Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Polímeros, Cerámicos y Alótropos del Carbono

Matrices Poliméricas: Uso y Requisitos para Fibras

Ventajas de las Matrices Poliméricas

Las matrices poliméricas son las más utilizadas debido a factores clave:

• Económicos.
• Bajo peso.
• Fácil conformado.

Clasificación de Polímeros

Se distinguen dos tipos principales de polímeros en función de su comportamiento térmico:

Polímeros Termofijos (Termoestables)

Son polímeros rígidos (alto grado de entrecruzamiento). Sus características incluyen:

• No permiten ciclos de calentamiento y enfriamiento.
• Son térmicamente estables.
• Presentan un menor número de huecos (baja permeabilidad).

Requisitos para Polímeros utilizados como Fibra (Termoplásticos)

Para poder actuar como fibra, el polímero debe poder estirarse y volver a su forma original, permitiendo ciclos de calentamiento y enfriamiento. Estos polímeros son los termoplásticos.

Propiedades Intrínsecas de los Materiales Cerámicos

Las características únicas de los materiales cerámicos se derivan principalmente de su enlace iónico-covalente y su estructura cristalina compleja.

Dureza

Su elevada dureza proviene de su enlace iónico-covalente, ya que no posee electrones deslocalizados. Este mismo enlace hace que haya menos planos de deslizamiento en los materiales cerámicos.

Fragilidad

Los materiales cerámicos son frágiles. Al aplicarles una fuerza, sus iones quedan enfrentados, provocando la rotura del enlace y limitando su número de aplicaciones. La fragilidad se intensifica con la presencia de imperfecciones y su porosidad.

Rigidez

El enlace iónico-covalente tiene mucha energía, lo que hace que los materiales cerámicos sean muy rígidos y tengan poca capacidad de absorber esfuerzos.

Resistencia a Compresión vs. Resistencia a Tracción

Son más resistentes a la compresión que a la tracción. Un esfuerzo de tracción magnifica una posible grieta, lo que puede provocar la fractura prematura del material.

Aislantes Térmicos y Eléctricos

Los materiales cerámicos son buenos aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y una baja constante dieléctrica. Son buenos aislantes térmicos porque la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción es demasiado grande como para que los electrones se exciten hacia la banda de conducción.

Estabilidad Química

La estructura atómica de los materiales cerámicos les confiere una gran estabilidad química, ya que sus enlaces son muy estables y permiten poca reactividad.

Alta Temperatura de Fusión y Resistencia Térmica

Esto se debe a su elevado punto de fusión (superior al de la mayoría de los metales, excepto el Wolframio), su bajo coeficiente de dilatación (que los hace resistentes a los choques térmicos) y su baja conductividad térmica.

Fatiga Estática

Tienen poca resistencia a la fatiga estática debido a su elevada fragilidad. Pueden sufrir fractura retardada y fallar súbitamente.

Alótropos Avanzados del Carbono

Nanotubos de Carbono

Presentan una disposición hexagonal, como si se enrollara una lámina de grafito. Pueden tener paredes simples o múltiples, e incluso estar cerrados. Sus propiedades dependerán mucho de su estructura.

Existen tres configuraciones principales basadas en la orientación del hexágono respecto al eje longitudinal:

• Zig-zag: Si dos de los lados del hexágono son paralelos al eje longitudinal.
• Sillón (Armchair): Si dos de los lados del hexágono son perpendiculares al eje longitudinal.
• Quiral: Si los lados están girados con un ángulo respecto al eje longitudinal.

Nota: Todavía no está definido si son o no tóxicos.

Diamante

El carbono está unido a cuatro átomos de carbono a través de enlaces covalentes, lo que explica su elevada dureza y su elevada conductividad térmica. Presenta baja conductividad eléctrica y fragilidad.

Aplicaciones: herramientas de corte, joyería. La mayoría de los diamantes utilizados son sintéticos debido a su menor precio.

Cadenas Lineales de Carbono (Carbino)

El carbono aparece en cadenas con forma unidimensional. Dentro de estas cadenas, el carácter unidimensional se consigue mediante carbonos unidos a través de doble enlace o alternando enlace sencillo con enlace triple.

Todavía no se ha conseguido aislar; se prepara en el interior de nanotubos de carbono. Se estima que tendrá una resistencia y dureza superior a la del grafeno y el diamante.