Propiedades y Aplicaciones de Materiales: Metálicos, Cerámicos, Poliméricos, Compuestos y Semiconductores

Materiales Metálicos

Son sustancias inorgánicas, enlazadas por uniones metálicas basadas en electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en concreto, esto debido a que poseen valencias bajas. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a estos electrones, su estructura es cristalina, son buenos conductores del calor y la electricidad, dúctiles a temperatura ambiente y poseen elevada resistencia mecánica incluso a altas temperaturas. Los metales y aleaciones (combinación de 2 o más metales, o un metal y un no metal) se dividen en dos grupos:

1. Metales y Aleaciones Ferrosas

Principalmente son aleaciones que contienen gran porcentaje de hierro (Fe). Las más importantes son: aceros, fundiciones de hierro y carburos de hierro o cementita.

Generalidades sobre el Hierro (Fe)

El hierro es el metal más barato que tenemos, después del aluminio (Al) es el metal más abundante de la corteza terrestre, constituye el 5% de ella, y es fácil de obtener de sus compuestos, lo que rebaja los costos. El núcleo de nuestro planeta está formado principalmente por hierro y níquel (Ni), generando al moverse un campo magnético. Su gran aplicación está en los productos siderúrgicos utilizándolo como matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono (C); si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. Es uno de los elementos esenciales de los tejidos vivos, forma parte de la sangre. El compuesto llamado hemoglobina, que da su color a la sangre, toma el oxígeno (O) de los pulmones y lo lleva a todos los tejidos; cada molécula de hemoglobina tiene 4 átomos de hierro que transportan ese oxígeno. El cuerpo humano contiene alrededor de 3 gramos de hierro, un ser humano que tiene menos de lo normal sufre una enfermedad que se conoce como anemia.

Minerales usados para la manufactura del Hierro

• Hematites (Fe₂O₃)
• Magnetita (Fe₃O₄)
• Limonita (FeO(OH))
• Siderita (FeCO₃)

Su inconveniente más serio es que se combina con el oxígeno en presencia de humedad, iniciando la corrosión.

Las aleaciones ferrosas se consumen en cantidades muy grandes debido a la diversidad de propiedades mecánicas, a la facilidad de fabricación y a la economía de producción. Sin embargo, los principales inconvenientes son: densidad relativamente alta, conductividad eléctrica comparativamente baja y susceptibilidad a la corrosión en medios comunes. Por este motivo, para muchas aplicaciones es conveniente utilizar otros metales con una combinación más apropiada.

2. Aleaciones y Metales No Ferrosos

Estas aleaciones se clasifican según el componente mayoritario o según las características específicas del grupo. Las más utilizadas son: aleaciones de cobre, aluminio, magnesio y titanio, metales refractarios, superaleaciones, metales nobles y aleaciones que incluyen níquel, plomo, estaño y zinc como metales base.

Materiales Cerámicos

Son compuestos químicos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos, formando óxidos, nitruros y carburos. Estructuralmente pueden ser cristalinos, amorfos o mezclas de ellos, enlazados principalmente mediante uniones iónicas y covalentes. Por lo general se trata de materiales que poseen alta dureza, resistencia a altas temperaturas, frágiles, de bajo peso, resistentes a la humedad y calor, de baja tenacidad y ductilidad, reducida fricción y aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores.

Materiales Poliméricos

Se basan en compuestos orgánicos cuyos elementos principales son el carbono y el hidrógeno más otros en menor proporción. Son no metálicos y su mayoría son derivados del petróleo (hidrocarburos). Su estructura es de tipo molecular con algunas mezclas de regiones cristalinas y amorfas.

Se caracterizan por llegar a formar estructuras de gran longitud (cadenas) químicamente enlazadas entre sí. Son malos conductores de la electricidad, buenos aislantes, baja densidad y gran plasticidad. Su principal desventaja está en la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura, sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200°C). En el plano eléctrico los polímeros conductores han sido recientemente desarrollados y sus aplicaciones están siendo estudiadas.

Generalidades sobre el Carbono

Es sólido a temperatura ambiente y puede encontrarse en la naturaleza en forma de grafito, diamante y en alrededor de 10 millones de compuestos de carbono, forma parte de todos los seres vivos conocidos. Sus formas alotrópicas incluyen una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico, uno de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). Presenta una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otros átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas. Así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono vital para el crecimiento de las plantas, con el hidrógeno forma los hidrocarburos, los cuales se destilan obteniéndose gasolinas, queroseno y aceites, siendo además la materia prima empleada para la obtención de polímeros. En el gas natural se impone por su combustión más limpia, con el oxígeno y el hidrógeno forma ácidos grasos esenciales para la vida. Otros usos son:

El isótopo carbono-14 que se usa en la datación radiométrica, el grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices, además se usa como aditivo en lubricantes. Las pinturas anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas en el grafito intercalando otros compuestos químicos entre sus capas. Como elemento principal de aleación de los aceros, como filtro para absorber las toxinas del sistema digestivo y en sistemas de filtrado y purificación de agua a través de carbones activados. Para mejorar propiedades mecánicas en el caucho por medio de carbón amorfo (hollín). Las fibras de carbono que se añaden a resinas de poliéster donde mejoran la resistencia mecánica sin aumentar el peso, es capaz de conducir electricidad y actualmente se está utilizando en el campo de la nanotecnología.

Generalidades sobre el Hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos, se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes, y se asocia a la formación de estrellas. También juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre protones. Bajo condiciones ordinarias en la Tierra existe como gas diatómico (H₂), sin embargo, es extremadamente poco abundante en la atmósfera debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre. La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua, el metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del hidrógeno.

Materiales Compuestos

Materiales multifases obtenidos artificialmente. Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material, metales con cerámicas, metales con polímeros, cerámicas con polímeros, etc., cuyo objetivo es alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. La idea es mejorar la combinación de propiedades mecánicas tales como la rigidez, tenacidad, resistencia a la tracción a temperaturas elevadas y a temperatura ambiente.

Por ejemplo, si se mezcla un polímero con fibras metálicas, es posible obtener un compuesto que tenga bajo peso (aportado por el polímero) y que al mismo tiempo pueda conducir la electricidad (propiedad aportada por las fibras metálicas).

Materiales Semiconductores

Estos tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos, son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de impurezas las que deben controlarse en regiones espaciales muy pequeñas. Hoy son la base de la industria electrónica. Los semiconductores posibilitan la fabricación de diodos, circuitos integrados, transistores, rectificadores, etc.

Los dos semiconductores elementales son el silicio (Si) y el germanio (Ge), las aplicaciones de este último se ven limitadas por su alto costo y en muchos casos se investiga su reemplazo por materiales más económicos.

Generalidades sobre el Silicio

Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, no existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio (SiO₂) y de silicatos complejos. Se utiliza en la composición de aceros y fundiciones de hierro, los núcleos de los transformadores eléctricos se fabrican con aceros al silicio (2,5 a 4% de Si) pues la aleación presenta baja histéresis, también en las aleaciones de cobre como bronce y latón. Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados. El SiO₂ (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento Pórtland; es un abrasivo de los más importantes y también se usa como fertilizante en la agricultura. Se usa en láseres y siliconas. Es el material base para la creación de obleas o chips que se implantan en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos.