Materials compostos i metàl·lics: Guia de propietats

Materials compostos: Estructura i propietats

Els materials compostos estan formats per:

• Matriu: és el material continu i el responsable de les propietats físiques i químiques (resistència tèrmica i ambiental del material). Es troba en major proporció.
• Reforç: és el material discontinu i el responsable de les propietats mecàniques. Sol ser el més fort i dur.

Pel que fa a la composició dels materials compostos, la matriu i el reforç no són miscibles entre ells, mantenen la seva identitat, donen lloc a un material homogeni i tenen un efecte sinèrgic: propietats superiors als components per separat.

Característiques dels materials compostos

Es troben formats per dos o més components diferents que es poden separar mecànicament. Es poden fabricar barrejant aquests components de manera que la dispersió d’un en l'altre es faci de manera controlada. Les propietats que s’obtenen són superiors a les dels dos components per separat. Depenen de:

• Proporcions i propietats matriu/reforç.
• Forma i distribució del reforç.
• Interacció matriu-reforç a la interfase.

Classificació segons la matriu

• Polimèrica
• Ceràmica
• Metàl·lica

Classificació segons el material de reforç

• Granulars: reforçats amb partícules esfèriques. Les propietats milloren amb partícules més petites i quan estan distribuïdes més homogèniament.
• Fibra curta: permeten propietats anisotròpiques, ja que la mida permet que sigui una estructura similar a la granular.
• Fibra llarga o contínua: permet endreçar la posició del reforç per potenciar les propietats en un pla concret.
• Estructurals o laminars: reforçats amb làmines.

La majoria de materials compostos són creats de manera artificial, com la tova (adobe): palla + argila (utilitzada pels antics egipcis). Tot i això, n’hi ha alguns de naturals com l'os (apatita + fibres de col·lagen). L’apatita pot ser d'un ciment càlcic Ca₅(PO₄)₃(F, Cl, OH), de fluorapatita Ca₅(PO₄)₃F (principal mineral de l'esmalt de les dents) o d'hidroxiapatita Ca₅(PO₄)₃OH (principal mineral dels ossos). El col·lagen, per la seva banda, és una proteïna resistent però tova.

Materials metàl·lics: Fonaments i característiques

La metal·lúrgia és la indústria que s’encarrega del processament dels metalls (no ferrossos). La siderúrgia és la metal·lúrgia del ferro i l’acer (del grec sideros - ferro i ergon – treball).

Propietats principals dels metalls

• Duresa: resistència que ofereixen a la penetració (tall).
• Tenacitat: resistència als cops i estiraments ràpids sense trencar-se ni deformar-se.
• Deformació plàstica.
• Ductilitat: capacitat d'estirar-se en forma de fil.
• Mal·leabilitat: capacitat d'aixafar-los en làmines fines.
• Conductivitat tèrmica i elèctrica.
• Sensació de fred.

Aquestes propietats es deuen a la seva estructura atòmica. Els àtoms dels metalls tenen la tendència de cedir electrons i formar ions positius. L’enllaç metàl·lic es descriu així: els ions positius s'estructuren en xarxes cristal·lines molt compactes compartint un núvol d’electrons de gran mobilitat que no té una localització definida. Aquesta característica els confereix les propietats d’alta conductivitat elèctrica i tèrmica.

Aliatges metàl·lics

La seva composició està formada bàsicament per un o més metalls, tot i que també poden contenir altres materials com el carboni. Els aliatges són una barreja de dos o més materials metàl·lics (alguns poden ser no-metàl·lics) que normalment s’obtenen per fusió dels seus components i posterior refredament. Les propietats solen ser diferents dels metalls per separat i depenen de com es disposen les seves partícules. Els elements dels aliatges modifiquen l'estructura cristal·lina del metall pur i dificulten la mobilitat de les dislocacions i el moviment dels electrons lliures, provocant:

• Menor plasticitat i menor conductivitat.
• Major duresa i major resistència mecànica.

Metalls fèrrics: El ferro i els seus aliatges

Realment no es treballa amb ferro pur al 100%, sinó que és un aliatge amb carboni. El ferro és un element químic que no té gaires aplicacions industrials per la seva baixa resistència mecànica i l'alta tendència a la corrosió. Únicament és útil per les seves propietats magnètiques (per exemple, en la fabricació de xapes per a nuclis de transformadors elèctrics).

Tipus d'aliatges fèrrics

La veritable utilitat del ferro apareix quan s'utilitzen les concentracions adequades de carboni per aconseguir:

• Acer: (entre 0,1% i 1,76% de carboni). Material forjable que fon a temperatures elevades (1400 ºC).
• Fosa (ferro colat): (entre 1,76% i 6,67% de carboni). És un material emmotllable que fon a temperatures baixes (1130 ºC). N'hi ha de dos tipus: fosa grisa (mal·leable, tenaç) i fosa blanca (dúctil, fràgil).

A part del carboni, als acers se’ls poden afegir altres materials (manganès, níquel, titani, etc.). Es classifiquen en:

• Acers comuns: Ferro i carboni, fàcils de soldar i poc resistents a la corrosió. S'utilitzen en estructures, claus, cargols i eines.
• Acers aliats: Fets amb ferro, carboni i altres elements. Molt resistents a la corrosió, al desgast i a les altes temperatures. S'utilitzen per a fabricar instruments i peces especials. L’acer inoxidable n’és un exemple (Acer + 10% Ni + 18% Cr).

Metalls no fèrrics i els seus aliatges

Són més cars i difícils d’obtenir que els fèrrics, però presenten propietats que els fan necessaris: són més difícils d’oxidar, condueixen millor l’electricitat i la calor, fonen a temperatures més baixes, són poc pesats i fàcils de mecanitzar. Els metalls més comuns són: estany, coure, titani, magnesi, alumini, níquel i plom.

Classificació segons la densitat

• Metalls pesats: ρ ≥ 5 kg/dm³. Elements de la taula periòdica amb un pes molecular (PM) major de 50 g/mol.
• Metalls lleugers: 2 < ρ < 5 kg/dm³ (Ex: Al i Ti). Elements amb un PM d’entre 20 g/mol i 50 g/mol.
• Metalls ultralleugers: ρ < 2 kg/dm³. Elements amb un PM de menys de 20 g/mol.

Aliatges no fèrrics comuns

Aquests aliatges permeten reduir el pes del metall i millorar les resistències. Els més comuns són:

• Bronze: Aliatge de coure (Cu) amb estany (Sn) en una proporció inferior al 20%. S'utilitza per a elements decoratius i escultures.
• Llautó: Es forma amb coure (Cu) i zinc (Zn), mescla que confereix a l'aliatge major duresa i ductilitat que el coure pur; és molt dúctil en fred.
• Duralumini o aliatges lleugers: Inclouen els aliatges d'alumini (Al) amb altres metalls, fet que corregeix la falta de duresa i de resistència de l'alumini i en redueix la densitat.