Material

Dos materials diferents, comparats de manera macroscòpica, microscòpica i nanoscòpica respectivament, d'esquerra dreta

Un material és una substància amb estructura i propietats homogènies que s'utilitza per a la fabricació de productes, incloent-hi habitatge, transport, vestits, comunicacions, alimentació, lleure i altres.

Un material pot ser un element químic d’un grau de puresa determinat, com ara el silici per a l’electrònica; un compost químic com el polipropilè, un agregat (aglomerat, compòsit); una suspensió col·loidal, per exemple el ferrofluid; una solució sòlida com el llautó (un aliatge), etc., i pot ser definit també pel procés d’obtenció (electroquímic, sinteritzat) o per les aplicacions (material de construcció, biomaterial).

Des de l'antiguitat existeixen materials compostos que uneixen les propietats de dues o més substàncies, amb la qual cosa s'aconsegueix un material que té les propietats de dos elements. Hi ha també materials usats des de molt antic que es troben a la natura, com la pedra, la fusta, l'argila i el cuir; i de fet les primeres grans civilitzacions de la prehistòria es coneixen amb el nom del material més emprat, per exemple edat de pedra, edat de ferro o edat del bronze. Altres grans grups de materials sòlids són els metàl·lics, els polímers (popularment, plàstics), els ceràmics (inclouen en vidre) i els semiconductors.

La invenció de materials, un aspecte essencial del progrés tècnic des de la revolució neolítica, si més no, esdevé sistemàtica a partir de la Segona Guerra Mundial i s’intensifica encara dels anys vuitanta del segle xx ençà. Molts materials són el resultat d’haver estudiat les propietats d’una nova espècie química o d’una nova mescla i d’haver trobat que satisfeien una necessitat social, però cada cop més té lloc el procés invers, que se'n pot dir d’invenció a mida: primer de tot hi ha la definició a priori de les propietats que ha de tenir un material inexistent perquè acompleixi una funció determinada; i en segon lloc ve la recerca empírica, fins a trobar un material amb les propietats preestablertes (pes específic, resistència als esforços, comportament tèrmic, elèctric, etc.). Actualment, hom disposa de l'ordre de desenes de milers de materials, naturals o desenvolupats artificialment, i les noves tecnologies de materials en creen de nous contínuament.

Propietats

La incandescència és una propietat d'alguns materials que es pot observar a simple vista.

Cada material té unes propietats que el diferencien de la resta i que determinen allò que se'n pot fer. Les propietats més importants dels materials sòlids es poden agrupar en grans categories: propietats mecàniques, elèctriques, tèrmiques, magnètiques, òptiques i químiques.

Les propietats mecàniques tenen a veure amb la conservació de les dimensions del sòlid rígid, amb la relació dels esforços exteriors al sòlid i els esforços interns, així com la relació entre deformacions i determinats tipus d'esforços. Exemples de propietats mecàniques: Resistència a esforços, duresa, tenacitat i plasticitat. Moltes d'elles es mesuren amb "assajos" o proves normatives amb sòlids del material a estudiar.

El diamant presenta la duresa més gran de tots els materials i s'empra, en pols, en maquinària per perforar. Les seves propietats òptiques també són de gran valor en joieria.

Les propietats elèctriques es refereixen al comportament de diferents materials respecte a la mobilitat de càrregues pel seu interior. En són exemples la conductivitat elèctrica, la resistivitat i la impedància. Algunes d'elles es mesuren directament amb aparells de mesura tradicionals com l'amperímetre, voltímetre i ohmímetre.

Les propietats tèrmiques són propietats que influeixen en el comportament tèrmic o termodinàmic d'un material. Exemples: Conductivitat tèrmica, calor específica, punts de canvi d'estat.

Les propietats magnètiques estan relacionades amb la reacció d'un material front a camps magnètics. També amb la creació d'un camp magnètic propi de manera natural. Exemples: Permeabilitat magnètica, resiliència magnètica, ferromagnetisme.

Les propietats òptiques influeixen en l'absorció i transmissió d'ones electromagnètiques de l'espectre visible.

Les propietats químiques iInflueixen en el comportament d'un material a l'hora de reaccionar amb altres substàncies, de forma que hi hagin canvis en els enllaços moleculars.

Classificació dels materials

Els materials es poden classificar en naturals o artificials, en sòlids i no-sòlids, els sòlids en simples o compostos, i els sòlids simples en metàl·lics, ceràmics i polímers. Els materials es classifiquen segons la seva composició en tres tipus bàsics: metalls, ceràmiques i polímers, i a vegades se'n considera un quart grup com és els compòsits.

Metalls

Enllaç metàl·lic. En vermell els cations de l'element químic, amb posició ordenada i fixa entre ells, i en blau els electrons de valència, que es mouen lliurement entre els buits que queden entre els cations.

Retalls de planxa de coure, un metall de color vermellós.

Els materials metàl·lics són metalls (ferro, coure, alumini...) o combinacions d'elements químics metàl·lics (acer, llautó, zamak...). Les seves propietats són degudes a les característiques de l'enllaç metàl·lic. En aquest tipus d'enllaç químic, els àtoms s'ionitzen formant cations i els electrons de valència que perden queden deslocalitzats, és a dir, que són "compartits", sense pertànyer realment a cap àtom en concret. Acostumen a ser bons conductors de la calor i l'electricitat, presenten una lluïssor típica (lluïssor metàl·lica) quan estan polits, són opacs, deformables i resistents.

Les propietats mecàniques dels metalls, com la duresa, la capacitat de resistir tensions repetides (resistència a la fatiga), la ductilitat i la mal·leabilitat, sovint s'atribueixen a defectes o imperfeccions en la seva estructura cristal·lina. L'absència d'una capa d'àtoms en la seva estructura densa, per exemple, permet que un metall es deformi plàsticament i evita que sigui fràgil.

Ceràmiques

Exemple d'estructura cristal·lina d'un material ceràmic, carbur de titani TiC.

Ceràmica transparent.

Els materials ceràmics són composts inorgànics no metàl·lics, incloent-hi minerals d'argila, el marbre, el granit, vidre i ciment. Són compostos químics formats per grups no-metàl·lics (òxids, nitrurs i carburs) amb elements químics metàl·lics (metalls). La seva estructura ja no té els electrons voltant lliurement entre tots els àtoms i, per tant, la conductivitat elèctrica i calorífica és menor que als metalls. La seva estructura fa que siguin materials durs, difícilment deformables, i fràgils, que es trenquen amb facilitat.

Els materials ceràmics es divideixen en dos grups segons com s'han obtingut:

• Ceràmiques tradicionals: són les obtingudes a partir de materials naturals (argila, sílice i feldespats).
• Ceràmiques tècniques: són aquelles que duen en la seva composició materials sintètics.

Escut tèrmic de ceràmica de la nau espacial Orió recuperat després d'un llançament de prova.

Les propietats millors de les ceràmiques són la duresa, el poder aïllador tèrmic i elèctric, i una resistència a les altes temperatures i a l’atac químic més gran, en general, que la dels metalls i els polímers. La raó d’aquestes propietats hom les troba en els electrons dels àtoms dels metalls i els no-metalls que les componen. En els metalls, per exemple, els electrons més externs deixen de pertànyer al metall i són cedits als àtoms de no-metalls, que els immobilitzen, cosa que explica el poder aïllador dels materials ceràmics. Així, la porcellana elèctrica o l’esteatita es fan servir com a aïllants industrials i s'empren en la fabricació de condensadors. Amb tot, algunes ceràmiques tenen propietats semiconductores (la conductivitat elèctrica es pot controlar mitjançant dissolucions sòlides de diferents òxids metàl·lics). Són materials ceràmics els principals materials piezoelèctrics, com ara les ceràmiques PZT (de plom, zirconi i titani), i, més important encara, alguns materials ceràmics són superconductors. De fet, el pas de materials metàl·lics a ceràmics ha permès pujar la temperatura crítica màxima des d’unes poques desenes de kelvins fins a la temperatura del nitrogen líquid ( –195,8 °C).

Amb relació a les propietats mecàniques, s’intenta millorar la baixa tenacitat i la fragilitat de les ceràmiques a partir de processos de conformat a elevada pressió. Algunes, com la zircònia ZrO₂, es fan servir per la seva capacitat d’absorbir l’energia d’un xoc; això s’aconsegueix utilitzant l’energia per a modificar-ne l’estructura cristal·lina. Pel que fa a la duresa, materials com la zircònia i el carbur de silici SiC s’empren com a abrasius. En quan a les propietats tèrmiques, moltes de les ceràmiques són excel·lents aïllants tèrmics; la major part dels refractaris industrials es fan amb barreges d’elements ceràmics. Els refractaris amb propietats àcides o bàsiques s’utilitzen com a recobriments en diferents tipus de forns metal·lúrgics. Els que aguanten temperatures més extremes s’usen per a escuts tèrmics de naus espacials.

Estructura química d'un polímer, el poliestirè.

Polímers

Els pneumàtics estan fabricats amb cautxú, un polímer.

Els polímers són compostos orgànics formats per llargues molècules basades en cadenes d'àtoms de carboni, hidrogen i altres elements químics no-metalls. Inclouen tots els plàstics i el cautxú, per exemple. Es poden obtenir a partir del petroli. Per la seva estructura són molt flexibles i de poca densitat. Per les seves propietats es divideixen en termoplàstics i termoestables.

El poliestirè expandit és un material polimèric molt poc dens que absorbeix molt bé els cops i s'empra per protegir objectes.

Els polímers poden classificar-se en orgànics o inorgànics, segons que continguin o no carboni a la cadena principal. Els polímers orgànics poden ser naturals o sintètics. Entre els naturals són importants els polisacàrids, els polipèptids el poliisoprè, principal constituent del cautxú natural i de la gutaperxa. Pel que fa als sintètics, en són coneguts una gran varietat que, d’acord amb llur aplicació, solen ser classificats en adhesius, fibres, pintures, plàstics elastòmers.

Les silicones són polímers.

Atenent el tipus de reacció que intervé en llur obtenció, solen ser subdividits en polímers d’addició i polímers de condensació. Des d’un punt de vista estructural, i d’acord amb la forma de la cadena principal, poden ser lineals, ramificats o entrecreuats, fent referència aquest darrer terme als casos en què diferents cadenes s’uneixen entre elles constituint una xarxa. Des d’un punt de vista estereoquímic, la presència en l’esquelet de la molècula polimèrica d’àtoms de carboni asimètrics fa possibles diverses ordenacions configuracionals (tacticitat), i hom anomena tàctics els polímers que tenen una ordenació regular i atàctics els que la tenen aleatòria. Els polímers tàctics poden alhora classificar-se en isotàctics, quan tots els àtoms de carboni tenen la mateixa configuració, d o l, i sindiotàctics, quan existeix una alternança regular en la cadena. Des d’un punt de vista constitutiu, els polímers en què existeix un tipus únic de monòmer són coneguts com a homopolímers els que en contenen dos o més tipus, com a copolímers.

Materials compostos

Compòsit format per capes de diferents materials.

Fibra de carboni, un compòsit.

Els materials compostos, o compòsits, són material sòlid que resulten de la combinació de dos o més materials diferents (metall, ceràmic o polímer), cadascuna amb les seves pròpies característiques, per crear un nou material amb propietats superiors a les dels components originals en una aplicació específica. El terme compòsit es refereix més específicament a un material estructural (com el plàstic) dins del qual s'incrusta un material fibrós (com el carbur de silici).

Les propietats més destacades dels compòsits s'aconsegueixen mitjançant la incrustació de fibres d'una substància en una matriu hoste d'una altra. Tot i que el valor estructural d'un feix de fibres és baix, la resistència de les fibres individuals es pot aprofitar si s'incrusten en una matriu que actua com a adhesiu, unint les fibres i donant solidesa al material. Les fibres rígides confereixen resistència estructural al compost, mentre que la matriu protegeix les fibres de l'estrès ambiental i els danys físics i els confereix estabilitat tèrmica. La combinació fibra-matriu també redueix el potencial d'una fractura completa; si una fibra falla, l'esquerda pot no estendre's a altres fibres, mentre que una esquerda que comença en un material monolític (o únic) generalment continua propagant-se fins que aquest material falla.

La majoria dels compòsits convencionals s'assemblen al contraplacat, ja que estan construïts en capes primes, cadascuna de les quals està reforçada per fibres llargues disposades en una sola direcció. Aquests materials presenten una resistència millorada només al llarg de la direcció de les fibres. Per produir materials compostos que siguin resistents en totes direccions, les fibres es teixeixen en una estructura tridimensional en què es troben al llarg de tres eixos mútuament perpendiculars.

Raqueta de tenis i pilota. Les raquetes emprades pels esportistes d'alt nivell es fabriquen amb compòsits.

El component estructural d'un compost pot consistir en fibres de vidre o carboni-grafit, "bigotis" més curts fets de carbur de silici o òxid d'alumini, o filaments de tungstè-bor més llargs. El material matriu pot ser una resina epoxi o un altre plàstic d'alta temperatura, alumini o algun altre metall, o una ceràmica com el nitrur de silici. El plàstic reforçat amb fibra de vidre és el compost més conegut i ha trobat una àmplia aplicació tant en articles per a la llar com en productes industrials. Els compostos són de gran ús en la indústria aeroespacial, però, on la seva rigidesa, lleugeresa i resistència a la calor els converteixen en els materials preferits per reforçar els capons dels motors, les ales, les portes i els flaps dels avions. Els compòsits també s'utilitzen en raquetes i altres equips esportius, en eines de tall i en certes parts dels motors d'automòbils.

Assajos de materials

Per quantificar el comportament dels materials respecte d'alguna propietat cal sotmetre'ls a proves o assajos específics per cada propietat. Els assajos són procediments normalitzats que permeten conèixer i mesurar les propietats dels materials, els defectes dels productes elaborats i la resposta que presenten en determinades condicions de treball.

Bibliografia

Viccionari

• Pere Molera i Solà; Marc J. Anglada i Gomila (versió anglesa original: W.D. Callister); Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Llibre I, Edicions Reverté, 1995, ISBN 84-291-7253-X
• Pere Molera i Solà; Marc J. Anglada i Gomila (versió anglesa original: W.D. Callister); Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Llibre II, Edicions Reverté, 1996, ISBN 84-291-7254-8