ciencia de materiales. capitulo 3. parte 2

Ciencia de Materiales:

Estructuras cristalinas en materiales

cerámicos.

Juan José Reyes Salgado

Estructuras cristalinas en materiales cerámicos.

Enlace iónico y covalente en compuestos cerámicos simples

I En enlace atómico es una mezcla de enlaces iónicos ycovalentes.

I Ecuación de Pauling:

% de caracter ionico = (1− e(−1/4)(XA−XB)2)(100%)

Distribuciones iónicas sencillas que se encuentran en sólidos enlazados iónicamente

I El empaquetamiento de los iones está determinado por lossiguientes factores:

1 El tamaño de los iones en el sólido iónico.

2 La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para

mantener su neutralidad eléctrica en el sólido iónico.

Limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso deiones en un sólido iónico.

I Los sólidos iónicos constan de aniones y cationes.

I El número de aniones que rodean a un catión central en unsólido iónico se denomina número de concordancia (NC).

I Los aniones tienen que hacer contacto con el catión central yse debe conservar la neutralidad de la carga.

I Razón de radios = rcation/ranion.

I Cuando se tocan entre sí la razón de los radios se denominarazón de radios crítica (mínima).

Problema

Calcule la razón de radios crítica (mínima) r/R para la coordinacióntriangular (NC=3) de tres aniones de radio R que rodean a uncatión central de radio r en un sólido iónico.

Problema

SOLUCIÓN:

Problema

SOLUCIÓN:

AD = R + r

Problema

SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

R + r= 0.866

Problema

SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)

Problema

SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)

R − 0.866R = 0.866r

Problema

SOLUCIÓN:

AD = R + r

cos30o =AE

R + r= 0.866

R = 0.866(R + r)

R − 0.866R = 0.866rr

R= 0.155

Estructura cristalina del cloruro de cesio (CsCl)

Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl)

Problema

Calcule la densidad de NaCl a partir del conocimiento de suestructura cristalina, los radios iónicos Na+ y Cl−, y las masasatómicas del Na y Cl. Los radios iónicos del Na+=0.102nm el delCl−=0.181nm. Las masas atómicas del Na=22.99 g/mol y la delCl=35.45 g/mol.

Problema

Calcule la densidad de NaCl a partir del conocimiento de suestructura cristalina, los radios iónicos Na+ y Cl−, y las masasatómicas del Na y Cl. Los radios iónicos del Na+=0.102nm el delCl−=0.181nm. Las masas atómicas del Na=22.99 g/mol y la delCl=35.45 g/mol.SOLUCIÓN:

Problema

masa =(4Na+ × 22.99g/mol) + (4Cl− × 35.46g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

Problema

6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm

Problema

6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm

V = a3 = 1.81× 10−22cm3

Problema

6.02× 1023atomos/mol= 3.88× 10−22g

a = 2(rNa+ + RCl−) = 0.566nm

V = a3 = 1.81× 10−22cm3

V= 2.14g/cm3

Espacios intersticiales en redes cristalinas de FCC y HCP

Hueco intersticial octaédrico Hueco intersticial tetraédrico

Estructura cristalina de blenda de zinc (ZnS)

Y semiconductores: CdS, InAs, InSb y ZnSe.

Problema

Calcule la densidad de ZnS. Suponga que la estructura consta deiones y que el radio iónico del Zn2+=0.060 nm y el del S2+=0.174nm

Problema

Calcule la densidad de ZnS. Suponga que la estructura consta deiones y que el radio iónico del Zn2+=0.060 nm y el del S2+=0.174nmSOLUCIÓN:

Problema

m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

Problema

m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm

Problema

m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm

V = a3 = 1.57× 10−22cm3

Problema

m =(4Zn2+ × 65.37g/mol) + (4S2− × 32.06g/mol)

6.02× 1023atomos/mol= 6.47× 10−22g

4a = rZn2+ + RS2− = 0.234nm

V = a3 = 1.57× 10−22cm3

V= 4.12g/cm3

Estructura cristalina del �uoruro de calcio (CaF2)

UO2, BaF2, AuAl2 y PbMg2.

Estructura cristalina de la anti�uorita

I Celda unitaria FCC con aniones.

I Los cationes ocupan 8 sitios tetraédricos de la red FCC.

I Li2O, Na2O, K2O y Mg2Si .

Estructura cristalina del coridión (Al2O3)

Estructura cristalina del espinel (MgAl2O4)

I Iones de O forman una red FCC.

I Los iones ocupan los huecos intersticiales del tetraedro y deloctaedro.

I Se usan en materiales magnéticos no metálicos paraaplicaciones electrónicas.

Estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3)

Materiales piezoeléctricos: SrTiO3, CaZrO3, SrZrO3, LaAlO3.

I Alótropos signi�ca que puede existir en múltiples formascristalinas.

I El carbono y sus polimorfos no pertenecen directamente aninguna de las clases convencionales de materiales.

I Discutiremos estructuras y propiedades del gra�to, diamante,buckyball y buckytube.

Gra�to

I Distribuciones hexagonales enlazadas fuertemente en formacovalente.

I Enlaces secundarios débiles entre las capas.

Gra�to

I Distribuciones hexagonales enlazadas fuertemente en formacovalente.

I Enlaces secundarios débiles entre las capas.

Gra�to

I El electrón se desplaza libre a lo largo de las capas.

I No se desplaza fácilmente entre capas.

I El gra�to es anisotrópico (las propiedades dependen de ladirección).

I Tiene una densidad baja de 2.26 g/cm3.

I Buen conductor eléctrico y térmico en el plano basal pero noen el plano perpendicular.

I Se puede elaborar en largas �bras para materiales compuestos.

I Puede usarse como lubricante.

Gra�to

Diamante

I Es un material isotrópico.

I Tiene una densidad alta de 3.51 g/cm3.

I Es el material más rígido y duro, y el menos comprensible de lanaturaleza.

I Tiene una conductividad térmica alta.

I Tiene una conductividad eléctrica baja.

I Impurezas como el nitrógeno, afectan sus propiedades.

I Diamante natural extremadamente caro y su mayor valor escomo gema.

I Diamante sintético tiene una dureza comparable, son másbaratos y se usan en herramientas de corte, revestimientos yabrasivos.

Diamante

Fullerenos Buckminster (Buckyball)

I Descubiertos en 1985 por Buckminster.

I Parecido a un balón de soccer constituido por 12 pentágonos y20 hexágonos.

I En 1990 se identi�caron otras formas de estas moléculas(fullerenos).

I Tiene un diámetro de 0.710nm y se clasi�can comonanocúmulo.

I Aplicaciones como lubricantes, celdas de combustible ysuperconductores.

Nanotubos de carbono

I Los nanotubos tienen una resistencia 20 veces mayor que losaceros más fuertes.

I Muestran una resistencia a la tensión de 45GPa en dirección ala longitud del tubo.

I El módulo elástico es de 1.3TPa.

I Baja densidad.

I Alta conductividad térmica y eléctrica.

I Se pueden formar estructuras de cuerdas, �bras y películasdelgadas alineando un gran número de tubos.

I Aplicaciones en puntas de STM (microscopio de efecto túnel),emisores de campo en pantallas planas, sensores químicos y�bras para fabricar compuestos.

I Baja densidad.

ciencia de materiales. capitulo 3. parte 2

Education

disertacion ciencia materiales ceramicos

ciencia materiales

capitulo 9 materiales ceramicos

ciencia materiales termodinamica copy

ciencia d elos materiales

ciencia materiales ii

ciencia delos materiales

ciencia de materiales. capitulo 2. parte 2

ciencia de materiales. capitulo 6. parte 2

introduccion ciencia-materiales-53474

capitulo 4 —- materiales

ciencia de materiales. capitulo 5

capitulo 1 (ciencia geografica)

ciencia de los materiales

capitulo 0-introduccion-a-la-ciencia-de-materiales (1)

introduccion ciencia-materiales-5347

materiales compuestos ciencia

ciencia de materiales

ciencia de materiales 1

capitulo 11: materiales importantes