BLOQUE II. MATERIALES DE USO TÉCNICO (II)
NUEVOS MATERIALES
METAMATERIALES
Son materiales que al ser tratados y reordenados a nivel nanométrico, adquieren propiedades que no existen en la naturaleza. Su desarrollo está en las etapas iniciales y las primeras aplicaciones se asocian al campo de la óptica. Un ejemplo, es el metaflex, que se caracteriza porque es capaz de
curvar la luz, es decir, cuando la luz incide sobre el material lo “rodea”
GRAFENO
Tiene una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja. Presenta excelentes propiedades, como:
Alta conductividad térmica y eléctrica.
Alta elasticidad y dureza.
Resistencia (200 veces mayor que la del acero).
Capacidad de reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
Soporta la radiación ionizante.
Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los
electrones.
Consume menos electricidad para una misma tarea que el
silicio.
AEROGEL/HUMO HELADO
Se puede fabricar a partir de muy diferentes materiales como sílice, circonio, o carbono, entre otros. Está compuesto por entre un 90% y un 99,8% de aire, es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces más denso que el aire, solo unos 3 miligramos por centímetro cúbico. Tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno.
NANOTUBOS
Son estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen.
FIBRA DE CARBONO
El carbono es un material que, según su estructura cristalina, es capaz de tomar la forma del grafito o del diamante, también puede convertirse en un material con cualidades únicas que puede reemplazar a gran escala a los materiales convencionales. Presenta propiedades mecánicas similares al acero, pero es mucho más liviana:
Alta resistencia mecánica y gran flexibilidad.
Baja densidad, es un material mucho más resistente y liviano que numerosos metales.
Buen aislante térmico.
Resistente a numerosos agentes corrosivos.
Resistente a las variaciones de temperatura y con propiedades ignífugas.
Elevado precio de producción.
FIBRAS TEXTILES
PROPIEDADES
Resistencia al calor
Resistencia a la luz
Resistencia química
Resistencia a la humedad
Propiedades eléctricas
Resistencia mecánica
Textura
QUÍMICAS
Sintéticas
De Policondensación
Poliamidas (nylon)
Poliésteres
De poliadición
Polivinílicas
Polietilénicas
Polipropilénicas
Poliuretano
Fibra de vidrio
Artificiales
Algínicas (algas marinas)
Rayón alginato
Proteínicas
De la caseína de la leche: lanitel
De maíz: vícara.
Celulósicas
Rayones (seda artificial)
NATURALES
Animales
De la piel: cuero
Del filamento: seda, tussur (seda
marrón producida por una mariposa oriental)
Del pelo: lana, mohair (cabra de angora),
cachemira (cabra de la india), alpaca
Vegetales
Del fruto: coco
De la hoja: esparto, pita.
Del tallo: lino, yute, cáñamo.
De semillas: Algodón.
Minerales
Metálicas (oro, plata, cobre)
Amianto (asbesto, silicatos de cadena doble)
DEFINICIÓN
Las fibras textiles son unidades de materia cuya longitud es
muy superior a su diámetro y se emplean para fabricar tejidos. Varias fibras textiles constituyen el hilo, los cuales forman el tejido.
PÉTREOS Y CERÁMICOS
COMPOSITES
Estos materiales combinan la materia plástica y el refuerzo con fibras. Aunque su coste es más elevado que el de los materiales tradicionales, aportan a sus usuarios importantes ventajas gracias a sus propiedades, en particular la ligereza y la resistencia, lo que ha dado lugar a un importante
mercado en el campo de la construcción de automóviles, la aeronáutica y la construcción.
Los materiales compuestos están integrados por una matriz orgánica, polímero (termoplástico o termoestable), y una estructura de refuerzo que puede presentarse en forma de partículas, fibras cortas, largas o continuas. Los refuerzos que más se usan son las fibras, normalmente de vidrio, de
carbono o de aramida (fibras e hilos sintéticos obtenidos a partir de poliamidas; conservan buenas propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Sustituyen a fibras de vidrio y metal. Se usan en neumáticos, chalecos antibalas, ingeniería aeroespacial, aviación).
Estos materiales compuestos, presentan una serie de propiedades que los distingue de los tradicionales:
Resistencia mecánica y química (corrosión)
Aumenta la vida útil gracias a su resistencia a la fatiga
Mantenimiento reducido
Resistencia a los impactos y al fuego
Aislamiento térmico, sonoro y a veces eléctrico.
Simplicidad de diseño por facilidad de conformado
Ligereza
MATERIALES AGLOMERANTES
Son materiales con propiedades adhesivas que, amasados con agua, fraguan (compactan materiales) primero y endurecen después. Los más importantes son la cal, el yeso y el cemento.
Cemento y hormigón
Yeso
Cal
MATERIALES CERÁMICOS
Bajo esta denominación están los elementos fabricados a partir de materiales terrosos cocidos. Las materias primas son arcilla (le da consistencia) o caolín (que es un tipo de arcilla muy pura y le aporta color blanco y textura fina) que, una vez moldeada, se somete a un proceso de secado y
cocción posterior que le hace perder agua y convierte a estos materiales en duros pero frágiles.Se caracterizan por ser:
Químicamente inertes
Plásticos cuando se introducen en agua
Duros y frágiles en ausencia de agua
Resisten altas temperaturas
Baja porosidad Algunos de los más utilizados son:
Vidrio:
Material cerámico formado por la fusión a altas temperaturas (>1000oC) de:
- Arena o sílice (SiO2), un 75%, es el elemento principal, le confiere resistencia mecánica
- sosa (NaCO3), un 15%, actúa como fundente, bajando el punto de fusión
- caliza (CaCO3) en un 10%, es un estabilizante. Le suministra dureza y brillo
- otros componente que dependerán del tipo de vidrio a obtener (colorantes,...)
Es un material duro, transparente, con estructura amorfa (no cristalina) y con elevada resistencia a la tracción.
Materiales refractarios:
Formados por arcillas refractarias, de alto contenido en sílice. Se usan para revestimiento de hornos industriales (altos hornos y convertidores) y otras aplicaciones, donde deben resistir altas temperaturas sin fracturarse. Soportan entre 1400 –1600ºC. Para temperaturas superiores se añade un aglomerante orgánico.
Porcelana y loza:
La porcelana está totalmente vitrificada tras ser sometida a dos procesos de cocción; sin embargo, la loza sólo presenta su cara externa vitrificada. Poseen una especial resistencia al calor y a agentes químicos por lo que, más que en construcción, se emplean para material de cocina y sanitarios (loza), laboratorio, aislantes eléctricos (porcelana)...
Azulejos y pavimentos cerámicos:
Hechos con arcillas especiales que, durante su moldeo, se
prensan a altas presiones y se revisten de un material (barniz coloreado) que, tras el proceso
de cocido presenta una dureza alta.
Ladrillos y tejas:
Fabricados con arcilla de muy diversa calidad, según la zona geográfica de procedencia. Una vez moldeados se secan y cuecen a 900 – 1200oC, lo que aumenta su resistencia mecánica. Existen muchas calidades y formas según la aplicación deseada.
MATERIALES PÉTREOS
Los materiales pétreos utilizados en la construcción son las rocas. Éstas son agregados de partículas minerales muy grandes y sin forma determinada que se encuentran en la naturaleza. Actualmente se utilizan principalmente para ornamentación o como conglomerantes. Como ejemplos más característicos están los granitos, mármoles y pizarras.
INTRODUCCIÓN. PROPIEDADES GENERALES
Dentro de los materiales de construcción, además de la madera y los metales, existe otro grupo sumamente importante, los materiales pétreos y cerámicos.Existen una serie de propiedades comunes a los materiales de este grupo:
Son duros y frágiles, por lo que son resistentes al desgaste, aunque sufren fractura sin deformación si el esfuerzo es lo suficientemente alto.
Son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión.
En general tienen elevados puntos de fusión.
Presentan poca resistencia a la tracción.
Son económicamente asequibles.
Suelen ser inertes (no tóxicos).
POLÍMEROS (PLÁSTICOS)
PLÁSTICOS MÁS COMUNES.
ELASTÓMEROS
Poliuretano
Neopreno
Es un caucho sintético
incombustible
Caucho
Se obtiene del árbol del
caucho. Se mezcla con azufre
para aumentar la dureza y su
resistencia a la tracción y
agentes químicos
Siliconas
Tienen como base el silicio. Son
resistentes a los agentes
químicos, la humedad, el calor,
a la oxidación
TERMOESTABLES
Resinas Epoxi
Buena resistencia mecánica y
química, buenos aislantes
eléctricos
Resinas de poliéster
alta resistencia mecánica
Aminas
Muy resistentes al calor, la
humedad y la luz
Fenoles
Excelente aislante eléctrico y
térmico. Alta dureza y rigidez.
TERMOPLÁSTICOS
Poliamidas
Plástico muy resistente a la
tracción y tenaz.
Polimetracrilato
Plástico transparente que imita
al vidrio, pero más tenaz, duro,
rígido y transparente.
Policarbonato
Gran resistencia mecánica,
térmica y química. Gran
resistencia al impacto.
Teflón
Tiene la misma composición
que el polietileno, pero con
átomos de flúor, en lugar de
hidrógeno. Tiene una gran
estabilidad química, es muy
resistente a los ataques
químicos y resistente a
temperaturas relativamente
altas. Es un buen aislante
eléctrico y es antiadherente
Poliestireno
Bastante frágil y ligero, pero
muy resistente a los ataques
químicos y a la humedad.
El poliestireno expandido es
muy ligero y excelente aislante
térmico
Polipropileno
Es tenaz, ligero y barato. Se
puede doblar muchas veces sin
romperse.
Cloruro de polivinilo
La variedad rígida tiene alta
resistencia mecánica y dureza
Polietileno
Textura sedosa, flexible, tenaz y
ligero
Polietilentereftalato
Transparente e impermeable a
componentes gaseosos como el
CO2 de las bebidas gaseosas,
resistente a los ácidos y temperaturas extremas.
MÉTODOS DE CONFORMADO
Existen varias técnicas para dar forma a los plásticos. Algunas de las más comunes son: extrusión,
inyección, compresión, soplado, moldeado al vacío, calandrado (Laminado/Hilado), inmersión y
espumación.
ADITIVOS
A nivel industrial, se considera propiamente plástico a aquel polímero al que se le ha añadido
algún aditivo para mejorar alguna de las propiedades o características buscadas. Existen infinidad de aditivos que podemos incorporar a los plásticos según las propiedades que queramos reforzar o
proporcionar. Algunos de los más comunes son:
Colorantes: Dan el color al polímero
Pigmentos: Dan el color al polímero, pero lo vuelven opaco.
Plastificantes: Aumentan la resistencia al impacto.
Estabilizantes: Aumentan la estabilidad a la degradación de la luz.
Existen muchas formas de clasificar a los polímeros, según su origen, su constitución,.... Pero la
más usual es teniendo en cuenta su comportamiento frente al calor.
Así, siguiendo esta última se pueden clasificar en:
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
ELASTÓMEROS
Este tercer tipo de plástico también se puede englobar dentro de los anteriores. Están formados por grandes moléculas unidas por enlaces fuertes formando una red que puede contraerse o estirarse cuando los materiales son comprimidos o estirados, incluso pueden deslizarse unas cadenas sobre otras.
TERMOESTABLES
Estos polímeros se diferencian de los anteriores en que las cadenas moleculares se entrelazan entre sí formando una enorme estructura reticulada, es decir, una estructura tridimensional ordenada.
TERMOPLÁSTICOS
Estos polímeros están formados por moléculas que forman cadenas lineales. Esta estructura interna hace que este tipo de plásticos tengan una determinadas propiedades.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS PLÁSTICOS
Las propiedades de los plásticos pueden variar mucho de unos a otros, pero hay algunas de ellas que son comunes a la mayoría:
Bajo coste de producción
Alta relación resistencia/densidad, es decir que aun siendo ligeros poseen una resistencia mecánica notable. Se usan junto a aleaciones metálicas para construir aviones
Elevada resistencia al ataque químico.
Alta resistencia eléctrica y baja conductividad térmica, lo que los hace excelentes aislantes eléctricos y térmicos.
Combustibilidad, la mayoría arden con facilidad. El color de la llama y el olor del humo suele ser característico de cada tipo de plástico.
Plasticidad, muchos se reblandecen con el calor y, sin llegar a fundir, son fácilmente moldeables. Permite la fabricación de piezas complicadas
Facilidad de procesado y versatilidad, su elevada plasticidad hace que las técnicas de fabricación sean sencillas; permite fabricar piezas según necesidades
Facilidad para combinarse con otros materiales, permiten crear materiales compuestos con mejores propiedades, como el poliéster reforzado con fibra de vidrio.
INTRODUCCIÓN. POLIMERIZACIÓN
Bajo el nombre de plásticos se engloba un variado grupo de materiales de origen orgánico cuya importancia crece día a día. Están constituidos por macromoléculas (moléculas gigantes) naturales o sintéticas de elevado peso molecular, cuyo principal componente es el carbono. Estas moléculas reciben el nombre de polímeros, de ahí que a los materiales plásticos se les conozca también por ese nombre.
Existen dos tipos fundamentales de reacciones de polimerización:
la polimerización por condensación o policondensación.
la polimerización por adición o
poliadición
Topic principal
METALES
TRATAMIENTOS DE LOS METALES
Los metales se pueden someter a una serie de tratamientos para potenciar sus propiedades. Existen cuatro clases de tratamientos:
Tratamientos superficiales
Tratamientos mecánicos
Tratamientos termoquímicos
Tratamientos térmicos
NO FERROSOS
Subtopic
PLOMO
ALUMINIO
COBRE
Aunque los metales ferrosos son los más utilizados, el resto de los metales (los no ferrosos) son cada día más imprescindibles.
Se pueden clasificar en tres grupos:
Ultraligeros
Ligeros
Pesados
FERROSOS
ACERO:
Se hace necesario reducir el contenido en carbono del arrabio para convertirlo en acero; que es un material que sigue siendo duro, pero más elástico, dúctil, maleable y capaz de soportar impactos. Normalmente se traslada, en estado líquido, en unos contenedores especiales llamados torpedos hasta la planta de obtención del acero. Los productos finales son:
Gases
Escoria
Acero líquido
FUNDICIONES:
El arrabio o fundición de primera fusión cuando solidifica resulta un material muy duro, pero su contenido en carbono y otras impurezas hace que sea frágil y quebradizo y que no admita la forja ni la soldadura.
HIERRO DULCE:
El hierro dulce (contenido en carbono inferior al 0,1 %). En estas condiciones puede considerarse químicamente puro. Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable.
Método de obtención del hierro. Proceso siderúrgico: Se conoce como proceso siderúrgico al conjunto de operaciones que es preciso realizar para llegar a obtener un metal férrico de unas determinadas características. El proceso siderúrgico engloba desde la extracción del mineral de hierro en las minas hasta la obtención del producto final.
Un material es ferroso o férrico cuando su componente principal es el hierro. Normalmente posee pequeñas cantidades de C que se han incorporado en el proceso de obtención y otros metales incorporados, para que la aleación resultante adquiera propiedades especiales.
El Fe puro no presenta buenas propiedades mecánicas, por lo que tiene muy pocas aplicaciones técnicas:
- Es un material magnético (ferromagnético).
- Color blanco azulado.
- Muy dúctil y maleable.
- Punto de fusión: aproximadamente 1500 oC
- Densidad alta (7,87 g/cm3
- Buen conductor del calor y la electricidad.
- Se corroe y oxida con mucha facilidad.
- Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc).
CLASIFICACIÓN
No ferrosos:
- Aleaciones pesadas (Cu, Pb, Zn)
- Aleaciones ligeras (Al, Ti)
- Aleaciones ultraligeras (Mg, Be)
Ferrosos:
- Hiero C < 0,1%
- Aceros 0,1 % < C < 2%
- Fundiciones 2 %< C < 7%
Las aleaciones (mezcla de dos o más materiales, donde al menos uno, de forma mayoritaria es un metal) con un contenido de carbono superior, carecen de interés industrial porque son demasiado frágiles.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES
Las propiedades varían de unos metales a otros, pero en general se caracterizan por las siguientes:
- Poseen una estructura interna común.
- Son sólidos a temperaturas normales, excepto el mercurio y el galio (temperatura de fusión muy próxima a la ambiente)
- Tienen una alta densidad
- Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica.
- Tienen considerable resistencia mecánica.
- Suelen ser maleables.
- Se pueden fundir, conformar y reciclar.
INTRODUCCIÓN
Los metales son elementos químicos que se caracterizan principalmente por ser buenos conductores de la electricidad y del calor, tienen un brillo característico y la mayoría son sólidos a temperatura ambiente.
MADERA
Tratamientos de la madera
Generalmente, la madera una vez trabajada, debe sufrir algún tratamiento complementario
que garantice su protección de agentes externos (humedad, sol, hongos, insectos,...).
Estos tratamientos consisten en la aplicación de pinturas, ceras, barnices, tintes,.. que, además de proteger, dan una estética adecuada.
Aplicaciones de la madera
La madera se ha utilizado tradicionalmente en la construcción en columnas y vigas, aunque
actualmente ha sido sustituida por el hormigón y el acero. Sigue utilizándose en:
Puertas, ventanas, marcos, muebles,...
Muebles, carpintería interior.
Muebles de lujo, esculturas, instrumentos musicales.
Productos derivados de la madera
Papel: Preparado con fibras vegetales y constituido por celulosa impura. Las propiedades físicas y
químicas de las celulosas varían mucho según la procedencia, lo que le dará al papel unas cualidades diferentes. La mayor parte del papel se prepara con pasta de celulosa procedente de la madera, 55%,
sobre todo de coníferas (pino,...), de otras fibras vegetales denominadas no madereras, como fibras de algodón y de lino en forma de desperdicios, trapos, papeles viejos,...
Otros productos derivados: En los últimos años, se ha incrementado el uso de las maderas laminadas. El principio es el mismo que el de los tableros. Se parte de tablones macizos, y se curvan y encolan con formas propias de la construcción: vigas, arcos,... La diferencia fundamental está en el tipo de maderas elegidas, así como en las colas y los tratamientos protectores.
Tableros de fibra: También llamados tableros DM o táblex: Son tableros de madera aglomerada, pero en este caso la viruta ha sido previamente molida. El serrín molido es mezclado con cola o resina sintética y prensado.
Contrachapado: Consiste en colocar, encolándola, láminas fina de madera noble una sobre otra.
Se suelen disponer de modo que su veteado es perpendicular entre sí. El número de láminas es un número impar.
Aglomerado: Está compuesto de pequeñas virutas, fibras de madera y serrín a lo que se ha añadido cola. Una vez mezclado se coloca sobre planchas de medidas normalizadas,
presionándolo fuertemente hasta que se haya secado. Se emplea en revestir techos, fondos de cajones, puertas, división de interiores,... Los aglomerados son relativamente económicos y pesados y se presentan en grandes tableros, lo que facilita el corte en piezas adaptadas a la medida exigida.
Proceso de obtención de la madera
Cepillado: Tiene como objetivo principal eliminar cualquier irregularidad y mejorar el aspecto
final.
Secado: Antes su uso, es necesario reducir el grado de humedad hasta un valor inferior al 15%.Con esto se consigue evitar deformaciones posteriores, reducir el peso, con el consiguiente ahorro en transporte, incrementar la resistencia a distintos tipos de esfuerzos, reducir las posibilidades de ser atacada por hongos e insectos y dejarla en condiciones adecuadas para ser mecanizada. Principalmente se utilizan tres métodos: secado natural, secado artificial y secado mixto.
Troceado y despiece (aserrado): Conjunto de operaciones que se realizan para dividir el tronco en planos paralelos a un eje. El objetivo es conseguir piezas de unas dimensiones determinadas para su uso en taller.
Tronzado: Consiste en cortar los troncos en piezas más pequeñas
Descortezado: Es decir se le quita la corteza que envuelve el
tronco.
Transporte: Los medios más utilizados son por carretera y ferrocarril. Si hay vías de agua también
se pueden utilizar.
Tala: Es la primera operación para la obtención de la madera. Un árbol es un ser vivo, por lo que necesita tiempo para desarrollarse, esto implica que hay que talarlos en su madurez, pues si se talaran todos los árboles de un bosque a la vez, se necesitaría un tiempo demasiado largo para volver a explotar ese bosque. Para evitar esto, se utilizan varios métodos de talas sostenibles, como el de talas parciales, árboles sembraderos o de tala selectiva.
Clasificación
Maderas duras: cuyos árboles tienen hoja caduca. Ej: roble, castaño, nogal, olmo, caoba. Madera
compacta, poca resina y escasos nudos, amplia gama de colores, de mayor densidad, de crecimiento lento (anillos anuales muy juntos, casi no se diferencian), más difíciles de trabajar, y en general de mayor calidad y precio.Se emplean en trabajos de ebanistería, muebles más compactos, instrumentos musicales, interiores de barco, andamios de obra,...
Maderas blandas: cuyos árboles tienen hoja perenne, son resinosos. Ej: pino, ciprés, abeto, cedro,... Son maderas ligeras, de crecimiento rápido (se observan bien los anillos), de color claro, nudos pequeños, fáciles de trabajar y de bajo coste.Se emplean para trabajos en los que no se necesita gran solidez: embalajes, cajas, tablas, mueble funcional sencillo, pasta de papel,...
Propiedades de la madera
Características estéticas: Color, veteado, olor,...
Flexibilidad: Característica de las maderas jóvenes, verdes y blandas, que admiten ser dobladas
sin romperse.
Dureza: Es la resistencia que ofrece al corte. Aumenta con la densidad.
Humedad: Cantidad de agua que tiene la madera en su estructura. Está relacionada con su peso
y afecta a otras propiedades físicas y mecánicas. Elemento que se debe reducir para obtener una madera útil, desde un punto de vista tecnológico.
Retractabilidad o contracción: Pérdida de volumen al perder parte del agua.
Hendibilidad: Es la facilidad con que se abren las fibras de la madera en sentido longitudinal.Hienden peor las maderas duras, las secas, las resinosas y con nudos. La madera hendible es poco apta para el clavado y para realizar encajes. Si el secado es brusco la madera tiende a abrirse.
Resistencia mecánica: A la tracción, compresión, flexión, cortadura, desgaste,... Es muy resistente al esfuerzo de tracción (estirarse) y bastante resistente a la compresión (aunque la mitad de resistente que a la tracción).
Conductividad térmica y eléctrica baja: La madera es un excelente aislante térmico (casas de madera en países fríos, por ejemplo). Las maderas ricas en agua son mejores conductores que las secas.
Baja densidad: Suelen ser menos densas que el agua (de ahí que floten).
Composición del tronco
Corteza externa: Formada por una capa de células muertas, que protege al árbol contra las inclemencias del tiempo y del ataque de insectos y parásitos.
Corteza interna: Es por donde circula la savia elaborada; está formada por células que poco a poco se desplazan al exterior formando la corteza externa. También se denomina floema o líber.
Cambium: Capa de células vivas entre la albura
y la corteza interna. Durante su crecimiento da
lugar a la formación de la albura y a nuevas
células de la corteza interna.
Albura o leño: De aspecto blanquecino,
formada por células vivas en su parte exterior y
es el responsable del transporte de la savia bruta desde la raíz del árbol hasta las partes aéreas. Durante el crecimiento del árbol, las células interiores mueren y pasan a engrosar el duramen.
Médula o duramen: Formada por células muertas que están muy lignificadas. Su aspecto es seco y duro.
Introducción
De todos los materiales usados por el ser humano a lo largo de la historia, la madera fue el primero de ellos, gracias a una serie de propiedades como facilidad de conformado, bajo peso específico, agradable apariencia exterior, propiedades térmicas y mecánicas,... Esto ha generado una industria muy importante.
