El documento describe la historia y perspectiva de los materiales, así como su clasificación e importancia. Históricamente, el desarrollo de las sociedades ha estado vinculado a la capacidad de producir materiales. Existen metales, cerámicas, polímeros y materiales compuestos. La ciencia e ingeniería de materiales estudia la relación entre estructura y propiedades. Se necesitan nuevos materiales sofisticados para aplicaciones tecnológicas como energía y transporte de manera sostenible.

1. MATERIALES
INTRODUCCIÓN

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PERSPECTIVA HISTÓRICA
 Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado
íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar
los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades.
 Primeras civilizaciones: sus nombre deriva del material que alcanzó mayor grado
de desarrollo. Ejemplo: Edad de Piedra, Edad de Bronce.
 Primeros materiales utilizados por el hombre: piedra, madera, arcilla y cuero
(materiales naturales).
 Cerámicas y metales → nuevos materiales con propiedades superiores a los
naturales.
 Se descubrió la posibilidad de modificar las propiedades de los materiales por
tratamiento térmico o por adición de otras sustancias.
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PERSPECTIVA HISTÓRICA
 Históricamente, la utilización de materiales fue un proceso de selección: de un
conjunto limitado de materiales se decidía cuál era, en virtud de sus
características, el más idóneo para una aplicación en particular.
 Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características
muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra compleja sociedad:
aleaciones, plásticos, cerámicas y fibras.
 El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del
progreso de una tecnología.
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Aparición de un
Fabricación de acero idóneo y barato
automóviles o de algún sustituto
comparable
Adelantos Materiales
electrónicos semiconductores y
sofisticados superconductores
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Una de las más populares bebidas refrescantes se envasa en
recipientes fabricados con tres tipos de materiales: el envase de
la derecha es de vidrio (cerámicos), los del medio son
metálicos, y el de la derecha es plástico (polímeros).
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
 Ciencia de los materiales → investigación sobre la relación entre la estructura y
las propiedades de los materiales.
 Ingeniería de los materiales → estudio de las relaciones propiedad-estructura;
diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto
predeterminado de propiedades.
• Disposición de sus componentes internos
ESTRUCTURA • Organización de átomos o moléculas entre sí.
• Se expresan en términos del tipo y magnitud de la
respuesta a un estímulo específico impuesto
PROPIEDAD • Suelen ser independientes de la forma y del tamaño
del material.
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
 Todas las propiedades importantes de los materiales sólidos se agrupan en seis
categorías:
1. Mecánicas
2. Eléctricas
3. Térmicas
4. Magnéticas
5. Ópticas
6. Químicas
 Para cada categoría existe un tipo característico de estímulo capaz de provocar
respuestas diferentes.
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
PROPIEDADES MECÁNICAS
Relacionan la deformación con la fuerza aplicada Módulo elástico y Resistencia
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Estimuladas por un campo eléctrico Conductividad eléctrica y Constante dieléctrica
PROPIEDADES TÉRMICAS
Comportamiento térmico de la materia Capacidad calorífica y Conductividad térmica
PROPIEDADES MAGNÉTICAS
Respuesta frente a un campo magnético Magnetización y Permeabilidad magnética
PROPIEDADES ÓPTICAS
Estímulo por la radiación lumínica Índice de refracción y Reflectividad
PROPIEDADES QUÍMICAS
Reactividad química de un material Resistencia a la corrosión
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CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
¿POR QUÉ SE ESTUDIAN LOS MATERIALES?
 Hay que resolver el problema de la elección del material más idóneo de entre los
miles de materiales disponibles.
1. Deben caracterizarse las condiciones en que el material prestará servicio y
se anotarán las propiedades requeridas por el material para dicho servicio
(Resistencia vs. Ductilidad: materiales con alta resistencia tienen ductilidad
limitada).
2. Tomar en cuenta la degradación que el material experimenta en servicio
(elevadas temperaturas y ambientes corrosivos disminuyen la resistencia
mecánica).
3. Consideraciones económicas.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
 Los materiales sólidos se clasifican en tres grupos: metales, cerámicas y
polímeros. Este esquema se basa en la composición química y estructura atómica.
La mayoría de los materiales encajan en esta clasificación, aunque hay materiales
intermedios.
 Existen otros dos grupos de materiales técnicos: materiales compuestos
(composite) y semiconductores.
 Materiales Compuestos → combinación de dos o más materiales diferentes.
 Semiconductores → se comporta como conductor o como aislante dependiendo
de la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
METALES
 Son combinaciones de elementos metálicos.
 Tienen gran número de electrones deslocalizados, que no pertenencen a ningún
átomo en concreto, de aquí sus propiedades.
 Conducen perfectamente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible.
 Son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a sus utilización en
aplicaciones estructurales.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
CERÁMICAS
 Los compuestos químicos constituidos de metales y no metales
(óxidos, nitruros, carburos, etc.) pertenecen a este grupo, incluyendo minerales de
arcilla, cemento y vidrio.
 Son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes
agresivos son más resistentes que los metales y polímeros.
 Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son muy duras y muy frágiles.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
POLÍMEROS
 Comprenden materiales desde el plástico hasta el caucho.
 Son compuestos orgánicos (basados en carbono) caracterizados por la gran
longitud de las estructuras moleculares.
 Poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
MATERIALES COMPUESTOS
 Materiales diseñados a partir de más de un tipo de material.
 Fibra de vidrio → vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material
polimérico. Es mecánicamente resistente debido al vidrio, y flexible debido al
polímero.
 Están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de
cada componente.
 La mayoría de los materiales desarrollados últimamente con materiales
compuestos.
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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
SEMICONDUCTORES
 Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes
eléctricos.
 Sus características eléctricas son extremadamente sensibles a la presencia de
diminutas concentraciones de átomos de impurezas, que deben ser controladas en
regiones espaciales muy pequeñas.
 Posibilitan la fabricación de los circuitos integrados en la industria electrónica y
de ordenadores.
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NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS
 El permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados
y especializados.
 Por ejemplo, las células solares emplean algunos de los materiales más complejos
y caros. La viabilidad tecnológica se aseguraría si se desarrollan materiales baratos
y de alta eficiencia en el proceso.
 El problema con la energía nuclear radica precisamente en los materiales: desde
el combustible a la estructura de los recipientes para controlar los residuos
radiactivos.
 Las técnicas de control de la contaminación emplean diversos materiales.
Además, los procedimientos de fabricación de los materiales deben producir
mínima contaminación y mínima destrucción del paisaje en los lugares donde se
extraen las materias primas.
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NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS
 La disminución del peso de los vehículos de transporte y el aumento de la
temperatura de funcionamiento de los motores mejoran el rendimiento del
combustible, por lo que es necesario desarrollar nuevos materiales de elevada
resistencia y baja densidad, así como materiales capaces de soportar elevadas
temperaturas.
 La mayoría de los materiales que utilizamos proceden de fuentes que no son
capaces de regenerarse, como los polímeros, cuya principal fuente es el petróleo, y
algunos metales. Debido a este empobrecimiento paulatino, es necesario descubrir
nuevas reservas o desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables y
con menos impacto medioambiental.
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