ESTRUCTURA CRISTALINA

SINTESIS DE LOS MATERIALES

Ciencias De Los Materiales

21/11/2013

CARLOS JASSO FLORES 1486777

JUEVES M4-M6

ESTRUCTURA CRISTALINA

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada cristalinidad de un material.

PARAMETRO DE RED

El parámetro de red hace referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias en una estructura cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente tienen tres parámetros de red, a,b y c. Sin embargo, en el caso especial de redes cúbicas, todos los parámetros son iguales, con lo cual nos referimos a ellos como a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros a y b son iguales, por lo que únicamente consideraremos a y c.

En el crecimiento epitaxial, el parámetro de red es una medición de la compatibilidad estructural entre diferentes materiales.

Ya que los parámetros de red tienen dimensiones de longitud, su unidad en el sistema internacional es el metro. No obstante, suelen darse en submúltiplos como el nanómetro o el angstrom.

La coincidencia de parámetros de red es importante para hacer crecer capas finas de unos materiales sobre otros; cuando estos parámetros son diferentes se forman irregularidades en la capa y se hace imposible hacer crecer nuevas capas sin defectos.

La coincidencia de parámetros de red entre dos materiales semiconductores permite formar una región con un ancho de banda prohibida distinto sin variar la red cristalina. De este modo se construyen LEDs ydiodos láser.

Por ejemplo, el GaAs, el AlGaAs y el AlAs tienen parámetros de red casi idénticos, haciendo posible crecer capas de cualquier grosor unas encima de otras.

Los parámetros de red pueden ser medidos mediante difracción por rayos X.

SISTEMA CRISTALINO

Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados o ejes del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen siete sistemas cristalinos:

Sistema cristalino Ejes Angulos entre ejes

Cúbico

a = b = c α = β = γ = 90°

Tetragonal

a = b ≠ c α = β = γ = 90°

Ortorrómbico

a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90°

Hexagonal

a = b ≠ c α = β = 90°; γ = 120°

Trigonal (o Romboédrica)

a = b = c α = β = γ ≠ 90°

Monoclínico

a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90°; β ≠ 90°

Triclínico

a ≠ b ≠ c ≠ a α ≠ β ≠ γ

α, β, γ ≠ 90°

PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES

METALES

Los minerales de los metales –excepto el oro y una pequeña parte de nuestra provisión de cobre y de plata- no están como fases metálicas. Lo más común es que sean óxidos. Aunque también pueden ser sulfuros: sulfuros de cobre, plata, plomo y zinc son fuentes importantes de esos metales. En ambos casos el metal debe ser extraído de su mineral. Aun cuando el mineral es un sulfuro (MS, donde M es el ión y S el ión sulfuro), es común que primero se oxide el metal convirtiéndolo en MO, es decir un óxido. De esta forma el primer paso en la extracción es la reducción, en la cual los iones metálicos positivos M2+, son transformados a los tomos metálicos, M:

La facilidad con la que ocurre esta reducción varía de metal a metal. El óxido de plomo se reduce fácilmente a plomo metálico, mientras que se requiere una gran cantidad de energía para efectuar la reducción de alúmina (Al2 O3). Una medida de la estabilidad de los óxidos de la cantidad de energía que se requiere para la extracción, se obtiene de la energía de formación "libre" de los diversos óxidos. Estas son las energías de reacción que se liberan cuando el metal es quemado para formar el óxido (por lo tanto, cantidades negativas). La misma cantidad de energía se requiere para separar el oxigeno del metal (por lo tanto, cantidades positivas).

Refinación.

La mayoría de los metales, aun cuando pasan por un proceso de reducción para eliminar el oxígeno, no son lo suficientemente puros para uso comercial; deben ser refinados. Esto se ilustra con un aluminio en mineral que contiene algo de hierro, y puesto que el hierro se reduce más fácilmente que el aluminio, cualquier cantidad de hierro en el mineral aparecerá también en el metal. De manera similar, una cierta porción del silicio o del fósforo en un mineral de hierro aparece en el hierro metálico que es extraído, debido a que estos elementos son reducidos en forma parcial junto con el hierro. Por regla general, estas impurezas son indeseables; por lo tanto deben ser eliminadas.

Nuevamente, para lograr lo anterior existe una gran variedad de procesos metalúrgicos disponibles. Describiremos solamente uno de ellos, el proceso de oxígeno básico, el cual es relativamente nuevo. Supongamos que tenemos hierro en estado fundido conteniendo 2%p de silicio y 3.5%p de carbono. La composición dada es correcta si queremos usar el metal para ciertas fundiciones de hierro, pero debemos bajar los contenidos de silicio y carbono si va a ser usada en aceros de baja aleación. Invariablemente se usará oxígeno para separar selectivamente esas dos impurezas. Debe anotarse, sin embargo, que no se podrá tener una simple reversión de la reducción inicial que antes describimos, puesto que el hierro se oxidaría junto con el silicio y el carbono. En términos sencillos, usamos una escoria rica en CaO debido a que posee una gran afinidad para el SiO2 que se forma es desactivado por el CaO en la escoria. La oxidación del carbono produce CO y CO2 productos que salen del horno en forma de gases. Aunque algo de hierro puede oxidarse y disolverse en la escoria, esta pérdida puede minimizarse con un control adecuado de la temperatura y del tiempo.

Fundición.

El paso final en la producción de un metal es el solidificarlo en una lingotera, o moldearlo directamente en la forma deseada. Un lingote es simplemente una masa alargada y solidificada de metal que puede, subsecuentemente, ser deformada mecánicamente por laminado o forjado.

Una de las principales consideraciones técnicas al hacer una fundición es el hecho de que el volumen se reduce cuando el metal cambia de líquido a sólido. Con muy raras excepciones –por ejemplo el metal para "tipos", usados en las imprentas- la solidificación se ve acompañada de una contracción. Por esta razón una reserva, usualmente llamada cabeza de alimentación, debe encontrarse dispuesta en la colada de manera que alimente material fundido adicional dentro del molde mientras que ésta se enfría (solidificación). También se debe tener cuidado que los canales de alimentación no se solidifiquen y que obstruyan el flujo del metal fundido hacia las partes mayores que aún no se estén solidificando. El metalurgista puede compensar parcialmente este problema usando enfriadores, o amortiguadores de calor en las partes cercanas a las secciones más grandes de la fundición, incrementando así la velocidad de enfriamiento en esas zonas. Un sistema de fundición, para obtener resultados satisfactorios, debe ser diseñado por una persona con considerable conocimiento técnico y una amplia experiencia.

PROCESADOS DE LOS CERÁMICOS

La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en materiales que se calientan posterior mente a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son:

1. preparación del material.

2. moldeado o colada;

3. tratamiento térmico del secado y orneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

PREPARACION DE MATERIALES

La mayoría de los productos en tan fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas de estos productos varían dependiendo de las propiedades requerida de la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes pueden ser mesclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas , tales como los ladrillos comunes y tubería para alcantarillado

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