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Tema 7
Estructura de los materiales.
Metales.
Todos los metales son materiales cristalinos, es decir, sus átomos están ordenados
siguiendo un patrón definido.
Esquema de la estructura de un metal
Poseen enlace metálico. En este enlace, los electrones de valencia de los átomos se
separan del núcleo, teniendo la facultad para moverse libremente en todo el material
razón por la cual se le llaman electrones libres. Los electrones libres se comportan
como si fueran una nube que mantiene unidos a los iones positivos que quedan cuando
los átomos pierden sus electrones de valencia. La mejor analogía consiste en
imaginarse que los electrones son una masa de plastilina y los iones positivos son
chibolas. La masa de plastilina al mezclarse con las chibolas evita que éstas se
separen, dando cohesión al material.
El enlace metálico es no-direccional. Esto hace que las dislocaciones se puedan
desplazar en los metales con facilidad. Por esa razón, los metales son materiales
dúctiles. Además, la no-direccionalidad de los enlaces también facilita la difusión de los
átomos en la estructura cristalina. Por esa razón, los metales pueden cambiar sus
propiedades por medio de tratamientos térmicos. Un tratamiento térmico no es más
que un proceso de calentamiento y enfriamiento controlado de modo que se modifique
la microestructura del metal.
Para aplicaciones de ingeniería, los metales normalmente se utilizan aleados. Debido a
esto, poseen varias fases en su estructura microscópica.
Cerámicas.
La gran mayoría de materiales cerámicos son cristalinos. La estructura cristalina de las
cerámicas suele ser bastante compleja.
Las cerámicas poseen enlace iónico. Este enlace consiste en que uno de los átomos
pierde uno o varios electrones cediéndolo a otro átomo diferente. El átomo que pierde
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el electrón queda con carga positiva mientras que el átomo que lo gana adquiere carga
negativa. La cohesión del material resulta de la atracción electrostática que ejercen las
cargas eléctricas de signo contrario. Los iones deben estar colocados de manera
ordenada en los puntos de red del material de modo que éste sea eléctricamente
neutro.
Esquema de la estructura de una cerámica
En los materiales cerámicos, el deslizamiento de las dislocaciones es muy difícil debido
a que debe mantenerse la neutralidad eléctrica del material. Esto hace que los
materiales cerámicos no posean ductilidad. Además, la difusión también es muy difícil
por la misma razón, no teniendo ningún sentido tratarlos térmicamente para cambiar su
microestructura.
Polímeros.
Los polímeros son materiales formados por moléculas muy largas.
Esquema de una molécula de polietileno
Los átomos que forman la molécula están unidos entre sí por enlaces covalentes.
Estos enlaces son direccionales lo que hace que la mayoría de moléculas tiendan a ser
rizadas.
Los enlaces direccionales hacen que la molécula no sea recta, sino que tienda a rizarse
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El material polímero está formado por una gran cantidad de moléculas de longitud
diferente “enredadas” entre sí.
Las moléculas se enredan dándole cohesión al material
La cohesión y resistencia del material dependen de que tan “enredadas” estén sus
moléculas. Generalmente entre más largas son las moléculas, mejor se enredan y el
material posee mayor resistencia. Si las moléculas son cortas, no pueden enredarse
bien y el material se deforma con facilidad.
Debido a que las moléculas normalmente están “enredadas”, es muy difícil que los
materiales polímeros formen estructuras cristalinas. La mayoría de polímeros son
amorfos o a lo sumo semicristalinos.
Materiales compuestos.
Estos materiales poseen múltiples fases.
Sus propiedades dependen
proporcionalmente de las propiedades y la cantidad de las fases que lo forman. Por esa
razón, las fases se combinan en la cantidad adecuada para obtener las propiedades
que se deseen.
Un ejemplo de un material compuesto sería mezclar hilos metálicos con un material
polímero. Los hilos le proporcionan resistencia al material, mientras que el polímero le
proporciona un peso bajo. Combinando la cantidad correcta de hilos y polímero, se
puede obtener un material de buena resistencia y bajo peso.
La mayoría de materiales compuestos está formado por dos fases. Una de ellas se
llama la matriz. La matriz es la fase contínua y generalmente se encuentra en mayor
cantidad en el material. La otra fase se llama fase dispersa, y es rodeada por la matriz.
Las propiedades físicas del material dependen de las propiedades de cada fase, su
cantidad relativa en el material y la geometría de la fase dispersa.
Los materiales compuestos pueden clasificarse de la siguiente manera:
• Reforzados con partículas
• Reforzados con fibras
• Estructurales
Semiconductores.
Son materiales cuya conductividad eléctrica es menor que la de los metales, pero que
sin embargo poseen características eléctricas muy particulares que los hacen muy útiles
en aplicaciones electrónicas.
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Las propiedades eléctricas de los semiconductores dependen significativamente de la
presencia de pequeñas cantidades de impurezas. Controlando la cantidad y el tipo de
impurezas, se pueden controlar las propiedades eléctricas.
El fenómeno de semiconductividad consiste en que el material puede comportarse
como conductor eléctrico o como aislante dependiendo de los estímulos externos que
reciba. La semiconductividad puede ser de dos tipos:
• Intrínseca: cuando el comportamiento eléctrico se basa en la estructura
electrónica propia del metal puro.
• Extrínseca: cuando las propiedades eléctricas están definidas por la presencia de
impurezas.
En todos los materiales conductores, semiconductores y en muchos materiales
aislantes, la conducción eléctrica es causada por el flujo de electrones que se da en el
material cuando se aplica un campo eléctrico. La magnitud de la conductividad eléctrica
del material depende significativamente del número de electrones disponibles para
participar en el proceso de conducción. No todos los electrones que posee un átomo
son capaces de ser acelerados por la presencia de un campo eléctrico. El número de
electrones disponible para la conducción eléctrica en un material en particular se
relaciona con el arreglo de los electrones en estados o niveles de energía y con la
manera como dichos estados son ocupados por los electrones. Una explicación
detallada de estos temas es complicada y requiere de principios de mecánica cuántica
los cuales están más allá de los objetivos de este curso. A continuación se describe un
modelo que omite muchos conceptos de mecánica cuántica y simplifica otros.
Los electrones de un átomo ocupan niveles de energía por todos ya conocidos. Estos
niveles son válidos cuando el átomo se encuentra aislado. Para cada átomo aislado
existen niveles y subniveles de energía discretos, los cuales pueden estar ocupados por
electrones. Los niveles se designan por números enteros (1, 2, 3, etc) y los subniveles
por letras (s, p, d y f). Para cada uno de los subniveles s, p, d y f existen
respectivamente uno, tres, cinco y siete estados de energía. Los electrones en la
mayoría de átomos llenan los estados comenzando por aquellos que poseen menor
energía. Cada estado es ocupado por dos electrones con spin opuesto, de acuerdo al
principio de exclusión de Pauli.
Un material sólido está compuesto por un gran número de átomos. Digamos por
ejemplo que un material está compuesto por N átomos los cuales se encuentran
inicialmente separados unos de otros. Los N átomos se acercan y se juntan para
formar la estructura cristalina del material. Cuando la distancia de separación es
relativamente grande entre los átomos, cada átomo es independiente de los otros y
tendrá los niveles de energía y la configuración de los electrones de un átomo aislado.
Sin embargo, a medida los átomos se acercan, sus electrones son perturbados por los
electrones y núcleos de los átomos adyacentes. La perturbación es tan significativa que
cada estado de energía de los electrones se divide en una serie de estados muy
cercanos unos de otros, formando lo que llamamos la banda de energía de los
electrones. La magnitud en que se dividen los estados de energía depende de la
separación entre los átomos y comienza con los niveles de energía más externos, ya
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que éstos son los primeros en ser perturbados por los átomos adyacentes. Dentro de
cada banda, los estados de energía son discretos, sin embargo la diferencia entre
estados adyacentes es muy pequeña. Cuando los átomos se encuentran a su distancia
de equilibrio, la formación de bandas para los niveles cercanos al núcleo puede no
darse, formándose espacios vacíos o “gaps” entre bandas adyacentes. Normalmente
las energías que se encuentran dentro de estos espacios vacíos no están disponibles
para que las ocupe un electrón. La figura a continuación muestra la forma convencional
de representar las bandas de energía para un material sólido.
Las propiedades eléctricas de un material sólido son consecuencia de la estructura de
bandas que forman sus electrones, es decir, de la forma como quedan arregladas las
bandas exteriores y de la manera como éstas son ocupadas por los electrones. La
banda que contiene los electrones con la mayor energía o electrones de valencia se
llama banda de valencia. La banda de conducción es la banda que le sigue y que
corresponde a niveles de energía mayores. En la mayoría de casos, la banda de
conducción se encuentra vacía.
La estructura de las bandas de energía depende de la temperatura. A cero grados
Kelvin pueden existir cuatro configuraciones diferentes de estos niveles de energía.
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a) Estructura característica de los metales como el cobre. Existen estados de energía
disponibles por encima y adyacentes a los estados llenos en la misma banda (banda
de valencia).
b) Estructura característica de metales como el magnesio. La banda de valencia se
traslapa con la banda de conducción, la cual se encuentra vacía.
c) Estructura característica de los aislantes eléctricos. La banda de valencia está llena,
pero está separada de la banda de conducción vacía por un “gap” relativamente
grande (> 2eV).
d) Estructura característica de los semiconductores. Es la misma estructura de los
aislantes con la diferencia que el “gap” es menor (< 2eV).
En este esquema, la energía que corresponde al nivel más alto que esta lleno con
electrones se llama la Energía Fermi, y se representa por Ef. Solamente aquellos
electrones que posean energía mayor que la Energía Fermi pueden ser acelerados por
un campo eléctrico. Estos son los electrones que participan en el proceso de
conducción y se llaman electrones libres.
En los metales, para que un electrón se convierta en un “electrón libre”, debe recibir
energía para trasladarse a uno de los estados disponibles por encima de la Energía
Fermi (Ef). Debido a que en los metales existen bandas disponibles adyacentes al
último nivel lleno, se necesita muy poca energía para enviar al electrón a la banda de
conducción. Por lo general, la energía suministrada por el campo eléctrico aplicado es
suficiente para enviar a grandes cantidades de electrones a la banda de conducción.
Para el caso de los aislantes y semiconductores, no hay disponibles estados vacíos
adyacentes a la banda de valencia llena. Para que un electrón se vuelva “libre”, debe
“saltar” el “gap” para llegar a los estados vacíos. Esto solamente es posible dándole al
electrón una cantidad de energía igual a la diferencia de energías entre los dos estados.
Como se puede ver de los esquemas, los semiconductores requieren recibir menos
energía que los aislantes. Esta energía de excitación puede ser suministrada por una
fuente no eléctrica como el calor o la luz.
El número de electrones que pueden ser enviados a la banda de conducción por medio
de energía térmica (calor) depende de la energía del “gap” así como también de la
temperatura. A cierta temperatura, entre mayor es el “gap” menor es la probabilidad de
que un electrón de valencia pueda ser enviado a un estado de energía dentro de la
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banda de conducción, resultando esto en menos electrones para la conducción. En
otras palabras, entre mayor es el “gap”, menor es la conductividad eléctrica a una
temperatura específica. La diferencia entonces entre semiconductores y aislantes
reside en el tamaño del “gap”. Para los semiconductores el espacio vacío entre las
bandas es pequeño, mientras que para los materiales aislantes es muy grande.
Cuando se incrementa la temperatura de un semiconductor o un aislante, la energía
térmica disponible para excitar a los electrones también se incrementa. Un número
mayor de electrones es enviado a la banda de conducción, lo cual produce un aumento
en la conductividad eléctrica del material.
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