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S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

INSTITUTO TECNOLÓGICO del istmo

ALUMNO:

CARRASQUEDO GUTIERREZ DANNY

PROFESOR:

EFRAIN DE LA CRUZ SANCHEZ

MATERIA:

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

TEMA:

RESUMEN DE LA INFORMACION

INVESTIGACION DE FASES INTERMEDIAS

1.4 CERAMICA

1.5 MATERIALES COMPUESTOS

GRUPO: 2L CARRERA: ING. ELECTRICA

FECHA DE ENTREGA:

04 DE MARZO DEL 2013

INDICE

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

RESUMEN DE LA INFORMACION:

UNIDAD 1.- MICROESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

1.2 SOLUCIONES SÓLIDAS Y FASES INTERMEDIAS 1.3.- DIAGRAMAS DE FASES DE EQUILIBRIO.

FASES INTERMEDIAS

1.4 CERAMICA

Historia general de la cerámica Usos generales de la cerámica Fabricación de la cerámica

Materiales de la cerámica Propiedades destacables de los materiales cerámicos Cerámica técnica

Ejemplos de materiales cerámicos

Propiedades mecánicas de la cerámica

Comportamiento refractario

Comportamiento eléctrico

Proceso de los materiales cerámicos

Otras aplicaciones de la cerámica

1.5 MATERIALES COMPUESTOS

Estructura Clasificación Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos Ejemplos de los materiales compuestos

RESUMEN:

UNIDAD 1.- MICROESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

1.2 SOLUCIONES SÓLIDAS Y FASES INTERMEDIAS

Soluciones Solidas

Al describir las aleaciones. Dos términos son esenciales: soluto y solvente. El soluto es el elemento menor (como sal o azúcar) que se agrega al solvente, que es el elemento mayor (como el agua). En términos de elementos involucrados en una estructura cristalina metálica, el soluto (compuesto de átomos de soluto) es el elemento que se agrega al solvente (compuesto de Átomos anfitrión). Cuando durante la aleación se mantiene la estructura cristalina particular del solvente, la aieaci6n se conoce como una solución sólida.

Soluciones solidas sustitucionales. 

Si el tamaño del átomo soluto es similar al del átomo solvente, los átomos del soluto pueden remplazar a los átomos del solvente y formar una solución solida sustitucional. Un ejemplo es el latón una aleación de zinc y cobre, en el cual el zinc (átomo de soluto) se introduce en la red del cobre (Átomos de solvente). Por tanto, controlando la cantidad de zinc en el cobre, se pueden alterar, dentro de un rango, las propiedades de los latones.Por lo general se requieren dos condiciones (conocidas como reglas Hume-Rothery, según W. Hume- Rothery, 1899-1968) para formar soluciones só1idas sustitucionales completas:

   * Los dos metales deben tener estructuras cristalinas similares.    * La diferencia en sus radios atómicos debe ser inferior al 15%.

Si estas condiciones no se satisfacen. No se obtendrá una solución só1ida completa, y la cantidad de solución solida formada será limitada.

Soluciones Intersticiales 

El concepto de fases es fundamental para comprender los diagramas de equilibrio. Una fase se puede definir como una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformas. Un material puro, un sólido, un líquido, una disolución gaseosa se considera fases.

1.3.- DIAGRAMAS DE FASES DE EQUILIBRIO.

Convenientemente pensamos en definir primeramente el concepto de fase que es fundamental para comprender los diagramas de equilibrio, podemos definir lo que es fase de una manera funcional, de la siguiente forma:

Fase: una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. Puede tener uno ó varios componentes. Un material puro, un sólido, un líquido, una disolución gaseosa se consideran fases.

Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase).

Equilibrio: este es otro concepto esencial. Se describe muy bien en términos de una función termodinámica denominada energía libre. La energía libre depende de la energía interna de un sistema y también del azar o del desorden de los átomos o moléculas (o entropía). Un sistema está en equilibrio si la energía libre es mínima en condiciones específicas de temperatura, presión y composición. En sentido macroscópico, el sistema es estable. . Un cambio de temperatura, de presión y/o de composición de un sistema en equilibrio conduce a un aumento de la energía libre y a un posible cambio espontáneo a otro estado de menor energía libre.

¿Qué es un diagrama de fases?

Un diagrama de fases es una representación gráfica de las condiciones de equilibrio en función de magnitudes como la concentración de las disoluciones, la temperatura y la presión. Desde un punto de vista matemático, un gráfico G=(v , e) es un modelo discreto compuesto de un conjunto de vértices v y un conjunto de aristas e que unen los vértices; en el caso de los diagramas de fases los vértices representan componentes puros, compuestos, puntos eutécticos, puntos de transición y de saturación múltiple, etc., mientras que las aristas representan curvas de saturación y líneas de reparto.

Una vez definidos los conceptos principales, se puede entrar de lleno al tema:

Los elementos químicos y las sustancias formadas por ellos salvo algunas excepciones, pueden existir en tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso en dependencia de las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentren. El tránsito entre estos estados, se conoce como diagrama de fases.

Los diagramas de fases se utilizan ampliamente porque en ellos es más fácil entender el comportamiento de un sistema en equilibrio. Pero además, estos diagramas también se utilizan para representar procesos y realizar balances de materia.

La representación de una mezcla en un diagrama permite determinar fácilmente si ésta se encuentra en equilibrio de fases o no. Los diagramas de fases, o las representaciones gráficas, tienen también varias limitaciones:

la representación de sistemas de más de tres componentes son siempre parciales, por lo tanto es posible tomar decisiones incorrectas por que la información.

La figura 1 representa el diagrama de fases de una sustancia.En los ejes están representados los valores de presión y temperatura y las tres curvas AB, BD y BC, la frontera entre los diferentes estados.

Si el punto de presión y temperatura en que está la sustancia cae en alguna de las áreas señaladas como sólido, líquido o gas, ese será su estado para esas condiciones.

Si consideramos que la presión a que está la sustancia es P, entonces para temperaturas menores que T₁ será sólida, para temperaturas entre T₁ y T₂ será líquida y por encima de T₂ gaseosa. Si este punto coincide con alguna se las curvas, coexistirán en equilibrio ambos estados, así si está sobre AB  la sustancias será parcialmente sólida y parcialmente gaseosa, si es sobre BD será parcialmente líquida y parcialmente sólida y sobre BC lo mismo entre los estados líquido y gaseoso.

En el diagrama están señalados además dos puntos particularmente importantes:

Punto triple: En este punto en la sustancia coexisten en equilibrio los tres estados, está parcialmente solida, parcialmente líquida y parcialmente

gaseosa. Obsérvese que valores de presión o temperatura más bajas que el punto triple la sustancia en cuestión no puede existir en estado líquido y solo puede pasar desde sólido a gaseoso en un proceso conocido como sublimación.

Punto crítico: El punto C indica el valor máximo de temperatura en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Por encima del punto crítico, la sustancia solo puede existir como gas.

Punto de ebullición: El punto de ebullición de una sustancia, es aquel valor de temperatura para el cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y gaseoso a determinada presión.

Punto de fusión: El punto de fusión de una sustancia, es aquel valor de temperatura para el cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y sólido a determinada presión.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.

La figura 2 representa un diagrama de fase parcial del H2O. El diagrama muestra la fase estable en cada región de éste. Las líneas sobre el diagrama de fase representan las transiciones de fase. Cualquier punto sobre una línea representa una presión y temperatura particulares a las que pueden existir múltiples fases en equilibrio.

Considerando los puntos rotulados de la figura 2, el punto A representa el valor de la presión PA y la temperatura TA en el que la forma solida del H2O es estable. El punto B representa un conjunto de condiciones de presión y temperatura PB y TB bajo las cuales ocurre la fusión: el sólido puede existir en equilibrio con el líquido. El punto C representa las condiciones de presión y temperatura bajo las cuales el líquido constituye la fase estable. El punto D representa las condiciones de presión y temperatura bajo las cuales un líquido puede existir en equilibrio con el gas: ocurre la ebullición. Por último el punto E representa un conjunto de condiciones de presión y temperatura bajo las cuales la fase estable del H2O es la gaseosa.

¿Qué información nos proporcionan las líneas?

Ya que éstas constituyen una gráfica de los cambios de presión conforme varía la temperatura para los equilibrios de fase, las líneas representan dp/dT. Esta cantidad se puede calcular con la ayuda de las ecuaciones de Clapeyron o de Clausius-Clapeyron. Los diagramas de fase de un solo componente no son más que gráficas de la ecuación de Clapeyron o de la ecuación de Clausius-Clapeyron para una sustancia.

La recta de equilibrio liquido-gas representa aquellas condiciones de presión y temperatura en las que ocurre la sublimación. En el H2O, obviamente la sublimación ocurre a presiones más bajas que las normales. (La sublimación del hielo ocurre con más lentitud a presiones normales, razón por la cual, con el tiempo, los cubos de hielo se reducen de tamaño en el congelador. Sin embargo, en el caso del dióxido de carbono, las presiones normales son suficientemente bajas para que se dé la sublimación.

La figura 3 muestra un diagrama de fase para el CO2, en el que se indica la ubicación de 1 atm. El CO2 líquido es estable sólo bajo presión. Algunos cilindros de dióxido de carbono tienen presiones tan altas que, en realidad, contienen CO2 líquido.

La recta de equilibrio líquido-gas representa las condiciones de presión y temperatura en las que estas fases existen equilibrio. La línea de vaporización del diagrama de fase constituye una gran gráfica de la ecuación de Clapeyron o de la ecuación de Clausius-Clapeyron, observe que esta línea finaliza a determinada presión y temperatura, es la única línea que no tiene una flecha en su extremo para indicar que se prolonga. Esto se debe a que más allá de cierto punto las fases líquida y gaseosa ya no se distinguen. Este punto recibe el nombre de punto crítico de la sustancia. La presión y la temperatura reciben el nombre de presión crítica PC y temperatura crítica TC. En el caso del H2O, PC y TC tienen valores de 218 atm y 374°C. Arriba de esta temperatura, ninguna presión puede forzar a las moléculas de H2O a adoptar un estado líquido definido. Si el H2O en el sistema ejerce una presión superior a PC, entonces aquélla no puede existir como líquido o gas definido (puede existir como sólido si la temperatura es suficientemente baja). El estado del H2O recibe el nombre de supercrítico. Es digno de mención otro punto en el diagrama de fase. La figura 4 muestra un conjunto de condiciones en las que sólido, líquido y gas se encuentran en equilibrio entre sí. Estas condiciones reciben el nombre de punto triple. En el caso de H2O, el punto triple es de 0.01°C, o 273.16°K, y 6.11 mbar, o aproximadamente 4.6 torr.

Todos los materiales poseen puntos triples, un conjunto único de condiciones de presión y temperatura en los que las tres fases pueden existir en equilibrio entre sí.

Las fases supercríticas son importantes en algunos procesos industriales y científicos. En particular, existe una técnica denominada cromatografía de fluidos supercríticos, en la que los compuestos se separan utilizando CO2 supercrítico u otros compuestos como “disolventes” (TC y PC tienen valores de 304°K y 73 bar en el caso del CO2).

La tabla 1 contiene condiciones de puntos críticos para algunas sustancias:

TABLA 1.- TEMPERATURAS Y PRESIONES CRITICAS PARA DIVERSAS SUSTANCIAS.

SUSTANCIA TC(°K) PC (Bar)Amoniaco

405.7 111

Hidrógeno 32.98 12.93

Metano 191.1 45.2

Nitrógeno 126 33.1

Oxígeno 154.6 50.43

Azufre 1314 207

Agua 647.3 215.15

La figura 5 muestra dos diagramas de fase del helio. Ya que éste es un gas a temperaturas inferiores a 4.2 °K, el eje de temperaturas de este diagrama no tiene un amplio intervalo de temperaturas. En la figura 6 muestra un diagrama de fase del carbono. Se puede observar las regiones en las que el diamante es la fase estable.

LA REGLA DE LAS FASES:

Una relación importante en el estudio de diagramas de fases es la regla de las fases de Gibbs. J. Willard Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados de libertas o varianza (F) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P.

Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por:

P+F=C+2Donde:

C = número de componentes del sistemaP = número de fases presentes en el equilibrioF = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición).

Grado de libertad (o varianza): es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables.

La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere:1.- Equilibrio homogéneo en cada fase.2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes.

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la velocidad de reacción.

El número de componentes más dos (C+2), representa el número máximo de fases que pueden coexistir al equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (a condiciones invariantes).

LA ECUACIÓN DE CLAPEYRON:

Escribamos las diferencias, dentro del paréntesis, que se encuentran representadas por ∆ V⃗ y ∆ S⃗ , ya que éstas construyen los cambios de volumen y entropía de la fase 1 a la fase 2. Si sustituimos, obtenemos:

∆ V dp=∆ SdT

Esta expresión se reordena para obtener la siguiente ecuación:

dPdT

= ∆ S∆V

Esta ecuación recibe el nombre de Clapeyron, La ecuación de Clapeyron relaciona los cambios de presión y temperatura en el caso de todos los equilibrios de fases en términos de los cambios de volúmenes molares y en tropeas molares de las fases involucradas. Esta fórmula se aplica en cualquier equilibrio de fase. A veces se aproxima de la siguiente manera:

∆ P∆ T

≈∆ S∆ V

Una aplicación muy útil de la ecuación de Clapeyron consiste en estimar las presiones necesarias para desplazar el equilibrio de fases a otras temperaturas.

La ecuación de Clapeyron puede aplicarse a sustancia bajo condiciones extremas de temperatura y presión, ya que ésta permite estimar las condiciones de las transiciones de fase, por lo tanto, la fase establece de un compuesto a otras condiciones que no sean las estándar. La transición de fase de una fase estable de carbono, grafito, a la fase “inestable”, diamante, constituye un objetivo viable para la ecuación de Clapeyron, aun cuando las dos fases son sólidas.

La ecuación de Clausius- Clapeyron es muy útil en el estudio de equilibrios en fase gaseosa. Por ejemplo, permite predecir presiones de equilibrio a diferentes temperaturas, o bien, la temperatura necesaria para generar determinada presión. También se pueden emplear los datos de presión y temperatura para determinar el cambio de entalpía para la transición de fase.

Diagrama de fase de una sustancia pura:

Un método muy corriente de representar los datos experimentales que se disponen de un equilibrio de fases sobre un sistema determinado, es hacerlo en la forma de una gráfica denominada un diagrama de fases. Los diagramas de fases son corrientemente unas representaciones gráficas bidimensionales que tienen unas coordenadas tales como la temperatura y la presión, temperatura y composición, y así sucesivamente. Las curvas que aparezcan en estas gráficas conectarán los puntos correspondientes a condiciones en las que realmente existe un equilibrio de fase.

Los diagramas de fase más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:

Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre:

o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico; o Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación; o Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o

sublimación inversa); o Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o

licuefacción).

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto crítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases.

Es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual.

Diagrama de fase binario:

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un

líquido completamente homogéneo. Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones

da altitud).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:

Línea de líquidos, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de sólidos, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que

tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente. Línea de sólidos, que indica las temperaturas para las cuales una disolución

sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:

o Eutéctica o Eutectoide o Peritéctica o Perictectoide o Monotéctica o Monotectoide o Sintéctica o Catatéctica

FASES INTERMADIAS

Diagramas de fase con fases intermedias

Muchos diagramas de equilibrio son complejos y, a menudo muestran fases o compuestos intermedios. Es conveniente distinguir entre dos tipos de soluciones sólidas: fases terminales y fases intermedias. Las fases en solución sólida terminales se presentan al final de los diagramas de fases, en los límites de los componentes puros. Las soluciones en fases intermedias se presentan en un rango de composiciones dentro del diagrama de fases y están separadas de otras fases en un diagrama binario por regiones de dos fases. En este sistema, α y η, y β, γ, δ y ε son fases intermedias. El diagrama de fases Cu-Zn cuenta con cinco puntos peritécticos invariantes y con un punto eutectoideo invariante en el punto mas debajo de la región intermedia δ. Las fases intermedias no están restringidas a diagramas de fases metálicos.

Compuestos intermedios:

En algunos diagramas de fases los compuestos intermedios se forman entre dos metales o entre un metal y un no metal. El diagrama de fases de Mg-Ni tiene como compuestos intermedios Mg2Ni y el MgNi2, los cuales exhiben enlaces metálicos y poseen composición y estequiometrias definidas. El compuesto intermetálico MgNi2 se dice que es un compuesto de fusión congruente, ya que mantiene su composición correcta hasta el punto de fusión. Por otro lado, el Mg2Ni se dice es un compuesto de fusión incongruente, ya que bajo calentamiento sufre una descomposición peritéctica a los 761 ºC en un líquido y en una fase MgNi2. Otros ejemplos de compuestos intermedios que existen en diagramas de fases, son el Fe3C y el Mg2Si. En el Fe3C la unión es principalmente de carácter metálico, pero en el Mg2Si la unión es principalmente covalente.

Diagramas de fase ternarios.

Este tipo de diagramas esta compuesto de tres componentes. Éstos diagramas normalmente se construyen utilizando un triangulo equilátero como base. La composición de los sistemas ternarios se representa en esta base con el componente puro en cada extremo del triangulo.

Los diagramas de fases ternarios con una composición base triangular se construyen normalmente a una presión constante de 1 atm. La temperatura puede representarse uniformemente a lo largo de todo el diagrama. Este tipo de diagramas ternario se llama una sección isotérmica. Para mostrar un rango de temperaturas a composiciones variables puede construirse una figura con la temperatura en un eje vertical con una composición base triangular. Sin embargo, mas comúnmente se dibujan líneas de contorno de temperatura sobre una base de composición triangular para indicar rangos de temperatura del mismo modo que en un mapa topográfico plano se representan las diferentes elevaciones del terreno.

Diagramas con fases intermedias

Las fases intermedias se representan como líneas verticales en los diagramas de fases porque suelen tener un pequeño intervalo de composición lo que conduce a compuestos con fórmula química definida (ej. Mg2Sn). Si presentan un intervalo de composición suele tratarse de compuestos electrónicos (que se representan por una letra griega). Las fases intermedias tienen puntos de fusión superiores a los de los dos metales.

Reacción peritéctica: Líquido + Sólido 1 --> Sólido 2el sólido 2 suele ser una fase intermedia.

Reacción Monotéctica se presenta cuando los metales son sólo parcialmente solubles en estado líquido: Líquido 1 --> Líquido 2 + Sólido

Otras reacciones invariantes en estado sólidoReacción eutectoide: Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3

Reacción peritectoide: Sólido 1 + Sólido 2 --> Sólido 3

La regla de la palanca permite conocer la composición química de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.

1.4 CERAMICA

La cerámica es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del calor transformarlos en recipientes de terracota, loza o porcelana.

El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su

significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales

de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre),

sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con

suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está

ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal.

HISTORIA GENERAL DE LA CERAMICA

La historia de la cerámica va unida a la historia de casi todos los pueblos del mundo.

La invención de la cerámica se produjo durante el neolítico, cuando se hicieron necesarios recipientes para almacenar el excedente de las cosechas producido por la práctica de la agricultura. En un principio esta cerámica se modelaba a mano, con técnicas como el pellizco, el colombín o la placa (de ahí las irregularidades de su superficie), y tan solo se dejaba secar al sol en los países cálidos y cerca de los fuegos tribales en los de zonas frías. Más adelante comenzó a decorarse con motivos geométricos mediante incisiones en la pasta seca, cada vez más compleja, perfecta y bella elaboración determinó, junto con la aplicación de cocción.

Según las teorías difusionistas, los primeros pueblos que iniciaron la elaboración de utensilios de cerámica con técnicas más sofisticadas y cociendo las piezas en hornos fueron los chinos. Desde China pasó el conocimiento hacia Corea y Japón por el Oriente, y hacia el Occidente, a Persia y el norte de África hasta llegar a la Península Ibérica. En todo este recorrido, las técnicas fueron modificándose. Esto fue debido a ciertas variantes; una de ellas fue porque las arcillas eran diferentes. En China se utilizaba una arcilla blanca muy pura, el caolín, para elaborar porcelana, mientras que en Occidente estas arcillas eran difíciles de encontrar.

El invento del torno de alfarero, ya en la Edad de los Metales, vino a mejorar su

elaboración y acabado, como también su cocción al horno que la hizo más

resistente y amplió la gama de colores y texturas. En principio, el torno era

solamente una rueda colocada en un eje vertical de madera introducido en el

terreno, y se la hacía girar hasta alcanzar la velocidad necesaria para elaborar

la pieza. Poco a poco fue evolucionando, se introdujo una segunda rueda

superior y se hacía girar el torno mediante un movimiento del pie;

posteriormente se añadió un motor, que daba a la rueda diferente velocidad

según las necesidades.

A menudo la cerámica ha servido a los arqueólogos para datar los yacimientos

e, incluso, algunos tipos de cerámica han dado nombre a culturas prehistóricas.

Uno de los primeros ejemplos de cerámica prehistórica es la llamada cerámica

cardial. Surgió en el Neolítico, debiendo su denominación a que estaba

decorada con incisiones hechas con la concha del cardium edule, una especie

de berberecho. La cerámica campaniforme, o de vaso campaniforme, es

característica de la edad de los metales y, más concretamente, del calcolítico,

al igual que la cerámica de El Argar (orgánica) lo es de la Edad del Bronce.

Los ceramistas griegos trabajaron la cerámica influenciados por las

civilizaciones del Antiguo Egipto, Canaán y Mesopotamia. La estética griega

fue heredada por la Antigua Roma y Bizancio, que la propagaron hasta el

Extremo Oriente. Se unió después a las artes del mundo islámico, de las que

aprendieron los ceramistas chinos el empleo del bello azul de cobalto.

Desde el norte de África penetró el arte de la cerámica en la Península Ibérica, dando pie a la creación de la loza hispano-morisca, precedente de la cerámica mayólica con esmaltes metálicos, de influencia persa, y elaborada por primera vez en Europa en Mallorca (España), introducida después con gran éxito en Sicilia y en toda Italia, donde perdió la influencia islámica y se europeizó.

USOS GENERALES DE LA CERAMICA

Su uso inicial fue, fundamentalmente, la elaboración de recipientes empleados

para contener alimentos o bebidas. Más adelante se utilizó para modelar

figurillas de posible carácter simbólico, mágico, religioso o funerario. También

se empleó como material de construcción en forma

de ladrillo, teja, baldosa o azulejo, conformando muros o revistiendo

paramentos. La técnica del vidriado le proporcionó gran atractivo, se utilizó

también en escultura. Actualmente también se emplea como aislante

eléctrico y térmico en hornos, motores y en blindaje.

FABRICACION DE LA CERAMICA

La fabricación de componentes cerámicos tiene lugar de la siguiente manera:

1. La materia prima es la arcilla. Se emplea agua, sílice, plomo, estaño y

óxidos metálicos (dependiendo del tipo de cerámico).

2. Se procede a molerlos hasta conseguir un polvo finísimo o y se mezcla

en la proporción más adecuada.

3. Se introduce el polvo en el molde que conformará la pieza.

4. Se somete a la prensa estática (llamada así porque actúa en todas las

direcciones) a presiones muy altas, hasta 3000 kilos por centímetro

cuadrado.

5. Se cuece al horno a una temperatura de entre 1600 y 2000 grados

centígrados. El proceso de prensado y cocción se denomina

sinterización.

6. Sin embargo las piezas no salen absolutamente perfectas de la prensa y

a algunas se las impone un posterior ajuste de calibración. La enorme

dureza del material se convierte ahora en un inconveniente, ya que solo

se puede utilizar el diamante en su tallado. Incluso con este tipo de

herramientas la remecanización resulta lenta y trabajosa y desgaste

rápidamente el utillaje, lo que encarece notablemente los costes. Como

alternativa se está investigando nuevos métodos de tratamiento de las

superficies cerámicas basado en ultrasonidos.

7. La última fase del proceso de fabricación es el control de calidad.

MATERIALES DE LA CERAMICA

Los materiales son buenos aislantes y que además tienen la propiedad de

tener una temperatura de fusión y resistencia en compresión elevadas. Así

mismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en

un ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad).

Todas estas propiedades, hacen que los materiales sean imposibles de fundir y

de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por

esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este

proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser

visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un elevado módulo

de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace iónico covalente, es

imposible de realizar.

Existen materiales cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

Soluciones compuestas- elementos metálicos y no metálicos enlazados mediante uniones iónicas y/o covalentes.

• Son duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.• Son buenos Aislantes eléctricos y térmicos.• Tienen altas temperaturas de fusión, alta resistencia al ataque químico, bajo costo y presentan la facilidad de controlar su aspecto.

MATERIALES CERAMICOS

Propiedades destacables de los materiales cerámicos

• Alta temperatura de fusión• Baja densidad• Rigidez, dureza, resistencia estructural• Resistencia a la corrosión• Buenos aislantes térmicos y eléctricos

Las propiedades de un material cerámico dependen de la naturaleza de la

arcilla empleada, de la temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha

sido sometido. Así tenemos:

Materiales porosos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a

fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo

totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:

1. Arcillas cocidas2. Loza italiana.3. Loza inglesa.

4. Refractarios . Las aplicaciones más usuales son:

a) Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el

interior de hornos.b) Electrocerámicas: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc.,

CERAMICA TECNICA

La cerámica técnica que se ocupa de la utilización de materiales cerámicos en

aplicaciones tecnológicas. La palabra  cerámica  deriva del vocablo 

griego keramos, cuya raíz sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto

se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de

este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos que se

forman por acción del calor.

Hasta los años 1950, los materiales más importantes fueron

las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares,

junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe

en alfarería.

Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El

estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar

estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer

usos no tradicionales. Esto también se ha buscado incorporándolas

a materiales compuestos como es el caso de los cermets, que combinan

materiales metálicos y cerámicos.

EJEMPLOS DE MATERIALES CERAMICOS

Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.

Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de

tanques.

Carburo de silicio (Si C ), empleado en hornos microondas, en abrasivos y

como material refractario.

Diboruro de magnesio (Mg B 2), es un superconductor no convencional.

Óxido de zinc (Zn 4O ), un semiconductor.

Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en

núcleos de memorias magnéticas.

Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.

Óxido de uranio (U O 2), empleado como combustible en reactores nucleares

Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2Cu3O7-x), superconductor de alta

temperatura.

talio-bario-calcio

PROPIEDADES MECANICAS DE LA CERAMICA

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre

se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que

tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones

microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo

la resistencia a los esfuerzos mencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa

en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad

depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la

rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de

deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de

forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa

es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun

así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales

incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las

grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas

de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la

fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy

bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser

aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento

mediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a

altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado

como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

COMPORTAMIENTO REFRACTARIO

Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente

altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios.

Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados

como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos

de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas

causadas durante la entrada a la atmósfera.

Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen comportamiento a

alta temperatura mientras que pueden sufrir roturas por choque térmico a

temperaturas inferiores.

Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas

temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la

industria aeroespacial. Los materiales cerámicos poseen por lo general una

buena resistencia a la termofluencia. Esto es debido principalmente a dos

factores en el caso de cerámicos cristalinos: altos valores de temperatura

de fusión y elevada energía de activación para que comience la difusión.

Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado

de un cambio brusco de temperatura. Esta variación repentina da lugar a

tensiones superficiales de tracción que llevan a la fractura. Entre los

factores que condicionan la resistencia al choque térmico toma gran

importancia la porosidad del material. Al disminuir la porosidad (aumentar la

densidad) la resistencia al choque térmico y las características de

aislamiento se reducen, mientras que la resistencia mecánica y la

capacidad de carga aumentan.

COMPORTAMIENTO ELECTRICO

Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica es su aplicación a

situaciones eléctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de

propiedades.

Aislamiento eléctrico y comportamiento dieléctrico

La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles,

por lo que no son conductores de electricidad. Esto se debe a que los enlaces

iónico y covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son

buenos aislantes eléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permite

usarlos en la generación de energía y transmisión.

Una sub-categoría del comportamiento aislante es el dieléctrico. Un material

dieléctrico mantiene el campo magnético a través de él, sin inducir pérdida de

energía. Esto es muy importante en la construcción de condensadores

eléctricos.

La cerámica dieléctrica es usada en dos áreas principales:

la primera es la pérdida progresiva de dielectricidad de alta frecuencia,

usada en aplicaciones tales como microondas y radio transmisores.

la segunda, son los materiales con alta dielectricidad constante

(ferroeléctricos). Aunque la cerámica dieléctrica es inferior frente a otras

opciones para la mayoría de los propósitos, generalmente ocupa estos

dos dichos muy bien.

Superconductividad

Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas,

algunas cerámicas muestran superconductividad. La razón exacta de este

fenómeno no es conocida, aunque se diferencian dos conjuntos de cerámica

superconductora.

El otro conjunto de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio.

Sus propiedades no son particularmente destacables, pero son químicamente

muy distintos a cualquier otro superconductor en que no es un complejo de

óxido de cobre ni un metal. Debido a esta diferencia se espera que el estudio

de este material conduzca a la interiorización del fenómeno de la

superconductividad.

Semiconductividad

Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas. La mayoría de ellas

son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV,

como el óxido de zinc.

La cerámica semiconductora es empleada como sensor de gas. Cuando varios

gases son pasados a través de una cerámica policristalina, su resistencia

eléctrica cambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, se pueden construir

sensores de gas sin demasiado costo.

Ferroelectricidad, piezoelectricidad y piroelectricidad

Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente posee una

polarización eléctrica cuyo sentido se puede invertir mediante aplicación de un

campo eléctrico externo suficientemente alto (histéresis ferroeléctrica). Estos

materiales exhiben múltiples propiedades derivadas de su polarización

espontánea, en ausencia de un campo eléctrico externo, y de la posibilidad de

su inversión (memorias de ordenador). La polarización espontánea puede

modificarse mediante campos eléctricos (electrostricción) o de tensiones

mecánicas (piezoelectricidad) externos y mediante variaciones de la

temperatura (piroelectricidad). La polarización espontánea y su capacidad de

modificación son también el origen de la alta constante dieléctrica o

permitividad de los ferroeléctricos, que tiene aplicación en condensadores.

Un material piezoeléctrico es aquel que, debido a poseer una polarización

espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o, inversamente, se

deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico

aplicado es alterno, este produce una vibración del piezoeléctrico. Estos

materiales encuentran un rango amplio de aplicaciones, principalmente como

sensores para convertir un movimiento en una señal eléctrica o viceversa.

Todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos

cuya polarización espontánea puede variar pero no es invertible y, en

consecuencia, no son ferroeléctricos.

Un material piroeléctrico desarrolla un campo eléctrico cuando se calienta.

Algunas cerámicas piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar

cambios de temperatura causados por el ingreso de una persona a un cuarto

(aproximadamente 40 micro kelvin). Tales dispositivos no pueden medir

temperaturas absolutas, sino variaciones de temperatura y se utilizan en visión

nocturna y detectores de movimiento.

PROCESO DE LOS MATERIALES CERAMICOS

Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El

vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado,

laminado, estirado, colado o flotado y galvanizado.

Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango

de procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una

de dos categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o

por formación de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar

un cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos

mencionados.

Manufactura in situ

El uso más común de este método es en la producción de cemento y concreto.

Aquí, los abrasivos deshidratados son mezclados con agua. Esto da comienzo

a las reacciones de la hidratación, las cuales resultan en cristales grandes,

interconectados formándose alrededor de los agregados. Pasado un tiempo,

esto resulta en una cerámica sólida. El mayor problema con este método es

que la mayoría de las reacciones son tan rápidas que no es posible hacer una

buena mezcla, lo que tiende a impedir la construcción en gran escala. Sin

embargo, los sistemas a pequeña escala pueden ser realizados mediante

técnicas de depósito, en donde los diferentes materiales son introducidos sobre

un sustrato, donde se produce la reacción y la cerámica se forma sobre este

sustrato.

Conformado de los polvos

El objetivo principal del conformado es dar forma y consistencia a la masa de

polvos que dé lugar a un aumento de la densidad y, por lo tanto, a una mejora

de las propiedades mecánicas. Existen dos formas de realizar el conformado:

mediante la aplicación de presión y temperaturas elevadas. Con la aplicación

de presión y temperatura, el proceso es similar a si no aplicásemos altas

temperaturas, pero obtenemos productos más densos y homogéneos a la vez

que ahorramos materias primas.

Prensado uniaxial: (en caliente o en frío). Consiste en la aplicación de

presión en una única dirección hasta conseguir la compactación de los

polvos cerámicos. La pieza así conformada tendrá la forma de la matriz y

las superficies con las que se aplica la presión.

Prensado isostático en caliente  o en frío. Consiste en compactar los polvos

encerrándolos herméticamente en moldes elásticos típicamente de goma,

látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede

ser agua o aceite. El fundamento de este proceso es el Principio de Pascal,

de este modo conseguimos compactar uniformemente y en todas las

direcciones el material.

Slip Casting: Se fundamenta en el moldeo por barbotina de la cerámica

tradicional, mediante el cual obtenemos piezas de espesores pequeños

utilizando moldes porosos.

Métodos basados en la sinterización

Los principios de los métodos basados en la sinterización son sencillos: Una

vez que la materia prima es acondicionada para su procesamiento (hornada),

es introducida en el horno, con lo que el proceso de difusión compacta a la

materia prima. Los poros se achican, resultando un producto más denso y

fuerte. El quemado se hace a una temperatura por debajo del punto de

derretimiento de la cerámica. Siempre queda alguna porosidad, pero la

verdadera ventaja de este método es que la hornada puede ser producida de

cualquier modo imaginable, e incluso puede ser sinterizado. Puede realizarse

una mezcla de componentes en vez de usar un solo polvo, y luego verterlo en

el molde deseado, dejándolo secar y luego sinterizarlo. De hecho, en la

alfarería tradicional es hecho de esta forma, usando una mezcla plástica que es

trabajada con las manos. Si una mezcla de materiales diferentes componentes

es utilizada en una cerámica, algunas veces la temperatura de sinterización es

mayor a la temperatura de fundición de alguno de sus componentes (fase

líquida de sinterización). Esto genera un período más corto de sinterización

comparado con el estado sólido sinterizado.

OTRAS APLICACIONES DE LA CERAMICA

Hace un par de décadas, Toyota investigó la producción de un motor cerámico

el cual puede funcionar a temperaturas superiores a 3300 °C. Los motores

cerámicos no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una

mayor reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de

combustible. La eficiencia en el uso de combustible de un motor es también

superior a más alta temperatura. En un motor metálico convencional, mucha de

la energía generada desde la combustión debe ser derrochada como calor para

prevenir la fundición de las partes metálicas. Las imperfecciones en la cerámica

conducen a quiebras y rompimientos. Dichos motores son factibles en

investigaciones de laboratorio, pero las dificultades actuales sobre la

manufactura impiden su producción en masa.

1.5 MATERIALES COMPUESTOS

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por la interfase.

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores:

a) propiedades de la matriz y del refuerzo

b) contenido de refuerzo

c) orientación del refuerzo

d) método de producción del material compuesto.

Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y

separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles

entre sí y separadas por una interfase.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las

propiedades de sus componentes (sinergia). No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales

polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen

las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la

industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al

impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que

rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales,

las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan

mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre

materiales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero

algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

ESTRUCTURA

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se

pueden distinguir las siguientes partes:

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es

fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la

responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos

al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

CLASIFICACION

1.- Clasificación según la forma de los constituyentes

Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio.

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partículas.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta

y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas

propiamente dichas

Compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy

pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas normales, estos

compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia

disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la

termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

Sus principales propiedades son:

La fase es generalmente un óxido duro y estable.

El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

Deben unirse correctamente los materiales.

Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las

dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las

direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.

Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de

vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material

su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele

ser una resina como epoxi o poliéster que envuelve y liga las fibras,

transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están

alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida

sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión.

Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas)

sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas

y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes

sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de

la matriz, lo que se llama de laminación.

Materiales compuestos estructurales.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus

propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los

más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de

adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con

fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta

manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente

anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que

las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y

resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio),

separadas por un material menos denso y menos resistente,

(polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos

inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la

industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos

multicapas.

Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles sándwich (compuestos de núcleo y tapas)

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes

Composites de matriz orgánica (polímeros).

- presentan baja densidad

- posibilidad de obtención de piezas complicadas

- son los más utilizados en la actualidad

Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.

Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)

- mayor duración

- elevada conductividad térmica y eléctrica

- no absorben humedad

- mayor resistencia al desgaste

Su principal desventaja es su alto precio

Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.

Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.

3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa

Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites, también presentan problemas:

- dificultad de procesado

- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras

Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.

Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo de composite:

Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10-

9 m=10-3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

APLICACIONES Y LIMITACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos

- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad)

- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía

Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.

EJEMPLOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Plásticos reforzados con fibra:

Clasificados por el tipo de fibra:

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o

Plástico reforzado con vidrio  (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra

de vidrio")

Clasificados por la matriz:

Termoplásticos reforzados por fibra larga.

Termoplásticos tejidos de vidrio.

Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs:

Cermet  (cerámica y metal).

Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)

Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica:

Hormigón /Concreto

Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).

Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)

Adobe  (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico

Madreperla o nácar

Concreto asfáltico

Madera mejorada

Contrachapado

Tableros de fibra orientada  (OSB).

Trex

Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)

Pycrete  (serrín en matriz de hielo)

 

Fuentes:

http://ocw.uc3m.es

www.scribd.com

es.wikipedia.orgwww.pslc.ws revista (Reinforced Plastics and Composites magazine)

es.wikipedia.org/wiki/Material_compuesto

https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/.../Documento8.pdf