Materiales no metálicos
El uso de materiales no metálicos se ha incrementado mucho en los últimos 50 años. Las ventajas normales que se buscan son peso ligero, resistencia ala corrosión, resistencia a la temperatura, resistencia dieléctrica y facilidad de manufactura. El costo puede variar desde bajo basta alto, en comparación con los metales, dependiendo del material no metálico en particular. Hay tres categorías de no metales de interés general para la ingeniería: polímeros (plásticos), cerámicos y compuestos.
Los polímeros tienen una amplia variedad de propiedades, sobre todo un peso reducido, una resistencia y rigidez relativamente bajas, una buena resistencia a la corrosión dieléctrica y un costo bajo por unidad de volumen. Los materiales cerámicos llegan a tener una resistencia a la compresión bastante alta (pero no a la tensión), alta rigidez, alta resistencia a la temperatura, alta resistencia dieléctrica (resistencia a la corriente eléctrica) y elevada dureza, así como un costo relativamente bajo por unidad de volumen.
Los materiales compuestos pueden tener prácticamente cualquier combinación de propiedades que usted desee incorporar, incluyendo las resistencias específicas mas elevadas que puedan obtenerse de cualquier otro material. Los compuestos pueden ser de costo muy bajo o muy alto. Analizaremos con brevedad los no metales y algunas de sus aplicaciones, pues el espacio disponible no nos permite un tratamiento completo de estas importantes clases de materiales.
La palabra polímeros proviene de poli = muchos y mers = moléculas. Los polímeros son moléculas de cadena larga, de materiales orgánicos o de compuestos basados en carbono. (También hay una familia de compuestos poliméricos basados en el silicio.) La fuente de la mayor parte de los polímeros es el petróleo o el carbón, que contienen el carbono o los hidrocarburos necesarios para la creación de los polímeros. Aunque hay muchos compuestos poliméricos naturales (cera, hule, proteínas, … ), pero los polímeros para aplicaciones de ingeniería son, en su mayoría, artificiales. Sus propiedades se pueden adecuar en grado amplio mediante copolimerización con otros compuestos, o a través de aleaciones de dos o mas polímeros juntos. También son comunes la mezcla de polímeros con materiales inorgánicos, como el talco o la fibra de vidrio.
Dada su diversidad, resulta difícil generalizar respecto a las propiedades mecánicas de los polímeros; pero en comparación con los metales tienen baja densidad, baja resistencia, baja rigidez, curvas esfuerzo-deformación elástica no lineales, baja dureza y una excelente resistencia eléctrica y a la corrosión; además, son fáciles de fabricar. Su modulo de elasticidad aparente varía ampliamente, desde 10 kpsi (69 MPa) hasta unos 400 kpsi (2.8 GPa) todos ellos son mucho menos rígidos que cualquier metal. Sus limite de resistencia a la tensión van desde alrededor de 4 kpsi (28 MPa) para el polímero más débil no reforzado, basta unos 22 kpsi (152 MPa) para polímeros mas resistentes reforzados con vidrio. El peso específico de la mayor parte de los polímeros van desde 0.95.
a 1.8, en comparación con alrededor de 2 para el magnesio, 3 para el aluminio, 8 para el acero y 13 para el plomo. Por lo que, aunque las resistencias absolutas de los polímeros sean reducidas, sus resistencias específicas son de respeto, dadas sus bajas densidades.
Los polímeros se dividen en dos clases: termoplásticos y termoestables. Los polímeros termoplásticos se pueden fundir y solidificar repetidamente, aunque las altas temperaturas de fusión llegan a menguar sus propiedades. Los termoplásticos son fáciles de modelar, y su merma o excedente se puede volver a moler y remoldear. Las cadenas de los polímeros termoestables se entrecruzan la primera vez que se calientan y al recalentarse se quemaran, pero no se fundirán. Este entrecruzamiento crea conexiones (como los barrotes de una escalera) entre largas cadenas de moléculas giran y se retuercen a través de un polímero. Estos entrecruzamientos añaden resistencia y rigidez.
Otra división entre polímeros se puede definir entre los compuestos reforzados y no reforzados. Los materiales de refuerzo son por lo general materiales inorgánicos, como negro de humo, grafito, talco, fibras cortas de vidrio y polvos metálicos. Los refuerzos se agregan tanto a resinas termoplásticas como a las termoestables, aunque se utilizan con mayor frecuencia con estas ultimas. Estos compuestos reforzados tienen una resistencia a la rigidez y una resistencia a la temperatura superiores a las de los polímeros sin reforzar, aunque son mas difíciles de moldear y fabricar.
Hay en el comercio una diversidad muy confusa de polímeros. La confusión se acrecienta por la proliferación de marcas para compuestos similares, fabricados por empresas distintas. Los nombres químicos genéricos de los polímeros tienen tendencia a ser largos, complejos y difíciles de recordar. En algunos casos una marca particular de polímero se utiliza tan ampliamente que se convierte en genérica. Ejemplos de esto son el nylon y el plexiglass. Parte de la confusión se eliminaría si se aprenden los nombres químicos genéricos y las marcas asociadas de las familias principales de polímeros de ingeniería.
Materiales cerámicos
Los materiales cerámicos vienen encontrando mas y mas aplicaciones en ingeniería y se esta dedicando mucho esfuerzo a la creación de nuevos compuestos de ese tipo. Los cerámicos están entre los mas antiguos materiales de ingeniería; por ejemplo, los ladrillos de arcilla son materiales cerámicos.
Aunque todavía se utiliza ampliamente en la construcción, la arcilla ya no se considera como material cerámico de ingeniería. Los materiales cerámicos de ingeniería suelen ser compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Pueden ser únicamente un óxido de un metal, mezclas de óxidos metálicos, carburos, boruros, nitruros y otros compuestos como el Al203, el MgO, el SiC y el Si3N4. Las propiedades principales de los materiales cerámicos son elevada dureza y fragilidad, alta resistencia a la temperatura y a productos químicos, elevada resistencia a la compresión y superior resistencia dieléctrica, así como costo y peso reducidos. Los materiales cerámicos son demasiado duros para maquinar mediante técnicas convencionales, y por lo general son formados por compactación de polvos y después quemados o sinterizados para formar enlaces entre partículas, lo que incrementa su resistencia. La compactación de polvos se efectúa con troquel o mediante presión hidrostática. Algunas veces se mezcla polvo de vidrio con el material cerámico y el resultado se quema, con lo que se funde el vidrio y se incorporan ambos. En aplicaciones como bloques fundidos para motor, pistones y otras piezas de motor, se han hecho intentos para reemplazar los metales tradicionales por productos cerámicos. En estas aplicaciones, puede resultar un problema el bajo punto de resistencia ala tensión, baja porosidad y baja tenacidad ala fractura de la gran mayoría de los productos cerámicos. A menudo se utilizan compuestos cerámicos rociados por plasma como recubrimiento duro sobre sustratos metálicos, a fin de obtener superficies resistentes al desgaste y a la corrosión.
Materiales compuestos
La mayor parte de los materiales compuestos son artificiales, aunque algunos, como la madera, ocurren de manera natural. La madera es un compuesto de largas fibras de celulosa, sujetas en una matriz resinosa de lignina. Los compuestos artificiales suelen ser una combinación de algún material resistente y fibroso, como el vidrio, el grafito o las fibras de boro, cementado en una matriz de resina, como un epoxi o un poliéster. El material de fibra de vidrio utilizado en barcos y otros vehículos es un ejemplo común de un compuesto de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRP). Las propiedades direccionales del material compuesto se pueden adecuar a cada aplicación mediante la organización de las fibras en distintas yuxtaposiciones, paralelas, entrelazadas de manera aleatoria o en ángulos específicos, o enrolladas alrededor de un mandril. Los compuestos especiales cada vez tiene mayor uso en aplicaciones de alto esfuerzo, como estructuras de aeronaves, dadas sus elevadas razones resistencia/peso en comparación con metales estructurales mas comunes. Además, en ciertos materiales compuestos es posible diseñar cierta resistencia a la temperatura y a la corrosión.
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