El campo interdisciplinario de la ciencia de los materiales , también llamado comúnmente ciencia e ingeniería de materiales , cubre el diseño y descubrimiento de nuevos materiales, particularmente sólidos . Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan a la Ilustración , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender las observaciones fenomenológicas antiguas en la metalurgia y la mineralogía . [1] [2]La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la ingeniería. Como tal, el campo fue considerado durante mucho tiempo por las instituciones académicas como un subcampo de estos campos relacionados. A partir de la década de 1940, la ciencia de los materiales comenzó a ser más ampliamente reconocida como un campo específico y distinto de la ciencia y la ingeniería, y las principales universidades técnicas de todo el mundo crearon escuelas dedicadas a su estudio.
Los científicos de materiales enfatizan la comprensión, cómo la historia de un material ( procesamiento ) influye en su estructura y, por lo tanto, en las propiedades y el rendimiento del material. La comprensión de las relaciones procesamiento-estructura-propiedades se denomina paradigma de materiales. Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión en una variedad de áreas de investigación, incluidas la nanotecnología , los biomateriales y la metalurgia.
La ciencia de los materiales también es una parte importante de la ingeniería forense y el análisis de fallas : la investigación de materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan según lo previsto, causan lesiones personales o daños a la propiedad. Tales investigaciones son clave para comprender, por ejemplo, las causas de varios accidentes e incidentes de aviación .
Historia
El material de elección de una época determinada suele ser un punto definitorio. Frases como la Edad de Piedra , la Edad del Bronce , la Edad del Hierro y la Edad del Acero son ejemplos históricos, aunque arbitrarios. Originariamente derivada de la fabricación de cerámica y su supuesta metalurgia derivada, la ciencia de los materiales es una de las formas más antiguas de ingeniería y ciencia aplicada. La ciencia moderna de los materiales evolucionó directamente de la metalurgia , que a su vez evolucionó a partir de la minería y (probablemente) la cerámica y antes del uso del fuego. Un gran avance en la comprensión de los materiales ocurrió a fines del siglo XIX, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró que elLas propiedades termodinámicas relacionadas con la estructura atómica en varias fases están relacionadas con las propiedades físicas de un material. Elementos importantes de la ciencia de los materiales moderna fueron productos de la Carrera Espacial ; la comprensión y la ingeniería de las aleaciones metálicas , y los materiales de sílice y carbono , utilizados en la construcción de vehículos espaciales que permiten la exploración del espacio. La ciencia de los materiales ha impulsado y ha sido impulsado por el desarrollo de tecnologías revolucionarias como cauchos , plásticos , semiconductores y biomateriales .
Antes de la década de 1960 (y en algunos casos décadas después), muchos departamentos de ciencia de materiales eventuales eran departamentos de ingeniería de metalurgia o cerámica , lo que refleja el énfasis del siglo XIX y principios del XX en los metales y la cerámica. El crecimiento de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos fue catalizado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada , que financió una serie de laboratorios universitarios a principios de la década de 1960, "para expandir el programa nacional de investigación básica y capacitación en las ciencias de los materiales. " [3] Desde entonces, el campo se ha ampliado para incluir todas las clases de materiales, incluidos cerámicos , polímeros , semiconductores ,materiales magnéticos , biomateriales y nanomateriales , generalmente clasificados en tres grupos distintos: cerámica, metales y polímeros. El cambio prominente en la ciencia de los materiales durante las últimas décadas es el uso activo de simulaciones por computadora para encontrar nuevos materiales, predecir propiedades y comprender fenómenos.
Fundamentos
Un material se define como una sustancia (la mayoría de las veces un sólido, pero se pueden incluir otras fases condensadas) que está destinado a ser utilizado para ciertas aplicaciones. [4] Hay una gran variedad de materiales a nuestro alrededor; se pueden encontrar en cualquier cosa, desde edificios y automóviles hasta naves espaciales. Las principales clases de materiales son metales , semiconductores , cerámicas y polímeros . [5] Nuevo y materiales avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales , biomateriales , [6] y los materiales de energía para nombrar unos pocos.
La base de la ciencia de los materiales es estudiar la interacción entre la estructura de los materiales, los métodos de procesamiento para hacer ese material y las propiedades del material resultante. La compleja combinación de estos produce el rendimiento de un material en una aplicación específica. Muchas características en muchas escalas de longitud afectan el rendimiento del material, desde los elementos químicos constituyentes, su microestructura y las características macroscópicas del procesamiento. Junto con las leyes de la termodinámica y la cinética de materiales, los científicos tienen como objetivo comprender y mejorar los materiales.
Estructura
La estructura es uno de los componentes más importantes del campo de la ciencia de los materiales. La ciencia de los materiales examina la estructura de los materiales desde la escala atómica hasta la escala macro. La caracterización es la forma en que los científicos de materiales examinan la estructura de un material. Se trata de métodos como la difracción con rayos X , electrones o neutrones , y diversas formas de espectroscopia y análisis químico como la espectroscopia Raman , espectroscopia de dispersión de energía , cromatografía , análisis térmico , análisis con microscopio electrónico , etc.
La estructura se estudia en los siguientes niveles.
Estructura atomica
Se trata de los átomos de los materiales y de cómo están dispuestos para dar moléculas, cristales, etc. Muchas de las propiedades eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales surgen de este nivel de estructura. Las escalas de longitud involucradas están en angstroms ( Å ). Los enlaces químicos y la disposición atómica (cristalografía) son fundamentales para estudiar las propiedades y el comportamiento de cualquier material.
Vinculación
Para obtener una comprensión completa de la estructura del material y cómo se relaciona con sus propiedades, el científico de materiales debe estudiar cómo los diferentes átomos, iones y moléculas están dispuestos y unidos entre sí. Esto implica el estudio y uso de la química cuántica o la física cuántica . La física del estado sólido , la química del estado sólido y la química física también participan en el estudio de la unión y la estructura.
Cristalografía
La cristalografía es la ciencia que examina la disposición de los átomos en sólidos cristalinos. La cristalografía es una herramienta útil para los científicos de materiales. En los monocristales, los efectos de la disposición cristalina de los átomos a menudo son fáciles de ver macroscópicamente, porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas a menudo están controladas por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un requisito previo importante para comprender los defectos cristalográficos. En su mayoría, los materiales no se presentan como un solo cristal, sino en forma policristalina, como un agregado de pequeños cristales o granos con diferentes orientaciones. Debido a esto, el método de difracción de polvo, que utiliza patrones de difracción de muestras policristalinas con una gran cantidad de cristales,juega un papel importante en la determinación estructural. La mayoría de los materiales tienen una estructura cristalina, pero algunos materiales importantes no presentan una estructura cristalina regular.Los polímeros muestran diversos grados de cristalinidad y muchos son completamente no cristalinos. El vidrio , algunas cerámicas y muchos materiales naturales son amorfos y no poseen ningún orden de largo alcance en sus arreglos atómicos. El estudio de polímeros combina elementos de termodinámica química y estadística para dar descripciones termodinámicas y mecánicas de propiedades físicas.
Nanoestructura
Los materiales, cuyos átomos y moléculas forman componentes en la nanoescala (es decir, forman nanoestructura) se denominan nanomateriales. Los nanomateriales son objeto de una intensa investigación en la comunidad científica de los materiales debido a las propiedades únicas que exhiben.
La nanoestructura se ocupa de objetos y estructuras que se encuentran en el rango de 1 a 100 nm. [8] En muchos materiales, los átomos o moléculas se aglomeran para formar objetos a nanoescala. Esto provoca muchas propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas interesantes.
Al describir las nanoestructuras, es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala .
Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, solo el grosor de la superficie de un objeto está entre 0,1 y 100 nm.
Los nanotubos tienen dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0,1 y 100 nm; su longitud podría ser mucho mayor.
Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula está entre 0,1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo se utilizan como sinónimos, aunque la UFP puede alcanzar el rango micrométrico. El término 'nanoestructura' se utiliza a menudo cuando se hace referencia a la tecnología magnética. La estructura a nanoescala en biología a menudo se llama ultraestructura .
Microestructura
La microestructura se define como la estructura de una superficie preparada o una lámina delgada de material revelada por un microscopio por encima de 25 aumentos. Se trata de objetos desde 100 nm hasta unos pocos cm. La microestructura de un material (que puede clasificarse ampliamente en metálico, polimérico, cerámico y compuesto) puede influir fuertemente en las propiedades físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, resistencia a la corrosión, comportamiento a altas / bajas temperaturas, resistencia al desgaste, etc. . La mayoría de los materiales tradicionales (como metales y cerámica) están microestructurados.
La fabricación de un cristal perfecto de un material es físicamente imposible. Por ejemplo, cualquier material cristalino contendrá defectos como precipitados , límites de grano (relación Hall-Petch ), vacantes, átomos intersticiales o átomos de sustitución. La microestructura de los materiales revela estos defectos más grandes y los avances en la simulación han permitido una mayor comprensión de cómo se pueden utilizar los defectos para mejorar las propiedades de los materiales.
Macroestructura
La macroestructura es la apariencia de un material en la escala de milímetros a metros, es la estructura del material como se ve a simple vista.
Propiedades
Los materiales exhiben innumerables propiedades, incluidas las siguientes.
- Propiedades mecánicas, ver Resistencia de los materiales.
- Propiedades químicas, ver Química.
- Propiedades eléctricas, ver Electricidad
- Propiedades térmicas, ver termodinámica.
- Propiedades ópticas, consulte Óptica y fotónica
- Propiedades magnéticas, ver magnetismo
Las propiedades de un material determinan su usabilidad y, por lo tanto, su aplicación de ingeniería.
Procesando
La síntesis y el procesamiento implican la creación de un material con la micro-nanoestructura deseada. Desde el punto de vista de la ingeniería, un material no se puede utilizar en la industria si no se ha desarrollado un método de producción económico para él. Por lo tanto, el procesamiento de materiales es vital para el campo de la ciencia de los materiales. Los diferentes materiales requieren diferentes métodos de procesamiento o síntesis. Por ejemplo, el procesamiento de metales ha sido históricamente muy importante y se estudia en la rama de la ciencia de los materiales denominada metalurgia física . Además, los métodos químicos y físicos también se utilizan para sintetizar otros materiales como polímeros , cerámicas , películas delgadas., etc. A principios del siglo XXI, se están desarrollando nuevos métodos para sintetizar nanomateriales como el grafeno .
Termodinámica
La termodinámica se ocupa del calor y la temperatura y su relación con la energía y el trabajo . Define variables macroscópicas , como energía interna , entropía y presión., que describen en parte un cuerpo de materia o radiación. Afirma que el comportamiento de esas variables está sujeto a restricciones generales comunes a todos los materiales. Estas limitaciones generales se expresan en las cuatro leyes de la termodinámica. La termodinámica describe el comportamiento general del cuerpo, no el comportamiento microscópico de un gran número de sus componentes microscópicos, como las moléculas. El comportamiento de estas partículas microscópicas se describe y las leyes de la termodinámica se derivan de la mecánica estadística .
El estudio de la termodinámica es fundamental para la ciencia de los materiales. Constituye la base para tratar los fenómenos generales en la ciencia y la ingeniería de materiales, incluidas las reacciones químicas, el magnetismo, la polarización y la elasticidad. También ayuda a comprender los diagramas de fase y el equilibrio de fase.
Cinética
La cinética química es el estudio de las tasas a las que los sistemas que están fuera de equilibrio cambian bajo la influencia de varias fuerzas. Cuando se aplica a la ciencia de los materiales, se trata de cómo un material cambia con el tiempo (pasa de un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio) debido a la aplicación de un determinado campo. Detalla la velocidad de los diversos procesos que evolucionan en los materiales, incluida la forma, el tamaño, la composición y la estructura. La difusión es importante en el estudio de la cinética, ya que es el mecanismo más común por el cual los materiales experimentan cambios. La cinética es esencial en el procesamiento de materiales porque, entre otras cosas, detalla cómo cambia la microestructura con la aplicación de calor.
Investigar
La ciencia de los materiales es un área de investigación muy activa. Junto con los departamentos de ciencia de los materiales, la física , la química y muchos departamentos de ingeniería están involucrados en la investigación de materiales. La investigación de materiales cubre una amplia gama de temas, siguiendo una lista no exhaustiva que destaca algunas áreas de investigación importantes.
Nanomateriales
Los nanomateriales describen, en principio, materiales de los cuales una sola unidad tiene un tamaño (en al menos una dimensión) entre 1 y 1000 nanómetros (10 −9 metros), pero generalmente es de 1 nm - 100 nm. La investigación de nanomateriales adopta un enfoque de la nanotecnología basado en la ciencia de los materiales , utilizando avances en metrología y síntesis de materiales , que se han desarrollado en apoyo de la microfabricación.investigar. Los materiales con estructura a nanoescala a menudo tienen propiedades ópticas, electrónicas o mecánicas únicas. El campo de los nanomateriales está vagamente organizado, como el campo tradicional de la química, en nanomateriales orgánicos (basados en carbono), como los fullerenos, y nanomateriales inorgánicos basados en otros elementos, como el silicio. Los ejemplos de nanomateriales incluyen fullerenos , nanotubos de carbono , nanocristales , etc.
Biomateriales
Un biomaterial es cualquier materia, superficie o construcción que interactúa con los sistemas biológicos. El estudio de los biomateriales se llama ciencia de los materiales biológicos . Ha experimentado un crecimiento constante y fuerte a lo largo de su historia, con muchas empresas que invierten grandes cantidades de dinero en el desarrollo de nuevos productos. La ciencia de los biomateriales abarca elementos de la medicina , la biología , la química , la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales.
Los biomateriales pueden derivarse de la naturaleza o sintetizarse en un laboratorio utilizando una variedad de enfoques químicos utilizando componentes metálicos, polímeros , biocerámicas o materiales compuestos . A menudo están destinados o adaptados para aplicaciones médicas, tales como dispositivos biomédicos que realizan, aumentan o reemplazan una función natural. Estas funciones pueden ser benignas, como las que se utilizan para una válvula cardíaca , o pueden ser bioactivas con una funcionalidad más interactiva, como los implantes de cadera recubiertos de hidroxiapatita .. Los biomateriales también se utilizan todos los días en aplicaciones dentales, cirugía y administración de medicamentos. Por ejemplo, se puede colocar en el cuerpo una construcción con productos farmacéuticos impregnados, lo que permite la liberación prolongada de un fármaco durante un período de tiempo prolongado. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto , aloinjerto o xenoinjerto utilizado como material de trasplante de órganos .
Electrónico, óptico y magnético
Los semiconductores, metales y cerámicas se utilizan hoy en día para formar sistemas altamente complejos, como circuitos electrónicos integrados, dispositivos optoelectrónicos y medios de almacenamiento masivo magnéticos y ópticos. Estos materiales forman la base de nuestro mundo informático moderno y, por tanto, la investigación de estos materiales es de vital importancia.
Los semiconductores son un ejemplo tradicional de este tipo de materiales. Son materiales que tienen propiedades intermedias entre conductores y aislantes . Sus conductividades eléctricas son muy sensibles a la concentración de impurezas, lo que permite el uso del dopaje para lograr propiedades electrónicas deseables. Por lo tanto, los semiconductores forman la base de la computadora tradicional.
Este campo también incluye nuevas áreas de investigación como materiales superconductores , espintrónica , metamateriales , etc. El estudio de estos materiales implica el conocimiento de la ciencia de los materiales y la física del estado sólido o física de la materia condensada .
Ciencia de los materiales computacionales
Con los continuos aumentos de la potencia informática, se ha hecho posible la simulación del comportamiento de los materiales. Esto permite que los científicos de materiales comprendan el comportamiento y los mecanismos, diseñen nuevos materiales y expliquen propiedades que antes no se conocían bien. Los esfuerzos en torno a la ingeniería de materiales computacionales integrados se centran ahora en combinar métodos computacionales con experimentos para reducir drásticamente el tiempo y el esfuerzo para optimizar las propiedades de los materiales para una aplicación determinada. Esto implica simular materiales en todas las escalas de longitud, utilizando métodos como la teoría funcional de la densidad , dinámica molecular , Monte Carlo , dinámica de dislocación, campo de fase , elemento finito y muchos más.
Industria
Los avances radicales en los materiales pueden impulsar la creación de nuevos productos o incluso nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean a científicos de materiales para realizar mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales que se utilizan actualmente. Las aplicaciones industriales de la ciencia de los materiales incluyen diseño de materiales, compensaciones de costo-beneficio en la producción industrial de materiales, métodos de procesamiento ( fundición , laminación , soldadura , implantación de iones , crecimiento de cristales , deposición de película delgada , sinterización , soplado de vidrio , etc.) y métodos analíticos. (métodos de caracterización como microscopía electrónica ,Difracción de rayos X , calorimetría , microscopía nuclear (HEFIB) , retrodispersión de Rutherford , difracción de neutrones , dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), etc.).
Además de la caracterización de materiales, el científico o ingeniero de materiales también se ocupa de extraer materiales y convertirlos en formas útiles. Por lo tanto, la fundición de lingotes, los métodos de fundición, la extracción en altos hornos y la extracción electrolítica son parte del conocimiento requerido de un ingeniero de materiales. A menudo, la presencia, ausencia o variación de cantidades minúsculas de elementos y compuestos secundarios en un material a granel afectará en gran medida las propiedades finales de los materiales producidos. Por ejemplo, los aceros se clasifican en base a porcentajes en peso de 1/10 y 1/100 del carbono y otros elementos de aleación que contienen. Por lo tanto, los métodos de extracción y purificación utilizados para extraer hierro en un alto horno pueden afectar la calidad del acero que se produce.
Cerámica y vasos
Otra aplicación de la ciencia de los materiales son las estructuras de cerámica y vidrio típicamente asociadas con los materiales más frágiles. La unión en cerámica y vidrio utiliza tipos covalentes e iónico-covalentes con SiO 2 (sílice o arena) como bloque de construcción fundamental. Las cerámicas son tan suaves como la arcilla o tan duras como la piedra y el hormigón. Por lo general, son de forma cristalina. La mayoría de los vidrios contienen un óxido de metal fundido con sílice. A altas temperaturas que se utilizan para preparar vidrio, el material es un líquido viscoso. La estructura del vidrio adquiere un estado amorfo al enfriarse. Los cristales de las ventanas y los anteojos son ejemplos importantes. También se encuentran disponibles fibras de vidrio. Corning Gorilla Glass resistente a los arañazoses un ejemplo bien conocido de la aplicación de la ciencia de los materiales para mejorar drásticamente las propiedades de componentes comunes. El diamante y el carbono en su forma de grafito se consideran cerámicos.
Las cerámicas de ingeniería son conocidas por su rigidez y estabilidad a altas temperaturas, compresión y tensión eléctrica. La alúmina, el carburo de silicio y el carburo de tungsteno se fabrican a partir de un polvo fino de sus componentes en un proceso de sinterización con un aglutinante. El prensado en caliente proporciona material de mayor densidad. La deposición de vapor químico puede colocar una película de cerámica sobre otro material. Los cermet son partículas cerámicas que contienen algunos metales. La resistencia al desgaste de las herramientas se deriva de los carburos cementados con la fase metálica de cobalto y níquel normalmente añadida para modificar las propiedades.
Composicion
Otra aplicación de la ciencia de los materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos . Estos son materiales estructurados compuestos por dos o más fases macroscópicas.
Las aplicaciones van desde elementos estructurales como el hormigón reforzado con acero, hasta las baldosas de aislamiento térmico, que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la NASA , que se utiliza para proteger la superficie del transbordador del calor de la reentrada. en la atmósfera de la Tierra. Un ejemplo es el Carbono-Carbono reforzado (RCC), el material gris claro, que resiste temperaturas de reentrada de hasta 1.510 ° C (2.750 ° F) y protege los bordes de ataque de las alas y el morro del transbordador espacial. RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón grafito e impregnado con una resina fenólica. Después de curar a alta temperatura en un autoclave, el laminado se piroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfural en una cámara de vacío y se cura-piroliza para convertir el alcohol furfural en carbono. Para proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas externas del RCC se convierten en carburo de silicio .
Se pueden ver otros ejemplos en las carcasas "plásticas" de televisores, teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico son generalmente un material compuesto hecho de una matriz termoplástica como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en el que se han agregado carbonato de calcio , talco , fibras de vidrio o fibras de carbono para mayor resistencia, volumen o dispersión electrostática. Estas adiciones pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, según su finalidad.
Polímeros
Los polímeros son compuestos químicos formados por una gran cantidad de componentes idénticos unidos entre sí como cadenas. Son una parte importante de la ciencia de los materiales. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar lo que comúnmente se llaman plásticos y caucho. Los plásticos y el caucho son realmente el producto final, creado después de que uno o más polímeros o aditivos se hayan agregado a una resina durante el procesamiento, que luego se le da forma final. Los plásticos que han existido y que son de uso generalizado en la actualidad incluyen polietileno , polipropileno , cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno , nailon , poliésteres , acrílicos ,poliuretanos y policarbonatos y también cauchos, que han existido son el caucho natural, caucho de estireno-butadieno , cloropreno y caucho de butadieno . Los plásticos se clasifican generalmente como plásticos básicos , especiales y de ingeniería .
El cloruro de polivinilo (PVC) se usa ampliamente, es económico y las cantidades de producción anual son grandes. Se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde cuero artificial hasta aislamiento eléctrico y cableado, embalaje y contenedores . Su fabricación y procesamiento son simples y bien establecidos. La versatilidad del PVC se debe a la amplia gama de plastificantes y otros aditivos que acepta. El término "aditivos" en la ciencia de los polímeros se refiere a los productos químicos y compuestos que se agregan a la base del polímero para modificar sus propiedades materiales.
El policarbonato normalmente se consideraría un plástico de ingeniería (otros ejemplos incluyen PEEK, ABS). Estos plásticos se valoran por su resistencia superior y otras propiedades especiales de los materiales. Por lo general, no se utilizan para aplicaciones desechables, a diferencia de los plásticos básicos.
Los plásticos especiales son materiales con características únicas, como resistencia ultra alta, conductividad eléctrica, electrofluorescencia, alta estabilidad térmica, etc.
Las líneas divisorias entre los distintos tipos de plásticos no se basan en el material sino en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero barato de baja fricción que se usa comúnmente para fabricar bolsas desechables para las compras y la basura, y se considera un plástico básico, mientras que el polietileno de densidad media (MDPE) se usa para tuberías subterráneas de gas y agua, y otra variedad llamada polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) es un plástico de ingeniería que se utiliza ampliamente como rieles de deslizamiento para equipos industriales y encaje de baja fricción en articulaciones de cadera implantadas .
Aleaciones de metales
El estudio de las aleaciones metálicas es una parte importante de la ciencia de los materiales. De todas las aleaciones metálicas que se utilizan hoy en día, las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable , hierro fundido , acero para herramientas , aceros aleados ) constituyen la mayor proporción tanto en cantidad como en valor comercial.
El hierro aleado con diversas proporciones de carbono da lugar a aceros de bajo, medio y alto contenido de carbono . Una aleación de hierro-carbono solo se considera acero si el nivel de carbono se encuentra entre el 0,01% y el 2,00%. En el caso de los aceros, la dureza y la resistencia a la tracción del acero están relacionadas con la cantidad de carbono presente, y el aumento de los niveles de carbono también conduce a una menor ductilidad y tenacidad. Sin embargo, los procesos de tratamiento térmico como templado y revenido pueden cambiar significativamente estas propiedades. El hierro fundido se define como una aleación de hierro y carbono con más del 2,00%, pero menos del 6,67% de carbono. El acero inoxidable se define como una aleación de acero regular con un contenido de aleación de cromo superior al 10% en peso. El níquel y el molibdeno también se encuentran típicamente en aceros inoxidables.
Otras aleaciones metálicas importantes son las de aluminio , titanio , cobre y magnesio . Las aleaciones de cobre se conocen desde hace mucho tiempo (desde la Edad del Bronce), mientras que las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos de extracción electrolítica requeridos solo se desarrollaron relativamente recientemente. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio también son conocidas y valoradas por su alta relación resistencia / peso y, en el caso del magnesio, por su capacidad para proporcionar blindaje electromagnético. Estos materiales son ideales para situaciones en las que las relaciones de alta resistencia a peso son más importantes que el costo a granel, como en la industria aeroespacial y ciertas aplicaciones de ingeniería automotriz.
Semiconductores
El estudio de semiconductores es una parte importante de la ciencia de los materiales. Un semiconductor es un material que tiene una resistividad entre un metal y un aislante. Sus propiedades electrónicas se pueden alterar en gran medida mediante la introducción intencional de impurezas o dopaje. A partir de estos materiales semiconductores, se pueden construir cosas como diodos , transistores , diodos emisores de luz (LED) y circuitos eléctricos analógicos y digitales , lo que los convierte en materiales de interés para la industria. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos discretos individuales y como circuitos integrados.(CI), que constan de una serie, desde unos pocos hasta millones, de dispositivos fabricados e interconectados en un solo sustrato semiconductor. [11]
De todos los semiconductores que se utilizan hoy en día, el silicio constituye la mayor parte tanto en cantidad como en valor comercial. El silicio monocristalino se utiliza para producir obleas utilizadas en la industria de semiconductores y electrónica. Después del silicio, el arseniuro de galio (GaAs) es el segundo semiconductor más utilizado. Debido a su mayor movilidad de electrones y velocidad de saturación en comparación con el silicio, es un material de elección para aplicaciones de electrónica de alta velocidad. Estas propiedades superiores son razones de peso para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles, comunicaciones por satélite, enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de alta frecuencia. Otros materiales semiconductores incluyen germanio , carburo de silicio y nitruro de galio. y tiene varias aplicaciones.
Relación con otros campos
La ciencia de los materiales evolucionó, a partir de la década de 1950, porque se reconoció que para crear, descubrir y diseñar nuevos materiales había que abordarla de manera unificada. Por lo tanto, la ciencia y la ingeniería de materiales surgieron de muchas maneras: cambiando el nombre y / o combinando los departamentos de ingeniería de cerámica y metalurgia existentes ; separarse de la investigación existente en física del estado sólido (que a su vez se convierte en física de materia condensada ); incorporando ingeniería de polímeros y ciencia de polímeros relativamente nuevas ; recombinar de la anterior, así como la química , ingeniería química , ingeniería mecánica , yingenieria electrica ; y más.
El campo de la ciencia y la ingeniería de materiales es importante tanto desde una perspectiva científica como en el campo de las aplicaciones. Los materiales son de suma importancia para los ingenieros (u otros campos aplicados), porque el uso de los materiales adecuados es crucial al diseñar sistemas. Como resultado, la ciencia de los materiales es una parte cada vez más importante de la educación de un ingeniero.
El campo es intrínsecamente interdisciplinario , y los científicos o ingenieros de materiales deben conocer y hacer uso de los métodos del físico, químico e ingeniero. Por tanto, siguen existiendo estrechas relaciones con estos campos. Por el contrario, muchos físicos, químicos e ingenieros se encuentran trabajando en la ciencia de los materiales debido a las importantes superposiciones entre los campos.
Tecnologías emergentes
| Tecnología emergente | Estado | Tecnologías potencialmente marginadas | Aplicaciones potenciales | Artículos relacionados |
|---|---|---|---|---|
| Aerogel | Hipotético, experimentos, difusión, usos tempranos [12] | Aislamiento tradicional, vidrio | Aislamiento mejorado, vidrio aislante si se puede aclarar, mangas para oleoductos, aplicaciones aeroespaciales, de alto calor y frío extremo | |
| Metal amorfo | Experimentos | Kevlar | Armadura | |
| Polímeros conductores | Investigación, experimentos, prototipos | Conductores | Cables más ligeros y económicos, materiales antiestáticos, células solares orgánicas | |
| Femtotecnología , picotecnología | Hipotético | Presente nuclear | Nuevos materiales; armas nucleares, poder | |
| Fullereno | Experimentos, difusión | Nanotubos sintéticos de diamante y carbono (papel Bucky) | Materia programable | |
| Grafeno | Hipotético, experimentos, difusión, usos tempranos [13] [14] | Circuito integrado a base de silicio | Componentes con mayor relación resistencia / peso, transistores que operan a mayor frecuencia, menor costo de pantallas de visualización en dispositivos móviles, almacenamiento de hidrógeno para automóviles que funcionan con celdas de combustible, sistemas de filtración, baterías de mayor duración y carga más rápida, sensores para diagnosticar enfermedades [15 ] | Aplicaciones potenciales del grafeno |
| Superconductividad de alta temperatura | Sistemas de filtros de microondas y RF de interfaz de receptor criogénico (CRFE) para estaciones base de telefonía móvil; prototipos en hielo seco ; Hipotéticos y experimentos para temperaturas más altas [16] | Alambre de cobre, circuitos integrales semiconductores | Conductores sin pérdidas, cojinetes sin fricción, levitación magnética , acumuladores de alta capacidad sin pérdidas , coches eléctricos , procesadores y circuitos integrales sin calor | |
| LiTraCon | Experimentos, ya utilizados para hacer Europe Gate | Vidrio | Construcción de rascacielos, torres y esculturas como la Puerta de Europa | |
| Metamateriales | Hipotético, experimentos, difusión [17] | Óptica clásica | Microscopios , cámaras , camuflaje de metamateriales , dispositivos de camuflaje | |
| Espuma de metal | Investigación, comercialización | Cascos | Colonias espaciales , ciudades flotantes | |
| Estructuras multifunción [18] | Hipotéticos, experimentos, algunos prototipos, pocos comerciales | Materiales compuestos | Amplia gama, p. Ej., Control de la auto-salud, material de autorreparación , transformación | |
| Nanomateriales : nanotubos de carbono | Hipotético, experimentos, difusión, usos tempranos [19] [20] | Acero estructural y aluminio | Materiales más resistentes y ligeros, el ascensor espacial | Aplicaciones potenciales de nanotubos de carbono , fibra de carbono. |
| Materia programable | Experimentos hipotéticos [21] [22] | Recubrimientos , catalizadores | Amplia gama, p. Ej., Claytronics , biología sintética | |
| Puntos cuánticos | Investigación, experimentos, prototipos [23] | LCD , LED | Láser de punto cuántico , uso futuro como materia programable en tecnologías de visualización (TV, proyección), comunicaciones ópticas de datos (transmisión de datos a alta velocidad), medicina (bisturí láser) | |
| Silicene | Hipotético, investigación | Transistores de efecto de campo |
Subdisciplinas
Las principales ramas de la ciencia de los materiales se derivan de las tres clases principales de materiales: cerámica, metales y polímeros.
- Ingeniería cerámica
- Metalurgia
- Ciencia e ingeniería de polímeros
Además, existen iniciativas de aplicación amplia, independientes de los materiales.
- Caracterización de materiales
- Ciencia de los materiales computacionales
- Informática de materiales
También hay enfoques relativamente amplios en todos los materiales sobre fenómenos y técnicas específicos.
- Cristalografía
- Espectroscopia nuclear
- Ciencia de superficie
- Tribología
Campos relacionados
- Física de la Materia Condensada
- Mineralogía
- Química de estado sólido
- Física del estado sólido
- Química supramolecular
Sociedades profesionales
- Sociedad Americana de Cerámica
- ASM Internacional
- Asociación para la Tecnología del Hierro y el Acero
- Sociedad de Investigación de Materiales
- Sociedad de Minerales, Metales y Materiales
Ver también
- Material de base biológica
- Biomaterial
- Bioplástico
- Nanotubo de carbono
- Material compuesto
- Ingeniería de materiales forenses
- Lista de tecnologías emergentes de ciencia de materiales
- Lista de revistas científicas de materiales
- Lista de revistas científicas - Ciencia de materiales
- Lista de métodos de análisis de superficies
- La ciencia de los materiales en la ciencia ficción
- Nanomateriales
- Nanotecnología
- Polímero
- Semiconductor
- Métodos de análisis térmico
- Cronología de la tecnología de materiales
- Tribología
Referencias
Citas
- ^ Eddy, Matthew Daniel (2008). El lenguaje de la mineralogía: John Walker, Química y la Escuela de Medicina de Edimburgo 1750-1800 . Ashgate. Archivado desde el original el 3 de septiembre de 2015.
- ^ Smith, Cyril Stanley (1981). Una búsqueda de estructura . MIT Press. ISBN 978-0262191913.
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