estructura interna

ESTRUCTURA INTERNA MATERIALES

#tecnologíaindustrial

- Marta Lara, Alejandro Hurtado, Daniel Pérez, Daniel Rodriguez, Jaime Boyano y Alejandro Blanco-

MATERIALES

PLÁSTICOS

MINERALES​

La estructura interna de los materiales. Los naturales y los artificiales.

VEGETALES

PAPEL CARTÓN

CERÁMICOS

ANIMALES

VIDRIOS

TEXTILES

Minerales

Estructura cristalina:

Metales:

Los átomos que componen el metal se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional. No solo los metales, las aleaciones... tienen estructuras cristalinas, también algunos materiales cerámicos.

La estructura interna de los metales puede ser cristalina o amorfa.

• Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.
• Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. Hierro y cromo.
• Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Oro, cobre, plata, aluminio...
• Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. Titanio, cinc, magnesio...

Amorfa: Las partículas componentes del metal se agrupan al azar

La estructura del carbón

Minerales

El carbón esta compuesto por anillos polinucleares carbocíclicos, compuestos, en su mayoría por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque se puede encontrar también azufre y nitrógeno.

Materiales Vegetales

Los materiales vegetales están compuestos principalemte por Carbono (en un 50%), Oxígeno (en un 42%) e Hidrógeno (en un 6%). Estos elementos forman un polímero denominado celulosa, que abunda en los compuestos vegetales. La celulosa es resistente a agentes químicos, es insoluble en casi todos los disolventes.

Algunos materiales vegetales son:

​Bambú

​Caucho

Madera

Algodón

Molécula de Celulosa

​Corcho

​Lino

Materiales animales

Formados por tejidos animales (como el cuero o la lana) o por tejidos creados por los animales (como la seda). Su estructura interna varía según el material

Cuero vacuno

Lana

Fibra obtenida de las ovejas, llamas o conejos. La lana está formada por proteínas, principalmente por queratina (misma proteína que las uñas humanas o el cabello) y esta a su vez está formada por carbono,hidrógeno.oxígeno, nitrógeno y azufre

Quratina (lana)

Cuero

Es un material que proviene de la piel tratada de animales como el cerdo, la vaca o las ovejas. El cuero es un material co una gran capacidad de tracción, térmica e hidrófuga . El cuero está formado por agua, proteínas, grasas,.. Se utiliza principalmetne en la industria textil

Seda

Material que proviene de la fibra que forma el capullo que recubre la crisálida del Bombyx mori (vulgarmente conocido como el gusano de seda). La seda está formada mayoritariamente por formada por un compuesto denominado fibroína (proteína formada por glicina y alanina principalmente)

Fibronía ( seda)

HIERRO

PLÁSTICOS

EL HIERRO​

El Hierro: Posee elevada dureza, tiene puntos de ebullición y fusión elevados y es buen conductor de la electricidad y el calor. Sus aleaciones se producen con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C Pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito. Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

• Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.
• Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa
• Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro.
• Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%
• Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.
• Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel.
• Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso.
• Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio.
• Latón: Es una aleación de cobre con zinc.
• Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).
• Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc.
• Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo.
• Nitinol: titanio y níquel.
• Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel.
• Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo.
• Plata de ley
• Zamak: Es una aleación de base zinc, aluminio, magnesio y cobre.

El Cristal: Los cristales, átomos, iones o moléculas se empaquetan y dan lugar a motivos que se repiten del orden de 1 Ángstrom = 10-8cm; a esta repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por translaciónordenada, genera toda la red (todo el cristal) y la denominamos unidad elemental o celda unidad. El ångström (símbolo Å1 ) es una unidad de longitud empleada principalmente para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas, etc. Se representa por la letra sueca Å. La diferencia los vidrios y los cristales, los vidrios generalmente se denominan materiales amorfos (desordenados o poco ordenados). No obstante, la materia no es totalmente ordenada o desordenada (cristalina o no cristalina) y nos encontramos una graduación continua del orden en que está organizada esta materia (grados de cristalinidad), en donde los extremos serían materiales con estructura atómica perfectamente ordenada (cristalinos) y completamente desordenada (amorfos).

Cualquier red cristalina puede describirse como un modelo formado a base de repetir varias unidades estructurales. Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un espacio. La celda unidad o celda patrón es una subdivisión de la red cristalina que conserva las características generales de toda la red. Al apilar celdas unidad idénticas se genera toda la red.

• La estructura física de los sólidos es gracias a la colocación de sus átomos, moléculas y las fuerzas que las unen.
• Dependiendo de cómo sean las celdas de los cristales hay 7 sistemas cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.

Cristales Metálicos.La estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal.Se caracterizan por tener pocos electrones débilmente ligados a sus capas más externas. Están cargados positivamente.Características más comunes:

• Buena conductividad eléctrica.
• Buena conductividad térmica.
• Alta resistencia mecánica.
• Rigidez.
• Ductilidad.

Como anteriormente ya hemos dedicado un apartado a las propiedades mas relevantes, aquí nos limitaremos simplemente a la estructura.Tanto la composición como la estructura de un material tienen una influencia muy importante sobre sus propiedades y su comportamiento. Los ingenieros y los científicos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su estructura atómica. Veremos que las propiedades de los materiales se pueden controlar y que, en realidad, se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicación, mediante el control de la estructura y su composición. La estructura de los materiales se puede examinar y describir en cinco niveles diferentes:

• Macroestructura
• Microestructura
• Nanoestructura
• Estructura atómica
• Arreglos atómicos de corto y largo alcance

Macroestructura La macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de longitud es aproximadamente mayor a 1000nm (nanómetros). Entre las propiedades que constituyen la macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales y las microfisuras internas o externas. Microestructura La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de aproximadamente 10 a 1000nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades o los fenómenos que suceden en los materiales. En el caso normal, la microestructura comprende propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales (un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico). Estructura atómica También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales. La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen los bloques estructurales de la materia. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano, micro y macroniveles de estructura. Las perspectivas obtenidas al comprender la estructura atómica y las configuraciones de enlace de los átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales de ingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados. Arreglos atómicos de corto y largo alcance Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Los materiales amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglos atómicos de corto alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden sólo dentro de distancias relativamente cortas. Para los materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance tiene la forma de átomos o iones ordenados en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias mucho mayores (desde aproximadamente más de 100nm hasta algunos centímetros). -Enlaces atómicos Existen diferentes tipos de enlaces atómicos, a saber: Enlaces metálicos: En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos para lograr un estado de más baja energía (más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico. Enlace de Van Der Waals: Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí. Estas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo. En este caso los electrones de una molécula son débilmente atraídos hacia el núcleo de otra, pero entonces los electrones de ésta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y, en consecuencia, un dipolo incluido. Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de Van Der Waals. La distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas. Enlace iónico: Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales). En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática entre iones con carga opuesta. Enlace covalente: Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente. Mientras el enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. En el enlace covalente los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros átomos, de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones.

Cualquier red cristalina puede describirse como un modelo formado a base de repetir varias unidades estructurales. Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un espacio. La celda unidad o celda patrón es una subdivisión de la red cristalina que conserva las características generales de toda la red. Al apilar celdas unidad idénticas se genera toda la red.

• La estructura física de los sólidos es gracias a la colocación de sus átomos, moléculas y las fuerzas que las unen.
• Dependiendo de cómo sean las celdas de los cristales hay 7 sistemas cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.

Cristales Metálicos.La estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal.Se caracterizan por tener pocos electrones débilmente ligados a sus capas más externas. Están cargados positivamente.Características más comunes:

• Buena conductividad eléctrica.
• Buena conductividad térmica.
• Alta resistencia mecánica.
• Rigidez.
• Ductilidad.

EL VIDRIO

El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería como construcción y vidriado de vehículos. En la industria eléctrica el vidrio es esencial para varios tipos de lámparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad de suministrar un cierre hermético. En la industria electrónica los tubos de rayos catódicos también requieren el cierre hermético proporcionado por el vidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores

LOS PLÁSTICOS

Los plásticos dependiendo de su estructura interna pueden ser:

• Termoplásticos: Se ablandan con el calor, pudiéndose moldear con nuevas formas que se conservan al enfriarse. Es debido a que las macromoléculas están unidas por débiles fuerzas que se rompen con el calor. Dentro de este conjunto se encuentran subconjuntos: estructuras amorfas (Las cadenas poliméricas adquieren una estructura liada, semejante a de la un ovillo de hilos desordenados, dicha estructura amorfa es la responsable directa de las propiedades elásticas de los materiales termoplásticos.) y cristalinas (Las cadenas poliméricas adquieren una estructura ordenada y compacta, se pueden distinguir principalmente estructuras con forma lamelar y con forma micelar. Dicha estructura cristalina es la responsable directa de las propiedades mecánicas de resistencia frentes a esfuerzos o cargas así como la resistencia a las temperaturas de los materiales termoplásticos.)
• Termoestables: Con el calor se descompone antes de llegar a fundir, por lo que no se les puede moldear. Son frágiles y rígidos. Es debido a que los polímeros están muy entrelazados.Ejemplos: poliuretano, resinas fenólicas,melamina.
• Elastómeros: plásticos que se caracterizan por su gran elasticidad adherencia y baja dureza. Estructuralmente son intermedios entre los termoplásticos y los termoestables.Ejemplos: caucho natural, caucho sintético,neopreno

TERMOPLÁSTICOS:

PAPEL CARTÓN

El componente fundamental del papel y el cartón es la celulosa, compuesto orgánico -es decir, está constituido básicamente por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno- en forma de polisacárido (polímero o agrupación de moléculas de glucosa). Las fibras de celulosa necesarias para la fabricación del papel pueden provenir de diferentes vegetales: algodón (el 90% o más de la celulosa), madera (oscila alrededor del 60% según la especie), esparto y paja de cereales (50%), etc. El resto de los componentes de estos vegetales es básicamente lignina, grasas, resinas, ceras, sales minerales o cenizas, etc. La lignina es el cemento natural que une las fibras de glucosa en la madera y alcanza, según la especie, del 20 al 30% de la misma.

CERÁMICOS

MATERIALES CERAMICOS 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