Ingeniería de materiales sólidos

Se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica o medicina y ciencias ambientales.

La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:

• Metales

• Cerámicos

• Polímeros

• Materiales compuestos

• Semiconductores


Metales

La manera más general de clasificación de los materiales Metálicos es:

• Ferrosos

• No ferrosos


Metales Ferrosos

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

 Fundición de hierro gris

 Hierro maleable

 Aceros

 Fundición de hierro blanco

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas es la corrosión.

Metales no Ferrosos

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.

Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

• Aluminio

• Cobre

• Magnesio

• Níquel

• Plomo

• Titanio

• Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).


Cerámicos

Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno. Según su micro estructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.

Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades:

 Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura.

 Son capaces de soportar altas temperaturas

 Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión

 Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.

Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales.

Polímeros

Los plásticos son sustancias formadas por macro células orgánicas llamadas polímeros. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica.

Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:

 fáciles de trabajar y moldear,

 tienen un bajo costo de producción,

 poseen baja densidad,

 suelen ser impermeables,

 buenos aislantes eléctricos,

 aceptables aislantes acústicos,

 buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy elevadas,

 resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos;

 algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son muy contaminantes.

Materiales compuestos

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas.

El material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Por una aleación puede adquirir propiedades específicas como:

 tenacidad,

 conductividad eléctrica y térmica

 resistencia a la temperatura,

 estabilidad ambiental,

 procesabilidad

 dureza


Materiales orgánicos

Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

 Plásticos

 Productos del petróleo

 Madera

 Papel

 Hule

 Piel

Semiconductores

Se utilizan en componentes como circuitos integrados, capacitores, diodos, etc.; va mas encaminado al área de la electrónica. Se considera que el material es conductor cuando ofrece una resistencia minima al flujo de la corriente y cuando tiene menos de cuatro electrones de valencia. Y aislante cuando ofrece una alta resistencia o impide el flujo de electrones y además tiene más de cuatro electrones de valencia.

Los elementos mas usados para materiales semiconductores son el silicio y el germanio ya que cuentan con cuatro electrones de valencia por átomo. Y para que el silicio y otros materiales se conviertan en conductores se debe añadir cantidades de otros elementos.