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Nuevos materiales utilizados en ingenieria



NUEVOS MATERIALES UTILIZADOS EN INGENIERIA



RESUMEN
El Programa Nacional de Materiales establece que los nuevos materiales constituyen un pilar basico para sustentar el desarrollo de nuevos productos y servicios que contribuyan de manera decisiva al incremento del bienestar de nuestra sociedad. La extensión necesariamente limitada de esta publicación ha obligado a realizar una selección de los posibles temas y contribuciones que podrían cubrir un tema tan amplio como el de los nuevos materiales.
En la publicación se iniciara con una breve introducción enfatizada a la dependencia de la sociedad hacia el bienestar por la contribución de los materiales, seguidamente se mostrara los diferentes tipos que de una u otra forma se han perfeccionado gracias a las contribuciones de la física, la química y la ingeniería; los cuales son: materiales ceramicos avanzados, los cuales posee una combinación de capacidades a alta temperatura, alta fuerza, tolerancia a la dureza o a defecto, alta dureza, resistencia mecanica a las altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, resistencia al abrasión, y durabilidad a largo plazo. Nuevos materiales metalicos, elevadas propiedades mecanicas (alto límite elastico, carga de rotura y dureza, resistencia a la fatiga y al desgaste, tolerancia al daño); elevada resistencia a lacorrosión y a la oxidación a altas temperaturas, y procesado susceptible de aplicación industrial y facil disponibilidad de los constituyentes de la aleación. Polímeros avanzados, el diseño y síntesis de estos nuevos materiales, especialmente en los procesos de electropolimerización.


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ABSTRACT
The National Materials Program provides that new materials are a basic pillar for sustaining the development of new products and services that will contribute decisively to increasing the welfare of our society. Necessarily limited extension of this book is bound to make a selection of possible themes and contributions that could cover such a broad topic such as new materials
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The publication was started with a brief introduction emphasized the dependence of the welfare society for the contribution of materials, then will show the different types of one form or another have been developed thanks to contributions from physics, chemistry and engineering, which include advanced ceramics, which has a combination of high temperature capabilities, high strength, hardness or tolerance defect, high hardness, mechanical resistance to high temperatures, wear resistance, resistance to corrosion, thermal shock resistance, abrasion resistance and long-term durability. New metallic materials, high mechanical properties (high yield strength, tensile strength and hardness, resistance to fatigue and wear, damage tolerance), high resistance to corrosion and oxidation at high temperatures, and susceptibleof industrial application processing and easy availability of the constituents of the alloy. Advanced polymers, the design and synthesis of these new materials, especially in the electropolymerization processes.

INTRODUCCION


Desde el inicio de los tiempos, el hombre utiliza materiales naturales para la construcción de su habitat y la ordenación de su entorno. La sociedad se ha ido organizando, desarrollando progresivamente el medio urbano, los monumentos, las murallas y las vías de comunicación, etc.


Han sido tan importantes los materiales en la vida del hombre que los historiadores han clasificado las primeras edades de la humanidad, según los materiales utilizados; así han surgido las edades de la Piedra, del Bronce y del Hierro.

Vemos cada día la aparición de materiales con propiedades extraordinarias tanto en el campo de la ingeniería, la biotecnología y la nanotecnología. La investigación y desarrollo de nuevos materiales constituye una actividad basicamente multidisciplinar que requiere el concurso de la Física, la Química y la Ingeniería y que en la actualidad ha adquirido unos niveles muy elevados de conocimiento tanto científico como tecnológico. Este hecho hace posible el diseño de materiales con composición y propiedades muy específicas que, en su caso, pudieran ser requeridos para el correcto desarrollo de las tecnologías emergentes (energía, comunicación, transporte, salud, medio ambiente, etc.).
Estas tecnologías modelaran el bienestar y progreso de los ciudadanos en las próximas décadas, al igual que ocurrió con los plasticos ysemiconductores en los años cincuenta.
Podemos afirmar que en los albores del siglo XXI nos encontramos al comienzo de una nueva etapa marcada por el devenir de los nuevos materiales. Los cuales buscan  mejorar el nivel de vida de la población, armonizar la relación con el medio ambiente o perfeccionar los sistemas productivos.
La extensión necesariamente limitada de esta publicación ha obligado a realizar una selección de los posibles temas y contribuciones que podrían cubrir un tema tan amplio como el de los nuevos materiales.
MATERIALES CERAMICOS AVANZADOS

Los ceramicos son materiales sólidos que no son ni metales ni polímeros aunque pueden tener elementos metalicos y organicos como constituyentes o aditivos. Los ceramicos se pueden presentar en forma amorfa, vítrea, mono cristalina, poli cristalina o combinaciones de algunas de ellas. Estos materiales tienen dos características importantes: por un lado, su capacidad de resistir al calor y por otro, su resistencia al ataque químico, que son debidas sustancialmente a la fortaleza del enlace entre sus atomos.

Estas virtudes se deben a los fuertes enlaces que mantienen a los atomos constituyentes en sus posiciones de equilibrio. La naturaleza de esos enlaces añade también un inconveniente crítico: la fragilidad. Un material fragil no se deforma bajo carga. Esta desafortunada propiedad hace que la ceramica sea particularmente sensible a mínimas imperfecciones en su microestructura, las cuales sirven de puntos de iniciación de grietas. Por consiguiente, se han dedicado muchos esfuerzos de la investigación ceramica a desarrollarnuevos procesos que minimicen estos defectos microscópicos; y se ha insistido en el diseño de nuevas composiciones y microestructuras que eviten el crecimiento de grietas.

Los recientes avances en el dominio de las ceramicas no sólo han permitido mitigar el problema de la fragilidad, sino que han proporcionado también un mayor control sobre aspectos de la composición y la Microestructura que gobiernan otras propiedades físicas. Tal control facilita el diseño de materiales ceramicos que satisfagan exigencias químicas, térmicas, mecanicas y eléctricas específicas, de las que ningún otro
Material pueden dar cuenta.

Las propiedades características de una ceramica derivan de su estructura, tanto en un nivel atómico como a una escala cuyo rango esta comprendido desde unos pocos micrómetros hasta unos cuantos milímetros. En el nivel atómico hallamos, por lo que a las ceramicas se refiere, dos tipos de enlace: iónico y covalente. La fuerza de los enlaces en los materiales ceramicos les confiere también un alto punto de fusión, dureza y rigidez.

Ahora bien, la fuerza de los enlaces en las ceramicas impide, al propio tiempo, el facil desplazamiento de planos atómicos entre sí; el material no puede deformarse para aliviar las tensiones impuestas por una carga. En razón de ello, los materiales ceramicos mantienen admirablemente su forma bajo una tensión, hasta que ésta excede cierto límite (límite de fractura); entonces, los enlace ceden de repente y el material se rompe catastróficamente.

La composición química y la microestructura de una ceramica determinan, en últimainstancia, todas sus propiedades macroscópicas. Y estan, a su vez, determinadas por los métodos de procesamiento. Las especies químicas que forman los materiales ceramicos estan entre las mas abundantes de la Tierra. Por consiguiente, las materias primas para la ceramica seran probablemente durante mucho tiempo mas baratas que las materias primas para los materiales sustitutivos mas próximos, que son generalmente aleaciones metalicas especiales que contienen elementos caros y relativamente raros tales como cobalto, niobio, wolframio y cromo.



Si bien las ceramicas tradicionales representan la mayor parte de la producción de materiales ceramicos, ocurre que se han desarrollado nuevos materiales ceramicos, denominados “ceramicas avanzadas”, que han encontrado un lugar prominente en nuestra tecnología avanzada.
La ceramica estructural avanzada posee una combinación de capacidades a alta temperatura, alta fuerza, tolerancia a la dureza o a defecto, alta dureza, resistencia mecanica a las altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, resistencia al abrasión, y durabilidad a largo plazo. La ceramica de zirconia, que se utiliza bajo condiciones de la alta tensión y temperaturas moderadamente altas (hasta 600 ºC), tiene la fuerza mas alta a baja temperatura. .
Aunque la dureza a baja temperatura del nitruro de silicio es menor que para la zirconia, el nitruro de silicio mantiene sus características hasta 1200 ºC. El carburo del silicio es algo mas débil que el nitruro de silicio sobre todo el rango de temperaturas, peromantiene buena dureza y resistencia a la abrasión a las temperaturas mas altas (1500 ºC).
En particular, las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas, así como la combinación de estas propiedades únicas de las ceramicas han sido explotadas en muchas aplicaciones; pueden ser utilizadas en motores de combustión interna y en turbinas, como placas para blindajes, en el empaquetamiento electrónico, como herramientas de corte, así como en la conversión, almacenamiento y generación de energía.
Aplicaciones:
1. la ceramica de zirconia: Uno de los usos mas demandados esta en piezas de los motores de automoción, particularmente para el motor diesel. Los usos procuran explotar su conductividad térmica baja y/o las características de resistencia. Un aprovechamiento son los trazadores de líneas o los rellenos de ceramica unidos a los elementos del motor del metal. Al poseer conductividad térmica baja y es un buen aislador, porque su alto coeficiente de la expansión térmica esta cerca del hierro fundido. Esta compatibilidad facilita el accesorio y reduce la posibilidad de fallo al completar un ciclo del motor.

2. La ceramica del Alúmina – Zirconia: tiene fuerza, dureza, y resistencia al desgaste superiores al compararla con la alúmina convencional y esta ceramica compuesta ha encontrado uso como extremos de herramienta de corte y ruedas de la abrasión. Los usos incluyen la tijera y los esquileos para el corte de materiales difíciles tales como Kelvar, y el corte de materiales industriales, tales como cinta magnética, de la película plastica, y de los artículos del papel.La zirconia también tiene características convenientes para las capas térmicas de la barrera, para los rotores de turbina por ejemplo, debido a su alto coeficiente de la expansión térmica, conductividad térmica baja, buena estabilidad química, y la resistencia del choque térmico.
En todos los usos que implican zirconia, la inestabilidad térmica de la fase tetragonal presenta limitaciones especialmente para el uso prolongado en las temperaturas mayores o que implica la participación de un ciclo térmico.

NUEVOS MATERIALES METALICOS

Desde hace aproximadamente 9.000 años, la historia de la Humanidad ha estado siempre ligada al empleo de los materiales metalicos. El conocimiento de sus propiedades y las destrezas en su obtención y transformación han ido marcando, sucesivamente, las distintas etapas históricas a través de las que la especie humana se ha desarrollado.

De todos los elementos químicos actualmente conocidos, una gran mayoría son metales. Esto da idea de la gran variedad de aleaciones existentes, por lo que sólo sera posible, en estas paginas, esbozar un pequeño panorama de los nuevos materiales metalicos.

Por esta razón, nos centraremos en tres ejemplos de los llamados materiales metalicos estructurales. La investigación científica persigue conseguir unos materiales que combinen, junto con su viabilidad económica (costes de producción aceptables): elevadas propiedades mecanicas (alto límite elastico, carga de rotura y dureza, resistencia a la fatiga y al desgaste, tolerancia al daño); elevada resistencia a la corrosión y a la oxidación a altastemperaturas, y procesado susceptible de aplicación industrial y facil disponibilidad de los constituyentes de la aleación.

Para conseguir esto vamos a jugar con la composición (elementos constitutivos de la aleación) y con la microestructura de los metales. Los metales estan formados por agregados policristalinos de diversos tamaños, formas y composiciones. Por tanto, actuar sobre ambas variables —composición y microestructura—nos va a permitir la optimización de las propiedades de casi todas las aleaciones metalicas. La modificación microestructural se basa en el estudio de las transformaciones de fases en estado sólido.

Estos avances han dado como fruto la aparición de nuevas familias:

Aleaciones De Aluminio (materiales en evolución), En poco mas de ciento cincuenta años, el aluminio y sus aleaciones han pasado de ser desconocidas (en 1900 se consumían 8.000 kg de aluminio) a rodearnos en nuestra vida cotidiana (en 1999 el consumo mundial fue de 24 millones de toneladas), pudiendo considerarse como el gran competidor del acero para algunos usos estructurales.

Sin duda su baja densidad (2,7 g/cm3 frente a los 7,8 g/cm3 del acero) hace que su aplicación en el transporte, sobre todo el aeroespacial, sea prioritaria. A esto hay que añadir su gran resistencia a la corrosión y sus increíbles propiedades mecanicas superiores. Los nuevos materiales metalicos de uso aeroespacial tienen ademas un reto añadido: la tolerancia al daño.

Al igual que los aceros, la familia de las aleaciones de aluminio es vasta y sus propiedades físico-químicas dependeran de la combinaciónadecuada de sus aleantes (Cu, Mn, Si, Mg, Zn o Li), lo que las conferira un uso específico.

Las dos principales aleaciones de aluminio, la 2024 (Al-Cu) y la 7075 (Al-Zn). Junto a estas nuevas aleaciones aparece el glare, nuevo material compuesto de aleación de aluminio y vidrio laminados de manera conjunta formando multicapas, por lo que presenta una alta resistencia al desgaste y al impacto.
No podemos olvidar las aleaciones de la serie 6000, con una reducción del 3% en peso en comparación con la 2024. También las aleaciones de Al-Mg con adiciones de Sc por su excepcional comportamiento mecanico. O las aleaciones de Al-Li, desarrolladas a finales de los ochenta y que presentaban como novedad una disminución en su densidad (2,54 g/cm3), así como un aumento en su módulo elastico. En estos momentos se esta trabajando ya sobre la tercera generación de aleaciones de Al-Li, superando las limitaciones iníciales de baja tenacidad y apostando por la incorporación de nuevos elementos de aleación y tratamientos termo- mecanicos. Ademas, estas nuevas aleaciones pueden soldarse, lo que abre nuevas perspectivas para su empleo en el fuselaje del avión.

Las propiedades de los aceros actuales nada tienen que ver con las de los producidos años atras. Estos aceros han quedado superados por la nueva generación de aceros avanzados de alta resistencia, con cargas de rotura de, por ejemplo, 1500MPa.
Acero Dual Phase deben su denominación una estructura interna formada por dos estructuras cristalinas, una de fase dura, la martensita con un contenido del 5% y el 20% embebida en una matrizblanda de ferrita. Su baja relación entre el límite elastico y la resistencia a la rotura, distribuye las tensiones de deformación uniformemente, presentando estos materiales como ideales para la creación piezas por estampación o deformación así como la fabricación de tubo conformado entubo dada la facilidad que posee el material para su deformación plastica.
La principal característica de estos aceros es el incremento del límite elastico tras dos procesos principales. Uno de ellos una deformación superior al 2%, valor que se incrementa en torno a 100MPa. El otro proceso que incrementa el limite elastico es un calentamiento a 170ºC durante 20 minutos, proceso denominado “bake-hardening
Habida cuenta de su gran capacidad de absorción de la energía y de su buena resistencia a la fatiga, los aceros Dual Phase laminados en frío son especialmente adecuados para la fabricación de piezas estructurales y de seguridad para el automóvil, como largueros, travesaños y refuerzos.
Aceros TWIP (Plasticidad inducida por hermanamiento), ultra alto contenido en manganeso (hasta 25%) conjugan muy alta resistencia con extrema ductilidad. Este nuevo tipo de aceros presenta complejas microestructuras, mezcla de martensita, bainita y/o austenita retenida que permiten el tan deseado efecto de endurecimiento por transformación.
Aceros Superbainíticos, libres de carburos fundamentan sus excelentes propiedades de resistencia (~2,2GPa) y tenacidad (capacidad de absorber energía sin romperse) en la formación de microestructuras nanoestructuradas.

POLÍMEROS AVANZADOS
El término polímeros sederiva de las palabras griegas poli (muchas) y meros (partes). Estas partes, que se llaman monómeros, se encuentran conectadas entre sí por enlaces covalentes, formando una sola molécula gigante, que tiene pesos moleculares que pueden llegar hasta 107 g/mol o mayores. El proceso de unión de los monómeros para dar lugar a la cadena de polímero se denomina polimerización.
Independientemente de la estructura química de los monómeros, los polímeros presentan tres características comunes: una gran longitud, una gran anisotropía, consecuencia de la estructura lineal de la molécula, y una gran flexibilidad molecular, derivada de la posibilidad de que los segmentos moleculares puedan efectuar rotaciones alrededor de los enlaces covalentes. Estas tres características condicionan todo el comportamiento de los materiales poliméricos.
Numerosas investigaciones sobre polímeros organicos conductores se basan en el desarrollo de nuevos polímeros conjugados, los cuales son aplicados en baterías recargables, capacitores electrolíticos, ventanas ópticas, celdas a combustibles, etc. Los tópicos en este trabajo describen los principales parametros considerados en el diseño y síntesis de estos nuevos materiales, especialmente en los procesos de electropolimerización.
En esta última década, el desarrollo de una nueva clase de polímeros organicos, llamados metales sintéticos, con la remarcable capacidad de conducir corriente eléctrica presenta un alto potencial para sus aplicaciones tanto a nivel científico como tecnológico.
Este concepto nuevo sobre los polímeros, ha concertado a científicosde diferentes areas, tales como la química, física, ingeniería eléctrica, ciencia de los materiales, a trabajar hacía un objetivo común: controlar las propiedades eléctricas y mecanicas de estos materiales, resultando el campo de los polímeros conductores altamente interdisciplinario.
Entre los polímeros mas investigados, se presentan el polipirrol, politiofeno y polianilina

OTROS MATERIALES

Fibras de carbono
Las fibras de carbono muy pequeñas, sumergidas en un polímetro de soporte resultan un material muy liviano y sumamente resistente. Si uno lo observa a través de un microscopio, una fibra de carbono (cuyo diametro es la centésima parte de un milímetro) es muchísimo mas fino que un cabello humano.
Estructura de las fibras de carbono
Las fibras organizadas en estructuras diversas, le confieren al material diferentes propiedades.
Propiedades del carbono
* Alta resistencia y gran flexibilidad.
* Baja densidad, es un material mucho mas resistente y liviano que numerosos metales.
* Buen aislante térmico.
* Resistente a numerosos agentes corrosivo.
* Posee propiedades ignífugas.

Nanotubos:
Una de las estrellas de la nanotecnología son los nanotubos, laminas de carbón que se cierran sobre sí mismos. Los nanotubos son los materiales conocidos mas resistentes, superando hasta en 100 veces al acero. Ademas, son excelentes conductores eléctricos, cientos de veces mas eficientes que el cobre.
Propiedades de los nanotubos
* Son las estructuras de mayor resistencia, aunque su densidad es seis veces menor que la del acero.
* Puedentransporta enormes cantidades de electricidad sin fundirse.
* Gran elasticidad. Recuperan su forma luego de ser doblados en grandes angulos.

Humo helado:
El aerogel es uno de los nuevos materiales mas prometedores, incluso por su aspecto nebuloso. Entre sus propiedades se destacan el hecho de ser casi tan liviano como el aire y al mismo tiempo muy resistente, así como su sorprendente capacidad como aislante térmico, lo cual lo vuelve sumamente atractivo para diversas aplicaciones. Su composición es de silicio, de carbono y de diferentes metales, aunque la mayor proporción del compuesto (hasta el 98%) siempre es aire.
Algunos tipos de aerogel se trituran en un polvo tan fino que pueden bloquear las traqueas, por donde respiran los insectos. Su estructura cavernosa es un excelente filtro y es un buen catalizador. La NASA los utiliza para recolectar partículas del cometa Wild-2.

Metamateriales:
Se trata de materiales que al ser tratados y reordenados a nivel nanométrico, adquieren propiedades que no existen en la naturaleza. Su desarrollo esta en las etapas iniciales y las primeras aplicaciones se asocian al campo de la óptica.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
* http://digital.csic.es/bitstream/10261/3155/1/materiales.pdf
* http://www.arcelormittal.com/automotive/sheets/B_ES.pdf
* http://www.arcelormittal.com/automotive/sheets/A_ES.pdf
* http://www.flinsa.com/documentos/PRODUCTOS/Dual%20Phase.pdf
* http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas
* http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29009272/1999/articulos/articulo15.PDF
*





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