Estructura de los Materiales.

Estructura de los Materiales.

1. ESTRUCTURA CRISTALINA Y SU CONSECUENCIA EN LAS PROPIEDADES.

   • La estructura de cada material depende de la organización, ordenada o desordenada, de las partículas que lo conforman, sean éstas átomos, iones o moléculas. El acomodo regular, ordenado y repetido en tres dimensiones conduce a la formación de estructuras conocidas como cristales, en los que es posible distinguir un patrón geométrico básico (celda unitaria), que se repite de manera tridimensional.
     • El estado cristalino es considerado como el único estado realmente sólido; en él los átomos, iones o moléculas que forman la sustancia, ocupan posiciones definidas en relación con sus átomos, iones o moléculas vecinas, esto es, no presentan movimiento de translación, sólo vibran desde sus posiciones fijas.
       • Las redes de Bravais son las 14 modificaciones que se pueden identificar en los poliedros fundamentales de los sistemas cristalinos; resultan de las distintas posibilidades de distribución o acomodo de las partículas (átomos, iones o moléculas) dentro del poliedro fundamental, éstas son: primitiva (P), centrada en el cuerpo (I), centrada en las caras (F) y centrada en las bases (B).
         • MIGUEL ANGEL PEREZ CUECUECHA.

2. MATERIALES METÁLICOS.

   • Los Materiales Metálicos son metales transformados mediante procesos físicos y/o químicos, que son utilizados para fabricar productos.
     • FERROSOS Y NO FERROSOS.
       • FERROSOS.
         • Los metales ferrosos son el hierro y sus aleaciones.
           • Debido a que el hierro es el componente principal de los metales ferrosos, las estructuras de los mismos consisten en deformaciones cristalinas de su sólido puro. En consecuencia, las aleaciones ferrosas como el acero no son más que la inclusión intersticial de otros átomos en el arreglo cristalino del hierro.
             • ¿Cuál es este arreglo? El hierro forma alótropos (diferentes estructuras sólidas) según la temperatura a la que es expuesto, cambiando sus propiedades magnéticas. Así, a temperatura ambiente presenta un arreglo bcc, conocido también como hierro-alfa (el cubo de la izquierda, imagen superior).
       • NO FERROSOS.
         • Los metales no ferrosos son todos aquellos que carecen o tienen cantidades despreciables de hierro.
           • El hierro apenas es solo uno de todos los metales existentes en la naturaleza, por lo que las estructuras y aleaciones de los metales no ferrosos son más diversas. No obstante, en condiciones normales la mayoría de los metales posee tres estructuras cristalinas establecidas por sus enlaces metálicos:
             • Hexagonal compacta (hcp).
               • En esta estructura los átomos metálicos se empaquetan en forma de prisma hexagonal, aprovechando así todos los espacios. De todas las estructuras esta es la más densa, por lo que puede esperarse que del mismo modo sean los metales que la posea. En esta, todos los átomos están rodeados de doce vecinos.
             • Cúbica compacta (ccp).
               • Esta estructura cristalina es menos densa que la hcp, y en esta cada átomo está rodeado de doce vecinos. Aquí, los intersticios (espacios vacíos) son más grandes que en el caso de la hcp, por lo que estos metales pueden contener en estas moléculas y átomos pequeños (como el hidrógeno molecular, H2).
             • Cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
               • De las tres estructuras, esta es la menos densa y compacta, siendo al mismo tiempo la que presenta los intersticios de mayores volúmenes. Por lo tanto, aloja con más facilidad moléculas y átomos pequeños. Asimismo, en este cubo cada átomo está rodeado de ocho vecinos.
     • PUROS Y ALEACIONES.
       • PUROS
         • Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales más puros son los que se encuentran en la tabla periódica.
           • Tiene una estructura hexagonal, los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que a los materiales distintas propiedades.
       • ALEACIONES
         • Son la mezcla de un metal principal con otros elementos para mejorar las propiedades físicas y mecánicas del metal puro. Variando la Composición de las aleaciones se puede conseguir un rango de propiedades diferentes para una amplia gama de aplicaciones.
           • En todos los casos el producto final posee una estructura cristalográfica en estado sólido. Cuando un metal “b” es soluble en el metal puro “a”, significa que la estructura cristalográfica de la aleación corresponde a la del metal puro “a” . Los átomos del componente b se encuentran dispersos dentro de la red cristalográfica del metal puro “a” y la aleación se llama SOLUCION SÓLIDA
             • SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL. Cuando el soluto tiene sus átomos alojados en los espacios interatómicos del solvente, tenemos una .Se producen cuando los átomos del soluto son pequeños con respecto a los del solvente.
             • SOLUCION SOLIDA SUSTITUCIONAL.Cuando los átomos del soluto sustituyen átomos del solvente, los átomos del soluto pueden ser ligeramente mayor o menor a los del solvente.

3. MATERIALES NO METÁLICOS.

   • Son los que no tienen en su composición ninguna sustancia metálica.
     • .ORGÁNICOS E INORGÁNICOS.
       • ORGÁNICOS.
         • Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos Materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el Alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas Temperaturas.
           • Se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
             • Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida.
       • INORGÁNICOS.
         • Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o Relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en General resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas.
           • En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente).
             • Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo.
     • POLÍMEROS.
       • son materiales que se forman por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros.
         • Un polímero puede clasificarse en lineal o ramificado dependiendo de su estructura.
           • El polietileno, componente de las bolsas de plástico, es un polímero lineal. En este caso, los monómeros se enlazan entre sí formando una cadena carbonada continua.
           • El polietileno, en su estructura se observa que todos los átomos de carbono están en la cadena principal, enlazados entre sí. Sin embargo, el policloruro de vinilo o el polipropileno son polímeros ramificados, ya que hay grupos voluminosos fuera de la cadena principal .

4. CERÁMICOS.

   • Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos Poseen una alta dureza y resistencia al calentamiento, pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad, alta resistencia al calor y al desgaste, poca y buenas propiedades aislantes.
     • Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes. Según su estructura se clasifican en:
       • Estructura no cristalina. Los sólidos no cristalinos con una composición comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. La mayor parte de los vidrios que se comercializan son silicatos.
       • La estructura de los cerámicos cristalinos.
         • Estructura Perovskite Se encuentra en varios cerámicos eléctricos. En este tipo de celdas están 3 tipos de iones, que son iones de bario, iones de oxígeno y iones de titanio. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanitos sirvan como transductores.
         • Estructura del corindón Es similar a una estructura hexagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta estructura como son: Cr2O3 y Fe2O3.
         • Estructura de espinel Tiene una celda unitaria cúbica, en cada uno de sus cubos menores hay iones de oxígeno, hay 4 intersticiales octaédricos y 8 sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan 3. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos.
         • Grafito A veces se le considera como cerámico, tiene una estructura hexagonal por capas y se usa como material refractario, lubricante y como fibra.
         • Sílice. Conforme incrementa la temperatura, la sílice cambia de cuarzo alfa a cuarzo beta a tridimita beta a cristobalita beta y a líquido, la transformación de cuarzo alfa a beta crea un cambio de dimensión en la sílice, acompañado por esfuerzos altos e incluso por agrietamiento.
       • Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas.Los cerámicos son frágiles por imperfecciones como grietas, porosidad e inclusiones extrañas, se intensifica la fractura frágil que es una falla mecánica, los defectos varían en tamaño, forma y orientación.

5. MATERIALES COMPUESTOS.

   • Se definen como las combinaciones de dos o más materiales a partir de una unión química o no química. Estos materiales que forman el compuesto poseen propiedades mejores que las que presentan los materiales componentes por si solos.
     • ESTRUCTURAS TÉXTILES DE LOS MATERIALES DE REFUERZO Las diferentes estructuras textiles que se utilizan en el proceso de laminado de piezas son:
       • MAT de superficie: También llamado velo de superficie, es un fieltro de vidrio C de bajo gramaje que oscilan entre 25 y 80 gr/m2. El velo de superficie se coloca en contacto con el gelcoat, con la intención de dar mayor resistencia a la película de gelcoat y generar una barrera química frente al ambiente exterior.
       • MAT de fibras cortadas: Son fieltros de hilos cortados a una longitud determinada, por lo general entre 40 y 50 mm aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Podemos encontrar en el mercado MAT de diferentes gramajes.
       • MAT de fibras continuas: Se presenta de forma similar a la de los MATS de hilos cortados en cuanto a gramaje. La diferencia principal entre las dos es su nivel de deformabilidad.
     • ESTRUCTURAS SÁNDWICH La estructura Sándwich presenta grandes prestaciones en el ámbito de los materiales compuestos ya que permite aumentar la rigidez y la resistencia de un elemento sometido a flexión o a compresión sin apenas aumentar el peso. Una estructura sándwich está compuesta de tres elementos:
       • Las alas o caras: Están compuestas por unas láminas delgadas y resistentes. Suelen tener mejores propiedades mecánicas que el resto de componentes.
       • El núcleo (CORE): Generalmente es un material ligero cuya función es mantener separadas las alas del sándwich y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala al otro.
       • La interface de unión entre las alas y el núcleo: Es un adhesivo que tiene como función mantener unidos el núcleo y las alas.

6. TENDENCIAS DE NANOTECNOLOGÍA: MATERIALES Y SUS CARACTERÍSTICAS.

   • En términos generales, la nanotecnología es la síntesis y aplicación de las ideas de la ciencia y la ingeniería hacia la comprensión y producción de nuevos materiales y dispositivos. Estos productos suelen hacer uso copioso de las propiedades físicas asociadas a pequeña escala.
     • Estos nuevos materiales presentan tres características:
       • Define la las técnicas que se aplican a nivel de la nanoescala, medidas extremadamente pequeñas que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos.
       • Permite fabricar materiales y maquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas, que hace que la materia, manipulada a esa escala minúscula, demuestre fenómenos y propiedades totalmente nuevos.
       • los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales novedosos y poco costosos, con propiedades únicas, tales como nanotubos de carbón, pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano, materiales más fuertes que el acero pero mucho más livianos o componentes informáticos mucho más rápidos.

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