Material Particulado

Material particulado.

El refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo

Se refiere a los aerosoles atmosféricos, a partículas y pequeñas gotas líquidas suspendidas en el material. El rango de tamaño es muy variado, abarcando desde los 0,001 micrómetros, aerosoles microscópicos, hasta los 100 micrómetros o más visibles, de variadas formas y composición química. La composición elemental incluye diferentes elementos, unos livianos como el aluminio, silicio, potasio, calcio y, otros pesados como el hierro, zinc, vanadio, titanio, plomo. También hay compuestos orgánicos de elevada toxicidad y potencial cancerígeno y mutagénico.

El material particulado se origina desde fuentes naturales continentales como el polvo levantado por tormentas, erupciones volcánicas y otras, desde el mar por la evaporación y salpicado de gotitas de agua. El otro gran contribuyente a nivel urbano son las emisiones generadas por el hombre, llamadas fuentes antropogénicas.

Materiales reforzados por Partículas La adición de partículas de mayor o menor tamaño a una determinada matriz es un recurso habitualmente utilizado para obtener materiales más resistentes. Las partículas de refuerzo son habitualmente más duras y resistentes que la matriz, se cohesionan fuertemente con ésta y mejoran apreciablemente sus propiedades mecánicas. Según el tamaño de las partículas, pueden distinguirse dos tipos de composites particulados diferentes: los composites reforzados por dispersión y los composites con partículas grandes. Composites reforzados por dispersión: Presentan partículas de tamaño muy pequeño (< 100 nm.), homogéneamente distribuidas por toda la matriz. Su efecto es similar al que produce el fenómeno de la precipitación o envejecimiento en una aleación metálica. Las pequeñas partículas, aunque no son coherentes con la matriz, actúan a nivel atómico-molecular impidiendo la propagación de las dislocaciones, con el consiguiente aumento de la dureza y la resistencia a la deformación plástica y a la tracción. Pero en cualquier caso, es la propia matriz la que soporta mayoritariamente las fuerzas que actúan sobre ella. Normalmente, este tipo de reforzamiento se aplica en metales y aleaciones metálicas, utilizándose generalmente óxidos metálicos como fase dispersiva.

Obviamente deben ser materiales duros, inertes para no reaccionar con la matriz y poco solubles en ésta (porque la solubilidad favorece la formación de enlaces indeseables entre la matriz y las partículas). El endurecimiento obtenido en estos materiales no es tan elevado como el que puede conseguirse por precipitación. Sien embargo, tiene la ventaja de que se mantiene a altas temperaturas durantes periodos de tiempo prolongados. Recordemos que en los materiales envejecidos, los tratamientos térmicos reducen su resistencia al absorber una fase a la otra. Ejemplos importantes de composites reforzados por dispersión lo constituyen el sistema AI-AI2O3 (14 %), utilizado en reactores nucleares, el sistema Ni-Th02 (3 %), aplicado en componentes de turbinas, y el sistema \V-ThO2 (ZrÜ2), que se aplica en filamentos y resistencias calefactoras. Todos estos materiales deben ser preparados por metalurgia en polvo, dadas sus elevadas temperaturas de fusión y dureza.

Composites con partículas grandes: También se les denomina composites aglomerados y composites verdaderamente particulados ("true particulated composites"). Dado su tamaño, la interacción de estas partículas con la matriz no tiene lugar a nivel atómico o molecular, y sus efectos se producen a nivel macroscópico. Las partículas restringen los movimientos de la matriz que les rodea y van a soportar una parte importante de las fuerzas que se ejercen sobre ella. Evidentemente, su efectividad aumenta con la cohesión matriz-partícula que se establezca. Las partículas pueden tener geometrías y tamaños diferentes, pero se debe tratar de que presenten la misma dimensión en todas las direcciones, para evitar orientaciones con mayor fragilidad.

Además hay que tener en cuenta que la cohesión con la matriz será mejor cuanto menor sea su tamaño y más homogénea sea su distribución. Por otra parte, se pueden modular las propiedades mecánicas del composite preparado teniendo en cuenta que, de acuerdo a la regla de las mezclas, las propiedades finales dependen del volumen relativo de ambas fases. Se preparan este tipo de composites especialmente sobre matrices metálicas y poliméricas, utilizando partículas cerámicas como refuerzo, aunque también hay materiales muy importantes con matriz cerámica. Algunos de estos materiales se vienen utilizando desde hace muchos años, caso del hormigón o el asfalto, otros por el contrario son nuevos materiales de reciente diseño, caso de los cermets. Entre los primeros ejemplos conocidos de materiales reforzados por partículas se encuentra el caucho vulcanizado reforzado por hollín. El hollín está compuesto por pequeñas partículas esféricas de carbono que se producen en la combustión incompleta de la madera o los combustibles fósiles.

La adición de este material tan barato mejora enormemente la resistencia al desgaste y al calor, así como la dureza y resistencia de los neumáticos vulcanizados. Hay que tener en cuenta que en un neumático de automóvil el porcentaje en volumen de hollín puede alcanzar el 30 %. En materiales poliméricos más caros se añaden otros reforzantes más limpios, como carbonato de calcio, esferas de vidrio y diferentes arcillas. En la industria electrónica también se utilizan ampliamente composites reforzados por partículas para lograr contactos eléctricos permanentes y seguros. Estos materiales deben presentar una buena conductividad y a la vez una gran resistencia a la erosión, para impedir que después de un número elevado de conexiones-desconexiones el contacto se desgaste y deje de ser efectivo. El material más comúnmente empleado es un composite fabricado por sinterización de partículas de wolframio y cementado con plata, de manera que se combinan la alta resistencia del primero con la excelente conductividad de la segunda.

Hormigón

El hormigón es un material compuesto particulado en el que tanto la matriz (cemento) como las partículas (grava y arena) son materiales cerámicos. Su utilización como material de construcción se basa en su dureza, bajo coste, resistencia al fuego y la posibilidad de prepararlo in situ con la forma deseada (incluso sumergido en agua). Por el contrario, presenta una deficiente resistencia a la tracción, es muy frágil y presenta dilataciones y contracciones importantes en función de los cambios de temperatura ambientales. La composición del hormigón puede variar considerablemente en función de su futura aplicación, pero en térmicos generales se puede decir que su composición en volumen es: 7-15 % de cemento, 31-51 % de partículas gruesa (grava), 24-30 % de partículas finas (arena), 14-21 % de agua y 0.5-8 % de aire. El cemento utilizado más habitualmente es el cemento Portland. La pasta que forma con el agua debe recubrir por completo las partículas agregadas para lograr una buena cohesión. Una deficiencia de agua dificulta el mezclado y se traduce en uniones deficientes entre partículas, además de impedir que el cemento se hidrate en su totalidad. Un exceso de agua favorece la porosidad, lo cual se traduce en un incremento de la fragilidad del hormigón preparado.

Por esos poros penetra el agua y, con sus variaciones de volumen en los ciclos de congelación-descongelación, contribuye a la aparición de grietas. Los agregados constituyen hasta el 80 % del hormigón, lo cual supone de entrada una reducción de los costes muy importante, pues su precio es muy inferior al del cemento. Pero no son un simple material de relleno, el entramado compacto, que se consigue mediante la adición de partículas de dos tamaños diferentes, mejora sensiblemente las propiedades mecánicas del hormigón frente a las del cemento. Las partículas utilizadas deben ser resistentes, preferentemente de formas angulares, y limpias de arcilla o cal en superficie porque estas sustancias dificultan la unión con el cemento. El tamaño de las partículas debe estar en proporción con la estructura que se va a fabricar. Conviene que la piedra utilizada sea lo más grande posible para reducir el área superficial, pero no debe superar nunca el 20 % del espesor total de la estructura.

Para hormigones ligeros se suelen utilizar escorias de fundición como agregados, por el contrario si lo que se busca es una alta densidad, por ejemplo para la construcción de paredes de reactores nucleares, se utilizan minerales ferrosos pesados. La presencia de aire ocluido es también de gran importancia para mejorar la capacidad de trabajo de los hormigones y para incrementar su resistencia a las congelaciones y deshielos. El aire que queda ocluido durante el mezclado depende en principio del tamaño de las partículas, disminuyendo con éste.

El porcentaje natural suele ser del 1-2.5 %, sin embargo puede incrementarse hasta un 8 % añadiendo materiales que favorezcan el proceso al disminuir la tensión superficial del agua. El hormigón, como todos los materiales cerámicos, se caracteriza por una mayor resistencia a la compresión que a la tensión (15 veces mayor). Por este motivo, cuando se va a utilizar en un sistema que deba soportar la tensión (una viga, por ejemplo) es preciso reforzarlo. Para este fin se colocan barras, alambres o mallas de acero (arrugado para mejorar la adherencia) en el material antes de fraguar. Este hormigón

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