Fundamentos de Química y Comportamiento de Materiales Metálicos, Cerámicos y Polímeros

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1. Constitución de la Materia

Cualidades de un Material

Estético, aptitud para el trabajo que tiene que realizar y resistente a medios agresivos.

Prisma

Estructura, propiedades, procesado y aplicaciones.

  • Estructura: distribución de electrones, enlaces, cristales o amorfos.
  • Propiedades: físicas, mecánicas y químicas.
  • Procesado: forma del producto; distinto procesado da lugar a distintas propiedades.
  • Aplicaciones: necesidades sociales y comportamiento en servicio.

Materiales Metálicos

  • Se componen de metales (Fe, Cu, Al, Ni) y no metales (C, N, O, Si).
  • Estructura cristalina de orden.
  • Conductores térmicos y eléctricos, y dúctiles con carga y deformación.

Materiales Cerámicos

  • Composición: unión química, iónicos (Fe, Cu, Al, Ni... + O) y covalentes (no metal + no metal).
  • Estructura cristalina de orden.
  • Frágiles al impacto.
  • Altas temperaturas de fusión: refractarios.
  • Alta dureza.
  • Baja resistencia a choque térmico.

Vidrios

  • No cristalinos.
  • Transmisión en visible (transparentes).

Vitrocerámicas

  • Vidrio amorfo cristalizado en grano fino no poroso.
  • Resistencia mecánica.
  • Alta resistencia al choque térmico.

Materiales Polímeros

  • Composición orgánica (C, H, N, O), cadenas de hidrocarburos.
  • Pocos enlaces entre cadenas: fluidez.
  • Amorfos o parcialmente cristalinos.
  • Aislantes térmicos y eléctricos.
  • Bajas densidades: ligeros.
  • Fácil procesado.

Materiales Compuestos

  • Combinación de materiales.
  • Matriz + relleno.
  • Matriz + reforzante.
  • Mejores propiedades.

2. Sistema Periódico y Enlaces

Propiedades Periódicas

  • Radio atómico: menor en la esquina superior derecha.
  • Energía de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad: mayor en la esquina superior derecha.

Tipos de Enlace

  • Estructura atómica de materiales.
  • Consecuencia de la estabilidad del sistema.
  • Enlaces primarios (entre átomos): covalente, iónico y metálico.
  • Enlaces secundarios (entre moléculas): enlaces de hidrógeno y Van der Waals.

Enlace Covalente

  • Átomos no metálicos muy similares.
  • Compartición de electrones.

Enlace Iónico

  • Aniones y cationes.
  • Transferencia de electrones: grandes diferencias de electronegatividad.
  • Fuerzas culómbicas.
  • Alcalinos y alcalinotérreos con aniones muy negativos (NaCl y Al2O3).
  • Mayor catión = menor $U_r$ = menor $t_f$.
  • Mayor carga de iones = mayor $U_r$ = mayor $t_f$.

Enlace Metálico

  • Átomos metálicos.
  • Electrones externos compartidos.
  • Bandas de energía: conductor, semiconductor y aislante.

Materiales y sus Enlaces

  • Metal: metálicos (hierro y aleaciones).
  • Cerámicos y vidrios: iónico/covalente (SiO2).
  • Polímeros: covalente y secundario (polietileno).
  • Semiconductores: covalente o covalente/iónico (silicio o sulfuro de Cd).

Propiedades de Compuestos Covalentes

Puros: enlaces muy fuertes

  • Altas temperaturas de fusión, dureza y módulo de Young.
  • Bajos coeficientes de dilatación.
  • Frágiles y quebradizos.

Covalentes + secundarios

  • Bajas temperaturas de fusión y módulo de Young.
  • Altos coeficientes de dilatación.
  • Dúctiles, elásticos y rígidos.

Propiedades de Compuestos Iónicos

Energías reticulares grandes

  • Alta temperatura de fusión, módulo de Young y dureza.
  • Bajo coeficiente de dilatación.

Cargas + y - alternas

  • Frágiles y quebradizos.

Propiedades de Compuestos Metálicos

Energía de enlace grande

  • Alta temperatura de fusión, módulo de Young y dureza.
  • Medio coeficiente de dilatación.
  • Maleables y dúctiles.

Electrones compartidos: bandas

  • Alta conductividad térmica y eléctrica.
  • Brillo.

3. Celdillas Simples

Estructuras Metálicas

  • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
  • Cúbica centrada en las caras (FCC).
  • Hexagonal compacta (HCP).

Polimorfismo

Elemento que cristaliza en diferentes sistemas.

Formas Alotrópicas

Estructuras cristalinas en que cristaliza un elemento.

4. Polímeros

  • Unidad básica: monómero.
  • Repetición de largas cadenas de diferente tamaño y peso molecular, que pueden estar enmarañadas o entrelazadas.
  • Orden: empaquetamiento de cadenas.
  • Polímeros sencillos: cristalinidad parcial.
  • Polímeros complejos: amorfos.

Láminas

  • Morfología laminar.
  • Monocristales.
  • A partir de polímero en disolución.

Esferulitas

  • Morfología esférica.
  • Agregado policristalino.
  • A partir de polímero fundido.

Termoplásticos

  • Funden y fluyen con el calor.
  • Algunos son disolventes. Procesos sin reacción.
  • Propiedades mecánicas dependen de la temperatura: $T < T_g$ rígidas, $T > T_g$ flexibles.
  • Estructura química: lineales, ramificados, amorfos o cristalinos.

Termoestables

  • No funden. Ninguno es disolvente.
  • Procesos con reacción.
  • Propiedad rígida, poco elástica.
  • Estructura muy entrecruzada o amorfos.

Elastómeros

  • No funden con el calor. Ninguno disuelve.
  • Procesos con reacción.
  • Propiedad muy elástica. Estructura algo entrecruzada y amorfos.

Cristales Líquidos

Moléculas poliméricas con forma 'estirada': cilindros, palos, bastones, etc.

  • Comportamiento reológico (forma de fluir) determinado por su orientación.
  • Mesofases de la materia: fases intermedias entre líquido y sólido, con cierto orden posicional.

Ventajas

  • Facilidad del movimiento del sólido.
  • Anisotropía del sólido -> las propiedades cambian en función de la dirección, dando una respuesta diferente.

Tipos

  • Sméctico: moléculas en forma de bastón, compactadas en capas apiladas, turbio y viscoso.
  • Nemático: moléculas con disposición unidimensional, sin capas, turbio y menos viscoso.
  • Colestérico: capas compactadas ordenadas en diferentes direcciones, colores fuertes variables en función de T, P, campos eléctricos y magnéticos.

5. Defectos

  • Defectos puntuales: vacantes (Schottky, hueco libre), intersticiales (Frenkel, átomo apartado).
  • Defectos lineales: dislocación de arista o borde (semiplano de átomos extra, vector Burgers perpendicular a la línea de dislocación), dislocación de tornillo o hélice (vector Burgers paralelo a la línea de dislocación).
  • Defectos extensos: defecto de borde de grano.

6. Difusión

Factores que afectan al coeficiente de difusión: mecanismo de difusión, temperatura, red del disolvente y defectos.

7. Conductividad Eléctrica

Origen de la resistividad: vibración de los átomos, impurezas, constantes a temperatura dada.

8. Calor

  • Capacidad calorífica: capacidad del material para absorber calor del entorno, energía necesaria para aumentar la temperatura 1 grado.
  • Conductividad térmica: transporte de calor de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura.

9. Propiedades Mecánicas

Resistencia, dureza, ductilidad y rigidez.

Ensayos de Laboratorio

  • Reproducen condiciones de servicio.
  • Carga (tracción, compresión y cizalladura).
  • Tiempo de duración y temperatura.
  • Utilidad: determinación de propiedades, control de calidad en fabricación, historia previa y composición del material, causas de fracaso en servicio, estudio de nuevos materiales.

Ensayo de Tracción Uniaxial

  • Comportamiento elástico y plástico.
  • Módulo de elasticidad.
  • Resistencia a la tracción.
  • Ductilidad.
  • Endurecimiento por deformación.

Deformación Elástica Lineal

  • Bajas deformaciones.
  • Ley de Hooke.
  • Resistencia a la deformación elástica.
  • Al retirar la carga: recupera la forma original.
  • Cerámicos > Metales >> Polímeros

Deformación Plástica

  • Altas deformaciones. Deformación permanente.
  • Ruptura de enlaces y formación de nuevos enlaces.
  • No recupera su forma inicial.

Tenacidad

Relacionada con la resistencia a tracción y la ductilidad.

Propiedades Mecánicas y Microestructuras

  • Zona elástica: el módulo de Young es directamente proporcional a la energía de enlace (Covalente > Iónica > Metal > Amorfos).
  • Zona plástica:
    • Covalentes: no hay deformación plástica, la fractura es frágil.
    • Iónicos: monocristales con plasticidad pequeña; policristalinos frágiles por borde de grano.
    • Metales (cristalinos): en monocristales se producen dislocaciones que afectan su plasticidad y ductilidad; en policristales se restringen los movimientos de dislocación bajando la plasticidad y ductilidad.
    • Amorfos: elevada plasticidad.

Ensayo de Dureza

Resistencia a la penetración, corte o deformación plástica. Huella realizada con un penetrador.

10. Comparativa General de Propiedades

  • Conductividad térmica: Metal < Cerámico < Polímero
  • Conductividad eléctrica: Metal < Cerámico < Polímero
  • Capacidad calorífica: Metal < Cerámico < Polímero
  • Coeficiente de dilatación lineal: Cerámico Covalente < Cerámico Iónico < Metal < Polímero
  • Módulo de Young: Polímero < Metal < Cerámico Iónico < Cerámico Covalente
  • Resistencia a tracción: Polímero < Metal < Cerámico Iónico < Cerámico Covalente
  • Temperatura de fusión: Polímero < Metal < Cerámico Iónico < Cerámico Covalente