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
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* http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas
*
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29009272/1999/articulos/articulo15.PDF
*
