Materiales No Ferrosos y Polímeros PDF

METALES NO FERROSOS Los metales no ferrosos no contienen hierro como componente principal, lo que los hace más resistentes a la corrosión, ligeros y útiles en aplicaciones específicas. ALUMINIO Características...

METALES NO FERROSOS Los metales no ferrosos no contienen hierro como componente principal, lo que los hace más resistentes a la corrosión, ligeros y útiles en aplicaciones específicas. ALUMINIO Características Aplicaciones: Aleaciones -Alta resistencia-peso Contenedores, empaques, cobre, magnesio, silicio y zinc: -Ligero, baja densidad transporte, y aplicaciones Aumentan su resistencia mecánica y -Alta resistencia a la corrosión eléctricas. dureza -Excelente conductor térm. y eléctr. -Maleable y fácil de mecanizar Las aleaciones son ampliamente utilizadas en la industria aeronáutica, automotriz y de construcción. MAGNESIO Características Aplicaciones Aleaciones -Metal más ligero Aeronaves, misiles, equipajes. aluminio, zinc y manganeso: -Buena relación resistencia-peso. Industria automotriz y aeroespacial Mejoran la resistencia y dureza -Fácil de mecanizar, inflamable en forma para reducir peso. de polvo COBRE Características Aplicaciones Aleaciones -Excelente conductividad eléctr. y térm. Electricidad, electrónica, plomería, Aleaciones con zinc (latón) y estaño -Resistente a la corrosión y al desgaste artículos marinos. (bronce): mejoran su resistencia y -Muy maleable y dúctil Cables eléctricos, sistemas de dureza. plomería y componentes mecánicos NÍQUEL Características Aplicaciones Aleaciones -Alta resistencia a la corrosión y calor Industria química, productos con cromo, hierro y cobalto: Forma -tenaz y magnético electrónicos, partes de máquinas. superaleaciones resistentes a altas -Excelente resistencia a ambientes Turbinas de gas, motores a temperaturas y oxidación químicos agresivos reacción y equipos químicos. TITANIO Características Aplicaciones Aleaciones -Alta relación resistencia-peso Aeronaves, motores de propulsión, Aleaciones con aluminio y vanadio: -Muy resistente a la corrosión. autos de carrera, palos de golf. aumentan su resistencia y permiten uso -Baja densidad (ligero y fuerte) en condiciones extremas. -Biocompatible (ideal para aplicaciones Usadas en la industria médicas) aeroespacial, médica y marina. POLIMEROS Compuestos orgánicos formados por largas cadenas de unidades repetitivas llamadas monómeros, unidas por enlaces covalentes. Las moléculas grandes se denominan macromoléculas. Los polímeros se sintetizan por medio de la unión de muchas moléculas pequeñas en otras más grandes (macromoléculas) que poseen una estructura parecida a una cadena. Los monómeros son moléculas orgánicas insaturadas sencillas, tales como el etileno. Los átomos de estas moléculas están unidos por enlaces covalentes. Tienen baja densidad, resistividad eléctrica elevada (aislantes), baja conductividad térmica. 5  POLIMEROS TERMOPLASTICOS (TP) Sólidos a temperatura ambiente; se suavizan/vuelven viscosos al calentarse (adoptan formas de modo fácil y económico) y se endurecen al enfriarse. Esto se debe a que sus cadenas moleculares están unidas por fuerzas intermoleculares débiles, lo que permite que puedan moldearse repetidamente con calor. Se puede hacer repetidas veces el ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade de forma significativa. Son los de mayor importancia comercial. Propiedades mecánicas Propiedades físicas -Muy baja rigidez. -Baja densidad. -Baja resistencia a la tensión. -Alta expansión térmica. -Alta ductilidad. -Baja temperatura de fusión. -Propiedades dependientes de la temperatura. -Excelente aislamiento eléctrico. → Por debajo de Tg el material es elástico y fuerte, pero conforme se incrementa, se suaviza y se parece más a un fluido. Polietileno: de bajo costo, inerte químicamente y fácil de procesar. Usos: Hojas, películas, aislamiento de cables. Acetales acetal (polioximetileno): polímero de ingeniería con mucha rigidez resistencia, tenacidad. Acrílicos: polímeros derivados del ácido acrílico. Vidrios transparentes. Poliamidas: miembros más importantes → nylons: fuerte, elástico, inflexible, resistente a la abrasión, autolubricante. Policarbonato: propiedades mecánicas excelentes, que incluyen tenacidad elevada y buena resistencia al escurrimiento plástico. Poliésteres: Contenedores, películas fotográficas. Termoplásticos importantes: polietileno, Cloruro de polivinilo, Polipropileno, Nylon, Poliestireno. POLIMEROS TERMOFIJOS/TERMOESTABLES (TS) No toleran ciclos repetidos de calentamiento. Si se los vuelve a calentar, se degradan y carbonizan en lugar de suavizarse/fundirse. Se debe a que sus cadenas están unidas por enlaces químicos permanentes, formando una red tridimensional rígida. Siempre son amorfos y no presentan temperatura de transición al vidrio. Rígidos, frágiles, resistentes a altas temperaturas y menos solubles. Estructura tridimensional entrecruzada, estable térmicamente. Epóxicos Fenólicos Poliésteres Poliuretanos Amino resinas Aislantes eléctricos Adhesivos, madera Plásticos reforzados Espumas Consisten en dos laminada polímeros termofijos DIFERENCIAS TERMOPLASTICOS TERMOFIJOS Cadenas lineales o ramificadas con fuerzas débiles entre Red tridimensional con enlaces cruzados fuertes. ellas. Ablandan al calentarse y pueden reformarse varias veces. Se endurecen permanentemente tras el curado y no pueden Se pueden reciclar y reutilizar fácilmente. volver a fundirse. No se pueden reciclar ni reutilizar. Limitada resistencia al calor; se deforman a altas temp. Alta resistencia al calor y estabilidad dimensional. ideales para aplicaciones que requieren flexibilidad, usados en aplicaciones que requieren resistencia reciclabilidad y facilidad de moldeado. Se usan en estructural, estabilidad térmica y durabilidad, productos que no estarán expuestos a altas temperaturas especialmente cuando el material estará sometido a cargas o cargas permanentes. altas o ambientes hostiles. 6  Diferencias clave entre TP y TS: TP: Moldeables y reutilizables, menos rígidos, mayor ductilidad. TS: No reutilizables, más rígidos, resistentes a altas temperaturas y solventes. Las diferencias con los termoplásticos son atribuibles al entrecruzamiento, que forma una estructura estable en lo térmico, tridimensional y de enlaces covalentes. Obs: El entrecruzamiento en los termoestables ocurre mediante reacciones químicas de curado o fraguado. POLIMERIZACIÓN Def: Proceso químico mediante el cual los monómeros se unen para formar largas cadenas moleculares (polímeros). Puede ocurrir de dos maneras principales: Por adición/en cadena Por condensación/en etapas Monómeros con enlaces dobles se unen para formar Dos monómeros reaccionan formando moléculas más macromoléculas largas. No liberan subproductos. grandes gradualmente. Proceso rápido y eficiente Liberan subproductos como agua o metanol. (ejemplo: polietileno). (ejemplo: nylon) Grado de polimerización (DP): número promedio de unidades de monómero que componen una molécula de polímero. Es una medida de la longitud de las cadenas poliméricas. 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑚𝑒𝑟𝑜 A mayor DP, mayor resistencia mecánica, pero también mayor viscosidad. 𝐷𝑃 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑚𝑒𝑟𝑜 Peso molecular (MW): Promedio del peso total de las unidades repetitivas. Estructuras de polímeros y copolímeros Estereoregularidad: Disposición espacial de átomos y grupos en la molécula del polímero. Arreglos tácticos: Determinan propiedades del polímero. (isotáctico, Sindiotáctico, Atáctico) CRISTALINIDAD Def: medida del grado de organización de las cadenas poliméricas en una estructura ordenada y repetitiva, similar a un cristal. Los polímeros pueden ser amorfos o cristalinos, su tendencia cristalizar es mucho menor que la de los metales o cerámicos no vítreos y para los que pueden formar cristales, el grado de cristalinidad siempre es menor que 100%. Los polímeros más amorfos son más flexibles y transparentes. Mayor cristalinidad → mayor densidad, rigidez, tenacidad y resistencia. *Cristalitas: regiones cristalizadas Capacidad de un polímero de cristalizar: Sólo los polímeros lineales y con estructuras ordenadas cristalizan (ej. isotácticos). Tiene importancia crítica la Estereoregularidad de la molécula: los polímeros isotácticos siempre forman cristales, los sindiotácticos a veces, los atácticos, nunca. Los copolímeros, por su irregularidad molecular, rara vez forman cristales El enfriamiento lento favorece la formación y crecimiento de cristales La deformación mecánica, como en el estiramiento de un termoplástico calentado, tiende a alinear la estructura y a incrementar la cristalización Los plastificadores reducen el grado de cristalinidad 7  Relación entre Polimerización y Cristalinidad: El grado de polimerización influye en la capacidad del polímero para formar regiones cristalinas, ya que las cadenas más largas tienen más posibilidades de alinearse. Sin embargo, factores como la estructura química del monómero y la temperatura también afectan la cristalinidad. Aditivos en polímeros 1. Rellenos: Mejoran propiedades mecánicas o reducen costos. 2. Plastificadores: Suavizan el polímero, aumentando su flexibilidad. 3. Colorantes: Cambian el color (pigmentos o tinturas). 4. Otros: o Lubricantes: Reducen fricción en el moldeado. o Retardantes de flama: Disminuyen inflamabilidad. o Absorbedores UV y antioxidantes: Reducen degradación y oxidación. Importancia comercial de los polímeros Ventajas Desventajas Fácil moldeado en formas complejas. Menor resistencia que metales o cerámicos. Baja densidad, buena resistencia a la corrosión, y Baja rigidez (elastómeros). aislamiento térmico/eléctrico. Temperaturas de uso limitadas (suavización). Competitivos en costo y energía frente a metales y Degradación por luz solar en ciertos polímeros. cerámicos. Algunos son transparentes, compitiendo con el vidrio. MATERIALES COMPUESTOS Sistema de materiales compuesto por dos o más fases cuya combinación produce propiedades agregadas. Fase indica un material homogéneo (granos con misma estructura cristalina) Clasificación - C. Tradicionales: Ocurren en la naturaleza o han sido producidos durante muchos años - C. Sintéticos: Sistemas de materiales asociadas a las industrias, se producen por separado y se combinan de manera controlada. Interés tecnológico y comercial Sus propiedades son mucho mejores que las de sus componentes. El material compuesto de más importancia es la madera, y el de mayor importancia comercial son los plásticos de fibra reforzada. Ventajas Desventajas Compuestos fuertes y ligeros Compuestos que no se Muchos son anisotrópicos (difieren de acuerdo a la dirección corroen en que se miden) Mejores propiedades contra la fatiga Son caros Combinaciones de propiedades Procesos de manufactura lentos y costosos Superficies de mejor apariencia Susceptibles al ataque químico 8  TIPOS DE REFUERZOS FIBRAS Fase de reforzamiento Fibras: Filamentos de material de refuerzo. Permite mejorar la resistencia de estructuras compuestas, ya que son más fuertes en forma de filamento que de otra forma voluminosa. Son empleados fibras continuas o discontinuas Vidrio Carbono Boro Kevlar 49 Cerámicos Metal P/ denotar el Más rigidez, Módulo de Fibra de M. de Filamentos de acero plástico reforzado. densidad baja y elasticidad polímero más elasticidad continuos o E: Fuerte y de bajo poca expansión elevado pero importante, elevados. discontinuos. costo. térmica. costoso cristalina y con Sirve para dar Se emplean como S: Más resistente y la mejor resistencia a fibras de refuerzo en caro resistencia- metales de baja los plásticos. peso densidad. PARTICULAS Y HOJUELAS: Distribución de partículas en la matriz al azar, resistencia isotrópica, que depende del tamaño de las partículas. Hojuelas son partículas bidimensionales Mejoran la resistencia al desgaste, incrementan la rigidez y mejoran propiedades térmicas y eléctricas Menos costosos que las fibras -Fase infiltrada: Cuando la matriz tiene forma de esqueleto poroso, y la segunda fase es un relleno -Interfase: Se considera un adhesivo. Está entre las fases constituyentes Compuestos de Matriz Metálica (MMC): Tienen una matriz de metal reforzada con una segunda fase (como partículas o fibras). Son ligeros, resistentes y toleran altas temperaturas. Ejemplos destacados: Cermets: Cerámico en matriz metálica, dominado por el cerámico. Óxidos: Matrices basadas en óxidos para herramientas de corte y sellos mecánicos. Carburos cementados: Compuestos de carburo en una matriz metálica, como: Carburo de tungsteno: Para herramientas de corte con alta resistencia al desgaste. Carburo de titanio: Usado en aplicaciones a alta temperatura. Carburo de cromo: Resistente a la corrosión, pero más frágil. Compuestos de Fibra Reforzada: Las fibras ilustran la importancia de la forma geométrica. Los materiales de fibra de filamentos tienen mayor resistencia a la tensión que en forma de cuerpo voluminoso. Sus aplicaciones están limitadas por defectos de la superficie, abombamiento cuando se les sujeta a compresión, y por inconvenientes de la forma de un filamento. Las fibras tienden a transmitir su gran resistencia al compuesto. Combina fibras de alta resistencia y módulos de elasticidad con materiales de baja densidad. Propiedades destacadas: ▪ Relación resistencia/peso favorable. ▪ Resistencia a altas temperaturas. ▪ Buena conductividad térmica y eléctrica. 9  Compuestos de Matriz Cerámica (CMC): Combinan cerámicas como fase primaria incrustada en una secundaria. Propiedades principales: Alta rigidez, dureza, resistencia al calor y a la compresión. Intentan compensar la fragilidad de las cerámicas. o Desafíos: Compatibilidad térmica y química durante el procesamiento. o Ejemplos comunes: Alúmina, nitruro de boro, carburo de silicio, nitruro de silicio. Compuestos de Matriz Polimérica (PMC): Formados por una matriz de polímero reforzada con fibras, partículas o hojuelas. Son los compuestos más utilizados por su versatilidad y facilidad de fabricación. Ejemplos: ▪ Polímeros de fibra reforzada (FRP): Matriz de polímero con fibras de alta resistencia, como vidrio, carbono o kevlar. ▪ Compuestos avanzados: Usan fibras de alto rendimiento como boro, carbono o kevlar para aplicaciones específicas. ▪ Compuestos híbridos: Combinan dos o más tipos de fibras en una misma matriz. MMC y CMC: Destacan por sus aplicaciones en condiciones extremas (alta temperatura, desgaste o compresión). PMC: Son los más comunes por su versatilidad, peso ligero y facilidad de procesamiento. FRP: Son una subcategoría importante de los PMC, con gran resistencia y flexibilidad para diferentes aplicaciones. 10