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Objetivos de aprendizaje Después de estudiar este capítulo, se debería poder hacer lo siguiente: 1. Elaborar una lista de seis tipos de propiedades 4. (a) E numerar las tres clasificaciones primarias de diferentes que determinen la aplicabilidad de los mate...

Objetivos de aprendizaje Después de estudiar este capítulo, se debería poder hacer lo siguiente: 1. Elaborar una lista de seis tipos de propiedades 4. (a) E numerar las tres clasificaciones primarias de diferentes que determinen la aplicabilidad de los materiales sólidos y, a continuación, citar la ca- materiales. racterística química significativa de cada una. 2. Citar los cuatro componentes que intervienen en (b) Conocer los cuatro tipos de materiales avanza- el diseño, la producción y la utilización de mate- dos y, para cada grupo, su(s) característica(s) riales, y describir brevemente las interrelaciones distintiva(s). entre estos componentes. 5. (a) Definir brevemente material inteligente. 3. Citar tres criterios importantes en el proceso de (b) Explicar brevemente el concepto de nanotec- selección de materiales. nología tal como se aplica a los materiales. 1.1 PERSPECTIVA HISTÓRICA Probablemente los materiales estén más profundamente arraigados en nuestra cultura de lo que habitualmente se cree. Transporte, vivienda, vestimenta, comunicación, entretenimiento y producción de alimentos, prácticamente todos los segmentos de nuestra vida cotidiana, es- tán influidos en mayor o menor medida por los materiales. Históricamente, el desarrollo y el progreso de las sociedades han estado íntimamente ligados a las capacidades de sus miembros para producir y manipular materiales que cubran sus necesidades. De hecho, las primeras civi- lizaciones han sido denominadas por el nivel de desarrollo de sus materiales (Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad de Hierro).1 Los primeros humanos tenían acceso a un número muy limitado de materiales, propor- cionados por la naturaleza: piedra, madera, arcilla, pieles, etc. Con el tiempo, descubrieron técnicas para producir materiales que tenían propiedades superiores a las de los naturales; estos nuevos materiales incluían cerámica y diversos metales. Además descubrieron que las propie- dades de un material podían ser alteradas por tratamientos térmicos y por la adición de otras sustancias. En este aspecto, la utilización de materiales era totalmente un proceso de selección que implicaba la elección entre un determinado conjunto, bastante limitado, de materiales, del más adecuado para una aplicación, en virtud de sus características. Hace relativamente poco tiempo que la comunidad científica ha llegado a comprender las relaciones entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido a lo largo de los últimos 100 años aproximadamente, los ha capacitado, en gran medida, para modificar o adaptar las características de los materiales. Así, decenas de miles de diferentes materiales han evolucionado con características bastante especializadas para satisfacer las necesidades de una sociedad moderna y compleja, incluyendo metales, plásticos, vidrios y fibras. El desarrollo de muchas de las tecnologías que han aumentado la confortabilidad de nuestra existencia ha estado íntimamente asociado a la accesibilidad y disponibilidad de los materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material es a menudo el precursor de la progresión de una tecnología. Por ejemplo, la evolución de la automoción no habría sido posible sin la disponibilidad de acero económico o algún otro sustitutivo comparable. Actualmente, sofisticados dispositivos electrónicos se basan en componentes fabricados a partir de materiales denominados semiconductores. 1.2 CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERÍA A veces es útil dividir la disciplina de ciencia e ingeniería de materiales en dos ámbitos dife- renciados: la ciencia de materiales y la ingeniería de materiales. En sentido estricto, la ciencia de materiales implica la investigación de las relaciones que existen entre las estructuras y las propiedades de los materiales. En contraste, la ingeniería de materiales implica, sobre la base 1 Las fechas aproximadas de inicio de las Edades de Piedra, Bronce y Hierro son, respectivamente, 2,5 millones aC, 3500 aC y 1000 aC. 2  1.2 Ciencia de los materiales e ingeniería 3 de estas correlaciones estructura-propiedad, el diseño o proyecto de la estructura de un mate- rial para conseguir un conjunto determinado de propiedades.2 Desde una perspectiva funcio- nal, el papel de la ciencia de materiales consiste en desarrollar o sintetizar nuevos materiales, mientras que desde la ingeniería de materiales se persigue crear nuevos productos o sistemas que utilicen los materiales existentes y/o el desarrollo de técnicas para el procesamiento de materiales. La mayoría de las personas graduadas en programas de materiales están capacita- das tanto en ciencia como en ingeniería de materiales. Llegados a este punto, la estructura es un término confuso que merece una explicación. Normalmente, la estructura de un material se refiere a la disposición de sus componentes in- ternos. La estructura subatómica considera los electrones dentro de los átomos individuales y las interacciones con sus núcleos. A nivel atómico, la estructura contempla la organización de los átomos o moléculas entre sí. El siguiente gran dominio estructural, que contiene gran- des grupos de átomos aglomerados entre sí, se denomina microscópico, lo que significa que el objeto se puede observar utilizando algún tipo de microscopio. Por último, los elementos estructurales que se pueden ver a simple vista se denominan macroscópicos. La noción de propiedad requiere una descripción elaborada, vinculada al hecho de que, en servicio, todos los materiales están expuestos a estímulos externos que inducen algún tipo de respuesta. Así, por ejemplo, una muestra o un espécimen sometidos a la acción de fuerzas externas pueden experimentar deformación, mientras que una superficie de metal pulido refleja la luz. La propiedad de un material se expresa en términos de la clase y la magnitud de la respuesta a un estímulo específico impuesto. En general, las definiciones de las propiedades suelen ser independientes de la forma y del tamaño del material. Prácticamente todas las propiedades relevantes de los materiales sólidos se pueden agru- par en seis categorías diferentes: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y quími- cas. Para cada una de ellas hay un tipo característico de estímulo capaz de provocar respuestas diferentes. Las propiedades mecánicas se refieren a la deformación por una carga o fuerza aplicada; algunos ejemplos son el módulo elástico (rigidez), la resistencia y la tenacidad. Para las propiedades eléctricas, tales como la conductividad eléctrica y la constante dieléctrica, el estímulo es un campo eléctrico. El comportamiento térmico de los sólidos puede ser re- presentado en términos de capacidad calorífica y de conductividad térmica. Las propiedades magnéticas demuestran la respuesta de un material a la aplicación de un campo magnético. Para las propiedades ópticas, el estímulo es la radiación electromagnética o la luz; el índice de refracción y la reflectividad son propiedades ópticas representativas. Finalmente, las propieda- des químicas se refieren a la reactividad química de los materiales. Los capítulos que siguen discuten las propiedades que se encuentran dentro de cada una de estas seis clasificaciones. Además de la estructura y las propiedades, en la ciencia e ingeniería de materiales es- tán implicados otros dos componentes importantes, a saber, el procesado y el rendimiento. Con respecto a las relaciones de estos cuatro componentes, la estructura de un material depende de cómo se procesa. Además, el rendimiento de un material es una función de sus propiedades. Así, la interrelación entre el procesamiento, la estructura, las propiedades y el rendimiento es como se representa esquemáticamente en la Figura 1.1. A lo largo de este texto se destacarán las relaciones entre estos cuatro componentes en términos de diseño, producción y utilización de los materiales. La Figura 1.2, que presenta un ejemplo de este principio de procesamiento-estructu- ra-propiedades-servicio, es una fotografía que muestra tres especímenes en forma de discos delgados colocados sobre un papel impreso. Es obvio que las propiedades ópticas (es decir, la transmitancia de luz) de cada uno de los tres materiales son diferentes; el de la izquierda Procesado Estructura Propiedades Rendimiento Figura 1.1 Los cuatro componentes de la disciplina de la ciencia e ingenie- ría de materiales y su interrelación. 2 A lo largo de este texto se destacan las relaciones entre las propiedades de los materiales y sus elementos estructurales. 4 Capítulo 1 / Introducción Figura 1.2 Tres especímenes de óxido de alumi- nio, en forma de discos delgados, se han colocado sobre una página impresa con el fin de demostrar sus diferencias en la transmitancia de la luz. El disco de la izquierda es transparente (es decir, prácticamente toda la luz que se refleja desde la página pasa a través A. Lessing de él), mientras que el que se halla en el centro es P. Lessing translúcido (lo que significa que una parte de esa luz reflejada es transmitida a través del disco). El preparation,P. A. disco de la derecha es opaco, es decir, la luz no pasa Specimenpreparation, a través de él. Estas diferencias en las propiedades ópticas son una consecuencia de las diferencias en la estructura de estos materiales, resultantes del proceso Specimen de transformación o procesado de los materiales. es transparente (es decir, prácticamente toda la luz reflejada pasa a través de él), mien- tras que los discos del centro y de la derecha son, respectivamente, translúcido y opaco. Todos estos especímenes son del mismo material, óxido de aluminio, pero el de la iz- quierda es lo que se conoce como monocristal porque tiene un alto grado de perfección, que da lugar a su transparencia. El disco del centro se compone de numerosos cristales individuales muy pequeños que están todos unidos; los límites entre estos pequeños cris- tales provocan la dispersión de una porción de la luz reflejada desde la página impresa, lo que hace que este material sea ópticamente translúcido. Por último, la muestra de la derecha se compone no sólo de muchos cristales pequeños, unidos entre sí, sino también de un gran número de poros muy pequeños, o espacios vacíos. Estos poros también dis- persan eficazmente la luz reflejada y hacen que este material se comporte como opaco. Por lo tanto, las estructuras de estas tres muestras son diferentes en términos de límites de cristales y poros, que afectan a las propiedades de transmitancia óptica. Además, cada material ha sido elaborado utilizando una técnica de procesamiento dife- rente. Si la transmitancia óptica es un parámetro importante con relación a la aplicación definitiva en servicio, el rendimiento de cada material será distinto. 1.3 ¿POR QUÉ ESTUDIAR CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES? ¿Por qué se estudian los materiales? En más de una ocasión, especialistas de ciencia o ingeniería aplicada, ya sea mecánica, civil, química o eléctrica, se enfrentan a un problema de diseño con materiales, como un engranaje de transmisión, la superestructura de un edificio, un componente de una refinería de petróleo, o un chip de circuito integrado. Por supuesto, los especialistas en ciencia e ingeniería de materiales están totalmente dedicados a la investigación y diseño de materiales. Muchas veces, un problema de materiales consiste en la selección del material adecuado de entre miles disponibles. La decisión final se basa, normalmente, en varios criterios. En primer lugar, deben caracterizarse las condiciones en servicio, que dictarán las propiedades requeridas del material. Sólo en raras ocasiones un material posee la combinación máxima o ideal de propiedades, y, por tanto, puede ser necesario inter- cambiar una característica por otra. Un ejemplo clásico es aquella situación en la que se requiere resistencia y ductilidad: un material que presenta una elevada resistencia suele tener normalmente una ductilidad limitada. En estos casos puede ser necesario un compromiso razonable entre dos o más propiedades. Una segunda consideración se desprende del deterioro de las propiedades del ma- terial que pueda ocurrir durante la operación en servicio. Por ejemplo, la resistencia mecánica se puede reducir significativamente como consecuencia de la exposición a temperaturas elevadas o a ambientes corrosivos.  1.3 ¿Por qué estudiar ciencia e ingeniería de materiales? 5 Por último y, probablemente, un factor predominante sea el de la economía: ¿Cuál será el coste del producto terminado? Puede darse el caso de que un material presente el conjunto ideal de propiedades, pero que sea prohibitivamente caro. Aquí, de nuevo, es inevitable considerar algún compromiso. En el coste de una pieza terminada también se incluyen gastos asociados a la fabricación para obtener la forma deseada. Cuanto más familiarizado esté un ingeniero o un científico con las distintas caracte- rísticas y relaciones estructura-propiedad, así como con las técnicas del procesado de ma- teriales, más competente y seguro se sentirá para hacer elecciones sensatas de materiales basándose en esos criterios. C A S O D E E S T U D I O Rotura de los barcos Liberty E l siguiente caso ilustra una labor que la ciencia e ingeniería de materiales debe asumir en materia de rendimiento de materiales: analizar los fallos me- tinados a las frías aguas del Atlántico Norte, donde el metal dúctil experimentó transición y presentó fractura frágil cuando las temperaturas cayeron por cánicos, determinar sus causas y proponer medidas debajo de la temperatura de transición.6 adecuadas para evitar futuros incidentes. Las esquinas de las trampillas de acceso eran cua- El fracaso de muchos de los barcos Liberty de la Se- dradas; estos rincones actuaron como puntos de con- gunda Guerra Mundial3 es un ejemplo bien conocido y centración de esfuerzos en los que se podían formar dramático de la fractura frágil de acero que se esperaba grietas. que fuese dúctil.4 Algunos de los primeros buques expe- Los submarinos alemanes hundían los buques de rimentaron daños estructurales cuando se desarrollaron carga más rápidamente de lo que podían ser reem- grietas en sus cubiertas y cascos. Tres de ellos se partie- plazados utilizando las técnicas de construcción ron de manera catastrófica por la mitad cuando las grie- existentes. En consecuencia, se hizo necesario tas formadas crecieron hasta extremos críticos y luego revolucionar los métodos de construcción para se propagaron rápidamente por completo alrededor de construir más rápidamente y en mayor número los las cinchas de los barcos. La Figura 1.3 muestra una de buques de carga. Esto se logró utilizando hojas de las naves que se fracturó el día después de su botadura. acero prefabricadas que se ensamblaban por solda- Las investigaciones posteriores concluyeron que uno dura en lugar de hacerlo por el método tradicional o más de los siguientes factores contribuyeron a cada uno de remachado. Desafortunadamente, las grietas de los fallos.5 que se generaron en las estructuras soldadas pudie- C  uando algunas aleaciones de metales, normalmente ron propagar sin obstáculos a lo largo de grandes dúctiles, se enfrían hasta temperaturas relativamen- distancias, lo que pudo conducir a una falla catas- te bajas, se convierten en susceptibles de presentar trófica. En una estructura remachada, en cambio, fractura frágil, ya que experimentan una transición una grieta hubiera dejado de propagar una vez que de dúctil a frágil tras el enfriamiento a través de un hubiese alcanzado el borde de la lámina de acero. intervalo crítico de temperaturas. Las naves Liberty Operarios inexpertos introdujeron defectos de sol- se construyeron con un acero que experimentó una dadura y discontinuidades (es decir, lugares prefe- transición dúctil-frágil. Algunos de ellos fueron des- rentes de formación de grietas). 3 Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos fabricó en serie 2710 buques de carga Liberty para suministrar alimen- tos y materiales a los combatientes en Europa. 4 Los metales dúctiles fallan después de presentar relativamente grandes grados de deformación permanente; sin embargo, la fractura frágil de materiales no va acompañada por ninguna, o muy poca, deformación permanente. Las fracturas frágiles pueden ocurrir muy repentinamente como consecuencia de grietas que se extienden rápidamente; la propagación de grietas suele ser mucho más lenta en los materiales dúctiles, con lo que la fractura se produce finalmente tras un tiempo. Por estas razones se prefiere, generalmente, el modo de fractura dúctil. Los conceptos de fractura dúctil y fractura frágil se discuten en las Secciones 10.3 y 10.4. 5 Desde la Sección 10.2 a la 10.6 se discutirán diversos aspectos de fallos en materiales. 6 Este fenómeno de transición dúctil-frágil, así como las técnicas que se utilizan para medir y aumentar el rango de temperatura crítica, se discuten en la Sección 10.6. (continúa) 6 Capítulo 1 / Introducción Reprinted with permission of Earl R. Parker, Brittle Behavior of Figura 1.3 El buque Liberty S.S. Schenectady, que en 1943 fracasó Engineering Structures, National Academy of Sciences, National antes de salir del astillero. Research Council, John Wiley & Sons, New York, 1957. (Reproducción autorizada por Earl R. Parker, Brittle Behavior of Engineering Structures, National Academy of Sciences, National Research Council, John Wiley & Sons, New York, 1957). Las medidas adoptadas para corregir estos proble- L  a mejora de la técnica de soldadura y el estableci- mas incluyen las siguientes consideraciones: miento de códigos de soldadura. L  a reducción de la temperatura de transición dúc- A pesar de estos fracasos, el programa de buques til-frágil del acero a un nivel aceptable mediante Liberty fue considerado un éxito por varias razones, la mejora de la calidad del acero (p. ej., la reduc- principalmente porque los barcos que sobrevivieron al ción del contenido de impurezas de azufre y de fracaso fueron capaces de abastecer a las Fuerzas Alia- fósforo). das en el escenario de operaciones, lo que, con toda probabilidad, acortó la guerra. Además, se desarrollaron E  l redondeo de las esquinas de las escotillas, me- aceros estructurales con resistencias a la catastrófica diante la soldadura de bandas de refuerzo curvadas.7 fractura frágil muy mejoradas. Los análisis detallados I nstalación de dispositivos retenedores de fisuras, de estos fracasos avanzaron la comprensión de la forma- como correas remachadas y fuertes cordones de sol- ción y el crecimiento de grietas que, en última instancia, dadura que puedan detener la propagación de grietas. se ha convertido en la disciplina Mecánica de Fractura. 7 Se puede comprobar que las esquinas de ventanas y puertas de todas las estructuras marinas y de aviones son hoy en día redondeadas. 1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Los materiales sólidos han sido convenientemente agrupados en tres categorías básicas: meta- les, cerámicos y polímeros, siguiendo un esquema basado principalmente en la composición química y en la estructura atómica. La mayoría de los materiales encajan en un grupo u otro. Además de estos, están los materiales compuestos que se han diseñado a partir de combina- ciones de dos o más materiales diferentes. A continuación se ofrece una breve explicación de estas clasificaciones de materiales y de sus características representativas. Otra categoría es la de materiales avanzados, que son aquellos que se destinan a aplicaciones de alta tecnología, tales como semiconductores, biomateriales, materiales inteligentes y materiales de nanoinge- niería; estos materiales se exponen en la Sección 1.5.  1.4 Clasificación de los materiales 7 Figura 1.4 40 Metales Gráfico de barras que muestra los 20 Platino valores de densidad, Densidad (g/cm3) (escala logarítmica) Plata Cerámicos a temperatura am- 10 8 Cobre biente, para diversos 6 Hierro/Acero ZrO2 Al2O3 materiales metálicos, 4 Titanio Polímeros Composites SiC,Si3N4 cerámicos, políme- Aluminio Vidrio GFRC PTFE ros y compuestos 2 Magnesio Hormigón CFRC PVC (composites). PS 1,0 PE 0,8 Goma 0,6 (o elastómero) Maderas 0,4 0,2 0,1 Metales Los metales se componen, mayoritariamente, de uno o más elementos metálicos (p. ej., hie- rro, aluminio, cobre, titanio, oro o níquel), aunque a menudo contienen también elementos no metálicos (como, por ejemplo, carbono, nitrógeno, oxígeno) en proporciones relativamente pequeñas.8 Los metales y aleaciones metálicas presentan una distribución muy ordenada de sus átomos (como se explica en el Capítulo 3) y son relativamente densos en comparación con los cerámicos y polímeros (Figura 1.4). Con respecto a las características mecánicas, estos materiales son relativamente rígidos (Figura 1.5) y resistentes (Figura 1.6), aunque dúctiles (es decir, que pueden desarrollar grandes deformaciones sin romperse), y son resistentes a la fractura (Figura 1.7), lo que justifica su uso generalizado en aplicaciones estructurales. Los materiales metálicos presentan un gran número de electrones no localizados (es decir, que no están unidos a ningún átomo en particular. Muchas propiedades de los metales son directamente atribuibles a estos electrones. Así, por ejemplo, los metales son muy buenos Figura 1.5 Gráfico de barras Cerámicos Rigidez (módulo elástico o módulo de Young), en unidades Metales 1000 Compuestos que recoge valores Tungsteno SiC AI2O3 de rigidez (es decir, Hierro/Acero de gigapascales, GPa (escala logarítmica) Titanio Si3N4 CFRC módulo elástico), 100 Aluminio ZrO2 a temperatura am- Magnesio Vidrio GFRC Hormigón biente, para varios Polímeros 10 Maderas materiales metáli- PVC cos, cerámicos, po- PS, Nylon límeros, y compues- 1.0 tos (composites). PTFE PE 0.1 Gomas 0.01 (o elastómeros) 0.001 8 El término “aleación metálica” se refiere a una sustancia metálica que se compone de dos o más elementos, de los cuales uno de ellos (mayoritario) es metálico. 8 Capítulo 1 / Introducción Figura 1.6 Metales Gráfico de barras Compuestos que recoge valores Cerámicos Resistencia (a la tracción) en unidades de Aleaciones de resistencia a la megapascales (escala logarítimica) 1000 férricas CFRC tracción, a tempera- Aleaciones Si3N4 GFRC tura ambiente, para de Cu,Ti SiC Al2O3 diversos materiales Aleaciones metálicos, cerámi- de aluminio Polímeros Oro cos, polímeros y 100 Vidrio Nylon compuestos (compo- Maderas PS PVC sites). PTFE PE 10 conductores de la electricidad (Figura 1.8) y del calor, y no son transparentes a la luz visible: una superficie metálica pulida tiene un aspecto brillante. Además, algunos metales (como Fe, Co y Ni) poseen propiedades magnéticas muy apreciadas. En la Figura 1.9 se muestran varios objetos comunes y de uso habitual que están fabricados con materiales metálicos. La clasificación y aplicaciones de los metales y sus aleaciones se tratarán en el Capítulo 13. Cerámicos Los materiales cerámicos se componen de elementos metálicos y no metálicos, siendo los óxidos, nitruros y carburos las combinaciones más frecuentes. Así, por ejemplo, los materiales cerámicos comunes incluyen óxido de aluminio (o alúmina, Al2O3), dióxido de silicio (o sílice, SiO2), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), y, además, todo aquello que se co- noce como cerámicos tradicionales: compuestos de minerales de arcilla (p. ej., porcelana), así como cemento y vidrio. En cuanto a su comportamiento mecánico, los materiales cerámicos presentan valores de rigidez y resistencia comparables a los de los metales (Figuras 1.5 y 1.6). Además, son típicamente materiales de elevada dureza. Los materiales cerámicos han tenido tradicionalmente valores de fragilidad extrema (falta de ductilidad) y una elevada susceptibi- lidad a la fractura (Figura 1.7). Sin embargo, se han diseñado algunos materiales cerámicos Figura 1.7 Gráfico de barras de resistencia a la fractura (tenacidad Metales a fractura) a tempe- Aleaciones férricas Compuestos ratura ambiente para Resistencia a la fractura (tenacidad a la fractura) 100 en unidades de MPa m) (logarithmic scale) Aleaciones diversos materiales de titanio metálicos, cerámicos, Aleaciones CFRC GFRC polímeros y com- de aluminio puestos (composites). 10 (De Engineering Cerámicos Polímeros Materials 1: An Si3N4 Introduction to Pro- Al2O3 Nylon perties, Applications SiC Poliestireno Polietileno and Design, tercera 1,0 edición, M. F. Ashby Madera Poliéster y D. R. H. Jones, Vidrio páginas 177 y 178 Hormigón Copyright 2005, con 0,1 permiso de Elsevier.)  1.4 Clasificación de los materiales 9 Figura 1.8 Metales Gráfico de barras 108 de intervalos de Semiconductores conductividad eléc- Conductividad Eléctrica (en unidades recíprocas, 104 trica a temperatura ambiente para mate- ohm-metros, escala logarítmica) 1 riales metálicos, ce- rámicos, polímeros y semiconductores. 10–4 10–8 Cerámicos Polímeros 10–12 10–16 10–20 nuevos que presentan una mejor resistencia a la fractura y se utilizan para fabricar utensilios de cocina, cuberterías e, incluso, piezas de motores de automóvil. Además, los materiales cerámicos son típicamente aislantes del calor y la electricidad, dado que tienen bajos valores de conductividad (Figura 1.8) y son más resistentes a temperaturas elevadas y a ambientes agresivos que los metales y polímeros. Con respecto a sus características ópticas, los cerámi- cos pueden ser transparentes, translúcidos u opacos (Figura 1.2), y algunos óxidos cerámicos (como, por ejemplo, Fe3O4) pueden presentar comportamiento magnético. En la Figura 1.10 se muestran varios objetos cerámicos comunes. Las características, los tipos y las aplicaciones de esta clase de materiales también se comentan en el Capítulo 14. Polímeros Los materiales polímeros incluyen plásticos comunes y cauchos o gomas. Muchos de ellos son compuestos orgánicos, con base química de carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos (como O, N y Si). Por otro lado, presentan estructuras moleculares muy grandes, a menudo en forma de cadenas, con una estructura principal de átomos de carbono. Algunos polímeros comunes y familiares son polietileno (PE), nylon, policloruro de vinilo (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) y gomas de silicona. Estos materiales suelen tener densidades bajas (Figura 1.4) y características mecánicas que, generalmente, son diferentes a las de materiales cerámicos y metálicos, en tanto que no son ni tan rígidos ni tan resistentes Figura 1.9 Objetos de uso común fabrica- dos con materiales metálicos. De izquierda a derecha: cubiertos (tenedor y cuchillo), tijeras, monedas, engranaje, alianza, tuerca y tornillo. © William D. Callister, Jr. © William D. Callister, Jr. 10 Capítulo 1 / Introducción Figura 1.10 Objetos de uso común elaborados con materiales cerámicos: tijeras, taza de porce- lana, ladrillo, baldosa y jarrón de vidrio. D. Callister, © William D. Jr. Callister,Jr. (Figuras 1.5 y 1.6). Sin embargo, gracias a estas bajas densidades, muchas veces sus valores de rigidez y resistencia específicas (relativas a la densidad) son comparables a las de metales y cerámicos. Además, muchos polímeros son extremadamente dúctiles y flexibles (plásticos), lo que significa que pueden adoptar formas complejas con relativa facilidad. Generalmente son materiales químicamente inertes en un gran número de entornos y una desventaja importante de los polímeros es su tendencia a ablandarse y/o descomponerse a temperaturas moderadas, lo que, en ocasiones, limita su uso. Por último, poseen valores muy bajos de conductividad eléctrica y no son magnéticos (Fig. 1.8). La Figura 1.11 muestra diversos artículos, fabricados con materiales plásticos, que resultan familiares para la lectura. Los capítulos 5 y 15 están dedicados a las estructuras, propiedades, aplicaciones, y procesamiento de materiales polímeros. Figura 1.11 Diversos objetos de uso común de plástico: cubiertos (cuchara, tenedor, cuchillo), bolas de billar, casco de bicicleta, dados, rueda de cortador de césped (estructura de plástico con neumático de caucho) y envase. D. Callister, © William D. Jr. Callister,Jr.  1.4 Clasificación de los materiales 11 C A S O D E E S T U D I O Envases de bebidas gaseosas U n elemento de uso común que presenta interesantes requisitos de materiales sería un envase para bebi- das carbonatadas. El material utilizado para esta apli- sus contras. Por ejemplo, una aleación de aluminio es relativamente fuerte (aunque se abolla fácilmente), representa una buena barrera a la difusión de dióxi- cación debe satisfacer las siguientes restricciones: (1) do de carbono, es fácilmente reciclable, permite en- proporcionar una barrera al paso de dióxido de carbono, friar la bebida rápidamente y permite el pintado de que está bajo presión en el recipiente; (2) ser no tóxico, etiquetas en su superficie. Sin embargo, las latas son no reactivo con la bebida, y, preferiblemente, reciclable; ópticamente opacas y relativamente caras de produ- (3) ser relativamente fuerte y resistir, sin dañarse, una cir. El vidrio es impermeable al paso de dióxido de caída desde una altura moderada, lleno de bebida; (4) carbono, es un material relativamente barato y puede ser económico, incluyendo los costes de fabricación de ser reciclado, pero se agrieta y fractura con facilidad, la forma final; (5) ser transparente, conservando clari- además de que las botellas de vidrio son relativamen- dad óptica; y (6) poderse fabricar en diferentes colores te pesadas. Así, se ha de considerar que el plástico es y/o adornados con etiquetas decorativas. relativamente fuerte, puede ser ópticamente transpa- Para fabricar envases de bebidas carbónicas se rente, es barato y ligero y es reciclable, aunque no utilizan materiales de los tres grupos básicos: me- sea tan impermeable al paso de dióxido de carbono tal (aluminio, acero), cerámica (vidrio) y polímero como el aluminio y el vidrio. Por ejemplo, se puede (poliéster) (véanse las imágenes de la portada del comprobar que las bebidas carbónicas en envases de capítulo). Todos estos materiales cumplen los requi- aluminio y vidrio conservan el gas durante períodos sitos de que no son tóxicos y no son reactivos con largos, mientras que en botellas de plástico de dos las bebidas. Además, cada material tiene sus pros y litros la bebida se desgasifica en poco tiempo. Materiales compuestos o composites Un material compuesto, o composite, se compone de dos (o más) materiales individuales que provienen de las categorías previamente comentadas: metales, cerámicas y polímeros. El obje- tivo del diseño de un material compuesto es lograr una combinación de propiedades que no se aprecia en cualquier material individual y también para incorporar las mejores características de cada uno de los materiales componentes. Un gran número de compuestos están constituidos por diferentes combinaciones de metales, cerámicas y polímeros. Además, algunos materiales de origen natural son materiales compuestos, por ejemplo, madera y hueso. Sin embargo, la mayoría de los que se consideran actualmente son compuestos sintéticos (elaborados artifi- cialmente). Uno de los compuestos más comunes y conocidos es el que se fabrica con fibra de vidrio, incorporada dentro de un material polimérico (normalmente una resina epoxi o de poliéster).9 Las fibras de vidrio son relativamente resistentes y rígidas, mientras que el polímero es más flexible. Así, el producto resultante es relativamente rígido, resistente (Figuras 1.5 y 1.6) y flexible, además de presentar valores bajos de densidad (Figura 1.4). Otro material tecnológicamente importante es el que se obtiene reforzando una ma- triz de polímero con fibra de carbono (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer). Estos materiales son más rígidos y más resistentes que los materiales reforzados con fibra de vidrio (Figuras 1.5 y 1.6) pero más caros. Los composites CFRP se utilizan en numerosas aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales, así como en equipamiento deportivo de alta tecnología (p. ej., bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis, esquís/tablas de snowboard) y recientemente en parachoques de automóviles. El fuselaje del nuevo Boeing 787 está hecho principalmente de compuestos CFRP. El capítulo 16 está dedicado a la discusión de los materiales compuestos. 9 Los materiales compuestos con fibra de vidrio se conocen como “Fiberglass” o GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). 12 Capítulo 1 / Introducción 1.5 MATERIALES AVANZADOS Los materiales avanzados son materiales de alta tecnología destinados a aplicaciones especiales. Por alta tecnología, se entiende dispositivos o productos que funcionen utili- zando principios relativamente complejos y sofisticados, incluyendo equipos electrónicos (cámaras de vídeo, reproductores de CD/DVD), ordenadores, sistemas de fibra óptica, naves espaciales, aviones y cohetes militares. Estos materiales avanzados son típicamente materiales tradicionales cuyas propiedades se han mejorado, aunque también se encuen- tran productos de nuevo desarrollo, como materiales de alto rendimiento. Por otra parte, incluyen materiales de todo tipo (metales, cerámicas, polímeros) y suelen ser caros. Los materiales avanzados incluyen semiconductores, biomateriales, y lo que se denominan materiales del futuro (es decir, materiales inteligentes y materiales de nanoingeniería), que se presentan a continuación. Las propiedades y aplicaciones de algunos de estos materia- les avanzados, como, por ejemplo, los materiales que se utilizan para los láseres, circuitos integrados, almacenamiento de información magnética, pantallas de cristal líquido (LCD) y de fibra óptica, también se comentan en los capítulos siguientes. Semiconductores Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre las de conductores eléc- tricos (materiales metálicos) y aislantes (cerámicos y polímeros), véase la Figura 1.8. Además, las características eléctricas de estos materiales son extremadamente sensibles a la presencia de concentraciones mínimas de átomos de impurezas, por lo cual se ha de controlar muy cuidado- samente la presencia de impurezas en regiones espaciales muy pequeñas. Los semiconductores han hecho posible la fabricación de circuitos integrados, lo que ha revolucionado totalmente la electrónica y la informática (por no hablar de nuestra vida) en las últimas tres décadas. Biomateriales Los biomateriales se emplean en componentes implantados en el cuerpo humano para re- emplazar partes enfermas o dañadas. Estos materiales no deben producir sustancias tóxicas y deben ser compatibles con los tejidos del cuerpo (es decir, no debe causar reacciones bio- lógicas adversas). Todos los materiales anteriores (metales, cerámicas, polímeros, materiales compuestos y semiconductores) se pueden usar como biomateriales. Materiales Inteligentes Los materiales inteligentes son un nuevo grupo de materiales técnicos que se están desarro- llando y van a tener una influencia significativa en muchas de nuestras tecnologías. El adjetivo inteligente hace referencia a que estos materiales son capaces de detectar cambios en su en- torno y responder a estos cambios en modos predeterminados, emulando el comportamiento de organismos vivos. Además, este concepto inteligente se está extendiendo a sistemas más sofisticados que constan de combinaciones de materiales inteligentes y tradicionales. Los componentes de un material inteligente (o sistema inteligente) incluyen algún tipo de sensor (que detecta una señal de entrada) y un actuador (que realiza una función de respuesta y de adaptación). Los actuadores pueden inducir cambios de forma, posición, frecuencia natural, o de características mecánicas en respuesta a cambios de temperatura, campos eléctricos y/o campos magnéticos. Se utilizan habitualmente cuatro tipos de materiales en la elaboración de actuadores: aleaciones con memoria de forma, cerámicos piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos y fluidos electro/magnetorreológicos. Las aleaciones con memoria de forma son metales que, después de haber sido deformado, vuelven a su forma original mediante una variación de tem- peratura (véase el apartado de Materiales de Importancia en la sección 12.9). Los cerámicos piezoeléctricos se expanden y contraen en respuesta a un campo eléctrico aplicado (o tensión). A la inversa, también generan un campo eléctrico cuando se alteran sus dimensiones (véase la Sección 19.25). El comportamiento de los materiales magnetoestrictivos es análogo a la de los piezoeléctricos, excepto en que son sensibles a los campos magnéticos. Por último, los fluidos electrorreológicos y magnetoreológicos son líquidos que experimentan cambios drásticos en la viscosidad frente a la acción de campos eléctricos y magnéticos, respectivamente.  1.5 Materiales avanzados 13 Los dispositivos/materiales utilizados como sensores incluyen fibras ópticas (Sección 22.14), materiales piezoeléctricos (incluidos algunos polímeros), y sistemas mi- croelectromecánicos (MEMS, Sección 14.17). Un ejemplo de sistema inteligente es el que se utiliza en helicópteros para reducir en la cabina el ruido aerodinámico creado por los álabes del rotor. La inserción de sensores piezoeléctricos permite el seguimiento de las tensiones y deformaciones en los álabes; las señales procedentes de estos sensores, alimentan un dispositivo de adaptación, controlado por ordenador, de cancelación de ruido. Nanomateriales Una nueva clase de materiales que tienen propiedades fascinantes y que constituye una gran promesa tecnológica es la de los nanomateriales, que incluye a materiales de cualquiera de los cuatro tipos básicos, metales, cerámicas, polímeros o materiales compuestos. Sin embargo, a diferencia de los otros grupos de materiales, en este caso la distinción no se realiza en base a su composición química, sino más bien por su tamaño; el prefijo nano denota que las dimen- siones de estas entidades estructurales son del orden de un nanómetro (10–9 m). Como regla general, presentan constituyentes de menos de 100 nanómetros (nm, equivalente al diámetro de aproximadamente 500 átomos). Con anterioridad a la llegada de los nanomateriales, el procedimiento general utilizado por los científicos para comprender la química y la física de los materiales consistía en co- menzar por el estudio de estructuras grandes y complejas para luego investigar los bloques fundamentales de estas estructuras, más pequeños y más simple. Este enfoque se denomina ciencia de arriba a abajo. Sin embargo, con el desarrollo de los microscopios de fuerza atómica (AFM, Atomic Force Microscopy) (Sección 6.12), que permiten la observación de átomos y moléculas individuales, ha sido posible diseñar y construir nuevas estructuras de constituyentes a nivel atómico (esto es, “materiales de diseño”). Esta capacidad de organizar átomos permite desarrollar propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, y otras que no se- rían posibles de ningún otro modo, cambiando el enfoque tradicional por uno de abajo hacia arriba, y el estudio de las propiedades de estos materiales se denomina nanotecnología.10 Algunas de las características físicas y químicas que presentan la materia pueden ex- perimentar cambios drásticos cuando el tamaño de partícula se aproxima a las dimensiones atómicas. Por ejemplo, materiales que son opacos en el dominio macroscópico pueden lle- gar a ser transparente en nanoescala; algunos sólidos se convierten en líquidos, materiales químicamente estables se convierten en combustible y aisladores eléctricos se convierten en conductores. Además, las propiedades pueden depender del tamaño de la nanoescala en este dominio. Algunos de estos efectos tienen su origen en la mecánica cuántica, mientras que otros están relacionados con fenómenos de superficie (la proporción de átomos ubica- dos en lugares de la superficie de una partícula se incrementa drásticamente a medida que su tamaño disminuye). Debido a estas propiedades únicas e inusuales, los nanomateriales están abriéndose paso en aplicaciones electrónicas, biomédicas, deportivas, producción de energía y otras aplicaciones industriales. Algunas de ellas se analizan en este texto, como por ejemplo: Convertidores catalíticos para automóviles (recuadro Contenidos Innovadores, Capí- tulo 6) Nanocarbonos-fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno (Sección 14.17) Partículas de negro de carbón como refuerzo para neumáticos de automóviles (Sección 16.2) Nanocompuestos (Sección 16.16) Partículas magnéticas nanométricas que se utilizan para unidades de disco duro (Sec- ción 21.11) Partículas magnéticas que almacenan datos en cintas magnéticas (Sección 21.11) 10 Una sugerencia legendaria y profética en cuanto a las posibilidades de los materiales de nanoingeniería la propuso Richard Feynman en su conferencia de la Sociedad Americana de Física, en 1959 titulada “There’s Plenty of Room at the Bottom”. 14 Capítulo 1 / Introducción Cada vez que se desarrolla un nuevo material se deben considerar las posibles interac- ciones o toxicidad para los seres vivos. Las nanopartículas pequeñas tienen una relación superficie-volumen excesivamente grande, lo que puede inducir elevada reactividad quí- mica. Aunque la seguridad de los nanomateriales es relativamente inexplorada, existe la preocupación de que puedan ser absorbidos por el cuerpo a través de la piel, los pulmones y el tracto digestivo a tasas relativamente altas, y que algunos de estos materiales, si se hallan presentes en concentraciones suficientes, puedan plantear riesgos para la salud, tales como daños en el ADN o riesgos de desarrollar cáncer de pulmón. 1.6 NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS A pesar del enorme progreso que se ha logrado en la disciplina de la ciencia e ingeniería de los materiales en los últimos años, siguen apareciendo retos tecnológicos que incluyen el desarro- llo de materiales más sofisticados y especializados, así como la consideración de los impactos ambientales de la producción de materiales. Así pues, es apropiado hacer algunos comentarios en relación a estos temas con el fin de proporcionar una perspectiva completa. La energía nuclear resulta prometedora, pero las soluciones a los numerosos proble- mas subyacentes involucran necesariamente a los materiales, tales como combustibles, estructuras de contención e instalaciones para la eliminación de los residuos radiactivos. El transporte supone cantidades significativas de energía, de modo que la reducción del peso de los vehículos de transporte (automóviles, aviones, trenes, etc.), así como el aumento de las temperaturas de funcionamiento de los motores, mejorará la eficiencia del combustible. Nuevos materiales estructurales de alta resistencia y baja densidad están pendientes de desarrollo, así como materiales que tengan la capacidad de soportar mayores temperaturas, para su uso en componentes de motores. Por otra parte, existe una necesidad manifiesta de encontrar nuevas fuentes de energía eco- nómicas para utilizar los recursos actuales de manera más eficiente. Los materiales, sin duda jugarán un papel importante en esta evolución. Por ejemplo, la conversión directa de la energía solar en energía eléctrica ya es conocida, pero las células solares emplean algunos materiales bastante complejos y costosos. Para asegurar una tecnología viable, deben desarrollarse mate- riales que sean altamente eficientes en este proceso de conversión pero mucho menos costosos. La célula de combustible de hidrógeno es otra tecnología de conversión de energía muy atractiva y viable que tiene la ventaja de ser no contaminante. Actualmente se está implementando en baterías para dispositivos electrónicos y es una alternativa prometedora como fuente de energía para automóviles. Es necesario desarrollar nuevos materiales para pilas de combustible más eficientes y para mejores catalizadores relacionados con la pro- ducción de energía mediante celdas de hidrógeno. Por otra parte, la calidad del medio ambiente depende de la capacidad para controlar la contaminación del aire y el agua. Las técnicas de control de la contaminación emplean materiales diversos. Además, es necesario mejorar procesos de procesado/refinado de ma- teriales para evitar la contaminación ambiental y la afectación del paisaje por la extracción de materias primas. Además, en algunos procesos de fabricación de materiales, se produ- cen sustancias tóxicas, y debe considerarse el impacto ecológico de su eliminación. Muchos de los materiales que utilizamos son derivados de recursos no renovables, es decir, no susceptibles de ser regenerados. Entre ellos están la mayoría de los polímeros, cuya materia prima principal es el petróleo, y algunos metales. Estos recursos no renovables se están ago- tando poco a poco, lo que requiere (1) el descubrimiento de nuevas reservas, (2) el desarrollo de nuevos materiales con propiedades comparables pero con menos impacto ambiental adverso y (3) el aumento de los esfuerzos de reciclaje y el desarrollo de nuevos tecnologías de reciclaje. Como consecuencia, cada vez es más importante tener en cuenta el análisis del ciclo de vida en el proceso de producción, que contempla el proceso global de fabricación, así como el impacto ambiental y los factores ecológicos asociados a dicho material o componente. Las funciones que se desempeñan desde la ciencia e ingeniería de materiales en relación con estos temas, así como otras cuestiones ambientales y sociales, se analizan con más detalle en el Capítulo 23.