Metalls, no metalls i altres materials

1. Metalls, no metalls, altres materials i materials d'última generació

En aquest tema s'analitzaran les propietats dels materials usats en la construcció d'objectes tecnològics i les modificacions que es poden realitzar sobre els mateixos per millorar aquestes propietats.

Figura: Imatge de NASA a Wikimedia Commons . Domini Públi

2. Metalls i aliatges ferris

Una mica d'història.

L'acer era ben conegut en l'antiguitat. Els primers acers van poder ser produïts fonent mineral de ferro en una xemeneia de materials naturals resistents a la calor (argila i pedra), emprant com a combustible primer llenya i més tard carbó vegetal i bufant aire a la llar per enriquir la combustió, així el ferro es convertia en autèntic acer. En aquests acers es expulsava l'escòria per mitjà de la forja amb martelleig en calent. Els primers acers provenen d'Armènia, datats abans de 1400 ac La tecnologia del ferro va ser mantinguda molt de temps en secret pels pobles que la posseïen, cosa que els convertia en enormement poderosos i temuts.

A la península ibèrica. Hi ha constància de producció d'acer des del segle IV aC, ja que els arqueòlegs han trobat espases utilitzades pels ibers, fabricades amb aquest material.

Figura: Imatge a Intef  de Javier Trabadela Robles sota CC

No obstant això, no és fins a 1700 quan es considera que es va començar a produir acer tal com el coneixem avui dia. En aquest sentit, cal destacar diverses innovacions molt importants:

• En 1856, Bessemer, va possibilitar la fabricació d'acer en grans quantitats, però només podia utilitzar-seu mètode per ferro amb poc contingut en fòsfor i sofre.
• En 1857, Siemens va posar en marxa un altre procediment d'obtenció industrial d'acer, en l'actualitat és un mètode en desús.
• El 1902 comença la producció comercial d'acer en forns d'arc elèctric.
• El 1948 es desenvolupa el procés de l'oxigen bàsic o LD.
• El 1950 es comença a utilitzar el procés de colada contínua per fabricar grans quantitats de perfils d'acer de secció constant.

• Ha de ser un mineral molt abundant.
• Ha de presentar una elevada concentració de ferro pur.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Transpassive sota CC.	Figura: Imatge a Intef de Félix Vallés Calvo sota CC.
Figura: Imatge a Intef de Ashok Beera sota CC.	Figura: Imatge a Intef de Félix Vallés Calvo sota CC.

2.1. Fabricació, procés d'obtenció de l'acer

Aquestes instal·lacions reben aquest nom per la seva gran alçada que sol estar al voltant dels 30 metres.

Un alt forn és un forn de cuba, format per dos troncs de con units per les seves bases grans. El tronc superior rep el nom de cup, i l'inferior es diu etalatges, la zona intermèdia es diu ventre. La part interior del forn està recoberta per material refractari i l'exterior és de xapa d'acer, entre les dues capes es disposa un circuit de refrigeració.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Josu P sota CC

El forn és alimentat amb una barreja de mineral de ferro, carbó de coc i fundent, generalment pedra calcària. La proporció entre aquestes tres substàncies ha de ser: 2 t de mineral - 0,5 t de coc - 1Tm de fundent. Mitjançant una cinta transportadora aquesta barreja es porta fins a una tremuja situada a la part superior del forn.

La barreja es va alimentant al forn a través de la part superior, anomenada tremuja. En ella un mecanisme de trapes permet l'entrada de la matèria primera evitant que s'escapin a l'exterior gasos, fums i substàncies contaminants.

Els alts forns operen en continu. Això vol dir que la forma de treball no consisteix en introduir la barreja amb els reactius deixar que el forn funcioni durant un determinat temps i que calgui detenir per extreure els productes. En un alt forn s'introdueixen les matèries primeres sòlides per la part superior i els productes, més densos, s'extreuen per la part inferior de forma contínua. Això fa que la barreja d'entrada vagi caient cap a zones més baixes del forn i que successivament vagi passant per la cisterna, el ventre i els etalatges.

Figura: Esquema d’un alt forn per a l’obtenció de ferro© FOTOTECA.CAT

Quina funció tenen els altres dos components de la mescla?

El coc compleix tres papers durant el procés.

• Combustible, aportant la calor necessària per a la fusió de l'escòria i del metall.
• Suport de la càrrega i responsable de la permeabilitat de la mateixa, donada la seva gran porositat.
• Reductor dels òxids de ferro.

El fundent compleix una doble funció:

• Redueix la temperatura de fusió del ferro.
• Reacciona amb els elements que acompanyen el mineral per formar l'escòria.

Per la part inferior del forn s'injecta per unes toveres aire calent. Aquest aire reacciona a la zona de etalatges amb el coc, el coc es transforma en CO generant una temperatura de 1800 ºC. Amb aquesta temperatura la càrrega arriba a la zona inferior del forn a la temperatura de fusió del ferro i causa de la diferència de densitats entre el ferro i l'escòria aquests queden separats en el fons del forn, en una zona anomenada gresol.

El ferro colat queda a la capa inferior del gresol i l'escòria en la superior. Posteriorment es trenca (punxa) el tap ceràmic que obtura la piquera de ferro colat i és sagnat el forn, extraient el ferro de primera fusió, ferro colat o ferro colat ia continuació l'escòria.

Imatge a Wikimedia Commons de Tosaka sota CC

1: El mineral de ferro sinteritzat + calcàries  2: Coc 3: Cinta transportadora  4: Alimentació  5: Capa de coc  6: Sinteritzat, pellets d'òxid de ferro, mineral  7: L'aire calent (al voltant de 1200 ° C)  8: Escòria  9: Ferro colat líquid  10: Mescladors  11: Toc de ferro colat  12: Cicló de pols  13: Escalfador d'aire  14: Sortida de fum  15: Aire d'alimentació per escalfadors  d'aire Cowper  16: Carbó en pols  17: Forn de coc  18: Bin cocs  19: Tubs de gas d'alt forn

El ferro colat s'aboca en grans recipients anomenats culleres, aquestes poden ser obertes o tancades (torpede), que és un vagó semitancat recobert al seu interior per maons refractaris que mantenen el ferro colat fos, mentre és transportat fins al forn d'afinament LD, on li trauran al ferro colat les impureses que encara conté i que el fan poc adequat per a l'ús industrial.

Les escòries obtingudes són emprades en la fabricació d'adobs agrícoles, com a matèria primera en la producció de ciment i en la fabricació d'aïllants tèrmics i acústics.

Fins ara hem comentat com es separa el ferro colat per la part inferior del forn un cop que ja s'ha format. Però recorda que el que alimenta el forn no és el ferro colat acompanyat d'escòria, per la part superior del forn s'ha alimentat un mineral de ferro.

El que passa a les zones superiors del forn (ventre i cup) són processos químics complexos pels quals el CO produït a la zona de etalatges reacciona amb el mineral reduint-lo i transformant-lo a mesura que la càrrega baixa a través del forn en ferro metàl·lic.

Per la part superior de la cisterna surten uns gasos provinents de la combustió que després de ser filtrats, per treure-li impureses, són emprats com a combustibles en uns canviadors de calor anomenats recuperadors Cowper.

El ferro colat o ferro colat obtingut de l'alt forn és un producte que encara no està llest per a ser utilitzat industrialment.

• D'una banda conté impureses d'elements com sofre o silici.
• D'altra banda conté un percentatge massa alt de carboni i finalment encara arrossega restes d'òxids de ferro.

Totes aquestes substàncies fan que les propietats del producte no siguin les desitjables. Cal doncs tractar aquest ferro, el procés pel qual això es porta a terme es diu colat. 
En l'actualitat hi ha dos mètodes diferents per realitzar el colat del ferro colat. D'una banda hi ha el mètode convertidor LD i per un altre el forn elèctric.

• Convertidor LD o Forn d'afinament d'oxigen bàsic.

Aquest sistema està format per en una olla d'acer recoberta en el seu interior amb material refractari en la qual es diposita el ferro colat a tractar. A través d'una llança situada a la part superior s'injecta oxigen al recipient. A causa de les altes temperatures de treball, la llança es refreda contínuament a través de serpentines d'aigua interiors per evitar que es fonamenta. La càrrega i la descàrrega de l'olla es fan per la part superior de manera que l'olla està muntada en eixos rotatoris que permeten la seva bolcat. 

• Forn elèctric.

En aquests forns la calor aportada procedeix d'un arc elèctric que es fa saltar entre uns elèctrodes de grafit i la superfície de la ferralla amb què es carrega el forn, la resistència del metall al flux de corrent genera calor, que juntament amb el produït per l'arc elèctric fon el metall amb rapidesa. Les condicions d'afinat poden ser estrictament regulades.

2.2. Aliatges. Acers i foses.

La indústria demanda materials de propietats específiques, amb el menor cost possible, en general aquestes propietats no són capaços de aportar els materials simples per la qual cosa cal que se sotmetin a determinats processos, per tal de millorar aquestes característiques, per això es recorre , entre altres mètodes, als aliatges.

Els aliatges s'obtenen fonent els diversos metalls en un mateix gresol i deixant després solidificar la solució líquida formant una estructura granular cristal·lina constituïda per diferents microconstituents.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Jan Arkesteijn sota Domini Públic.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Jan Arkesteijn sota Domini Públic.

Acer: Aliatge de ferro i carboni en què el percentatge de carboni no supera el 1,76%.

Figura: Imatge a Intef sota CC

Classificació dels acers 

D'altra banda és possible parlar d'acers aliats i acers no aliats. Es consideren acers no aliats aquells en els quals el percentatge d'elements químics que formen l'acer no supera el valor indicat en la següent taula:

Aquells acers que tenen major percentatge dels indicats a les taules són requerits per utilitzacions especials, i estan recollits en les normes UNE.

IMPORTANT

Foses: Aliatge de ferro i carboni podent contenir altres elements, en què el percentatge de carboni està entre el 1,76 i 6,67% de carboni.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de FlickrLickr sota CC

Pel seu aspecte es classifiquen en:

• Fosa blanca. El carboni que conté es presenta en major mesura en forma del compost cementita (CFE ₃)_.
• Fosa gris. El carboni que conté es presenta en major mesura en forma de làmines de grafit barrejades amb el ferro

3. Metalls i aliatges no ferris.

Aquests metalls, tot i tenir característiques específiques, presenten una sèrie de propietats físiques generals que els identifiquen:

• Estat sòlid a temperatura normal, excepte el mercuri que és líquid.
• Opacitat, excepte en capes de molt poc gruix.
• Bons conductors elèctrics i tèrmics.
• Brillants, un cop polits.
• Estructura cristal·lina en estat sòlid.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Liftarn sota CC.	Figura: Imatge a Flickr de Diablo azul sota CC.

 Es poden classificar d'acord a la seva densitat a:

• Pesats, si la seva densitat és major de 5 kg/dm³.
• Lleugers, si la seva densitat està compresa entre 2 i 5 kg/dm³.
• Ultralleugers, si la seva densitat és menor de 2 kg/dm³.

En general els metalls no fèrrics fan ser tous i presenten una reduïda resistència mecànica, per la qual cosa se solen aliar per millorar aquestes i altres propietats.

3.1. Metalls pesants: Coure, bronze, llautons ...

Coure

Símbol Cu. Nombre atòmic és 29. Densitat 8,9 kg/dm^3. Punt de fusió 1083 °C. Resistència a la tracció 18 kg/mm^2. Allargament 20%. Resistivitat 0,017 Ω mm²/m.

Obtenció. Estat natural. 

El coure pot trobar-se en estat pur. El coure en brut es tritura, i se separa per flotació i es concentra en barres. Els concentrats es fonen en un forn de reverber que produeix coure metàl·lic amb una puresa aproximada del 98%. Aquest coure en brut s'enriqueix per electròlisi, fins a aconseguir una puresa que supera el 99,9%. Els òxids i carbonats es redueixen amb carboni. Les menes més importants, les formades per sulfurs, no contenen més d'un 12% de coure.

El coure pur és tou

El principal mineral de coure és la calcopirita sulfur de ferro i coure, es troba a Xile, Mèxic, Estats Units i l'antiga URSS; la atzurita , carbonat de coure, a França i Austràlia, i la malaquita, un altre carbonat de coure, la cuprita , un òxid de coure que es troba a Espanya.

Figura: Imatge en Intef sota CC.	Figura: Imatge en Intef de Ashok Beera sota CC.

Elevada conductivitat de la calor i electricitat, resistent a la corrosió, dúctil i mal·leable.

Aplicacions

Era conegut en èpoques prehistòriques, s'han trobat objectes d'aquest metall en les ruïnes de les civilitzacions antigues.

El coure té una gran varietat d'aplicacions a causa de les seves avantatjoses propietats, com són la seva elevada conductivitat de la calor i electricitat, la resistència a la corrosió, així com la seva mal·leabilitat i ductilitat. A causa de la seva extraordinària conductivitat, només superada per la plata, l'ús més estès del coure es dóna en la indústria elèctrica. Per es ductilitat es pot transformar en cables de qualsevol diàmetre, des 0,025 mm.

Figura: Imatge en Intef de Alessandro Quisi sota CC

Aliatges

Els aliatges de coure, molt més dures que el metall pur, perden conductivitat elèctrica, presenten una major resistència a la tracció, gran resistència a la corrosió i fàcil mecanització. Al llarg de la història, el coure s'ha utilitzat per encunyar monedes i confeccionar estris de cuina, gerres i objectes ornamentals.

Els aliatges més importants i profusament utilitzades són:

• Bronze, un aliatge amb estany, s'empra en la fabricació de campanes, engranatges, escultures.
• Llautó, un aliatge amb zinc, s'empra en aixetes, bijuteria, envasos ...

A menor escala s'empren altres aliatges com són:

• Cuproalumini, s'empra per fabricar hèlixs de vaixell, canonades.
• Alpaca, és un aliatge amb níquel i zinc de color platejat, s'empra en la fabricació de coberteries i joieria barata.
• Cuproníquel, s'empra per a la fabricació de monedes i de contactes elèctrics.

Figura: Imatge en Intef de Javier Penela García sota CC	Figura: Imatge en Intef de Àngel Bravo Racó sota CC

Obtenció. estat natural 

És un metall molt escàs en l'escorça terrestre, el seu principal mineral és la cassiterita (SnO _2), que té una riquesa molt baixa. 

El procés d'obtenció part de triturar la cassiterita fins convertir-la en pols i es banya en cubes que s'agiten, perquè per decantació l'estany ocupi la part baixa del dipòsit, es compacta després d'eliminar la ganga. Després se sotmet a torrat, per reduir els òxids d'estany, si s'ha de depurar la seva riquesa fins arribar a valors de l'ordre de 99%, cal sotmetre-ho a processos electrolítics.

Figura: Imatge en Intef de Ashok Beera sota CC.	Figura: Imatge en Intef sota CC.

Propietats

A temperatura ambient és tou i mal·leable, és fàcil obtenir paper d'escàs gruix.

aplicacions

Els seus principals aplicacions és en la fabricació de fulla de llauna recobrint una ànima d'acer de dues capes molt fines d'estany pur. En aliatge amb plom per emprar-se com metall d'aportació en la soldadura tova elèctrica. En aliatges especials de molt baix punt de fusió, en les proporcions adequades amb plom, bismut, cadmi i indi s'aconsegueix un aliatge que fon a 47 ºC.

Zinc

Símbol Zn. Nombre atòmic 30. Densitat 7,13 kg/dm³. Punt de fusió 419 °C. Resistència a la tracció segons siguin peces modelades o forjades 3-20 kg/mm². Allargament 20%. Resistivitat 0,057 Ω mm² /m.

3.2. Metalls i aliatges lleugers i ultralleugeres

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Saperaud sota Domini Públic

Aplicacions

• A causa de la seva baixa densitat és molt útil per construir avions, vagons ferroviaris i automòbils, i per a les aplicacions en les que és important la mobilitat i la conservació d'energia.
• Per la seva elevada conductivitat tèrmica, l'alumini es fa servir en estris de cuina i en pistons de motors de combustió.
• És fàcilment emmotllable pel que s'usa en fusteria d'alumini.
• Donada la seva escassa absorció de neutrons, s'utilitza en reactors nuclears.
• És molt mal·leable pel que s'obté paper d'alumini de 0,002 mm de gruix, utilitzat per protegir aliments i altres productes peribles, per la seva compatibilitat amb menjars i begudes s'usa en envasos, embolcalls flexibles, ampolles i llaunes de fàcil obertura. El reciclatge d'aquests recipients suposa un gran estalvi d'energia.
• La resistència a la corrosió per aigua de la mar, el fa útil per fabricar cascos de vaixell i elements que estiguin en contacte amb l'aigua.
• Deguda a la seva resistivitat elèctrica és el material d'elecció per a substituir al coure com a conductor elèctric.

Figura: Imatge a Flickr de kristin-and-adam sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Mike1024 sota Domini Públic.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de RKBot sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de RKBot sota CC.

  

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de JoJan sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Xshadow sota Domini Públic.

Metalls ultralleugers

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Firetwister sota CC.	Figura: Imatge a Flickr de Lubrio sota CC.

4. Modificació de les propietats d'un material

Les propietats dels aliatges depenen de la seva composició i de la mida, forma i distribució de les seves fases o microconstituents.

L'addició d'un component encara que sigui en molt petites proporcions, fins i tot inferior a l'1% poden modificar enormement les propietats d'aquesta aliatge.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Julo sota Domini Públic.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de MGA73bot2 sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons d'Atapi sota Domini Públic.

En comparació amb els metalls purs, els aliatges presenten alguns avantatges:

• Major duresa i resistència a la tracció.
• Menor temperatura de fusió almenys d'un dels seus components.
• Menor ductilitat, tenacitat i conductivitat tèrmica i elèctrica

4.1. Tractaments tèrmics dels acers

El ferro pur és un material sense aplicacions constructives, les seves qualitats mecàniques són molt dolentes. L'aliatge de ferro i carboni, l'acer, és un dels materials més usat en la indústria. És per aquesta raó per la qual estudiarem els tractaments tèrmics referits a l'acer.

Existeixen fonamentalment quatre tractaments tèrmics: 

• tremp
• reveniment
• recuit
• normalitzat

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Ichudov sota CC

Objectius del normalitzat.

Mitjançant aquest procés s'aconsegueix:

• Esmenar defectes de les operacions anteriors de l'elaboració en calent (colada, forja, laminació, ...) eliminant les possibles tensions internes.
• Preparar l'estructura per a les operacions tecnològiques següents (per exemple mecanitzat o tremp). S'aconsegueix que l'estructura interna de l'acer sigui més uniforme i augmentant la tenacitat.

El normalitzat s'utilitza com a tractament previ al tremp i al revingut, encara que en ocasions pot ser un tractament tèrmic final. 

4.2. Tractaments mecànics i termomecànics

Tractaments mecànics. la forja 

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Fir0002 sota CC

4.3. Tractaments termoquímics

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Graibeard sota CC

Els objectius que es persegueixen mitjançant aquests processos són variats però entre ells podem destacar:

• Millorar la duresa superficial de les peces, deixant el nucli més tou i tenaç.
• Augmentar la resistència al desgast a causa del fregament augmentant el poder lubrificant.
• Augmentar la resistència a la fatiga i / o la corrosió. sense modificar altres propietats essencials com ara ductilitat.

Entre els procediments més habituals tenim: 

 Els tractaments més importants són:

• Cementació (C): Consisteix en incrementar la duresa superficial d'una peça d'acer dolç, augmentant la concentració de carboni en la seva superfície. Obtenint, una gran duresa superficial, resistència al desgast, bona tenacitat en el nucli i augment de la resiliència.
  
  
  

  Figura: Cementació

  
  
  

5. Materials polimèrics. fibres tèxtils

Un material polimèric és un material l'estructura interna està formada per polímers.

Els polímers estan formats per llargues cadenes de molècules elementals més petites, anomenades monòmers.

Aquestes cadenes es repeteixen cíclicament donant lloc a molècules de grans dimensions d'elevat pes molecular, que reben el nom de polímers.

Els polímers es poden dividir en:

• Homopolímers, quan els monòmers que el formen són idèntics i s'han format per addició, que consisteix en la unió i repetició d'un mateix monòmer, de manera que la macromolècula final és múltiple sencer de la del monòmer, no existint un alliberament de subproductes.
• Copolímers si els monòmers que el constitueixen són diferents i s'han format per condensació, que consisteix en que els monòmers que formaran el polímer són diferents a més, en la polimerització es produeix el polímer i una petita molècula, generalment H₂O, NH₃ ,. .. En aquest cas també hi ha una cadena amb un grup característic que es repeteix moltes vegades.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Dubaj sota Domini Públic

PROPIETATS GENERALS DELS MATERIALS POLIMÈRICS

Els plàstics o polímers tenen una sèrie de propietats que fan que les seves aplicacions en tots els sectors de la indústria vagi cada dia més en augment, entre les quals podem destacar:

• Cost reduït.
• Baixa densitat.
• Bons aïllants elèctrics.
• Bons aïllants tèrmics, encara que la majoria no resisteixen elevades temperatures.
• La seva combustió és molt contaminant.
• Resistents a la corrosió i als agents químics i atmosfèrics.

FIBRES NATURALS

Estan elaborades a partir de components animals, vegetals o minerals.

• Llana: és el pèl de les ovelles que s'esquilen periòdicament, molt elàstica i resistent, no s'arruga. S'empra en peces d'abric.
• Seda: és el filament del capoll dels cucs, del qual surt una única fibra que es fila amb diverses més. És rentable, no es pot planxar, no absorbeix la humitat, presenta una gran resistència, s'usa per a la confecció de teixits cars.
  
  

  Figura: Imatge a isftic sota CC.	Figura: Imatge a isftic sota CC.

  
  
  

• Cotó: és la llavor d'una planta, encongeix molt amb el rentat, és molt transpirable i no produeix al·lèrgies, s'empra en pantalons, camises, roba interior.
  
• Lli: és la tija d'una planta, molt resistent, absorbeix la humitat, molt fresc i no produeix al·lèrgies, és més car que el cotó, s'usa per a roba d'estiu.
  
• Espart: és la fulla d'una planta, el seu tacte és aspre, absorbeix la humitat, s'utilitza per fabricar soles de sabatilles i articles d'artesania
  
  

  Figura: Imatge a intef sota CC.	Figura: Imatge a intef de Pilar Cristóbal Antón sota CC.	Figura: Imatge a intef de Pilar Acero López sota CC.

• Amiant: és un material molt fibrós, la principal característica és que no propaga el foc, per la qual cosa s'empra per a la fabricació de vestits ignífugs. S'ha descobert que és cancerigen, pel que el seu ús s'ha restringit molt en els últims anys.
  
  
  

  Figura: Imatge a Flickr de almcalabria sota CC

  
  

S'elaboren mitjançant síntesi químiques, a través d'un procés anomenat polimerització. En l'actualitat són les més emprades, el seu principal avantatge és que són molt resistents a qualsevol agent extern, són molt fàcils de rentar i no necessiten ser planxades, el seu principal inconvenient és que són higroscòpiques, és a dir, que no absorbeixen la suor, no condueixen bé la calor i solen produir irritació a les persones de pells sensibles. En general se solen barrejar amb fibres naturals.

• Niló: són poliamides molt resistents i elàstiques, no els ataquen els insectes ni la putrefacció, es deformen amb la calor i produeixen al·lèrgies, s'empren per fabricar paracaigudes, mitges, coixins de seguretat.
• Tergal: es barreja amb cotó i llana, es deforma amb la calor, és molt elàstic i no s'arruga, s'empra per fabricar camises.
• Licra: és molt elàstic, es combina amb fibres, s'empra per fabricar mitges, peces de cotilleria, vestits de bany.
  
  

  Figura: Imatge a intef sota CC	Figura: Imatge a intef sota CC.	Figura: Imatge a Flickr de addypope sota CC.

6. Materials ceràmics. vidres

Els materials ceràmics són aquells productes (peces, components, dispositius, etc.) constituïts per compostos inorgànics, no metàl·lics, la característica fonamental és que són consolidats mitjançant tractaments tèrmics a altes temperatures.

En relació amb els materials ceràmics avançats, cal tenir present que estan constituïts pels mateixos elements que els materials ceràmics tradicionals, després no són nous materials, sinó que són nous productes que tenint una constitució mineralògica anàloga als ceràmics tradicionals, presenten, sense això, unes propietats molt superiors a les d'aquests últims.

Els materials ceràmics tradicionals estan fabricats amb matèries primeres de jaciments naturals, amb o sense procés de beneficiación per eliminar impureses per tal d'augmentar la seva puresa, com ara els materials argilosos.

Les seves característiques més importants són:

• El conformat pot ser manual i el procés de cocció es realitza en forns tradicionals (forn túnel, forns ascendents, etc.).
• La microestructura de la majoria dels materials ceràmics tradicionals presenta una mida de gra gruixut i una alta porositat, visible al microscopi òptic de no molts augments (La microestructura es pot estudiar o observar a nivells de microscòpia òptica).
• La densitat arriba únicament a aconseguir valors de l'ordre del 10 al 20% menor que la densitat teòrica del material.
• El nivell dels defectes en un material ceràmic tradicional és de l'ordre de mil·límetres.

Les ceràmiques tradicionals poden definir-se com aquelles que comprenen les indústries que tenen com a base als silicats, principalment els materials argilosos, els ciments i els vidres de silicats.Entre les ceràmiques tradicionals poden citar-se: els atuells de fang cuit, la porcellana, les rajoles, les teules, els vidres, etc.

Els materials ceràmics avançats estan fabricats amb matèries primeres artificials que han patit un important processat químic per aconseguir una puresa alta i una millora de les seves característiques físiques.

Les seves característiques més importants són:

• El procés de conformat es realitza amb equips sofisticats, que inclouen la utilització d'alta temperatura i pressió.
• La microestructura és de gra fi i s'ha de resoldre o estudiar per mitjà de la microscòpia electrònica.
• La densitat arriba a assolir valors de l'ordre del 99 o 100% de la densitat teòrica del material.
• El nivell dels defectes en un material ceràmic avançat és de l'ordre de les micres.

Així, els materials ceràmics avançats o els nous materials ceràmics són aquells productes dels quals s'espera que, depenent de les matèries primeres i composicions utilitzades, posseeixin: excel·lents propietats mecàniques sota condicions extremes de tensió, altes resistències al desgast o excel·lents propietats elèctriques, magnètiques o òptiques o bé excepcional resistència a altes temperatures i ambients corrosius (altes resistències a l'atac químic).

Els materials ceràmics avançats es poden definir per les tres característiques següents:

1. Per a la seva fabricació s'usen matèries primeres d'alta puresa (99,99%), amb composició química i propietats morfològiques controlades.
2. El processat està subjecte a un control precís, tant en el conformat com en la cocció.
3. Els productes tenen una microestructura ben controlada, que assegura la seva alta fiabilitat o resposta a la utilització per a la qual ha estat dissenyada.

Les propietats enumerades anteriorment fan que les ceràmiques avançades siguin útils com a components de motors, cremadors, intercanviadors de calor, etc. Per les seves propietats elèctriques són útils com capacitadors piezoelèctrics, termistors, substrats de circuits integrats, aïlladors, suports de semiconductors, condensadors d'alta tensió, etc. Per les seves propietats òptiques s'utilitzen com a finestres d'infraroigs, construcció de làsers i de llums de sodi d'alta pressió. Per la seva duresa i resistència a l'abrasió troba utilitat com a eines de tall. D'altra banda, molts d'ells són biocompatibles i poden ser utilitzats en el camp de la medicina com implants ossis (ossos i ròtules).

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Loadmaster sota CC .	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Materialscientist sota Domini Públic.

El nombre de materials ceràmics diferents és molt elevat, però tots ells tenen una sèrie de característiques en comú:

• Són materials durs i fràgils.
• Són molt resistents al desgast, per això, es fan servir per fabricar eines de tall.
• Són molt resistents a la oxidació n ia la corrosió.
• Són inerts i biocompatibles, per aquest motiu siguin molt útils en la fabricació de pròtesis i articulacions en medicina.
• Posseeixen punts de fusió alts, motiu pel qual resisteixen temperatures més elevades que els metalls.
• Són econòmics, pel fet que la matèria primera de la qual estan compostos és molt barata, encara que el seu procés de fabricació resulti elevat.

Vidre

El vidre és reciclable sense límit de vegades, quan es recicla no perd les seves propietats, estalviant-al voltant del 30% d'energia respecte al vidre nou. Per a això se separa i classifica segons el seu color en tres grups: verd, ambre i transparent. El material aliè ha de ser separat, tapes metàl·liques i etiquetes, després el vidre és triturat i fos juntament amb sorra, hidròxid de sodi i la calcària.

Figura: Imatge a Flickr de cervus sota CC.	Figura: Imatge a Flickr de vjbp56 sota CC.	Figura: Imatge a Flickr de Stewf sota CC.

El vidre s'obté d'una barreja de sorra de sílice (SiO₂), amb fundents (Na₂CO₃), i estabilitzants, com calcària (CaCO₃), s'afegeixen, cada vegada en major mesura, cascs de vidre procedent d'envasos de vidre reciclat, la barreja fon al voltant de 1.500 ºC. Al vidre així obtingut se li dóna forma per laminació.

És un material inorgànic, amorf, transparent, dur i fràgil, emprat per fabricar una gran quantitat de productes, finestres, lents, ampolles, ...

7. Altres materials

La fusta i els seus derivats

Encara que en l'actualitat ha estat substituïda per altres materials en moltes aplicacions, segueix sent un material d'elecció predominant en la construcció i la mineria. Als països pobres continua sent la font fonamental d'energia.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Naturenet sota CC

ESTRUCTURA DE LA FUSTA

La fusta té una estructura fibrosa formada bàsicament per cel·lulosa, C₆H₁₂O_5, (60%), que constitueix l'estructura resistent dels vegetals, i lignina, C₁₉H₂₄O_14, que proporciona la rigidesa i duresa a la fusta. A més conté, en menor proporció, resines, midó, sucres, tanins, colorants, alcohols, i càmfora, que són productes d'utilitat industrial.

Un tall transversal del tronc ens permet apreciar l'estructura interior, que està formada per les següents parts:

• Escorça. És una capa impermeable que recobreix l'arbre protegint d'agents atmosfèrics exteriors.
• Càmbium. Està constituïda per cèl·lules allargades, que es transformen en noves cèl·lules, les de la zona interior de fusta nova (xilema) i les de la cara externa de líber (floema). És la zona encarregada del creixement i desenvolupament de l'arbre.
• Albura. És la fusta jove de l'arbre i està irrigada per major quantitat de saba, el que la fa més vulnerable a la corc. Amb el temps es converteix en fusta més dura.
• Duramen. És la fusta amb duresa i consistència, formada per teixits que han assolit el seu total desenvolupament procedents de la transformació de l'albeca.
• Nucli o medul·la. És la part central i més vella de l'arbre. Està formada per cèl·lules tubulars sense pràcticament aigua, que ha estat substituïda per resines

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Thomas Steiner sota CC

PROPIETATS DE LA FUSTA

TRANSFORMACIÓ EN PRODUCTES COMERCIALS

• Escorçat. Es fa passar als troncs per una sèrie de rodets granulosos giratoris que arrenquen tota l'escorça al tronc. Els residus d'aquest procés són emprats com a adob, combustible i per a la construcció de taulers durs.
• Trossejament. Mitjançant serres circulars es tallen els troncs a longituds determinades; si són de petit diàmetre es tallen en taulons de secció quadrada. Les serradures obtingut s'utilitza per a la fabricació de pasta de paper i de taulers d'aglomerat.
• Serrat. Es tallen els troncs per obtenir taulers d'ús industrial. S'analitzen els troncs per obtenir el major nombre possible d'ells.
• Assecat. Per poder emprar els taulers obtinguts cal que hagin perdut humitat, per la qual cosa se'ls sotmet a processos d'assecat. Es comença aquest procés d'assecat a l'aire lliure, fins que la seva humitat és de l'ordre del 15%, i s'acaba d'assecar en forns, amb bona circulació d'aire, per aconseguir augmentar la seva duresa i resistència.
• Raspallat. La fi d'aquest procés és donar als taulers el terme definitiu, eliminant impureses i estelles i deixant les peces a la mida adequada per a la seva comercialització.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Meursault2004 sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Fir0002 sota CC.	Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Fir0002 sota CC.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Rotor DB sota GFDL

Aglomerat

S'obté a partir d'encenalls i serradures de fustes encolades a pressió (50% encenalls i 50% cua). En general es fan servir fustes toves per la major facilitat de treballar amb elles.

Els aglomerats tenen superfícies totalment llises i resulten aptes com a bases per xapats.

La majoria dels taulers aglomerats són relativament fràgils i presenten menor resistència a la tracció que els contraxapats. Els afecta la humitat, presentant dilatació de la seva espessor, dilatació que no es recupera amb l'assecat.

Hi ha diferents tipus d'aglomerat:

• Aglomerats de fibres orientades: Material de tres capes a partir d'encenalls de grans dimensions col·locades en direccions transversals, simulant l'efecte estructural del contraxapat.
• Aglomerat decoratiu: És aglomerat recobert amb làmines de fusta seleccionada, per donar sensació de ser fusta més noble, o amb plàstics imitant vetes i nusos. Per donar-li acabat als cantells es comercialitzen tapa cantells amb el mateix acabat de les cares.
• Aglomerat d'una capa: Es realitza a partir de partícules de mida semblant uniformement distribuïdes. El seu aspecte és bast i no es pot pintar directament sobre ell.
• Aglomerat de tres capes: Té una placa nucli formada per partícules grans que van disposades entre dues capes de partícules més fines d'alta densitat. La seva superfície és més suau i adequada per a ser pintada.

Figura: Imatge a Flickr de vjbp56 sota CC

Taulers de Fibres 

S'obtenen a base de fustes que han estat reduïdes als seus elements fibrosos bàsics i posteriorment reconstituïdes per formar un material estable i homogeni.

Es fabriquen de diferent densitat en funció de la pressió aplicada i l'adhesiu emprat en la seva fabricació.

Es divideixen en dos tipus:

• els d'alta densitat (DH), que utilitzen els aglutinants presents en la mateixa fusta.
• els de densitat mitjana (DM), que donen feina resines sintètiques, alienes a la fusta, com aglutinants. Aquests taulers es poden treballar com si fos fusta massissa, són una base excel·lent per xapats i admeten bé les pintures. Es fabriquen en gruixos entre 3 mm i 32 mm.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Vaderluck sota CC.

8. Materials compostos. Materials d'última generació

Materials d'última generació

La ciència del coneixement dels materials està en continu desenvolupament i dia a dia registra nous avenços i descobriments en el camp de les propietats químiques, òptiques, magnètiques, ...

Dins dels materials que tenim més propers podem esmentar:

• Biomaterials: Molt utilitzats en el camp de la implantació de pròtesis, o de pell artificial. Cristalls líquids: són utilitzats en les pantalles dels televisors i dels ordinadors, estan formats per fins cristalls de materials conductors transparents que deixen passar la llum (òxid d'estany dopat amb indi).

• L'objectiu és crear un biomaterial porós que permeti la interconnectivitat de tubs capil·lars, nervis i vasos sanguinis, que actuï com a òrgans artificials, durables, menys pesats i de baix cost que no provoquin rebuig entre els receptors. 
  
  Per a la seva producció s'utilitzen certs polímers sintètics, o materials metàl·lics a base de titani i cobalt, o determinats compostos ceràmics i vitris.

Figura: Imatge en Flickr d' TomStarDust sota CC

• Materials fosforescents: S'utilitzen per recobrir les parets interiors de certs monitors o pantalles. Quan aquests són travessats per radiacions d'una determinada longitud d'ona no visible per l'ull humà, aquestes radiacions provoquen una modificació en els materials i les converteixen en visibles il·luminant-cromàticament, per al que es fa servir, òxid d'itri (I₂O₃₎ , silicat de zinc (ZnSiO_4).

Així mateix s'està desenvolupant un nou camp, el dels nanomaterials d'escala microscòpica. És aquest un camp nou i en general s'està investigant i experimentant amb materials híbrids compostos per elements orgànics, biològics, inorgànics, .... Entre ells:

• Materials orgànics: que són produïts amb virus, que no afecten els éssers humans, i són emprats per fabricar microprocessadors més ràpids.


• Materials intel·ligents: que són capaços de copiar el comportament de l'organisme humà i siguin capaços de reparar possibles avaries.


• Materials híbrids, (optoelectrònica): l'objectiu d'aquestes tècniques és reunir el camp de l'òptica, l'electrònica i la ciència de materials per a desenvolupar nous productes similars als empleats en electrònica, però que en comptes d'emprar electrons com a portadors del senyal , empren fotons. Amb això s'aconsegueix un consum i volums incomparablement menors, així com unes velocitats de resposta ultra-ràpides. S'està desenvolupant un producte anomenat PMO (periodic mesoporous organosilica) a força de metilè (orgànic) i silici (inorgànic).


• Materials superconductors: emprats en la fabricació d'imants permanents, permeten la utilització de camps magnètics molt potents i estables, que pràcticament no presenten consum energètic, en l'actualitat s'estan desenvolupant nous superconductors a força de niobur d'estany i d'aliatges amb titani i niobi .

Figura: Imatge en Flickr d' ANL sota CC

• Gels: Materials que responen a estímuls com els canvis de temperatura o d'acidesa.

IMPORTANT

Influenciats per la demanda de materials amb propietats diferents, com més lleugeresa, resistència, conductivitat, ... s'han realitzat una sèrie d'investigacions que han donat lloc a l'aparició de nous materials amb propietats abans inimaginables, d'entre els quals podem destacar:

• Fibra de carboni.
• Nanotubs.
• Aerogel.
• Grafè.

 

FIBRA DE CARBONI

Té propietats mecàniques similars a l'acer, però és molt més lleugera:El  carboni és un material que, segons la seva estructura cristal·lina, és capaç de prendre la forma del grafit o del diamant, també pot convertir-se en un material amb qualitats úniques que pot reemplaçar a gran escala als materials convencionals. Així les fibres de carboni molt petites, submergides en un polímer de suport (normalment resina) resulten un material molt lleuger i summament resistent. Cada filament de carboni és la unió de moltes milers de fibres de carboni. Un filament és un fi tub amb un diàmetre de 5-8 micròmetres. 

• Alta resistència mecànica i gran flexibilitat.
• Baixa densitat, és un material molt més resistent i lleuger que nombrosos metalls.
• Bon aïllant tèrmic.
• Resistent a nombrosos agents corrosius.
• Resistent a les variacions de temperatura i amb propietats ignífugues.
• Elevat preu de producció.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de  Hadhuey sota  CC

Entre les seves aplicacions podem destacar el seu ús en la indústria aeronàutica i automobilística,  vaixells i en bicicletes, on les seves propietats mecàniques i lleugeresa són molt importants.També s'està fent cada vegada més comú en altres articles de consum com patins en línia, raquetes de tennis, ordinadors portàtils, trípodes i canyes de pesca i fins i tot en joieria.

nanotubs

Són estructures tubulars el diàmetre és de la mida del nanòmetre. Hi ha nanotubs de molts materials, com ara silici o nitrur de bor però, generalment, el terme s'aplica als nanotubs de carboni.

Els nanotubs de carboni són les fibres més fortes que es coneixen. Un sol nanotub perfecte és de 10 a 100 vegades més fort que l'acer per pes d'unitat i posseeixen propietats elèctriques molt interessants, conduint el corrent elèctric centenars de vegades més eficaçment que els tradicionals cables de coure. També presenten una gran elasticitat.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de Mstroeck sota  CC

aerogel

Es pot fabricar a partir diferents materials, com ara, sílice, zirconi, o carboni, entre d'altres. Està compost per entre un 90% i un 99,8% aire, és mil vegades menys dens que el vidre i unes tres vegades més dens que l'aire, només uns 3 mil·ligrams per centímetre cúbic.

Té al tacte una consistència similar a l'escuma de poliestirè.

Entre les seves propietats es destaquen el fet de ser gairebé tan lleuger com l'aire i al mateix temps molt resistent, pot suportar més de 1000 vegades el seu propi pes, així com la seva sorprenent capacitat com a aïllant tèrmic, la qual cosa ho torna summament atractiu per a diverses aplicacions .

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de NASA sota Domini Públic

Grafè

Té una estructura laminar plana, d'un àtom de gruix, composta per àtoms de carboni densament empaquetats en una xarxa cristal·lina en forma de bresca d'abella. Presenta excel·lents propietats, com:

• Alta elasticitat i duresa.
• Resistència (200 vegades més gran que la de l'acer).
• Capacitat de reaccionar químicament amb altres substàncies per formar compostos amb diferents propietats, el que dota a aquest material de gran potencial de desenvolupament.
• Suporta la radiació ionitzant.
• És molt lleuger, com la fibra de carboni, però més flexible.
• Menor efecte Joule, s'escalfa menys en conduir els electrons.
• Consumeix menys electricitat per a una mateixa tasca que el silici.

Figura: Imatge a Wikimedia Commons de AlexanderAIUS sota CC

Entre les seves aplicacions podem destacar el seu ús en pantalles tàctils, flexibles, planes i transparents, mòbils, cèl·lules fotovoltaiques, sensors, fibra òptica, transistors ...