Materiales no metálicos: cerámicos y polímeros

MATERIALES NO METALICOS Página 1
Tabla de contenido
Introducción: ...........................................................................................................................2
Clasificación de los materiales no metálicos. ........................................................................3
Materiales cerámicos..........................................................................................................3
Clasificación de los cerámicos...........................................................................................3
1. Según su composición:...............................................................................................3
2. Según su estructura:...................................................................................................4
Cerámicos cristalinos......................................................................................................4
Cerámicos no cristalinos .................................................................................................5
Propiedades mecánicas..................................................................................................5
Propiedades térmicas......................................................................................................6
Propiedades ópticas........................................................................................................7
Propiedades eléctricas....................................................................................................7
Propiedades magnéticas.................................................................................................8
Propiedades físicas.........................................................................................................8
Resistencia a la temperatura. .........................................................................................8
Resistencia a los agentes químicos................................................................................8
Materiales polímeros...........................................................................................................9
Como se producen..........................................................................................................9
Tipos de polímeros........................................................................................................10
Procesamiento...............................................................................................................14
Materiales compuestos.....................................................................................................17
Bibliografía. ...........................................................................................................................22

Introducción:
Se denomina no metales, a los elementos químicos opuestos a los metales pues sus
características son totalmente diferentes. Los no metales, excepto el hidrógeno, están situados en
la tabla periódica de los elementos en el bloque p. Los elementos de este bloque son no-metales,
excepto los metaloides (B, Si, Ge, As, Sb, Te), todos los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), y
algunos metales (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb).
Son no metales los siguientes elementos:
 Hidrógeno (H).
 Carbono (C).
 Nitrógeno (N).
 Oxígeno (O).
 Flúor (F).
 Fósforo (P).
 Azufre (S).
 Cloro (Cl).
 Bromo (Br).
 Yodo (I).
 Astato (At).
Tienden a formar aniones u oxianiones en solución acuosa, y forma óxidos ácidos con los metales,
ganando electrones, o enlaces covalentes, con otros no metales, compartiendo electrones.
En su mayoría existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista están
incluidos cinco gases (H2, N2, O2, F2 y Cl2), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2).
Casi todos los no metales sólidos tienen puntos de fusión más bajos que los de los metales y
tienen baja densidad, son frágiles y quebradizos, no forman hilos ni láminas, su superficie es
opaca, y no reflejan la luz. Son malos conductores de calor y electricidad, y suelen
ser aislantes o semiconductores de la electricidad. El azufre forma un sólido blando; el fósforo, el
selenio y el carbón presentan varias formas alotrópicas, casi todas sólidas y blandas.
Un caso atípico es el diamante, formado por carbono, que es el más duro de los minerales
conocidos, y que además funde a 3570 ºC.
Los seres vivos están formados principalmente por no metales: carbono, hidrógeno, oxígeno,
nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: flúor, silicio,
arsénico, yodo, cloro.

Clasificación de los materiales no metálicos.
Materiales cerámicos.
Son materiales que contienen tanto compuestos de elementos metálicos como no
metálicos, que están unidos por enlaces iónicos y/o covalentes
Características:
 Son duros y frágiles (baja tenacidad y ductilidad)
 Alto punto de fusión (Refractarios)
 Baja conductividad eléctrica y térmica (aislantes)
 Adecuada estabilidad química y térmica.
En estos materiales: Los sistemas cúbicos, hexagonales, tetragonales y ortorrómbicos
son los más importantes. Enlaces iónico y covalente. Estos les confieren una alta
estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. Son generalmente aislantes
(bajísima conductividad).
 Ej. MgO–63 % iónico y 27 % covalente
 SiO2–51 % iónico y 49 % covalente
 Si3N4 –30 % iónico y 70 % covalente
 SiC-11 % iónico y 89 % covalente
Tienen estructura cristalina más compleja que la de los materiales metálicos.Hay varias
razones para esto:
 Los átomos son de diferentes tamaños.
Las fuerzas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (sílice
SiO2diferente de la alúmina Al 6o4).
Unión de más de dos elementos (óxidos complejos,MgAl2O4)
Clasificación de los cerámicos.
1. Según su composición:

GRUPO Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de
aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelanay la loza vidriada.
GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los
silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.
GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de
compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que
emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres
comerciales de Condensa, Kerafar,etc.
GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que
contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el
material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios
nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa,etc.
GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura
porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se
caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos
nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita,etc.
2. Según su estructura:
 Cristalinos. Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en
el espacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, los materiales
Cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente.
 Amorfos. Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia.
Es el caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.
Cerámicos cristalinos.
Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación
posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares.
Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la
de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.

Cerámicos no cristalinos
Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es
rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos
no se ordenan de ningún modo preestablecidos.
Propiedades
mecánicas.
Los materiales cerámicos
son
generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se
fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan
poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales
porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o
concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.
Los cerámicos son relativamente frágiles. La resistencia a la tensión observada en los
cerámicos varía mucho, en un intervalo que abarca desde valores muy bajos de menos de
100 psi (0,69 Mpa) hasta 10000000 psi (7000 Mpa) para fibras cerámicas.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso
del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de la
temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.
Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de
la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para
dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los
materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la
deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones
de materiales cerámicos.
Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a
temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes
tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a
separarse, dando lugar a la fractura.
Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas
sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados
considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la
transformación de fase en circonia.
Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas
temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y
como puntas cortantes de herramientas.
Los materiales cerámicos deberían ser más resistentes que los materiales metálicos pero
su fina estructura de sus enlaces evitan que hayan deslizamientos, mecanismo base para
un deformación clásica.
Los materiales cerámicos al igual que los metales, tienen las mismas imperfecciones
cristalinas (vacantes, átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas), todo eso
tiende a concentrar esfuerzos y el material metálico falla por fractura.
Propiedades térmicas.
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a
sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de valencia
y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se
exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este hecho son buenos
aislantes térmicos.
Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son
utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.

Propiedades ópticas.
Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en
forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones.
Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz
visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de
efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento
electr
ónico
.
Índic
es de
refrac
ción
varía
n entre 1.5 y 2.5. Velocidad de la luz considerablemente menor en el sólido que el aire.
Reflectividad: fracción de luz reflejada en una entre cara. A medida que aumenta el índice
de refracciónaumenta la cantidad de luz reflejadase reduce la entrada de luz en el
material.
•Recubrimientos con es maltes vítreos: Se dé sea alta Reflectividad que da lugar a un alto
brillo superficial.
•Para las lentes oftalmológicas es te efecto produce una pérdida de luz indeseable.
Propiedades eléctricas.
 Distinguimos los tres posibles tipos:
 Aislantes (la mayoría)
 Semiconductores

 Conductores
Aislantes o dieléctricos: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al
núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente,
conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que
integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros.
Propiedades magnéticas.
No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas
con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las
llamadas cerámicas ferrimagnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen
momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se
produzca como resultado una imantación neta.
Propiedades físicas.
 Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros.
 Baja conductividad eléctrica.
 Baja conductividad térmica.
 Baja expansión y fallas térmicas.
Resistencia a la temperatura.
Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos:
elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.
 Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el
Wolframio.
 Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los
choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios
de volumen que determinan la aparición de grietas y su posterior rotura.
 Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.
Resistencia a los agentes químicos.
La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran
estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a
los agentes químicos.
 Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y
de los agentes químicos a que vayan ser sometidos.
 La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales
por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del
tiempo.

Materiales polímeros.
Los polímeros son moléculas de gran tamaño, constituidas por “eslabones” orgánicos
denominados monómeros, unidos mediante enlaces covalentes. Los eslabones están
formados fundamentalmente por átomos de carbono y pueden poseer grupos laterales o
radicales con uno o más átomos. Estas moléculas orgánicas son las que constituyen los
materiales plásticos que conocemos y también los tejidos de los seres vivos (piel,
músculos, tela de araña, seda, etc.).
Como se producen.

Los polímeros sintéticos se producen
mediante un proceso denominado
polimerización. En este proceso se
produce la reacción de miles de
monómeros que pasan a formar parte de
una larga cadena macromolecular4.
Existen varios tipos de polimerización
a. Polimerización en bloque o fase
condensada:
El monómero y un iniciador se combinan en un recipiente (reactor) y se calientan o enfrían
según se requiera. Se debe controlar estrictamente la temperatura. Ej. PMMA.
b. Polimerización en solución:
El monómero se disuelve en un solvente no reactivo que contiene un catalizador. El calor
desprendido por la reacción es absorbido por el solvente y entonces la velocidad de
reacción se reduce. Es difícil eliminar todo el solvente. Ej. PP.
c. Polimerización en suspensión:
El monómero y el catalizador se suspenden en forma de gotitas en una fase continua como el
agua. El calor producido por la reacción es absorbido por el agua; se requiere agitación
continua. Este método se emplea de modo generalizado para producir varios polímeros
vinílicos.. Ej. PVC, PS, poliacrilonitrilo.
d. Polimerización por emulsión:
Es un proceso similar al de suspensión puesto que se lleva a cabo en agua. En este caso el
monómero es absorbido dentro de unas micelas creadas por un agente emulsificante, como el
jabón, y dentro se produce la polimerización. Ej. Pinturas.
Tipos de polímeros
Según su origen.

Polímeros naturales. Por ejemplo, las proteínas,
la celulosa, el hule o caucho natural, la quitina,
lignina, etc.
Polímeros semisintéticos.. Por ejemplo, la
nitrocelulosa, el caucho vulcanizado.
Polímeros sintéticos. Por ejemplo, el nylon, el
poliestireno, el poli cloruro de vinilo (PVC), el
polietileno, etc.
Según su mecanismo de polimerización.
Polímeros de condensación. Por ejemplo agua.
Polímeros de adición. La polimerización no implica liberación de ningún compuesto de
bajo peso molecular.
 Polímeros formados por etapas. Esta categoría incluye todos los polímeros de
condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas
pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.
 Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de polímero
se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de
monómero.

Según la estructura de la cadena.
 Lineal: Se repite siempre el mismo tipo de unión.
 Ramificado: Con cadenas laterales unidas a la principal.
 Entrecruzado: Si se forman enlaces entre cadenas vecinas.
 Los homopolímeros son aquellos polímeros en los que todos los monómeros que
los constituyen son iguales.
 Los copolímeros están formados por dos o más monómeros diferentes.

Según su respuesta termo-mecánica
Los materiales poliméricos se pueden clasificar en cinco grupos:
Termoplásticos Como su nombre lo indica, se comportan de manera plástica a elevadas
temperaturas. Más aún, la naturaleza de sus enlaces no se modifica radicalmente cuando la
temperatura se eleva, razón por la cual pueden ser conformados a temperaturas elevadas,
enfriados y d después recalentados o reconformados sin afectar el comportamiento del
polímero. Los polímeros termoplásticos son lineales.
Termorrígidos Los polímeros termorrígidos también denominados termoestables son
polímeros reticulados durante la reacción de polimerización o mediante la introducción de
entrecruzamientos químicos (crosslinks). Este reticulado no permite que estos polímeros sean
reprocesados después de que han sido conformados.

Según su aplicación
Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es
decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al
eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben
energía, una propiedad denominada resiliencia.
Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se
deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que
el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los
polímeros.

Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite
confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de
otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.
Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que
les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.
Procesamiento.
Las técnicas para conformar polímeros en formas útiles dependen en gran medida de la
naturaleza del polímero, en particular, si es termoplástico o termoestable. Se emplea una

gran diversidad de técnicas para conformar polímeros termoplásticos. El polímero se
calienta a una temperatura cercana o superior a la de fusión, de modo que adquiera una
baja viscosidad. Entonces el polímero se funde o inyecta dentro de un molde, o se lo
fuerza a pasar a través de una boquilla para producir la forma requerida.
Se emplean pocas técnicas de conformado para los polímeros termoestables debido a
que una vez producida la polimerización ya se ha establecido una estructura reticular que
no se puede conformar más. Después de la vulcanización los elastómeros tampoco
pueden ser conformados adicionalmente.
Extrusión Un mecanismo de tornillo fuerza el termoplástico caliente a través de un dado
abierto (o boquilla) para producir formas sólidas, películas, laminas, tubos y aún bolsas
plásticas. La extrusión puede ser empleada también para recubrir alambres y cables.
Moldeo por soplado
Un globo caliente de polímero, llamado preforma, se introduce en un molde y es
expandido contra las paredes del molde mediante un gas a presión. Este proceso se
utiliza para producir botellas plásticas, recipientes y otras formas huecas.

Moldeo por compresión
El moldeo por compresión es un sistema de fabricación parecido a la forja pero con
plástico. Consiste en introducir entre dos moldes complementarios y calientes una pieza
de polvo comprimido, que tomará la forma del molde al presionar las dos partes del
mismo. El calor del molde iniciará la reacción química llamada degradación. El moldeo por
compresión se emplea con plásticos termoestables. Mediante esta técnica se fabrica
material eléctrico, tapas de inodoros, mangos de cepillos, tapones de botellas, etc.
Moldeo por inyección
Los termoplásticos se calientan por encima de la temperatura de fusión y entonces mediante
un émbolo o tornillo sinfín se los fuerza a llenar un molde cerrado. Este proceso es similar al
moldeo en coquilla para los metales.

Materiales compuestos.
¿Qué son?
Los materiales compuestos son materiales de ingeniería, combinaciones de materiales
diversos como resinas epoxi, poliéster, acrílicas, poliuretanicas, con materiales de
refuerzo tales como fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras aramidicas, etc.
¿Cómo están formados?
Los materiales compuestos están formados con materiales continuos y discontinuos, al
material continuo se le llama matriz y al medio discontinuo que usualmente es el más
fuerte y duro se le llama refuerzo. Las propiedades de los materiales compuestos son
dependientes de las propiedades de los materiales que lo constituyen así como de su
distribución e interacción entre ellos
¿Cuándo comenzaron a producirse?
Los primeros materiales compuestos eran fibras de vidrio combinadas con matrices
fenólicas y poliésteres.
Se usaron sobre todo para aplicaciones eléctricas
Estructura
Agente reforzante: su geometría es fundamental la hora de definir las propiedades
mecánicas del material.
Matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas.
Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al
material.
Materiales Compuestos reforzados con partículas.
Están compuestos por partículas de un material duro y frágil, dispersas uniformemente,
rodeadas por una matriz más blanda y dúctil
Tipos:
Endurecidos por dispersión
Formados por partículas verdaderas (estables a la gravedad y la centrifugación)
Materiales compuestos estructurales
Están formados tanto por materiales sencillos como por composites y sus propiedades
dependen fundamentalmente de su diseño y de su geometría. Los tipos más comunes
son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los paneles sandwich están formados por dos láminas de gran dureza separados por un
material más blando con una geometría especial (panal de abeja)
Modos de producción
Fabricación PMCs (Introducción)
-Objetivos
 Buen mojado de fibras
 Distribución uniforme del refuerzo
 Alineamiento correcto
-Rutas para resinas termoestables
 Impregnación de resinas líquidas
 -Bobinado
 -Pultrusión
 -Moldeo por compresión
Consolidacion bajo presión de “ pre-pegs”, Consolidación de resinas en molde, Rutas para
resinas termoplásticas
 Moldeo por inyección
 Moldeo por compresión en caliente
 Impregnación
Fibras impregnadas mediante laminación o pulverización con resinas de baja viscosidad,
previamente mezcladas con el endurecedor. El curado se realiza en general a
temperatura ambiente. Se emplea un molde.
Para fibras largas

Para fibras cortas.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
 Gran versatilidad
 Variedad de formas
 Bajo coste herramientas
 Operación sencilla
Inconvenientes
 Los laminados tienden a ser ricos en resina
 Es necesario emplear altos niveles de diluyentes
 Problemas de seguridad laboral por la baja viscosidad de las resinas
Bobinado.
Pultrusión.

Futuro de estos materiales.
Estos materiales cada vez se utilizan más y proporcionan una gran versatilidad de usos
(Puentes, pilares capaces de soportar grandes esfuerzos rápidos, resistencia ante
tornados y huracanes, revestimiento de aviones ), casi todos estos materiales pueden
remplazar al que se utiliza actualmente, abaratando costes y dando mejores prestaciones.
Por todo esto, los materiales compuestos irán reemplazando a los tradicionales.
Ejemplos de uso.
Tipos de fibras de refuerzo.
Fibra de vidrio: los filamentos de vidrio son los materiales más populares como refuerzo.
Se utilizan varios tipos de vidrio con aditivos para mejorar las propiedades. Tienen alta
resistencia pero poca rigidez.
 Son de bajo costo
 Se utilizan con resinas epoxy, poliésteres y poliamidas.
Proceso de la fibra de vidrio

Tipos de fibras de refuerzo.
Fibras de boro
 Utilizadas en la industria aeroespacial
 Tiene la misma resistencia que el vidrio pero mayor rigidez (4 a 5 veces más)
 Son bastante más caras
 Se las utiliza con resina epoxy.
Tipos de fibras de refuerzo
Fibras de carbono y/o grafito: se obtienen a partir de dos materias primas: brea o
poliacrilonitrilo (PAN)
A partir del PAN se realizan varios procesos:
I) Oxidación
II) Carbonización (grafitización)
III) Tratamiento de superficie

Bibliografía.
 es.slideshare.net/juanchuprofe/materiales-ceramicos.
 es.slideshare.net/juanchuprofe/materiales-polimeros.
 es.slideshare.net/juanchuprofe/materiales-composite.
 Pdf. Ing de materiales no metálicos.
 emet5-metalurgia.blogspot.com/2008/07/materiales-no-metalicos.html

Materiales no metálicos: cerámicos y polímeros

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a Materiales no metálicos: cerámicos y polímeros

Semelhante a Materiales no metálicos: cerámicos y polímeros (20)

Último

Último (20)

Materiales no metálicos: cerámicos y polímeros