Introducción a la Ciencia de los Materiales

MATERIALESINTRODUCCIÓN

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Prof. ISMAEL SÁNCHEZ, UNIVERSIDAD INTERAMERICANA DE PANAMÁ

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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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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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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¿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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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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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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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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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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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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