La Cristalografía y la Ciencia de Materiales Instituto de Investigaciones en Materiales UNAM

Diciembre, 2002

Presentación 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Importancia de los Materiales Desarrollo de la Ciencia de Materiales Técnicas para Caracterización de Materiales Clasificación de los Materiales Líneas de Investigación en el IIM–UNAM Perspectivas 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 algunas etapas de la civilización han sido denominadas por el tipo de materiales que el hombre utilizó, así recordamos 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 Materiales Aparición del hombre

Edad de Piedra

Edad de Bronce

Edad de Hierro

Edad Media

Siglo XX

Segunda mitad del Siglo XX. O O O

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 los rayos-X por Wilhelm Roentgen en 1895 y a las aplicaciones realizadas por Von Laue, en 1912, y por Bragg, en 1915, sobre la estructura cristalina, que la Ciencia de Materiales logró un avance impresionante. 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 Materiales Estructura – Composición – Propiedades Estructura – Caracterización estructural Difracción de Rayos – X Método Rietveld

– Morfología y estructura Microscopía Electrónica de Barrido Microscopía Electrónica de Transmisión

Composición Microscopía 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 que presentaba un orden atómico a muy corto alcance, materiales amorfos, y los materiales que poseen un orden a largo alcance, materiales cristalinos. Ésta es una clasificación de los materiales por su estructura cristalina.

4. Clasificación de los Materiales Materiales Amorfos

Desorden atómico

Por su cristalinidad Cristalinos Orden a largo alcance

Por sus propiedades

Cerámicos Metálicos Semiconductores Polímeros Materiales compuestos

3. Técnicas para Caracterización de Materiales Propiedades – Térmicas Análisis Térmico Diferencial Temogravimetría

– Mecánicas Máquina Universal Instron

– Eléctricas Espectroscopía de Impedancias

– Magnéticas Susceptómetro 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 cerámicos Los 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 temperaturas Partículas grandes (defectos y huecos) Pérdida de material o de oxígeno por las altas temperaturas

– Nuevos métodos Espurreo Depósito de vapor químico Síntesis hidrotérmica Descomposición térmica de precipitados Sol-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. Aplicaciones Productos 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 densa SiC, Si3N4 ZrO2 + aditivos

Aplicaciones de las Cerámicas de Alta Tecnología – Dieléctricos – Ferroeléctricos – Piezoeléctricos – Semiconductores

Partes y componentes eléctricas Componentes electrónicos, capacitores Componentes electrónicas 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 configuraciones 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 materiales Nuevos materiales Nuevos métodos de elaboración

Materiales del Nuevo Milenio Vivimos en la Edad de los Materiales de alta tecnología