Caracterizacion De Materiales

MANUAL DE CARACTERIZACION DE MATERIALES 

INDICE

Introducción a la caracterización de materiales 3

Microscopia de sonda 6

Pruebas no destructivas y destructivas 10

Metales y aleaciones 14

Materiales cerámicos 21

Materiales polímeros 28

Materiales compuestos 39

Biomateriales 44

El concepto de estructura 51

Análisis de falla 56

Equipos utilizados en la caracterización de materiales 59

Bibliografía 77 

INTRODUCCION A LA CARACTERIZACION DE MATERIALES

Las últimas décadas del siglo XX, así como los inicios del siglo XXI, han sido están siendo testigos de avances espectaculares en el campo de los materiales. Entre ellos, quizás los más significativos, pero no los únicos, han sido el desarrollo tanto de los materiales superconductores “de alta temperatura crítica” como de los nanomateriales (dimensiones de los nanometros) y/o nanoestructurados. Otros materiales de muchísimo interés recientemente descubiertos son los polímeros conductores (Premio Nobel de Química del año 2000, Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa), las cerámicas avanzadas, materiales inteligentes, etc. No es pues de extrañar que todo este grupo de materiales, con propiedades específicas, se denomine a veces como “nuevos materiales”. No cabe duda por otro lado, que estos avances no hubieran sido posibles sin un desarrollo paralelo de nuevas técnicas de preparación de muestras (ultramicrotomía, spin-coating, etc) y caracterización (MADLI-TOF, AFM, Microscopía confocal, aniquilación de positrones, microscopía electrónica de emisión de campo, etc) y estudio de las propiedades de los materiales. Se puede afirmar, por tanto, que la ayuda de las nuevas técnicas de caracterización y análisis ha sido indispensable en el diseño, síntesis y procesado de estos materiales, permitiendo un cuidadoso control de sus propiedades, e incluso en muchos casos, con la posibilidad de prefijar de antemano alguna de sus características (“materiales a la carta”).

Es sabido que la ciencia e ingeniería de materiales depende enormemente del entendimiento de la relación existente entre las propiedades de los materiales, su composición, “microestructura” y procesado.

El estudio de los materiales tiene sentido desde el momento en el que se piensa que van a tener una función útil en nuestra vida. Atendiendo a la función que va a tener un material, es necesario que éste posea una serie de propiedades que le van a ser útiles para poder desempeñar dicha función de manera adecuada y duradera. Antiguamente la selección de materiales se hacía mediante ensayos de prueba y error. Se tomaban objetos directamente de la naturaleza y posteriormente se probaba su utilidad. Hoy en día es necesario conocer con antelación las propiedades de un determinado material con objeto de predecir si podrá ser útil o no para una determinada aplicación.

Si, por ejemplo, se pretende obtener un material cuya peculiaridad o propiedad sea tener color rojo pero, no un rojo cualquiera, sino un color rojo especial, aquél asociado a una reflexión de luz de una determinada longitud de onda, será necesario realizar espectros de absorción en el visible con objeto de comprobar que efectivamente esa y sólo esa es la radiación que el material refleja puesto que las demás longitudes de onda las absorbe.

Por otro lado, si se desea un material muy resistente cuando esté sometido a esfuerzos unidireccionales, será necesario medir a partir de ensayos de tracción la tensión máxima que dicho material es capaz de soportar. Evidentemente, esto es una manera muy general y simple de abordar este problema pero para los estadíos en los que este manual se encuentra es más que suficiente para entender y comprender la necesidad de la utilización de este tipo de técnicas y métodos de caracterización.

DESARROLLO HISTORICO

El hecho ocurrido más significativo en cuanto al establecimiento de las bases de la moderna ciencia de materiales tuvo lugar a principios del siglo XIX cuando Dalton postuló que la materia estaba constituida por agregados de “partículas últimas” o átomos.

El concepto de proporciones definidas y de masa atómica junto con una consistente nomenclatura para los elementos, introducida por Berzelius, permitió una descripción adecuada de la materia y de las reacciones químicas que es la que se conoce hoy en día.

Estos hechos también permitieron el desarrollo de técnicas de análisis basadas más en el comportamiento químico que en la propia determinación de propiedades físicas. Por ejemplo, el método conocido como análisis gravimétrico fue ampliamente utilizado en el siglo XIX. Una reacción química entre la disolución del material a ser analizado y un segundo reactivo da lugar a la formación de un compuesto insoluble que contiene el elemento de interés. El precipitado se aislaba, secaba y pesaba, y la cantidad del elemento se determinaba a partir de su fracción estequiométrica.

Una segunda técnica, conocida como análisis volumétrico (valoración), se desarrolló aproximadamente al mismo tiempo. Consiste en la medida del volumen de reactivo necesario para reaccionar completamente con una cantidad fija de una muestra en una reacción química predeterminada. Al principio no fue tan utilizada como el análisis gravimétrico, debido a la dificultad de detectar los puntos finales de reacción. No obstante, a medida que la disponibilidad de nuevos indicadores fue mayor el método creció en popularidad. Una tercera técnica, conocida como colorimetría, fue conocida también en el siglo XIX. Se llevaban a cabo reacciones concretas para obtener compuestos coloreados que contenían el elemento de interés. Entonces se medía la intensidad de color en relación a la de disoluciones patrón para estimar la cantidad presente del elemento en cuestión. Aunque esta aproximación estaba inicialmente limitada a algunos elementos y el análisis cuantitativo no dejaba de ser algo subjetivo, su uso aumentó a medida que más reactivos colorimétricos se identificaban y se desarrollaron instrumentos para realizar medidas más precisas.

El siglo XIX también vio nacer la química electroanalítica y el uso de la luz polarizada para discriminar entre materiales, pero el método instrumental desarrollado en esta época más significativo fue el espectroscopio. Este método se basaba en la propiedad de un prisma de dispersar la luz blanca en sus diferentes constituyentes. La idea de utilizar los espectros de absorción para un análisis químico general fue propuesto por Brewster unos años más tarde. Bunsen y Kirchoff en la década 1850-60 desarrollaron el espectroscopio en el que más o menos se basan los equipos actuales. Con él

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