consideración del material más importante de uso que desarrolló el hombre, en cada época, así tenemos: la Edad de la Piedra, la Edad del Bronce, la Edad del Hierro, etc. En la Edad de Piedra las casas, "muebles" y armas se construían con materiales cerámicos. Cuando el hombre descubrió la manera de transformar los óxidos en metales, éstos pronto dominaron diversos campos, sirviendo tanto para la construcción de fábricas, como para la elaboración de utensilios domésticos. El acero, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, se convirtió en el "rey" de los materiales de ingeniería; su utilización se ha extendido a múltiples campos, sin embargo a su reinado le han salido fuertes competidores: las nuevas cerámicas, los materiales compuestos y los materiales poliméricos. En la época actual, no existe un sólo material que destaque absolutamente sobre el resto. Nos encontramos en la era de los "Nuevos Materiales" en la cual se diseñan aleaciones metálicas altamente mejoradas, cerámicas finas, polímeros para altas prestaciones, polímeros degradables, etc. En ciertos dominios estamos en las fronteras de invertir el proceso "clásico" de utilización de un material. Anteriormente se caracterizaban los materiales, se veía qué propiedades tenían y, en base a eso, se determinaba la utilidad que podían tener. Actualmente, lo que se intenta es que a partir de las necesidades que se tiene, y en base a las mismas, diseñar el material que se necesita. Una aproximación a esta meta lo constituyen los denominados materiales compuestos, que juntan lo mejor de las características de los distintos materiales de ingeniería. Entre los materiales de ingeniería, son los materiales poliméricos los que han tenido un desarrollo cualitativo y cuantitativo más importante. En los últimos 40 años su volumen de producción ha crecido cien veces, han llegado ya a sobrepasar la producción de acero y su tendencia de crecimiento es sostenida. Los automóviles se desplazan sobre llantas de caucho (Polisopreno), la leche nos viene en envases de Polietileno (PE), el agua se conduce por-tuberías de Policloruro de vinilo (PVC), las flores crecen bajo mantos de Polietileno, las computadoras tienen una dieta estricta de discos de Poliacetato de vinilo y de Policarbonato, los aviones y naves aeroespaciales viajan más ligeras gracias a los materiales compuestos que utilizan polímeros en su composición. LOS PLÁSTICOS COMO MATERIALES DE INGENIERÍA La facilidad de procesamiento y el poco peso que caracteriza a los plasticos, unido a su fuerza y durabilidad, hacen que este material resulte ideal para satisfacer los requerimientos del sector. Los plasticos ofrecen dia a dia ventajas que generalmente se dan por sentadas, y que brindan confort y eficiencia al cotidiano existir. Las diversas propiedades de las diferentes resinas plasticas las hacen convenientes para una gran gama de aplicaciones en la edificacion y la construccion. Entre dichas aplicaciones se pueden mencionar, entre las mas comunes... PET Polietilentereftalato Puede ser coextruido con una versión modificada de la resina que contiene un absorbedor de rayos ultravioleta. Esto la hace apta para la elaboración de los productos usados en exhibidores y cartelería en general, decoración de interiores, señalización, los llamados geotextiles (pavimentación/caminos) y otros usos. PEAD / PEBD Polietileno de Alta y Baja Densidad Esta materia plástica es muy versátil y se la puede transformar de diversas formas: por inyección, soplado, extrusión, rotomoldeo. Es irrompible, resistente a las bajas temperaturas, liviana, impermeable, atóxica, inerte. Se la utiliza en el sector en caños para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario. Cables. Tubería en general. Pisos de relleno. Cobertores de seguridad en edificios en construcción. PP Polipropileno Es un plástico rígido, de alta cristalinidad y elevado punto de fusión, excelente resistencia química y baja densidad. Al adicionarle distintas cargas (talco, caucho, fibra de vidrio, etc.) se potencian sus propiedades hasta transformarlo en un polímero de ingeniería. Se pueden producir, dentro del mercado de la construcción: Caños para agua caliente. Tuberías en general. Alfombras. Pisos de relleno, etcétera. PVC Policloruro de Vinilo Material ignífugo, resistente a la intemperie, atóxico, posee además otras cualidades que lo hacen muy frecuentado en el desarrollo de las actividades de la construcción. Se conforman con él perfiles para marcos de ventanas y puertas, caños para desagües domiciliarios y de redes, mangueras, tubería en general, revestimiento de cables, aberturas, alfombras, papel vinílico, entre otros muchos usos que lo hacen uno de los materiales plásticos más utilizados en el sector. Poliestireno Expandido: Se caracteriza por su baja conductividad térmica, su resistencia a la compresión y su elevado poder amortiguador, es fácilmente trabajable y puede ser manipulado en obra en forma muy sencilla. Tiene elevada resistencia química a los materiales que se utilizan en la construcción y además posee excelente estabilidad dimensional. Se utiliza para la fabricación de materiales aislantes para techos, paredes y pisos, la producción de hormigón ligero y ladrillos celulares, en prefabricadas, en sistemas de calefacción, cámaras frigoríficas, encofrados, e inclusive para la neutralización de ruidos. Propiedades y características Los plásticos son sustancias formadas por macrocélulas orgánicas llamadas polímeros. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica. De hecho, plástico se refiere a un estado del material, pero no al material en sí: los polímeros sintéticos habitualmente llamados plásticos, son en realidad materiales sintéticos que pueden alcanzar el estado plástico, esto es cuando el material se encuentra viscoso o fluido, y no tiene propiedades de resistencia a esfuerzos mecánicos. Este estado se alcanza cuando el material en estado sólido se transforma en estado plástico generalmente por calentamiento, y es ideal para los diferentes procesos productivos ya que en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad. Así que la palabra plástico es una forma de referirse a materiales sintéticos capaces de entrar en un estado plástico, pero plástico no es necesariamente el grupo de materiales a los que cotidianamente hace referencia esta palabra. Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas: fáciles de trabajar y moldear, tienen un bajo costo de producción, poseen baja densidad, suelen ser impermeables, buenos aislantes eléctricos, aceptables aislantes acústicos, buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy elevadas, resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos; algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son muy contaminantes. Usos más comunes Aplicaciones en el sector industrial: piezas de motores, aparatos eléctricos y electrónicos, carrocerías, aislantes eléctricos, etc. En construcción: tuberías, impermeabilizantes, espumas aislantes de poliestireno, etc. Industrias de consumo y otras: envoltorios, juguetes, maletas, artículos deportivos, fibras textiles, muebles, bolsas de basura, etc. La definición enciclopédica de plásticos reza lo siguiente: Materiales poliméricos orgánicos (los compuestos por moléculas orgánicas gigantes) que son plásticos, es decir, que pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada por medio de extrusión, moldeo o hilado. Las moléculas pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el polietileno y el nylon. Los materiales empleados en su fabricación son resinas en forma de bolitas o polvo o en disolución. Con estos materiales se fabrican los plásticos terminados
Report "Materiales de Ingeniería y Sus Aplicaciones"