Estructuras cristalinas Materiales I Facultad de ingeniera Universidad de Pamplonaing_robertoparada@unipamplona.edu.co Colombia

HISTORIA

CLASIFICACION DE MATERIALES POR USOS TECNOLOGICOS Dependen propiedadesfsicas

FUNCIONALESVariadas aplicaciones generales y especficas Propiedades mecnicas y trmicas especiales

Magnticos Elctricos Semiconductores pticos Biomdicos Aeroespaciales

ESTRUCTURALESConstruccin maquinaria, equipos, edificios

Metales Cermicos Polmeros Compuestos

CLASIFICACION MATERIALES

MATERIALES METALICOS FERROSOS

NO FERROSOS

Aleacin: Mezcla o disolucin de dos o mas elementos por lo menos uno metlico y que posee propiedades metlicasAL CARBONO (BAJO, MEDIO ALTO) BAJA ALEACIN MEDIA ALEACION ALTA ALEACION INOXIDABLES HERRAMIENTAS

ACEROSHasta 2% C ALEACIONES FERROSAS

FUNDICIONES De 2 - 6.63% C

BLANCA GRIS MALEABLE NODULAR

MATERIALES METALICOS BASE ALUMINIO Aleaciones BASE TITANIO ligeras BASE MAGNESIO BASE COBRE Superaleaciones BASE NQUEL BASE PLOMO BASE METALES NOBLES BASE COBALTO BASE ZINC BASE ZIRCONIO BASE ANTIMONIO BASE ESTAO Y ALEACIONES

ALEACIONES NO FERROSAS

MATERIALES METALICOSPROPIEDADES tomos unidos por una nube electrnica (enlace metlico) Cristalinos Alta conductividad trmica y elctrica Densidad relativamente alta Materiales muy tenaces Brillo Metlico Resistentes a alta temperatura Algunos duros pero todos deformables

MATERIALES METALICOS

MATERIALES POLIMERICOSPLSTICOS

ELASTMEROS (CAUCHOS)

Termoplsticos

Termoestables

Polietileno Poliestireno Polivinilcloruro (PVC) Tefln Policarbonatos

Poli-steres Epoxicos Uretanos Fenolicos

Caucho natural Estireno-Butadieno Nitrilos Neoprenos Siliconas Poli - Uretanos

MATERIALES POLIMERICOS PROPIEDADESFormados por la unin de pequeas molculas orgnicas (monmeros) entre s Dichos grupos son unidos individualmente mediante enlaces covalentes Baja densidad Baja temperatura de fusin Aislantes trmicos y elctricos Degradables a rayos UV No son resistentes a alta temperatura Quimicamente inactivos con acidos o bases inorganicas

MATERIALES POLIMERICOS

MATERIALES CERAMICOSUnin qumica de un elemento metlico con un no metlico

CUAL ES LA DIFERENCIA ENTONCES CON UNA ALEACION???

Aleacin: Mezcla o disolucin de dos o mas elementos por lo menos uno metlico y que posee propiedades metlicas

MATERIALES CERAMICOSCRISTALINOS VITREOS

Cermicos tradicionales

Slice Arcilla Feldespatos

Cermicos de ingeniera

Aluminatos Nitruros

Carburos Boruros

Cermicos Electrnicos

Semiconductores Superconductores

MATERIALES CERAMICOSPROPIEDADES

Enlace qumico entre metalno metal Cristalinos o no Alta dureza Elevado punto de fusin Baja resistencia al impacto Bajo coeficiente de friccin Aislantes trmicos y elctricos.

MATERIALES CERAMICOS

MATERIALES COMPUESTOSMATRIZ

REFORZANTE

MATRIZ (continuo)

REFORZANTE

MATRIZ METALICA MATRIZ POLIMERICA MATRIZ CERAMICA

FIBRAS LARGAS FIBRAS CORTAS PARTICULAS

MATERIALES COMPUESTOSPROPIEDADES Mezclas de dos o ms materiales, fsicamente diferenciables e insolubles entre s. Las propiedades son intermedias segn el tipo de materiales que se hayan mezclado

MATERIALES COMPUESTOS

CIENCIA DE MATERIALESESTRUCTURA ATOMICA, ENLACES QUIMICOS Y PROPIEDADES SEGN ENLACES

OBJETIVOSDescribir los conceptos fsicos realacionados con la estructura de la materia Examinar las relaciones entre atomos enlaces y propiedades de los materiales Identificar las diferentes estructuras (estructura atomica, nanoestructura, microestructura, macroestructura)

TIPOS de la estructura DE ESTRUCTURA NivelEstructura Atomica Distancia atomicas Medida en Anstromg 1 = 1 x 10-10 m

Ejemplo de tecnologaArreglos atomicos Enlaces qumicos Dopado materiales (semiconductores)

Estructura Cristalina Estructuras cristalinas (Nanoestructura) Nanotecnologa Distancias moleculares Nanomquinas Medida en nanometros Nanofibras de carbono 1m = 1 x 10-9 m

TIPOS de la estructura DE ESTRUCTURA NivelMicroestructura Granos (cristales) Medida en micras 1m = 1 x 10-6 m

Ejemplo de tecnologa

Metales y aleaciones metlicas Propiedades mecnicas 100 m

Macroestructura Defectos (poros) Medida en milimetros 1mm = 1 x 10-3 m

Defectos de fabricacin Corrosin

1 cm

TIPOS DE ENLACES

Los enlaces se pueden clasificar en fuertes o primarios y dbiles o secundariosPrimarios o fuertes

Enlace Inico Enlace Metlico Enlace Covalente Enlaces MixtosEnlace Van der Waals Enlace Dipolares Puentes de hidrgeno

Secundarios o dbiles

Oscilantes Permanentes

ENLACE IONICOEs una ATRACCION ELECTROSTATICA de iones (tomos que han ganado o perdido electrones) de cargas opuestas.

Caractersticas Ceden electrones Gran diferencia de electronegatividad (electropositivos y electronegativos) Grupos VIA, VIIA y IA y IIA Disminucin de energa potencial de los iones No es direccional Slidos deben tener electroneutralidad

ENLACE IONICOENLACES PREDOMINANTES EN LOS CERAMICOS

ENLACE COVALENTESe COMPARTEN ELECTRONES formando pares de electrones y le dan a cada tomo una rbita externa estable

Caracteristicas Comparten electrones Es un enlace direccional Poca diferencia de electronegatividad (cercanos en la tabla peridica) No es tan fuerte como el inico (lquidos o gases a temperatura ambiente)

ENLACE COVALENTE

Predominante en lquidos y gases Molculas de no metales Molculas de metales y no metales Mismo elemento (homopolares)

ENLACE COVALENTEEnlace direccional, tiene un ngulo definido de enlace que no cambia, hace de los slidos covalentes FRAGILES

ENLACE METALICOLos tomos ceden sus electrones de valencia formando una nube de electrones. Los nucleos positivos se unen a la nube negativa por atraccin entre cargas + y Caractersticas No tienen direccionalidad No cumplen electroneutralidad Electrones libres (no estn ligados a ningn ncleo

ENLACES DEBILES O SECUNDARIOSIMPORTANTES EN DIELECTRICOS Y POLIMEROS

Formacin de slidos a bajas temperaturas, ejemplo: HIELO Caractersticas Dipolos elctricos entre molculas Atraccin electrosttica dbil

ENLACES DEBILES O SECUNDARIOSPVC (policloruro de vinilo) En las cadenas del polmero los tomos de cloro con cargas parciales negativas y del hidrogeno con cargas parciales negativas hacen una unin entre ellas, dando una dureza adicional. Cuando se aplica una fuerza se deslizan los tomos creando otro enlace de Van der Waals se desliza

ENERGIAS DE UNION Y PROPIEDADES SEGN ENLACEEspacio interatomico es el espacio de equilibrio entre los centros de dos atomos Energa de union es la energa requerida para separar dos atomos desde su distancia de equilbrio hasta una distancia infinita. Modulo de elasticidad (E) es la pendiente de la curva en la grafica Tensin Vs. Deformacin. Coeficiente de expansin trmica (CTE) es la cantidad en que cambian las dimensiones de un material al cambiar la temperatura

Energa de uninUnin tomos y iones intervienen Fuerzas de atraccin + y e-

Fuerzas de repulsin e- eEnerga mnimaAl unirse 2 tomos o iones disminuyen su energa a un valor ms bajo, este valor esta relacionado con la distancia de separacin de los ncleos y las fuerzas de atraccin y repulsinFuerza repulsin = Fuerza Atraccin

Comparacin energa enlaceTipo enlaceInico Covalente Metlico

Energa de enlace (Kcal/mol)150-370 125-300 25-200

Estiramiento de enlace Deformacin elstica

Rompimiento de enlace Slido - lquido

Van der Waals

10

A mayor energa de enlace es ms fuerte, mas energa para romperlo: Menor coeficiente de dilatacin trmica Mayor temperatura de fusin Mayor Modulo de elasticidad

Tipos enlaceTipoIonico

Energa UnionGrande Variable

CaracteristicasNo direccional (ceramicos) Electroneutralidad Direccional semiconductores, ceramicas polimeros (cadenas)

Covalente

Grande-Diamante Pequea-Bismuto Variable

Metalico

Grande-Tungsteno Pequea-Mercurio

No direccional (metales) Direccional Entre cadenas (polimeros) inter-molecular

Secundarios

Pequea

Materiales, propiedades, enlace Ceramicos Gran energa de union(Enlace Ionico & covalente)Gran Tf Gran E pequeo a

Metales(Enlace Metlico)

Variable Energia de unionmoderada Tf moderada E moderada a

Polimeros(Covalente & Secondario)

Propiedades segn direccinpequea T pequea E gran a

CIENCIA DE MATERIALES

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Estructuras cristalinas en la naturaleza

Pirita Cuarzo

Diamante

Arreglos de corto y largo alcance

Arreglos de corto alcance Es un arreglo de atomos a corta distancia, usualmente 1 o 2 espacios atomicos. Este es regular y predecible Arreglos de largo alcance (LRO) Es un arreglo regular y repetitivo de atomos en un solido, que se extiende por muy largas distancias.

Niveles de arreglos atmicosGases nobles no tienen ningn ordenamiento atmico

Algunos materiales, slidos, lquidos o gaseosos como vapor de agua, vidrio, nitrgeno gaseoso y slice amorfa configuracin de corto alcance

Slidos metlicos, polmeros o cermicos configuraciones repetitivas y regulares que se extiende en todo el material largo alcance

Gases Monoatmicos Sin orden Ej. Argon, Neon

Materiales cristalinos Orden de corto y largo alcance

Materiales Amorfos Orden corto alcance Ej. Vidrios, plsticos, Si amorfo

Policristalinos Aleaciones, metales y cermicos

Lquidos cristalinos Orden corto o largo alcance en pequeos volmenes Ej. Polmeros

Monocristalinos Si, AsGa,Quarzo (microelectrnica)

Definiciones bsicas Red - Un grupo de puntos que divide el espacio en pequeos segmentos de igual tamao. Base Un grupo de atomos que se ubican en cada punton de la red Celda Unidad La subdivision de la red que aun retiene las caracteristicas de la red principal La unidad repetitiva de la red. Radio Atmico El radio del atomo que se calcula de la dimension de la celda unidad teniendo en cuenta direcciones de alto empacamiento (Depende del numero de cordinacin) Factor de empaquetamiento La fraccin de espacio que ocupan los atomos en la celda unidad

Definiciones bsicas

RED

BASE

RADIO ATOMICO

CELDA UNIDAD

FACTOR EMPAQUETAMIENTO

REDES DE BRAVAIS O SISTEMAS CRISTALINOSSistemas cristalinos que se encuentran en la naturaleza, 14 en total Agrupados en 7 grupos Cbicos Hexagonales Tetragonales Ortorrmbicos Monociclicos Rombodricos Triclnicos

Caractersticas de los sistemas cristalinos

Parmetros de la red de los sistemas cristalinosngulos y lados, depende de cada sistema

Cbico Todos los lados iguales, y todos los ngulos iguales 90

Sistemas cristalinos mas comunesDe todos los sistemas cristalinos,CUBICO CENTRADO EN LA CARA CUBICO CENTRADO EN EL CUERPO HEXAGONAL COMPACTO

Son los sistemas que mas se repiten en la naturaleza, el 98% de los metales lo presentan A estos tres sistemas los estudiaremos mas a fondo.

Cbico centrado en la cara

CC o FCC (Face cubic center)

Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)

Aluminio Cobre Oro Nquel Hierro

Cbico centrado en la cara - FCC Cuantos tomos hay en la celda unidad? Cual es el nmero de coordinacin? Cual el factor de empaquetamiento? Cual es la relacin radio atmico y parmetro de la red o parmetro reticular?

No atomos en FCC

41/8 1/2

No tomos = (1/2)x6 + (1/8)x8 = 4 tomos por celda unidad en FCC

Cbico centrado en la cara FCC

Nmero de coordinacin: Cantidad de tomos que estn rodeando al tomo central, o al catin en slidos inicos

Un octavo de tomo por celda unidad

A cada tomo lo rodean 12 tomos

Cbico centrado en la cara FCC Relacin radio atmico y parmetro reticular o de red:Deben tenerse en cuenta en donde se estn tocando los tomos, en este caso es ne las caras Por Pitgoras h2= c2 + c2 Pero h = 4r Entonces y c = ao

(4r)2 = 2ao2 ao2 = (4r)2 / 2

a0

4r 2

Cbico centrado en la cara Factor FCC de empaquetamiento: (Atomic packing factor) Espacio queocupan los tomos en la celda unidad, es una relacin de volmenes lleno a vaco se define por:Volumen de tomos en la celda unidad APF = Volumen de la celda unidadEl volumen de tomos se calcula suponiendo esferas rgidas

Cbico centrado en el cuerpo

CCC o BCC (Body cubic center)

Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)

Cromo Molibdeno Tantalio Wolframio Hierro a

Cbico centrado en el cuerpo - BCC Cuantos tomos hay en la celda unidad? Cual es el nmero de coordinacin? Cual el factor de empaquetamiento? Cual es la relacin radio atmico y parmetro de la red o parmetro reticular?

Cbico centrado en el cuerpo - BCC1/8

1

No tomos = (1/8)x8 + 1 2 tomos por celda unidad en BCC Numero de coordinacin = 8

Cbico centrado en el cuerpo - BCCRelacin radio atmico y parmetro reticular o de red Por Pitgoras h2= c12 + c22 Pero h = 4r c1 = ao2 c2 = ao (4r)2 = ao 2 + (ao 2 )2 (4r)2 = 3ao 2

a0

4r 3

Cbico centrado en el cuerpo - BCC Factor de empaquetamiento: (Atomic packing factor)

2

Hexagonal compacto

HCP (Hexagonal close packed) La celda unidad puede ser el hexgono completo o un prisma de los 6Magnesio Berilio Cobalto Titanio Cinc

Todos los tomos son idnticos (mismo elemento, mismo tamao)

HCP (Hexgono completo)Factor de empaquetamiento = 0.74 Igual a FCC

Numero de coordinacin = 12

c

a2

a1

a3

En HCP existen cuatro ejes coordenados a1, a2 a3 y c y por eso la relacin radio atmico parmetro de la red no se basa en un solo parametro

HCP (Hexgono completo)

La celda unidad de la HCP puede ser el hexgono completo o uno de los 6 tringulos equilteros

Numero de tomos por celda

Hexgono 6 tomos2*1/2= 1 caras 3 centro 6*1/3*1/2*2= 2 esquinas Triangulo = 1 tomo