CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO · PDF fileLas aleaciones férricas se...
Transcript of CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO · PDF fileLas aleaciones férricas se...
CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO
Nuevas necesidades,
nuevos materiales
Nuevas necesidades, nuevos materiales
La llamada Ciencias de los materiales, es una
rama del conocimiento relativamente reciente.
Sus equipos de investigación son
multidisciplinares (ingenieros, físicos,
químicos, informáticos e incluso biólogos y
médicos) y sus elementos de trabajo son los
elementos de la tabla periódica.
Nuevas necesidades
Los campos en los que más se han creado nuevas necesidades que han hecho necesario el diseño de materiales nuevos han sido:
• Aeronáutica
• Medicina
• Electrónica
• Construcciones
• Material deportivo
• Medioambiente
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
MATERIALES
METALES Y ALEACIONES
FERREOS
ACEROS
FUNDICIÓN
NO FERREOS
POLIMEROS
PLÁSTICOS
FIBRAS
CAUCHOS
CERAMICOS Y VIDRIOS
LADRILLOS
TEJAS
PORCELANA
VIDRIO
COMPOSITES
NANOCIENCIA
Semiconductores
Material es una sustancia que
tiene una utilidad concreta
Su principal componente es el hierro. Las aleaciones férricas se obtienen por la mezcla de un metal que contiene hierro con otro metal o con algún no metal. ACERO Es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 1,76% en peso, alcanzando normalmente porcentajes entre el 3%, admiten forja. Se le pueden añadir otros materiales (manganeso, níquel, titanio, etc)
FUNDICIONES Son aleaciones de hierro y un porcentaje mayor que el 1,76% de carbono (hasta el 6.77% ), estas aleaciones al ser quebradizas y no poderse forjar, se moldean.
METALES ALEACIONES FÉRRICAS
ACERO INOXIDABLE
Aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa, es resistente a la corrosión
¿PARA QUÉ SE PUEDEN UTILIZAR LOS DIFERENTES TIPOS DE ACEROS ?
ACERO LAMINADO Se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero.
ACERO FORJADO La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades acero.
ACERO CORRUGADO Es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón.
ACERO INOXIDABLE Aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa, es resistente a la corrosión
ACERO CORTEN En la oxidación superficial del acero corten crea una película de óxido impermeable al agua y al vapor de agua que impide que la oxidación del acero prosiga hacia el interior de la pieza. Esto se traduce en una acción protectora del óxido superficial frente a la corrosión atmosférica, con lo que no es necesario aplicar ningún otro tipo de protección al acero como la protección galvánica o el pintado
ALGUNOS METALES NO FÉRREOS
METALES NO FERREOS
CARACTERISTICAS APLICACIONES
ALUMINIO Ligero, blando resistente INDUSTRIA AERONAUTICA, construcción
COBRE Gran conductividad eléctrica, resistente a la corrosión
cableado
TITANIO Enorme resistencia mecánica y a la corrosión
Tecnología aeroespacial Medicina
TÁNTALO Superconductor Telefonía móvil
ZINC Resistente a corrosión, bajo punto de fusión
Tejados, revestimientos
COLTÁN
¿Qué es el coltán?
Tantalio
Es la abreviatura de la mezcla de Columbita-Tantalita, metal que cuando se refina da lugar a tántalo metálico, resistente al calor que puede aguantar una alta carga eléctrica.
Se trata de un recurso estratégico, imprescindible en la fabricación de componentes electrónicos avanzados, se usa principalmente en la fabricación de condensadores.
Permite que las baterías de los teléfonos móviles mantengan por más tiempo su carga optimizan el consumo de corriente eléctrica.
Es un superconductor resistente a la corrosión capacitado para almacenar carga eléctrica temporal y liberarla cuando se necesita
Tiene una alta eficacia volumétrica, ( permite reducir, en forma drástica, el tamaño de los equipos electrónicos), alta fiabilidad y estabilidad sobre una gama de temperaturas amplia (-55°C a 125°C)
¿Qué propiedades tiene ?
¿Qué aplicaciones tiene?
Es utilizado en casi la totalidad de dispositivos electrónicos: teléfonos móviles, GPS, satélites artificiales, armas tele dirigidas, televisores de plasma, ordenadores portátiles, medicina (implantes), PDAs, MP3, MP4...
¿Dónde se encuentra? El 80 por ciento del coltán se
encuentra en el Congo, el resto se puede encontrar en Tailandia y Australia.
Las grandes multinacionales
pujan para hacerse con el monopolio de su producción. Para conseguirlo, suministran armas a los señores de la guerra, que explotan a sus conciudadanos pagándoles 20 céntimos al día para que encuentren coltán.
¿Cómo se extrae?
El material se extrae a poca profundidad haciendo agujeros en el suelo con palas, se tritura y después y se mete en zonas de lavado, donde el metal se deposita en el fondo por su mayor densidad. Luego se extrae el tantalio y niobio.
¿Qué problemas se derivan de su
explotación? 1. BÉLICOS
Su explotación en África ha estado, y está, ligada a conflictos bélicos para conseguir el control de este material.
El control de las minas ha generado una guerra que ha dejado cerca de 5,5 millones de víctimas. Gran parte de los ingresos de la venta de coltán han servido para comprar armas para los ejércitos y milicias.
2. HUMANOS
Más de 10.000 mineros en el
Congo recolectan en condiciones
infrahumanas arcilla rica en coltán.
Mientras un trabajador, que trabaja
en las minas extrayendo coltán y
que puede llegar a sacar un
kilogramo diario del mismo, gana
entre 10 $ y 40 $ semanales, ese
kilogramo de coltan cotiza en el
mercado internacional a 400 $.
3. SALUD
El método de extracción es
arcaico y junto al coltán
aparecen otros minerales
radiactivos (uranio, radio…)
ante los que los trabajadores se
ven expuestos sin ninguna
protección, por lo que ha
habido una gran cantidad de
enfermos por radiación.
3. AMBIENTALES
La extracción de coltán tiene
consecuencias medioambientales notables:
- La tala de los bosques del Congo
(África) para extraerlo
- la contaminación de los ríos de la zona
y grandes lagos
- la destrucción del entorno
- el desplazamiento humano y de la
especies.
La explotación salvaje de este recurso está
provocando la destrucción del hábitat
de los gorilas en los ocho parques del
Congo la población de gorilas ha
descendido un alarmante 90% apenas
quedan 3.000 ejemplares
¿DE QUÉ ESTAN HECHOS LOS MATERIALES PLASTICOS? Materiales sintéticos formados por macromoléculas orgánicas llamadas polímeros obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo
Según su comportamiento frente
al calor :
Termoplásticos A temperatura ambiente, es plástico o deformable, se
convierte en un líquido cuando se calienta y se endurece
en un estado vítreo cuando se enfría suficiente.
polietileno, metacrilato, PVC, nailon, rayon
Termoestables Son materiales que una vez que han sufrido el proceso
de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se
convierten en materiales rígidos que no vuelven a
fundirse. Baquelita (teléfonos, joyas, automóviles, etc)
melamina
polietileno
metacrilato
PVC
Baquelita silicona
ELASTOMEROS Capaces de deformarse al ser
sometidos a presión y recuperar su
forma inicial al cesar la misma.
Silicona, polibutadieno,
policloropropeno
polibutadieno,
policloropropeno
Ejemplos de nuevos plásticos:
Bioplásticos a base de maíz y otros recursos naturales renovables son generalmente
biodegradables.
Conductores de la electricidad: Investigadores australianos han demostrado que añadiendo una
delgada lámina de metal y mezclándola con la superficie del polímero se pueden desarrollar
nuevos plásticos, conductores flexibles, baratos y resistentes.
Con nuevas propiedades que impiden el paso, de radiación ultravioleta, campos eléctricos,
magnéticos… sin alterar la transparencia de los mismos.: útiles en invernaderos y otras
aplicaciones.
Para contener alimentos. Los nuevos envases están elaborados con materiales de origen
renovable como el almidón, que hacen de barrera para que el oxígeno no traspase el plástico
y, por lo tanto, permitir que el alimento que contienen dure mucho más tiempo en perfectas
condiciones.
FIBRAS TEXTILES Las fibras textiles son polímeros lineales de
alto peso molecular y con una longitud de
cadena lo suficientemente grande para ser
hiladas.
Clasificación según su origen :
Origen Natural- Fibras
Naturales (algodón,
lana, lino
Origen Artificial (origen
natural pero
manufacturada) - Fibras
Artificiales (rayón)
Origen Sintético- Fibras
Sintéticas (Gore-tex,
nilon, Lycra, elastano)
Fibras Naturales
Fibras Artificiales
Fibras Sintéticas
FIBRAS DE ORIGEN NATURAL Las fibras obtenidas de una planta o un animal se clasifican como fibras naturales.
De Origen Animal: Proteicas
Lana: ovejas Pelos: Cabra, Camélidos,
Angora. Seda: gusanos de seda.
De Origen Vegetal:
Fruto: Algodón, Coco, Tallo: Lino, Yute, Cáñamo. Hoja: Sisal, Esparto.
Algodón,
Yute
Lino,
Esparto
Cabra
seda Lana
FIBRAS DE ORIGEN ARTIFICIAL
Tipos: •Plásticos Proteicos: Caseína, Lanital. •Celulósicas: a) Rayón Viscosa se obtiene a partir de láminas de celulosa de la madera del abeto. b) Rayón acetato •Minerales: Fibra de vidrio, hilo metálico.
Rayón Viscosa
Plásticos de Caseína
Casco de fibra de vidrio
Rayón acetato
FIBRAS SINTETICAS son termoplásticas, estables, para permitir hilarlas directamente a partir del polímero fundido. CLASIFICACION: -FIBRAS DE NYLON La base para la manufactura es el benceno FIBRAS POLIÉSTER se hacen de grandes polímeros, a partir de la condensación de alcoholes y ácidos orgánicos o de hidroxiácidos. FIBRAS ACRÍLICAS Se hacen por polimerización de radicales de acrilonitrilo en tejidos de punto en lugar de telas, alfombras y tapicerías. FIBRAS ELASTOMÉRICAS procedentes del latex del caucho.
NYLON
ACRÍLICAS
POLIÉSTER
latex
CERÁMICAS Estos materiales procedentes de arenas y arcillas, no son metálicos ni
poliméricos. Son duros, resisten el calor y el ataque químico y adquieren
propiedades eléctricas especiales. La investigación busca ahora la solución
de su principal defecto: la tendencia que muestran a romperse.
Las nuevas cerámicas, alúmina, circonio, carburo de silicio, entre otras, son
ahora más duras, ligeras y resistentes al calor, al óxido y la corrosión.
Además resultan más baratas, pues la base de su fabricación, arenas,
arcillas, etc, se encuentran de manera abundante en la naturaleza.
APLICACIONES DE LAS
NUEVAS CERÁMICAS
El resultado pueden ser cuchillos y tijeras que mantienen un filo casi
diamantino y que pueden durar años sin necesidad de volverlos a afilar,
también tazas o recipientes que no se rompen aunque las arrojemos con
todas nuestra fuerza contra una pared de ladrillo.
En la industria automotriz, principalmente en los Estados Unidos y el
Japón, y ya está a la vuelta de la esquina el motor de cerámica, en la que
una de sus principales ventajas es la de operar a más altas temperaturas y
por lo tanto más eficientes al quemar los combustibles
Otras aplicaciones que se están dando y que tienen un futuro brillante
es en la medicina. Un ejemplo de ello y que compite con cualquier
otro material como el titanio, por ejemplo, se da en las prótesis.
COMPOSITES
Composites o resinas compuestas son materiales compuestos de varios materiales con propiedades diferentes y que forman una nueva sustancia con nuevas propiedades: mayor resistencia, más ligeros, etc. Se crea una matriz con un material que se rellena con otros materiales.
Se diferencian dos tipos de componentes: los de cohesión y los de refuerzo.
Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo manteniendo la rigidez y la posición de éstos. Los refuerzos confieren unas propiedades físicas al conjunto que mejoran las propiedades de cohesión y rigidez.
Suelen formar estructuras muy resistentes y livianas, se utilizan en : aeronáutica, fabricación de prótesis, astro y cosmonáutica ingeniería naval, ingeniería civil, artículos de campismo, etc
El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite más antiguo que conocemos y que hasta hace poco era utilizado en la construcción de viviendas. Macroscópicamente la arcilla (cohesión) se distingue de la paja (refuerzo) pero la mezcla heterogénea tienen unas propiedades mecánicas mejores de sus respectivos componentes individuales. Otro ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormigón armado con una matriz de acero corrugado. El cemento sería la matriz y el acero corrugado, el material de refuerzo.
Composites utilizados
desde siempre
NUEVOS COMPOSITES En los nuevos composite, los refuerzos hacen aumentar la resistencia, rigidez, aislamiento eléctrico, resistencia al calor y la estabilidad dimensional del componente de cohesión. Por ello, estos composites superan a los metales, la madera y los plásticos no reforzados, en decenas de millares de aplicaciones en todo el mundo:
Medicina Transportes Electro/Electrónica Construcción Civil Consumo/Recreación
Fibra de vidrio: resina de poliester (matriz) y fibra de vidrio (refuerzo)
Fibra de carbono: resina epoxy (matriz) y fibra de carbono (refuerzo)
Composite sánwiches: vidrios de sguridad. Constan de una lámina de plástico entre dos laminas de vidrio, para que al romperse el plástico mantenga unidas las astillas de vidrio.
¿QUÉ ES LA NANOTECNOLOGIA?
Trabajando con estructuras de menos de 100 nm de tamaño (un
nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) permite diseñar,
crear, sintetizar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos.
En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y
máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas.
El interés de esta tecnología radica en el hecho de que el pequeño tamaño
conlleva propiedades físicas y químicas que difieren significativamente de
las habituales a mayor escala. Científicos utilizan la nanotecnología para
crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con
propiedades únicas.
Es el control y manipulación de la materia a una escala menor que un
micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales).
Fuente de energía renovable
Grafeno
El grafeno es una sustancia
formada por carbono puro, con
átomos dispuestos en patrón
regular hexagonal, similar al
grafito, pero en una hoja de un
átomo de espesor. Es muy ligero:
una lámina de 1 metro cuadrado
pesa tan sólo 0,77 miligramos. Es
aproximadamente cinco veces
más ligero que el acero. Se
considera 200 veces más fuerte
que el acero y su densidad es
aproximadamente la misma que la
de la fibra de carbono.
Propiedades del grafeno Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de
acero del mismo espesor.
Es muy flexible y elástico.
Es transparente.
Conductividad térmica y eléctrica altas.
Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo.
Sirve de soporte de radiación ionizante.
Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible.
Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.
Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad.
Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
Se autorrepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.
En su forma óxida absorbe residuos radioactivos.
Grafeno, el material del futuro Este material se ha hecho relamente
famoso cuando los científicos Novoselov y
Geim consiguieron aislarlo de la
temperatura que lo hacía muy inestable,
logrando así el premio Nobel en 2010.
Más aplicaciones del grafeno
Algunas de las aplicaciones de los
nanos-materiales TECNOLÓGICAS
Los "nanotubos de carbono", uno de los
múltiples materiales creados por la
nanotecnología, son el material más
fuerte conocido por el ser humano:
mientras un cable de acero de alta
resistencia de 0.56 milímetros de
espesor puede soportar un peso de
unos 102 Kg., un cable de nanotubos del
mismo grosor puede soportar un peso
de hasta 15.3 toneladas.
Se consideran 100 veces más fuertes y
resistentes que el acero, y su peso es
1/6 de su peso. Además, conducen la
electricidad mejor que el cobre y son
buenos conductores de calor.
Actualmente, todos los estudios de
nanotecnología se enfocan en estos
nanotubos.
ALGUNOS NUEVOS MATERIALES Nuevas necesidades Nuevos materiales Ventajas y aplicaciones
Aeronáutica Cerámicas Composites (con fibra de carbono)
Resistentes al calor Ligeros y resistentes
Medicina Metales inoxidables Polímeros Plásticos autorreparables Fullerenos
Reparar huesos Vasos sanguíneos Piel artificial Nuevos medicamentos
Electrónica Silicio Coltán Nanotubos (grafeno)
Superconductores
Construcciones Composites Cerámicas Nanotecnológicos
Resistentes a terremotos y aislantes Repelen líquidos (sanitarios) Paredes antigraffitis
Material deportivo Fibra de carbono Polímeros
Gran resistencia y ligereza Aislantes y muy ligeros