Propiedades de los Materiales: Una Exploración Completa

Clasificación de los Materiales

Podemos definir un material como la sustancia constituyente de objetos o estructuras. A continuación, se describen las diferentes clases de materiales:

Metales

Los metales conducen la luz y la electricidad, y son opacos a la luz visible; tienen apariencia brillante. Son resistentes, pero deformables, lo que permite un uso estructural.

Cerámicas

Se trata de materiales aislantes térmicos y eléctricos, que son muy resistentes a elevadas temperaturas y ambientes agresivos. Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son duras y muy frágiles.

Polímeros

Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.

Materiales Compuestos

Los materiales compuestos o composites constan de combinaciones de dos o más materiales diferentes. Se diseñan para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente.

Materiales Semiconductores

Los materiales electrónicos o semiconductores se utilizan por sus extraordinarias características eléctricas. Estos materiales tienen propiedades eléctricas entre los conductores y los aislantes. Son muy sensibles a las impurezas a nivel atómico.

Conductores

Son los materiales que tienen facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.

Semiconductores

Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente si se les comunica energía exterior. Ejemplos: Silicio, germanio, arseniuro de Galio, algún material cerámico, etc.

Aislantes o Dieléctricos

Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y, por tanto, no pueden desplazarse y conducir la electricidad. Ejemplos: Mica, porcelana, polímeros.

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Resistividad (ρ): Es una propiedad de los materiales que mide la resistencia del mismo al paso de la corriente. Es independiente de la forma del material y se relaciona con la resistencia (R).

Conductividad eléctrica (σ): Indica la facilidad con que un material es capaz de conducir la corriente eléctrica.

Conducción electrónica: Una corriente a partir del flujo de electrones, que se origina en la mayoría de los materiales.

Conducción iónica: Corriente generada a partir de un movimiento neto de partículas cargadas.

Electrones libres: Solo algunos electrones pueden ser acelerados en presencia de un campo eléctrico y estos participan en el proceso de conducción.

Huecos: Otra entidad electrónica que participa en la conducción de los semiconductores y aislantes.

Influencia de la Temperatura, Imperfecciones y Deformación

• Temperatura: La resistividad (o menor conductividad) aumenta con la temperatura debido a que aumentan las vibraciones térmicas y otras irregularidades de la red (por ejemplo, vacantes), las cuales actúan como centros de dispersión de los electrones.
• Imperfecciones: A mayor número de imperfecciones o defectos de la red, menos uniforme será el movimiento y aumentará la resistividad del material.
• Deformación plástica: La deformación plástica también aumenta la resistividad eléctrica como resultado del aumento del número de dislocaciones que provocan la dispersión de los electrones.

Semiconductores

La conductividad eléctrica de materiales semiconductores no es tan alta como la de los metales; pero tienen algunas características eléctricas únicas que los hacen especialmente útiles.

• Intrínsecos: Su comportamiento eléctrico se basa en la estructura electrónica inherente al material puro.
• Extrínsecos: Sus características eléctricas están determinadas por átomos de impureza. Hay dos tipos:
  • Tipo "p": Se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Así se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).
  • Tipo "n": Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso. De ese modo, el material tipo n se denomina también donador de electrones.

Propiedades Térmicas y Magnéticas

Capacidad calorífica: Indica la capacidad de un material de absorber calor. Representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad.

Dilatación térmica: Los materiales sólidos se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse.

Esfuerzos térmicos: Son los inducidos en un cuerpo como resultado de cambios en la temperatura. El conocimiento de los orígenes y naturaleza de las tensiones térmicas es importante debido a que estas tensiones conducen a la fractura, o bien a una deformación plástica no deseable.

Tipos de Materiales Según sus Propiedades Magnéticas

• Diamagnéticos: Se caracterizan por ser repelidos por los imanes.
• Paramagnéticos: Materiales con comportamiento magnético muy débil.
• Ferromagnéticos: Materiales atraídos por los imanes. Se imantan proporcionalmente al campo magnético, con gran inducción magnética, conservan la imanación al suprimir el campo, etc.
• Ferrimagnéticos: Fenómeno de magnetización permanente que poseen algunos materiales cerámicos.
• Antiferromagnetismo: No magnéticos.

Aplicaciones magnéticas:

• Ferritas: de alta permeabilidad magnética. Almacenan campos magnéticos con más fuerza que el hierro.
• Ferrofluidos: son partículas magnéticas suspendidas en un fluido portador.

Propiedades Ópticas y Estructurales

Refracción: La luz transmitida en el interior de un material transparente experimenta disminución de la velocidad y en la dirección de propagación.

Reflexión: Cuando la radiación lumínica pasa de un medio a otro que tiene un índice de refracción diferente, parte de la luz se difunde en la interfase de separación de los dos medios, aunque éstos sean transparentes.

Luminiscencia: Fenómeno que experimentan algunos materiales capaces de absorber energía y de volver a emitirla en forma de luz visible (Fluorescencia, Fosforescencia).

Estructuras Cristalinas

• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Celda unidad cúbica que tiene átomos localizados en los ocho vértices y un átomo en el centro.
• Cúbica centrada en las caras (FCC): Con átomos centrados en los vértices del cubo y en los centros de todas las caras del cubo.
• Hexagonal compacta (HC): Presente en metales como el cadmio, magnesio, titanio y zinc.

Polimorfismo, Alotropía y Defectos Cristalinos

Polimorfismo y alotropía: Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, un mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas. Este fenómeno se conoce como polimorfismo y, si ocurre en un sólido elemental, se denomina alotropía.

Materiales policristalinos: La mayoría de los sólidos cristalinos se forman por combinación de muchos cristales pequeños a los que denominamos granos. En la zona de unión de los granos existe alguna irregularidad en la disposición atómica; a esta área se la denomina: límite o junta de grano.

Anisotropía: Propiedad que presentan ciertos materiales y que consiste en la dependencia de sus propiedades de la dirección que en ellos se considere. El fenómeno de la anisotropía es debido a la ordenación espacial de los átomos en la red cristalina y afecta a las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de los materiales.

Isotropía: En la mayoría de materiales policristalinos, la orientación cristalográfica de los granos individuales es completamente al azar. Las aleaciones corrientes están constituidas por millones de pequeños cristales y, si están orientados al azar, las propiedades medias medidas son las mismas en todas las direcciones.

Defectos Puntuales

• Vacante: Las vacantes se producen durante la solidificación y también como consecuencia de las vibraciones que desplazan a los átomos de su posición normal en la red.
• Átomo intersticial: Un defecto autointersticial es un átomo de un cristal que se ha desplazado a un lugar intersticial, un espacio vacío pequeño que normalmente no está ocupado.
• Sustitucionales: En las disoluciones sólidas sustitucionales, los átomos de impurezas o soluto reemplazan o sustituyen a los átomos del disolvente.
• Intersticiales: En las disoluciones sólidas intersticiales, los átomos de las impurezas llenan los vacíos o los intersticios atómicos del disolvente.

Defectos Lineales: Dislocaciones

Se define dislocación como la línea imaginaria que define el límite entre dos regiones, una de las cuales se ha desplazado con respecto a la otra. Estos defectos se dan en metales, casi nunca en materiales iónicos y pueden generarse durante los procesos de solidificación del sólido cristalino.

• Dislocación lineal: El defecto lineal suele designarse por una “T invertida” (┴), que representa el borde de un semiplano extra de átomos.
• Dislocación helicoidal: Se forma al aplicar un esfuerzo de cizalla y giro de la parte superior, se desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior.

Difusión por vacantes:

• Autodifusión: Si la difusión se realiza con átomos del mismo tipo.
• Interdifusión: Si la difusión se realiza con átomos de otro metal o distinto tipo.