Propiedades de Los Materiales (2)

Introducción a la Ciencia de los MaterialesPropiedades de los materiales. MecánicasEste curso esta pensado para personas que tengan conocimientos básicos de Química y Física, ya que manejo varios conceptos básicos de estas ciencias sin una definición previa de mi parte.

La Ciencia de los Materiales se ocupa principalmente de las propiedades, clasificación, procesamiento y usos de las diversas manisfestaciones de la materia en el Universo. En este curso, omitiremos lo referente al procesamiento y nos concentraremos en los otros tres aspectos.

El comportamiento de los materiales queda definido por su estructura. a nivel microscópico, la estructura eléctronica de un átomo determina la naturaleza de los enlaces atómicos que a su vez contribuye a fijar las propiedades de un material dado.

En forma general, las propiedades se separan para su estudio en dos grandes ramas: propiedades físicas y propiedades mecánicas.

Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante:

- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.

- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.

- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.

- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.

- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.

- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.

Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en : eléctricas, magnéticas y ópticas.

En capítulos posteriores estudiaremos por separado estos grupos y las definiciones de las distintas propiedades que los confoman.

Propiedades de los materiales. EléctricasAhora, le daremos un vistazo a lo que implica el primer grupo que mencionamos dentro de las propiedades físicas. Recuerda, este curso es tan sólo una introducción.

Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.

Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores, semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de los portadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.

La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de polarización:

- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.

- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarización y también pueden modificar las dimensiones generales del material.

- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al aplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes del material

Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos.

Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante:

- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío.

- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores.

La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica.

Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una

constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante.

Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrica de los materiales. En nuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.

Propiedades de los Materiales. (Magnéticas)En el capítulo anterior revisamos algunos aspectos de las propiedades elétricas. Ahora, veremos lo relativo a las propiedades magnéticas.

Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético esta determinado por las interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la composición o el procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas.

Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un material son:

Concepto DefiniciónMomento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.Permeabilidad magnética. El material amplifica o debilita el efecto del campo magnético.

Magnetización. Representa el incremento en la inducción magnética debida al material del núcleo.

Susceptibilidad magnética.

Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado, proporciona la amplificación dada por el material.

Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posible observar diversas reacciones:

- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticosde los electrones dentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estos dipolos se oponen al campo magnético, haciendo que la magnetización sea menor a cero.

- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, a cadaátomo se le asocia un momento magnético neto, causado por el giro de los electrones. Cuando se aplica un campo magnético, los dipolos se alinean con él, resultando una magnetización positiva. Pero, dado que los dipolos no interactúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos extremadamente grandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde.

- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupados del nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de los dipolos permanente no apareados con el campo magnético aplicado, debido a la interacción de intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa que aún con campos

magnéticos pequeños se obtienen magnetizaciones importantes, con permeabilidad relativa de hasta 106.

- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinos se alinean en el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando la intensidad de cada dipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.

- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde diferentes iones crean momentos magnéticos distintos, causando que, en un campo magnético los dipolos de ion A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del ion B pueden oponérsele. Como las intensidades de los dipolos son distintas, el resultado será una magnetización neta. Así, los materiales con este tipo de comportamiento pueden dar una buena intensificación del campo aplicado.

Este es un capítulo corto, en compensación por todo lo que tuviste que estudiar en el anterior. Espero que haya sido de utilidad para ti. ¡Suerte y hasta la próxima!

Propiedades de los Materiales.(Ópticas I)Esta es la primera de dos entregas acerca de las propiedades ópticas.

Propiedades ópticas: Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento electrónico.

Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material, los fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentes interactúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones ceden energía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones aportan energía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma que se produce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la estructura electrónica del material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres casos, la velocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.

Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y transmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:

I0 = Ir + Ia + It

donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porción transmitida a través del material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto al material es necesario conocer varios factores internos de este, particularmente la energía requerida para excitar un electrón hacia un estado de energía más elevado.

Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:

- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tanto eléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).

Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la permeabilidad puede no tomarse en cuenta.

Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material cambia de dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre un material, a y b son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de la superficie del material, entonces:

n = c = l vacío= sen a

v l sen b

La relaciónn es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus índices de refracción.

v1 = n1 = sen a

v2 n2 sen b

Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz será transmitido como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a 90°, el haz que viajaba a través del material se refleja.

Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con la estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entre el índice de refracción y la constante dieléctrica del material.

- Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan con los electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia no están totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud de onda, excita a los electrones hacia niveles superiores de energía. Podría esperarse que, si los fotones son totalmente absorbidos, no se reflejaría luz y el material aparecería de color negro. Sin embargo, cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven a ser emitidos, mientras que los electrones excitados regresan a sus niveles inferiores de energía, ocurre la reflexión. Dado que la totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un color blanco o plateado (en los metales).La reflectividad R da la fracción del haz incidente que se refleja y está relacionada con el índice de refracción. Si el material esta en el vacío o en el aire:

R= n-1 n+1

Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción ni entonces:

R= n- ni n+ni

Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que aquellos cuyo índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían con la longitud de onda de los fotones.

- Absorción. La porción de haz incidente que no es reflejada por el material esabsorbida o transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida está relacionada con el espesor del material y la forma en la cual los fotones interactúan con su estructura. La intensidad del haz, después de pasar a través del material, está dada por:

I = I0 exp (-m x)

donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por lo general, el espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción del material para los fotones, I0 es la intensidad del haz, después de reflejarse en la superficie delantera, e I es la intensidad del haz cuando llega a la superficie trasera.

La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, el fotón interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de energía; este resultado es más significativo para átomos con alto número atómico y para fotones de baja energía. La dispersión Compton es causada por la interacción entre electrones en órbita y fotones; así, el electrón es expulsado del átomo y, por tanto, consume parte de la energía del fotón. De nuevo, átomos con números atómicos más altos y energías de fotón menores causan mayor dispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando al energía del fotón se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energía del fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá menos absorción, hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel de energía, el coeficiente de absorción se incrementa de manera significativa. La energía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como margen de absorción. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones del materia, se dice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos de alta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones.

- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a través del material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por medio de la siguiente ecuación.

It= I0 (1- R )2 exp (-m x)

De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la longitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con longitudes de onda diferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud de onda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de longitud de onda más corta, la luz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya absorción haya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la

transmisión íntegra de los haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz también depende de características microestructurales.

Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color (policromía), colores característicos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.

En el siguiente capítulo continuaremos con el estudio de fenómenos ópticos, esta vez considerando los casos en que los fotones son emitidos por un material.

Propiedades de los Materiales. (Ópticas II)Ahora, terminaremos nuestro estudio de las propiedades ópticas con el tema de los fenómenos de emisión.

Fenómenos de emisión. Un material puede emitir fotones cuya energía E está dada por la siguiente ecuación:

E = hv = hc

l

c es la velocidad de la luz (3x1010 cm/s) y h es la constante de Planck (6.62x10-14 J × s). Esta ecuación permita considerar al fotón como una partícula de energía E o como una onda, con longitud de onda frecuencia características. Dependiendo del origen de los fotones, se pueden producir radiaciones en una gran gama de longitudes de onda.

A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de este tipo de fenómenos:

- Rayos Gamma - Interacciones nucleares. Los rayos gamma son fotones de energía muy elevada, emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleos inestables de ciertos átomos. Así la energía de los rayos gamma depende de la estructura del núcleo que los origina.

- Rayos X - Interacciones en las capas internas de los electrones. Los rayos X cuya energía es ligeramente menor que la de los rayos gamma, son producidos al estimular los electrones de las capas internas del átomo. Este estímulo puede consistir en electrones de alta energía u otro rayo X. Así se emiten rayos X de espectro continuo y espectro característico. Cuando un electrón de alta energía golpea un material, al desacelerarse cede energía, que es emitida en forma de fotones. Cada vez que el electrón golpea un átomo, cede una parte adicional de su energía; cada una de estas interacciones puede ser más o menos severa, por lo que en cada ocasión el electrón cede una fracción distinta de su energía, produciendo fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectro continuo. Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda mínima de los fotones emitidos sería el equivalente a la energía original del estímulo; esta longitud de onda mínima se conoce

como límite de longitud de onda corta. Este límite se reduce al aumentar la energía del estímulo, lo que incrementa el número y la energía de los fotones emitidos. El estímulo también puede tener energía suficiente para excitar un electrón de un nivel inferior de energía y pasarlo a un nivel superior. El electrón excitado no es estable y , a fin de restaurar el equilibrio, el nivel inferior no ocupado se llena con electrones provenientes de un nivel superior. Este es el proceso que emite un espectro característico de rayos x, que es diferente para cada tipo de átomo.

- Luminiscencia - Interacciones de las capas exteriores de electrones. La luminiscencia es la conversión de radiaciones y otras formas de energía en luz visible. Ocurre cuando una radiación incidente excita electrones de la banda de valencia, para pasar a través de la brecha de energía y haciéndolos llegar finalmente a la banda de conducción. Estos electrones excitados se quedan brevemente en niveles superiores de energía, y cuando regresan a la banda de valencia emiten fotones. Si la longitud de onda de estos fotones está dentro de la parte del espectro que es visible al ojo humano, aparecerá la luminiscencia.

- Diodos emisores de luz - Electroluminiscencia. Los diodos emisores de luz (LED) se basan en la aplicación de un voltaje externo, que causa transiciones electrónicas y electroluminiscencia. Estos dispositivos de unión p-n están diseñados de forma que Eg este dentro de nuestro espectro de luz visible. Un voltaje aplicado al diodo en dirección de polarización directa hace que en la unión se recombinen huecos y electrones, lo que obliga a estos a emitir fotones.

- Láser - Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de light amplification by stimulated emisión of radiation, o amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación), es una aplicación especial de la luminiscencia. Al calentarse un material, los electrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de conducción, dejando atrás "huecos" en la banda de valencia. Cuando un electrón vuelve a la banda de valencia recombinándose con un hueco, se produce un fotón, con energía y longitud de onda equivalentes a la brecha de energía. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de la banda de conducción hacia la banda de valencia, creando un segundo fotón con longitud de onda y frecuencia idénticas y en fase con el primer fotón. Así, los fotones emitidos en el material se amplifican. Seleccionando cuidadosamente el estimulante y el material, podemos hacer que la longitud de onda de los fotones caiga dentro de nuestro espectro de luz visible. La salida del láser es un haz de fotones paralelos y coherentes, de una misma longitud de onda. En un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo que no ocurren interferencias destructivas. Los rayos láser son útiles en tratamiento térmico y fusión de metales, en soldadura, cirugía, cartografía, en la transmisión y procesamiento de información y otras aplicaciones.

- Emisión térmica. Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hasta llegar a niveles energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía, donde los electrones están débilmente unidos al núcleo. De inmediato estos regresan a sus niveles normales, liberando fotones. Conforme se incrementa la temperatura, la agitación térmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectro continuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidad dependientes de la temperatura. Algunos de los fotones pueden tener longitudes de onda dentro de

nuestro espectro visible, por lo que el color del material cambiará con la temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para ser vista. Conforme la temperatura asciende, los fotones emitidos son de longitudes más cortas. A los 700 ° C comienza a verse un tinte rojizo y de esta temperatura en adelante, se producen todas las longitudes de onda visibles, hasta que es espectro emitido es una luz blanca. Midiendo con un pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las longitudes de onda emitidas, se puede estimar la temperatura del material.

Con esto finalizamos lo referente a las propiedades de los materiales.

En la próxima entrega nos dedicaremos a la clasificación general de los materiales y comenzaremos a estudiar lo referente al grupo de los metales.

Clasificación de los materiales.(Metales I)A partir de este capítulo empezaremos a estudiar las características de cada uno de los grupos de materiales.

Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.

Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.

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.

Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.

Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

Ahora, comencemos con el grupo de los metales.

De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.

El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación.

El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los productos metalúrgicos en las siguientes clases:F Aleaciones férreasL Aleaciones ligerasC Aleaciones de cobreV Aleaciones varias

Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común; a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende de la indicación:

Clase- Serie- Grupo- Individuo

Ejemplo: F-517 donde:F = Aleación férrea5 = Acero para herramientas1 = Grupo de aceros de carbono7 = Composición

Aleaciones Férreas.

Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. También llamados productos siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros. Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreas especiales. Conglomerados férreos.

De todos estos productos siderúrgicos, son los aceros y fundiciones los empleados por excelencia en la fabricación mecánica y ya en menor proporción, los conglomerados no férreos. De estos últimos hablaremos de forma más amplia en capítulos posteriores.

Hierro.

Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso especifíco 7.85, punto de fusión 1530 ° C, peso atómico 55.84, No. Atómico 26, insoluble, punto de ebullición 2450° C, magnético hasta los 770° C, resistencia a la tracción 25 Kg /mm2.

También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de los que, solamente con carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos.

El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a sus bajas características mecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentra aplicaciones en la industria eléctrica dadas sus cualidades de permeabilidad magnética.

En los capítulos siguientes trataremos los restantes subgrupos y sus características.

Clasificación de los materiales. (Metales II: Aceros)Continuando con los metales, este capítulo esta enteramente dedicado al siguiente subgrupo de la lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a que actualmente tienen un lugar preponderante entre los materiales metálicos.

Acero.

Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación al solidificar quedando todo él en solución sólida.

El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

Clasificación de los aceros.

El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series:

F-100 Aceros finos de construcción general.

F-200 Aceros para usos especiales.

F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación.

F-400 Aceros para emergencia.

F-500 Aceros para herramientas.

F-600 Aceros comunes.

Cada una de estas series de subdivide en grupos, obteniendo:

Grupo F-110 Aceros al carbono.

Grupo F-120 Aceros aleados de gran resistencia.

Grupo F-130 " "

Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad.

Grupo F-150 Aceros para cementar.

Grupo F-160 " "

Grupo F-170 Aceros para nitrurar.

Grupo F-210 Aceros de fácil mecanizado.

Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura.

Grupo F-230 Aceros con propiedades magnéticas.

Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatación

Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia.

Grupo F-410 Aceros de alta resistencia.

Grupo F-420 " "

Grupo F-430 Aceros para cementar.

Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas.

Grupo F-520 Aceros aleados.

Grupo F-530 " "

Grupo F-540 " "

Grupo F-550 Aceros rápidos.

Grupo F-610 Aceros Bessemer.

Grupo F-620 Aceros Siemens.

Grupo F-630 Aceros para usos particulares.

Grupo F-640 " "

Formas comerciales del acero.

El acero que se emplea para la construcción mecánica y metálica tiene tres formas usuales: barras, perfiles y palastros.

Barras. Se obtienen en laminación y trefilado en hileras pudiendo obtener secciones de las siguientes formas:

Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la décima parte del ancho de la sección. Cuando el espesor es más delgado, se llaman flejes.

Media caña o pasamanos.

Triángulo

Cuadrado

Hexágono y 120 mm. El acero dulce con d £ 5 y grandes

Redondo

Perfiles. Se obtienen por laminación, siendo su longitud de 4 a 12 m. los más corrientes son:

Doble T Utilizadas como vigas las hay hasta de 600 mm de altura.

U Forma vigas compuestas. Hasta 300mm de altura

Zeta De dimensiones comprendidas entre 30 a 200 mm

Tubo Que puede ser de sección cuadrada, circular, etc.

Aceros: composición química.

En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales, intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su afinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a proporciones inofensivas (< 0.05 %); otros elementos facilitan la obtención, como el silicio y el manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a 0.9 %) evitan la oxidación del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros con esta composición se llaman aceros al carbono.

Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros suelen denominarse como se indica en el siguiente cuadro:

Porcentaje de Carbono Denominación Resistencia

0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves

38 - 48 Kg / mm2

0.2 a 0.3 Aceros suaves 48 - 55 Kg / mm2

0.3 a 0.4 Aceros semisuaves

55 - 62 Kg / mm2

0.4 a 0.5 Aceros 62 - 70 Kg /

semiduros mm20.5 a 0.6 Aceros duros 70 - 75 Kg /

mm20.6 a 0.7 Aceros

extraduros75 - 80 Kg / mm2

Aceros aleados y especiales.

Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los siguientes:

Azufre.

Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente.

Cobalto.

Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.

Cromo.

Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios.

Manganeso.

Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.

Molibdeno.

Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad.

Níquel.

Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una gran resistencia a la corrosión.

Plomo.

El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.

Silicio.

Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas características magnéticas.

Tungsteno.

Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.

Vanadio.

Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

Toda esta información es sólo la punta del iceberg respecto a los aceros, sin embargo es más que suficiente material de estudio para un capítulo. En la próxima entrega, tendremos lo correspondiente a fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales y conglomerados férreos.

Clasificación de los materiales. (Metales III)Ahora, vamos completar nuestro estudio de los materiales metálicos férricos con los últimos cuatro grupos.

Fundición.

Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo contener otros elementos , estando el carbono en una proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a 5 %), valor que constituye el límite de saturación en la solidificación , formándose en tal momento los constituyentes de carburo de hierro y grafito libre además del hierro.

Clasificación de las fundiciones.

Las características de una fundición no sólo dependen de su composición química, sino también del proceso de elaboración, ambas cosas determinan la forma de presentarse el carbono (combinado, en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)

Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: ordinarias, constituidas por hierro, carbono y pequeñas impurezas y las especiales que además de lo anterior, contienen uno o varios elementos que modifican sus características.

Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de su fractura distinguiéndose las cuatro siguientes:

· Fundiciones negras

· Fundiciones grises

· Fundiciones blancas

· Fundiciones atruchadas

Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muy desarrolladas, formadas por cristales de grafito, su grano grueso.

Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estas fundiciones contienen el carbono en estado grafítico repartido en finas laminas por entre la masa de hierro. La fundición gris se emplea para ,la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de los mecanismos.

En las fundiciones blancas, el carbono esta completamente combinado con el hierro, formando carburo de hierro (cementita) que es un constituyente muy duro, pero frágil.

Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris, poseen propiedades intermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta ambos colores característicos.

Las fundiciones no permiten operaciones de forja.

La clasificación establecida por el Instituto del Hierro y el Acero de las fundiciones utilizadas en al construcción mecánica es la siguiente:Serie F-800 Fundiciones.Grupo F-810 Fundiciones grises.Grupo F-830 Fundiciones maleables.Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas.Grupo F-860 Fundiciones nodulares.Grupo F-870 Fundiciones especiales.

Fundición maleable

Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamiento térmico, adquiriendo una aceptable maleabilidad.

Fundiciones nodulares

En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias a la adición de elementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta considerablemente su resistencia a la tracción.

Fundiciones especiales.

Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos tales como Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc. Logrando propiedades determinadas: alta resistencia a la tracción, al desgaste, a las altas temperaturas, a la corrosión, etc.

Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos que, sin tener necesariamente un marcado carácter metálico, contiene además del hierro uno o varios elementos (metales o metaloides) que los caracterizan.

Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para la fabricación de aceros que han de responder a ciertas condiciones, así:

Ferromanganesos que se utilizan en la obtención de aceros al manganeso

Ferrocromos que se emplean en la obtención de aceros al cromo

Ferrosilicios utilizados en la obtención de aceros al silicio.

Ferrotungstenos sirven para la obtención de aceros rápidos para herramientas y aceros para imanes.

Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricación de aceros al vanadio y al molibdeno, respectivamente, etc.

Aleaciones Férreas especiales.

Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos anteriores, pero contienen hierro como metal base.

Conglomerados férreos

Son los productos obtenidos para la unión entre sí, de partículas de sustancias férreas con tal coherencia que resulte una masa compacta.

A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar lo referente a materiales metálicos no férricos.

Clasificación de los Materiales. (Metales no férricos)

Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades de los materiales métalicos férricos, aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales que no tienen relación con el hierro.

Aluminio

Es un metal de color blanco plateado, siendo su principal característica su ligereza que lo hace muy útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable, buen conductor de la electricidad y del calor. Tiene un peso específico de 2.7 Kg / dm3 y funde a los 667 °C. Su resistencia a la tracción es de unos 10 Kg / mm2 si es fundido o recocido, valor que se duplica si esta laminado en frío (agrio); esta resistencia decrece rápidamente si aumenta la temperatura, así: a 300 ° C su resistencia disminuye a un tercio y a 500 ° C a un décimo de su valor en frío.

Se distinguen dos clases de aluminio: puro (99.88 % de Al) y técnico (99 % 98 %... de Al). El primero se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminio técnico encuentra mayor campo de aplicaciones.

Aleaciones de aluminio.

Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran considerablemente si se alea con otros metales, tales como el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En la norma UNE 38.001 se establece la siguiente clasificación:

Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para moldeo.

Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para forja.

Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión.

Cobre

Este metal puede encontrarse en estado nativo en la naturaleza, principalmente formando compuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado, etc. Su obtención a partir de estos minerales es posible a través de tres procedimientos:

· Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados, teniendo como producto el cobre metalúrgico.

· Por medio del tratamiento con disolventes adecuados, lo que da un cobre muy impuro al que hay que refinar.

· Por vía electrolítica, con lo que se obtiene un cobre muy puro.

Según su pureza, las características del cobre varían, manteniéndose dentro de los siguientes límites:- Densidad 8.8-8.9- Punto de fusión 1,0564 ° C - 1,083° C- Resistencia a la tracción 20 45 Kg. / mm2

Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.

El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas hasta de 0.02 mm de espesor, también permite estirarlo en hilos finísimos. Sus principales aplicaciones son: fabricación de hilos, cables, láminas, en instalaciones eléctricas, en la construcción de recipientes y útiles diversos, además de en la fabricación de múltiples aleaciones.

Denominación

La serie que denomina a los cobres es la C-100, siendo los respectivos grupos los siguientes:Grupo C-100 Cobres afinados.Grupo C-130 Cobres exentos de oxígeno.Grupo C-140 Cobres desoxidados.

Algunas de las aleaciones de cobre más conocidas son el bronce, que es la aleación de cobre con estaño y el latón que es una aleación de cobre y zinc.

Zinc

Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante en el corte reciente que pronto se empaña al contacto con el aire, formándose una capa de superficial de hidrocarbonato cíncico de aspecto mate, pero que servirá de protección al resto de la masa contra una alteración más profunda.

Su peso específico es del orden de 7.1 Kg. / dm3, su temperatura de fusión 419 ° C. A bajas temperaturas e incluso a temperatura ambiente el zinc común es bastante frágil., pero entre los 100 a 180 ° C es muy maleable, haciendo posible conformar piezas a prensa incluso de perfiles complicados, por encima de los 205 ° C vuelve a ser frágil. La resistencia de la tracción de los productos laminados oscila entre 14 a 25 Kg. / mm 2 según se encuentren recocidos o agrios. Es poco tenaz. El aspecto de su fractura es cristalino grueso.

El zinc es atacado y disuelto en poco tiempo por los ácidos fuertes y también por los álcalis hirvientes.

Aplicaciones

Este metal tiene hoy numerosas aplicaciones industriales, solo o aleado, por ejemplo, con el cobre para formar latón o con pequeñas proporciones de aluminio (14 %), cobre (1 %) y aún menor cantidad de manganeso para obtener la aleación para fundir denominada ZAMAK. Además, es usado para recubrir y proteger contra el óxido la chapa de hierro (metalizado y galvanizado)

Algunas de las formas comerciales del zinc sin alear son: chapa, tubo y alambre, que encuentran aplicaciones en bajadas de agua, canalones, depósitos diversos, electrodomésticos, etc.

Estaño

Metal mucho menos denso que el plomo, pero más que el zinc, es dúctil y brillante, de color blanco plata. Su estructura es cristalina, cuando se dobla en varillas se oye un crujido especial, llamado grito de estaño.

Tiene un peso específico de 7.29 Kg. / dm3, siendo su temperatura de fusión 223° C. A temperaturas inferiores a los 18 °, el estaño se vuelve pulvurulento, y constituye la variedad alotrópica denominada estaño gris de peso específico 5.8 Kg / dm3, comienza la transformación por uno o varios puntos y se propaga poco a poco a toda la pieza, lo cual se conoce como lepra, peste o enfermedad del estaño.

El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojas de papel de estaño de algunas milésimas de milímetro de espesor. No se altera en frío al aire seco o húmedo, es atacado por los ácidos y por las bases, por lo que hay que evitar el traslado de estos productos en recipientes estañados de hojalata.

Aplicaciones

El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura y conservación de productos alimenticios, también se emplea en la industria eléctrica para hacer láminas de condensadores. Asimismo se utiliza para proteger contra el óxido la chapa de hierro (hojalata) con que se construyen recipientes y latería para envase de productos.

Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otros metales, principalmente con cobre (en bronces), con plomo para obtener aleaciones de soldadura blanda y con antimonio y cobre o antimonio y plomo para formar materiales antifricción utilizados en cojinetes.

Plomo

Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando, muy fusible, en contacto con el aire se toma y empaña con facilidad, los compuestos son muy venenosos.

Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde a 327.4 ° C y su resistencia a tracción oscila entre 1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillo metálico y su estructura es fibrosa. A pesar de que resiste bien el HCl y el H2SO4, el HNO3, los halógenos y el vapor de azufre lo atacan.

Aplicaciones

El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas en cubiertas; en recipientes resistentes a ciertos reactivos ácidos; como elemento impermeable a la radiación; en placas de baterías y acumuladores; como tubos para conducción de agua; en forma de alambres, fusibles, perdigones, postas, etc.

Como elemento de aleación participa en la fabricación de aceros al plomo, soldaduras blandas, metales antifricción además de bronces y latones especiales. También encuentra aplicaciones en forma de óxidos, para la obtención de pinturas de protección anticorrosiva.

Magnesio

Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es maleable, poco tenaz y ligero como el aluminio.

Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su punto de fusión es de 650 ° C. En estado líquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en aire seco, pero es poco resistente a la corrosión en atmósferas húmedas.

Aplicaciones

Suele utilizarse en la industria mecánica en forma de aleaciones existiendo aleaciones de magnesio para forja, compuestas por magnesio y un 1 o 2 % de manganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc y un 0.2 % de manganeso y el resto de magnesio (magal), esta última tiene mayor resistencia a la tracción que la primera, pero tiene el inconveniente de no ser soldable.

Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca sobrepasan 1.8 Kg./dm3) son muy utilizadas en la industria aeronáutica.

En nuestro próximo capítulo trataremos brevemente lo concerniente a los diagramas de fase.

Diagramas de fase y comportamiento óptico de los metales.En este breve capítulo trataremos los puntos básicos acerca de los diagramas de fases.

Diagramas de fase e interpretación.

Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas sus combinaciones posibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal B.

Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos se puede elaborar un diagrama de fases binario.

Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de los elementos, expresado en peso.

La curva superior en el diagrama es la temperatura de liquidus para las distintas aleaciones. Esto significa que la aleación debe calentarse por encima de la temperatura acotada por liquidus para hacerla completamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la enfríe hasta la temperatura marcada por liquidus.

La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación no estará totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatur de solidus.

La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación . Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida.

El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto metálico.

Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fase complejos que contienen reacciones que implican tres fases independientes. Existen cinco reacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica, monotéctica, eutectoide y peritectoide.

Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura aprovechan el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de la aleaciones monotécticas tiene un domo llamado zona de miscibilidad, en donde coexisten dos fases líquidas.. Las reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio y a la segregación.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son exclusivas del estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones, incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta y produce indeseables estructuras fuera de equilibrio.

Aleaciones eútecticas

Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los componentes presenta completa solubilidad en estado líquido, pero solubilidad sólida limitada, lo que significa que cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segregan para formar regiones de los metales originales casi puros.

Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolubles inhibe el deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleaciones llegan a sobrepasar las de los metales componentes, debido a la estructura compuesta de la aleación.

Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya composición es menor que la correspondiente a las eutécticas , así como aquellas cuyo contenido es mayor son llamadas hipereutécticas.

Comportamiento Óptico de los metales.

El fenómeno de emisión conocido como luminiscencia no ocurre en los metales. Los electrones simplemente son excitados para pasar a niveles superiores de energía de la banda de valencia no totalmente ocupada y, cuando el electrón excitado regresa al nivel inferior de energía, el fotón producido tiene una energía muy pequeña y una longitud de onda superior a la de nuestro espectro de luz visible.

En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamente del orden de 0.9 a 0.95. Esta alta reflectividad es una de las razones por las cuales son opacos, es decir, que no transiten la luz.

En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmente en el espectro de luz visible. Dado que en los metales no hay brecha de energía, cualquier fotón tienen la potencia suficiente como para excitar un electrón para ocupar un nivel superior de energía, absorbiendo la del fotón excitado.

Este capítulo es muy corto comparado con los anteriores. Por favor, repasa lo que hemos acerca de los metales, antes de estudiar la próxima entrega, que trata acerca de los materiales cerámicos.

Clasificación de los materiales. (Cerámicos)Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos lo propio con los materiales cerámicos.

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.

Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tres dimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a la coordinación atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla la forma externa del cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque la superficie externa se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar uno de siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos están estrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volúmenes por superficies planas de intersección.

Sistema Ejes Ángulos AxialesCúbico a1=a2=

a3 Todos los ángulos = 90°Tetragonal a1=a2¹c Todos los ángulos = 90°Ortorrómbico a¹b¹c Todos los ángulos = 90°Monociclíco a¹b¹c 2 ángulos = 90°, 1 ángulo ¹ 90°Triciclíco a¹b¹c Todos los ángulos diferentes, ninguno

= 90°Hexagonal a1=a2=

a3¹c Ángulos = 90° y 120°

Romboedral

a1=a2=a3

Todos los ángulos iguales, pero ninguno de 90°

Cristales Cúbicos. Los átomos pueden acomodarse en un patrón cúbico con tres diferentes tipos de repetición: cúbico simple (cs), cúbico de cuerpos centrados (ccc), y cúbico de caras centradas (ccac).

- Cúbico simple. Es hipotética para metales puros, pero representa un buen punto de partida. Además de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes en ángulos rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tiene contornos idénticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal. Del mismo modo, cualquier posición específica es idéntica en todas las celdillas unitarias.

- Cúbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un átomo en cada vértice del cubo y otro átomo en el centro del cuerpo del cubo.

- Cúbica de caras centradas. Este tipo de estructura se caracteriza por que en la esquina de cada celdilla unitaria y en centro de cada cara hay un átomo, pero no hay ninguno en el centro del cubo.

- Cristales Hexagonales. Existen dos representaciones de las celdillas unitarias hexagonales simples. Este tipo de celdillas no tienen posiciones internas que sean equivalentes a las posiciones esquina. Además, existen estructuras hexagonales. Compactas que se caracterizan por tener cada átomo en una capa situada exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres átomos de las capas adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano, seis átomos en su propio plano y tres en la capa superior.

Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemas de cristales y retículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios son comparables a los citados previamente.

Comportamiento Óptico de los cerámicos.

En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energía Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar a la capa de valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos, porque después de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está dada por:

ln I/I0 = t/t

donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material. Después de tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la luminiscencia disminuirá deI0 a I . Los materiales fosforescentes son muy importantes en la operación de las pantallas de televisión.

Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamente imposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los vidrios típicos están próximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su transparencia; mientras que las porcelanas comunes, sin ser tan reflejantes como los metales están por arriba de este dato, y son consideradas opacas.

Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las bandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.

La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al matriz, que de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.

Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos. En la próxima entrega comenzaremos con el estudio de los materiales polímericos. ¡Hasta entonces!

Clasificación de los materiales. (Polímeros I)Continuando con el tema de las clasificaciones, les presento la primera parte de la información correpondiente a los materiales poliméricos.

Plásticos

Una materia es plástica, cuando se deforma bajo la acción de una fuerza y conserva la forma adquirida cuando cesa el esfuerzo. Industrialmente, cuando se habla de plásticos, se trata principalmente de materias plásticas sintéticas.

Son materiales cuyo principal componente es un producto orgánico de peso molecular elevado (derivados del petróleo, carbón, gas natural, etc.), que en alguna etapa de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darles forma y obtener productos industriales tales como tubos, planchas, barras, etc., o piezas terminadas.

Productos Industriales > Extrusión

Piezas > Extrusión, Moldeo por compresión, Moldeo por inyección, Termoformado, Caldrado, Hilado, Colado, Moldeo por transferencia, Espumas, Mecanizado.

Extrusión : El material caliente y fluido se hace pasar a través de orificios (troquel extruidor) que le dan la forma deseada.

Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se introduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que el material plástico que rellena el molde se solidifica. Este proceso es principalmente utilizado en plásticos termoestables.

Moldeo por inyección: La materia prima se calienta en un cilindro de presión que inyecta la resina fundida, a través de una boquilla, en al cavidad de un molde provisto de un sistema de refrigeración que solidifica rápidamente en plástico inyectado; un sistema automático expulsa la pieza fuera del molde. Este procedimiento es de utilidad en el moldeo de materias termoplásticas.

Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta llegar a la región plástica se pueden conformar sobre un dado para producir diversos productos, tales como cartones para huevo y paneles decorativos. El conformado se puede efectuar utilizando dados, vacío y aire a presión.

Calandrado: Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos con una pequeña separación. Los rodillos, que pudieran estar grabados con algún dibujo, presionan al material y forman una hoja delgada del polímero, a menudo cloruro de polivinilo. Productos típicos de este método incluyen losetas de vinilo para piso y cortinas para regadera.

Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el hilado. El polímero termoplástico fundido se empuja a través de un dado, que contiene muchas perforaciones pequeñas. El dado, conocido como hilador puede girar y producir un hilado. En algunos materiales, como el nylon, la fibra puede ser posteriormente estirada para alinear las cadenas a fin de que queden paralelas al eje de la fibra; este proceso incrementa su resistencia.

Colado: La mayoría de los polímeros se pueden colar en moldes, dejando que se solidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para producir hojas de plástico gruesas, o bandas de acero inoxidables para colado continuo de hojas más delgadas. Un proceso especial de colado es el moldeo centrífugo, en el cual el polímero fundido se vacía en un molde que gira sobre dos ejes. La acción centrífuga empuja al polímero contra las paredes del molde, produciendo una forma delgada.

Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El polímero en una de las cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta e n la cavidad del dado adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del moldeo por inyección se usen con polímeros termoestables.

Espumas: El producto final es un polímero que contiene espacios huecos. Para lograr esto el polímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agente espumante, que al ser calentado se descompondrá, generando algún gas. Durante este proceso de preexpansión, las bolitas aumentan de tamaño 50 veces y se hacen huecas. }A continuación, las bolitas preexpandidas se inyectan dentro de un dado, para fundirlas y unirlas a fin de formar productos excepcionalmente ligeros.

Mecanizado: Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez transformados en productos industriales, de ahí que se pueda tornear, limar, taladrar, etc.,pudiendo

obtener la pieza totalmente mecanizada. Este procedimiento sólo se utiliza si se trata de obtener muy pocas piezas que no compense el construir el molde.

Debido a su versatilidad, los polímeros son muy diversos en cuanto a características y usos. En el siguiente capítulo los estudiaremos más detallamente.

Clasificación de los Materiales. (Polímeros II)Los plásticos sintéticos de uso más frecuente son:

Termoestables: Resinas fenólicas, resinas úricas, resinas melamínicas, resinas epoxi, de poliéster, poliuretanos.

Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos, poliamidas, policarbonatos, polietilénicos, polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros.

Plásticos termoestables: Endurecen bajo la acción del calor presión, y su endurecimiento es irreversible por haber sufrido una modificación en su estructura química, a nivel molecular, ya no se pueden remoldear o ablandar bajo la acción del calor y presión. Los plásticos termoestables son comparables a la arcilla, que una vez endurecida con el calor (cocida), su forma es definitiva.

- Resinas Fenólicas

Se obtienen de la combinación del fenol o ácido fénico con formaldehído. Tienen olor característico ácido fénico perceptible incluso en las piezas obtenidas de ellas, particularmente si se las calienta. Estas resinas suelen utilizarse mezcladas con cargas de relleno, que mejoran algunas de sus características físicas, de acuerdo con la naturaleza de las cargas, oscilando entre lo siguientes valores:

- Peso específico.............................................

oscila entre 1.3 a 1.9 Kg./dm3

- Resistencia Tracción..................................

- Compresión.................................................

2.5 a 8.4 Kg. / mm2

7 a 25 Kg. / mm2

- Color.............................................................

oscuro, marrón, negro

- Combustibilidad...........................................

arde con gran dificultad

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco- Envejecimiento....................................

oscurece ligeramente

.........- Temperatura que soporta.............................. 116 ° C a 175 ° C- Nombres comerciales...................................

Baquelita, Durita, Resiform...

Empleo: Material eléctrico (mangos de interruptores, clavijas, carcasas, cajas diversas, etc.)

- Resina Urica

Tiene como materia básica la úrea sintética y el formaldehído. No da ningún olor, sus características físicas son:

- Peso específico....................................... 1.5 Kg. / dm3- Resistencia Tracción............................

- Compresión...........................................

3.45 a 9 Kg. / mm2

17.5 a 26.5 Kg. / mm2

- Color.......................................................

blanco y colores claros

- Combustibilidad.....................................

arde con dificultad

- Permeabilidad a la luz........................... opalescente- Envejecimiento.......................................

no tiene

- Temperatura que soporta........................ 130 ° C a 138 ° C- Nombres comerciales.............................

Pollopas, Cellodal, Resimine, Resopla.

Empleo: Material eléctrico (interruptores, clavijas, etc., placas aislantes, artículos de cocina, etc. )

- Resina de melamina

Compuesta principalmente de melamina (obtenida del carburo de calcio y nitrógeno) y el formaldehído. No tiene olor. Sus características físicas son:

- Peso específico.............................................

1.5 Kg. / dm3


- Compresión..................................................

3.5 a 9 Kg./ mm2

17.5 a 31 Kg. / mm2

- Color.............................................................

claros


arde con dificultad

- Permeabilidad a la luz.................................. opalescente- Envejecimiento.............................................

oscurece ligeramente

- Temperatura que soporta.............................. 130 ° C a 210 ° C- Nombres comerciales...................................

Novoplay, Ultraplas.

Empleo: Similar a las resinas úricas.

- Resinas de poliéster

Se derivan del alquitrán de hulla y del estirol, son incoloros, aunque se pueden colorear a voluntad; se utiliza con cargas de fibra de vidrio, proporcionándole una considerable resistencia. A continuación, sus principales características físicas:

- Peso específico.............................................

1.3 Kg. / dm3


- Compresión..................................................

4 a 9 Kg. / mm2

9 a 25 Kg. / mm2

- Color.............................................................

cualquier color


arde difícilmente, autoextinguiéndose

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco.- Temperatura que soporta.............................. 121 ° C

- Nombres comerciales................................... Filón, Lamilux.

Empleo: Cascos para embarcaciones, carrocerías de automóviles, placas transparentes para cubiertas, además se utilizan como pinturas muy duras.

- Poliuretanos

Son materiales sintéticos que proporcionan productos de gran elasticidad: goma espuma, correas, etc..sEstá formado por un poliéster y un derivado del benzol. Se emplea también como pegamento de metales y como barniz de gran dureza.

En la siguiente entrega, expondré lo relativo a los termoplásticos.

Clasificación de los Materiales (Polímeros III)Continuando con el extenso tema de los materiales poliméricos, ahora conoceremos a los miembros de la familia de los termoplásticos.

Plásticos termoplásticos: El calor les da plasticidad y fluidez, así se pueden inyectar a presión en un molde determinado, adoptando la forma del hueco del molde, se pueden laminar, etc., pero endurecen tan pronto como se enfríen. Los termoplásticos se pueden remoldear, por consiguiente pueden aprovecharse las piezas defectuosas, los recortes, etc.

Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera, que se endurece con el frío y cuyo endurecimiento no es definitivo, pues con el calor se reblandece y puede ser nuevamente moldeada.

- Cloruro de polivinilo

Cuyos elementos ase con el acetileno y el pacido clorhídrico, no tiene olor y es insípido, siendo sus características:

- Peso específico.............................................

1.35 a 1.55 Kg. / dm3


- Compresión..................................................

2 a 6 Kg. / mm2

7 a 9 Kg. / mm2

- Color.............................................................

todos los colores


arde con gran dificultad, autoextinguible

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco- Envejecimiento Oscurece- Temperatura que soporta.............................. 60 ° C a 91 ° C-Nombres comerciales................................... Vinilite, Vinidur, Nipolan...

Empleo: Se utiliza como material duro para carcasas de bombas, válvulas anticorrosivas, tuberías diversas, piezas diversas, resistentes a los productos químicos. En estado blando encuentra otra serie de aplicaciones: mangueras, cuero artificial, impermeables, etc.

- Poliestireno

Se obtiene del poliestirol, derivado del petróleo y del benzol, siendo sus características:

- Peso específico.............................................

1.05 Kg. / dm3


Compresión............................

2.8 a 7 Kg. / mm2

7 a 11 Kg. / mm2

- Color.............................................................

cualquier color


arde lentamente

- Permeabilidad a la luz................................. transparente a opaco- Envejecimiento Oscurece- Temperatura que soporta.............................. 85° C- Nombres comerciales...................................

Lustron, Polistirol, Diplene...

Empleo: Para fabricar planchas, películas y espumas, en piecería se utiliza para objetos de oficina, bolígrafos, plantillas, escuadras y cartabones.

- Poliamidas

Derivan del carbón, no tiene olor ni sabor alguno y posee características mecánicas muy notables, entre las que destaca su resistencia al desgaste y su facilidad de mecanizado. Sus características físicas son:

- Peso específico.............................................

1.14 Kg. / dm3


Compresión............................

4.9 a 7.7 Kg. / mm2

4.9 a 9.2 Kg. / mm2

- Color.............................................................

blanco, lechoso o coloreado


autoextinguible

- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco- Envejecimiento decolora ligeramente- Temperatura que soporta.............................. 100 ° C 200 ° C-Nombres comerciales................................... Nylón y Perlón...

Empleo: Construcción de carcasas, cuerpos de bomba, ventiladores, racords de unión, tapas de instrumentos eléctricos.

- Polietilenos

Derivados directos del petróleo. Su aspecto y tacto son cerosos, tiene buena resistencia a los ácidos y es buen aislante eléctrico. Las características principales de los polietilenos duros son:

- Peso específico.............................................

0.95 Kg. / dm3


Compresión............................

2 a 4.5 Kg. / mm2

no aplicable

- Color.............................................................

cualquier color


muy lenta

- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco

- Envejecimiento vuelve quebradizo, excepto negro y marrón

- Temperatura que soporta.............................. 70 ° C-Nombres comerciales................................... Polytheno, Dylan, Hostalen.

Empleo: Grifería, válvulas y accesorios para conducciones de ácidos, cubos, bidones, ruedas dentadas, mangos de herramientas, etc.

- Polimetacrilatos

Se obtienen partiendo del acetileno, se caracteriza por su extraordinaria transparencia , sus características físicas más importantes son:

- Peso específico.............................................

1.18 Kg. / dm3


Compresión............................

5.6 a 7.5 Kg. / mm2

7.7 a 12 Kg. / mm2

- Color.............................................................

ilimitado


arde rápidamente

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente

- Envejecimiento amarillea muy ligeramente

- Temperatura que soporta.............................. 80 ° C-Nombres comerciales...................................

Plexiglás, Perspex, Lucita...

Empleo: Placas transparentes para acristalado de carrocerías, cristales de faros, de relojes, ojos de buey.

- Poli-tetrafluoretileno

Es un derivado sintético del acetileno, su principal particularidad es su resistencia a la temperatura y a los ácidos, aspecto en que sólo es comparable con el vidrio, algunas de sus características físicas son:

- Peso específico.............................................

2.15 Kg. / dm3


Compresión............................

1 a 3.5 Kg. / mm2

1.2 Kg. / mm2

- Color.............................................................

oscuros

- Permeabilidad a la luz.................................. oscuros- Envejecimiento ninguno- Temperatura que soporta.............................. 150 ° C a 250 ° C-Nombres comerciales...................................

Teflón, Fluón, Hostaflón, Algoflón...

Empleo: Casquillos sin lubricación, cajas y juntas para bombas, válvulas y grifería, aislamiento de cables eléctricos, etc.

En nuestro siguiente capítulo daremos por terminado el tema de los polímeros, estudiando lo referente a los elastómeros.

Clasificación de los Materiales. (Polímeros IV)Ahora, la breve información sobre la última familia de polímeros: los elastómeros.

Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera transformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares. Los elastómeros son capaces de deformarse elásticamente en grandes magnitudes sin cambiar de forma permanentemente.

Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan fácilmente. Tienen una baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar elásticamente con facilidad al aplicar una fuerza.

Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces cruzados para producir gran cantidad de deformación elástica. Se comportan como termoplásticos a temperaturas elevadas y como elastómeros a temperaturas bajas. Este comportamiento permite que se puedan reciclar con mayor facilidad que los elastómeros convencionales.

Adhesivos: Son polímeros que se utilizan para unir otros polímeros, metales, materiales cerámicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Los adhesivos se utilizan para una diversidad de aplicaciones.

Se pueden clasificar en :

*Químicamente reactivos: Hay sistemas de un solo componente, formados por una sola resina polimérica, que se cura por exposición a algún factor: humedad, calor o ausencia de oxígeno. Los sistemas de dos componentes se curan al combinarse dos resinas.

*Por evaporación o por difusión: El adhesivo se disuelve y se aplica a las superficies a unir. Al evaporarse el portador, el polímero restante proporciona la unión. Los adhesivos a base de agua son preferidos tanto por la seguridad que representan como desde un punto de vista ecológico. El polímero puede estar totalmente disuelto en agua, o puede estar formado de látex, es decir, como una dispersión estable del polímero en el agua.

*De fusión por calor: Son polímeros termoplásticos y elastómeros termoplásticos que funden al calentarse. Al enfriarse, el polímero se solidifica, uniendo las partes. Sus temperaturas de fusión típicas son de aproximadamente 80 a 110 ° C, lo que limita su uso a temperaturas elevadas.

*Sensibles a la presión: Son principalmente elastómeros o copolímeros de elastómero que se producen en forma de película o recubrimiento. Requieren presión para adherirse al sustrato y se utilizan para producir cintas aislantes eléctricas y de empaque, etiquetas, losetas de piso, recubrimientos para muros y películas texturizadas imitación madera.

*Conductores: Son polímeros a los que se agrega un material de relleno que proporcione conductividad eléctrica y térmica, como partículas de plata, cobre o aluminio. Cuando se desea conductividad eléctrica pero no térmica o viceversa, se puede usar polvo de alúmina, berilia, nitruro de boro o sílice. Además, es posible crear polímeros que tengan buena conductividad: agregando compuestos iónicos que reducen la resistividad; disipando la carga estática al usar un relleno de material conductor; o con matrices poliméricas que contengan fibras de carbono o carbono recubierto de níquel, lo que combina rigidez con conductividad mejorada. Algunos polímeros tienen buena conductividad inherente, como resultado de diversas técnicas de dopado (que consiste en agregar de manera intencional un pequeño número de átomos de impureza en el material) o de proceso.

Con este capítulo corto, finalizamos el estudio de las generalidades de los polímeros. En nuestra próxima entrega comenzaremos a analizar lo correspondiente a los materiales semiconductores.

Clasificación de los Materiales. (Semiconductores)

El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicaciones prácticas como semiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestos cerámicos e intermetálicos presentan este mismo efecto.

Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energía Eg entre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia, algunos electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha, entrando en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás niveles de energía desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrón se mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente original de este segundo electrón, de forma que los espacios vacío parecen actuar como "electrones" de carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva., en tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia a terminal negativa., Por lo tanto se conduce la corriente mediante el movimiento de electrones y de huecos.

La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco.

s = neqm e + nhqm h

donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, nh es el número de huecos en la banda de valencia y m e y m h son las movilidades de electrones y de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:

n = ne = nh

Por tanto, la conductividad es:

s = neq(m e + m h )

Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo mismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están en la banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se hallan desocupados.

Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un nivel de energía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas probabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El número de electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en la banda de valencia, está dado por:

n = ne = nh = no exp - (Eg/2kT)

donde no se puede considerar como constante, aunque de hecho también depende de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más electrones crucen la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:

s = neq(m e + m h ) exp - (Eg/2kT)

El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que conforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que están presentes más portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad se reduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.

Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número de electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:

n = no exp - (t/t)

donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, no es una constante y t es una constante conocida como tiempo de recombinación.

En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el comportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña cantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. La conductividad de este semiconductor dependerá principalmente del número de átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura incluso ser independiente de esta.

- Semiconductores tipo n. Supongamos que agregamos un átomo de antimonio como impureza al silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia del átomo de antimonio participan en el proceso de enlaces covalentes, en tanto que un electrón adicional entra en un nivel de energía en estado de donación., justo por debajo de la banda de conducción. Dado que este electrón no esta fuertemente unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento de energía Ed para que el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo se define como la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la banda de donadores. En este caso, el incremento de energía requerido seríaEg - Ed × ). La brecha de energía que controla la conductividad pasa a ser Ed en vez de Eg. Cuando los electrones de donación entran en la banda de conducción, no se crean huecos correspondientes a cada uno de ellos.

Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, con algunos electrones que adquirieron la energía suficiente como para saltar el espacio Eg. El número total de portadores de carga es :

ntotal = ne(dopante) + ne(intrínseca) + nh(intrínseca)

Conforme aumenta la temperatura, más electrones de donación saltan el espacio Ed hasta que, finalmente todos los electrones de donación están en la banda de conducción. Esto significa un agotamiento de donadores. La conductividad es casi constante; no hay disponibles más electrones de donación y la temperatura sigue siendo demasiado baja para producir muchos electrones y huecos intrínsecos, sobre todo si Eg es grande.

- Semiconductores tipo p Cuando a un semiconductor se le agrega una impureza como el galio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electrones para completar el enlace covalente. Entonces se crea un hueco en la banda de valencia, que puede llenarse con electrones de otras posiciones de la banda. Los hueco actúan como aceptantes de electrones. Este sitio con huecos tiene una energía algo mayor que la normal y crea un nivel aceptante de energía de electrones, justo por encima de la banda de valencia. Un electrón debe ganar un nivel de energía de solo Ea a fin de crear un hueco en la banda de valencia. El hueco se mueve portando la carga. Finalmente la temperatura subirá lo suficiente como para causar la saturación de aceptantes.

Los compuestos semiconductores (no derivados del silicio o el germanio), pueden ser:

- Semiconductores estequiométricos, que son por lo general compuestos intermetálicos, que tienes estructuras cristalinas y de banda semejantes a las del silicio y el germanio.

- Semiconductores Imperfectos o no estequiométricos son compuestos iónicos que contienen exceso de iones, sean estos negativos (aniones) produciendo un semiconductor tipo p; o positivos (cationes) obteniendo un tipo n

Comportamiento óptico.

En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes, particularmente en los semiconductores extrínsecos, que contienen niveles donantes y aceptantes de energía. En los semiconductores intrínsecos, habrá absorción si la energía del fotón excede la brecha Eg; mientras que los fotones de menor potencia serán transmitidos. Así, los semiconductores son opacos a radiaciones de longitudes de onda corta, pero transparentes a longitudes de onda larga. Por ejemplo, el silicio y el germanio aparecen opacos a la luz visible para el ojo humano, pero son transparentes a radiaciones infrarrojas de longitudes de onda mayores.

Un fenómeno característico de los semiconductores es la fotoconducción, que ocurre si el material es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones estimulados producen una corriente en vez de una emisión. Si la energía de un fotón incidente es suficiente, se excitará un electrón y pasar` a la banda de conducción, o se creará un hueco en la banda de valencia, y el electrón o el hueco transportarán una carga a través del circuito. La longitud de onda máxima del fotón incidente requerido para que exista fotoconducción está relacionada con la brecha de energía del material semiconductor.

l máx = (hc)/Eg

Podemos decir que la fotoconducción es lo inverso a la luminiscencia y a los LED, por que aquí, los fotones producen un voltaje y una corriente, en tanto que en un LED el voltaje produce fotones y luz.

Clasificación de los Materiales. (Compuestos)

Para finalizar, trataremos brevemente las características generales de los materiales compuestos.

Este tipo de materiales se definen básicamente como la unión de dos materiales para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales de forma individual. Se clasifican es tres categorías generales:

- Particulados. Dentro de estos podemos distinguir dos tipos; los dispersoides, que son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250 nm de diámetro, que aunque no sean coherentes con la matriz, bloquean el movimiento en las dislocaciones y producen un marcado endurecimiento del material matriz; y los "verdaderos" que contienen grandes cantidades de partículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseñados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material. Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de sus constituyentes, de forma que se pueden predecir con exactitud mediante la llamada regla de la mezclas, que es la sumatoria de las propiedades (densidad, dureza, índice de refracción, etc.) por la fracción volumétrica del constituyente.

- Reforzados con fibras. Por lo general, este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite al fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. De forma semejante a los compuestos particulados, al regla de las mezclas predice algunas de sus propiedades.

- Laminares. Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones específicas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un b ajo costo, alta resistencia o bajo peso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior al desgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características de expansión térmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimar algunas de las propiedades, paralelas a la laminillas de los materiales compuestos laminares. También se pueden calcular con poco margen de error: la densidad y la conductividad eléctrica y térmica.

Este es el último capítulo de nuestro curso. Espero que toda esta información te haya sido de utilidad. Si aún tienes dudas, puedes contactarme a mi correo electrónico.

Propiedades de Los Materiales (2)

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