3.3 Recursos materials

Els objectius de la unitat són:

• Conèixer les principals característiques de les principals famílies de materials d’aplicació industrial
• Disposar d’una visió global de la relació entre les característiques microestructurals i la resposta macroestructural i/o en servei dels diferents tipus de materials d’aplicació industrial
• Proporcionar eines i recursos per ampliar continguts relacionats amb els materials d’aplicació industrial.

2. Introducció als materials 

Un material és un producte sòlid que té alguna aplicació industrial. La utilitat és el que diferencia un material de la matèria. La història dels materials es remonta als temps prehistòrics, quan no hi havia coneixements sobre materials però sí s’identificaven diferents materials per a diferents utilitats (fusta, ós, pedra, cuir, etc.).

Figura 3.3.1. Mostra de diferents materials utilitzats per l’home a l’antiguitat. Font: xtimeline.com

L’evolució de l’èsser humà va en paral·lel a l’evolució dels materials. Així, es passaria de l’edat de pedra a l’edat dels metalls (bronze, ferro), on encara ens hi trobariem, i d’aquí a l’edat dels materials “avançats”, com els plàstics, ceràmics i compostos.

Figura 3.3.2. Evolució de l’ús dels materials en funció de la importància relativa. Font: elaboració pròpia

Per comprendre les propietats dels materials, cal tenir present la seva estructura a escala atòmica i/o microscópica. Pràcticament totes les propietats macroscòpiques rellevants dels materials, són el resultat directe dels mecanismes que puguin produïr-se a escala atòmica o microscòpica. Els materials estàn constituïts per àtoms, enllaçats i distribuïts a l’espai. En funció del tipus d’àtom (Metàl·lic-NoMetàl·lic), del tipus d’enllaç (covalent, iònic o metàl·lic, Taula 3.3.1) i la distribució (amorfa o cristal·lina), caldrà distingir entre els diferents tipus de materials.

Tipus d'enllaç	Característiques
Enllaç covalent	És un enllaç que es caracteritza per la compartició d’electrons entre dos àtoms en orbitals moleculars. Enllaç característic d’elements no metàl·lics, rígid i direccional, proporciona sòlids estables i rígids.
Enllaç iònic	És l’enllaç resultant de la presència de forces d’atracció electrostàtica entre ions de signe diferent, és a dir, un molt electropositiu i un altre molt electronegatiu, i que genera estructures sòlides ordenades, provocades per la distribució alternada de càrregues dels ions.
Enllaç metàl·lic	Enllaç al qual els electrons es comparteixen entre una xarxa ordenada de nuclis atòmics (nuclis metàl·lics) i es troben deslocalitzats, de manera que poden pertànyer a qualsevol dels nuclis que formen el cristall metàl·lic. Aquesta compartició d’electrons afavoreix un lligam no direccional.

Taula 3.3.1. Característiques dels enllaços atòmics que poden trobar-se als materials.

Aproximadament dos terços dels elements coneguts són metalls, gairebé una sexta part són no metalls i la resta presenten propietats intermèdies entre metalls i no metalls, a banda dels elements gasosos.

Figura 3.3.3. Taula periòdica dels elements. la base dels materials. Font: elaboració pròpia

Els elements metàl·lics presenten, en general, punts de fusió i d’ebullició elevats. Els sòlids formats per aquests àtoms, són conductors d’electricitat i calor, tant en estat sòlid com líquids, i són susceptibles de ser deformats de manera permanent sota l’acció d’un esforç aplicat.

Taula 3.3.2. Propietats característiques dels sòlids metàl·lics

L’estudi de les relacions entre l’estructura, l’aplicació i el processat dels materials, possibilita una selecció adient de materials per a les diferents aplicacions, alhora que es pot realitzar un disseny intel·ligent de nous materials, que donin resposta a les actuals necessitats.

Figura 3.3.4. Relació entre característiques microestructurals dels materials, característiques de processat, propietats mecàniques i aplicació. La modificació d’un d’aquests ítems, modifica la resta. Font: elaboració pròpia.

Les caracterísiques dels materials són, doncs, resultat del tipus d’àtom que ens constitueixen, així com del tipus d’enllaç i també del tipus d’estructura que adoptin. Aquestes “característiques” són comunment denominades “propietats”, i cal conéixer-les per tal de garantir la selecció adient en cada cas.

La comparació dels valors absoluts de les propietats mecàniques dels materials, permeten identificar franges d’idoneïtat, per a una determinada aplicació, punt de partida de la selecció de materials.

Figura 3.3.5. Comparació dels valors de resistència per als diferents grups de materials. Font: elaboració pròpia.

Un altre tipus de comparació, és el que permeten establir els Mapes d’Ashby, els quals recullen agrupacions per similituds de parelles de propietats i, per tant, comparen valors d’una determinada propietat en funció d’una altra, i esdevenen una eina excel·lent per detectar què milloraria i qèe no, amb un determinat canvi de material.

Figura 3.3.6. Mapa d’Ashby que permet comparar els valors de resistència (MPa) per als diferents tipus de materials d’aplicació industrial, respecte de la densitat. Font: Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design”. 2004.

[Tornar a la part superior]

3. Materials metàl·lics

En aquest grup, s’inclouen tots els sòlids cristal·lins formats per agrupacions ordenades d’àtoms metàl·lics, en forma de xarxa o reticle. Els aliatges metàl·lics constitueixen la immensa majoria dels materials d’aplicació industrial (prop del 75 %). Els metalls poden cristal·litzar en diferents sistemes cristal·lins i amb diversitat de possibilitats d’ocupació a la xarxa. Aqeustes situacions, queden recollides a les 14 xarxes de Bravais (Taula 3.3.3), cadascuna de les quals presenta característiques i paràmetres propis (arestes, angles entre arestes, forma de la cel·la unitària, etc.).

Taula 3.3.3. Característiques de les xarxes cristal·lines de Bravais.

De las xarxes de Bravais, els materials metàl·lics utilitzen, majoritàriament, les xarxes cúbiques centrades al cos i a les cares (BCC i FCC, respectivament, atenent la nomenclatura saxona, Face Centered Cubic i Body Centered Cubic), així com un tercer tipus de xarxa, l’hexagonal compacta (Hexagonal Close Packed), que es presenta a alguns sòlids i que és una varietat de la xarxa hexagonal.

Figura 3.3.7. Característiques de les xarxes cristal·lines de Bravais que, habitualment, es troben als materials metàl·lics: FCC, BCC i HC. Font: elaboració pròpia.

Les característiques de cada tipus de xarxa (compacitat, deformabilitat) es traslladen als materials que les presenten, amb la qual cosa es poden deduir alguns dels aspectes d’un metall o aliatge, únicament en base al sistema cristal·lí en que ha solidificat. Així, els metalls HCP mostren una ductilitat moderada, i els metalls BCC no són tan dúctils ni tan resistents com els FCC.

Dintre del gran grup de materials metàl·lics, es podria fer una subdivisió en dos grans subgrups: els aliatges fèrrics i els no fèrrics.

[Tornar a la part superior]

3.1 Aliatges fèrrics

Són aliatges que tenen com a principal element present, el ferro. Són els més abundants i els que tenen major interès com a material d’aplicació industrial, tant per la seva abundància en la escorça terrestre, com per la seva versatilitat en quant a propietats, alhora que resulta relativament econòmic d’obtenir i processar. Els inconvenients d’aquest subgrup d’aliatge són la susceptibilitat a la corrosió, l’elevada densitat i pobres característiques de conductivitat.

Figura 3.3.8. Classificació dels aliatres fèrrics. Font: elaboració pròpia

Una primera classificació d’aliatges fèrrics, permet fer dos grans grups: els acers i els ferros colats.

[Tornar a la part superior]

3.1.1 Acers

Són aliatges ferro-carboni amb continguts en aquest segon element inferiors al 2 %, i amb concentracions variables d’altres elements. La designació AISI/SAE dels acers consta de quatre xifres, on les dues primeres indiquen el contingut en elements d’aliatge (per als acers al carboni són 1 i 0) i les dues últimes, la concentració de carboni (percentatge en carboni multiplicat per 100).

S’identifiquen segons el contingut en carboni o bé en funció de la seva aplicació:

Figura 3.3.9. Components d’acer. Font: capitalsteelbuildings.wordpress.com

• Acers de baix carboni (menys del 0,25 % C): Relativament tous i poc resistents, amb extraordinària ductilitat y tenacitat, ideals per a carrosseries d’automoció, bigues, etc. L’addició d’elements d’aliatge proporcionen característiques mecàniques molt diverses, millorant notablement les respostes dels acers que només tenen carboni com a element d’aliatge. Cal destacar el grup dels HSLA (High Strength Low Alloy, que és un grup d’acers molt més resistents mecànicament i a la corrosió que els acers al carboni d’aquest mateix grup. Les microestructures més habituals són ferrítiques i/o ferritoperlítiques.
• Acers de mig carboni (entre 0,25 i 0,6 % C): Poden ser tractats tèrmicament a fi de modificar la seva microestructura per guanyar duresa i resistència, en detriment de la ductilitat y la tenacitat. Especialment indicats per a la fabricació de rails de trens, engranatges i cigonyals.
• Acers d’alt carboni (entre 0,6 i 1,4 % C): Són més durs i resistents que els altres acers al carboni però menys dúctils. Són molt resistents al desgast i s’utilitzen habitualment com a eines de tall i matrius de conformat de materials. Presenten microestructures de perlita (eutectoide Fe-C).
• Acers inoxidables: aquest grup recull un conjunt d’acers molt resistents a la corrosió per l’alta concentració de crom (més d’un 12 %), que afavoreix la generació d’una capa d’òxid de crom superficial que evita progressius atacs del medi. Es classifiquen segons la microestructura, i així es troben inoxidables martensítics, inoxidables ferritics (fase alfa BCC) o inoxidables austenítics (fase gamma FCC). Els martensítics i ferrítics tenen comportament magnètic. 

[Tornar a la part superior]

3.1.2 Ferros colats

Aliatges fèrrics amb continguts en carboni superiors al 2,1 %, tot i que la gran majoria, presenten entre un 3 i 4,5 % de carboni. Fonen a temperatures més baixes que els acers i es poden conformar fàcilment per fusió i emmotllament.

Figura 3.3.10. Components d’acer. Font: pmcfundiciones.com

Dins d’aquest subgrup, trobem la classificació següent:

• Ferro colat blanc: amb continguts en C entre 2 i 3,5 %, presenten continguts importants de cementita (carbur de ferro), que confereixen una gran duresa i fragilitat. Ideal per a aplicacions en què el material hagi de suportar tensions elevades sense deformar-se. Amb un tractament tèrmic, es pot convertir en ferro colat maleable, ja que la cementita es disgrega en grafit (nòduls ramificats) dins una matriu de ferrita o perlita.
• Ferro colat gris: amb continguts de C entre 2,5 i 4 %, i entre 1,0 i 3,0 % de Si, presenten làmines de grafit dins una matriu de ferrita alfa o de perlita, són fràgils i poc resistents a tracció, però són resistents i dúctils sota esforços de compressió. Són molt econòmics i poden ser tractats termicament per tal de modificar la seva microestructura i guanyar una mica de ductilitat (ferro dúctil o esferoïdal, amb el grafit en forma d’esferoids, en comptes de làmines).

Figura 3.3.11. Micrografies de ferros colats. a) Ferro colat blanc; b) Ferro colat gris; c) Ferro colat nodular ferrític; d) Ferro colat nodular ferrito-perlític. Font (1): http://www.derematerialia.com/practicas-metalograficas/fundiciones-blancas/ Font (2): https://www.researchgate.net/figure/Figura-6-Microestructura-muestra-1-Figura-7-Microestructura-muestra-2_fig3_332380808. Font: (3): https://www.researchgate.net/publication/272487696_Fundicion_nodular_de_alto_rendimiento

[Tornar a la part superior]

3.2 Aliatges no fèrrics

Són formats per la combinació d’altres metalls diferents al ferro, amb la finalitat d’obtenir unes altres propietats (menor densitat, major resistència a la corrosió, etc.). 

La classificació d’aliatges no fèrrics es fa en base a l’element majoritari (Fig. 3.3.12), tot i que cada gran grup pot contenir diversos subgrups.

Figura 3.3.12. Principals fonts de materials metàl·lics no fèrrics. Font: rimesa.com.ec

• Aliatges de coure: el coure pur és molt tou i dúctil i difícil de treballar. La seva resistència mecànica i a la corrosió millora per aliatge. Llautó: el zinc actua de solut. Bronze: coure amb estany, alumini, silici i níquel. Més resistents que el llautó.
• Aliatges d’alumini: destaquen per la seva baixa densitat i, en funció de la composició química, per l’excel·lent ductilitat que presenten així com baix punt de fusió.
• Aliatges de titani: Amb propietats mecàniques similars a la dels acers, els aliatges de titani, molt més lleugers, són considerats els millors materials metàl·lics, especialment pel que fa a les seves propietats específiques.
• Aliatges de magnesi: amb la densitat més baixa que la de cap altra tipus d’aliatge, es caracteritzen per exhibir unes propiestats mecàniques molt limitades y baixa ductilitat.
• Súper aliatges: combinació superlativa de propietats. Component principal pot ser cobalt, níquel o ferro, metalls refractaris (Nb, W, Ta). Turbines, reactors nuclears…

Figura 3.3.13. Components d’una turbina a gas, sotmesos a condicions extremes de temperatura, esforços mecànics, entorn corrosiu, vibracions, etc.  

Figura 3.3.14. Elements metàl·lics a un automòbil.

Sector elèctric: En aquest àmbit, es aplicacions més destacades dels materials metàl·lics són les de transformadors, connectors elèctrics, fils superconductors, suports de contactes elèctrics i parts d’interruptors, entre d’altres.

Sector electrònic: Sector en el qual els materials que s’utilitzen han de suportar estructuralment els components, proporcionar protecció contra els efectes mediambientals i dissipar els excessos de calor generats pels components electrònics. Els materials utilitzats han de mostrar alta rigidesa, alta conductivitat tèrmica, un coeficient d’expansió tèrmica baix i una densitat molt baixa. 

Sector químic: En aquests casos, els materials metàl·lics tenen aplicacions molt diverses.i es podria destacar l’ús del Magnesi, per la seva lleugeresa; el zinc per la seva utilitat com a protecció catòdica d’altres metalls; els acers inoxidables com a contenidors i recipients, etc.

[Tornar a la part superior]

3.3 Obtenció dels materials metàl-lics

3.3.1 Metal·lúrgia primària dels aliatges fèrrics

El ferro (Fe) no es troba a la naturalesa químicament pur, sinó que el més habitual és trobar-ho present en diversos minerals, en forma de compostos més o menys complexes (òxids, sulfurs, carbonats, etc.). El procés siderúrgic consisteix a reduir químicament el mineral de ferro per a l’obtenció de ferro líquid. 

Figura 3.3.15. Esquema d’un complex d’alt forn per a l’obtenció d’acer a partir de mineral (metal·lúrgia primària). Font: elaboració pròpia.

Per que un procés siderúrgic sigui econòmicament viable, cal que el mineral tingui un mínim de 20 % de ferro, raó per la qual habitualment es treballa ambconcentrats de mineral, que habitualment estan constituïts de magnetita (Fe3O4, que conté un 70 % de Fe) i la siderita (FeCO3, amb un 50 % de Fe,aproximadament). Aquest concentrat es barreja amb carbó i substàncies silíciques i calcàries que formaran l’escòria. Tota la matèria primera, s’’introdueix a la part superior de l’alt forn.

Ambients molt reductors, gràcies a la presència de monòxid de carboni (CO), provoquen la reducció a estat metàl·lic d’elements amb punts de fusió inferiors al de l’acer. Ambients oxidants afavoreixen la formació d’òxids més estables que els de ferro a la temperatura del forn. Els òxids gasosos s’eliminen “sols” i els líquids o sòlids se separen a les escòries de fusió. El producte obtingut a l’alt forn s’anomena arrabi i no és directament utilitzable, en tant que conté excessives quantitats de carboni i sofre. A partir d’aquí, l’obtenció de l’aliatge final requerirà de l’afinament del producte obtingut a l’alt forn (convertidor) amb l’addició d’elements d’aliatge.

Pel que fa a l’obtenció d’alumini, la principal font d’aquest metal és la bauxita (òxids d’Al, Fe, Si, Ti i d’altres), que es refina per obtenir òxid d’alumini (alúmina) que després es reduirà a alumini metàl·lic.

Les característiques d’aquest òxid fan ineficaços els procediments convencionals. Una ferralla d’alumini de composició “coneguda” es pot fondre i colar sense problemes (Fig. 16). El producte és un alumini amb prestacions mecàniques inferiors a l’alumini inicial (degradació d’ús). Els elements més problemàtics en la ferralla d’alumini són el Cu, el Si i el Mg. Cal realitzar una anàlisi espectrogràfica de les ferralles per conèixer el contingut d’aquests elements.

Figura 3.3.16. Esquema del procés d’obtenció d’Alumini a partir de Bauxita i Alúmina. Font: elaboració pròpia.

A la Taula 3.3.4 es recullen les etapes del procés d’obtenció d’Alumini i les reaccions majoritàries que es produeixen:

Taula 3.3.4. Pricipals reaccions que es produexien durant el procés d’obtenció d’Alumini.

Les plantes de producció d’alumini primari estan localitzades per tot el món, a llocs on hi ha disponibilitat de recursos d’energia elèctrica econòmica.

Per a la producció d’1 kg d’Alumini primari, cal processar 2 kg d’alúmina, que és el resultat de processar 4 kg de bauxita i 8 kwh d’electricitat. Així la producció mundial de bauxita, avui dia, es localitza a Austràlia, Sudoest d’Àfrica, Brasil i Jamaica.

[Tornar a la part superior]

3.3.2 Metal·lúrgia secundària

El procés de reciclatge per als metalls generalment consta d’un procés de fusió i afinament. En una ferralla normal es podrien identificar més de 20 elements que en una fusió simple passarien a formar part del metall colat. Com a conseqüència, apareixen defectes que no sempre són previsibles o controlables (segregacions, fases incoherents…). El procés d’afinament separa el component majoritari dels minoritaris.

La primera etapa del reciclatge és una separació magnètica que permet obtenir una fracció fèrrica diferenciada de la resta de materials. Les impureses més importants, pel que fa a continguts, són Zn, Sn, Si i C, les quals són molt difícils d’eliminar.

Fracció	Contingut
Fracció fèrrica	Part de la matèria primera que s’envia a les acereries, desprès d’una separació magnètica o manual de la resta de fracció metàl·licas. El Bureau of Mines proposa un procés de separació de metalls per a ferralla d’automòbils que consisteix en una trituració de la massa metàl•lica, seguida d’una separaciómagnètica (Fe) i una separació per medis densos (per exemple, l’alumini, mitjançant suspensions de barita).
Fracció no fèrrica	Sovint conté ferralla d’altres metalls, com ara: Sn, que prové de llaunes Cd, de peces cadmiades Cu, de motors elèctrics (contactes elèctrics) Zn, de peces galvanitzades Ni, de peces niquelades

Taula 3.3.5. Descripció de les parts d’una matèria primera de mineral de ferro

En els processos d’obtenció i reciclatge de l’alumini es repeteixen situacions tan complexes com en el de l’acer, però amb un inconvenient afegit: la formació d’òxid. Aquest inconvenient fa que les temperatures que cal assolir al procés de fusió de ferralla, siguin molt superiors a les que, inicialment semblaria, i/o que els forns de fusió evitin la interacció del metall calent o fos amb l’aires. Això justifica el cost que té obtenir alumini mitjançant el processat de ferralles.

A la Taula 3.3.6 es comparen els costos, en termes d’emissions de CO2, per a l’obtenció de l’acer i l’alumini, mitjançant processos de metal·lúrgia primària o secundària:

Pel que fa a la metal·lúrgia secundària de coure, els cables elèctrics es trituren i per densitat se separen de restes de polímer. Els metalls que no se separen per densitat s’eliminen per fusió i afinament electrolític.

Taula 3.3.6. Emissions associades als processos d’obtenció d’acers i aluminis.  

El coure, i els seus aliatges, són molt estables en estat metàl·lic i no s’oxiden amb facilitat, la qual cosa afavoreix que els processos de reciclat proporcionin materials molt purs, aptes per fabricar nous components (especialment elèctrics). Les impureses més comunes en el coure són Pb, Sb i Bi, de les soldadures de circuits electrònics; Ni, Zn i Sn, d’aliatges rics en coure (alpaca, llautons, bronzes), i també Ag, dels contactes platejats dels circuits elèctrics d’alta tensió.

[Tornar a la part superior]

4. Materials ceràmics i vidres

S’anomena material ceràmic o ceràmica a tot material d’enginyeria, inorgànic i no metàl·lic. Les ceràmiques en si, posseeixen estructura cristal·lina, és a dir, els seus àtoms s’organitzen en torn d’uns paràmetres, posseint així unes determinades característiques. Els vidres són sòlids no cristal·lins amb una composició química comparable a la de les ceràmiques cristal·lines. És per això el motiu pel qual, deixant a banda com són les seves estructures, a l’hora d’estudiar-los es realitzen a la vegada. Tant els ceràmics cristal·lins com els vidres, exhibeixen una gran fragilitat.

Les aplicacions de les ceràmiques i dels vidres poden ser agrupades mitjançant la classificació que es mostra a continuació. S’especifica cada grup mitjançant algun exemple significatiu.

Figura 3.3.17. Classificació dels principals grups de materials ceràmics. Font: elaboració pròpia.

[Tornar a la part superior]

4.1 Vidres

Les propietats més destacades dels vidres són la transparència òptica i la seva facilitat de fabricació. Constituïts principalment per enllaços covalents, els vidres tenen una base de silice (SiO2), i estan formats per tetraedres SiO44- que es connecten de formes diferents, tot donant lloc a estructures cristal·lines i amorfes.

Figura 3.3.18. Tetraedres de SiO44- en enllaços covalents. Font: proton.ucting.udg.mx

Els materials vítris no són cristal·lins, sinó que tenen una distribució atòmica amorfa, no ordenada (Fig. 3.3.19) i, per tant, no presenten una temperatura de fusió característica, sinó que, en un determinat rang de temperatura, presenten una transició a un estat fluid (temperatura de transició vítria).

Figura 3.3.19. Estructura cristal·lina d’òxid de silici (quars) i estructura amorfa d’idèntica composició (vidre). Font: elaboració pròpia.

Mitjançant un tractament de “desvitrificació”, és possible transformar un vidre a un estat cristal·lí, amb cristalls de mida molt petita. Aquest producte s’anomena vitroceràmica, i les seves propietats són notablement diferents de les dels vidres que les han originat, ja que és molt mes resistent mecànicament, no pateixen dilatació tèrmica (per tant, no pateixen xoc tèrmic) i presenten valors de conductivitat tèrmica molt elevada. El punt de fusió és moderat i, per tant, es poden fabricar amb facilitat.

Els vidres utilitzats per a l’elaboració de finestres, recipients i lents òptiques, tenen una base de silice amorfa i la varietat de vidres i propietats va lligada a la variació en la composició química. Así, l’addició d’òxids metàl·lics als vidres, modifiquen notablement el seu comportament extern, a causa de la distorsió que aquests additius provoquen e l’estructura ja amorfa inicial.

Figura 3.3.20. Estructura de sílice, en ceràmiques covalents Si-O, i efecte dels additius en la distorsió de l’estructura amorfa. Font: pilkington.com

Així, l’addició d’òxid de Sodi (Na2O) i de Calci (CaO) proporcionen el vidre comú o vidre a la sosa-cal; l’òxid de B (vidres al borosilicat, o vidre Pyrex) redueix la dilatació tèrmica i, per tant, redueix el risc de trencament per xoc tèrmic; l’òxid de Pb proporciona transparència i musicalitat; els òxids de Fe, Cu, Cr proporcionen colors; altres òxids modifiquen la resistència química, l’índex de refracció, la viscositat, la temperatura de fusió, etc... A la taula 3.3.7 es recull l’efecte dels principals òxids que, generalment, s’addicionen als vidres.

Taula 3.3.7. Efecte dels principals òxids que s’addicionen als vidres.

El grup de les ceràmiques anomenat vitroceràmiques són el resultat de la cristal·lització del 90 % de la massa de vidre com a resultat de la temperatura de procés, mentre que el 10 % restant, omple els espais que queden entre cristalls. El resultat final és un material no transparent amb una elevada resistència al xoc tèrmic, gran conductivitat tèrmica i bona resistència a l’impacte mecànic i menor coeficient de dilatació que els vidres comuns. Les principals aplicacions dels materials vitroceràmics, es troben al Sector electrònic, a més de les aplicacions domèstiques.

Al diagrama de la figura 3.3.21, es mostra l’evolució de la temperatura versus el temps, en el procés d’elaboració d’un material vitroceràmic. El procés, en conjunt, consta de quatre etapes diferenciades que es duen a terme a temperatures diferents.

Figura 3.3.21. Diagrama temperatura/temps del procés d’elaboració d’un material vitroceràmic. Font: elaboració pròpia.

[Tornar a la part superior]

4.2 Ceràmics tradicionals i tecnològics

Els materials ceràmics tradicionals i tecnològics (no vidres), es caracteritzen per presentar una estructura iònica i cristal·lina que es pot classificar en funció de la relació entre anions (-) i cations (+):

• TIPO AX: nombre de cations igual al nombre d’anions a consequència de la combinació d’ions amb la mateixa càrrega (+)/(-):
• estructura del clorur sòdic (NaCl)
• estructura del clorur de cesi (CsCl)
• estructura del sulfur de zinc (blenda, ZnS)
• TIPO AmXp: resultat de la combinació d’ions amb diferents càrregues, de manara que es requereixen proporcions rgues dels cations i anions no són iguals. Ex.: CaF2 (fluorita).
• TIPO AmBnXp: compostos ceràmics amb més d’un tipus de catió.

Els enllaços en els materials ceràmics són generalment una combinació d’enllaç iònic i covalent, però la seva estructura sempre contempla els àtoms organitzats en una xarxa cristal·lina, de complexitat variable. És important considerar que als materials ceràmics iònics, o amb una part iònica, la quantitat de càrrega positiva ha de ser igual a la de càrrega negativa, i sovint és aquest equilibri qui limita o condiciona la composició química i, per tant, les promietats del material en qüestió. A la taula 3.3.8 es recull una relació dels materials ceràmics més comuns, així com de les seves característiques i aplicacions més habituals.

Taula 3.3.8. Materials ceràmics més comuns, característiques i aplicacions. Font: elaboració pròpia.

Pràcticament tots els materials ceràmcs són durs i fràgils, propietats característiques de les estructures cristal·lines iòniques i dels sòlids amorfs, i aquesta fragilitat es veu modificada quan l’estructura conté irregularitats químiques o defectes cristal·lins. 

Així, en ocasions, aquestes alteracions afavoreixen la formació de petites esquerdes o porositats, que perjudiquen notablement la resposta mecànica i,per tant, limiten l’ús d’aquests materials.

D’altra banda, aquestes mateixes alteracions químiques, poden induir canvis en la xarxa cristal·lina que millorin la resposta macroscòpica, com és el cas dels ceràmics tenaços, als quals, una modificació química (dopatge) possibilita que una determinada zona de tensió concentrada (fons d’una fissura) indueix un canvi de xarxa cristal·lina a una altra (transformació al·lotròpica) més voluminosa que, com a resultat, permet el tancament de la fissura, alleugerint la tensió del sòlid.

Figura 3.3.22. Etapes de tancament d’una fissura a un material ceràmic tenaç. a) L’existència d’una fissura genera una zona de concentració de tensió; b) La tensió acumulada indueix la transformació al·lotròpica d’una xarxa a una altra, més voluminosa; c) La zona transformada “pren” el volum que necessita de la fissura, provocant el seu tancament i, per tant, incrementant la tenacitat del material. Font: elaboració pròpia.

[Tornar a la part superior]

4.2.1 Argiles i porcellanes

L’argila és un compost comú, format per alúmina (Al2O3) i sílice (SiO2), que conté aigua enllaçada químicament.Les porcellanes són un tipus particular d’argiles que es caracteritzen pel color blanc que exhibeixen, en part per la composició químia i en part per una cocció a temperatures superiors a les de l’argila.

Els productes d’argila són abundants i econòmics, i amb gran diversitat de formes, atenent la facilitat de conformat de la mescla de pols d’argila amb aigua, que proporciona una mescla de gran hidroplasticitat que pot adaptar-se a varietat de formes finals. En afegir aigua a les argiles s’assoleix un estat hidroplàstic que possibilita el conformat per compressió, extrussió o emmotllament (Figura 3.3.23). 

Entre els productes d’argila més habituals, es poden trobar totxanes (Figura 3.3.24), rajoles, canalitzacions, utensilis de cuina, les porcellanes i els elements sanitaris (porcellana blanca). 

Figura 3.3.23. Procés de conformat hidroplàstic de components d’argila. Font: elaboració pròpia

Figura 3.3.24. Material de construcció elaborat a partir de argila hidroplàstica, per extrusió. Font: ladrilloceramico.com

Una altra procés d’elaboració de components d’argila, és l’emmotllament en barbotina. Per aquest mètode, es poden elaborar tant components massissos com components buits (Figura 3.3.25). En els processos de conformat per barbotina, la pols de ceràmica, amb un excés d’aigua, constitueix una mescla fluida que s’aboca en un motlle porós que absorbeix l’excés d’aigua, tot proporcionant una preforma prou rígida com per ser manipulada. Aquesta preforma (peça verda) s’extreu del motlle i es sotmet a un procés de cocció.

Figura 3.3.25. Conformat per barbotina d’un component buit. Font: elaboració pròpia

Després del conformat hidroplàstic, la peça verda s’ha de sotmetre a un procés d’assecat previ a la cocció. Durant la cocció, a temperatures compreses entre 900 i 1400 ºC les partícules de ceràmica s’uneixen per difusió (sinterització) Si la temperatura de cocció és molt elevada, pot produir-se una vitrificació de les vores de les partícules, de manera que aquestes queden unides per una segona fase de vidre.

Figura 3.3.26. Cocció de ceràmiques amb vitrificació parcial. Font: elaboració pròpia.

[Tornar a la part superior]

4.2.2 Ceràmiques refractàries

Les ceràmiques refractàries s’utilitzen com a suport de metalls i vidres fosos i també com a elements fonamentals en els equips i instal·lacions de tractaments tèrmics. Aquests materials, dissenyats per treballar a altes temperatures sense quedar afectats per l’atmosfera de treball, estan formats per mescles de partícules de grandària variable. Durant el procés de cocció, les partícules petites poden formar una fase que afavoreix la unió de les partícules i redueix notablement la porositat. Aquesta reducció de la porositat, incrementa la resistència als atacs químics. En ocasions, les ceràmiques refractàries convé que tinguin un determinat grau de porositat ja que això redueix la conductivitat tèrmica i les fa més aïllants.

Un percentatge important de materials refractaris es basen en el sistema sílice (SiO2)- alúmina (Al2O3), i es regeixen pel diagrama d’equilibri següent.

Figura 3.3.27. Diagrama Al2O3-SiO2. Font: elaboració pròpia.

La combinació d’una elevada rigidesa, amb una baixa capacitat de dilatació tèrmica, fa que els materials ceràmics siguin, sovint, susceptibles de patir xoc tèrmic. El xoc tèrmic es produeix quan el material es dilata per efecte de la temperatura. La deformació genera tensions internes, molt elevades (en tant que la rigidesa és elevada), i aquest nivell de tensions internes poden provocar fissures i, fins i tot fractura del component.

Una porositat baixa, redueix notablement la resistència al xoc tèrmic i també la capacitat d’aïllament, ara bé, augmenta la resistència mecànica i la capacitat de suportar esforços. És per això que es poden trobar components ceràmics amb la mateixa composició però amb porositat variable, en tant que proporcionen respostes molt diferents.

Les ceràmiques refractàries amb base d’argila cuita, estan formades per sílice amb un 25-45 % d’alúmina, i al diagrama de la figura 3.3.27 es mostra com aquest percentatge permet treballar fins a 1587 °C (temperatura a la que comença a formar-se una fase vítria fluida. Un augment de la quantitat d’alúmina, afavoreix una major presència de fase mullita d’alta temperatura, de manera que es podria utilitzar el material ceràmic per sobre dels 1587 ºC, malgrat es formi una petita fracció líquida.

Segons la seva composició, els materials refractaris divideixen en:

• Refractaris d’argila: els ingredients primaris són mescles d’argiles refractàries d’alta puresa, alúmina (25-45 %) i sílice.
• Refractaris base sílice: són aquells als quals la sílice és l’ingredient principa, amb molt baixos continguts d’alúmina (0,2-1,0 %).
• Refractaris bàsics: alt contingut de magnèsia calcinada (MgO). En aquest grup, la presència de sílice és perjudicial.
• Refractaris especials: constituïts per òxids d’alta puresa. (SiC, BeO).

Els refractaris de sílice es poden emprar fins als 1650 ºC. A aquesta temperatura, hi ha present una petita quantitat de líquid degut a les impureses, i aquesta condició és acceptable. Malgrat això, com es pot observar en el diagrama de fases, fins i tot petites quantitats d’impureses d’alúmina redueixen la capacitat de suportar temperatures elevades en tant que, a les temperatures de procés, es pot formar una quantitat variable de fase líquida (les totxanes refractàries de SiO2, utilitzades per recobrir forns de ferro colat, treballen a temperatures superiors a 1650 ºC, quan algunes totxanes comencen a liquar-se.

Altres ceràmiques refractàries inclouen magnesia (MgO), circona (ZrO2), carbur de silici (SiC) i circó (ZrO2-SiO2). tot i que no són considerats ceràmics, el carbó i el grafit s’utilitzen en aplicacions d’’alta temperatura. A la taula 9 es pot observar la composició en pes d’alguns ceràmics refractaris:

Taula 3.3.9. Composició dels ceràmics refractaris d’ús comú.

Les ceràmiques refractàries són materials d’ús molt habitual, actualment. Així, hi ha parts externes de coets aerospacials que són construïts amb rajoles ceràmiques per tal de protegir la nau de les temperatures extremes a les que es veurà sotmés en reentrar a l’atmosfera (figura 3.3.28). La conservació de les propietats mecàniques a altes temperatures, té una gran importància a la indústria aerospacial. Els materials ceràmics posseeixen, en general, bona resistència a la termofluència, que es podria justificar per l’elevat punt de fusió d’aquests materials, i que pren especial rellevància quan cal combinar uns elevada resistència amb temperatures elevades de treball, combinada amb l’elevada energia d’activació que cal per tal que s’iniciï la difusió.

Figura 3.3.28. Sol·licitacions de temperatura en servei de diferents punts d’una aeronau.

Els primers materials ceràmics utilitzats per a l’elaboració de plaquetes refractàries van ser fibres refractàries inorgàniques aglomerades, impregnades de refrigerant orgànic no carbonitzable. Posteriorment, es van desenvolupar plaquetes a base de fibres de sílice amb agents d’alta emissió tèrmica per facilitar la radiació de calor, i amb recobriments de borosilicat.

Amb el desenvolupament de l’ACRF (Aïllament Compost Refractari Fibrós), consistent en un material compost de dues fibres ceràmiques sense additius, amb SiC, s’han millorat les propietats òptiques a temperatura elevada. Les fibres que conté són:

• Fibra de borosilicat d’alumini (62 % Al2O3, 14 % B2O3 i 24 % SiO2), d’11mm de diàmetre i 0,31 cm de longitud.
• Fibra de sílice, de 1-3 mm de diàmetre i longitud variable.

[Tornar a la part superior]

4.2.3 Ceràmics avançats i abrassius

Els ceràmics avançats s’utilitzen per a aquelles aplicacions en què cal una combinació òptima de propietats tèrmiques, tribològiques i mecàniques, com ara la fabricació de motors de combustió interna, turbines, etc.

La principal aplicació dels ceràmics abrasius tenen és la de desbastar o tallar altres materials més tous, és per això que les propietats més destacades són la duresa, la resistència al desgast, l’elevada tenacitat i la refractivitat. Exemples d’aquest grup de materials són el diamant, el carbur de silici (SiC), el tungstè (WC) i l’òxid d’alumini (Al2O3) i les principals aplicacions són l’elaboració de components de tall i desgast, bé sigui com a partícules aïllades, en suspensió, o unides mitjançant un element d’unió (substrat de paper, resina, etc.).

Així, per exemple, les boques de trefilat s’elaboren amb materials ceràmics abrassius, ja que es requereix una gran resistència al desgast per tal de garantir que es deformarà el metall i no el broquet durant el fregament continu inevitable durant el seu funcionament (figura 29). En aquests casos, la superfície de la boca conté partícules de diamant sinteritzat sobre un substrat de WC, que permet controlar la fractura i proporciona duresa uniforme en tot el component.

Figura 3.3.29. Esquema d’un broquet de trefilat. Font: elaboració pròpia.

Els materials ceràmics avançats es caracteritzen per presentar una composició química més senzilla que les ceràmiques naturals, així com un control exhaustiu de la seva porositat, que possibilita una millor resposta mecànica que els materials ceràmics més porosos. Exemples d’aplicacions de ceràmiques avançades són components de màquines tèrmiques, vàlvules, sensors, generadors d’ultrasons i mesuradors de pressió.

[Tornar a la part superior]

4.2.4 Ciments

Els ciments són materials inorgànics, formats per mescles de minerals d’argila, silicats i calisses, que es caracteritzen per la seva capacitat d’enduriment sense cocció, per fraguat, en tant que la composició química dels ciments inclou una part important de sulfats complexos de calci que, per combinació amb aigua (H2O) formen noves fases cristal·lines, rígides i dures, amb alliberament de calor (reaccions exotèrmiques).

El fraguat permet el conformat “in situ”, amb la qual cosa es poden obtenir grans volums i formes tan complexes com es desitgin.

[Tornar a la part superior]

5. Materials Polímers

Dels principals grups de materials d’aplicació industrial, els polímers són els més recents ja que, tret de l’hule natural, el cautxú, la cel·lulosa alguna altra excepció, pràcticament tots són productes sintètics obtinguts a partir de reaccions químiques. Un criteri de classificació de polímers és, justament, el que els agrupa en funció de si són derivats de productes naturals (polímers naturals) o bé si són elaborats artificialment (polímers sintètics).

La diferència entre polímers i plàstics rau en que els segons són polímers amb additius que els proporcionen les característiques específiques d’ús. Un polímer és un producte format per la repetició d’unitats (mers) connectades entre sí mitjançant enllaços covalents. En tant que la gran majoria de polímers prové de cadenes d’hidrocarburs, amb enllaços C-C com a unió principal, es consideren productes orgànics, tot i que hi ha polímers inorgànics.

Els materials polímers estan formats per macromolècules a les quals els àtoms es troben units mitjançant enllaços covalents. Les molècules es poden lligar entre elles (o diferents parts d’una mateixa macromolècula), mitjançant enllaços secundaris. Així, davant l’acció d’un esforç, l’enllaç secundari és trenca, possibilitant que els polímers exhibeixin una elevada plasticitat, però l’enllaç principal, covalent, és molt resistent.

En volum, els polímers constitueixen un dels grups de materials d’aplicació industrial més habitual, en tant que el conjunt de propietats que posseiexen els fan sumament atractius:

• Els processos de conformat, en general, són senzills i no requereixen d’operacions posteriors, de manera que proporcionen directament productes finals.
• La seva gran estabilitat química, vinculada al tipus d’enllaç que presenten, la baixa conductivitat tèrmica i elèctrica, i la seva baixa densitat, els fan materials únics, que els diferencien de metalls i ceràmics.
• El baix cost d’obtenció i procés dels materials polímers és, comparativament, molt inferior al dels materials ceràmics i metalls, tant a nivell de matèries primeres com de processos i despeses energètiques d’elaboració.
• En tant que poden ser transparents o translúcids, són materials adients per competir amb vidres en determinades aplicacions.

Ara bé, tot i que les propietats indicades fins ara són un bon referent per avalar l’ús d’aquests materials, també hi ha d’altres característiques, no tan atractives, que limiten les seves aplicacions, com ara: 

• Poden alterar-se per efecte de la llum o altres radiacions, degradant-se i, per tant, modificant la seva resposta macroscòpica (fragilització, enduriment, etc...).
• Presenten valors molt baixos de resistència i rigidesa.
• La resposta mecànica es veu molt afectada per les variacions de temperatura i per la velocitat d’aplicació dels esforços, molt més que la resta de materials d’aplicació industrial. Així, a temperatures moderadament elevades, són molt menys resistents que a temperatura ambient, i a temperatures baixes sovint són molt fràgils, la qual cosa limita notablement el rang de temperatures d’utilització d’aquests materials.

Els materials polímers poden tenir una estructura desordenada (amorfa) o bé parcialment ordenada (polímers semicristal·lins). Aquesta particularitat proporciona característiques diferenciadores entre uns polímers i uns altres.

Figura 3.3.30. Zones amorfes i semicristal·lines a un material polímer semicristal·lí. Font: elaboració pròpia.

Així, els polímers amorfs es comporten de manera molt diferent als semicristal·lins davant un increment de temperatura, en tant que presenten una temperatura crítica o característica anomenada Tg, temperatura de transició vítria. Per sota d’aquesta,els polímers amorfs són sòlids rígids, però quan es supera aquesta temperatura, les cadenes polimèriques presenten un elevat grau de mobilitat i el polímer flueix amb facilitat davant d’un esforç aplicat, fenomen conegut com “fluència”.

Figura 3.3.31. Modificació del comportament dels materials polírmers amb la temperatura. Font: elaboració pròpia.

En canvi, un polímer semicristal·lí, té dues temperatures característiques, la de transició vítria (Tg) i la temperatura de fusió (Tm) (superior a Tg). Per sota de la temperatura de transició vítria, el polímer semicristal·lí és un sòlid rígid i dur. Entre la de transició vítria i la de fusió, el polímer és tou, i per sobre de la Tm, el material és gomós i fluid.

Atenent a la seva complexitat estructural, la classificació dels materials polímers no és trivial. Habitualment, s’agrupen en funció de la distribució a l’espai de les seves cadenes (figura 32), aspecte qeu afecta en gran manera la resposta mecànica macrscòpica, i que permet diferenciar entre polímers amb cadenes lineals, ramificades o reticulades. 

Figura 3.3.32. Tipus d’estructures de les cadenes polímèriques. Font: elaboració pròpia.

Els processos químics d’unió de mers (unitats), o polimerització, són bàsicament dos: addició i condensació. A continuació es descriuen, breument, les característiques principals de cadascun d’aquests mecanismes:

• Polimerització per addició: procès al qual reaccionen monòmers bifuncionals que, progressivament, van afegint unitats a la cadena principal, i proporcionen macromolècules que són múltiples del monòmer original.
• Polimerització per condensació: procés de formació de cadenes mitjançant la reacció química de cadenes més petites o monòmers polifuncionals, i que proporcionen molècules petites com a subproducte (H2O, HCl, etc.).

Un altre criteri de classificació dels materials polímers es basa en la seva resposta mecànica davant la temperatura, i que permet distingir polímers termoplàstics, termoestables i elastomèrics, atenent als comportaments següents:

• Termoplàstics: la seva duresa i resistència disminueix amb l’augment de la temperatura (poden arribar a ser un fluid) i endureixen amb el refredament, de manera reversible, tot permetent el seu conformat per emmotllament. Poden arribar a convertir-se en un fluid. Les seves estructures són generalment linials i/o ramificades. La gran majoria han polimeritzat per addició (PE, PVC, PP), si bé n’hi ha alguns que provenen de processos de condensació (PA, PET). Són, en general, poc rígids i poc resistents, però presenten valors elevats de ductilitat i tenacitat.
• Termoestables: són polímers amb estructura reticulada/entrecreuada, que reticulen amb increment de temperatura i guanyen duresa durant aquest procés. No s’estoven amb la temperatura i no poden fluir per ser conformats per emmotllament. La gran majoria són polímers de condensació (resines). Són, generalment, rígids i resistents però presenten valors baixos o nuls de ductilitat i poca tenacitat (fràgils).
• Elastòmers: formats per cadenes moleculars amb molta llibertat de moviment molecular (flexibilitat), es deformen notablement a temperatura ambient, però amb gran capacitat de recuperar la forma i dimensions inicials (comportament gomós)

Un altre criteri de classificació, habitual, agrupa els materials polímers en funció de la seva naturalesa química (figura 33), en la forma següent:

• Poliolefines (polietilè-PE, polipropilè-PP)
• Resines acetàliques (polioximetilè-POM)
• Acrílics (polimetilmetacrilat-PMMA)
• Cel·luloses (acetat de cel·lulosa)
• Poliamides (Nylon©)
• Fluoroplàstics (PTFE, Teflon©, Gore-Tex©)
• Poliestirens (PS, SAN)
• Polièsters (Polietilentereftalat-PET, PBT, PEN)
• Policarbonats
• Poliuretans, etc...
  

Figura 3.3.33. Classificació dels materials polímers en base a la seva composició química i al seu volum de consum a nivell mundial. Font: elaboració pròpia.

Si el criteri de classificació atén a l’aplicació d’aquests materials, els polimers s’agrupen en:

• Resines d’ús general o commodities (més del 75 % del volum de polímers utilitzats). Dins aquest grup, es trobarien les poliolefines, les resines poliestirèniques, el PVC i el PET.
• Resines d’ús enginyeril, tècnic i especials. En aquest grup, es trobarien els polièsters (PBT, PEN), les poliamides (PA6, PA66 = Nylon©), les resines estirèniques (ABS, SAN), les acríliques (PMMA), les poliacetàliques (POM), els policarbonats, les resines halogenades (PTFE, PVF), les viníliques (PAN, PVAc) i els poliuretans, entre d’altres.

Les principals aplicacions a que es destinen els commodity plastics, es recullen a la següent figura.

Figura 3.3.34. Principals aplicacions dels materials polímers de gran consum (commodity plastics). Font: elaboració pròpia.

Els materials polímers estan formats per la successió d’unitats que es repeteixen. Aquestes unitats poden estar formades per un únic tipus de monòmer o unitat estructural (homopolímers) o per més d’un monòmer o unitat estructural (heteropolímers).

Representació d’una cadena amb una unitat repetitiva coincideix amb la unitat repetitiva formada per dues unitats estructural (homopolímer) estructurals (heteropolímer).

Figura 3.3.35. Representació de cadenes homopolimèriques i heteropolimèriques.

En el cas dels homopolímers, la unitat repetitiva coincideix amb la unitat estructural. Per als heteropolímers, es poden trobar configuracions diferents, tal i com es mostren a la següent taula.

Taula 3.3.10. Unitats estructurals i repetitives per als diferents tipus d’heteropolímers.

Tret dels polímers naturals, que són una minoria, els polímers provenen del petroli. La distribució de productes que s’obtenen, habitualment, a partir d’aquesta matèria primera, es mostra a la següent figura.

Figura 3.3.36. Esquema de productes derivats del petroli, on s’indica l’origen dels plàstics. Font: elaboració pròpia.

[Tornar a la part superior]

6. Materials compostos

Els materials compostos estan formats per una combinació de dos o més materials diferents amb l’objectiu d’aconseguir propietats úniques, que només es poden aconseguir mitjançant aquesta composició, i que, sovint, superen les propietats de les fases o materials constituients. Estan constituïts per una mescla o agregació macroscòpica de dos o més materials diferents que segueixen conservant en el producte ja acabat la seva pròpia identitat.

Els materials que formen part d’un compost actuen de manera diferent si són la matriu o bé si formen part de la fase de reforç o fase secundària.

Figura 3.3.37. Fases que constitueixen un material compost. Font: el·laboració pròpia. 

La fase matriu és responsable de mantenir la unitat del conjunt i de transmetre els esforços que el material pateixi cap a la fase reforç. La segona fase, que pot estar en forma de partícules, fibres o làmines, té la funció de suportar i distribuir els esforços externs aplicats, alhora que evita la propagació d’esquerdes que puguin apareixer a la fase matriu.

Si bé aparentment hi podriem trobar totes les combinacions possibles de matriu-reforç, a la realitat, no totes es troben ja que no és possible conformar una fase ceràmica o metàl·lica amb un reforç polimèric per incompatibilitat de les temperatures de conformat.

Atenent la gran diversitat que es pot trobar de materials compostos, es poden realitzar separacions o agrupacions en base a diferents criteris de classificació.

[Tornar a la part superior]

6.1 Classificació en funció de la naturalesa de la matriu

Segons aquest criteri, els materials compostos s’agrupen en.

• Compostos de matriu polimèrica, són els que més s’utilitzen, atenent a la seva lleugeresa, la facilitat de conformat i la seva utilitat a la temperatura de servei. En aquest tipus de materials, val a dir que les propietats mecàniques de rigidesa i resistència venen donades per la cooperació de la matriu i les fibres. Les matrius termoplàstiques són adients per a aquelles aplicacions que no requereixen temperatures elevades. Pel contrari, si la termperatura de treball ha de ser elevada, la millor opció considera l’ús d’una matriu termoestable (resines fenòliques o epoxi).
• Compostos de matriu metàl·lica, que presenten característiques molt favorables de conductivitat tèrmica i elèctrica, alhora que tenacitat i possibilitat de suportar temperatures de servei elevades. Els aliatges més habituals en aquest grup de materials compostos són de magnesi, alumini o titani, amb reforços de grafit, bor, wolframi o alúmina, sigui en fibres o en partícules.
• Compostos de matriu ceràmica, que generalment presenten reforços també ceràmics (ceràmiques reforçades) i, eventualment, reforços metàl·lics, destaquen per la seva resistència a temperatures elevades. El formigó és un material estructural compost de matriu ceràmical d’àmplia utilització per preu i resposta. A les ceràmiques reforçades amb fibres, l’objectiu de la segona fase és millorar la resistència mecànica, la rigidesa i/o la tenacitat de la matriu.

[Tornar a la part superior]

6.2 Classificació en funció de la geometria del reforç

Atenent aquest criteri de classificació, es distingeix entre compostos amb reforços discontinus o amb reforç continu (figura 38):

• Materials amb reforçats amb partícules (reforç discontinu).
• Materials compostos reforçats amb fibres curtes (reforç discontinu) o llargues (reforç continu). Aquests darrers poden contenir les fibres col·locades unidireccionalment, bidireccionalment o bé multidireccionalment (figura 39).
• Materials compostos estructurals (sandwich), amb làmines o amb estructures de bresca.

Figura 3.3.38. Diferències entre materials compostos reforçats amb partícules (a), fibra curta (b) o fibra llarga-contínua (c). Font: el·laboració pròpia.

Figura 3.3.39. Distribució de reforç de fibres bidireccional (a) o multidireccional (b). Font: pecolit.com, rehmanfiberglass.com 

En el cas de reforços de fibres, l’orientació d’aquestes és molt important, ja que d’ella depèn, en gran manera l’eficiència del conjunt, i les fibres més utilitzades són:

• Fibra de carboni: els materials compostos formats per resines plàstiques com epoxi, reforçades amb fibres de carboni, es caracteritzen per la seva lleugeresa, gran resistència i consistència. Tenen un ús elevat en la indústria aeroespacial, però no a la de l’automòbil degut el seu gran cost econòmic (figura 40).
• Fibres d’aramida: també anomenades Kevlar, proporcionen materials compostos de baixa densitat, elevada resistència i elevat mòdul d’elasticitat, molt adient per a automoció i aeronàutica (figura 41).
• Fibra de vidre, àmpliament utilitzada com a reforç de matrius plàstiques per a elements estructurals y productes d’emmotllament. Les seves característiques més destacades són una bona relació resistència/pes, bona resistència a la termperatura, a la humitat i a la corrosió, alhora que econòmica (figura 42).

 El darrer gran grup de materials compostos, atenent la morfologia del reforç, és el dels compostos estructurals tipus sandwich, que consisteixen en dues làmines exteriors (pell) de material relativament dur i resistent (generalment de naturalesa polimèrica o metàl·lica), separades per un nucli més lleuger, sigui per la densitat del material o per la estructura (foam, escumes, bresca). Aquests materials s’utilitzen amb freqüència a la construcció i a la indústria aeronàutica.

Figura 3.3.43. a) Nucli de bresca d’aramida. b) Estructura d’un material compost tipus sandwich amb nucli de bresca. Font: plascore.com, en.wikipedia.org 

Els compostos sandwich poden elaborar-se també a partir de capes intermèdies reforçades amb fibres, tot alternant l’orientació de les fibres:

Figura 3.3.44. Estructura d’un material compost tipus sandwich amb nucli de capes alternades. Font: el·laboració pròpia. 

[Tornar a la part superior] 

7. Reflexions Finals

• Els materials han permès que l'evolució de la humanitat sigui possible.
• Les idees, els dissenys, les noves configuracions, millores i optimitzacions de "components de sempre", requereixen d'un suport físic per "materialitzar-ho". I aquí és on els materials juguen el seu (bon) paper.
• En el marc de qualsevol formació tècnica cal considerar uns mínims coneixements de materials, no cal una gran expertesa però sí uns mínims. I sentit comú a l'hora de fer una selecció eficaç, mesurada i sostenible.
• Molts components que utilitzem avui dia podrien viure molt més si s'elaboressin del material adient, que garantís fiabilitat durant el llarg període de vida. Des del coneixement de materials, podem fer la millor selecció.
• Molts components que fem servir habitualment no acaben la seva vida quan el component queda obsolet, perquè es poden reciclar per fer-ne nous components, i una bona separació garanteix un reciclat eficaç
• Els materials són la base sòlida del desenvolupament humà, per això els hem de conèixer, els hem de saber utilitzar i els hem de valorar com cal.

[Tornar a la part superior]

8. Per saber-ne més

• [GRANTA-ANSYS] Education resources https://www.ansys.com/academic/educators/education-resources#t=EducationResourcesTab&sort=relevancy&layout=card
• [intromateria UPV]: [Introducción a la Estructura de la Materia] http://edx3.cc.upv.es/courses/poc/intromateria/2015-01/about
• [UPV]: [Curso básico de Ciencia de los Materiales] https://www.youtube.com/watch?v=h-mPMispA_0
• [UPV]: [Ingeniería de Materiales: Clasificación de Materiales] https://www.youtube.com/watch?v=lNGZ0e4XN5U
• [UPV]: [Evolución Histórica de los Materiales] https://www.youtube.com/watch?v=EBqBMh-9qU0
• [UPV]: [Clasificación de Materiales Polímeros] https://www.youtube.com/watch?v=vMai5oPAqpQ
• [UPV]: [Naturaleza de Materiales Polímeros] https://www.youtube.com/watch?v=jEwucnZkiBE
• [UPV]: [Introducción a la estructura de materiales compuestos] https://www.youtube.com/watch?v=p17YMoZxbls&list=PL6kQim6ljTJs68kaWApEzRSVAsge-N_CS&index=83
• [UPV]: [Naturaleza de Materiales Polímeros] https://www.youtube.com/watch?v=jEwucnZkiBE

[Tornar a la part superior] 

9. Referències 

• Callister, W., Rethwisch, D. (2016) Ciencia e Ingeniería de Materiales (2a Ed.). Barcelona, ESP: Ed. Reverté. (https://www.reverte.com/media/reverte/files/book-attachment-2717.pdf)
• Askeland, D. (1998). Ciencia e Ingeniería de los Materiales (3a Ed.). México: International Thompson Ed. (https://docs.google.com/a/upc.edu/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxsaWJyb3NkZWNpZW5jaWFkZWxvc21hdGVyaWFsZXN8Z3g6MzAyMGUxMzI4NTUyODliOQ)
• Ashby, M. (2016) Materials and Design: The art and Science of Materials Selection in Product Design (3a Ed). Cambridge, UK: Butterworth-Heinemann LTD. (https://www.youtube.com/watch?v=iNVmoSDoufk)
• Salán, M. (2005) Tecnologia de Proceso y Transformación de Materiales. Barcelona, ESP: Ediciones UPC. (https://upcommons.upc.edu/handle/2099.3/36673)

[Tornar a la part superior]

10. Crèdits

Com es cita aquesta unitat?

Salán, M. Recursos materials. A: Segalàs J. (ed.). Sostenibilitat i Enginyeria [en línia]. Barcelona: Universitat Politècnica de Catalunya. Institut de Recerca en Ciència i Tecnologies de la Sostenibilitat, 2024 [Consulta: dia mes any]. ISBN 978-84-10008-82-3. Disponible a: <https://is.upc.edu/ca/publicacions/llibres/sostenibilitat-i-enginyeria/unitats/3-3-recursos-materials>.

El contingut d'aquesta unitat ha estat elaborat per:

 

[Tornar a la part superior]