La caracterización de materiales involucra técnicas térmicas, mecánicas y eléctricas. Entre las técnicas térmicas se encuentran la determinación de la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica, y la temperatura de fusión mediante análisis térmico. Las técnicas mecánicas incluyen ensayos de tracción, fluencia, dureza y fatiga. Las caracterizaciones eléctricas comprenden la medición de propiedades como la resistividad eléctrica mediante

1. T E R M I C A S , M E C A N I C A S Y E L E C T R I C A S
TECNICAS ESPECIFICAS
DE CARACTERIZACIÓN

2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
• Se le llama caracterización de materiales a la obtención
de información a partir de la respuesta de un material al
ser perturbado por una señal. Caracterización es
diferente al análisis instrumental.
• En la Ingeniería de los Materiales es necesario conocer o
predecir las propiedades de un material y así valorar su
utilidad en diversas aplicaciones.
• La caracterización nos permite obtener información
sobre la composición, estructura, topología, topografía,
morfología, propiedades (color, Tm, etc.) de un
material.

3. TÉCNICA INSTRUMENTAL O DE
ANÁLISIS
• Proceso científico fundamental que ha demostrado
ser útil para proporcionar información acerca de la
caracterización de los materiales. La principal
función de la instrumentación, es convertir una
señal analítica a un formato entendible para el ser
humano.

4. COMPONENTES DE UN INSTRUMENTO
DE ANÁLISIS
• a) Generadores de señal
• b) Transductores de entrada (Termopar, fotocélula, brazo
balanza, etc.)
• c) Procesadores de señal (amplificador, filtros, atenuadores,
integradores, rectificadores)
• d) Dispositivo de lectura (medidor de escala, registro,
microprocesadores)

5. GENERALIDADES
• Caracterización térmica
• El análisis térmico puede definirse como la medida de las
propiedades físicas y químicas de los materiales en función de
la temperatura y el tiempo
• Propiedades que se utilizan
• Entalpía
• Capacidad calorífica
• Masa
• Coeficiente de expansión térmica
• Temperatura de fusión
• Temperatura de ebullición
• Análisis termo gravimétrico (ATG)
• Análisis térmico diferencial (ATD)
• Análisis termo mecánico o dilato métrico

6. ALGUNOS EJEMPLOS DE
CARACTERIZACIÓN TÉRMICA
• Determinación del coeficiente de expansión térmica
mediante Análisis Termo mecánico (TMA)
• Determinación de termo estabilidad de polímeros mediante
TGA
• Determinación de conductividad térmica en sólidos por DSC
modulado
• Determinación de capacidad calorífica especifica en sólidos
y líquidos por DSC
• Determinación de temperaturas de polimerización mediante
DSC

7. • Caracterización Mecánica
• Los ensayos mecánicos nos permiten la caracterización
de materiales metálicos, cerámicos, polímeros y
compuestos mediante la determinación de
propiedades mecánicas. Todos los ensayos se realizan
siguiendo la normatividad existente, pueden realizarse a
escala micro y macro.

8. PROPIEDADES MECANICAS
• Tensión o tracción
• Compresión
• Impacto
• Torsión
• Resistencia a la Fatiga
• Flexión
• Doblez
• Desgaste
• Obtención de curvas esfuerzo-deformación
• Deformación elástica
• Deformación plástica

9. CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA
• Pruebas eléctricas
• Determinación de impedancia
• Determinación de resistencia eléctrica
• Determinación de capacitancia
• Determinación de inductancia
• Determinación del ciclo de histéresis magnética
utilizando un magnetómetro de muestra vibrante
• Determinación de propiedades dieléctricas
• Determinación de resistividad estática

10. • Materiales piezoeléctricos
• El efecto piezoeléctrico describe la relación entre una tensión
mecánica y un voltaje eléctrico en sólidos. Es la capacidad
de ciertos materiales –minerales, cerámicas y algunos
polímeros- para producir una carga eléctrica en respuesta a
un esfuerzo mecánico aplicado. También puede observarse
el efecto inverso, en el que los materiales piezoeléctricos se
deforman por la aplicación de un campo eléctrico.

11. CARACTERIZACIÓN
MECANICA

12. • Los materiales se requieren para transmitir la
energía mecánica entre ciertas partes de una
máquina.

13. • Los materiales constituyen los componentes y
reaccionan con esfuerzos y alargamientos
oponiéndose a las solicitaciones. Es lo que se
denomina características mecánicas de los
materiales o capacidad de transmitir o soportar las
variables de energía mecánica.

14. • El diseño óptimo de una pieza, o máquina como
conjunto de piezas, requiere el compromiso de la
buena conformación, de acuerdo con las
funciones específicas, y el buen dimensionamiento,
de acuerdo con la adecuada selección del
material

15. • Se tienen distintos tipos de ensayos para determinar
las características mecánicas de los materiales.
• Estos ensayos de clasifican en Estáticos y Dinámico

16. ESTATICOS

17. TRACCIÓN
• El ensayo de tracción es el primer ensayo, en
importancia, obligatorio para conocer las
características resistentes de los materiales
metálicos, cerámicos y también poliméricos y
compuestos, a la temperatura ambiente.
• Este ensayo se trata de sujetar una probeta del
material de ambos extremos y aplicar una carga
en sentidos opuestos y observar el comportamiento
del material.

19. FLUENCIA
• El ensayo de fluencia es ensayo obligatorio para
conocer las características resistentes de los
materiales metálicos y compuestos cuando la
temperatura de servicio es media o alta, superior a
los 300°C. Pero también es aplicable a
temperaturas ambientales para materiales de tipo
polimérico que muestran este fenómeno a esas
temperaturas.

20. • Este ensayo se trata de aplicar cargas en la misma
dirección, se mide la deformación que presenta el
material, este ensayo puede ser echo con
temperaturas controladas

22. FRACTURA
• El ensayo de tenacidad en fractura es obligado
para calcular el riesgo de aparición de la fractura
súbita de un material y para relacionar las tensiones
de cálculo asociadas.
• Este ensayo se hace en un aparato llamado
pendulo.

24. DUREZA
• El ensayo de dureza es una herramienta básica
para controlar, de forma rápida, las características
de tracción de los materiales.
• En los laboratorios de ingeniería vemos
• DUREZA ROCKWELL
• DUREZA BRINELL
• DUREZA VICKERS
Todos estos ensayos son producidos por un
penetrado y una carga, se mide la dureza en las
dimensiones de la huella.

26. DINAMICOS

27. FATIGA
• El ensayo de fatiga tiene una extensa aplicación; la
de todas aquellas piezas que se encuentren
sometidas a esfuerzos o tensiones variables:
motores, máquinas, etc.
• La mayoría de los ensayos de fatiga se realizan en
máquinas de flexión, de vigas rotativas o de tipo
vibratorio.

28. RESILIENCIA
• El ensayo de resiliencia es un requisito ineludible de
calidad de los materiales, exigido para demostrar
su tenacidad de forma sencilla.
• Se llama resiliencia de un material a la energía de
deformación (por unidad de volumen) que puede
ser recuperada de un cuerpo deformado cuando
cesa el esfuerzo que causa la deformación.

31. MEDICIONES ELÉCTRICAS
• Galvanómetro • Amperímetro

32. • Voltímetro • Ohmímetro

33. • Multímetro • Osciloscopio

34. • Adquirieron una gran
relevancia a partir de la
invención del transistor en
Bell Labs (1947) y su
posterior comercialización
en los años 60.
• A raíz de este
descubrimiento pasaron a
denominarse “dispositivos
de estado sólido” aquellos
en que la corriente
eléctrica transitaba a través
de piezas sólidas,
normalmente
semiconductores, en lugar
de los clásicos tubos de
vacío o dispositivos
mecánicos.

35. • Contrariamente a las
baterías, las PC no son
dispositivos de
almacenamiento de
energía sino
generadores de
electricidad. Mientras
el sistema sea
alimentado con gas
combustible y
oxidante, el proceso
de conversión
energética permanece
teóricamente activo.

37. CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA
• El método de Van der Pauw es un método de
medida a cuatro puntas en que la simetría de los
electrodos no es relevante (siempre y cuando no
existan discontinuidades en el material que los
separa). De esta manera, además de eliminar el
efecto de los contactos, se elimina la importancia
de la geometría en la posición de los contactos en
la muestra.

38. • Este método ha sido
implementado en nuestra
estación de medida con el
fin de medir la resistividad
de materiales a diferentes
temperaturas y atmósferas
de trabajo. Su uso es
particularmente interesante
en materiales de electrodo
para pilas de combustible,
puesto que es
imprescindible evaluar su
capacidad como colector
de corriente en atmósfera
reductora (ánodo) o
atmósfera oxidante
(cátodo).

39. • Este está constituido por
los diferentes módulos
que se listan a
continuación:
• Celda de Medida de
Alta Temperatura
• Módulo de Control de
Temperatura
• Módulo de Mezcla de
Gases y Humidificación
• Módulo de
Caracterización Eléctrica
• Módulo de Análisis de
Gases

41. VENTAJAS
• Los dispositivos de efecto Hall cuando son
apropiadamente empaquetados son inmunes al
polvo, suciedad, barro, y agua. Estas
características hacen a los dispositivos de efecto
Hall superiores, por ejemplo comparados con
medios alternativos como sensores ópticos y
electromecánicos para la lectura de posición.

42. • La técnica de Van Der Pauw es
utilizada para la determinación
de resistividad y portadores de
carga en semiconductores. Es
llamada también técnica de
cuatro puntas o técnica de
cuatro esquinas. Por lo general,
esta técnica se aplica en
muestras en forma de películas
delgadas.

44. La caracterización de materiales es necesaria para
conocer las propiedades de estos y así valorar su
utilidad
Entre las características térmicas están:
PROPIEDADES TERMICAS

45. • CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Es el coeficiente que controla la velocidad de
transferencia de calor por conducción a
Través de un área , debido a un gradiente
de temperatura.
• DILATACIÓN TÉRMICA:
El cambio de dimensión de un sólido, por unidad de longitud y
por grado centígrado (o absoluto) de temperatura
Coeficiente de expansión térmica o de dilatación
unidimensional
Un aumento de la temperatura origina una mayor vibración
térmica de los átomos del material y un aumento de la
distancia media de separación entre átomos adyacentes

46. Temperatura de fusión: Al elevar la temperatura de
un sólido, puede producirse un cambio de estado,
pasando de sólido a líquido. La temperatura a la
que se sucede tal fenómeno es la temperatura de
fusión, que a presión normal se llama punto de
fusión.

47. Las técnicas fototérmicas por su versatilidad y su
sencillez son empleadas en la caracterización de
diversos sistemas. Estas técnicas son ideales entre
otras aplicaciones en el estudio del transporte del
calor, absorción de radiación electromagnética y
vibración mecánica.
La espectroscopia fototérmica toma como principio
básico el fenómeno fototérmico, por medio del
cual se obtiene información útil para el estudio de
algunas propiedades térmicas, ópticas y
mecánicas de los materiales.
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
TÉRMICA

48. El fenómeno fototérmico se genera, cuando un materiales
iluminado por un haz de luz en amplitud. El material en
consecuencia presenta variaciones periódicas de
temperatura, a las cuales se les denomina como ondas de
térmicas. Esto se debe a que muestran el comportamiento
análogo de una onda frecuentemente atenuada, pero con
la limitante de que es un fenómeno que se observa solo
cuando la fuente de ellas esta en funcionamiento.
Cuando el material es iluminado se genera una gran diversidad
de fenómenos, que se desembocan en calor modulado. A su
vez el calor modulado puede generar otros fenómenos. Las
vías seguidas para la generación del calor modulado; a
consecuencia de la iluminación son muy variadas. La
identificación correcta de las fuentes de calor y la
capacidad de discriminar las contribuciones entre cada una
de esas fuentes.
ESPECTROSCOPIA FOTOTERMICA

49. La espectroscopia fototérmica se vale los fenómenos
tofotermicos para estudiar las propiedades
térmicas y ópticas a través de la absorción óptica y
conversión de la luz en calor, tanto en materiales
opacos y semitransparentes. Un características de
estas técnicas radica en que solo aquella cantidad
de luz absorbida puede causar los cambios
térmicos, ópticos, mecánicos y/o en la densidad
de la masa, material de su entorno.
• Actualmente la mayoría de las fuentes de luz
utilizadas para hacer espectroscopia fototérmica,
utilizan luz láser, debido a su coherencia estabilidad
y potencia.

50. VENTAJAS
Las técnicas fototérmica, permiten analizar diversos fenómenos de
transporte de calor, carga y masa. Se pueden analizar vibraciones en
sólidos, líquidos y gases. Además son útiles en el estudio de reacciones
fotoquímicas t transiciones de fase.
Otra de las grandes ventajas de las técnicas fototérmicas, es que este
fenómeno se puede detectar de muy diversas formas. Dependiendo del
sistema de detección, el se da el nombre a la técnica. Cuando
utilizamos micrófonos o piezoeléctricos hablamos de técnicas
fotocaústica, si usamos detectores piroeléctricos nos referimos a técnicas
fotopiroeléctricas, cuando usamos haz de luz de prueba para sensar la
temperatura a través del cambio de índice de refracción local, tenemos
el efecto mirage, la temperatura termoreflectancia y la lente térmica.
Una de las modalidades mas promisorias, es utilizando detección remota
y es conocida como radiometría fototérmica infrarroja.

51. Una onda térmica es la respuesta de un medio a una
fuente de calentamiento periódico . Cuando una
fuente de energía incide sobre la superficie de un sólido
opaco, el sólido absorberá parte de esta energía y
producirá un flujo localizado de calor. Si la fuente de
calor es modulada, un flujo periódico es producido por
la muestra. El resultado de este flujo de calor se llama
onda térmica.
Las ondas térmicas pueden ser producidas en el interior
de un material que haya absorbido energía. Estas ondas
interactuarán con las características térmica de un
material de una manera análoga. De está manera las
ondas térmicas pueden ser usadas para la evaluación y
mapeo de materiales.
ESTUDIO DE PROCESOS DE TRANSMISIÓN
DE ONDAS TÉRMICAS EN MATERIALES

52. • Las ondas fototérmicas pueden ser detectadas de
varias maneras. Cuando un láser modulado incide
sobre la superficie de una muestra, este genera un
campo de ondas térmicas, causando un gradiente
en el índice de refracción. Si se lanza un rayo de
prueba paralelo a la superficie de la muestra este
será desviado armónicamente, este fenómeno es
conocido como efecto mirage o Espectroscopia
Fototérmica por Desviación (PDS).

53. • Otra fuente de desviación es la deformación de
choque generada por el calor del láser
intermitente y la expansión térmica. Si se lanza un
láser dirigido hacia la superficie, este será desviado
por el choque. La radiación de cuerpo negro
puede ser también monitoreada debido a la
oscilación térmica de la superficie (Espectroscopia
fototérmica infrarroja).

54. Las ondas térmicas también pueden ser
detectadas con sensores en contacto con la
muestra, por ejemplo un piroeléctricos, esta
técnica es conocida como Espectroscopia
Fotopiroeléctricas, o pueden ser detectadas a
través de un medio de transducción como el
aire, en el caso de la Espectroscopía
Fotoacústica.

56. GRACIAS