La ciencia de los materiales es un campo interdisciplinario de investigación y descubrimiento de materiales . La ingeniería de materiales es un campo de la ingeniería que busca usos para materiales en otros campos e industrias.
Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan al Siglo de las Luces , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender observaciones fenomenológicas antiguas en metalurgia y mineralogía . [1] [2] La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la ingeniería. Como tal, las instituciones académicas consideraron durante mucho tiempo el campo 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 hacen hincapié en comprender cómo la historia de un material ( procesamiento ) influye en su estructura y, por tanto, en las propiedades y el rendimiento del material . La comprensión de las relaciones procesamiento-estructura-propiedades se denomina paradigma de los 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 : investiga materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan según lo previsto, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Este tipo de investigaciones son clave para comprender, por ejemplo, las causas de diversos accidentes e incidentes de aviación .
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El material elegido en una época determinada suele ser un punto decisivo. Fases 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. [3] La ciencia de los materiales moderna evolucionó directamente a partir de la metalurgia , que a su vez evolucionó a partir del uso del fuego. Un gran avance en la comprensión de los materiales se produjo a finales del siglo XIX, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró que las propiedades termodinámicas relacionadas con la estructura atómica en diversas fases están relacionadas con las propiedades físicas de un material. [4] Elementos importantes de la ciencia de 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 impulsada 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 alojados en universidades a principios de la década de 1960, "para ampliar el programa nacional de investigación básica y capacitación en ciencias de los materiales". " [5] En comparación con la ingeniería mecánica, el naciente campo de la ciencia de los materiales se centró en abordar los materiales desde el nivel macro y en el enfoque de que los materiales se diseñan sobre la base del conocimiento del comportamiento a nivel microscópico. [6] Debido al conocimiento ampliado de la relación entre los procesos atómicos y moleculares, así como de las propiedades generales de los materiales, el diseño de materiales pasó a basarse en propiedades específicas deseadas. [6] Desde entonces, el campo de la ciencia de los materiales se ha ampliado para incluir toda clase de materiales, incluidos cerámicos, polímeros , semiconductores, materiales magnéticos , biomateriales y nanomateriales , generalmente clasificados en tres grupos distintos: cerámicos, metales y polímeros. El cambio más destacado 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.
Un material se define como una sustancia (normalmente un sólido, pero se pueden incluir otras fases condensadas) que está destinada a utilizarse para determinadas aplicaciones. [7] Hay una infinidad 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 . [8] Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales , biomateriales , [9] y materiales energéticos , por nombrar algunos. [10]
La base de la ciencia de los materiales es estudiar la interacción entre la estructura de los materiales, los métodos de procesamiento para fabricarlos y las propiedades resultantes del material. La compleja combinación de estos produce el desempeño de un material en una aplicación específica. Muchas características en muchas escalas de longitud impactan 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 los materiales, los científicos pretenden comprender y mejorar los materiales.
La estructura es uno de los componentes más importantes del campo de la ciencia de materiales. La propia definición del campo sostiene que se ocupa de la investigación de "las relaciones que existen entre las estructuras y propiedades de los materiales". [11] La ciencia de los materiales examina la estructura de los materiales desde la escala atómica hasta la escala macro. [3] 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 químicos como la espectroscopia Raman , la espectroscopia de energía dispersiva , la cromatografía , el análisis térmico , el análisis con microscopio electrónico , etc.
La estructura se estudia en los siguientes niveles.
La estructura atómica se ocupa de los átomos de los materiales y de cómo están dispuestos para dar lugar a moléculas, cristales, etc. Gran parte 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 ). El enlace químico y el arreglo atómico (cristalografía) son fundamentales para estudiar las propiedades y el comportamiento de cualquier material.
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. Se trata del estudio y uso de la química cuántica o física cuántica . La física del estado sólido , la química del estado sólido y la química física también participan en el estudio de los enlaces y la estructura.
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 suelen ser fáciles de ver macroscópicamente, porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas suelen estar 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 exhiben una estructura cristalina regular. [13] 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 disposiciones atómicas. El estudio de los polímeros combina elementos de la termodinámica química y estadística para dar descripciones termodinámicas y mecánicas de las propiedades físicas.
Los materiales cuyos átomos y moléculas forman constituyentes en la nanoescala (es decir, forman nanoestructuras) se denominan nanomateriales. Los nanomateriales son objeto de intensa investigación en la comunidad científica de 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. [14] 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 nanoestructuras, es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala .
Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, sólo el espesor 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 tiene entre 0,1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo se utilizan como sinónimos, aunque las UFP pueden llegar al 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 .
La microestructura se define como la estructura de una superficie preparada o una fina lámina de material revelada por un microscopio con un aumento de más de 25 aumentos. Se trata de objetos desde 100 nm hasta unos pocos cm. La microestructura de un material (que puede clasificarse en términos generales en metálico, polimérico, cerámico y compuesto) puede influir fuertemente en propiedades físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, resistencia a la corrosión, comportamiento a altas y bajas temperaturas, resistencia al desgaste, etc. . [15] La mayoría de los materiales tradicionales (como metales y cerámicas) 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. [16] 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.
La macroestructura es la apariencia de un material en la escala de milímetros a metros, es la estructura del material visto a simple vista.
Los materiales exhiben innumerables propiedades, incluidas las siguientes.
Las propiedades de un material determinan su usabilidad y, por tanto, su aplicación en ingeniería.
La síntesis y el procesamiento implican la creación de un material con la micronanoestructura deseada. Un material no puede utilizarse en la industria si no se ha desarrollado un método de producción económicamente viable. Por lo tanto, desarrollar métodos de procesamiento de materiales que sean razonablemente efectivos y rentables es vital para el campo de la ciencia de materiales. Diferentes materiales requieren diferentes métodos de procesamiento o síntesis. Por ejemplo, el procesamiento de metales ha definido históricamente épocas como la Edad del Bronce y la Edad del Hierro y se estudia en la rama de la ciencia de los materiales denominada metalurgia física . También se utilizan métodos químicos y físicos para sintetizar otros materiales como polímeros , cerámicas , semiconductores y películas delgadas . A partir de principios del siglo XXI se están desarrollando nuevos métodos para sintetizar nanomateriales como el grafeno .
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 restricciones generales se expresan en las cuatro leyes de la termodinámica. La termodinámica describe el comportamiento global del cuerpo, no los comportamientos microscópicos de un gran número de sus constituyentes microscópicos, como las moléculas. El comportamiento de estas partículas microscópicas se describe mediante la mecánica estadística y las leyes de la termodinámica se derivan de ella .
El estudio de la termodinámica es fundamental para la ciencia de los materiales. Constituye la base para tratar fenómenos generales en ciencia e ingeniería de materiales, incluidas reacciones químicas, magnetismo, polarizabilidad y elasticidad. [17] Explica herramientas fundamentales como los diagramas de fases y conceptos como el equilibrio de fases .
La cinética química es el estudio de las velocidades a las que los sistemas que están fuera de equilibrio cambian bajo la influencia de diversas fuerzas. Cuando se aplica a la ciencia de los materiales, se trata de cómo un material cambia con el tiempo (pasa del estado de no equilibrio al de equilibrio) debido a la aplicación de un determinado campo. Detalla el ritmo de 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 sufren cambios. [18] La cinética es esencial en el procesamiento de materiales porque, entre otras cosas, detalla cómo cambia la microestructura con la aplicación de calor.
La ciencia de los materiales es un área de investigación muy activa. Junto con los departamentos de ciencia de materiales, la física , la química y muchos departamentos de ingeniería participan en la investigación de materiales. La investigación de materiales cubre una amplia gama de temas; La siguiente lista no exhaustiva destaca algunas áreas de investigación importantes.
Los nanomateriales describen, en principio, materiales cuyas unidades individuales tienen un tamaño (en al menos una dimensión) de entre 1 y 1000 nanómetros (10 −9 metros), pero normalmente oscilan entre 1 nm y 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 investigación de microfabricación . Los materiales con estructura a nanoescala suelen tener propiedades ópticas, electrónicas o mecánicas únicas. El campo de los nanomateriales está organizado de manera flexible, como el campo tradicional de la química, en nanomateriales orgánicos (a base de carbono), como los fullerenos, y nanomateriales inorgánicos basados en otros elementos, como el silicio. Ejemplos de nanomateriales incluyen fullerenos , nanotubos de carbono , nanocristales , etc.
Un biomaterial es cualquier materia, superficie o construcción que interactúa con sistemas biológicos. El estudio de los biomateriales se denomina ciencia de biomateriales . Ha experimentado un crecimiento fuerte y constante a lo largo de su historia, y muchas empresas han invertido 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, como dispositivos biomédicos que realizan, aumentan o reemplazan una función natural. Dichas funciones pueden ser benignas, como usarse 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 .
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 sobre 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 de dopaje para lograr propiedades electrónicas deseables. Por tanto, los semiconductores forman la base de la computadora tradicional.
Este campo también incluye nuevas áreas de investigación como los materiales superconductores , la espintrónica , los metamateriales , etc. El estudio de estos materiales implica conocimientos de la ciencia de los materiales y de la física del estado sólido o física de la materia condensada .
Con el continuo aumento de la potencia informática, se ha hecho posible simular el comportamiento de los materiales. Esto permite a los científicos de materiales comprender el comportamiento y los mecanismos, diseñar nuevos materiales y explicar propiedades que antes no se conocían bien. Los esfuerzos en torno a la ingeniería computacional integrada de materiales ahora se centran 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 , la dinámica molecular , Monte Carlo , la dinámica de dislocaciones, el campo de fase , los elementos finitos y muchos más. [21]
Los avances radicales en materiales pueden impulsar la creación de nuevos productos o incluso nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean científicos de materiales para realizar mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales utilizados actualmente. Las aplicaciones industriales de la ciencia de los materiales incluyen el diseño de materiales, la relación costo-beneficio en la producción industrial de materiales, los métodos de procesamiento ( fundición , laminación , soldadura , implantación de iones , crecimiento de cristales , deposición de películas delgadas , 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 mínimas de elementos secundarios y compuestos en un material a granel afectará en gran medida las propiedades finales de los materiales producidos. Por ejemplo, los aceros se clasifican según porcentajes en peso de 1/10 y 1/100 del carbono y otros elementos de aleación que contienen. Por tanto, los métodos de extracción y purificación utilizados para extraer hierro en un alto horno pueden afectar la calidad del acero que se produce.
Los materiales sólidos generalmente se agrupan en tres clasificaciones básicas: cerámicas, metales y polímeros. Esta clasificación amplia se basa en la composición empírica y la estructura atómica de los materiales sólidos, y la mayoría de los sólidos caen en una de estas categorías amplias. [22] Un artículo que a menudo se fabrica con cada uno de estos tipos de materiales es el recipiente para bebidas. Por lo tanto, los tipos de materiales utilizados para los recipientes de bebidas presentan diferentes ventajas y desventajas, dependiendo del material utilizado. Los recipientes de cerámica (vidrio) son ópticamente transparentes, impermeables al paso del dióxido de carbono, relativamente económicos y se reciclan fácilmente, pero también son pesados y se fracturan con facilidad. El metal (aleación de aluminio) es relativamente fuerte, constituye una buena barrera a la difusión del dióxido de carbono y se recicla fácilmente. Sin embargo, las latas son opacas, caras de producir y se abollan y perforan fácilmente. Los polímeros (plástico de polietileno) son relativamente fuertes, pueden ser ópticamente transparentes, económicos y livianos, y pueden ser reciclables, pero no son tan impermeables al paso del dióxido de carbono como el aluminio y el vidrio.
Otra aplicación de la ciencia de los materiales es el estudio de la cerámica y el vidrio , normalmente los materiales más frágiles y con relevancia industrial. Muchas cerámicas y vidrios presentan enlaces covalentes o iónico-covalentes con SiO 2 ( sílice ) como componente fundamental. La cerámica (que no debe confundirse con la arcilla cruda y sin cocer ) suele verse en forma cristalina. La gran mayoría de los vidrios comerciales contienen un óxido metálico fusionado con sílice. A las altas temperaturas utilizadas para preparar el vidrio, el material es un líquido viscoso que se solidifica en un estado desordenado al enfriarse. Los cristales de las ventanas y los anteojos son ejemplos importantes. Las fibras de vidrio también se utilizan para telecomunicaciones y transmisiones ópticas de largo alcance. Corning Gorilla Glass resistente a rayones es un ejemplo bien conocido de la aplicación de la ciencia de materiales para mejorar drásticamente las propiedades de componentes comunes.
Las cerámicas de ingeniería son conocidas por su rigidez y estabilidad ante altas temperaturas, compresión y tensión eléctrica. La alúmina, el carburo de silicio y el carburo de tungsteno se obtienen a partir de un polvo fino de sus constituyentes en un proceso de sinterización con un aglutinante. El prensado en caliente proporciona material de mayor densidad. La deposición química de vapor puede colocar una película de cerámica sobre otro material. Los cermets son partículas cerámicas que contienen algunos metales. La resistencia al desgaste de las herramientas se deriva de los carburos cementados a los que normalmente se les añade la fase metálica de cobalto y níquel para modificar las propiedades.
La cerámica se puede reforzar significativamente para aplicaciones de ingeniería utilizando el principio de deflexión de grietas . [23] Este proceso implica la adición estratégica de partículas de segunda fase dentro de una matriz cerámica, optimizando su forma, tamaño y distribución para dirigir y controlar la propagación de grietas. Este enfoque mejora la tenacidad a la fractura, allanando el camino para la creación de cerámicas avanzadas de alto rendimiento en diversas industrias. [24]
Otra aplicación de la ciencia de los materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos . Son materiales estructurados compuestos por dos o más fases macroscópicas.
Las aplicaciones van desde elementos estructurales como el hormigón armado con acero hasta losas aislantes térmicas, 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 del reingreso. a la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono-carbono reforzado (RCC), el material gris claro, que soporta temperaturas de reentrada de hasta 1.510 °C (2.750 °F) y protege los bordes de ataque de las alas y la tapa de la nariz del transbordador espacial. [25] RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón de 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 furfurílico en una cámara de vacío y se cura-piroliza para convertir el alcohol furfurílico en carbono. Para proporcionar resistencia a la oxidación para la reutilización, las capas externas del RCC se convierten en carburo de silicio .
Se pueden ver otros ejemplos en las carcasas de "plástico" de los televisores, de los teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico suelen ser un material compuesto formado por una matriz termoplástica como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) a la que se le ha añadido tiza de 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.
Los polímeros son compuestos químicos formados por una gran cantidad de componentes idénticos unidos entre sí como cadenas. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar los comúnmente llamados plásticos y caucho . Los plásticos y el caucho son el producto final, creado después de que uno o más polímeros o aditivos se hayan agregado a una resina durante el procesamiento, a la que luego se le da una forma final. Los plásticos de uso generalizado anterior y actual incluyen polietileno , polipropileno , cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno , nailon , poliésteres , acrílicos , poliuretanos y policarbonatos . Los cauchos incluyen caucho natural, caucho de estireno-butadieno , cloropreno y caucho de butadieno . Los plásticos generalmente se clasifican en plásticos básicos , especiales y de ingeniería .
El cloruro de polivinilo (PVC) se utiliza ampliamente, es económico y las cantidades de producción anual son grandes. Se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde cuero artificial hasta aislamiento y cableado eléctrico , 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. [26] El término "aditivos" en la ciencia de los polímeros se refiere a los productos químicos y compuestos añadidos a la base del polímero para modificar las propiedades del material.
El policarbonato normalmente se consideraría un plástico de ingeniería (otros ejemplos incluyen PEEK y ABS). Estos plásticos se valoran por su resistencia superior y otras propiedades especiales del material. 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 ultraalta, conductividad eléctrica, electrofluorescencia, alta estabilidad térmica, etc.
La línea divisoria entre los distintos tipos de plásticos no se basa en el material sino en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero barato y de baja fricción que se utiliza habitualmente para fabricar bolsas desechables para la compra y la basura, y se considera un plástico básico, mientras que el polietileno de densidad media (MDPE) se utiliza para tuberías subterráneas de gas y agua, y Otra variedad llamada polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) es un plástico de ingeniería que se utiliza ampliamente como rieles de deslizamiento para equipos industriales y como encaje de baja fricción en articulaciones de cadera implantadas .
Las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable , hierro fundido , acero para herramientas , aceros aleados ) constituyen hoy la mayor proporción de metales tanto por cantidad como por valor comercial.
El hierro aleado con diversas proporciones de carbono produce aceros con bajo , medio y alto contenido de carbono . Una aleación de hierro-carbono sólo se considera acero si el nivel de carbono está entre 0,01% y 2,00% en peso. 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 el temple y el revenido pueden cambiar significativamente estas propiedades. Por el contrario, ciertas aleaciones metálicas exhiben propiedades únicas en las que su tamaño y densidad permanecen sin cambios en un rango de temperaturas. [27] 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 normal con un contenido de cromo superior al 10% en peso . Normalmente también se añaden níquel y molibdeno a los 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 necesarios se desarrollaron hace relativamente poco tiempo. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio también son conocidas y valoradas por su alta relación resistencia-peso y, en el caso del magnesio, su capacidad para proporcionar blindaje electromagnético. [28] Estos materiales son ideales para situaciones en las que la alta relación resistencia-peso es más importante que el costo a granel, como en la industria aeroespacial y ciertas aplicaciones de ingeniería automotriz.
Un semiconductor es un material que tiene una resistividad entre un conductor y un aislante . La electrónica moderna funciona con semiconductores, y la industria tenía un mercado estimado de 530 mil millones de dólares en 2021. [29] Sus propiedades electrónicas pueden alterarse en gran medida mediante la introducción intencionada de impurezas en un proceso conocido como dopaje. Los materiales semiconductores se utilizan para construir diodos , transistores , diodos emisores de luz (LED) y circuitos eléctricos analógicos y digitales , entre sus múltiples usos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos como los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones. Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos individuales discretos y como circuitos integrados (CI), que constan de varios dispositivos (desde unos pocos hasta millones) fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor . [30]
De todos los semiconductores que se utilizan hoy en día, el silicio constituye la mayor parte tanto por cantidad como por valor comercial. El silicio monocristalino se utiliza para producir obleas utilizadas en la industria de semiconductores y electrónica . 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 elegido 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 mayor frecuencia. Otros materiales semiconductores incluyen el germanio , el carburo de silicio y el nitruro de galio y tienen diversas aplicaciones.
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 abordarlos de manera unificada. Así, la ciencia y la ingeniería de materiales surgieron de muchas maneras: cambiando el nombre y/o combinando los departamentos de ingeniería de metalurgia y cerámica existentes ; separarse de la investigación existente en física del estado sólido (que a su vez se convierte en física de la materia condensada ); incorporar ingeniería y ciencia de polímeros relativamente nuevas ; recombinación de lo anterior, así como química , ingeniería química , ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica ; y más.
El campo de la ciencia e ingeniería de materiales es importante tanto desde una perspectiva científica como desde el punto de vista de sus aplicaciones. Los materiales son de suma importancia para los ingenieros (u otros campos aplicados) porque el uso de los materiales apropiados 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.
La física de materiales es el uso de la física para describir las propiedades físicas de los materiales. Es una síntesis de ciencias físicas como la química , la mecánica de sólidos , la física del estado sólido y la ciencia de los materiales. La física de materiales se considera un subconjunto de la física de la materia condensada y aplica conceptos fundamentales de la materia condensada a medios multifásicos complejos, incluidos materiales de interés tecnológico. Los campos actuales en los que trabajan los físicos de materiales incluyen materiales electrónicos, ópticos y magnéticos, nuevos materiales y estructuras, fenómenos cuánticos en materiales, física del desequilibrio y física de la materia condensada blanda. Nuevas herramientas experimentales y computacionales mejoran constantemente la forma en que se modelan y estudian los sistemas de materiales y también son campos en los que trabajan los físicos de materiales.
El campo es inherentemente interdisciplinario , y los científicos o ingenieros de materiales deben conocer y utilizar los métodos del físico, químico e ingeniero. Por el contrario, campos como las ciencias de la vida y la arqueología pueden inspirar el desarrollo de nuevos materiales y procesos, en enfoques bioinspirados y paleoinspirados . Por tanto, siguen existiendo estrechas relaciones con estos campos. Por el contrario, muchos físicos, químicos e ingenieros se encuentran trabajando en la ciencia de materiales debido a las importantes superposiciones entre los campos.
Las principales ramas de la ciencia de los materiales provienen de cuatro clases principales de materiales: cerámica, metales, polímeros y compuestos.
También existen esfuerzos de amplia aplicación e independientes de los materiales.
También hay enfoques relativamente amplios en los materiales sobre fenómenos y técnicas específicos.
