Materiales Cerámicos, Polímeros y Propiedades Eléctricas: Características y Aplicaciones

Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos, unidos mediante enlaces iónicos y/o covalentes.

Tipos de Cerámicas

• Cerámicas tradicionales: Incluyen ladrillos, loza y porcelana.
• Cerámicas técnicas: Ofrecen altas prestaciones y son refractarias, abrasivas, piezoeléctricas o superconductoras.

Propiedades Generales

1. Mecánicas: Alta dureza y fragilidad. Excelente resistencia a la compresión y baja ductilidad.
2. Térmicas y eléctricas: Baja conductividad térmica y eléctrica. Alta estabilidad química y térmica.
3. Ópticas y químicas: Transparencia (en vidrios). Resistencia a medios corrosivos.

Estructuras Principales

1. Cerámicas iónicas:
   • Ejemplos: NaCl, CsCl.
   • Estructuras basadas en el empaquetamiento de aniones y cationes.
2. Cerámicas covalentes:
   • Ejemplos: Diamante, SiC, Si₃N₄.
   • Alta dureza y resistencia térmica.
3. Silicatos:
   • Unidad básica: Tetraedros de SiO₄^-4.
   • Usos: Construcción, aislantes, vidrio.
4. Vidrios:
   • Estado no cristalino con alta transparencia.
   • Ejemplo: Vidrios sodo-cálcicos, borosilicatos.

Ensayos Mecánicos

• Compresión y flexión: Adecuados para materiales cerámicos.
• Tracción: No aplicable debido a la propagación de grietas.

Aplicaciones

1. Industria automotriz: Cojinetes, válvulas, inyectores.
2. Construcción: Ladrillos, cementos.
3. Electrónica: Sensores, condensadores.
4. Aeroespacial: Protección térmica de transbordadores.

Propiedades Eléctricas

La corriente eléctrica es el movimiento de partículas cargadas en respuesta a un campo eléctrico.

• Conducción electrónica: Flujo de electrones (e^-).
• Conducción iónica: Movimiento de iones (+ o -).

La conductividad (σ) y la resistividad (ρ) indican la facilidad o dificultad de un material para conducir corriente: σ = 1/ρ.

Estructura de Bandas

Las propiedades eléctricas dependen de las bandas de energía.

1. Conductores:
   • Banda de conducción parcialmente llena o superpuesta con la banda de valencia.
   • Gran cantidad de electrones libres.
2. Semiconductores:
   • Intervalo prohibido (E_g) pequeño.
   • Conductividad intermedia, controlable por dopantes o temperatura.
3. Aislantes:
   • Gran intervalo prohibido (E_g > 2 eV).
   • Muy baja conductividad.

Metales

La resistividad total en metales se compone de:

ρ_total = ρ_T + ρ_r

• ρ_T: Resistividad térmica, debida a las vibraciones de los átomos.
• ρ_r: Resistividad residual, causada por impurezas y deformaciones.

Semiconductores

• Intrínsecos: Propiedades basadas en la estructura pura del material (ej. Si, Ge).
• Extrínsecos: Conductividad controlada por dopantes.
  • Tipo n: Dopantes donan electrones (P, As).
  • Tipo p: Dopantes crean huecos (B, Al).

Efecto de la Temperatura: Un incremento de la temperatura (T) aumenta la conductividad al excitar electrones a la banda de conducción.

Aislantes y Dieléctricos

• Aislantes: Alta resistividad; se oponen al paso de corriente.
• Dieléctricos: Se polarizan bajo un campo eléctrico.

Aplicaciones

1. Conductores: Cables eléctricos, componentes electrónicos.
2. Semiconductores: Dispositivos electrónicos (LEDs, transistores).
3. Dieléctricos: Condensadores.

Polímeros

Los polímeros son compuestos de alto peso molecular formados por la repetición de monómeros unidos mediante enlaces covalentes.

Comportamiento Térmico

• Termoplásticos: Funden y pueden moldearse.
• Termoestables: Endurecen químicamente y no pueden fundirse.
• Elastómeros: Alta elasticidad, con deformaciones reversibles.

Estructura y Propiedades

• Cristalinidad: Determina la rigidez, densidad y resistencia.
  • Polímeros semicristalinos (ej.: PP) tienen zonas cristalinas y amorfas.
  • Polímeros amorfos (ej.: PVC) tienen baja densidad y elasticidad.
• Peso molecular:
  • Mayor peso molecular → Mayor resistencia mecánica y térmica.
  • Índice de polidispersidad: Mide la homogeneidad del peso molecular.
• Tacticidad:
  • Isotáctico: Alta cristalinidad, mejor resistencia.
  • Atáctico: Baja cristalinidad, propiedades mecánicas pobres.

Propiedades Térmicas

• Temperatura de transición vítrea (T_g):
  • Marca el cambio de estado de vítreo a gomoso.
  • Influye en la flexibilidad.
• Temperatura de fusión (T_m):
  • Aplica a polímeros semicristalinos.
  • Aumenta con la cristalinidad y el peso molecular.