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jena
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  1. Trabajo ID42ASemestre Primavera, 1999 Sólidos Amorfos

  2. Integrantes del grupo: • Claudia Andrade • Christian Contreras • Priscilla Conteras • Marcela Flores • Carolina García

  3. Temario: • Qué son los Materiales Amorfos • Obtención de Sólidos Amorfos • Propiedades de Sólidos Amorfos • Aplicaciones • Bibliografía • Comentarios y Preguntas

  4. Qué son los Materiales Amorfos ¿ . . . . . . ? • No son materiales nuevos • Gran cantidad de materiales pueden ser reconocidos como amorfos • Identificables por sus propiedades

  5. Qué son los Materiales AmorfosPROPIEDADES • moléculas distribuidas al azar • no hay orden de largo alcance • aleatoriedad en el sentido del spin • propiedades físicas idénticas en todas direcciones • elasticidad de los cristales (ocasionalmente) • no tienen un punto de fusión bien definido • buenas propiedades electromagnéticas

  6. Qué son los Materiales Amorfos • Se pueden considerar sustancias líquidas sobreenfriadas • flujo bajo presión: despreciable • Caso típico: VIDRIO ¿ . . . . . . ?

  7. Obtención de Sólidos Amorfos • “Probablemente todos los materiales pueden, si se enfrían con suficiente rapidez y lejanía de la temperatura crítica, ser transformados en sólidos amorfos”- D. Turnbull , 1969 • Tendencia a formar sustancias amorfas • Método de la Fundición Templada

  8. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  9. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  10. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Bloque Congelador • Melt-Spinning • Bloque congelador en un templado giratorio • Chorro de metal fundido propulsado contra el superficie de cilindro de cobre mientras este gira rápidamente => líquido se enfría y solidifica rápidamente (Tº ambiente ó menor)

  11. Presión de gas argón Tubo de cuarzo Aleación fundida Bobina Cinta de sólido amorfo Rotor frío Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Bloque Congelador • Melt-Spinning

  12. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Bloque Congelador • Melt-Spinning • Resultado: Cinta de 50 micrones de espesor (un grosor mayor resulta en un material policristalino)

  13. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  14. Gota metálica Disparador Laser Yunque Pistón metálico Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Bloque Congelador • Splat-Cooling , splat-quenching, hammer-and-anvil • enfría líquido destilado y golpea desde ambos lados

  15. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  16. Fundido Agua a 0 °C Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada:Templado con líquido • Templado de vidrio (ej. selenio amorfo) • permite formación de macizo

  17. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  18. Horno Tubo de cuarzo Fundido Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Templado al aire • Materiales con tendencia a la formación de sólidos amorfos • se apaga el horno (enfriamiento más lento)

  19. Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada • Bloque Congelador • Melt-Spinning • Splat-Cooling • Templado con Líquido • Templado al aire • Evaporación • Condensación del Vapor

  20. Capa fría Fuente de vapor Obtención de Sólidos AmorfosFundición Templada: Evaporación • Condensación del Vapor • vapor choca y se deposita la superficie fría formándose materia amorfa

  21. Propiedades de Sólidos Amorfos • Propiedades Térmicas • Propiedades Mecánicas • Propiedades Elásticas • Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

  22. Propiedades de Sólidos Amorfos • Propiedades Térmicas • Propiedades Mecánicas • Propiedades Elásticas • Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

  23. Propiedades Térmicas de Sólidos Amorfos • Medida de estabilidad térmica de un líquido sobre enfriado: • T =Tx –TgTx: temp. cristalización • Polímeros: comportamiento a altas y bajas temperaturas (líquido viscoso , contra duro, rígido y frágil) • puede solidificar como amorfo (si tiene irregularidades en su estructura) ó cristalino • Tg : temperatura de transición vítrea. Pasa de elástico a sólido duro, rígido y frágil.

  24. Propiedades Térmicas de Sólidos Amorfos • Estado vítreo en polímeros: • más flexibles • menos voluminosos • con eteroátomos en sus cadenas Permanecen flexibles y giran a bajas temperaturas. • Ej: Silicones (123 ºC), polietileno (120 ºC), hule natural (73ºC)

  25. Propiedades Térmicas de Sólidos Amorfos • Otros polímeros • grupos grandes • polares ó polarizables • baja movilidad • vítreos a temperatura ambiente • para reblandecer : altas temperaturas.

  26. Propiedades de Sólidos Amorfos • Propiedades Térmicas • Propiedades Mecánicas • Propiedades Elásticas • Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

  27. Propiedades Mecánicas de Sólidos Amorfos • Usados en construcción • Resistentes • Duros • Resistentes a la acción química y física • Ejemplos: • cueros celulosa • caucho vidrio • fibras textiles pinturas • resinas sintéticas, más otros.

  28. Propiedades Mecánicas de Sólidos Amorfos • Usados en construcción • Resistentes • Duros • Resistentes a la acción química y física • Ejemplos: • cueros celulosa • caucho vidrio • fibras textiles pinturas • resinas sintéticas, más otros.

  29. Propiedades Mecánicas de Sólidos Amorfos • Origen del comportamiento en Polímeros • cadenas se mueven menos y se contraen más • disminuye volumen • segmentos de cadenas giran menos • se llega a Tg (dejan de girar) • material se pone rígido • se vuelve vítreo (frágil) - no amortiguan impactos

  30. Propiedades de Sólidos Amorfos • Propiedades Térmicas • Propiedades Mecánicas • Propiedades Elásticas • Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

  31. Propiedades Elásticas de Sólidos Amorfos • Para determinar propiedades: espectroscopio de ultrasonido resonante • Aleaciones de isótropos amorfos tienen 2 constantes elásticas de rigidez de segundo orden

  32. Propiedades Elásticas de Sólidos Amorfos

  33. Propiedades Elásticas de Sólidos Amorfos • Sust. usadas sin cambios en estructura primaria: • algodón, lino y lana • purificadas, coloreadas y elaboradas mecánicamente • Sust. con cambios en estructura primaria: • cambio de plasticidad previo a uso • en estado plástico se modelan • luego de vuelven rígidas

  34. Propiedades de Sólidos Amorfos • Propiedades Térmicas • Propiedades Mecánicas • Propiedades Elásticas • Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

  35. Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P • Son vidrios bajo 30 K (por susceptibilidad magnética) • Fig.: susceptibilidad de campo enfriado y la susceptibilidad de campo a 0 K para Pd40Ni22.5Fe17.5 P20en función de la temperatura • En rojo: • susceptibilidad a 0K

  36. Aplicaciones Sólidos amorfos (1) • Formación de cintas de materiales magnéticos blandos • aleaciones ferrosas distintas a aceros convencionales: aleante primario es el boro • ausencia de bordes de grano => facilidad de movimiento de paredes de dominios • acoplados con alta resistividad => núcleos de transformador • fuente mínima de pérdida de energía

  37. Aplicaciones Sólidos amorfos (1) • Formación de cintas de materiales magnéticos blandos • aleaciones ferrosas distintas a aceros convencionales: aleante primario es el boro • ausencia de bordes de grano => facilidad de movimiento de paredes de dominios • acoplados con alta resistividad => núcleos de transformador • fuente mínima de pérdida de energía

  38. Blando B Duro H Aplicaciones Sólidos amorfos (1) • Notar pequeña áreas de ciclo de histéresis • energía reducida al recorrer el ciclo

  39. Aplicaciones Sólidos amorfos (2) • Nueva generación de materiales magnéticos blandos (Universidad de Buenos Aires): Fe73.5Si22.5-xBxNb3Cu1 (x=6,8,9,10,12) (FINEMET) • distintas temp. De recocido • materiales nanoestructurados (tamaño de grano) • rodeados de matriz amorfa • magnetismo extremadamente blando • descubiertos por HITACHI (1988) • uso: sensores ó núcleos de transformadores • problema: frágil

  40. Aplicaciones Sólidos amorfos (3) • Uso: superficies resistentes a la corrosión y desgaste mecánico • Industrias beneficiadas automotriz y aeronáutica • sistema: Al-Fe-Nb con base de Aluminio • enfriamiento rápido • “melt-spinning” • espesores entre 20 y 30 microns

  41. Aplicaciones Sólidos amorfos (4) • Uso:transformadores de la red de distribución eléctrica • aleación FeB-Si • magnetizando el mat. Amorfo se reducen pérdidas del trnasformador en un 75% • dificil reemplazo, ya que metal amorfo es más delgado y frágil que lo existete

  42. Aplicaciones Sólidos amorfos (5) • Uso: fuente magnética, núcleos de transformador • Fe80B11Si9, posee gran estabilidad térmica • costos razonables • inducción de saturación de 1.59T • inducción de saturación del 80% del acero silicio-muy usado - genera el 30% de sus pérdidas

  43. Aplicaciones Sólidos amorfos (5) • Líneas continuas: metal amorfo Fe80B11Si9, de 30 micrones de espesor • Líneas punteadas: acero silicio de 0.28 mm de espesor

  44. Aplicaciones: Plantas de Distribución Eléctrica • Núcleos de Fe-B-Si más eficientes magnetizando que el acero • reducción del 75% de las pérdidas • no factible aún el reemplazo debido a dureza y fragilidad • deben ser compatibles con sistema existente • deben prestar servicio de al menos 30 años

  45. 1er Aplicaciones: Plantas de Distribución Eléctrica • Primer metal amorfo comercial: METGLAS 2826 (Fe40 Ni40 P14 B6) • fácil de fabricar • buenas propiedades mecánicas y magnéticas • baja inducción de saturación y cristalización • temperatura limita uso a bajo poder • aplicación a altas frecuencias

  46. Aplicaciones: Plantas de Distribución Eléctrica • Estudios para crear material parecido al acero • Resultado: Fe80 B11 Si9 • usado en aplicaciones magnéticas

  47. Bibliografía • Warren K. Lewis, Química Industrial de los Materiales Coloidales y Amorfos (1948) • Richard Zallen ,The physiscs of amorphous solids • S.R.Ellioot,Physiscs of amorphous materials , 2da Edición • James F. Shackelford, Ciencia de materiales para ingenieros, Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 3° Edición, México, 1995.

  48. ¡ ! ¿ ? Comentarios y Preguntas