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FUNDAMENTOS DE CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES
L1. TIPOS DE MATERIALESJuan José del Campo GorostidiPh.D. Materials Science & Engineering Metallurgy 25.03.2020. Revisión 0
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L1. TIPOS DE MATERIALES
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En una visión clásica, y atendiendo al tipo de enlace químico, clasificamos los materiales
en: Metálicos, Cerámicos y Polímeros, situándolos en los vértices de un triángulo.
Metales
Cerámicos Polímeros
El mundo natural y la tecnología ha permitido desarrollar materiales compuestos,
combinando las propiedades de pares antagónicos, los situamos en el centro del triángulo.
En los últimos años, surgen nuevas categorías: biomateriales, nanomateriales, metamateriales,
semiconductores, dando lugar a lo que podríamos denominar Materials Cosmology.
Composites
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L1. TIPOS DE MATERIALES
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Metales
Cerámicos Polímeros
Composites
Nanomateriales
Metamateriales
La ciencia expande el número de materiales disponibles
Materials Cosmology
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¿En qué se distinguen unos de otros?: en el Tipo de Unidad Estructural
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Tipos de unidades estructurales
Iones Atomos Moléculas
Enlace
MetálicoEnlace
IonicoEnlace
CovalenteFuerzas de
Van der Waals
Puentes de
Hidrógeno
Deslocalizado
Dúctil
Tenaz
Conductor
No Direccional
Duro
Frágil
Tfusión Alta
Solubles H20
Direccional
Comparten e-
Tfusión Baja
Frágil
No deformables
Enlace débil
Tfusión Baja
Deformable
No conductor
Menos débil
que
FdeVderW
Formación
Dipolos
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Tipos de Átomos Tipo de Enlace Características
Metal con No Metal IONICO Transferencia Electrones
No Metal con No Metal COVALENTE Electrones Compartidos
Metal con Metal METALICO Nube Electrónica
Razonemos sobre la Tabla Periódica
➢ Los metales tienen una baja energía de ionización: ceden electrones
➢ Los no metálicos son electronegativos: tienen tendencia a captar electrones
➢ Metales con No Metales tienen a formar enlaces iónicos
➢ Al constituir el enlace: disminuye su energía
➢ De menor a mayor Electronegatividad
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Tipos de Átomos Tipo de Enlace Características
Metal con No Metal IONICO Transferencia Electrones
No Metal con No Metal COVALENTE Electrones Compartidos
Metal con Metal METALICO Nube Electrónica
Enlace Covalente Enlace Metálico
-
-
-
-
-Zn
2+
Zn
2+
-Zn
2+
Conductividad | Ductilidad | Tenacidad
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Enlaces por Fuerzas de Van der Waals
+
➢ La existencia de dipolos da lugar a este tipo de enlaces
➢ Dos tipos de dipolos: temporales y permanentes
➢ Determinantes en las propiedades de los polímeros: Tfusión, E, Coef. Dilatación
- + -
covalente
covalente
Fuerzas de Van der Waals
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Enlaces por Puente de Hidrógeno
-NH
➢ Se forma cuando un átomo de hidrógeno se une con un átomo muy electronegativo
y de pequeño radio atómico, tal como el nitrógeno, el oxígeno y el fluor.
-F
- ---
- -
H
FH
dipolo
El átomo de
hidrógeno no tiene
electrones
“core” que protejan
su
Núcleo, por lo que
queda con
carga positiva.
Se forma el dipoloFH
+-
➢ La elevada temperatura de ebullición del agua se debe a los enlaces por
puentes de hidrógeno en la molécula
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Materiales Compuestos
➢ Consisten en la combinación de dos o más materiales, -mayoritariamente de tipos
distintos y con propiedades físicas y químicas diferentes- para mejorar sus prestaciones
en una aplicación concreta.
➢ Existen desde la más remota antigüedad
➢ Buena parte de las aleaciones metálicas presentan composites en su microestructura
➢ Hoy día, más del 50% de los materiales de una aeronave son composites
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Materiales Compuestos
❑ Tipos de refuerzo: partículas, fibras, láminas
❑ Combinaciones: metal-cerámico, metal-polímero, cerámico-metal, …
❑ Funcionalidades: mejora propiedades mecánicas, menor fluencia, estrucurales, …
❑ Parámetros: presión, vacío, temperatura, tamaño de partícula, enfriamiento, dispersión, …
❑ Métodos de fabricación: dispersión, moldeo, impregnación, pultrusión, transferencia
de resina RTM, transferencia de resina asistida con vacío VARTM,…. y también en
impresión 3D
Fuente: markforged.com. Estados Unidos
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L1. TIPOS DE MATERIALES
El mundo consume 101 billones de toneladas de materiales, de los cuales 61
son minerales, 15 combustibles fósiles y 25 cultivos.
El gráfico muestra la evolución del consumo de materiales per cápita.
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L1. TIPOS DE MATERIALES
El consumo de materiales por sectores es el que se muestra en el gráfico.
Fuente: elaboración propia sobre datos 2018
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Del total de materiales utilizados, el 15% se transforman en emisiones, el 22% en
pérdidas ambientales y el 33% en residuos. Sólo se recicla el 9% del consumo de
materiales mundial.
La economía circular –conocida como actividades PaaS Product as a Service- es un
reto y constituye una oportunidad para los países más avanzados.
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L1. TIPOS DE MATERIALES
En la UE-28 el tipo de materiales más consumido son los minerales no metálicos
47% del total, 26% biomasa, 22% combustibles fósiles y 5% metales.
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L1. TIPOS DE MATERIALES
La UE actualizó en 2017 el listado de materias primas fundamentales, resultando
una lista de 27 CRM’s Critical Raw Materiales. La figura muestra la distribución de
la oferta mundial. Resulta obvia la dependencia que tiene la UE del aprovisionamiento
de CRM’s.
Fuente: Comisión Europea
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L1. TIPOS DE MATERIALES
En su estudio la Comisión Europa evaluó el impacto económico y el riesgo de
suministro de cada materia prima, definiendo los 27 materiales críticos.
El gráfico muestra
la importancia que
tendrá la economía
circular, el diseño y
la eficiencia en la
disponibilidad de
CRM’s.
Fuente: Comisión Europea
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L1. TIPOS DE MATERIALES
En el contexto descrito, se desarrollan nuevos materiales.
Cemento y Hormigón
➢ Son los materiales con mayor consumo tras el agua
➢ Su fabricación produce del 5 al 7% de las emisiones del CO2 mundial
❑ Bloques de hormigón curados con C02
❖ Menor consumo de energía: huella de carbono negativa
❖ Sustitución del carbonato cálcico por silicato cálcico
❖ Toma de resistencia en 24 Hr frente a 28 días
Fuente: Solidia Technologies. www.solidiatech.com
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L1. TIPOS DE MATERIALES
En el contexto descrito, se desarrollan nuevos materiales.
Nanotecnología y Microtecnología: METAMATERIALES
➢ Compuestos ordenados con propiedades físicas distintas a los de sus constituyentes
➢ El tamaño de sus componentes determina sus características
➢ Tamaños en el rango de nanómetros a micras
❑ Aplicaciones ópticas: lentes planas, protección visión frente a láser
❑ Nuevas drogas y dispositivos para la salud, comunicaciones, supercomputadoras
❖ Indice de refracción negativo, siendo positivo el de sus materiales constitutivos
Fuente: Metamaterial Technologies, Inc. Canadá
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L1. TIPOS DE MATERIALES
En el contexto descrito, se desarrollan nuevos materiales.
BIOMATERIALES
➢ Interacción de la biología y la ciencia de materiales
➢ Sistemas músculo-esqueléticos
➢ Regeneración de tejidos
❑ Polímeros naturales
❑ Hidrogeles
❑ Vidrios bioactivos
Fuente: Royal School of Mines. Department of Materials.. Imperial College. London
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Nuevos procesos para el procesamiento de materiales
IMPRESIÓN 3D
Prótesis de TántaloFuente: Global Advanced Metals. Dr. Craig Sungail.
Foto de CQCB.com
Fuente: University of Maine
Fuente: 3D Print.com
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L1. TIPOS DE MATERIALES
Bibliografía
Ciencia e Ingeniería de Materiales. Prf. Dr. José Antonio Pero Sanz. Editoral Dossat. Madrid
ISBN 978-84-964-3744-9
Ciencia e Ingeniería de Materiales. William D. Callister, Jr. David G. Rethwisch. Editorial
Reverté. Barcelona. ISBN 978-84-291-7251-5
Materials Processing – A Piece of Cake!. A Novel Method for Illustrating Processing-
Structure-Property Relationships in Materials. Diane C. Folz Department of Materials
Science and Engineering Virginia Polytechnic Institute and State University
Blacksburg, VA 24060
