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CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES
CUESTIONARIO
UNIDAD I
1.- Defina ciencia e ingeniería de materiales (CIM). Es un campo dedicado al estudio y la manipulación de la estructura y composición de los materiales a través de su síntesis y procesamiento. 2.- Cuál es la importancia del tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales? Es de mucha importancia para la CIM, debido a que es un proceso por el cual se lleva a cabo el análisis de los materiales a desarrollar, partiendo desde su composición, microestructura, procesamiento y síntesis, hasta los costos por su producción y el desempeño que ofrece, buscando siempre minimizar costos y maximizar las propiedades de desempeño. 3.- Defina los siguientes términos: a) Composición: Es el conjunto de elementos que conforman un material b) Estructura: Es el arreglo de los átomos, visualizado a diferentes niveles de detalle. c) Síntesis: Es la forma de reproducción de materiales a partir de sustancias químicas de estado natural o hechas por el hombre. d) Procesamiento: Son los pasos por los cuales se busca la mejora de un material, es decir, se generan materiales con mejores propiedades a partir de materiales útiles. e) Microestructura: Es la forma en la que está constituida la estructura de un material a nivel microscópico.
4.- Explique la diferencia entre los términos ciencia de materiales e ingeniería de materiales.
La ciencia de materiales tiene su enfoque en la relación entre la síntesis y el procesamiento, así como, la estructura y las propiedades de los materiales, mientras que la ingeniería de materiales se enfoca en las formas de transformar los materiales en dispositivos o estructuras útiles.
5.- Los innumerables materiales que existen en el mundo se pueden clasificar, principalmente, en cuatro categorías básicas. ¿Cuáles son estas categorías? ¿Cómo se llaman los materiales que son fabricados con uno o más tipos de materiales diferentes en un solo componente? Proporcione un ejemplo. Las cuatro categorías básicas de clasificación son: Metales y aleaciones, cerámicos, vidrios y vidrios cerámicos, polímeros y semiconductores, adicionalmente existe una quinta clasificación que es la de materiales compuestos. Los materiales que son fabricados con uno o más tipos de materiales diferentes en un solo componente, se llaman materiales compuestos, un ejemplo de material compuesto, es el concreto, ya que se compone de cemento, arena y carbonato de calcio (piedra caliza) que le proporcionan su dureza. 6.- Cuáles son algunas de las propiedades materiales y mecánicas, de los metales y las aleaciones? Poseen buena conductividad eléctrica y térmica, gran rigidez, ductilidad o formabilidad y resistencia al impacto, soportan cargas y esfuerzos. 7.- Qué es una cerámica? ¿Cuáles son las características que espera observar en una cerámica? Son materiales cristalinos inorgánicos resistentes y duros, pero de igual forma quebradizos, no son buenos materiales conductores de calor y para poderse fundir, primero se tienen que elevar a temperaturas muy altas, las características que se espera observar en una cerámica son: que puedan almacenar cargas, que sea aislante térmica y que sea quebradiza, pero a su vez dura y resistente. 8.- Compare los polímeros termoplásticos y termoestables con base en a) sus características mecánicas ante el calentamiento y b) sus posibles estructuras moleculares. Los materiales termoplásticos se funden ante en calentamiento, mientras que los termoestables no, así mismo, la estructura molecular de los materiales termoplásticos es de forma lineal, mientras que en los termoestables es entrecruzada, lo cual suele hacer a los materiales termoestables más quebradizos. 9.- Dé tres ejemplos de materiales compuestos que puedan fabricarse. Concreto, hormigón armado, fibra de vidrio. 10.- En el caso de cada uno de las siguientes clases de materiales, proporcione dos ejemplos específicos del uso que haga de ellos en su vida cotidiana: a) Metales:
- Fierro: material metálico que posee gran dureza y debido a sus propiedades se utiliza en las rejas de la casa para protección del hogar.
- Aluminio: material que es ligero y suele ser resistente, se utiliza en los cuchillos para la cocina debido a sus propiedades. b) Cerámicas:
- Vidrios: se utiliza en ventanas debido a sus propiedades traslucidas y su dureza.
El poliuretano por ser un polímero, posee alta resistencia a los esfuerzos de tensión según su microestructura, ya que por ser unos materiales basados en elastómeros pueden ofrecer gran soporte, además que debido a sus características ópticas se utilizan en los braquetes por ser transparentes y casi invisibles. c) Acero para rodamiento de bolas en los cubos de las bicicletas. El acero por ser una aleación con propiedades altas de dureza, así como capaz de soportar grandez fuerzas, se utiliza en los rodamientos debido a su gran resistencia al desgaste y su alta dureza. d) Tereflalato de poliuretano para botellas de agua. El Tereflalato de poliuretano, mejor conocido como PET, suele ser un material altamente resistente al desgaste y la corrosión, posee gran resistencia térmica, además de que suele ser reciclable, estas son unas de las principales propiedades de este material y por las cuales es utilizado en las botellas. e) Vidrio para botellas de vino. El vidrio se utiliza en las botellas de vino debido a que es un material duro y suele ser adecuado para resguardar líquidos que no son alterados por la incidencia de luz, además de que no produce cambios en las características del vino que contiene, son estas algunas de las propiedades mas importantes que posee este material perteneciente a los cerámicos. 13.- ¿Qué propiedades debe considerar un ingeniero cuando tiene que seleccionar los materiales para remplazar una rodilla por deterioro de la articulación con una prótesis artificial? Las principales propiedades a considerar son, alta resistencia al desgaste y a la fricción, que posea cierto grado de ductilidad y elasticidad, pero a la vez que sea rígido, la parte elástica, para reemplazar el cartílago y la parte rígida, para reemplazar el daño generado en el hueso, pero, sobre todo, que deben ser materiales no invasivos, es decir que no generen efectos adversos en el cuerpo humano. 14.- Escriba un párrafo acerca de las razones por las cuales el silicio monocristalino es, en la actualidad, el material que más se usa para aplicaciones microelectrónicas. Escriba un segundo párrafo acerca de las alternativas potenciales al silicio monocristalino para aplicaciones de celdas solares. Elabore una lista de las referencias o sitios web que utilice. Debe presentar por lo menos tres referencias. El silicio monocristalino es un material libre de grano, es decir, suele presentarse como un solo cristal y las propiedades que lo caracterizan son que es un semiconductor, posee gran dureza, y puede conducir la corriente según sea su excitación, en la microelectrónica es muy aplicado este material debido a la continuidad hallada en su microestructura. En lo que cabe a las celdas solares, existe una infinidad de aplicaciones para el silicio monocristalino, dada su capacidad para poder actuar como un material fotovoltaico, en el cual mediante el ingreso de los fotones en su estructura atómica, estos permiten el desplazamiento de los electrones generando así un flujo de corriente, en la actualidad dicho material es de suma importancia para la aplicación en los paneles solares, sin embargo su capacidad de generar energía va en función de las impurezas que este material posea entre otros factores que pueden afectar. Las referencias utilizadas son las siguientes:
http://www.ai.org.mx/ai/archivos/ingresos/pedroza/trabajo_final.pdf
https://www.insst.es/documents/94886/161971/Cap%C3%ADtulo+83.+Microelectr
%C3%B3nica+y+semiconductores
http://www.inet.edu.ar/wp-content/uploads/2012/11/silicio.pdf
15.- Los resortes helicoidales deben ser muy resistentes y rígidos. El Si3N4 es un material resistente y rígido. ¿Lo seleccionaría para un resorte? Explique su respuesta. En lo que respecta al Si3N4 (nitrito de silicona) no se considera buen material para la elaboración de resortes helicoidales debido a que es un material con un grado de dureza muy alto, a comparación de los metales que son usados para estos resortes, lo cual recae en la fragilidad ya que el Si3N4 suele ser más frágil, así mismo presenta menor ductilidad y su proceso para la elaboración de los resortes con este material, resulta ser más caro. 16.- En ocasiones, los indicadores de temperatura se producen a partir de una tira de metal enrollada que se desenrolla una cantidad específica cuando aumenta la temperatura. ¿Cómo funciona; con qué tipo de material se debe fabricar el indicador y cuáles son las propiedades importantes que debe poseer el material que constituye el indicador? Los indicadores de temperatura funcionan mediante un proceso de dilatación térmica o de contracción según sea la diferencia de temperatura, este tipo de indicadores se producen con materiales tipo bimetálicos, cuyos cuales deben poseer diferente coeficiente de expansión térmica, ya que al aumentar la temperatura, el material que esta enrollado se somete a una dilatación, lo cual produce que se desenrolle, al ser sometido a una temperatura menor, el material tiene la capacidad de contraerse y regresar a su forma original, esto gracias a las características de los dos metales componentes. 17.- ¿Cuál es el propósito de la clasificación funcional de los materiales? Conocer la función mas importante que desempeñan los distintos materiales y facilitar su aplicación de acorde a sus propiedades. 18.- Explique las diferencias que existen entre los materiales cristalinos y los amorfos. Proporcione un ejemplo de cada uno en la vida cotidiana. La diferencia entre un material cristalino y uno amorfo renace en su estructura, ya que un material cristalino contiene una ordenación de los átomos a largo alcance, mientras que los materiales amorfos no poseen un arreglo regular y periódico de los átomos, es decir, la distancia entre los átomos que componen a los materiales amorfos, no es constante ya que no se sabe a que distancia se encontrará el siguiente átomo. En los materiales amorfos se puede incluir el algodón de azúcar, mientras que en los cristalinos los cristales de azúcar. 19.- ¿Cómo determinaría si un material es cristalino o amorfo? Mediante su estructura y la separación u ordenamiento de los átomos. 20.- Enumere seis problemas de desempeño de los materiales que pueden provocar fallas de los componentes.
- Exposición a altas temperaturas
- Exposición a bajas temperaturas
- Corrosión
- Esfuerzos cíclicos
24.- El tipo de motor a reacción que usan la mayoría de los grandes aviones comerciales se llama motor jet de turboventilador, ya que cuenta con una gran rueda en la parte delantera que impulsa el aire hacia atrás. La mayor parte de este aire pasa por el motor y aumenta significativamente su empuje y eficiencia. Algunos fabricantes usan materiales compuestos de fibra de carbono-epoxi en lugar de láminas de aluminio tradicionales. a) ¿Cuáles propiedades de los materiales debería considerar un ingeniero cuando tiene que elegir el material para esta aplicación? El diseño de los materiales para los motores a reacción de un avión debe de considerar materiales ligeros, resistentes a las fuerzas, que reduzcan el consumo de combustible y que sean resistentes a las diferencias de temperatura, estas son algunas de las propiedades mas importantes que se deben de tener en cuenta. b) ¿Qué beneficios tiene la fibra de carbono epoxi en comparación con las aleaciones de aluminio? La fibra de carbono es más rígida que el aluminio, más ligera, más sencilla de maquinar y sobre todo ofrece mayor resistencia y durabilidad. c) ¿Qué limitaciones o desventajas potenciales tiene usar un compuesto de fibra de carbono- epoxi? Una de las desventajas más importantes para la utilización de las fibras de carbono-epoxi, son los altos costos de producción. 25.- Usted es un ingeniero que trabaja para una fábrica de turbinas de gas en tierra, las cuales son similares a las de los motores de los aviones, pero se emplean en tierra para generar electricidad y aplicaciones de tuberías de compresión de gas. Suponga que desea aplicar un recubrimiento de barrera térmica a base de cerámica a los álabes de la turbina, en la turbina de primera etapa, para aumentar la temperatura de funcionamiento y la eficiencia del motor. a) ¿Qué dificultades podrían encontrar los ingenieros si diseñan un revestimiento cerámico que se aplicará a una hoja de superaleación de metal? Las altas temperaturas de fusión y que suelen ser quebradizas, estas serían dos dificultades principales que se presentarían al utilizar los materiales cerámicos para el recubrimiento de la superaleación. b) ¿Cuáles propiedades debe considerar cuando tiene que elegir una cerámica para recubrimiento? Resistencia a los esfuerzos, rigidez, alta resistencias a las fuerzas de compresión, que no se corra el riesgo de fisuras ya que las cerámicas son quebradizas. 26.- Nos gustaría fabricar un techo transparente para una aeronave. Si tuviéramos que usar una cubierta tradicional de vidrio, las rocas o las aves podrían romperla. Diseñe un material que minimice el daño o, al menos, impida que el techo se rompa en pedazos. En este caso yo usaría un material parecido al vidrio reforzado de las ventanas, con una estructura de fibra de vidrio, metales y resinas epoxi, además de eso añadiría un poco de ductilidad agregando un material polímero ya que por su elasticidad podría ofrecer cierto grado de deformación.
27.- Se tiene que diseñar un avión que puede volar con energía humana sin detenerse durante 30 km. ¿Qué tipos de propiedades materiales recomendaría? ¿Qué materiales podrían ser adecuados? Las propiedades de materiales que recomendaría serian: dureza, rigidez, alta resistencia a las fuerzas de compresión y a los esfuerzos, pero sobre todo que sean materiales ligeros, en los materiales que considero podrían ser adecuados estaría el aluminio o la fibra de carbono- epoxi, así como el vidrio reforzado para los ventanales y algunas aleaciones como el aluminio y el carbono para la estructura. 28.- Desea poner en órbita un microsatélite de 3 pies de diámetro. El aparato contendrá equipo electrónico delicado que enviará y recibirá señales de radio desde la Tierra. Diseñe la coraza externa que contendrá el equipo electrónico. ¿Qué propiedades requerirá y qué tipo de materiales debería considerar? Dentro de las propiedades que se requerirán se encuentran que el material debe ser ligero, resistente a las diferencias de temperatura de manera extrema, que permita la transmisión de datos, resistente al impacto y a la presión, resistente a la radiación y a las vibraciones, los materiales que se deberían utilizar, son el titanio, las fibras de carbono, el aluminio y algún material isotrópico. 29.- ¿Qué propiedades debe poseer la cabeza de un martillo de carpintero? ¿Cómo fabricaría una cabeza de martillo? La cabeza de un martillo debe ser duro, resistente a los impactos, resistente a las deformaciones, resistente a la corrosión y con cierto grado de ligereza. Para la fabricación de una cabeza de martillo utilizaría una aleación del aluminio por su ligereza, reforzado con fibras de acero para proporcionarle mayor dureza. 30.- Desea seleccionar un material para los contactos eléctricos de un dispositivo de conmutación eléctrica que se abre y cierra con frecuencia y a la fuerza. ¿Qué propiedades debe poseer el material del contacto? ¿Qué tipo de material podría recomendar? ¿Sería el Al2O3 una buena elección? Explique su respuesta. El material de contacto debe ser un buen conductor de corriente, así mismo debe poseer alta resistencia a los impactos y a las altas temperaturas, debe ser duradero y rígido, en lo que respecta al material que me parecería adecuado sería el aluminio reforzado, ya que por ser un material reforzado ofrece gran dureza y resistencia a los impactos, además de ser un buen conductor el aluminio y sobre todo, soportar grandes pasos de corriente, sin embargo, el AL2O3 o mejor conocido como alúmina no considero sea buena elección debido a que su aplicación normalmente es como aislante eléctrico, lo cual no sería adecuado para este caso. 31.- El aluminio tiene una densidad de 2.7 g/cm3. Suponga que desea producir un material compuesto que incluya aluminio con una densidad de 1.5 g/cm3. Diseñe un material que tenga esta densidad. ¿Sería una posibilidad introducir en el aluminio gránulos de polietileno con una densidad de 0.95 g/cm3? Explique su respuesta. En la producción de un material con una densidad de 1.5 g/cm3 se tendría que usar un material con una densidad considerablemente menor a esta, sin embargo, en el ejemplo que
35.- Investigue los orígenes y aplicaciones de un material que ha sido inventado o descubierto después que usted nació o el desarrollo de un producto o tecnología que haya sido inventado después de su nacimiento, gracias al uso de un material nuevo. Escriba un párrafo acerca de este material o producto. Elabore una lista de las referencias o sitios web que utilice. Debe señalar, por lo menos, tres referencias. En base al material seleccionado es el carbono, sin embargo son los nanotubos de carbono lo que me ha interesado, a pesar de que los nanotubos de carbono fueron visualizados en una imagen en 1952, no fue sino hasta 1993 cuando fue descubierto el primer nanotubo monocapa, hasta el año 2000 se inician las investigaciones de su uso industrial, los nanotubos de carbono tiene propiedades inigualables, ya que por ser un material altamente resistente y duro se demostró que tiene propiedades mayores que las del diamante en resistencia debido a su microestructura, su aplicación en el sector industria ha ido abriéndose paso desde la industria automotriz, hasta la fabricación de satélites o la planeación de proyectos de transbordadores espaciales. http://www.cienciacierta.uadec.mx/2017/12/22/aplicaciones-de-nanotubos-de-carbono/ http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1870- https://es.wikipedia.org/wiki/Nanotubo PROBLEMAS KNOVEL 1.- Convierta 7,750 kg/m a g/l utilizando el convertidor de unidades. El resultado es 7,750 g/l 1.1.- Con ayuda de la tabla periódica, determine el peso atómico del magnesio En la tabla periódica de Knovel indica que el peso atómico del Mg es 24. 1.2.- ¿Cuál es el nombre de la sección 4 de Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (séptima edición)? El nombre de esta sección es THERMODYNAMICS 1.3.- Encuentre el título de un libro que abarque los fundamentos de la química además de contener tablas interactivas de información química. Analytical Chemistry es un libro propuesto 2.- Por medio de la opción de búsqueda básica en Knovel, encuentre toda la información posible, física y termodinámica, asociada con el nitrato de amonio. ¿Qué aplicaciones tiene esta sustancia química?
De acorde a sus propiedades, el nitrato de amonio es utilizado en la botánica como fertilizante, y en la creación de explosivos debido a sus propiedades térmicas. 2.1.- Mediante una búsqueda básica, encuentre la fórmula para determinar el volumen de una esfera y un cilindro. Volumen del cilindro (V = πRR2Rh) y volumen de la esfera (V = 4/3RπRR^3 ) 2.2.- Busque información que le permita elaborar una lista de cinco sustancias químicas con un punto de ebullición de entre 300 y 400 K. Entre los que se encuentran en este rango podemos ver el Bromo, el agua, el alcohol, la acetona y el hexano Para las siguientes preguntas me solicitaba una cuenta, sin embargo no me dejaba registrarme en Knovel debido a que me marcaba error y no me pude registrar, por lo cuál no me permitió usar las gráficas y las demás aplicaciones de Knovel.
