26/02/2019 Unidad 1 Introducción a la Ciencia de los Materiales Ciencia de los materiales Ingeniería de los materiale
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Unidad 1 Introducción a la Ciencia de los Materiales
Ciencia de los materiales
Ingeniería de los materiales Estructura
Propiedades
estructura Propiedades
Diseña Proyecta
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Estructura Propiedades Elaboración
Sociedad requiere
Productos manufacturados Procesos
Estructura
Propiedades
Ing. Investigación y Desarrollo Crean o modifican materiales Ing. Diseño Usan materiales (Nuevos, Modificados) Productos/Sistemas
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Impacto y evolución de la tecnología de los materiales: Industria Automotriz
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Línea del tiempo de los materiales ligeros en autos y camionetas
enery.gov
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Línea del tiempo de los materiales de alto desempeño
Baquelita
1907 Neopreno
Pyrex
1915 Fibra de vidrio
Acero inoxidable austenítico
1925 Nylon
1930 1930’s
1934
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Plexiglass
1936 Titanato de bario
1945
Pyroceram
1952 Zeolitas sintéticas
Teflón
Super aleaciones de Ni
1938
1940
Poly T
Silicona
1950
1946
Diamantes sintéticos
Dacrón
1953 Obleas de silicio
1954 1960
1954 Aleaciones Ni-Ti Memoria de forma
1962
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Fibra de carbono
1964 Metales tierras raras
1980
Aleaciones metálicas amorfas
1970 Piel sintética
1980-1990
Polímeros orgánicos conductores
1977 Nanotecnología
1990-al presente
Materiales Inteligentes: materiales que tienen la capacidad de detectar y responder a los estímulos externos.
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Nanomateriales
Tsuzuki, 2009
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¿Qué tipo de materiales se requieren? ¿Qué mejoras buscarían en cada uno?
Metálicos
Cerámicos y vidrios
Tipos de materiales Poliméricos
Materiales compuestos
Semiconductores
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Materiales Metálicos Resistencia mecánica Ductilidad Conductores electricidad
Cerámicos Estabilidad química Estabilidad térmica refractarios Fragilidad
Materiales Cerámicos
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VIDRIOS
Metálicos Cerámicos
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Materiales poliméricos Propiedades • Fácil procesado productos de elevado consumo • Elevada ductilidad neumáticos, plásticos para embalaje • ligeros automóvil, aeronáutica, aeroespacial • aislantes térmicos construcción • aislantes eléctricos recubrimiento de cables •Resistencia química tuberías, recipientes y recubrimientos
Materiales compuestos Combinación de dos o mas materiales (cerámicos, poliméricos o metálicos)
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Semiconductores Materiales con capacidad intermedia de conducción de electricidad
Conductores
semiconductores
aislantes
Relación de las propiedades y la estructura
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Ejercicios:
1.2 Enlace atómico
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Compartición transferencia Primario fuerte
Enlaces químicos secundario
Atracción débil
ESTRUCTURA ATÓMICA
PROTÓN NEUTRÓN ELECTRÓN
1.6X10-24 g
9.11X10-28 g
1.6X10-19 C - 1.6X10-19 C
Número de Avogadro 6.023X1023 átomos/molécula
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El átomo de Bohr hv Ei E f
Átomo de hidrógeno
Variación de la energía (E) asociada con la transición del e- de un nivel a otro
E=hv
E= - 13.6 eV n2
E= hc
h= 6.62 x 10-34 J s c =3 x108 m/s
n= número cuántico principal
E E f Ei E fotón hv
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Efecto fotoeléctrico
Distribución de energía es independiente de la intensidad de la luz La energía de los electrones depende de la frecuencia de luz utilizada
Louis de Broglie
Materia ondulatorias corpusculares
h h p mv
Interferencia constructiva Interferencia destructiva
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Schorindger Ecuación de onda Comportamiento ondulatorio de partículas (e-)
Mecánica cuántica
Funciones de onda 2
2 Ubicación de un electrón cuando está en un estado de energía permitido Densidad de probabilidad
Ejemplo: Un átomo de hidrógeno existe con su electrón en el estado n=3. el electrón pasa a un estado n=2, calcule: a) La energía del fotón emitido b) Su frecuencia (v) c) Su longitud de onda () d) Indique si se emite o absorbe energía
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Ejemplo 2
La mayoría de los modernos microscopios electrónicos de barrido (SEM) están equipados con detectores de energía dispersiva de rayos X que facilitan el análisis químico de la muestra. Este análisis por rayos X es una extensión natural de la capacidad del SEM debido a los electrones que se emplean para formar la imagen y que son también capaces de crear rayos X característicos de la muestra. Cuando un haz de electrones incide sobre la muestra, se generan rayos X específicos de los elementos de la misma. Éstos pueden detectarse y emplearse para deducir la composición de la muestra a partir de las longitudes de onda bien conocidas de los rayos X característicos de los elementos. Por ejemplo:
Supóngase que se analiza una aleación metálica en un SEM y se detectan tres diferentes energías de rayos X. Si las tres energías son 7492; 5426 y 6417 eV, ¿qué elementos se encuentran presentes en la muestra?¿Cómo se podría llamar a tal aleación?
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ENLACE IÓNICO
Enlace no direccional
Fneta= Fatractivas+Frepulsivas
Fatractivas
z
z e2
1 2
4 0 a 2
z1, z2 = número de electrones cedidos o aceptados e= carga del electrón a= distancia de separación interiónica 0= permitividad en el vacio =8.85 x 10 -12C2/(Nm2)
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Fuerza de repulsión
Frepulsiva
nb a n 1
b y n son constantes n valores de 7 a 9
Fuerza neta
Fneta
z1 z2e2 nb n 1 2 4 0 a a
Ejemplo: Si la fuerza atractiva entre un par de iones Mg+2 y S-2 es 1.49 x10-8 N y si el ion S-2 tiene un radio de 0.184 nm. Calcule el valor del radio iónico del Mg+2 en nanómetros.
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Energía potencial neta
Eneta
z1 z2e2 b 4 0 a a n
Calcule la energía potencial neta de un par iónico sencillo Na + Clmediante la ecuación
Eneta
z1 z2e2 b n 4 0 a a
Considere:
n= 9 a=0.276 nm Frepulsiva=-3.02 x10-9 N
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Energías de enlace de sólidos iónicos
Aplicación de voltaje
Movimiento de iones lento
Conductividad eléctrica pobre
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Enlace covalente
Corresponden a fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas cuando se comparten electrones para formar un enlace con una dirección localizada.
e- “s”
Materiales: •Baja ductilidad • Mala conductividad térmica y eléctrica
Enlace direccional Estructura tetraédrica
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Carbono -diamante
Eenlace= 711 kJ/mol T fusión= 3550°C
Enlace metálico Implican fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas cuando se comparten electrones en forma deslocalizada para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos. Átomos muy juntos Ordenados sistemáticamente No hay restricción sobre pares electrónicos No hay restricción sobre neutralidad de carga
Alta conductividad térmica y eléctrica
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Ceden e-
Conductores eléctricos
Mar de e-
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Metales alcalinos –menor punto de fusión Mayor número de e-s de valencia mayor punto de fusión
Relación de metalitividades-covalentes El C se considera 100% covalente
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Calcule el porcentaje de enlace metálico y covalente en el hierro sólido, que tiene una temperatura de fusión de 1 535°C y una M-C de 1.75
ENLACES SECUNDARIOS
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Enlaces secundarios