Conocimiento de Materiales: Propiedades y Aplicaciones en Ingeniería

CONOCIMIENTO DE MATERIALES

El ingeniero proyectista

Responsable de la elección de materiales durante el proceso de diseño.

Criterios: tecnológicos, económicos y estéticos.
Propiedades de los materiales: mecánicas, físicas, químicas.

Propiedades mecánicas

Cohesión: oposición de los átomos a separarse entre sí.
Elasticidad: cuando cesan las fuerzas exteriores, el material recupera su forma original.
Plasticidad: deformación de un material sin llegar a la rotura. (Ductilidad, maleabilidad).
Dureza: resistencia a ser rayado.
Tenacidad: resistencia a la rotura.
Fragilidad: poca resistencia al impacto.
Fatiga: resistencia a esfuerzos repetitivos.
Resiliencia: energía absorbida por unidad de sección antes de romperse.

Las propiedades mecánicas son las más importantes, ya que tienen una influencia directa sobre el comportamiento del propio material ante la exposición de distintos tipos de solicitaciones (cargas o esfuerzos). Se tienen en cuenta a la hora de fabricar una pieza o un conjunto, determinan la resistencia mecánica ante esfuerzos o solicitaciones. A estos materiales se les requiere: soportar esfuerzos estáticos, dinámicos, tracción, flexión, compresión; conformarse por técnicas de formación plástica, permitir deslizamientos superficiales, trabajar con bajas, medias y altas temperaturas.

Propiedades físicas

Eléctricas: relativas al comportamiento eléctrico: están relacionadas con la conductividad eléctrica y su influencia en relación con campos eléctricos.
Magnéticas: interaccionan con campos magnéticos. Están relacionados con la acción de los campos magnéticos sobre los materiales. Están destinados a transmitir energía magnética, permitiendo el paso de flujos magnéticos.
Térmicas: relativa a la transferencia de calor. Dos funciones: almacenamiento de calor y transmisión. Algunos materiales trabajan mejor a elevadas temperaturas y viceversa.

Propiedades químicas

La energía química incide especialmente sobre los materiales a la hora de determinar niveles de corrosión apreciables.

Fuerzas de enlace

Enlace iónico: este tipo de enlace configura los materiales en estado sólido y tiene lugar gracias a la unión de fuerzas electroestáticas. Está basado en la atracción-repulsión de átomos ionizados. La energía de enlace de estos materiales sólidos es la más fuerte que existe, con una temperatura de fusión muy alta.
Covalente: posee una energía de enlace bastante alta, pero por debajo de los enlaces iónicos; su temperatura de fusión también está por debajo. Podemos encontrarnos en la materia enlaces parcialmente iónicos y parcialmente covalentes. En este tipo de enlaces se comparten electrones.
Metálicos: su energía de enlace es menor que la de las dos anteriores, tienen lugar a que existan electrones libres que se mueven libremente por el material.
Secundarios: su energía de enlace es la más baja que existe, llegando a ser 100 veces inferior a la del resto de enlaces (enlaces por puente de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals).

Ejemplos de materiales y tipos de enlace:

Enlace iónico: materiales cerámicos (circuitos integrados y algunos semiconductores)
Enlace covalente: materiales plásticos o polímeros
Enlace metálico: todos los metales

Materiales cerámicos

Ópticos: se rigen por las propiedades de la luz y la mecánica ondulatoria (radiaciones electromagnéticas).
Materiales cerámicos: son materiales inorgánicos, buenos aislantes, de rotura fácil y resistencia elevada. Poseen temperaturas de fusión muy altas (diamante y grafito), por debajo la siguen los metales con temperaturas de fusión inferiores. Se caracterizan por tener enlaces iónicos y/o covalentes. Son materiales cerámicos casi todos los óxidos como la alúmina, grafito, diamante, la cal…

Propiedades típicas de los cerámicos

Temperatura de fusión alta, entre 1100 y 4000ºC.
Bajo coeficiente de dilatación térmica, por lo que aumentar la temperatura no aumenta demasiado el volumen.
Baja conductividad eléctrica.
Baja conductividad térmica.
Capacidad calorífica alta, permitiendo almacenar el calor, ya que tardan mucho en calentarse, pero una vez se han calentado, tardan mucho en perder el calor.
Densidad baja media.
Carecen de ductilidad, no pueden deformarse plásticamente, salvo el vidrio en estado viscoso.
Resistencia mecánica y dureza, especialmente a compresión. Frente a cargas bruscas tienen comportamiento poco dúctil.
Alta resistencia a la corrosión.
Baja fabricabilidad.

Polímeros

Los materiales polímeros son macromoléculas orgánicas (una macromolécula es la unión de un número muy alto de átomos) formadas por una unidad estructural (conocida como mero) que se repite un número elevado de veces. Unidos mediante enlaces covalentes y fuerzas de Van der Waals. Son buenos aislantes y poseen buenas propiedades mecánicas.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SU COMPOSICIÓN

Homopolímeros: formados a partir de un único tipo de monómeros.
Heteropolímeros: formados por dos o más monómeros distintos, también llamados copolímeros.

CLASIFICACIÓN POR SU ORIGEN

Polímeros naturales: proteínas, caucho.
Polímeros semi-sintéticos: se obtienen por transformación de polímeros naturales.
Polímeros sintéticos: se obtienen industrialmente (nailon, PVC, poliéster).

CLASIFICACIÓN POR SU COMPORTAMIENTO AL CALOR

Termoplásticos: son polímeros fusibles, es decir, pueden pasar a estado líquido; son solubles, es decir, pueden disolverse en algunas sustancias líquidas; y son moldeables en estado líquido, que es la capacidad de dar forma al polímero un número ilimitado de veces.
Termoestables: son infusibles, insolubles e inmoldeables, y su temperatura de fusión es superior a 300ºC (baquelita, ebonita).
Elastómeros: son materiales de alta elasticidad, como por ejemplo el caucho, que es un material que puede soportar grandes deformaciones, sin superar su límite de rotura.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SU ESTRUCTURA

Lineales: formados por cadenas moleculares. Su estructura es amorfa. (Polietileno, poliestireno, kevlar) son termoplásticos.
Ramificados: cadenas moleculares de monómeros con una estructura parcialmente cristalina (poliestileno). Son también termoplásticos.
Entrecruzados: su estructura se forma por cadenas lineales adyacentes unidas mediante enlaces covalentes. Son débilmente reticulados (caucho), son elastómeros (termoestables).
Reticulados: formados por cadenas ramificadas entrelazados en las tres direcciones del espacio. Son fuertemente reticulados (epoxi) y son termoestables.

Polímeros de condensación

Nailon: buena resistencia a la rotura, no se quema, no es atacado por insectos, no encoge.
Kevlar (Fibra textil): tienen una alta resistencia similar al acero, es flexible, ligero, no es biodegradable, resiste al fuego y a los agentes químicos. Es utilizado en la industria textil, paracaídas, blindajes de aviones, raquetas de tenis, trajes especiales.
Tereftalato de etileno (PET): se emplea en la alimentación en envases de bebidas, medicamentos, etc.
Baquelita: insoluble en agua, resistencia a los ácidos y al calor. Aplicaciones: enchufes, elementos aislantes en elementos de cocina, tiradores de puertas (mobiliario).
Poliuretano: son fibras elásticas (lycra).
Policarbonato: se caracterizan por ser transparentes.
Resinas epoxi: se utilizan en pavimentos y pinturas.
Siliconas: son inodoras, no son miscibles (no se pueden mezclar con el agua), lubricantes, adhesivos, aislantes.

MATERIALES COMPUESTOS Y SUS MATERIALES

Un material compuesto es la mezcla de dos o más materiales, donde uno de ellos actúa como matriz (M) relleno de origen polimérico y continuo; el otro material actúa reforzando (R), siendo discontinuo y aportando propiedades mecánicas. Matriz y reforzante pueden ser poliméricos, cerámicos y metálicos; por lo que no existen propiedades físicas de los materiales compuestos, ya que son la suma de distintos tipos de materiales. Los materiales compuestos más empleados son los de matriz polimérica y reforzante polimérico o cerámico. También son conocidos como materiales híbridos o composites.

Propiedades típicas de los polímeros

Presentan una baja densidad, es decir, la relación entre masa y volumen es baja.
Son buenos aislantes eléctricos, por su baja conductividad.
Buenos aislantes térmicos, por ejemplo, la lana de roca.
Alta maquinabilidad.
Alta confortabilidad, mediante procesos de moldeo (los plásticos de la industria juguetera).
Características mecánicas muy bajas. Resistencia mecánica y dureza bajas (en algunas aplicaciones puede ser suficiente: asientos de plástico, bancos públicos…).
Alta resistencia química, aunque sufren degradación frente a los agentes.
Temperatura de servicio baja, como máximo temperaturas de 300 grados.
Facilidad para admitir aditivos (ilimitada). Los aditivos modifican las características físicas del propio material.

Tipos de aditivos:

Colorantes: pigmentos que aportan color, ya que en principio los polímeros son blancos.
Cargas y refuerzos: son sustancias empleadas para mejorar las propiedades estructurales del polímero.
Rellenos o plastificantes: son elementos que se incorporan para abaratar el polímero.
Antioxidantes: evitan la oxidación del polímero y su degradación.
Estabilizantes a la luz: evitan la degradación por efecto de los rayos ultravioleta.
Lubricantes: mejoran la transformación del plástico.

Facilidad para mezclar y combinar polímeros distintos.
Infusionable (es imposible determinar la composición química del material).
Degradación: es la pérdida progresiva de las propiedades y características (pérdida de color, elasticidad, transparencia…), por la acción de los agentes externos (temperatura, calor, radiación, acción mecánica…).

Clasificación/Tipos de Polímeros

Polímeros de Adición

Reacción a partir de un monómero.

Polietileno (es un termoplástico, aislante térmico e inerte químicamente. Tuberías, persianas, bolsas, botellas, vasos, films).
Polipropileno: reciclable, versátil y transpirable, es un termoplástico. Alfombras, juguetes, prendas térmicas, etc.
Poli cloruro de vinilo (PVC): termoplástico duro y resistente, buen aislante y no es biodegradable. Tuberías, platos, envases, discos de vinilo, impermeables.
Poliestireno: termoplástico, duro y buen aislante. Juguetes, aislantes…
Poli tetrafluoretileno (PTFE) – Teflón: no se oxida y es insoluble, termoplástico. Se utiliza en la industria como fontanería, medicina…
Ejemplo: caucho sintético (neumáticos, prendas de neopreno…).

Polímeros de Condensación

Reaccionan a partir de dos monómeros diferentes.

Nailon/Nylon (poliamida): buena resistencia a la rotura, no se quema, no es atacado por insectos, no encoge, no se arruga.
Kevlar (poliamida): tiene una alta resistencia similar al acero, es flexible, ligero, no es biodegradable, resistente al fuego y a los agentes químicos. Es utilizado en la industria textil, paracaídas, blindajes de aviones, raquetas de tenis, trajes espaciales, etc.
Tereftalato de etileno (PET): se emplea en la alimentación, envases de bebidas, medicamentos, etc.
Baquelita: insoluble en agua, resistente a los ácidos y al calor. Aplicaciones: enchufes, elementos aislantes en utensilios de cocina, tiradores de puertas de mobiliario.
Poliuretanos: son fibras elásticas (lycra).
Policarbonatos: se caracterizan por ser transparentes.
Resinas epoxi: se utilizan en pavimentos y pinturas.
Siliconas: son inodoras, incoloras, no son miscibles con el agua. Ejemplos: lubricantes, adhesivos, aislantes.