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TECNOLOGIA DE MATERIALES
Diagrama de flujo: tecnología de materiales
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INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES CAPITULO 1
1.1 GENERALIDADES DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
El mayor objetivo de la Ciencia de los Materiales es alentar a los científicos e ingenieros para tomar elecciones informadas respecto del diseño, selección y uso de materiales para aplicaciones específicas.
El científico o el ingeniero de materiales debe: •
Comprender las propiedades asociadas con las diversas clases de materiales.
• Saber porqué existen tales propiedades y cómo se pueden alterar.
• Ser capaz de medir las propiedades importantes de los materiales
• Evaluar las consideraciones económicas
• Considerar los efectos a largo plazo que producen en el ambiente
.
Cuatro principios de la Ciencia de los Materiales:
1. Los principios que regulan el comportamiento de los materiales están cimentados en la ciencia y son comprensibles.
2. Las propiedades de un material específico están determinadas por su estructura.
3. Las propiedades de todos los materiales cambian a través del tiempo
4. Cuando se selecciona un material para una aplicación específica, se deben efectuar las pruebas suficientes .
1.2 CONSIDERACIONES DE LAS PROPIEDADES PARA APLICACIONES ESPECÍFICAS
1.3 IMPACTO DE LAS PROPIEDADES DE ENLACE DE LOS MATERIALES
1.4 CAMBIOS DE LAS PROPIEDADES A TRAVÉS DEL TIEMPO
1.5 IMPACTO DE LA ECONOMÍA EN LA TOMA DE DECISIONES
1.6 SUSTENTABILIDAD E INGENIERÍA VERDE
1.7 CLASES DE MATERIALES
Para tomar una decisión informada en el diseño o la selección de un material, primero se debe saber qué propiedades son importantes para la aplicación específica, al mismo tiempo que se debe reconocer que la lista de propiedades deseadas
El rol de los científicos e ingenieros de materiales es fundamentalmente el mismo: examinar las propiedades deseadas para una aplicación, elegir el mejor material disponible y aplicar su conocimiento de la estructura y procesamiento de los materiales para hacerle las mejoras necesarias.
Los ingenieros y científicos aplican sus conocimientos de las clases de materiales junto con sencillos lineamientos, o heurísticas, para ayudar a reducir la búsqueda de mejores materiales para aplicaciones específicas. Los diagramas de Ashby, como el de la figura 1-5, proporcionan un medio sencillo y rápido de ver qué tan diferentes son las clases de materiales y cómo desempeñan en términos de propiedades específicas. Como una heurística rápida para obtener una búsqueda del material adecuado
Estos diagramas pueden ser invaluables, pero tienen sus limitaciones. Los diagramas de Ashby no proporcionan el dato específico de porqué una clase determinada de material supera a otra en un área específica, ni proporcionan una guía para saber cómo seleccionar entre el amplio rango de materiales dentro de una categoría determinada o brindar sugerencias respecto a cómo optimizar el desempeño de un material específico. Estos diagramas son herramientas útiles para obtener una búsqueda, pero no reemplazan el juicio de un ingeniero o un científico capacitado en ciencia de los materiales.
Las propiedades de los materiales están determinadas por los tipos de átomos presentes, su orientación relativa y la naturaleza del enlace entre éstos.
El número cuántico principal (n) determina la energía del electrón.
El segundo número cuántico (l) determina la forma general de la nube de electrones.
El tercer número cuántico (m) indica cómo la nube de electrones se origina en el espacio.
El cuarto número cuántico (Ms) representa el spin del electrón.El spin es un concepto teórico que se deriva de los mecanismos cuánticos complejos y permite que los electrones individuales se distingan uno del otro
El enlace iónico es conceptualmente la clase más simple de enlace entre átomos. Un material electropositivo, que tiene uno o más electrones extra más allá de su último subnivel completado, se acerca a un material electronegativo al que le hace falta uno o más electrones que no lograron el relleno de su subnivel periférico.
La capacidad de un átomo para atraer electrones a sí mismo en un enlace covalente se conoce como electronegatividad
La cantidad de polaridad en un enlace covalente está directamente relacionada con la diferencia en electronegatividades entre los átomos.
La polaridad en un enlace covalente está a menudo considerada como un carácter parcialmente iónico del enlace. Un enlace altamente polar tiene electrones que pasan significativamente más tiempo cerca del átomo electronegativo, muy parecido a un enlace iónico.
Los enlaces iónicos y covalentes manejan la interacción entre átomos, pero las moléculas formadas por átomos enlazados también interactúan una con otra.
La última clase significativa de enlace que impacta mayormente las propiedades de los materiales es específica para los metales y se llama enlace metálico. Cuando dos átomos metálicos se enlazan, la diferencia en electronegatividad va de muy poca a ninguna, así que claramente el enlace no es iónico. Sin embargo, los electrones de valencia en los metales se comportan como un mar de electrones deslocalizado en el que los electrones individuales fluyen fácilmente de átomo en átomo
El análisis previo sobre la selección de materiales apropiados procedió como si todos los materiales tuvieran un solo juego de propiedades inherentes que permanecen constantes durante la vida útil de los materiales.
e los materiales cambian a través del tiempo por una variedad de motivos. Fatiga, corrosión, separación química, erosión y una variedad de otros mecanismos pueden reducir el desempeño de un material.
Cuando los científicos seleccionan un material para su uso en una aplicación específica, deben tener gran cuidado de asegurarse que las propiedades importantes del material permanecerán aceptables a través de la vida de la aplicación esperada.
Cómo cambian las propiedades a través del tiempo varía con la clase de material y con el medio ambiente al que el material es expuesto. Los metales pueden simplemente oxidarse o corroerse, los polímeros pueden encogerse o perder algo de su fuerza y los compuestos se pueden deslaminar. En capítulos posteriores se proporcionan detalles sobre cómo las propiedades cambian con el tiempo y el medio ambiente para cada clase de material. Por ahora, tome en cuenta que ninguna selección se puede hacer sin el entendimiento de la importancia de estos cambios.
La selección de materiales no se basa exclusivamente por la mejor combinación de propiedades químicas y físicas. El costo es casi siempre un factor principal en la selección de los materiales. El identificar las alternativas más económicas es complicado debido al hecho de que no todos los gastos ocurren una sola vez
El concepto de que una cantidad de dinero futuro es menos redituable que la misma cantidad de dinero en el presente por el interés que se podría haber ganado se llama valor del dinero en el tiempo. El interés es esencialmente un pago de renta por el uso del dinero.
A fi nales de los años noventa, la mayoría de los expertos aceptaban el argumento de que muchos hechos humanos estaban teniendo un impacto perjudicial signifi cativo sobre el medio ambiente. La ética y el autointerés demandaban que los desarrollos tecnológicos continuaran de una manera que fuera más benéfi ca para la sociedad y el medio ambiente.
Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, el diseño de la sustentabilidad incluye diversos puntos clave:
• Examinar métodos de conservación de energía y recursos acuíferos.
• Búsqueda de oportunidades para reutilizar o reciclar los materiales existentes.
• La selección de recursos renovables cuando sea práctico.
• La consideración del cese de uso de los materiales (basureros específicos, reciclaje, etc.) como parte del proceso del diseño
La ruta tomada por un material desde su formación inicial hasta su último desecho se llama ciclo de vida. Todos los productos comienzan con la recolección de materias primas, seguidas por su transformación a productos a través de series de pasos de fabricación y finalmente su venta al usuario. Históricamente, las metas de un científico de materiales terminaban ahí, pero el producto por sí mismo no estaba terminado. Después de que la vida útil del material termina, éste debe ser reciclado, reutilizado o descartado. El ciclo de vida de un material incluye el tiempo total desde la recolección de la materia prima hasta el último desecho del producto.
Se han establecido nueve principios de ingeniería verde:
1. Procesos y productos de ingeniería holísticos ,uso de análisis de sistemas e integración de herramientas de valoración en impacto ambiental.
2. Conservar y mejorar ecosistemas naturales mientras se protege la salud y el bienestar humano. 3. Uso de ciclos de vida pensados en todas las actividades de ingeniería. 4. Asegurarse que todas las entradas y salidas de materiales y balance de energía sean inherentemente seguros y benignos como sea posible. 5. Minimizar el agotamiento de los recursos naturales. 6. Esforzarse para prevenir el desperdicio. 7. Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería mientras se tenga conocimiento de la geografía, las aspiraciones y la cultura locales. 8. Cultivar soluciones de ingeniería más allá de las tecnologías actuales o dominantes; mejorar, innovar e inventar (tecnologías) para lograr la sustentabilidad. 9. Comunidades e inversionistas activamente comprometidos con el desarrollo de las soluciones de ingeniería.
Estos principios impactan directamente al diseño y a la selección de materiales apropiados para aplicaciones dadas y deberán considerarse dentro del proceso de toma de decisiones.
Las propiedades de los materiales dependen de los átomos presentes, el enlace entre los átomos y los arreglos tridimensionales de los átomos dentro del material. Los tipos y arreglos de los átomos ayudan a clasificar los materiales en polímeros, metales, compuestos, cerámicas o carbono.
Los materiales también se pueden clasificar con base en aplicaciones específicas como materiales electrónicos y biomateriales.
Categoría de elementos electropositivos que normalmente tienen una superfi cie brillante, en general son buenos conductores de calor y electricidad, y pueden ser derretidos o fusionados, cortados en hojas delgadas o convertidos en alambres.
METALES
Compuestos naturales o sintéticos consistentes de moléculas grandes hechas de una serie vinculada de monómeros simples repetidos enlazados de forma covalente.
POLIMEROS
CERAMICAS
Cualquiera de varios materiales duros, frágiles y resistentes al calor y a la corrosión hechos típicamente de elementos metálicos combinados con oxígeno o carbono, nitrógeno o sulfuro. La mayoría de las cerámicas son cristalinas y son malas conductoras de electricidad, aunque las recién descubiertas cerámicas de óxido de cobre son superconductoras a bajas temperaturas.
Materiales complejos como la madera o la fibra de vidrio, en las que dos o más sustancias distintas y estructuralmente complementarias, en especial metales, cerámicas, vidrios y polímeros, se combinan para producir propiedades estructurales o funcionales que no están presentes en ningún componente individual.
COMPUESTOS
DIEGO FRANCISCO SANCHEZ ZUÑIGA.
INGENERIA ELECTROMECANICA
UNIVERSIDAD LATINA