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• Karla Ramirez

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26/02/2019

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