Propiedades de los materiales
Existen muchas formas de clasificar los materiales:
Según su naturaleza u origen. Así, los materiales se pueden clasificar en materiales naturales, artificiales y sintéticos, dependiendo de si se encuentran directamente en el medio natural (el algodón, el petróleo, la madera, etc.), de si se obtienen a partir de varios materiales naturales (el hormigón, el acero, etc.), o de si son creados por el hombre a partir de materiales artificiales y de reacciones químicas (los plásticos, etc.).
Según su aplicación. Según si van destinados a aplicaciones sanitarias, en energía, en microelectrónica, en aplicaciones de aeronáutica, etc.
Según su composición. Los materiales se pueden clasificar en homogéneos y heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.
Según sus propiedades físico-químicas. Se diferencian así materiales rígidos y flexibles, tenaces y frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc.
La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica.
Metales: Son elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos a temperatura ambiente; sus sales forman iones electropositivos en disolución.
Cerámicos: Se distinguen por su dureza y fragilidad, además de tener altos puntos de fusión. Son rígidos tras la cocción, aunque antes de ella son extremadamente dúctiles y pueden tomar infinitas formas y tamaños.
Polímeros: es una sustancia compuesta por grandes moléculas, o macromoléculas formadas por la unión mediante enlaces covalentes de una o más unidades simples llamadas monómeros.Debido a su gran variedad de propiedades, tanto los polímeros sintéticos como los naturales juegan un papel esencial en nuestras vidas.
Conductores: Son aquellos que, en mayor o menor medida, son capaces de conducir electricidad. Este tipo de materiales permiten el desplazamiento libre y fluido de electrones de un punto a otro si se conectan a un punto de tensión.
Semiconductores: Es un elemento que se comporta o bien como un conductor o bien como un aislante dependiendo de diversos factores, por ejemplo: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
Aislantes: Son materiales donde los electrones no pueden circular libremente, como por ejemplo la cerámica, el vidrio, plásticos en general, el papel, la madera, etc. Estos materiales no conducen la corriente eléctrica.
Propiedades Físicas generales
Peso:
El peso específico es la relación que existe entre el peso de la sustancia y el volumen que ocupa. Los materiales que cuentan con un peso pequeño son materiales livianos, mientras que los materiales con pesos altos son mucho más pesados.
La porosidad: Es la fracción volumétrica de poros del material. Estos poros pueden situarse en su superficie o en su estructura interna. La porosidad está asociada con la densidad del material, y con la naturaleza de sus compuestos y la existencia de espacios vacíos entre ellos.
Propiedades Físicas Intensivas y Extensivas
Intensivas: Densidad: es la cantidad de masa que se encuentra en un espacio determinado. Se mide en kilogramos por metro cúbico kg/m3. Temperatura: es la medida de la energía interna de un cuerpo. Se mide en grados Celsius, (ºC), grados Fahrenheit (ºF) o kelvin (K). Punto de ebullición: es la temperatura a la cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso. Gravedad específica: es la relación de la densidad de un material con respecto a la densidad del agua. También se le conoce como densidad relativa, porque compara cuán denso es algo con relación al agua. Resistividad: es la propiedad de un material para resistir el flujo de electricidad. Depende del material, pero no de su cantidad. Se mide en ohms metro (Ω). Conductividad térmica: es la propiedad que tiene un material para conducir el calor. Se mide en watt por metro kelvin (W/m.K). Viscosidad: es una propiedad de los fluidos que se manifiesta como la resistencia a fluir. Se mide en Newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2). Calor específico: es la cantidad de energía que se necesita para subir 1 °C de temperatura de un kilogramo de una sustancia. Se mide como Joules por kilogramo por grado celsius, J/(kg °C).
Extensivas: Masa: es la medida de la cantidad de materia que contiene un objeto. Se mide en kilogramos (kg).
Volumen: es la medida de la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. Se mide en litros (L). Longitud: es la medida de la dimensión de un objeto. Se mide en metros (m).
Número de moléculas: es la cantidad de moléculas que conforman un material.
Capacidad calorífica: es la cantidad de energía que se necesita para subir la temperatura de una sustancia. Se mide en joules por kelvin (J/k). Resistencia térmica: es una propiedad de los materiales que se opone al flujo de calor a través de dos superficies de una pared. Resistencia eléctrica: es la propiedad eléctrica de los materiales que impide el flujo de las cargas eléctricas. Es extensiva porque la resistencia depende del tamaño y la forma del material, a mayor longitud del material mayor resistencia. Se mide en ohm (Ω).
Carga eléctrica: es la propiedad asociada con la cantidad de electricidad de un cuerpo, determinada por el balance de protones positivos y de electrones negativos. Se mide en coulomb (C).
Entropía: es una propiedad del estado de un sistema termodinámico que depende de la cantidad de material. Se mide en joules por kelvin (J/K).
Entalpía: es una propiedad del estado de un sistema termodinámico que mide la cantidad de energía en un sistema. Se expresa en joules (J).
Propiedades Químicas
Oxidación:
Se refiere a la reacción de los metales con el aire. En casi todos los metales la oxidación forma una capa superficial, con el fin de evitar que este proceso siga avanzando. A mayor temperatura del material, mayor será la velocidad a la que se produce la oxidación.
En los materiales metálicos el proceso de deterioro se denomina oxidación y corrosión, en los cerámicos (las condiciones para el deterioro han de ser extremas), se habla también de corrosión, y en polímeros, la pérdida de las propiedades de los materiales se denomina degradación.
La corrosión: Es el deterioro de un material a consecuencia de un ataque químico (productos ácidos, sales, alcalinos, etc.) o electroquímico del entorno (oxígeno, humedad, lluvia ácida, contaminación, etc.). Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, poliméricos o cerámicos.
Métodos para proteger los metales contra la corrosión: Galvanizado: El más habitual consiste en depositar una capa de zinc sobre hierro.
Niquelado: Recubrimiento con capa de níquel.
Cromado: Son finas capas de cromo que se depositan sobre capas de cobre o níquel previamente depositadas. Anodizado del aluminio: Consiste en generar una capa protectora de óxido de aluminio (Al2O3), mediante procedimientos electroquímicos.
Pavonado del hierro: Consiste en aplicar una capa superficial de óxido abrillantado, compuesto principalmente por óxido férrico (Fe2O3) con el que se cubren las piezas de acero para mejorar su aspecto y evitar su corrosión.
Pintado: Recubrir el material con una capa de polímero, pinturas anticorrosivas, esmaltes, resina artificial o recubrimientos cerámicos que sean impenetrables para la humedad y el oxígeno.
Propiedades Magnéticas
Materiales diamagnéticos: se oponen o repelen el campo magnético aplicado, de modo que en su interior dicho campo se debilita. Son materiales diamagnéticos el oro, cobre, mercurio, plata, sodio, hidrógeno, nitrógeno, etc.
Materiales paramagnéticos: el campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado. Estos materiales son atraídos por imanes pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. Esto ocurre con el aluminio, platino, magnesio, paladio, oxigeno, etc.
Materiales ferromagnéticos: el campo se ve reforzado en el interior de estos materiales, y mantienen un momento magnético aún cuando el campo magnético exterior se hace nulo. Los ferromagnéticos con remanencia magnética baja, es decir los que se pueden desmagnetizar con facilidad, se emplean en electroimanes, para poder variar en ellos el flujo magnético y controlar así la corriente inducida en bobinas, núcleos magnéticos de transformadores, generadores, etc.
Propiedades Térmicas
Conductividad Térmica :
Se refiere a la propiedad que tienen las sustancias de transmitir el calor a través de ella. Si un material cuenta con una buena conductividad térmica, entonces su valor será alto, Si tiene un valor bajo de conductividad térmica significa que tiende a ser deficiente al momento de transmitir calor.
Dilatación:
Se refiere a la variación de la dimensión del material al ser sometido a un cambio de temperatura. Gracias a la estructura química que poseen los plásticos, generalmente su coeficiente de dilatación térmica es mayor con respecto al de los metales.
Soldabilidad: Es la capacidad que tienen uno o varios materiales para que dos de sus piezas se adhieran de forma con una soldadura homogénea y de calidad, de forma que respondan a las necesidades para las cuales fueron concebidos. Se puede realizar aportando calor hasta que se alcanza la temperatura de fusión o usando un material intermedio para su adhesión.
Fusibilidad: La fusibilidad es la facilidad con la que un material puede derretirse o fundirse. Está claro que algunos materiales. Es importante en muchos ámbitos. Las industrias pesadas, la herrería y la ingeniería suelen tener en cuenta esta propiedad de los materiales.
Conductividad eléctrica:
Es la habilidad que poseen los materiales de conducir la electricidad. Metales como el cobre y el aluminio son usados para la fabricación de cables gracias a que su conductividad eléctrica es alta.
Propiedades Mecánicas
Cohesión: es la fuerza de atracción que se origina entre los átomos de un material, o resistencia que oponen a separarse, y su valor depende del tipo de enlace entre los átomos (iónico, covalente, metálico,...). En el caso de los metales, su cohesión es tal que permite pequeñas separaciones de sus átomos, al ser sometido a fuerzas exteriores, razón por la cual los metales son elásticos.
Plasticidad: es la capacidad de un material para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura, es decir, de no recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo deformante. La ductilidad y la maleabilidad (capacidad de estirarse en hilos y capacidad de estirarse en láminas, respectivamente) analizadas como propiedades tecnológicas, son variantes de la plasticidad.
Dureza: es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros. La dureza de un cuerpo es directamente proporcional a su cohesión atómica y está muy relacionada con la resistencia al desgaste.
Elasticidad: es la capacidad que tienen algunos materiales de recuperar su forma original una vez eliminada la fuerza que los deformaba. Los metales por ejemplo, son elásticos dentro de ciertos límites, a partir de los cuales las deformaciones son permanentes.
Resistencia: es la aptitud que presenta un material para soportar una carga externa, esfuerzo o deformación. Esta resistencia obedece a la cohesión de las moléculas que se oponen a separarse; cuando el esfuerzo vence a esta cohesión, el material tiende a deformarse
Propiedades Ópticas
Materiales opacos. No permiten que la luz los atraviese.
Materiales translúcidos. Materiales que permiten que penetre la luz pero que no dejan ver a través de ellos.
Materiales transparentes. Los que dejan pasar la luz.