Ciencias de los materiales
Investigación de materiales
Un cuboctaedro de diamante que muestra siete planos cristalográficos , fotografiado con microscopio electrónico de barrido.
Seis clases de materiales de ingeniería convencionales.
Seis clases de materiales de ingeniería convencionales

La ciencia de los materiales es un campo interdisciplinario de investigación y descubrimiento de materiales . La ingeniería de materiales es un campo de ingeniería que se dedica a encontrar usos para los materiales en otros campos e industrias.

Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan a la época de la Ilustración , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender las observaciones fenomenológicas antiguas en metalurgia y mineralogía . [1] [2] La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la ingeniería. Como tal, el campo fue considerado durante mucho tiempo por las instituciones académicas como un subcampo de estos campos relacionados. A partir de la década de 1940, la ciencia de los materiales comenzó a ser más ampliamente reconocida como un campo específico y distinto de la ciencia y la ingeniería, y las principales universidades técnicas de todo el mundo crearon escuelas dedicadas a su estudio.

Los científicos de materiales se centran en comprender cómo la historia de un material ( procesamiento ) influye en su estructura y, por lo tanto, en las propiedades y el rendimiento del material . La comprensión de las relaciones entre procesamiento, estructura y propiedades se denomina paradigma de los materiales. Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión de diversas áreas de investigación, incluidas la nanotecnología , los biomateriales y la metalurgia .

La ciencia de los materiales también es una parte importante de la ingeniería forense y del análisis de fallos  : se investigan materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan como se esperaba, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Estas investigaciones son fundamentales para comprender, por ejemplo, las causas de diversos accidentes e incidentes de aviación .

Historia

Una hoja de espada o daga de finales de la Edad del Bronce.

El material elegido en una época determinada suele ser un punto definitorio. Fases como la Edad de Piedra , la Edad de Bronce , la Edad de Hierro y la Edad del Acero son ejemplos históricos, aunque arbitrarios. La ciencia de los materiales, que en un principio se derivó de la fabricación de cerámica y su supuesto derivado, la metalurgia, es una de las formas más antiguas de ingeniería y ciencia aplicada. [3] La ciencia de los materiales moderna evolucionó directamente de la metalurgia , que a su vez evolucionó a partir del uso del fuego. Un gran avance en la comprensión de los materiales se produjo a finales del siglo XIX, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró que las propiedades termodinámicas relacionadas con la estructura atómica en varias fases están relacionadas con las propiedades físicas de un material. [4] Elementos importantes de la ciencia de los materiales modernos fueron productos de la carrera espacial ; la comprensión y la ingeniería de las aleaciones metálicas y los materiales de sílice y carbono , utilizados en la construcción de vehículos espaciales que permiten la exploración del espacio. La ciencia de los materiales ha impulsado, y ha sido impulsada por, el desarrollo de tecnologías revolucionarias como los cauchos , los plásticos , los semiconductores y los biomateriales .

Antes de la década de 1960 (y en algunos casos décadas después), muchos departamentos de ciencia de los materiales eran departamentos de metalurgia o ingeniería cerámica , lo que reflejaba el énfasis del siglo XIX y principios del XX en los metales y la cerámica. El crecimiento de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos fue catalizado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada , que financió una serie de laboratorios alojados en universidades a principios de la década de 1960, "para expandir el programa nacional de investigación básica y capacitación en ciencias de los materiales". [5] En comparación con la ingeniería mecánica, el naciente campo de la ciencia de los materiales se centró en abordar los materiales desde el nivel macro y en el enfoque de que los materiales se diseñan sobre la base del conocimiento del comportamiento a nivel microscópico. [6] Debido al conocimiento ampliado del vínculo entre los procesos atómicos y moleculares, así como las propiedades generales de los materiales, el diseño de materiales llegó a basarse en propiedades deseadas específicas. [6] Desde entonces, el campo de la ciencia de los materiales se ha ampliado para incluir todas las clases de materiales, incluidos los cerámicos, los polímeros , los semiconductores, los materiales magnéticos , los biomateriales y los nanomateriales , que generalmente se clasifican en tres grupos distintos: cerámicos, metales y polímeros. El cambio más destacado en la ciencia de los materiales durante las últimas décadas es el uso activo de simulaciones por computadora para encontrar nuevos materiales, predecir propiedades y comprender fenómenos.

Fundamentos

El paradigma de los materiales representado en forma de tetraedro

Un material se define como una sustancia (generalmente un sólido, pero se pueden incluir otras fases condensadas) que está destinada a ser utilizada para ciertas aplicaciones. [7] Hay una gran cantidad de materiales a nuestro alrededor; se pueden encontrar en cualquier cosa, desde [8] Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales , biomateriales , [9] y materiales energéticos , por nombrar algunos. [10]

La base de la ciencia de los materiales es el estudio de la interacción entre la estructura de los materiales, los métodos de procesamiento para fabricar ese material y las propiedades resultantes del material. La combinación compleja de estos factores produce el rendimiento de un material en una aplicación específica. Muchas características en muchas escalas de longitud afectan el rendimiento del material, desde los elementos químicos constituyentes, su microestructura y las características macroscópicas del procesamiento. Junto con las leyes de la termodinámica y la cinética , los científicos de los materiales apuntan a comprender y mejorar los materiales.

Estructura

La estructura es uno de los componentes más importantes del campo de la ciencia de los materiales. La propia definición del campo sostiene que se ocupa de la investigación de "las relaciones que existen entre las estructuras y propiedades de los materiales". [11] La ciencia de los materiales examina la estructura de los materiales desde la escala atómica hasta la escala macro. [3] La caracterización es la forma en que los científicos de materiales examinan la estructura de un material. Esto implica métodos como la difracción con rayos X , electrones o neutrones , y varias formas de espectroscopia y análisis químico como la espectroscopia Raman , la espectroscopia de energía dispersiva , la cromatografía , el análisis térmico , el análisis con microscopio electrónico , etc.

La estructura se estudia en los siguientes niveles.

Estructura atómica

La estructura atómica estudia los átomos de los materiales y cómo se organizan para dar lugar a moléculas, cristales, etc. Gran parte de las propiedades eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales surgen de este nivel de estructura. Las escalas de longitud implicadas se expresan en angstroms ( Å ). El enlace químico y la disposición atómica (cristalografía) son fundamentales para estudiar las propiedades y el comportamiento de cualquier material.

Vinculación

Para obtener una comprensión completa de la estructura de los materiales y cómo se relaciona con sus propiedades, el científico de materiales debe estudiar cómo se organizan y se unen entre sí los diferentes átomos, iones y moléculas. Esto implica el estudio y el uso de la química cuántica o física cuántica . La física del estado sólido , la química del estado sólido y la química física también participan en el estudio de los enlaces y la estructura.

Cristalografía
Estructura cristalina de una perovskita con fórmula química ABX 3 [12]

La cristalografía es la ciencia que examina la disposición de los átomos en los sólidos cristalinos. La cristalografía es una herramienta útil para los científicos de materiales. Uno de los conceptos fundamentales con respecto a la estructura cristalina de un material incluye la celda unitaria , que es la unidad más pequeña de una red cristalina (red espacial) que se repite para formar la estructura cristalina macroscópica. Los materiales estructurales más comunes incluyen los tipos de red paralelepipédica y hexagonal. [13] Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales . En los monocristales , los efectos de la disposición cristalina de los átomos a menudo son fáciles de ver macroscópicamente, porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas a menudo están controladas por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un prerrequisito importante para comprender los defectos cristalográficos . Los ejemplos de defectos cristalinos consisten en dislocaciones que incluyen bordes, tornillos, vacantes, autointersticiales y más que son tipos de defectos lineales, planos y tridimensionales. [14] Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales y biomateriales . [15] En su mayoría, los materiales no se presentan como un solo cristal, sino en forma policristalina, como un agregado de pequeños cristales o granos con diferentes orientaciones. Debido a esto, el método de difracción de polvo , que utiliza patrones de difracción de muestras policristalinas con una gran cantidad de cristales, juega un papel importante en la determinación estructural. La mayoría de los materiales tienen una estructura cristalina, pero algunos materiales importantes no exhiben una estructura cristalina regular. [16] Los polímeros muestran diversos grados de cristalinidad y muchos son completamente no cristalinos. El vidrio , algunas cerámicas y muchos materiales naturales son amorfos y no poseen ningún orden de largo alcance en sus disposiciones atómicas. El estudio de los polímeros combina elementos de la termodinámica química y estadística para dar descripciones termodinámicas y mecánicas de las propiedades físicas.

Nanoestructura

Nanoestructura de buckminsterfullereno

Los materiales cuyos átomos y moléculas forman componentes en la nanoescala (es decir, forman nanoestructuras) se denominan nanomateriales. Los nanomateriales son objeto de una intensa investigación en la comunidad científica de los materiales debido a las propiedades únicas que presentan.

La nanoestructura se ocupa de objetos y estructuras que se encuentran en el rango de 1 a 100 nm. [17] En muchos materiales, los átomos o moléculas se aglomeran para formar objetos a escala nanométrica. Esto da lugar a muchas propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas interesantes.

Al describir nanoestructuras, es necesario diferenciar el número de dimensiones en la nanoescala .

Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, solo el espesor de la superficie de un objeto está entre 0,1 y 100 nm.

Los nanotubos tienen dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0,1 y 100 nm; su longitud podría ser mucho mayor.

Por último, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula tiene entre 0,1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo se utilizan como sinónimos, aunque las UFP pueden alcanzar el rango micrométrico. El término "nanoestructura" se utiliza a menudo cuando se hace referencia a la tecnología magnética. La estructura a nanoescala en biología a menudo se denomina ultraestructura .

Microestructura

Microestructura de la perlita

La microestructura se define como la estructura de una superficie preparada o una lámina delgada de material tal como se revela mediante un microscopio con un aumento de más de 25×. Se ocupa de objetos desde 100 nm hasta unos pocos cm. La microestructura de un material (que se puede clasificar ampliamente en metálico, polimérico, cerámico y compuesto) puede influir fuertemente en las propiedades físicas como la resistencia, la tenacidad, la ductilidad, la dureza, la resistencia a la corrosión, el comportamiento a altas/bajas temperaturas, la resistencia al desgaste, etc. [18] La mayoría de los materiales tradicionales (como los metales y la cerámica) están microestructurados.

La fabricación de un cristal perfecto de un material es físicamente imposible. Por ejemplo, cualquier material cristalino contendrá defectos como precipitados , límites de grano ( relación de Hall-Petch ), vacantes, átomos intersticiales o átomos sustitucionales. [19] La microestructura de los materiales revela estos defectos más grandes y los avances en simulación han permitido una mayor comprensión de cómo se pueden utilizar los defectos para mejorar las propiedades del material.

Macroestructura

La macroestructura es la apariencia de un material en la escala de milímetros a metros, es la estructura del material como se ve a simple vista.

Propiedades

Los materiales exhiben innumerables propiedades, incluidas las siguientes.

Las propiedades de un material determinan su usabilidad y, por tanto, su aplicación en ingeniería.

Tratamiento

La síntesis y el procesamiento implican la creación de un material con la micronanoestructura deseada. Un material no se puede utilizar en la industria si no se ha desarrollado un método de producción económicamente viable para él. Por lo tanto, el desarrollo de métodos de procesamiento para materiales que sean razonablemente efectivos y rentables es vital para el campo de la ciencia de los materiales. Diferentes materiales requieren diferentes métodos de procesamiento o síntesis. Por ejemplo, el procesamiento de metales ha definido históricamente eras como la Edad de Bronce y la Edad de Hierro y se estudia en la rama de la ciencia de los materiales denominada metalurgia física . También se utilizan métodos químicos y físicos para sintetizar otros materiales como polímeros , cerámicas , semiconductores y películas delgadas . A principios del siglo XXI, se están desarrollando nuevos métodos para sintetizar nanomateriales como el grafeno .

Termodinámica

Diagrama de fases para un sistema binario que muestra un punto eutéctico

La termodinámica se ocupa del calor y la temperatura y de su relación con la energía y el trabajo . Define variables macroscópicas , como la energía interna , la entropía y la presión , que describen en parte un cuerpo de materia o radiación. Afirma que el comportamiento de esas variables está sujeto a restricciones generales comunes a todos los materiales. Estas restricciones generales se expresan en las cuatro leyes de la termodinámica. La termodinámica describe el comportamiento global del cuerpo, no los comportamientos microscópicos de un gran número de sus constituyentes microscópicos, como las moléculas. El comportamiento de estas partículas microscópicas se describe mediante la mecánica estadística , y las leyes de la termodinámica se derivan de ella .

El estudio de la termodinámica es fundamental para la ciencia de los materiales. Constituye la base para tratar fenómenos generales en la ciencia y la ingeniería de los materiales, incluidas las reacciones químicas, el magnetismo, la polarizabilidad y la elasticidad. [20] Explica herramientas fundamentales como los diagramas de fases y conceptos como el equilibrio de fases .

Cinética

La cinética química es el estudio de las velocidades a las que los sistemas que están fuera de equilibrio cambian bajo la influencia de varias fuerzas. Cuando se aplica a la ciencia de los materiales, se ocupa de cómo un material cambia con el tiempo (pasa del estado de no equilibrio al de equilibrio) debido a la aplicación de un cierto campo. Detalla la velocidad de varios procesos que evolucionan en los materiales, incluyendo la forma, el tamaño, la composición y la estructura. La difusión es importante en el estudio de la cinética ya que es el mecanismo más común por el cual los materiales experimentan cambios. [21] La cinética es esencial en el procesamiento de materiales porque, entre otras cosas, detalla cómo cambia la microestructura con la aplicación de calor.

Investigación

La ciencia de los materiales es un área de investigación muy activa. Junto con los departamentos de ciencia de los materiales, los departamentos de física , química y muchos de ingeniería participan en la investigación de materiales. La investigación de materiales abarca una amplia gama de temas; la siguiente lista no exhaustiva destaca algunas áreas de investigación importantes.

Nanomateriales

Una imagen de microscopía electrónica de barrido de haces de nanotubos de carbono.

Los nanomateriales describen, en principio, materiales de los cuales una sola unidad tiene un tamaño (en al menos una dimensión) entre 1 y 1000 nanómetros (10 −9 metros), pero normalmente es de 1 nm a 100 nm. La investigación en nanomateriales adopta un enfoque basado en la ciencia de los materiales para la nanotecnología , utilizando avances en metrología y síntesis de materiales, que se han desarrollado en apoyo de la investigación de microfabricación . Los materiales con estructura a escala nanométrica a menudo tienen propiedades ópticas, electrónicas o mecánicas únicas. El campo de los nanomateriales está organizado de forma vaga, como el campo tradicional de la química, en nanomateriales orgánicos (basados ​​en carbono), como los fulerenos, y nanomateriales inorgánicos basados ​​en otros elementos, como el silicio. Algunos ejemplos de nanomateriales incluyen fulerenos , nanotubos de carbono , nanocristales, etc.

Biomateriales

El nácar iridiscente en el interior de una concha de nautilus

Un biomaterial es cualquier materia, superficie o construcción que interactúa con sistemas biológicos . [22] La ciencia de los biomateriales abarca elementos de la medicina, la biología, la química, la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales.

Los biomateriales pueden derivarse de la naturaleza o sintetizarse en un laboratorio utilizando una variedad de enfoques químicos que utilizan componentes metálicos, polímeros , biocerámicas o materiales compuestos . A menudo están destinados o adaptados para aplicaciones médicas, como dispositivos biomédicos que realizan, aumentan o reemplazan una función natural. Dichas funciones pueden ser benignas, como usarse para una válvula cardíaca , o pueden ser bioactivas con una funcionalidad más interactiva, como implantes de cadera recubiertos de hidroxiapatita . Los biomateriales también se utilizan todos los días en aplicaciones dentales, cirugía y administración de medicamentos. Por ejemplo, se puede colocar en el cuerpo una construcción con productos farmacéuticos impregnados, lo que permite la liberación prolongada de un medicamento durante un período prolongado de tiempo. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto , un aloinjerto o un xenoinjerto utilizado como material para trasplante de órganos .

Electrónica, óptica y magnética.

Metamaterial de índice negativo [23] [24]

En la actualidad, los semiconductores, los metales y las cerámicas se utilizan para formar sistemas muy complejos, como circuitos electrónicos integrados, dispositivos optoelectrónicos y medios de almacenamiento masivo magnéticos y ópticos. Estos materiales forman la base de nuestro mundo informático moderno, por lo que la investigación sobre ellos es de vital importancia.

Los semiconductores son un ejemplo tradicional de este tipo de materiales. Son materiales que tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes . Sus conductividades eléctricas son muy sensibles a la concentración de impurezas, lo que permite el uso de dopaje para lograr propiedades electrónicas deseables. De ahí que los semiconductores formen la base del ordenador tradicional.

Este campo también incluye nuevas áreas de investigación como los materiales superconductores , la espintrónica , los metamateriales , etc. El estudio de estos materiales implica conocimientos de ciencia de materiales y de física del estado sólido o física de la materia condensada .

Ciencia de materiales computacionales

Con el continuo aumento de la potencia informática, se ha hecho posible simular el comportamiento de los materiales. Esto permite a los científicos de materiales comprender el comportamiento y los mecanismos, diseñar nuevos materiales y explicar propiedades que antes no se entendían bien. Los esfuerzos en torno a la ingeniería de materiales computacionales integrada se centran ahora en combinar métodos computacionales con experimentos para reducir drásticamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para optimizar las propiedades de los materiales para una aplicación determinada. Esto implica simular materiales en todas las escalas de longitud, utilizando métodos como la teoría funcional de la densidad , la dinámica molecular , Monte Carlo , la dinámica de dislocaciones, el campo de fases , los elementos finitos y muchos más. [25]

Industria

Envases para bebidas de tres tipos de materiales: cerámica (vidrio), metal (aluminio) y polímero (plástico).

Los avances radicales en los materiales pueden impulsar la creación de nuevos productos o incluso nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean a científicos de materiales para realizar mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales que se utilizan actualmente. Las aplicaciones industriales de la ciencia de los materiales incluyen el diseño de materiales, las compensaciones entre costos y beneficios en la producción industrial de materiales, los métodos de procesamiento ( fundición , laminado , soldadura , implantación de iones , crecimiento de cristales , deposición de películas delgadas , sinterización , soplado de vidrio , etc.) y los métodos analíticos (métodos de caracterización como microscopía electrónica , difracción de rayos X , calorimetría , microscopía nuclear (HEFIB) , retrodispersión de Rutherford , difracción de neutrones , dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), etc.).

Además de la caracterización de los materiales, el científico o ingeniero de materiales también se ocupa de la extracción de materiales y su conversión en formas útiles. Por lo tanto, la colada de lingotes , los métodos de fundición , la extracción en altos hornos y la extracción electrolítica son parte del conocimiento requerido por un ingeniero de materiales. A menudo, la presencia, ausencia o variación de cantidades mínimas de elementos secundarios y compuestos en un material a granel afectará en gran medida las propiedades finales de los materiales producidos. Por ejemplo, los aceros se clasifican en función de porcentajes de peso de 1/10 y 1/100 del carbono y otros elementos de aleación que contienen. Por lo tanto, los métodos de extracción y purificación utilizados para extraer hierro en un alto horno pueden afectar la calidad del acero que se produce.

Los materiales sólidos se agrupan generalmente en tres clasificaciones básicas: cerámicas, metales y polímeros. Esta amplia clasificación se basa en la composición empírica y la estructura atómica de los materiales sólidos, y la mayoría de los sólidos caen en una de estas amplias categorías. [26] Un artículo que a menudo se fabrica a partir de cada uno de estos tipos de materiales es el envase de bebidas. En consecuencia, los tipos de materiales utilizados para los envases de bebidas brindan diferentes ventajas y desventajas, según el material utilizado. Los envases de cerámica (vidrio) son ópticamente transparentes, impermeables al paso del dióxido de carbono, relativamente económicos y se reciclan fácilmente, pero también son pesados ​​y se fracturan fácilmente. El metal (aleación de aluminio) es relativamente fuerte, es una buena barrera para la difusión del dióxido de carbono y se recicla fácilmente. Sin embargo, las latas son opacas, caras de producir y se abollan y perforan fácilmente. Los polímeros (plástico de polietileno) son relativamente fuertes, pueden ser ópticamente transparentes, son económicos y livianos, y pueden reciclarse, pero no son tan impermeables al paso del dióxido de carbono como el aluminio y el vidrio.

Cerámicas y vidrios

Piezas de cojinetes cerámicos Si 3 N 4

Otra aplicación de la ciencia de los materiales es el estudio de la cerámica y los vidrios , que suelen ser los materiales más frágiles y de relevancia industrial. Muchos de estos materiales presentan enlaces covalentes o iónicos-covalentes con SiO2 ( sílice ) como componente fundamental. La cerámica (que no debe confundirse con la arcilla cruda sin cocer ) suele presentarse en forma cristalina. La gran mayoría de los vidrios comerciales contienen un óxido metálico fusionado con sílice. A las altas temperaturas que se utilizan para preparar el vidrio, el material es un líquido viscoso que se solidifica en un estado desordenado al enfriarse. Los cristales de las ventanas y las gafas son ejemplos importantes. Las fibras de vidrio también se utilizan para las telecomunicaciones de largo alcance y la transmisión óptica. El Corning Gorilla Glass resistente a los arañazos es un ejemplo bien conocido de la aplicación de la ciencia de los materiales para mejorar drásticamente las propiedades de los componentes comunes.

Las cerámicas de ingeniería son conocidas por su rigidez y estabilidad a altas temperaturas, compresión y tensión eléctrica. La alúmina, el carburo de silicio y el carburo de tungsteno se fabrican a partir de un polvo fino de sus componentes en un proceso de sinterización con un aglutinante. El prensado en caliente proporciona un material de mayor densidad. La deposición química en fase de vapor puede colocar una película de cerámica sobre otro material. Los cermets son partículas cerámicas que contienen algunos metales. La resistencia al desgaste de las herramientas se deriva de los carburos cementados con la fase metálica de cobalto y níquel que normalmente se añade para modificar las propiedades.

La cerámica se puede reforzar significativamente para aplicaciones de ingeniería utilizando el principio de deflexión de grietas . [27] Este proceso implica la adición estratégica de partículas de segunda fase dentro de una matriz cerámica, optimizando su forma, tamaño y distribución para dirigir y controlar la propagación de grietas. Este enfoque mejora la tenacidad a la fractura, allanando el camino para la creación de cerámicas avanzadas de alto rendimiento en varias industrias. [28]

Compuestos

Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro (que va de abajo a la izquierda a arriba a la derecha) colocado encima de un cabello humano mucho más grande.

Otra aplicación de la ciencia de los materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos . Se trata de materiales estructurados formados por dos o más fases macroscópicas.

Las aplicaciones van desde elementos estructurales como el hormigón reforzado con acero, hasta las baldosas aislantes térmicas, que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la NASA , que se utiliza para proteger la superficie del transbordador del calor de la reentrada a la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono-carbono reforzado (RCC), el material gris claro, que soporta temperaturas de reentrada de hasta 1.510 °C (2.750 °F) y protege los bordes de ataque de las alas y la tapa del morro del transbordador espacial. [29] El RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón de grafito e impregnado con una resina fenólica . Después de curar a alta temperatura en un autoclave , el laminado se piroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfurílico en una cámara de vacío y se cura-piroliza para convertir el alcohol furfurílico en carbono. Para proporcionar resistencia a la oxidación para la reutilización, las capas externas del RCC se convierten en carburo de silicio .

Otros ejemplos se pueden ver en las carcasas "plásticas" de los televisores, los teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico suelen ser un material compuesto formado por una matriz termoplástica, como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), a la que se han añadido tiza de carbonato de calcio , talco , fibras de vidrio o fibras de carbono para aumentar su resistencia, volumen o dispersión electrostática . Estos añadidos pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, según su finalidad.

Polímeros

La unidad repetitiva del polímero polipropileno
Embalaje de polímero de poliestireno expandido

Los polímeros son compuestos químicos formados por una gran cantidad de componentes idénticos unidos entre sí como cadenas. [30] Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar lo que comúnmente se denomina plásticos y caucho . Los plásticos y el caucho son el producto final, creado después de que se hayan añadido uno o más polímeros o aditivos a una resina durante el procesamiento, que luego se moldea en una forma final. Los plásticos de uso generalizado anterior y actual incluyen polietileno , polipropileno , cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno , nailon , poliésteres , acrílicos , poliuretanos y policarbonatos . Los cauchos incluyen caucho natural, caucho de estireno-butadieno , cloropreno y caucho de butadieno . Los plásticos generalmente se clasifican como plásticos básicos , especiales y de ingeniería .

El cloruro de polivinilo (PVC) es un material ampliamente utilizado, económico y que se produce en grandes cantidades anuales. Se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde cuero artificial hasta aislamiento eléctrico y cableado, embalajes y contenedores . Su fabricación y procesamiento son simples y están bien establecidos. La versatilidad del PVC se debe a la amplia gama de plastificantes y otros aditivos que acepta. [31] El término "aditivos" en la ciencia de los polímeros se refiere a los productos químicos y compuestos que se agregan a la base del polímero para modificar sus propiedades materiales.

El policarbonato se considera normalmente un plástico de ingeniería (otros ejemplos incluyen PEEK y ABS). Estos plásticos son valorados por su resistencia superior y otras propiedades especiales del material. Por lo general, no se utilizan para aplicaciones desechables, a diferencia de los plásticos comerciales.

Los plásticos especiales son materiales con características únicas, como ultra alta resistencia, conductividad eléctrica, electrofluorescencia, alta estabilidad térmica, etc.

Las líneas divisorias entre los distintos tipos de plásticos no se basan en el material, sino más bien en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero barato y de baja fricción que se utiliza habitualmente para fabricar bolsas desechables para las compras y la basura, y se considera un plástico básico, mientras que el polietileno de densidad media (MDPE) se utiliza para tuberías subterráneas de gas y agua, y otra variedad llamada polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) es un plástico de ingeniería que se utiliza ampliamente como rieles deslizantes para equipos industriales y como encaje de baja fricción en las articulaciones de cadera implantadas .

Aleaciones de metales

Cable de acero fabricado con aleación de acero

Las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable , hierro fundido , acero para herramientas , aceros aleados ) constituyen la mayor proporción de metales hoy en día, tanto por cantidad como por valor comercial.

El hierro aleado con diversas proporciones de carbono da aceros con bajo , medio y alto contenido de carbono . Una aleación de hierro-carbono solo se considera acero si el nivel de carbono está entre 0,01% y 2,00% en peso. Para los aceros, la dureza y la resistencia a la tracción del acero están relacionadas con la cantidad de carbono presente, y el aumento de los niveles de carbono también conduce a una menor ductilidad y tenacidad. Sin embargo, los procesos de tratamiento térmico, como el temple y el revenido, pueden cambiar significativamente estas propiedades. Por el contrario, ciertas aleaciones de metal exhiben propiedades únicas en las que su tamaño y densidad permanecen inalterados en un rango de temperaturas. [32] El hierro fundido se define como una aleación de hierro-carbono con más del 2,00%, pero menos del 6,67% de carbono. El acero inoxidable se define como una aleación de acero regular con más del 10% en peso de contenido de aleación de cromo . El níquel y el molibdeno también se añaden típicamente en los aceros inoxidables.

Otras aleaciones metálicas importantes son las de aluminio , titanio , cobre y magnesio . Las aleaciones de cobre se conocen desde hace mucho tiempo (desde la Edad del Bronce ), mientras que las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos de extracción electrolítica necesarios solo se desarrollaron relativamente recientemente. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio también son conocidas y valoradas por sus altas relaciones resistencia-peso y, en el caso del magnesio, su capacidad para proporcionar blindaje electromagnético. [33] Estos materiales son ideales para situaciones en las que las altas relaciones resistencia-peso son más importantes que el costo a granel, como en la industria aeroespacial y ciertas aplicaciones de ingeniería automotriz.

Semiconductores

Un semiconductor es un material que tiene una resistividad entre un conductor y un aislante . La electrónica moderna funciona con semiconductores, y la industria tenía un mercado estimado de 530 mil millones de dólares en 2021. [34] Sus propiedades electrónicas se pueden alterar en gran medida mediante la introducción intencional de impurezas en un proceso conocido como dopaje. Los materiales semiconductores se utilizan para construir diodos , transistores , diodos emisores de luz (LED) y circuitos eléctricos analógicos y digitales , entre sus muchos usos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos como los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones. Los dispositivos semiconductores se fabrican tanto como dispositivos discretos individuales como como circuitos integrados (CI), que consisten en una cantidad (desde unos pocos hasta millones) de dispositivos fabricados e interconectados en un solo sustrato semiconductor . [35]

De todos los semiconductores que se utilizan hoy en día, el silicio constituye la mayor parte tanto por cantidad como por valor comercial. El silicio monocristalino se utiliza para producir obleas que se utilizan en la industria de semiconductores y electrónica . El arseniuro de galio (GaAs) es el segundo semiconductor más utilizado. Debido a su mayor movilidad de electrones y velocidad de saturación en comparación con el silicio, es un material de elección para aplicaciones electrónicas de alta velocidad. Estas propiedades superiores son razones convincentes para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles, comunicaciones por satélite, enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de mayor frecuencia. Otros materiales semiconductores incluyen germanio , carburo de silicio y nitruro de galio y tienen varias aplicaciones.

Relación con otros campos

Google Ngram Viewer: diagrama que visualiza los términos de búsqueda de terminología de materia compleja (1940–2018). Verde: "ciencia de los materiales", rojo: " física de la materia condensada " y azul: " física del estado sólido ".

La ciencia de los materiales evolucionó a partir de la década de 1950, porque se reconoció que para crear, descubrir y diseñar nuevos materiales, uno tenía que abordarlos de manera unificada. Por lo tanto, la ciencia y la ingeniería de los materiales surgieron de muchas maneras: renombrando y/o combinando los departamentos de ingeniería metalúrgica y cerámica existentes ; separándose de la investigación existente en física del estado sólido (que a su vez se convirtió en física de la materia condensada ); incorporando la ingeniería y la ciencia de polímeros relativamente nuevas ; recombinándose de las anteriores, así como de la química , la ingeniería química , la ingeniería mecánica y la ingeniería eléctrica ; y más.

El campo de la ciencia y la ingeniería de materiales es importante tanto desde una perspectiva científica como desde el punto de vista de las aplicaciones. Los materiales son de suma importancia para los ingenieros (o para otros campos aplicados) porque el uso de los materiales adecuados es crucial a la hora de diseñar sistemas. Como resultado, la ciencia de los materiales es una parte cada vez más importante de la formación de un ingeniero.

La física de materiales es el uso de la física para describir las propiedades físicas de los materiales. Es una síntesis de ciencias físicas como la química , la mecánica de sólidos , la física del estado sólido y la ciencia de los materiales. La física de materiales se considera un subconjunto de la física de la materia condensada y aplica conceptos fundamentales de la materia condensada a medios multifásicos complejos, incluidos materiales de interés tecnológico. Los campos actuales en los que trabajan los físicos de materiales incluyen materiales electrónicos, ópticos y magnéticos, materiales y estructuras novedosos, fenómenos cuánticos en materiales, física del no equilibrio y física de la materia condensada blanda. Las nuevas herramientas experimentales y computacionales mejoran constantemente la forma en que se modelan y estudian los sistemas de materiales y también son campos en los que trabajan los físicos de materiales.

El campo es inherentemente interdisciplinario y los científicos o ingenieros de materiales deben conocer y utilizar los métodos de los físicos, químicos e ingenieros. Por el contrario, campos como las ciencias de la vida y la arqueología pueden inspirar el desarrollo de nuevos materiales y procesos, en enfoques bioinspirados y paleoinspirados . Por lo tanto, siguen existiendo estrechas relaciones con estos campos. Por el contrario, muchos físicos, químicos e ingenieros se encuentran trabajando en la ciencia de los materiales debido a las superposiciones significativas entre los campos.

Tecnologías emergentes

Tecnología emergenteEstadoTecnologías potencialmente marginadasAplicaciones potencialesArtículos relacionados
AerogelHipotético, experimentos, difusión,

usos tempranos [36]

Aislamiento tradicional, vidrio.Aislamiento mejorado, vidrio aislante si puede hacerse transparente, manguitos para oleoductos, aplicaciones aeroespaciales, de calor extremo y frío extremo
Metal amorfoExperimentosKevlarArmadura
Polímeros conductoresInvestigación, experimentos, prototipos.ConductoresCables más ligeros y económicos, materiales antiestáticos, células solares orgánicas
Femtotecnología , picotecnologíaHipotéticoNuclear actualNuevos materiales; armas nucleares, energía
FullerenoExperimentos, difusiónDiamante sintético y nanotubos de carbono (Buckypaper)Materia programable
GrafenoHipotético, experimentos, difusión,

usos tempranos [37] [38]

Circuito integrado basado en silicioComponentes con mayor relación resistencia-peso, transistores que operan a mayor frecuencia, menor costo de las pantallas de visualización en dispositivos móviles, almacenamiento de hidrógeno para automóviles propulsados ​​por celdas de combustible, sistemas de filtración, baterías de mayor duración y carga más rápida, sensores para diagnosticar enfermedades [39]Posibles aplicaciones del grafeno
Superconductividad de alta temperaturaSistemas de filtrado de RF y microondas de extremo frontal de receptor criogénico (CRFE) para estaciones base de telefonía móvil; prototipos en hielo seco ; hipótesis y experimentos para temperaturas más altas [40]Cable de cobre, circuitos integrales de semiconductoresConductores sin pérdidas, cojinetes sin fricción, levitación magnética , acumuladores de alta capacidad sin pérdidas , coches eléctricos , circuitos integrales y procesadores sin calor
LiTraConExperimentos que ya se han utilizado para crear la Puerta de EuropaVasoConstruyendo rascacielos, torres y esculturas como la Puerta de Europa
MetamaterialesHipótesis, experimentos, difusión [41]Óptica clásicaMicroscopios , cámaras , encubrimiento metamaterial , dispositivos de encubrimiento
Espuma de metalInvestigación, comercializaciónCascosColonias espaciales , ciudades flotantes
Estructuras multifuncionales [42]Hipotéticos, experimentos, algunos prototipos, pocos comerciales.Materiales compuestosAmplia gama, por ejemplo, control de la salud personal, material de autocuración , transformación.
Nanomateriales : nanotubos de carbonoHipotético, experimentos, difusión,

usos tempranos [43] [44]

Acero estructural y aluminioMateriales más resistentes y ligeros: el ascensor espacialAplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono y la fibra de carbono
Materia programableExperimentos hipotéticos [45] [46]Recubrimientos , catalizadoresAmplia gama, por ejemplo, claytronics , biología sintética
Puntos cuánticosInvestigación, experimentos, prototipos [47]Pantalla LCD , LEDLáser de puntos cuánticos , uso futuro como materia programable en tecnologías de visualización (TV, proyección), comunicaciones ópticas de datos (transmisión de datos a alta velocidad), medicina (bisturí láser)
SiliconaHipotético, investigaciónTransistores de efecto de campo

Subdisciplinas

Las principales ramas de la ciencia de los materiales provienen de cuatro clases principales de materiales: cerámica, metales, polímeros y compuestos.

También existen iniciativas de amplia aplicación e independientes de los materiales.

También hay enfoques relativamente amplios en los materiales sobre fenómenos y técnicas específicos.

Sociedades profesionales

Véase también

Referencias

Citas

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Ciencia de los materiales .
Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Ciencia de los materiales
  • Conferencia MS&T organizada por las principales sociedades de materiales
  • MIT OpenCourseWare para Maestría en Ingeniería Electrónica
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