Ciència i tecnologia dels materials.

Estudi dels materials, tan metàlics com no metàlics, i de forma d'adaptar-los i fabricar-los per respondre a les necesitats de la tecnologia moderna. Otilitzan les tècniques de laboratori i els instruments d'investigació de la física, la química i la metalurgia, els ciantifics estan troban noves formes d'utilitzar el plàstic, la ceràmica i altres no metàl·lics en aplicacions avans reservades als metalls.

Propietats dels materials

Quan es fa el disseny d'un objecte o d'una màquina cal triar amb molt de compte els meterials amb els quals s'ha de fer.

La determinació dels materials no es fa de forma casual ni sense pensar, ja que és molt important saber seleccionar el material és escaient en funció de les característiques que ha de tenir l'objecte dissenyat.

Aquesta elecció es fa tenint en compte la necessitat de reunir unes determinades propietats com que sigui fàcil de treballar, la duresa, el pes, la resistència, el preu, etc...

Cada material té una sèrie de propietats i característiques que el fan diferent dels altres. Així doncs, és molt important conèixer les propietats físiques, químiques i tecnològiques dels materials.

Propietatas físiques

Les propietats físiques ens permeten determinar les característiques dels materials independenment de la seva forma, grandària o composició. Els més importants són:

• Densitat:

És la massa de un cos per unitat de volum. En ocasions es parla de densitat relativa que és la relació entre la densitat d'un cos i la densitat de l'aigua a 4ºC, que es pren com unitat. Com un centímetre cúbic d'aigua a 4ºC te una massa de 1g, la densitat relativa de la substància equival numèricament a la seva densitat expresada en grams per centímetre cúbic.

La densitat pot obtenir-se de diferents formes. Per exemple, per objectes massissos de densitat major que l'aigua, es determina primer la massa en una balança, i després el seu volum; aquest es pot calcular a través de càlcul si l' objecte te forma geomètrica, o submargint-lo en un recipient i igualant, amb aigua, i veient la diferència de altura que obté el líquit. La densitat és el resultat de dividir la massa per el volum. Per medir la densitat de líquits s'otilitza el densímetre, que proporciona una lectura directa de la densitat.

El termini de densitat també s'aplica a les següents magnituts:

3) La foscor de una imatge en una pel·lícula. ( densitat fotogràfica)

• Fusibilitat:

Calitat de fusible, fil o chapa metàlica de una aleació de plom y estany ,fàcils de fondre,que es colocan en algunes parts de les instalacions elèctricas per interrompre la corrent, es fon quan la corrent és excesiva i constitueix la part esencial del cortacircuits.
És la major o menor facilitat que tenen els materials per a fondre's per l'efecte del calor.

El punt de solidificació de un líquit pur (no mesclat) és en esencia el mateix que el punt de fusió de la mateixa substància en el seu estat líquit de una substància es troben en equilibri. Si apliquem calor a una mescla de substància sòlida i líquida en el seu punt de solidificació, la temperatura de la substància restarà constant fins la seva licuació total, ja que el calor s'absorbeix, no per calentar la substància, sino per aportar la calor de la fusió. De la mateixa manera, si es sostreu el calor de una mescla de substància sòlida i líquida en un punt de solidificació, la substància restarà a la mateixa temperatura fins solidificar-se completament, doncs la calor és alliberat per la substància en un procés de transformació de líquit a sòlit . Així el punt de solidificació o el punt de fusió de una substància pura pot definir-se com la temperatura a la que la solidificació o fusió continúan una vegada començat el procés.

Per que un líquit es solidifiqui, necesita tenir un nucli ( un punt de ordre molecular ) al voltant del qual poden cristal·litzar les molécules desordenades. La formació de un nucli dapent de la sort, peró un cop format, el líquit sobrerefredat es solidificarà ràpidament. El punt de solidificació de una disolució és més baix que el punt de solidificació del disolvent pur avans de la introducció de la substància disolta.

Això permet obtenir peces amb la forma desitjada mitjançant un motllo on s'aboca el matall fos que es solidificarà en refredar-se.

D'aquesta manera s'obtenen les campanes, les llantes per les rodes del cotxe, motos, trens, etc... així com gran quantitat de peces.

• Dilatació:

És l'augment de tamany dels materials, a vegades per l'efecte del augment de temperatura. Els diferents materials augmenta més o menys de tamany, i els sòlits, líquits i gasosos es comporten de manera difarent.

Per un sòlit en forma de barra, el coeficient de dilatació lineal, pot trobar-se en les corresponents taules. Per exemple, el coeficient de dilatació lineal del acer és de 12 × 10-6 K-1 Això significa que una barra de acer és dilata en 12 millonèsimas parts per cada kelvin ( 1 kelvin, és igual a 1 ºC). També es pot parlar de coeficient de dilatació superficial de un sòlit, quan dos de les seves dimensions són molt majors que la tercera, i de coeficient de dilatació cúbica, quan no hi ha una dimensió que predomina sobre els demés.

Per els líquits, el coeficient de dilatació cúbica també pot trobar-se en taules i es poden fer càlculs semblants. Els termòmetres comuns utilizant la dilatació de un líquit.

La dilatació tèrmica dels gasos és molt gran en comparació amb la de sòlits i líquits, i seguix la anomenada llei de Charles i Gay-Lussac. Aquesta llei diu que, a presió constant, el volum de un gas ideal és proporcional a la seva temperatura absoluta. Una altre forma de expresar-la és que per cada augment de temperatura de 1ºC, el volum de un gas augmenta en una cantitat aproximadament igual a 1/273 del seu volum a 0ºC.

• Conductivitat tèrmica:

És la característica dels materials que facilita, en més o menys grau, el pas de la calor. Així hi ha materials anomenats aÏllants tèrmics i d'altres anomenats conductors tèrmics com els metalls.

En els sòlits, la única forma de trensferència de calor és la conducció. Si es calenta un extrem de una bara metàlica, de forma que augmenti la seva temperatura, la calor es transmet fins l'extrem més fred per conducció. No es conpren en la seva totalitat el mecanisme exacte de la conducció de calor en els sòlits, peró es creu que deu, en part, al moviment de els electrons lliures que transporten energia quan existeix una diferència de temperatura. Aquesta teoria explica perqué els bons conductors elèctrics també poden ser bons conductors de la calor. El factor de proporcionalitat es denomina conductivitat del meterial. Les meterials com l'or, la plata o el cobre tenen conductivitats tèrmiques elevades i condueixen bé el calor, mentres que com el vidre o l'amiant tenen conductivitats molt menors; condueixen molt malament el calor, i es coneixen com aÏllants.

• Conductivitat elèctrica:

És la propietat dels materials que facilita, en més o menys grau, el pas del corrent elèctric. No tots els materials opasen la mateixa resistència al pas del corrent elèctric. Així doncs, els que n'afavoreixen el pas s'anomenen conductors i els que oposen resistència aÏllants.

En la fabricació de materials i aparells elèctrics és imprescindible observar que els materials utilitzats siguin bons conductors o bons aÏllants elèctrics.

Propietats mecàniques

Són les que ens permeten determinar el comportament dels materials quan són sotmesos a una força. Les més importants són:

• Elasticitat:

És la propietat d'un material que fa recuperar el seu tamany i la forma original després de ser comprimit o estirat per una força externa. Quan una força externa actua sobre un material, causa un esforç o tensió en el interior del material que provoca le deformació del aqust mateix. En molts materials, entre ells els metalls i els materials, la deformació és directa proporcional al esforç. Aquesta relació es coneix com llei de Hooke. El màxim esforç que un material pot soportar avans de quedar permenentment deformat es denomina límit d'elasticitat i és diferent per a cada tipus de material.

Els cables per als ascensors, les cordes per a l'escalada, les bigues per a edificis etc... es fabriquen amb materials elàstics i les seves dimensions es calculen d'acort amb el límit d'elasticitat del material utilitzat.

• Plasticitat

És la propietat que tenen els materials de deformar-se permanentment sense trencar-se. D'aquesta propietat se' n deriven la mal·leabilitat i la ductilitat.

La mal·leabilitat és la propietat que tenen alguns materials de deformar-se permanentment en forma de làmines o lpanxes quan són sotmesos a una força de comprenssió.

La ductilitat, en canvi, permet la deformació permenent en forma de fils o barilles quan alguns materials són sotmesos a una força de tracció.

• Duresa:

És la capacitat de una substància sòlida per resistir deformació o abrasió de la seva superficie. S'apliquen diferents interpretacions al terme en funció del seu us. En mineralogia, la duresa es defineix com la resistència al rallat de la superficie llisa de un mineral dur, com el diamant, rallara a un tou, com el grafit, mentre que la situació inversa mai es pruduirà.

En metalurgia i ingenieria, la duresa es determina apretant una boleta o un con de material dur sobre la superficie estudiada i medint la grandària de la indentació. Els metalls durs s'indenten menys que els tous. Aquest mètode per establir la duresa de una superficie metàlica es coneix com proba de Brinell, en honor al ingenier suec Johan Brinell que va inventar la màquina per medir la duresa de metalls i aliatges.

La duresa està relacionada amb la solidesa, la durabilitat i la resistència de substàncies sòlides, i, en sentit gran, aquest terme sol ampliar-se per incluir totes aquestes propietats.

• Tenacitat i fragilitat:

La tenacitat és la propietat que tenen els materials de resistir esforços i deformar-se considerablement abans de trenca-se. La propietat contrèria és la fragilitat; un material és fràgil quan es trenca abans de deformar-se. El vidre és un material fràgil, en canvi els metalls, determinats plàstics i les fustes tenen una gran tenacitat.

• Fatiga:

És el deteriorament progresiu dels metalls que acaben produint la seva rotura. La fatiga es produeix quan s'aplica un esforç repatitiu al metall. La deformació de un metall o un objecte com resultat del esforç es denomina fluencia. L'eforç de fatiga de un aliatge corrent d'acer és de un 50% del esforç límit i de un 75% del esforç elàstic, peró pot ser molt menor en el cas dels acers més durs tractats tèrmicament.

Les molles, els amortidors, les ballestes, etc. Traballen sotmesos a esforç de fatiga.

Tipus de materials

D'ençà que l'esser humà començà a utilitzar ossos, pedres i fusta per a fer-se les seves eines i armes, fins als temps actuals, són nombrosos els diferents tipus de materials utilitzats per a la fabricació d'objeces. La diversitat de materials que tenim al nostre abast és molt gran, s'estudien contínuamenti es fa recerca de nous materials amb la finalitat de millorar els utilitzats fins ara, disminuint els costos de producció i reciclar determinats materials axistents.

Per a un estudi i un coneixement millors dels materials i d'acort amb les seves propietas es devideixen en metàl·lics i no metàl·lics.

Materials metàl·lics

Són aquells que tenen les següents caracteírstiques comunes: ser sòlids a temperatura ambient (llevat d'algunes excepcions), ser bons conductors del corrent elèctric i de el calor, tenint una lluentor particular. Molts provenen de minerals o s'obtenen mitjançant un pracés anomenat aliatge.

• Aliatges:

És una substància composta per dos o més metalls. Les aliatges, al igual que els metalls purs, poseeixen brillantor metàlic i condueixen bé el calor i l'electricitat, encara que per lo general no tan bé com els metalls per els que estan formats. Les substàncies que contenen un metall i certs no metalls, particularment les que contenen corboni també es diuen aliatges. La més important entre aquestes últimes és el acer. El acer de carboni simple conté aproximadament un 0,5% de magnesi, fins u 0,8% de carboni, i la reste de ferro.

Amb frecuencia les propietats dels aliages són molt diferents de les dels seus elements constituits, i algunes d'elles, com la força i la resistència a la corrosió, pot ser considerablement majors en un aliatge que en un metall per separat. Per aquesta raó, es sol utilitzar més els aliatges que els metalls purs. L'acer és més resistent i més dur que el ferro forjat, que és practicament ferro pur, i es fa servir en cantitats molt majors.

• Metalls fèrrics:

Són aquells que estan compostos bàsicament de ferro. L'obtenció dels metalls fèrrics es fa a partir de materials de ferro com l'oligist, la siderita, la magnetita i d'altres. Aquests minerals es barregen amb carbó i altres matèries dins de l'alt forn d'on s'obté el lingot d'alt forn, l'aliatge de ferro ric en carboni, silici, fòsfor i altres; aquests lingots es transformen, en altres forns, en hacer o en ferro colat.

L'acer és l'aliatge de ferro amb un percentatge de carboni inferior al 2% i altres materials com níquel, crom, etc.

El ferro colat és el metall fèrrica amb un percentatge de carboni del 2% al 4%.

Ex: Acer elàstic: Gran elasticitat.

Acer inoxidable: Molt resistent a la corrosió.

Acers ràpids: Resistents a la tracció, torsió i compressió.

• Metalls no fèrrics:

Els metalls no fèrrics són aquells que no tenen ferro en la seva composció.

Els metalls no fèrrics i les seves aleacions són en general resistents a la oxidació atmosfèrica.

Per no s aquesta la nica bona qualitat que els fa recomenables per moltes aplicacions, sino que tamb la facilitat amb la que es poden moldejar i mecanitzar, la elevada resistencia mecnica en relaci al seu pes de algues aleacions, la gran conductivitat trmica i elctrica del coure i tamb del seu bonic acabat desde el punt de vista decoratiu.

Ex: Cuore: De color rogenc, dctil i mal·lable, bon conductor elctric i calorific, resistent a la corrosi, solda fcilment.

Alumini: s molt lleuger, tou, dctil i mal·lable, bon conductor elctric i calorific, inalterable a l'aire, solda amb dificultat i es treballa molt b.

Plom: De color gris blavós, molt pesat i tou, flexible, poc dúctil i molt mal·leable, solda fàcilment, resisteix bé els agents atmostèrics i químics.

Materials no met·làlics

Com a materials no metàl·lics es poden incolure una gran quantitat de materials amb propietats similars a les dels metàl·lics i altres amb característiques ben diferents i que s'obtenen a partir de minerals, de vegetals, d'animals, o a partir de transformacions químiques. Dins del gran grup de materials no metàl·lics cal esmentar els plàstics, materials de gran utilització en el moment actual i els ceràmics, usats des de fa milers d'anys però que han augmentat al seu camp d'aplicació.

Metarials plàstics

Són aquells que poden ser motllurats i adoptar formes permanents sense trencar-se.

Però avui s'anomena de forma genètica amb el nom de plàstics.

Els plàstics, són materials polimétrics orgànics ( els compostos per molècules orgàniques gegants) que són plàstics, es a dir, que poden deformar-se fins aconseguir una forma desitjada per mitjà de extrusió, moldejat o filat. Les molècules poden ser de origen natural, per exemple la celulosa, la cera i el suro natural, o sintètic, com el nailon. Els materials utilitzats en la seva fabricació són resines en forma de boletes o pols o en disolució. Amb aquets materials es fabriquen els pàstics acabats.

Els plàstics es caracteritcen per una relació resistència/densitat alta, unes propietats exelents per el aÏllament tèrmic i elèctric i una bona reristència als àcids, àlcalis i disolvents. Els enormes mol·lècules de les que estan compostes poden ser alineades, remificades o entrecrauades, depenent del tipus de plàstic. Les mol·lècules alineades, remificades són termoplàstiques (s'estoven amb el calor), mentres que les entrecrauades són termoenduriples (es tornen dures amb el calor).

• Termostables:

Els objectes fets de plàstics termostables s'obtenen fonent les matèries primeres, que se solidifiquen en refredar-se fins a una determinada temperatura. Si es tornen a escalfar no es fonen però es tornen més fràgils. El més antic i important d'aquests tipus de plàstic és la baquelita, plàstic termostable molt emprat com a aïllant elèctric, en endolls, mànecs i nanses d'estris per a cuinar, etc.

Ex: Baquelites: Dur, rígid, fràgil, de color obscur, bon aïllant elèctric, resisteix l'escalfor fins a 170ºC.

Aminoplàstics: Similars a la baquelita però se li pot donar color.

ReÏnes-poliester: És líquid i barrejat amb un anduridor esdevé sòlid a temperatura ambient. També s'utilitza amb fibra de vidre. Sòlid, és dur, rígid i fràgil.

• Termoplàstics:

Els objectes fets de plàstics termoplàstics també s'obtenen fonent les matèries primeres, que en refredar-se donen lloc a l'objecte solidificat amb la forma desitjada. Si es tornen a escalfar s'estoven, perden la seva rigidesa, es deformen i es fonen. En molts d'ells la fusió es produeix a partir d'una temperatura de 100ºC.

Ex: Polimetacrilat: Resistent, dur, fràgil, transparent com el vidre o opac, es ratlla amb facilitat

Tefló: Resisteix els productes químics i les variacions de temperatura, resisteix l'escalfor fins a 250ºC.

Polimides (Niló): Dur, permet bé el fregament, resistent al desgastat, a productes químics, i a l'escalfor fins a 150ºC.

Materials ceràmics

Estan formats per materials provinents de pedres o de argiles que es barregen amb aigua i altres materials constituint una massa plàstica i modelable que parmet que se li doni la forma desitjada i que es cou en forns a temperatures seperiors als 700ºC. El producte obtingut després de coure sòlid, dur i fàgil. Hi ha una gran diversitat d'ojectes ceràmics, des dels plats, les tasses i les cassoles fins a teules i totxos amb què es fan les cases. Ara només farem referència als materials ceràmics més relacionats amb l'electricitat , que són la porcellana i el vidre.

• Porcellana:

És una pasta ceràmica de pisa blanca composta de caolí, quars i faldespat, que cuita al forn a una temperatura entre els 1250 i 1300ºC vitrifica un material blanc, ressonant i translúcit de major densitat i duresa que la pasta ceràmica, sugui de terrissaria o de gres.

Per moldejar aquestes pastes es poden premssar l'argila blanca en motlles, a vegades segmentats, unint després les parts seques amb una mescla d'argila líquida o barbotina (moldeig); o bé s'aboca la barbotina en motlles absorvents que traspuen l'aigua o també es pot treballar l'argila amb un torn de terrisser.

La porcellana, una vegade cuita i sense vitrificar, és el que es coneix com biscuit, peró és més frecuent que s'apliqui un vernís de feldespat a la pasta de porcellana avans de la primera cocció per obtenir una superfície vidriada i no purosa. Es pot aplicar pintura sota el vernís en el estat de biscuit.

• Vidre:

És un cos sólid, transparent i fràgil que probé de la fusió a 1200ºC de una sorra silícea mesclada amb potassa o sosa. A temperatura ordinària constitueix una massa amorf, dura, fràgil i sonora. En general és trensparent, encara que també pot ser incolor o opac, i el seu color varia segons els ingredients de la fornada.

El vidre líquit és de gran plasticitat i es moldeja mitjançant diferentes tècniques. Una vegada fred, pot tallar-se. A baixes temperatures és fràgil i presenta un tipus de fractura concoïdal. Les vidres naturals com la obsidiana i les tectites ( provinents de meteorits ) presentesn una composició i unes propietats semblants a les del vidre sintètic.

La fabricació del vidre és anterior a l'any 2000 a. C. En aquesta època sempre es traballa a mà, fent servir motlles, i desde aleshores el ser humà ho fa servir amb diversos fins: per fabricar recipients utilitaris i per objectes decoratiys i ornamentals, entre els que s'inclouen traballs de joieria. També té aplicacions en l'arquitectura i l'indústria.

Cunductivitat elèctrica dels materials: classificació

Fins ara, a part d'iniciar les propietats més fonamentals dels materials, n´hem pogut conèixer diferent tipus, però ens cal tenir molt present, sobretot a l'hora d'utilitzar-ls en circuits elèctrics, el següent tipus de classificació:

• Conductors:

És qualsevol material que ofareix poca resistència al fluix de electricitat entre els generadors i els receptors.

La diferència entre un conductor i un aïllant, que és un mal conductor de l'electricitat o de calor, és de grau més que de tipus, ya que totes les substàncies condueixen electricitat en major o menor mitja. Les millors conductors són l'or i l'argent, però com que són molt cars només s'utilitcen com a conductors en casos molt concrets. Els més usats per a fer fils i cables elèctrics són el coure i l'alumini, que són bons conductors i me´s barats. Aquets, poden tenir una conductivitat mil millons de vagades superior a la de un bon aÏllant, com el vidre o la mica. El fenòmen conegut com superconductivitat es produeix quan al refredar certes substàncies a una temperatura propera al cero absolut la seva conductivitat es torna pràcticament infinita. En els conductors sòlids la corrent elèctrica es transporta per el moviment dels electrons; i en disolucions i gasos, ho fa per els ions.

• Aïllants:

És qualsevol material qu condueix malament el calor o la electricitat i que es fa servir per suprimir el seu fluix.

L'aÏllant perfecte per les aplicacions elèctriques seria un material absolutament no conductor, però aquest material no existeix. Els materials empleats com aïllants sempre condueixen algo d'electricitat, però presenten una resistència al pas de corrent elèctrica fins 2,5 × 1024 avegades major que la dels bons conductors elèctrics com la plata o el coure. Aquets materials conductors tenen un gran número d'electrons lliures, que poden transportar la corrent; els bons aïllants amb prou feines poseeixen aquets electrons. Alguns materials, com el silici o el gemani, que tenen un número limitat d'electrons lliures, es comporten com semiconductors, i són la meteria bàsica dels transitors.

La fusta, els plàstics, la porcellana, el paper, etc., són materials aïllants. És per això que els cables de la llum estan recoberts de plàstic i així no es toquen entre ells i no es produeix en curt i circuit.

• Semiconductors

Un semiconductor, és un material sòlid o líquid capas de conduir l'electricitat major que un aïllant, peró pitjor que un metall. La conductivitat elèctrica, que és la capacitat de conduir la correbt elèctrica quan s'aplica una diferència de potència, és una de les propietats físique més importants. Certs metalls, com el coure , la plata i el alumini són exelents conductors. Per un altre costat, certs aïllants com el diamant o el vidre són molt mals conductors. A temperatures molt baixes , els semicoductors purs es comporten com aïllants. Sotmesos a altes temperatures, barrejats amb impureses o en presencia de la llum, la conductivitat dels semiconductors pot augmentar de forma espectacular i arribar assolir nivells propers als dels metalls. Les propietats dels semiconductors s'estudien en la física del estat sòlid.

En els últims anys han evolucionat tecnològicament els semiconductors.

Bibliografia

- Enciclopèdia Microsoft Encarta 99 1993-1998.

- www.google.com

- Enciclopèdia Salvat.

- Llibre de tecnologia 1er Cicle “Text”

1

13

MASSA

DENSITAT=

VOLUM