Propiedadesd y aplicaciones de los materiales no metalicos

1. PROPIEDADES Y APLICACIONES
DE LOS MATERIALES NO
METALICIOS
Ingeniería de materiales no metálicos 3514A 8:00-9:00
Prof. Carlos Enrique Cárdenas Segovia Mascorro
Flores Adán Eduardo 20070700

2. Cerámicos
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos,
constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados
principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las
composiciones químicas de los materiales cerámicos varían
considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas
fases complejas enlazadas.
Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho
debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales
cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y
ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como
buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de
electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión
relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la
mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus
fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos
son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería.
En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en
ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos
tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería.
Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos
por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato.
Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados
en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso
en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario,
están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros
tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro
de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles
en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta
temperatura de la turbina del motor de gas, y el óxido de aluminio en la
base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo
de conducción térmica.

3. Características generales
Mas adelante veremos las propiedades físicas y químicas más
importantes de estos materiales, Sin embargo, a manera general los
materiales cerámicos suelen ser duros y quebradizos, además,
típicamente se encuentran en forma de sólidos amorfos (no cristalinos)
o de manera vítrea.
En cuanto a sus enlaces químicos, estos materiales presentan enlaces
mixtos, iónicos y covalentes. Es verdad que estos pueden ocurrir en
formas cristalinas, sin embargo, su estructura más común es la vítrea
(amorfa).
Debido a su enlace iónico covalente los materiales cerámicos sean
buenos aislantes térmicos y eléctricos. Cuando estos materiales se
encuentran a bajas temperaturas, se comportan de manera elástica. Sin
embargo, en condiciones adecuadas de tensión y temperatura, estos se
deforman se comportan como un material viscoso.
Cuál es la composición química de la cerámica?
Los materiales cerámicos están constituidos por elementos metálicos y
no metálicos. Se fabrican principalmente con diferentes tipos de arcillas,
se moldean en crudo y, tras someterse a un proceso de cocción,
adquieren consistencia vítrea debido a las reacciones químicas que
tienen lugar.
En la composición química de la cerámica destacan los materiales
inorgánicos, especialmente arcilla, sílice y feldespato. En función de las
propiedades de las que se quiera dotar al material, estas materias
primas pueden variar. Además, es recomendable añadir los aditivos
cerámicos adecuados, con tal de mejorar dichas características y
asegurar la calidad del producto.
Por otro lado, aunque la estructura química de los materiales cerámicos
varía notablemente, en su mayoría sus elementos se unen mediante
enlaces iónicos y covalentes. No obstante, también hay que tener en
cuenta que, dentro de la gran heterogeneidad de materiales cerámicos,
podemos encontrar desde compuestos sencillos a mezclas mucho más
complejas.

4. Propiedades:
Los materiales cerámicos pueden tener una estructura cristalina o no
cristalina (amorfa), en ocasiones una mezcla de ambas. Por ello las
propiedades son diferentes dependiendo del tipo de material. En
general se comportan como aislantes eléctricos y térmicos, presentan
gran dureza, elevado punto de fusión, gran resistencia a la compresión
al desgaste y a la corrosión. Suelen presentar problemas de fragilidad,
es decir tendencia a quebrarse o partirse con cargas de impacto bajas.
Por ello se están desarrollando nuevos materiales cerámicos con mayor
resistencia a la fractura.
Las propiedades de la cerámica van mucho más allá del uso cotidiano,
siendo un material fundamental para desarrollar tecnologías de todo
tipo. Te contamos sus principales características:
• Impermeabilidad. Quizás una de las más interesantes para el
hombre desde el punto de vista alimenticio. Al tener unos poros
tan pequeños, no permite traspasar líquido alguno por lo que
puedes almacenar cualquier bebida que quieras, ya sea vino,
agua o mermeladas.
• Buen aislante. Mantienen estable la temperatura del interior de los
recipientes, por lo que son ideales para conservar alimentos
durante largas temporadas. Además, soportan bien las bajas
temperaturas sin deteriorarse.
• Buena Dureza. Aunque son frágiles frente a tensiones como
golpes o caídas al suelo.
• Resistencia a la corrosión y compresión. Puedes apilar grandes
jarrones de cerámica unos sobre otros y resistirán gracias al
cocido con altas temperaturas. Asimismo, no se oxidará por el
paso del tiempo ya que la cerámica no es ferrosa.
• No arden. Esto es especialmente importante en incendios, ya que
la cerámica solamente se derretirá con temperaturas superiores a
miles de grados. Otra ventaja es que se dilatan poco con el calor,
perfecto para aplicaciones industriales.
• La cerámica es un buen aislante eléctrico. Podrán marcar un
nuevo paso a los superconductores.
• Alta dureza
• Módulo de elasticidad alto

5. • Baja ductilidad
• Alta estabilidad dimensional
• Buena resistencia al desgaste
• Alta resistencia a la corrosión y al ataque químico.
• Alta resistencia a la intemperie
• Alto punto de fusión
• Alta temperatura de trabajo
• Baja expansión térmica
• Conductividad térmica de baja a media
• Buen aislamiento eléctrico
• Resistencia a la tracción de baja a media
• Alta resistencia a la compresión
• Maquinabilidad media
• Opacidad
• Fragilidad
• Resistencia al impacto deficiente
• Baja resistencia al choque térmico.
En general, los materiales cerámicos están constituidos por:
Materias primas plásticas: como las arcillas y los caolines. Son
necesarias para dar la forma deseada a la cerámica durante el proceso
de conformado.
Elementos formadores de red: los más utilizados son los derivados de
la sílice, por ejemplo, el cuarzo. Gracias a ellos, se forma la
característica red vítrea de la cerámica, de la cual hablamos en
profundidad en el siguiente apartado.
Materiales fundentes: principalmente feldespatos. Su función principal
es reducir el punto de fusión en la cocción de la cerámica.
Aditivos cerámicos: se trata de diferentes tipos de compuestos químicos
que desaparecen durante la cocción, por lo que en realidad no forman
parte del producto final. Sin embargo, los mencionamos ya que los
consideramos imprescindibles para preparar las suspensiones
cerámicas, como los engobes, y mantener las propiedades físicas y
químicas adecuadas.

6. Estructura química de los materiales cerámicos
Ya hemos hablado de ella, pero por sus peculiaridades es interesante
destacar la estructura química de la cerámica. Y es que los materiales
cerámicos presentan una estructura vítrea, también denominada
amorfa. Esto significa que sus átomos no están colocados de forma
ordenada, como ocurre con los cristales. Por el contrario, los átomos de
los materiales cerámicos no siguen un patrón repetitivo.
Esto sucede porque cuando calentamos un sólido a suficiente
temperatura, este se funde, con lo cual los enlaces químicos se rompen,
haciendo desaparecer la estructura cristalina. De forma natural, en
cuanto esta masa se volviera a enfriar y recuperara su estado sólido,
los átomos tenderían a reordenarse con tal de volver a la estructura
cristalina. No obstante, en el proceso de producción cerámica no le
damos el tiempo necesario para ello, de forma que evitamos ese
reordenamiento y obtenemos un sólido amorfo
Aunque el orden de sus átomos no sigue un patrón, estos continúan
colocándose de forma que su carga eléctrica esté balanceada y, de este
modo, crear enlaces químicos fuertes y resistentes.
Como hemos explicado más arriba, la cerámica obtiene sus reconocidas
características tras la cocción. En los siguientes apartados te indicamos
algunas de sus propiedades físicas y químicas más importantes.
No obstante, debes tener en cuenta que en el proceso de producción
cerámica intervienen un gran número de variables. Por este motivo,
para obtener un buen producto es necesario conocer a fondo la
composición química de la cerámica, así como de las diferentes
materias primas y aditivos.
Clasificación de los materiales cerámicos
Los materiales cerámicos son un grupo muy amplio debido a que
difieren en su composición básica, propiedades físicas y propiedades
químicas. Además, estas diferencias en propiedades hacen que estos
materiales tengan un montón de aplicaciones y usos, sobre todo en
ingeniería.

7. A continuación, mostramos la clasificación básica de los materiales
cerámicos de acuerdo a sus aplicaciones específicas y su composición
basada en las propiedades que tienen.
En función de su composición, las cerámicas se clasifican en:
• Óxidos
• Carburos
• Nitruros
• Sulfuros
• Fluoruros, etc.
La otra clasificación importante de las cerámicas se basa en sus
aplicaciones, tales como:
• Vidrios
• Productos de arcilla
• Refractarios
• cerámicas abrasivas
• Cementos
• Cerámica avanzada
• Alúmina
• Nitruro de aluminio
• Diamantes
• Zirconia
• Sílice
• Carburo de silicio
• Óxido de titanio
• Boruro de titanio
• Óxido de uranio
Propiedades físicas de la cerámica
Las propiedades físicas de los materiales cerámicos varían mucho en
función de sus enlaces, pero en general se distinguen por su dureza y
fragilidad, además de tener altos puntos de fusión. Son rígidos tras la
cocción, aunque antes de ella son extremadamente dúctiles y pueden
tomar infinitas formas y tamaños.
Propiedades mecánicas

8. • Fuerza de tensión: A pesar de que, en teoría, la resistencia a la
tracción de las cerámicas es muy alta, lo cierto es que en la
práctica es bastante baja. Las fallas por tracción de las
cerámicas se atribuyen a las concentraciones de tensión en los
poros y microgrietas. El módulo de elasticidad varía de 7 × 104 a
42 × 104 N / mm2. La resistencia a la tracción de las fibras de
vidrio está en el orden de 700 N / mm2.
• Resistencia a la compresión: La resistencia a la compresión de
estos materiales es alto y es habitual utilizar cerámicas como
arcilla, cemento y productos de vidrio sometidos a compresión.
• Resistencia a la cizalla: Las cerámicas tienen una resistencia al
cizallamiento muy alta con resistencia a fallar de manera
quebradiza.
Propiedades térmicas
La capacidad térmica, la conductividad y la resistencia a los golpes
deben tenerse en cuenta cuando se que quiere usar materiales
cerámicos. El calor específico de los ladrillos hechos a base de arcilla
refractaria es de 0,250 a 1000 ° C y 0,297 a 1400 ° C, mientras que
para los ladrillos de carbono es de aproximadamente 0,812 a 200 ° C y
0,412 a 1000 ° C.
Los materiales cerámicos no tienen suficientes electrones libres para
resaltar la conductividad térmica electrónica. A altas temperaturas, la
conducción tiene lugar por transferencia de energía radiante. La
conductividad térmica de los refractarios debe ser mínima para
revestimientos y máxima para crisoles.
Los choques térmicos se desarrollan principalmente debido a la
expansión y contracción de la cerámica.
Los compuestos de litio se utilizan en cerámica para mejorar la
resistencia a los golpes. El nitruro de silicio prensado en caliente tiene
la mejor resistencia al choque térmico, mientras que la esteatita es la
más pobre.
Propiedades eléctricas
Los materiales cerámicos no tienen electrones libres, y por lo tanto
tienen una conductividad eléctrica baja. Sin embargo, en altas

9. temperaturas se acelera la difusión iónica. Por ejemplo, el vidrio es un
aislante eléctrico, pero cuando está en el horno de fundición de vidrio,
su conductividad se vuelve bastante alta.
La arcilla muestra una constante dieléctrica muy alta, una propiedad
del material relacionada con su comportamiento cuando se encuentra
dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos, en condiciones
estáticas. Sin embargo, para la corriente alterna, la constante
dieléctrica en la arcilla surge del movimiento de iones y electrones.
Propiedades químicas de la cerámica
Algunas de las propiedades químicas que mejor definen a los
materiales cerámicos son su biocompatibilidad y estabilidad química.
Además, debido a la ausencia de electrones conductores, la cerámica
es un buen aislante térmico y eléctrico.
Por otro lado, los materiales cerámicos son resistentes a las altas
temperaturas, a los agentes atmosféricos y a muchos agentes
químicos, debido a la estabilidad de sus enlaces.
Como puedes ver, las propiedades físicas y químicas de la cerámica la
convierten en un material altamente valorado y usado en una gran
variedad de aplicaciones y ámbitos industriales.
Aplicaciones y usos de los materiales cerámicos
Usos generales y en la vida diaria
De seguro el primer pensamiento que se viene a la mente cuando se
escucha materiales cerámicos es platos, alfarería, tejas, ladrillos,
cemento o vidrio. Sin embargo, los materiales cerámicos son mucho
más que eso, de hecho, están inmersos en muchas aplicaciones de la
vida diaria.
Los materiales cerámicos son usados en la electrónica, debido a que
gracias a sus composición y propiedades pueden aplicarse en
semiconductores, superconductores, aislantes y componentes
ferroeléctricos.

10. Estos materiales igualmente se usan en bujías, fibra óptica, baldosas
de naves espaciales, estufas, frenos de automóviles, sensores
químicos, chalecos antibalas y esquís.
En la industria de la electrónica
Hoy en día sabemos que los materiales cerámicos son parte
fundamental de la gigantesca industria de la electrónica y electricidad,
sin estos materiales simplemente la industria de la electrónica no
podría evolucionar.
Los componentes de la cerámica son materia prima indispensable que
forman parte de teléfonos inteligentes, computadoras, televisores,
dispositivos médicos y la electrónica automotriz.
A pesar de que los materiales cerámicos se han considerado como
aislantes, en la actualidad los avances tecnológicos han creado
cerámicas con excelentes propiedades magnéticas, superconductoras
e incluso piezoeléctricas.
Es así que los productos a base de materiales cerámicos se usan para
fabricar bujías, piezas protectoras para cables y líneas eléctricas
(cordones, tubos), empaques herméticos y tubos de arco cerámicos.
Estos materiales son usados en sectores de la automoción, transporte
marítimo, en la distribución de electricidad y en el sector aeroespacial.
En la industria de la construcción
Ahora ya sabemos que se puede obtener ladrillos, materiales
refractarios, cemento e incluso vidrio con materiales cerámicos. Todos
estos productos son ampliamente usados en la industria de la
construcción para construir casas, edificios, puentes, túneles,
represas, etc. También son usados en los acabados de la
construcción.
Las arcillas son la materia prima para la fabricación de ladrillos, tejas,
terracota, cerámica, lozas, alcantarillado, tuberías de drenaje y
cubiertas para cables eléctricos.

11. Polímeros
Un polímero (del griego: πολυς [polys] "mucho" y μερος [meros] "parte"
o "segmento") es una sustancia compuesta por grandes moléculas, o
macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión
mediante enlaces covalentes de una o más unidades simples llamadas
monómeros. Debido a su gran variedad de propiedades, tanto los
polímeros sintéticos como los naturales juegan un rol esencial en
nuestras vidas. Los polímeros abarcan tanto a los plásticos sintéticos
que todos conocemos, como el polietileno, así como los biopolímeros
naturales como el ADN y las proteínas, que son fundamentales para la
estructura y funcionamiento biológico. El poliisopreno (del hule o
caucho), es un ejemplo de un polímero natural, y el poliestireno (de la
espuma o empaques de poliestireno) es un ejemplo de un polímero
sintético. En un contexto biológico, esencialmente todas las
macromoléculas, por ejemplo: las proteínas (poliamidas), ácidos
nucleicos (polinucleótidos) y polisacáridos, están compuestas en gran
parte por polímeros. Los polímeros naturales y sintéticos son creados a
partir de la polimerización de varios monómeros. Su gran masa
molecular en comparación con otras moléculas de menor talla le aporta
(a los polímeros) propiedades físicas únicas que incluyen dureza, alta
elasticidad, visco elasticidad y una tendencia a formar estructuras
amorfas y/o semi-cristalinas en lugar de cristales. El término de
“polímero” fue propuesto en 1833 por Jöns Jacob Berzelius, con una
definición distinta a la definición moderna de la IUPAC. El concepto
actual de polímeros como estructuras macromoleculares unidas de
manera covalente fue propuesto en 1920 por Herman Staudinger; quien
dedicó una década a buscar pruebas experimentales para sustentar
esta hipótesis. Los polímeros son estudiados en los campos de ciencia
de polímeros (que incluye la química de polímeros y física de
polímeros), la biofísica y la ciencia de materiales e ingeniería.
Históricamente, los productos que resultan de la unión de unidades
repetitivas por medio de enlaces covalentes han sido el enfoque
principal de la ciencia de polímeros. Sin embargo, actualmente un área
emergente de investigación se centra en polímeros supramoleculares
que se forman a través de enlaces no covalentes.

12. PROPIEDADES COMUNES DE LOS POLÍMEROS
A pesar de que los distintos plásticos presentan grandes diferencias en
su composición y estructura, hay una serie de propiedades comunes a
todos ellos y que los distinguen de otros materiales.
El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se
extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm3. Entre los plásticos de mayor
consumo se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad
inferior a la del agua. La densidad de otros materiales a los que los
plásticos sustituyen en algunas aplicaciones es varias veces mayor,
como es el caso del aluminio o del acero. Esta densidad tan baja se
debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los átomos que
componen los plásticos son ligeros (básicamente C y H, y en algunos
casos además O, N o halógenos), y por otro, las distancias medias
entre átomos dentro de los plásticos son relativamente grandes. Una
densidad tan baja permite que los plásticos sean materiales ligeros y
fáciles de manejar y transportar. Por otra parte, supone una gran
ventaja en el diseño de piezas en las que el peso es una limitación.
Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los plásticos es
sumamente pequeño. Los metales, por ejemplo, presentan
conductividades térmicas 2000 veces mayores que los plásticos esto
se debe a la ausencia de electrones libres en el material plástico. La

13. baja conductividad térmica resulta un inconveniente durante la
transformación de los plásticos. El calor necesario para transformar los
plásticos se absorbe de manera muy lenta y la eliminación del calor
durante la etapa de enfriamiento resulta igualmente costosa. Sin
embargo, en muchas aplicaciones de los plásticos, la baja
conductividad térmica se convierte en una ventaja, pues permite el
empleo de estos materiales como aislantes térmicos.
Igualmente los plásticos conducen muy mal la corriente eléctrica.
Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, baja conductividad
eléctrica. La resistencia eléctrica es función de la temperatura, y a
elevadas temperaturas conducen mejor. Gracias a su elevada
resistencia eléctrica los plásticos se utilizan frecuentemente como
aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que funcionan con
corriente o la transportan.
En cuanto a las propiedades ópticas, los plásticos que no contienen
aditivos son por lo general bastante traslúcidos, aunque esta
propiedad está fuertemente influenciada por la cristalinidad del
material. Los polímeros amorfos son transparentes, mientras que los
cristalinos son opacos. Las zonas cristalinas dispersan la luz, evitando
así su libre transmisión, dando lugar a translucidez u opacidad excepto
cuando se orientan o se trata de secciones muy finas. Por el contrario,
en los polímeros amorfos el empaquetamiento al azar de las
moléculas no causa una difracción de la luz importante, permitiendo
una transparencia muy buena y una transmitancia a la luz que puede
ser superior al 90%. Termoplásticos amorfos como el PC, PMMA y
PVC presentan transparencia que no difieren mucho de la del propio
vidrio. La transparencia de los plásticos se puede perder, al menos
parcialmente, por exposición a la intemperie o a cambios bruscos de
temperatura.
La resistencia química de los polímeros también está fuertemente
influenciada por el grado de cristalinidad. En los polímeros cristalinos
los disolventes pueden atacar ligeramente la superficie del polímero,
que tiene una menor cristalinidad. Cuando se aplica un esfuerzo las
grietas producidas no se propagan una vez que llegan a las zonas
cristalinas. Los polímeros amorfos presentan una mayor solubilidad
que los cristalinos.

14. Los disolventes atacan al polímero formando pequeñas grietas que se
extienden por todo el polímero cuando se aplica un esfuerzo por
pequeño que sea.
Propiedades:
• Electrocromismo El electrocromismo o electroñema es la propiedad
que poseen algunas especies químicas para el cambio de color de
forma reversible cuando se les aplica una carga eléctrica.
• Fotoconductividad La fotoconductividad es un fenómeno óptico y
eléctrico en el que un material se vuelve un mejor conductor eléctrico
debido a la absorción de radiación electromagnética, pudiendo esta
ser:
 Luz infrarroja
 Luz ultravioleta
 Luz visible
 Radiación gamma
• Fotoluminiscencia La fotoluminiscencia es la emisión de luz de
cualquier forma de materia después de la absorción de fotones
(radiación electromagnética). Es una de las muchas formas de
luminiscencia (emisión de luz) y se inicia por fotoexcitación (es decir,
fotones que excitan a los electrones a un nivel de energía más alto en
un átomo), de ahí el prefijo foto Usualmente, la luz de excitación es
ultravioleta o visible, y la luz emitida por el material luminiscente tiene
una longitud de onda mayor
Propiedades eléctricas
Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores
eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica
y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas
fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el
aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como
el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables
eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación
superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos
electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas
propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y

15. resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas
ABS. Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se
ha generalizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del
polímero una conducción parcial de cargas eléctricas. Evidentemente
la principal desventaja de los materiales plásticos en estas
aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas
y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de
materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente
elevadas (superiores a los 200 °C). Las propiedades eléctricas de los
polímeros industriales están determinadas principalmente, por la
naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor
polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa
del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su
estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos
eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se
analizan las características eléctricas de estos materiales. Los
polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus
aplicaciones aún están siendo estudiadas.
Propiedades físicas de los polímeros
Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno
comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que
pueden contener desde 1000 hasta 150 000 grupos CH2 – CH2
presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras
donde se evidencia un carácter amorfo: a estas últimas se les
considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables
del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der
Waals. En otros casos (nailon 66) la responsabilidad del ordenamiento
recae en los enlaces de H.
La temperatura tiene mucha importancia en relación al
comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los
polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas,
debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que
forman el material. La temperatura a la que funden las zonas
cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura
importante es la de descomposición y es conveniente que sea
bastante superior a Tf.

16. Propiedades mecánicas
Son una consecuencia directa de su composición, así como de la
estructura molecular, tanto a nivel molecular como supermolecular.
Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los
materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas mediante la
modificación de la composición o morfología: por ejemplo, cambiar la
temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado
de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional.
Normalmente el incentivo de estudios sobre las propiedades
mecánicas es generalmente debido a la necesidad de correlacionar la
respuesta de diferentes materiales bajo un rango de condiciones con
objeto de predecir el comportamiento de estos polímeros en
aplicaciones prácticas. Durante mucho tiempo los ensayos han sido
realizados para comprender el comportamiento mecánico de los
materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros
reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para
describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de
procesos operando a escala molecular son más recientes. Por lo tanto,
se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los
polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados,
elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura.
APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS
El uso diario, útil y acelerado hace ya natural su consumo por todos
los satisfactores que genera en los sectores industriales en los que
participa (Lokensgard 2008)
Las aplicaciones y los productos poliméricos se pueden agrupar de
acuerdo a su uso en diferentes formas, las más generales se
describen a continuación.
• Envase y empaque
• Consumo
• Construcción
• Muebles
• Industrial
• Eléctrico-Electrónico

17. • Transportación
• Adhesivos y recubrimiento
• Médico
• Agrícola
USOS Y APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS PLÁSTICOS MÁS
COMUNES
El polietileno (PE) es un óptimo aislante eléctrico. Su empleo va
desde los domésticos a los juguetes, al revestimiento de cables,
botellas, a películas de embalaje, a las sierras para de uso agrícola a
las tuberías
El polimetilmetacrilato (PMMA) posee características ópticas base
de las principales aplicaciones desde la construcción civil, mobiliario,
señalización, industria automovilística, náutica, electrodomésticos y
aparatos para laboratorio.
El policarbonato (PC) ha sido utilizado por los astronautas que se
han posado en la Luna, en los cascos, vidrios para ventanas, puertas

18. de seguridad para los bancos, esferas para postes la luz (arbotantes),
y escudos de protección para las fuerzas de policía.
En la industria de los transportes se fabrican con las resinas de poliéster
reforzado (generalmente con fibra de vidrio), partes de autobuses,
furgones, máquinas agrícolas, campers, vagones de ferrocarril. Hay
numerosos otros empleos que van desde los botones a los trineos, a los
aislantes eléctricos. Hasta los artistas utilizan las resinas de poliéster.
Los sectores de empleo del polipropileno (PP) son diferentes: desde
los artículos sanitarios a los electrodomésticos, a los juguetes, a los
componentes para la industria automovilística, a los artículos
deportivos; desde los embalajes alimenticios a los empleos agrícolas,
a la señalización, a los muebles, a los componentes para la industria
química.

19. Es imposible describir todos los empleos del poliestireno (PS). El
sector principal es el del embalaje. Sucesivamente se ha empleado en
la industria de los juguetes, construcción civil, electrodomésticos e
interruptores.
Los poliuretanos (PU) se utilizan en forma flexible para fabricar
cojines, colchones, muebles, revestimientos de tejidos y en forma
rígida son usados en la industria automovilística, la construcción civil y
en muebles. Pueden sustituir el cuero y la madera en la fabricación de
revestimientos. Son un aislante térmico y acústico de óptima calidad.
El policloruro de vinilo (PVC) es una combinación química de
carbono, hidrógeno y cloro. Sus materias primas provienen del
petróleo (en un 43%) y de la sal común (en un 57%). Se obtiene por
polimerización del cloruro de vinilo, fabricado a partir de cloro y etileno.

20. Esta polimerización se realiza por cuatro procedimientos: micro
suspensión, suspensión, emulsión y masa. El PVC es un material
termoplástico, es decir, que bajo la acción del calor se reblandece y
puede así moldearse fácilmente; al enfriarse recupera la consistencia
inicial y conserva la nueva forma. Pero otra de sus muchas
propiedades es su larga duración.
Por este motivo, el PVC es utilizado a nivel mundial en un 55% del
total de su producción en la industria de la construcción. El 64% de las
aplicaciones del PVC tienen una vida útil entre 15 y 100 años, y es
esencialmente utilizado para la fabricación de tubos, ventanas,
puertas, persianas, muebles, etc. Un 24% tiene una vida útil entre 2 y
15 años (utilizado para electrodomésticos, piezas de automóvil,
mangueras, juguetes, etc.). El resto –12%– es usado en aplicaciones
de corta duración, como por ejemplo, botellas, tarros herméticos,
película de embalaje, etc., y tiene una vida útil entre 0 y 2 años. La
mitad de este porcentaje (un 6%) es utilizado para envases y
embalajes, razón por la que el PVC se encuentra en cantidades muy
pequeñas en los residuos sólidos urbanos (RSU), tan sólo el 0,7%.
Esta cantidad de envases y embalajes de PVC presente en los RSU,
unido a la composición cualitativa de los mismos (no presencia de
metales pesados), permite convenientemente la recuperación por
valorización energética (incineración), además de la recuperación por
reciclaje mecánico. Las propiedades del PVC que hicieron que tuviera
un lugar privilegiado dentro de los plásticos son que era considerado:
ligero; inerte y completamente inocuo; resistente al fuego –no propaga
la llama–; impermeable; aislante –térmico, eléctrico y acústico–;

21. resistente a la intemperie; de elevada transparencia; económico en
cuanto a su relación calidad-precio y reciclable. Sin embargo ya no se
le identifica como un buen protector de alimentos y otros productos
envasados, incluso tuvo lugar en aplicaciones médicas.
RESUMEN DE INFORMACIÓN IMPORTANTE
• Las propiedades de los polímeros dependen de la composición
química, el arreglo atómico y tamaño molecular y la forma.
• La fuerza de las uniones covalentes decrece en el orden C-F >
C-Cl > C-H.
• La uniones de hidrógeno entre cadenas resulta en fuertes
fuerzas atractivas que conducen a una elevada temperatura de
fusión.
• Los polímeros polares pueden ser disueltos en solventes
polares.
• Los polímeros no polares pueden ser disueltos en hidrocarburos
no polares.
• La cadena cortas son más móviles y pueden cristalizar más
fácilmente comparadas con las cadenas largas.
• Los grupos voluminosos limitan el empaquetamiento de las
cadenas.
• Cuando se facilita el empaquetamiento pueden formarse
polímeros cristalinos.
• Los polímeros amorfos son generalmente suaves y débiles arriba
de su temperatura de transición vítrea.
• La dureza se incrementa con el peso molecular dada la gran
tendencia para las interacciones moleculares.
• Las fibras poseen un gran esfuerzo a la tensión en la dirección
de la orientación.
• Los polímeros sintéticos generalmente se producen con
distribuciones de peso molecular cambiantes.

22. Compositos
Material compuesto es aquél constituido por dos, o más, componentes
cuyas propiedades son superiores a las quetienen cada uno por
separado, permaneciendo todos perfectamente identificables en la
masa del elemento.
El material compuesto no es una invención humana, ya que existe en
la propia naturaleza, así, la madera, es un ejemplo bastante típico
puesto que está constituido por armaduras de fibras de celulosa
envueltas en una matriz de resinas naturales; las fibras dan, en
algunas direcciones, la resistencia necesaria al vegetal. También en el
cuerpo humano existen materiales compuestos, como los huesos,
formados por una especie de cemento cálcico y fibras de colágeno. En
edificación, el primer material compuesto debido al hombre es el
adobe, formado por barro y una armadura a base de paja, y también
se utiliza, aunque en menor medida, el yeso armado con crines de
caballo. Sin embargo, es el hormigón armado el material compuesto
más famoso y más utilizado en la construcción y la ingeniería civil. El
hormigón, como bien se sabe, presenta una buena resistencia a
compresión pero malas características a tracción. El refuerzo con
barras de acero consigue que el material compuesto resultante, el
hormigón armado, tenga, por un lado, una muy buena resistencia a
compresión, debida al hormigón, y, por otro, unas muy buenas
resistencias a tracción, a flexión y a cizallamiento por la presencia del
refuerzo metálico.
La denominación de compuesto está justificada ya que el refuerzo y la
matriz existen. Esta denominación también se emplea en materiales
como el amianto-cemento, morteros y hormigones reforzados con
fibras de acero, de vidrio o polimérica A partir de los 70, dentro de los
denominados nuevos materiales han aparecido los «composites», que
hoy en día son los nuevos materiales de mayor producción y
aplicación, lo que explica que, en muchos casos, se crea que
composites y nuevos materiales son la misma cosa

23. Tipos de materiales compuestos
Los materiales compuestos se pueden clasificar en función de:
a. En función del tipo de matriz:
o Materiales compuestos de matriz metálica (MMC):
Estos materiales tienen una alta resistencia y muy bajo
peso.
o Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC):
Mejores propiedades mecánicas que los materiales
ceramicos tradicionales, como la resistencia y la tenacidad,
especialmente en rangos de bajas temperaturas.
o Materiales compuestos de matriz polimérica (PMC):
Son materiales con buenas propiedades mecánicas,
resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, y a
causa de sus propiedades físicas, pueden ser moldeados
con absoluta libertad de formas.
b. En función de la forma que posea el refuerzo:
o Compuestos reforzados por partículas:
En la mayoría de los materiales compuestos la fase
dispersa es más dura y resistente que la matriz y las
partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de
la matriz en las proximidades de cada partícula. En
esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a
las partículas, las cuales soportan una parte de la carga.
Los compuestos reforzados con partículas, se subdividen
en reforzados con partículas grandes y endurecidos por
dispersión.
o Compuestos reforzados por fibras:
Los materiales reforzados por fibras son los composites
más importantes desde el punto de vista tecnológico. El
objetivo es conseguir materiales con una elevada
resistencia a la fatiga y rigidez, a bajas y altas
temperaturas, y simultáneamente una baja densidad, por lo
que se pretende conseguir una mejor relación resistencia-

24. peso. Esta relación se consigue empleando materiales
ligeros tanto en la matriz como en las fibras, siempre que
estas cumplan con las propiedades mecánicas que se
quieren otorgar al composite.
En función de la forma que posea el refuerzo:
o Compuestos estructurales:
Un material compuesto estructural está formado tanto por
materiales compuestos como por materiales homogéneos
y sus propiedades no sólo dependen de los materiales
constituyentes sino de la geometría del diseño de los
elementos estructurales.
Se clasifican los compuestos estructurales en: compuestos
laminares, estructuras sandwich y estructuras no-
laminares.
Características de los materiales compuestos
Las principales características de los materiales compuestos son:
 Alta resistencia: Los materiales compuestos tienen una
alta resistencia en relación a su peso.
 Baja densidad: Los materiales compuestos proporcionan
una buena resistencia por unidad de peso, no como en el
caso de los metales, ya que su densidad es mayor.
 Flexibilidad de formas: Debido a que las fibras de refuerzo
se pueden trabajar con mayor facilidad que otros
materiales antes del proceso de curado de la matriz, se
pueden realizar una gran variedad de formas y acabados.
 Alta resistencia dieléctrica: Los materiales compuestos son
aislantes eléctricos.
 Gran capacidad de consolidación de partes: Los
materiales compuestos permiten el ensamblaje de
componentes, reduciendo así el número de elementos y
por lo tanto, necesitando menor número de uniones.
 Resistencia a la corrosión: Esta propiedad viene
determinada por el tipo de matriz que se utiliza. De esta

25. manera se puede seleccionar matrices con resistencia a
cualquier medio corrosivo.
 Comportamiento a fatiga: El comportamiento a la fatiga de
los compuestos es bueno. Al ser materiales amorfos, es
decir, no tienen una estructura ordenada, no sufren los
mismos efectos de fatiga que los metales y su resistencia
es mayor.
 Reducción de costes de mantenimiento: Al tener una
buena resistencia a la fatiga y presentar muy buena
resistencia a la corrosión se reducen las tareas de
mantenimiento y costes de reparación.
Matrices usadas en los materiales compuestos
Las matrices se clasifican según el comportamiento térmico del
polímero, tenemos:
 Termoplásticos:
Son polímeros que al calentarse a determinadas temperaturas
se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la
forma deseada, que quedará preservada al enfriarse.
 Elastómeros: Son polímeros que poseen cadenas con mucha
libertad de movimiento molecular (flexibilidad).
 Termoestables: Son polímeros que no pueden fluir por efecto de
la temperatura para ser remoldeados. Molecularmente hablando
tienen una estructura entrecruzada y por lo tanto tienden a ser
resinas de mucha rigidez, y al someterlos a temperatura elevada
promueve la descomposición química del polímero. A
temperatura ambiente son duros y frágiles.
Aplicaciones de los materiales compuestos
Otra tendencia que día a día cobra mayor importancia es la aplicación
de los composites en la construcción de puentes. Los puentes son una
de las aplicaciones más exigentes de la ingeniería civil. Pocas
estructuras presentan la misma combinación de funcionalidad e
impacto visual. En los puentes vehiculares el empleo de hormigón y
acero gozan de una supremacía casi absoluta. Sin embargo, los
materiales compuestos pueden desempeñar (y de hecho ya lo hacen)

26. un papel fundamental en la sustitución de los tableros que forman el
suelo de los puentes, donde la resistencia a la corrosión y la rapidez
de instalación son importantes. De forma similar, las envolventes de
los puentes también se están realizando con este tipo de materiales
compuestos. Mención especial merecen los puentes pedestres,
generalmente instalados en zonas de difícil acceso, la ligereza de los
materiales compuestos permite su instalación sin el empleo de
vehículos pesados tales como grúas.
El uso de materiales compuestos como revestimientos es un buen
método para dotar de valor añadido a las edificaciones, tanto a las de
nueva construcción como a la restauración de las ya existentes. Sus
aplicaciones en fachadas, esculturas, torres, bóvedas, cúpulas, etc.
constituyen una alternativa a la piedra, ladrillos, madera, tejas, etc.,
frente a los que presentan ventajas como un bajo mantenimiento,
resistencia UV, bajo peso y facilidad de crear réplicas de las piezas
para su sustitución.
La instalación de vallas es otra aplicación importante. En el plano
doméstico ya se están usando por su bajo peso y mantenimiento y su
excelente resistencia a la intemperie. Por otro lado, dentro de esta
aplicación destaca el vallado de aeropuertos debido a que los
materiales compuestos son inherentemente transparentes a las ondas
de radar y, por lo tanto, se elimina el riesgo de interferencia con los
equipos de aterrizaje y despegue. Otro motivo adicional es su
fragilidad, ya que si bien son materiales altamente rígidos y
resistentes, se romperían fácilmente en caso de colisión con un
aeroplano, minimizando las consecuencias del accidente.
Las estructuras modulares son una serie de paneles pultruidos que se
entrelazan para dar lugar a construcciones con integridad estructural
por sí mismas, esto es, sin la necesidad de armazones adicionales.
Las ventajas más destacadas en esta aplicación son la posibilidad de
prefabricación de las mismas, su facilidad de transporte y su sencilla
instalación. Sus aplicaciones son variadas: torres de enfriamiento,
almacenes, túneles de lavado, etc.

27. La posibilidad de diseñar materiales compuestos con requerimientos
estructurales “a medida” gracias a la orientación preferencial de sus
fibras, les hace muy indicados para aplicaciones de altos
requerimientos estructurales, como son mástiles, torres y postes. Los
beneficiarios de estos productos son, sobre todo, compañías eléctricas
y de telecomunicaciones, que pueden realizar la distribución a través
de líneas colocadas más cerca entre sí, ya que se elimina el riesgo de
arco eléctrico, gracias a las propiedades dieléctricas de estos
materiales, que también encuentran cabida como postes de servicio
público, soportes de paneles solares, pilares marinos, etc.
Composites refuerzo construcciónLa facilidad de procesado de los
composites de matriz polimérica los hace ideales para reforzar
estructuras. En el caso de vigas y puentes, se aplica fibra de carbono
(que puede ser bien convencional o bien pre-tensada) en su parte
inferior, que está sometida a tracción. También se utiliza en la
reparación y refuerzo de fachadas, tejados, carreteras, etc. La ventaja
más significativa del empleo de refuerzos compuestos de resina con
fibra de carbono sobre el acero es la reducción del peso propio de la
estructura. Las fibras de carbono tienen una resistencia a la tracción
mucho más alta que la del acero, y además son mucho más ligeras y
no presentan corrosión. Los refuerzos con fibra de vidrio son una
alternativa más económica. Sea cual sea la opción, la unión entre el
revestimiento y la estructura es de gran importancia para que el
recubrimiento cumpla su función. Para prevenir la rotura del mismo se
han desarrollado métodos de análisis no destructivos para la
determinación de agujeros entre la estructura a reforzar y el
revestimiento, como la representación térmica de pulso ultrasónico
transitorio.
Los materiales compuestos han sido tenidos en cuenta en muchas
aplicaciones estructurales innovadoras debido a su flexibilidad: es
posible combinarlos con materiales tradicionales obteniéndose efectos
sinérgicos a precios competitivos. Su mayor durabilidad, resistencia a
la corrosión, facilidad de transporte y posibilidad de prefabricación
abren una nueva puerta a los profesionales de la construcción.

28. Otros sectores de aplicación de los composites
Otro sector donde los composites están cobrando gran importancia es
el eólico. Los requisitos fundamentales exigibles a las palas de los
aerogeneradores, son una excelente resistencia a fatiga, resistencia a
la corrosión (especialmente para palas instaladas en la costa), mínimo
mantenimiento, una vida útil de al menos 30 años y ligereza. Los
materiales compuestos suponen la respuesta ideal a esta necesidad y
han desbancado totalmente al acero y al aluminio.
Wood Plastic CompositesUna nueva tendencia son los compuestos
plásticos de madera (Wood Plastic Composites – WPC). Estos son
una combinación de madera (en formas diversas) con un termoplástico
o un termoestable. Generalmente se trata de harina de madera o
serrín, y si bien a priori la madera es un compuesto que además de
absorber humedad, no presenta alta rigidez, este material compuesto
ha encontrado aplicación en el diseño de interiores, la fabricación de
productos de jardín, etc. dado que además de presentar un alto valor
estético, permite reciclar los sobrantes de las industrias madereras,
contribuyendo al desarrollo sostenible y al medio ambiente.
Ventajas
• -Ligereza, ya que sus densidades oscilan entre 0,9 y 2,3 tlmJ (la
mayoría de los casos comprendidos entre 1,2 y 1,7 tlm)). Ello
genera además las ventajas que se derivan del poco peso que
tendrían los elementos prefabricados con estos productos:
economía y facilidad de transporte, economía y facilidad de
manipulación y montaje y, finalmente, reducción de cargas.
• Excelente comportamiento ante la corrosión ambiental, lo que le
hace muy apropiado para aplicaciones costeras ymmarítimas,
aplicaciones en ambientes agresivos con mantenimiento
prácticamente nulo.
• Una de sus principales ventajas son sus elevadas propiedades
mecánicas a tracción, compresión, flexión, cortanteme impacto.
• Por otro lado, su moldeabilidad le permite acceder a formas
complejas para una fácil reproducción de elementos
constructivos (rehabilitación), integración de funciones

29. (estructural, cierre, aislante,acabado...) con la utilización de
numerosas técnicas de fabricación.
• Posibilidad de moldeo en grandes piezas con pocas limitaciones
y con aplicaciones de difícil ejecución con materiales
tradicionales.
• Numerosos acabados: mates, rugosos, satinados, color en
masa, grados de transparencia, translucidez, opacidad.. ,
• Son materiales autolimpiables por la lluvia, por lo que resulta
muy interesante para elementos arquitectónicos exteriores como
fachadas, elementos decorativos, cubiertas…
• No presentan interferencia a las ondas electromagnéticas, por lo
que son unos materiales idóneos para edificios de
comunicaciones y transmisiones.
• Resistentes al fuego y de baja inf1amabilidad, mediante una
selección adecuada de resinas y aditivos.
• Baja conductividad térmica, que los hace ideales para resolver
problemas de aislamiento térmico.
• Coloración en masa. Pueden pigmentarse en el proceso de
fabricación, por lo que no necesitan pintarse.
Desventajas
• -Coste elevado, aunque con un diseño adecuado que aproveche
su ligereza, economía de transporte, manipulación y montaje,
reducción de cargas, mantenimiento casi nulo, eliminación del
pintado e integración de funciones, puede ser un elemento
constructivo rentable en comparación con otros elementos
convencionales.
• Desconocimiento de los materiales composites, tanto en lo que
se refiere a la falta de formación de los futuros técnicos y
aplicadores como falta de información en general sobre sus
características y posibilidades de aplicación.
• Falta de reglamentación de uso o normativa técnica, 10 que da
inseguridad para su diseño y cálculo.
• Falta de información sobre su durabilidad, ya que se trata de
materiales muy jóvenes, poco usados hasta ahora, por lo que el

30. arquitecto, agobiado por su responsabilidad decenal, prefiere no
arriesgar.
• Baja resistencia al calor. No obstante puede minimizarse
utilizando los componentes apropiados y añadiéndole los
aditivos precisos
• Mal comportamiento ante los rayos UV, aunque puede ser
contrarrestado este efecto utilizando los aditivos adecuados.
• Falta de clasificación al fuego. Aunque su comportamiento ante
el fuego no es malo, la falta de clasificación reprime su uso.
• Son materiales de dificil reciclaje, no obstante, las más recientes
investigaciones están consiguiendo avances muy importantes,
por ejemplo: se someten a tratamientos mecánicos y posterior
trituración para usarse como carga en otros composites o
materiales de construcción.
• Falta de mentalización entre usuarios y técnicos.
• Conservadurismo tradicional en el sector de la construcción, que
hace muy dificil la introducción de nuevos materiales o nuevas
tecnologías, si no llevan aparejado un beneficio económico para
el constructor.