LOS MATERIALES
Los materiales juegan un papel muy importante en el desarrollo de las civilizaciones dado que cualquier sustancia está hecha o compuesta por ellos. Prácticamente cada segmento de la vida cotidiana está influenciado en mayor o menor medida por los materiales.
La evolución de la humanidad ha estado siempre vinculada al desarrollo de los materiales, incluso las primeras civilizaciones fueron conocidas por el nombre del material que alcanzó mayor grado de desarrollo. Inicialmente sólo se disponía de materiales naturales o seminaturales como piedras, madera, arcilla, pieles, etc. Esta es la conocida edad de Piedra, seguida de la Edad de Cobre, la del Bronce, la del Hierro y finalmente la era de los Polímeros.
Los polímeros pueden tener virtualmente cualquier propiedad física, así que su uso se hizo tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas.
No obstante, la historia, como el desarrollo de materiales, no se detiene, sino que está en constante evolución. Actualmente se imponen los materiales compuestos. Formados por la unión de otros.
- DIFERENCIA ENTRE CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERIA
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión.
La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.
La ciencia y la ingeniería de los materiales se sustentan sobre tres pilares fundamentales: Estructura, Propiedades y Procesado.
La estructura de un material se relaciona con la forma en que están dispuestos sus componentes internos, aunque estos dependerán de la escala de observación.
Las propiedades se pueden definir como la respuesta de los materiales (mecánicas, térmicas eléctricas, ópticas, magnéticas y químicas) ante estímulos externos, a los que cualquier material en servicio está expuesto.
El procesado de materiales tiene como finalidad obtener objetos y piezas de formas predeterminadas y estables, cuyo comportamiento sea adecuado a las aplicaciones a las que están destinados.
- CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
Los materiales se pueden clasificar de muchas formas, según su estructura, por sus propiedades, según sus usos, pero en este caso se usará una clasificación general que engloba cinco familias, dentro de las cuales se puede englobar prácticamente cualquier material. Estas cinco familias son: Metálicos, Cerámicos, Moleculares, Poliméricos e Híbridos
Metálicos
Los materiales metálicos son compuestos de sustancias inorgánicas fundamentalmente metales, sin conformar óxidos ni sales metálicas. Dentro de los materiales metálicos se incluyen tanto elementos puros como a aleaciones con características metálicas (metal + no metal en pequeñas cantidades), como el acero y el bronce. Los elementos metálicos comprenden la mayor parte de la tabla periódica y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio.
Poseen estructuras internas ordenadas (cristalinas) o artificialmente desordenadas; sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.
Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinación de los metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de ellas. Este tipo de materiales tienen multitud de aplicaciones, se nombra como ejemplo las monedas.
Cerámicos
Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez, son los denominados materiales refractarios.
Generalmente tienen baja conductividad térmica y eléctrica por lo que son empleados como aislantes, poseen elevada dureza y son muy frágiles. Nuevas tecnologías de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser usados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo se encuentra el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. Un ejemplo de este tipo de materiales son los ladrillos.
Constituido por moléculas de naturaleza orgánica o inorgánica, Generalmente poseen estructuras cristalinas. Tienen propiedades muy variadas. Ejemplo: agua, pero también cristales líquidos de las pantallas de ordenador
Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamados monómeros.
Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de moléculas que le confieren un alto peso molecular la cual es una característica representativa de esta familia de compuestos orgánicos (largas cadenas que pueden formar redes). Estructura no cristalina (con posibles zonas cristalinas). Tienen baja densidad, no son conductores, aislantes y flexibles Opacos, translúcidos o trasparentes.
Poseen múltiples aplicaciones entre otras se usan para dispositivos electrónicos
El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.
Compuestos
3. APLICACIONES
Algunas aplicación característica de las diversas familias de materiales:
a) metálicos (chasis de los automóviles)
b) cerámicos (ladrillos, mortero, barro cocido, etc., pero también el diamante y el silicio)
c) moleculares (agua, pero también cristales líquidos de las pantallas de ordenador)
d) poliméricos (nuestros conocidísimos ‘plásticos’)
e) híbridos (como la resina reforzada con fibra de carbono, pero también el hormigón armado).
De la estructura íntima de los materiales sólidos dependen las propiedades más importantes, por ello es fundamental estudiar la disposición geométrica de los átomos, así como las interacciones que existen entre los átomos y las moléculas que lo constituyen.
4. FUERZAS INTERATOMICAS Y ENERGÍAS DE ENLACE
Se definen las fuerzas intermoleculares como la variación de la energía que sienten dos átomos en función de la distancia r que los separa. Si la energía es negativa, entonces los átomos se atraen; si la energía es positiva, los átomos se repelen. La magnitud de estas fuerzas depende de las distancias interatómicas.
Representando la dependencia de la energía repulsiva, atractiva y potencial con la distancia interatómica de los dos átomos independientes (el radio). La gráfica presenta un mínimo de energía potencial. La distancia de equilibrio, r0, corresponde a la distancia entre átomos en la gráfica de la energía potencial es mínima. La energía de enlace de estos dos átomos, E0, corresponde a la energía en este punto mínimo y representa la energía necesaria para separar estos dos átomos una distancia infinita
El mínimo de la curva representa la situación más estable y la distancia a la que se produce este mínimo (r0) representa la longitud de enlace.
La comprensión de muchas propiedades físicas de los materiales se basa en el conocimiento de las fuerzas interatómicas que enlazan los átomos.
ENLACE
Fuerza atractiva que mantiene unidos a los átomos entre sí para dar lugar a estructuras más estables. La causa de que se produzca el enlace va a ser la búsqueda de la configuración más estable (menor energía).
Tipos de enlaces
Primarios o fuertes
El enlace iónico. Se producen entre elementos con electronegatividades muy diferentes (de la configuración electrónica de los elementos podemos conocer su capacidad para ganar o perder electrones), iones de signo contrario se unirán por fuerzas de atracción (unos ceden y otros ganan electrones se produce así atracción entre los iones). Aunque hablamos de moléculas iónicas los compuestos iónicos no forman moléculas aisladas sino redes cristalinas. Este tipo de enlace es fuerte y no direccional (es igual en todas las direcciones alrededor del ion). Para que un material iónico sea estable es necesario que todos los iones positivos tengan como vecinos más próximos, en un esquema tridimensional, iones cargados negativamente, y viceversa. Son materiales duros, difícilmente deformables, con elevado punto de fusión, quebradizo, térmico y eléctricamente aislante y poco conductor. Ejemplos, cloruro de sodio, oxido de calcio y oxido de aluminio.
Son pocos los casos en los que un material exhibe un enlace iónico. Pauling propone una expresión para cuantificar el porcentaje de carácter iónico (ci) del enlace formado por dos determinados elementos y dependerá de la diferencia de electronegatividades de dichos elementos
Enlace Covalente. Consiste en un par de electrones compartido por dos átomos que ejerce una atracción sobre los núcleos de ambos y los mantiene unidos. Se forman sólidos cristalinos o moléculas a través de enlaces direccionales. Se produce entre elementos no metálicos que están relativamente cerca en la tabla periódica, los elementos forman enlaces compartiendo uno o varios pares de electrones (los electrones compartidos se consideran de ambos átomos), se forman moléculas o retículos en función de número de electrones compartidos, enlace direccional (en la dirección en que se comparten los electrones). Este enlace es más fuerte que el enlace iónico, pero no todos los materiales tienen elevada temperatura de fusión y ebullición (debido a presencia de enlaces secundarios). Ejemplos H2, Cl2, CH4.
Enlace metálico. Un enlace metálico consiste en un conjunto formado por los cationes metálicos y los electrones de valencia dispersos (gas de electrones); los cationes se ven atraídos por los electrones del gas que, además, apantallan la repulsión de los cationes vecinos. Son átomos con pocos electrones de valencia (uno, dos a lo sumo tres electrones de valencia) por lo tanto no pueden compartirlos, si cederlos para formar una nube de electrones. De manera que los electrones de valencia del sólido no pertenecen a ningún átomo en particular y son más o menos libres de circular a través de todo el metal, se puede interpretar que estos electrones pertenecen al metal, formando la nube de electrones. Los metales presentan redes parecidas a los de los compuestos iónicos con la gran diferencia que los compuestos iónicos están formados por iones con distinto signo y tamaño, y en los compuestos metálicos todos los átomos constitutivos de la red son iguales (enlace menos fuerte que los otros dos primarios, estas estructuras están constituidas por los núcleos y los electrones que no son de valencia, entre los cuales circulan libremente los electrones de valencia, que se comportan como si pertenecieran al conjunto en lugar de a cada núcleo concreto, es decir estos electrones están deslocalizados. Poseen alta conductividad eléctrica y térmica (por la presencia de electrones libres), son fácilmente deformables. Ejemplos tenemos; Al, Fe, Cu, Au, acero…
Enlaces secundarios
a) Fuerzas de Van der Waals entre un dipolo permanente y un dipolo inducido.
b) Fuerzas secundarias entre un dipolo instantáneo y un dipolo inducido instantáneo.
Fuerzas de van der Waals. Despreciables en magnitud frente a los enlaces primarios, en realidad, existen enlaces secundarios entre todos los átomos de las moléculas, pero su presencia puede pasar desapercibida si concurre alguno de los tres tipos de enlaces primarios.
Este tipo de enlace es evidente en los gases inertes e importantes en los materiales moleculares y en algunos materiales poliméricos (y cerámicos). Este tipo de enlaces se producen por atracción entre dipolos eléctricos (hay moléculas que son dipolos permanentes, debido a la distribución de sus cargas, si una de estas moléculas se aproxima a otra, igualmente polar, se produce la aparición de fuerzas electrostáticas de atracción entre dichas moléculas, atracción entre la parte positiva del dipolo y la parte negativa de otro dipolo próximo). Caso especial Puentes de hidrogeno (solo es posible entre hidrogeno y flúor o entre oxígeno y nitrógeno). Como ejemplos tenemos neón sólido, argón sólido, y algunos materiales poliméricos (termoplásticos).
La relación entre el tipo de material y enlace se muestra en la figura de manera que los enlaces metálicos forman enlaces metálicos, los cerámicos enlaces iónicos, covalente o iónico-covalente y los materiales moleculares y poliméricos formaran enlaces covalente y secundarios
Los materiales con enlaces covalente son menos compactos que los enlazados metálica o iónicamente porque los enlaces covalentes son direccionales (es decir, se desarrollan a lo largo de una dirección preferente), mientras que los enlaces metálicos e iónicos no lo son. El carácter direccional del enlace impide que los átomos puedan empaquetarse del modo más compacto (con lo cual el volumen es mayor, al ser menos compacto) por lo tanto al ser mayor el volumen las densidades son más bajas.
6. CRISTALINO Y AMORFO
Muchos de los materiales son cristalinos, esto es que presentan un ordenamiento periódico de sus partículas en las tres direcciones del espacio.
Los materiales que no presentan este ordenamientos se denominan no cristalinos y son conocidos también como amorfos, se suelen formar como consecuencia de un enfriamiento brusco (rápido) desde el estado líquido (por falta de tiempo para que se produzca el ordenamiento a altas temperaturas)
La mayoría de los materiales metálicos son cristalinos, los cerámicos pueden ser cristalinos o amorfos (vidrios), y los polímeros son amorfos, con posibles zonas cristalinas.
7. CRISTALINIDAD
La estructura de los cristales está caracterizada por un apilamiento simétrico de los átomos en el espacio denominado red cristalina y esta es propia de cada elemento. Puesto que la estructura de un cristal perfecto es un diagrama regular de átomos, distribuidos en una red espacial, los ordenamientos atómicos pueden describirse totalmente, especificando las posiciones atómicas de alguna unidad repetitiva de la red espacial, a la cual se denomina celda unitaria y corresponde al más pequeño elemento que permite reproducir toda la red por traslación. Esta celdilla viene definida por las constantes de red y los ángulos interaxiales.
Existen muchas estructuras cristalinas diferentes y es conveniente clasificarlas en grupos de acuerdo con las configuraciones de la celdilla unidad y/o disposición atómica.
Solo existen siete tipo de poliedros capaces de llenar completamente, por repetición, un espacio en tres dimensiones, en función de los parámetros de red.
Red espacial, resulta de colocar puntos o nudos reticulares (puntos imaginarios) en los siete sistemas cristalinos de modo que todos ellos tengan el mismo entorno.
Cada sistema, representado por una celdilla unitaria, está definido por los ejes y los ángulos que forman entre ellos, en función de las posibles localizaciones de los átomos en la celda unitaria se pueden establecer 14 estructuras cristalinas básicas, las denominadas redes de Bravais.
La estructura cristalina es una entidad real, a diferencia de los sistemas cristalinos y las redes espaciales. Es el resultado de situar una base atómica en una red espacial.
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