La Cristalografía y la Ciencia de Materiales

Instituto de Investigaciones en MaterialesUNAM

Diciembre, 2002

Presentación

1. Importancia de los Materiales2. Desarrollo de la Ciencia de Materiales3. Técnicas para Caracterización de Materiales 4. Clasificación de los Materiales 5. Líneas de Investigación en el IIM–UNAM 6. Perspectivas 7. Conclusiones

1. Importancia de los Materiales

A través de la Historia es posible observar la importancia que los materiales han tenido en la vida del hombre. Si bien los primeros materiales que utilizó fueron aquellos que estaban a su alcance, materiales naturales, éstos fueron rápidamente modificados y adaptados a sus necesidades.

Tal ha sido el impacto de los materiales que algunasetapas de la civilización han sido denominadas por el tipo de materiales que el hombre utilizó, asírecordamos la Edad de Piedra (hasta 2000 AC), la Edad de Bronce (2000-700 AC) y la Edad del Hierro(700AC-100 DC).

Materiales Naturales

Edad de Piedra

Edad de Hierro

2. Desarrollo de la Ciencia de MaterialesAparición del hombre

Edad de Piedra

Edad de Bronce

Edad de Hierro

Edad Media

Siglo XX

Segunda mitad del Siglo XX.OOO

Tercer milenio

2. Desarrollo de la Ciencia de Materiales

Durante algunos siglos, el desarrollo de la Ciencia de Materiales fue muy lento. No fue sino hasta finales del Siglo XIX, gracias al descubrimiento de losrayos-X por Wilhelm Roentgen en 1895 y a lasaplicaciones realizadas por Von Laue, en 1912, y por Bragg, en 1915, sobre la estructura cristalina, quela Ciencia de Materiales logró un avanceimpresionante.

Gracias al conocimiento de la estructura cristalina, la Ciencia de Materiales avanzó notablemente. .

2. Desarrollo de la Ciencia de Materiales

Propiedades Estructura

Método de elaboración

Mediante el uso de un método de elaboración adecuado y el conocimiento de la estructura y las propiedades, en principio, es posible elaborar materiales hechos a la

medida de nuestras necesidades

2. Desarrollo de la Ciencia de Materiales

A partir de la Segunda Guerra Mundial muchas de las necesidades de la ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica y nuclear no fueron satisfechas por materiales tradicionales. Sólo materiales de alta tecnología pudieron cumplir con las exigentes especificaciones del desarrollo industrial. .

Es así como, a partir de la segunda mitad del Siglo XX, se observa un desarrollo impresionante de los materiales: cerámicos, metálicos, semiconductores, polímeros y materiales compuestos. .

3. Técnicas para Caracterización de MaterialesEstructura – Composición – Propiedades

Estructura– Caracterización estructural

Difracción de Rayos – XMétodo Rietveld

– Morfología y estructuraMicroscopía Electrónica de BarridoMicroscopía Electrónica de Transmisión

ComposiciónMicroscopía Electrónica de Barrido (EDS)Fluorescencia de Rayos – X

Difracción de Rayos-X

Microscopía Electrónica

Estructura – Composición – Propiedades

En base a su arreglo atómico, la materia podía ser clasificada en dos grandes grupos, aquella quepresentaba un orden atómico a muy corto alcance, materiales amorfos, y los materiales que poseenun orden a largo alcance, materiales cristalinos.

Ésta es una clasificación de los materiales por suestructura cristalina.

4. Clasificación de los Materiales

Materiales

Amorfos Desorden atómicoPor su cristalinidad

Cristalinos Orden a largo alcance

CerámicosMetálicos

Por sus propiedades Semiconductores PolímerosMateriales compuestos

3. Técnicas para Caracterización de MaterialesPropiedades

– TérmicasAnálisis Térmico DiferencialTemogravimetría

– MecánicasMáquina Universal Instron

– EléctricasEspectroscopía de Impedancias

– MagnéticasSusceptómetro a.c.

– Ópticas

Materiales Cerámicos .

Cerámico Cerami (kerami: material quemado) .

Son materiales inorgánicos que presentan enlaces atómicos de tipo iónico y covalente, los cuales les inducen sus propiedades características. El uso de las cerámicas se observa desde las más tempranas civilizaciones, como cerámicas..basadas..en..arcillas.

Características de los materiales cerámicosLos materiales cerámicos tienen baja ductilidad, baja dureza y, generalmente, puntos de fusión altos, debido a los..enlaces..que..presentan.

Clasificación de los materiales cerámicos– Cerámicas tradicionales– Nuevas cerámicas

Elaboración de materiales cerámicos– Síntesis por técnicas normales de estado sólido

Altas temperaturasPartículas grandes (defectos y huecos)Pérdida de material o de oxígeno por las altas temperaturas

– Nuevos métodosEspurreoDepósito de vapor químicoSíntesis hidrotérmicaDescomposición térmica de precipitadosSol-gel

Cerámicas Tradicionales

Una cerámica tradicional es una mezcla de óxidos y arcillas cuyo proceso de aglutinamiento se realiza a altas temperaturas.

Arcillas (alúmino-silicatos), feldespato, sílice.

AplicacionesProductos de la industria alfarera y de la construcción:

Recipientes y productos de barro, lozas, vajillas, porcelanas, tejas, ladrillos y aisladores eléctricos.

Cerámicas de Alta Tecnología

Nuevas cerámicas

Superconductores, materiales resistentes al calor, carburos, nitruros, grafito, componentes de motores, cementos, cermets, (cerámicos en una matríz metálica), vidrio y cerámica vítrea.

Alúmina densaSiC, Si3N4

ZrO2 + aditivos

Aplicaciones de las Cerámicas de Alta Tecnología

– Dieléctricos Partes y componentes eléctricas– Ferroeléctricos Componentes electrónicos, capacitores– Piezoeléctricos Componentes electrónicas– Semiconductores Componentes electrónicas

refrigeradores de estado sólido – Superconductores Cerámicos a base de Cu, YBCO’s

BISCCO’s– Partes automotrices Cubiertas y placas de motores– Catalizadores Industria automotriz

5. Líneas de Investigación en el IIM-UNAM

Materiales Cerámicos• Materiales electrocerámicos

Semiconductores, electrolitos sólidos, ferroeléctricos, piezoeléctricos, piroeléctricos (dieléctricos)

• Cerámicas magnéticas• Superconductores• Varistores• Cerámicas electro-ópticas• Cerámicas estructurales (nitruros, boruros y carburos)• Componentes para celdas de combustible• Biocerámicas

6. Perspectivas

Diseño de materiales .

El diseño de materiales depende de nuestra habilidad para combinar apropiadamente las estructuras y componentes con un método de elaboración adecuado, asimismo, a través de la modificación de configuracio-nes atómicas y electrónicas y .tratamientos térmicos convenientes. .

Perspectivas Específicas

• Nuevas fuentes de energía (Componentes para celdas de combustible)

• Mejoramiento del ambiente• Reciclaje de materiales• Informática y comunicaciones• Purificación del agua• Sensores piezoeléctricos• Sensores magnéticos• Sensores para gases• Robótica• Salud (Biomateriales)

Nuevas fuentes de energía

Medios de transporte

Componentes electrónicos

Aislantes térmicos

Sensores

Control dinámico de funciones

Sensores de estabilidad,nivel de combustible,y control de navegación.

Efecto piezoeléctrico

Robótica

Superconductividad

Biomateriales

7. Conclusiones

La importancia de los materiales ha sido resaltada a lo largo de la historia.

El desarrollo de nuevos materiales ha permitido un aumento en el nivel de vida del hombre y, no sólo ha incrementado sino que en muchos casos, ha superado sus expectativas en un gran número de áreas.

Aún existe un gran potencial en el estudio de materialesNuevos materialesNuevos métodos de elaboración

Materiales del Nuevo MilenioVivimos en la Edad de los Materiales de alta tecnología