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1. INGENIERÍA DE
MATERIALES
Unidad V. Materiales no
metálicos y nanomateriales
Clasificación, cerámicos y
polímeros.
INGENIERÍA INDUSTRIAL EN PRODUCTIVIDAD Y CALIDAD
M.C. DINORA MONROY MELENDEZ

2. Contenido
Clasificación de
materiales no metálicos
Materiales cerámicos
Materiales poliméricos

3. MATERIALES NO METÁLICOS
CLASIFICACIÓN

4. CLASIFICACIÓN
Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no
intervienen los metales como componente básico.
Dependiendo de su origen, distinguiremos:
• los materiales naturales, como la seda o el cuarzo, lo sintéticos, como el hormigón o
el vidrio, y
• los materiales auxiliares, en los que se incluyen los pulimentos, las pinturas, los
lubricantes, y otros.
Los materiales cumplen funciones muy distintas, dependiendo de la necesidad que se
pretende satisfacer: la alimentación, la vivienda, el vestido y calzado, la ornamentación, la
obtención de energía, la fabricación de herramientas, el transporte, la comunicación, etc.

5. CLASIFICACIÓN
• CERÁMICOS
• POLÍMEROS
• COMPOSITOS
(COMPUESTOS)
• NANOMATERIALES
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6. MATERIALES
CERÁMICOS

7. • Inorgánicos.
• Generalmente
cristalinos.
• Constituidos por
elementos metálicos y
no metálicos.
• Enlaces iónicos ó
covalentes.
• Obtenidos a partir de
polvos y posterior
proceso de
sinterización a
elevadas
temperaturas.

8. CLASIFICACIÓN

9. Los materiales cerámicos se dividen en tres categorías:
• Cerámicas Tradicionales: Los productos cerámicos tradicionales se hacen a partir de
minerales que se encuentran en la naturaleza e incluyen alfarería, porcelanas, ladrillos,
cemento, azulejos y cerámica refractaria.
• Cerámicas de Ingeniería: Los productos cerámicos de ingeniería se hacen a partir de
materias primas producidas sintéticamente y cubren una amplio espectro de productos
como herramientas de corte, huesos artificiales y combustibles nucleares.
• Vidrios: Lo métodos que se usan para producir productos de vidrio son muy diferentes
a los que se emplean en los anteriores cerámicos. La materia prima principal es la sílice
(SiO2), que se combina generalmente con otros óxidos cerámicos que forman vidrios.

10. POR SU CAMPO DE APLICACIÓN
• Vidrios.
• Arcilla Cocida.
• Abrasivos.
• Refractarios.
• Cementos.
• Cerámicas Avanzadas.

11. PROPIEDADES
De los
materiales
cerámicos

12. 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.
• Propiedades mecánicas.
• Propiedades físicas.
- Alta dureza.
- Alta resistencia a compresión.
- Baja conductividad térmica y eléctrica
(si bien existen cerámicas
superconductoras).
- Elevada estabilidad química con la
temperatura.
- “Ligeros”.
- Puntos débiles: fragilidad y escasa
fiabilidad

13. MANUFACTURA

14. PROCESO DE
FABRICACIÓN
BÁSICO
Los dos elementos básicos necesarios para fabricar un
componente sinterizado son: un polvo metálico, y un utillaje.
Partiendo de ellos, el proceso básico a seguir para conformar
una pieza sinterizada engloba tres operaciones: el mezclado
de polvos, la compactación, y la sinterización.
Fuente: AMES. Proceso de Fabricación Básico. Sinterizado. Recuperado de AMES Sintered Metallic Components: https://www.ames-sintering.com/es/proceso-de-sinterizado/

15. MATERIA PRIMA
La materia prima de un componente sinterizado es siempre un polvo metálico. Las
características del material a conseguir determinan la composición química del
polvo.
Los polvos metálicos pueden ser polvos de metal puro (hierro, cobre), o bien
polvos aleados (bronce, latón, acero, etc). Existen polvos de diversa naturaleza
(esponja, irregular, esférico, laminar), que confieren diferentes propiedades al
componente.
MEZCLADO
El polvo base se mezcla con diferentes elementos aleantes, en función de la
composición química del material final (como grafito, níquel, cobre,…), con
un lubricante sólido orgánico (necesario para poder compactar), y en ocasiones
con aditivos especiales. El resultado es una mezcla de polvos con una distribución
homogénea de los aditivos. La composición química del material se asegura
mediante un estricto proceso de dosificación y control, y es de vital importancia
para conseguir las características mecánicas, físicas o químicas del material.
UTILLAJE
La mezcla de polvos se compacta en el interior de un utillaje, que tiene la forma del
negativo de la pieza final. El utillaje es un elemento de elevadísima precisión,
y de alta durabilidad. El utillaje se monta dentro de la prensa y se mantiene
mediante técnicas SMED.

16. COMPACTACIÓN
La mezcla de polvos se carga en el interior del utillaje por gravedad, y se
aplica sobre ella una presión uniaxial de 200 a 1500 MPa en función de la
densidad final a conseguir. La pieza compactada se expulsa del utillaje, y el
resultado es una pieza “en verde”, que tiene una cierta consistencia
mecánica y que puede ser manipulada.
El proceso de compactación es asegurado estadísticamente mediante
controles SPC de diferentes características de la pieza.
SINTERIZACIÓN
La sinterización es un ciclo térmico consistente en calentar la pieza
compactada durante un tiempo determinado a una temperatura inferior al
punto de fusión del metal base. La elevada temperatura provoca la soldadura
de las partículas de polvo entre sí, y la difusión de los elementos aleantes,
mediante un mecanismo de difusión en estado sólido.
La sinterización se realiza en hornos contínuos, a velocidad controlada, y en
atmósfera con composición química controlada. Normalmente se opera a
temperaturas entre 750 y 1300ºC en función del material y de las
características a conseguir.
El resultado de estas operaciones básicas es una pieza metálica con una
cierta microporosidad, de elevada precisión dimensional,
y perfectamente funcional si las características obtenidas se adecúan a las
especificaciones del componente.

17. PROCESAMIENTO DE CERAMICAS:
Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados
compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente
calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si.
Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de
partículas son: en primera instancia preparación de material; segundo
moldeado o fundido y por ultimo tratamiento térmico por secado y
horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas
suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

18. TÉCNICAS DE CONFORMADO.
Los productos cerámicos
fabricados por aglomeración de
partículas pueden ser
conformados mediante varios
métodos en condiciones secas,
plásticas o liquidas.
• Prensado en seco.
• Compactación isostática.
• Compresión en caliente.
• Extrusión.

19. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
El tratamiento térmico es un paso esencial
en la fabricación de la mayoría de los
productos cerámicos. En esta subdivisión
consideramos los siguientes tratamientos
térmicos: secado, sinterizado, verificación.
• Secado y eliminación de aglutinantes.
• Sinterizacion.
• Verificación.

20. APLICACIONES

21. Los materiales cerámicos, debido a sus
propiedades térmicas, eléctricas y mecánica, es de
gran aplicación en muchos de los ámbitos
industriales.
Ejemplos de aplicaciones:
El Nitruro De Aluminio(AIN): buen aislante
eléctrico, pero tiene alta conductividad térmica.
El Carburo De Silicio(SiC): tiene una extraordinaria
resistencia a la oxidación a temperatura incluso
por encima del punto de fusión del acero. A
menudo se utiliza como recubrimiento para
metales, para compuestos de carbono y otros
cerámicos a temperaturas extremas.

22. MATERIALES
POLIMÉRICOS

23. Polímeros o macromoléculas
• Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede
alcanzar millones de UMAs que se obtienen por la repeticiones de
una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre
sí mediante enlaces covalentes.
• Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der
Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas y por
puentes covalentes.

24. Tipos de macromoléculas
Naturales:
• Caucho
• Polisacáridos.
• Almidón.
• Celulosa.
• Proteínas.
• Ácidos nucleicos
Artificiales:
• Plásticos
• Fibras textiles sintéticas
• Poliuretano
• Baquelita

25. Tipos de polímeros
• Según su composición:
• Homopolímeros
Un sólo monómero
• Copolímeros
Dos o más monómeros
• Según su estructura:
• Lineales
• Ramificados
Si algún monómero se puede
unir por tres o más sitios.
• Por su comportamiento
ante el calor:
• Termoplásticos
Se reblandecen al calentar
y recuperan sus
propiedades al enfriar.
• Termoestables
Se endurecen al ser
enfriados de nuevo por
formar nuevos enlaces.

26. Polímeros según su naturaleza
POLÍMEROS
NATURALES
(Celulosa, almidón)
SINTÉTICOS
PLÁSTICOS
TERMOPLÁSTICOS
(Polietileno)
TERMOESTABLES
(Baquelita)
FIBRAS
(Naylon, tergal)
ELASTÓMEROS
(Neopreno)

27. Propiedades de los polímeros sintéticos.
• Plásticos.
• Termoplasticos: se moldean en caliente de forma repetida.
• Termoestables: una vez moldeados en caliente, quedan rígidos
y no pueden volver a ser moldeados.
• Fibras.
• Se pueden tejer en hilos (seda).
• Elastómeros.
• Tienen gran elasticidad por lo que pueden estirarse varias
veces su longitud (caucho).

28. Tipos de polimerización.
•Adición.
• La masa molecular del polímero es un múltiplo exacto
de la masa molecular del monómero.
•Condensación.
• Se pierde en cada unión de dos monómeros una
molécula pequeña, por ejemplo agua.
• Por tanto, la masa molecular del polímero no es un
múltiplo exacto de la masa molecular del monómero.

29. Reacción de adición.
• Iniciación:
CH2=CHCl + catalizador ·CH2–CHCl·
• Propagación o crecimiento:
2 ·CH2–CHCl· ·CH2–CHCl–CH2–CHCl·
• Terminación:
• Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se
unen dos cadenas con un terminal neutralizado.

30. Polímeros de adición.
•MONÓMEROS
• Eteno
• Propeno
• cloroeteno
• tetraflúoreteno
• propenonitrilo
• butadieno
• fenileteno
• metacrilato de metilo
• 2-clorobutadieno
•POLÍMEROS
• Polietileno
• Polipropileno
• policloruro de vinilo
• teflón
• poliacrilonitrilo
• polibutadieno
• poliestireno
• polimetilmetacrilato
• neopreno

31. Estructura y usos de algunos polímeros de adición (1)
MONÓMERO POLÍMERO USOS PRINCIPALES
CH2=CH2 –CH2–CH2–CH2–CH2– Bolsas, botellas, juguetes...
etileno polietileno
CH2=CH–CH3 –CH2–CH–CH2–CH– Películas, útiles de cocina,
| |
CH3 CH3 aislante eléctrico...
propileno polipropileno
CH2=CHCl –CH2–CHCl–CH2–CHCl– Ventanas, sillas, aislantes.
cloruro de vinilo policloruro de vinilo
CH2=CH –CH2–CH–CH2–CH– Juguetes, embalajes
estireno aislante térmico y acústico.
poliestireno

32. Estructura y usos de algunos polímeros de adición (2)
MONÓMERO POLÍMERO USOS PRINCIPALES
CF2=CF2 –CF2–CF2–CF2–CF2– Antiadherente, aislante...
tetraflúoretileno PTFE (teflón)
CH2=CCl–CH=CH2 –CH2–CCl=CH–CH2– Aislante térmico,
2-clorobutadieno cloropreno o neopreno neumáticos...
CH2=CH–CN –CH2–CH–CH2–CH– Tapicerías, alfombras
| |
CN CN tejidos...
acrilonitrilo poliacrilonitrilo
CH3 CH3 CH3 Muebles, lentes y equipos
| | |
CH2=C–COOCH3 –CH2–C—CH2—C— ópticos
| |
COOCH3 COOCH3
metacrilato de metilo PMM (plexiglás)

33. Ejemplo: Una muestra de polibutadieno tiene
una masa molecular media aproximada de 10000 UMAs ¿Cuántas
unidades de monómero habrá en la muestra?
CH2=CH–CH=CH2 ·CH2–CH=CH–CH2·
·CH2–CH=CH–CH2–CH2–CH=CH–CH2·
Masa molecular monómero: 4·12 + 6·1 = 54 UMA
n = 10000/54 = 185

34. Polimerización cis–trans
Monómero:
CH3 metil 1,3 butadieno
|
CH2=C–CH=CH2 (isopreno)

Polímero:
CH3 H CH3 H CH3 H
/ / /
C=C C=C C=C
/ / /
–CH2 CH2–CH2 CH2–CH2 CH2–
Cis–isopreno (caucho natural)

35. Polimerización cis–trans
CH3
|
CH2=C–CH=CH2 metil 1,3 butadieno (isopreno)

–CH2 H
/
C=C
/
CH3 CH2–CH2 H
/
C=C
/
CH3 CH2–CH2 H
/
C=C
/
Trans–isopreno CH3 CH2–

36. Polímerización estereoespecífica.
Atáctica
CH3
H
H
CH3
CH3
H
CH3
H
H
CH3
H
CH3
H
CH3
CH3
H
Isotáctica
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H
CH H CH H CH H CH H
Sindiotáctica
3
H CH3
3
H CH3
3
H CH3
3
H CH3
Uso de estereocatalizadores (TiCl4)

37. Principales polímeros de condensación.
• Homopolímeros:
• Polietilenglicol
• Siliconas.
• Copolímeros:
• Baquelitas.
• Poliésteres.
• Poliamidas.

38. Polímeros de condensación: Polietilenglicol.
• Suele producirse por la pérdida de una molécula
de agua entre 2 grupos (OH) formándose puentes
de oxígeno.
• CH2OH–CH2OH etanodiol (etilenglicol)

• CH2OH–CH2–O–CH2–CH2OH + H2O

• ...–O–CH2–CH2–O–CH2–CH2–O...
(polietilenglicol)

39. Polímeros de condensación: Siliconas
• Proceden de monómeros del tipo R2Si(OH)2
• Se utiliza para sellar juntas debido a su carácter
hidrofóbico.
© Ed. Santillana.
Química 2º Bachillerato.

40. Polímeros de condensación:
La baquelita
• Se produce por copolimerización por condensación del fenol y el metanal.
• Se utiliza como cubierta en diferentes electrodomésticos, como televisores...
OH
HCHO
OH
CH2OH
OH
CH2OH
H
+
+ +

41. Polímeros de condensación:
La baquelita
O H
O H
C
H 2
O H
C
H 2
O H
C H 2
C H 2
C
H 2
O H
C H 2
C H 2
O H
C H 2
O H
C
H 2
C H 2

42. Copolímeros de condensación: Poliésteres
• Se producen por sucesivas reacciones de esterificación
(alcohol y ácido)
• Forman tejidos.
• El más conocido es el “tergal” formado por ácido
tereftálico (ácido p-benceno dicarboxilico) y el
etilenglicol (etanodiol).
© Ed Santillana. Química 2º Bach.

43. Copolímeros de condensación: Poliamidas
• Se producen por sucesivas reacciones entre el grupo
ácido y el amino con formación de amidas.
• Forman fibras muy resistentes.
• La poliamida más conocida es el nailon 6,6 formado
por la copolimerización del ácido adípico (ácido
hexanodioico) y la 1,6-hexanodiamina
© Ed Santillana. Química 2º Bach