Introducción a la Ciencia de los Materiales

1. Conceptos Fundamentales

1.1. Dureza de los Materiales

En general, la dureza de un material depende de la facilidad de movimiento de las unidades estructurales.

1.2. No Cristalinidad

Los factores que influyen en la no cristalinidad de un material son: temperatura e impurezas.

1.3. Alotropismo

El alotropismo es una propiedad de algunos materiales que indica que pueden existir en varias estructuras cristalinas, dependiendo de la presión y la temperatura.

1.4. Acero Inoxidable

Para que un acero sea inoxidable, debe contener como elemento de aleación cromo en una concentración superior al 12%.

1.5. Filón

Un filón es un yacimiento mineral escarificado de gran espesor.

1.6. Ganga

Un mineral se encuentra en estado natural rodeado de material estéril denominado ganga.

1.7. Preparación de Minerales

La preparación previa de un mineral para su posterior proceso incluye generalmente las siguientes etapas, en este orden: trituración, molienda, clasificación y concentración.

1.8. Obtención del Cobre en Chile

El cobre se obtiene en Chile a partir de minerales oxidados y sulfurados.

1.9. Fabricación del Acero

Para la fabricación del acero es necesario un proceso de reducción, que incluye como materias primas: mineral de hierro, carbón coque y caliza.

1.10. Sinterización

La sinterización es un proceso mediante el cual se forman uniones por difusión del estado sólido.

1.11. Diferencia entre Cerámicos y Vidrios

La principal diferencia entre la fabricación (procesamiento) de cerámicos y vidrios es que los cerámicos se preparan por partículas y los vidrios por fundido.

1.12. Vitrocerámicos

Un vitrocerámico es un material policristalino.

1.13. Piezoeléctricos

Un piezoeléctrico es un cerámico capaz de interconvertir energía eléctrica en mecánica.

1.14. Biomateriales

Un biomaterial es un material destinado a reparar tejidos biológicos, reemplazar tejidos biológicos o sustituir una interface biológica.

1.15. Microscopio Electrónico de Barrido

La característica principal de una muestra que se desea observar por microscopio electrónico de barrido es que sea conductora.

1.16. Difracción de Rayos X

La difracción de rayos X permite obtener información de: un sólido cristalino, estructura 3D de un tipo de sólido, distancias y ángulos de enlace.

1.17. Materiales Compuestos

Los materiales compuestos están destinados a: cubrir nuevas necesidades en el ámbito de la ciencia de materiales, combinar propiedades de materiales ya existentes, potenciar propiedades de materiales ya existentes.

1.18. Lixiviación

La lixiviación corresponde a la separación de uno o varios componentes contenidos en un sólido mediante un disolvente.

2. Tipos de Enlaces Químicos

2.1. Enlace Iónico

El enlace iónico se forma entre átomos con electronegatividad distinta. Durante el enlace iónico hay transferencia de electrones, formándose una fuerza de unión electrostática que provoca un enlace no direccional. La energía de enlace es de 100 a 1000 kJ/mol.

2.2. Enlace Covalente

El enlace covalente se caracteriza por la compartición de electrones para buscar estabilidad. Se pueden compartir hasta 3 electrones (enlace triple). Existe una distribución compartida de electrones, el enlace es de tipo direccional.

2.3. Enlace Metálico

El enlace metálico se da solo entre metales y del mismo tipo de átomos. Los electrones se mueven de un núcleo a otro, manteniendo una nube electrónica que los mantiene unidos. La distribución compartida de electrones se diferencia del covalente porque no es direccional. Explica por qué los metales conducen la electricidad.

3. Fuerzas Intermoleculares

3.1. Fuerzas de Van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals son atracciones de carga opuesta sin transferencia de electrones.

3.2. Puente de Hidrógeno

El puente de hidrógeno se presenta entre átomos de hidrógeno enlazados covalentemente a un átomo muy electronegativo.

3.3. Dipolo-Dipolo

La atracción dipolo-dipolo es una atracción intermolecular resultante de la tendencia a alinearse de moléculas polares. No se necesita hidrógeno.

3.4. Fuerzas de London

Las fuerzas de London son un enlace intermolecular entre moléculas no polares resultante de la inducción de dipolos debido a la posición variante de los electrones durante su movimiento alrededor del núcleo.

4. Familias de Materiales

4.1. Metálicos

Los materiales metálicos son los metales y sus aleaciones, como también sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o más elementos metálicos. Se caracterizan por: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc.

4.2. Cerámicos

Los materiales cerámicos se caracterizan por: ser frágiles, ser duros, ser malos conductores térmicos, ser aislantes térmicos.

4.3. Polímeros

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas. Se caracterizan por: cadena de alto peso molecular, bajo punto de fusión, no son conductores eléctricos, no son resistentes, se deforman a altas temperaturas.

4.4. Semiconductores

Los semiconductores son materiales inorgánicos a base de silicio y germanio por enlaces covalentes. Se caracterizan por: no ser aislantes, se puede producir cuanto se quiere conducir.

4.5. Compuestos o Compósitos

Los materiales compuestos están constituidos por una matriz y un refuerzo. Se caracterizan por: mezcla de las familias anteriores, se pueden mezclar 2 o más para intensificar alguna propiedad.

4.6. Biomateriales

Los biomateriales son materiales destinados a reemplazar, reparar o reponer una estructura, tejido o interfase biológica. Se caracterizan por: biodegradabilidad, biocompatibilidad, bioreabsorbibilidad.

5. Procesos Industriales

5.1. Cemento Portland

El cemento portland es un cemento hidráulico que cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontínuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción utilizada como aglomerante para la preparación del hormigón o concreto.

5.2. Alto Horno

El alto horno es la instalación industrial donde se transforma el mineral de hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con asbesto o ladrillos refractarios. En el alto horno se produce el arrabio, que es un tipo de hierro fundido.

6. Pruebas Mecánicas

Las pruebas mecánicas se utilizan para determinar las propiedades mecánicas de los materiales. Algunas de las pruebas más comunes son:

6.1. Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción se utiliza para determinar la resistencia a la tracción, el límite elástico, el módulo de Young y la ductilidad de un material.

6.2. Ensayo de Compresión

El ensayo de compresión se utiliza para determinar la resistencia a la compresión de un material.

6.3. Ensayo de Dureza

El ensayo de dureza se utiliza para determinar la resistencia a la penetración de un material.

7. Defectos en los Materiales

Los defectos en los materiales pueden afectar sus propiedades mecánicas y físicas. Algunos de los defectos más comunes son:

7.1. Defectos Puntuales

Los defectos puntuales son defectos que afectan a un solo átomo o a un pequeño grupo de átomos. Algunos ejemplos son las vacantes, los átomos intersticiales y los átomos sustitucionales.

7.2. Defectos Lineales

Los defectos lineales son defectos que afectan a una línea de átomos. Un ejemplo es la dislocación.

7.3. Defectos Superficiales

Los defectos superficiales son defectos que afectan a la superficie de un material. Algunos ejemplos son los límites de grano y las superficies libres.

8. Aplicaciones de los Materiales

Los materiales se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde la construcción hasta la electrónica. Algunas de las aplicaciones más comunes son:

8.1. Construcción

Los materiales de construcción se utilizan para construir edificios, puentes, carreteras y otras estructuras. Algunos ejemplos son el acero, el hormigón, la madera y el ladrillo.

8.2. Electrónica

Los materiales electrónicos se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos, como ordenadores, teléfonos móviles y televisores. Algunos ejemplos son el silicio, el germanio, el cobre y el oro.

8.3. Transporte

Los materiales de transporte se utilizan para fabricar vehículos, como coches, aviones y barcos. Algunos ejemplos son el acero, el aluminio, el plástico y la fibra de carbono.

8.4. Medicina

Los materiales médicos se utilizan para fabricar dispositivos médicos, como prótesis, implantes y dispositivos de diagnóstico. Algunos ejemplos son el acero inoxidable, el titanio, el plástico y la cerámica.

9. Preguntas de Repaso

¿Qué diferencia existe entre un semiconductor tipo p y tipo n?

¿Cuáles son las principales propiedades de los materiales metálicos, cerámicos, poliméricos y compuestos?

¿Qué son los biomateriales y cuáles son sus principales características?

¿Qué son los defectos en los materiales y cómo afectan a sus propiedades?

¿Cuáles son algunas de las aplicaciones más comunes de los materiales?

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