Aplicaciones de ingeniería de materiales

1.- Diseño de un termistor
Un termistor es un dispositivo que se utiliza para indicar la temperatura, aprovechando el cambio en la conductividad eléctrica al modificarse la temperatura. Diseñe un material que pudiera servir como termistor en el rango de temperatura de 500 °C a 1.000 °C.
SOLUCIÓN
Deben satisfacerse dos requisitos de diseño: primero, deberá seleccionarse un material con altopunto de fusión; segundo, la conductividad eléctrica del material debe ser sensible a los cambios de temperatura. Pueden resultar adecuados materiales con enlace covalente. A menudo tienen altas temperaturas de fusión y, conforme aumenta la temperatura se van rompiendo enlaces covalentes aumentando el número de electrones disponibles para transportar cargas eléctricas. El silicio semiconductor esuna posibilidad: funde a 1.410 °C y está enlazado de manera covalente. Una cierta cantidad de materiales cerámicos también tienen altos puntos de fusión y se comportan como los semiconductores. Los polímeros no serían adecuados, aun cuando el enlace principal sea covalente, debido a su relativamente baja temperatura de fusión o de descomposición.
El enlace iónico. Cuando en un material seencuentran presentes más de un tipo de átomos, uno de ellos puede donar uno o varios electrones de valencia a otro, llenando la capa electrónica más externa del segundo átomo. Ambos átomos ahora tendrán su nivel de energía externo lleno (o vacío), y a la vez han adquirido carga eléctrica y se comportan como iones. El átomo que cede los electrones queda con carga neta positiva y es un catión; en tantoque el que acepta los electrones adquiere carga neta negativa y es un anión. Los iones de carga opuesta se atraen entonces el uno al otro y producen un enlace iónico. Por ejemplo, la atracción entre iones de sodio y cloro (figura 2.9) produce el cloruro de sodio (NaCl) o sal de mesa. La fuerza de atracción entre iones de distinto signo es tan intensa (ley de Coulomb) que la formación de paresiónicos —constituidos sólo por





FIGURA 2.9. Se crea un enlace iónico entre dos átomos distintos con electronegatividades diferentes. Cuando el sodio dona su electrón de valencia al cloro, cada uno se convierte en un ion; la atracción ocurre y se forma el enlace iónico.
dos iones— sólo es posible en fase gaseosa. A temperaturas relativamente bajas, las fuerzas de atracción culómbicas, que seextienden en el espacio varios diámetros atómicos, producen que los iones formen cristales sólidos constituidos por muchos iones ordenados en posiciones fijas. En el caso de la sal común, la fórmula química NaCl sólo indica la proporción de iones en el cristal y no que existan parejas de iones NaCl. La conductividad eléctrica es mala; la carga eléctrica se transfiere mediante el movimiento deiones completos (figura 2.10) que, por su tamaño, no se desplazan tan fácilmente como los electrones.

FIGURA 2.10. Cuando a un material iónico se le aplica voltaje, deben moverse iones completos para que fluya una corriente. El movimiento iónico es lento y la conductividad eléctrica es baja.


3.- Diseño de un brazo para transbordador espacial
El transbordador espacial tiene un brazomanipulador largo que permite a los astronautas lanzar y recuperar satélites. Diseñe un material adecuado para este dispositivo.
SOLUCIÓN
Veamos dos de las muchas consideraciones de diseño. En primer término, el material debe ser rígido, de manera que ocurra poca deformación al aplicar una carga; esta característica ayuda a que el operador maniobre el brazo manipulador con precisión. Generalmente,materiales con enlaces fuertes y punto de fusión altos tienen también un módulo de elasticidad, es decir, de rigidez, elevado. En segundo término, el material debe ser ligero para permitir que en órbita se pueda llevar el máximo de carga; por lo que se desea una densidad baja.
Se obtiene una rigidez aceptable a partir de metales de punto de fusión alto (como el berilio y el wolframio), de los...