Descripción de la estructura de los materiales y su influencia en el diseño de producto

1. Estructura de los
Materiales
Alberto Rossa Sierra, Dr. Ing.
Francisco J. González Madariaga, Dr. Ing. Tecnología de Materiales

2. Estructura?

7. Estructura
Propiedades
Desempeño
Caracterización
Procesamiento
¿Qué propiedades mecánicas,
físicas y químicas presenta este plástico?
¿Qué aplicaciones puede tener este plástico?
¿Con qué tipos de procesos productivos
puedo transformar este plástico?
¿Qué tipos de enlaces presentan las
micro y macro estructuras de este plástico?

8. Composición
Procesamiento
Microestructura
Propiedades-funcionamiento
Desempeño y costo

9. Niveles para el análisis de la
estructura de los materiales
Niveles para el análisis de la estructura de los
materiales
Nivel Nombre Expresión matemática
1 Macroestructura >1 x 10 -3mm (> 0.001 mm)
2 Microestructura (0.000 001 – 0.001 mm )
3 Nanoestructura 1 x 10-9 M (0.000 0001 – 0.00001 mm)
4 Arreglos atómicos (0.000 000 01 - 000001 mm)
5 Estructura atómica ( - 0.00000001 mm )

10. Macroestructura
Microestructura
Arreglo atómico
El ojo normal ve los
cristales de NaCl como
sólidos claros.
A la orilla de una red
cristalina se le llama borde
de grano.
Estos bordes son visibles
con microscopios (ópticos
y electrónicos)
Múltiples moléculas de
NaCl enlzadas para
formar una red cristalina
cúbica de cara centrada
Niveles de orden

11. Redes cristalinas
Cúbica sencilla Cúbica centrada
en el cuerpo
Cúbica de caras
centradas
Tetragonal
sencilla
Tetragonal centrada
en el cuerpo
Ortorrómbica
sencilla
Ortorrómbica
centrada en la base
Ortorrómbica
centrada en el cuerpo
Ortorrómbica
de caras centradas Hexágonal
Monoclínica
sencilla
Monoclínica
centrada en la base Triclínica Romboédrica

12. Molécula
O H
=_
-[ CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - C - N ]-
n
Molécula de Nylon 6

14. H H H H
C C
H
C
H
H
C
H H n · =^
H
C
H
H
C
H
C C
H
C
H
H H
H
H
H
H
H
C C
H
H
Ethylene Polyethylene (HDPE)
n
C
H

15. Polimerización
1 monómero 2 polímero (cadenas macromoleculares)

16. Incremento del peso molecular
METHANE
GAS
CH4
H
H
H
H
C
PENTANE
LIQUID
C5H12
POLYETHYLENE
SOLID
C100H202

17. Chapter 4 Stiffness and weight: density and elastic moduli
H –
– C – C – C – C – C – C – C – C –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
H –
–
H
CH3 CH3
– C – C – C – C – C – C – C – C –
–
–
–
–
H CH3 CH3
C6H5
– C – C – C – C – C – C – C – C –
–
– H –
–
–
–
– C – C – C – C – C – C – C – C –
–
–
F F F –
–
–
–
–
– C – C – C – C – C – C – C – C –
–
F
–
–
F
–
–
F
F –
–
F
F –
–
F
F –
–
F
F –
–
F
F –
–
F
H –
H
H – Cl–
H –
H
Cl–
H
H
H –
Cl
H –
H
Cl
–
H
H
–
H
–
H
–
H
–
H
–
–
H
–
–
C6H5
H –
H
H –
H –
H
H
H – H –
H – –
–
H –
H
H–
–
–
C6H5
–
H
H
H
H–
H–
–
C6H5
Polyethylene, PE
Polypropylene, PP
Polystyrene, PS
Polyvinyl chloride, PVC
Polytetrafluoroethylene, PTFE
Figure 4.16 Five common polymers, showing the chemical make-up. The strong
carbon–carbon bonds are shown in red.

18. Morfología
– A A B A B B B A B B A A A B – Random copolymer
– A A A A A A A B B B A A A B B B B B – Block or sequence copolymer
– A A A A A A A A A A A A A – Graft copolymer
B B B
B B B
B B B
B B
BB

20. Side groups
Amorphous
region
Chain
branching
Ramificación
de cadena
Crystalline
region
PP de baja densidad
mostrando las regiones
amorfas y las cristalinas
PE de alta densidad
mostrando las regiones
amorfas y las cristalinas
Región
amorfa
Región
Grupos cristalina
laterales

21. Esquema de un polímero
amorfo-linear, mostrando
los enlaces principales y los
enlaces secundarios.

22. Estructura semi-cristalina
Estructura amorfa

23. Enlaces fuertes
Enlaces débiles
(Van der Waals)
Comparación entre las estructuras de un termoplástico y un termoestable

24. Arquitectura de la
estructura
cristalina del PE

25. Estructuras semicristalinas
(c)
Bandas de
cizalladura

26. emblanquecimiento
rotura

27. Estructura
Propiedades

28. Propiedades de los materiales
Mecánicas
Son aquellas relacionadas con la reacción del material
en el momento en que le es aplicada una fuerza
Físicas
Se manifiestan en procesos físicos. Se dividen en
eléctricas, magnéticas, térmicas y ópticas.
Químicas
Se manifiestan durante una reacción química que afecta
al material.
Tecnológicas
Comportamiento del material durante los procesos de
transformación

29. Caracterización de los materiales
ABS allows detailed moldings, accepts color well, and is nontoxic and tough .
Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)
The material. Acrylonitrile butadiene styrene, or ABS, is tough, resilient,
and easily molded. It is usually opaque, although some grades can now be
transparent, and it can be given vivid colors. ABS-PVC alloys are tougher
than standard ABS and, in self-extinguishing grades, are used for the cas-ings
Ecoproperties: material
Annual world production *5.6 ! 106 – 5.7 ! 106 tonne/yr
Reserves *1.48 ! 108 – 1.5 ! 108 tonne
Embodied energy, primary production *91 – 102 MJ/kg
CO 2 footprint, primary production *3.3 – 3.6 kg/kg
Water usage *108 – 324 l/kg
Eco-indicator 380 – 420 millipoints/kg
Ecoproperties: processing
Polymer molding energy *10 – 12 MJ/kg
Polymer molding CO 2 footprint *0.8 – 0.96 kg/kg
Polymer extrusion energy *3.2 – 4.6 MJ/kg
Polymer extrusion CO 2 footprint *0.31 – 0.37 kg/kg
Recycling
Embodied energy, recycling *38 – 43 MJ/kg
CO 2 footprint, recycling *1.39 – 1.5 kg/kg
Recycle fraction in current supply 0.5 – 1 %
Recycle mark
7
Other
Typical uses. Safety helmets; camper tops; automotive instrument panels
and other interior components; pipe fi ttings; home-security devices and hous-ings
for small appliances; communications equipment; business machines;
plumbing hardware; automobile grilles; wheel covers; mirror housings; refrig-erator
liners; luggage shells; tote trays; mower shrouds; boat hulls; large com-ponents
for recreational vehicles; weather seals; glass beading; refrigerator
breaker strips; conduit; pipe for drain-waste-vent (DWV) systems.
ABS
of power tools.
acrilonitrilo-butadieno-estireno
Composition
(CH 2 —CH— C 6 H 4 ) n
General properties
Density 1010 – 1210 kg/m 3
Price 2.3 – 2.6 USD/kg
Mechanical properties
Young’s modulus 1.1 – 2.9 GPa
Yield strength (elastic limit) 18.5 – 51 MPa
Tensile strength 27.6 – 55.2 MPa
Elongation 1.5 – 100 %
Hardness—Vickers 5.6 – 15.3 HV
Fatigue strength at 10 7 cycles 11 – 22.1 MPa
Fracture toughness 1.19 – 4.29 MPa.m 1/2
Thermal properties
Glass temperature 88 – 128 °C
Maximum service temperature 62 – 77 °C
Thermal conductor or insulator? Good insulator
Thermal conductivity 0.188 – 0.335 W/m.K
Specifi c heat capacity 1390 – 1920 J/kg.K
Thermal expansion coeffi cient 84.6 – 234 μ strain/ °C
Electrical properties
Electrical conductor or insulator? Good insulator
Electrical resistivity 3.3 ! 1021 – 3 ! 1022 μ ohm.cm
Dielectric constant 2.8 – 3.2
Dissipation factor 0.003 – 0.007
Dielectric strength 13.8 – 21.7 106 V/m

31. Fin