Exercicis: Classificació dels materials

Anomena les quatre grans famílies de materials tècnics i escriu un exemple de material de cadascuna, indicant una propietat característica per la qual s'utilitza.

Indica a quina família de materials pertany cadascun d'aquests objectes i justifica-ho amb una propietat: (a) una paella d'acer, (b) una ampolla d'aigua de PET, (c) un plat de porcellana i (d) un casc de bicicleta de fibra de carboni.

L'arbre de classificació de la figura ordena els materials tècnics en famílies, amb un exemple de cadascuna, però una branca està tapada amb un signe d'interrogació, tal com es mostra a la figura.

Indica quina família falta, escriu dos exemples de materials d'aquesta família i descriu una propietat que la caracteritzi.

Anomena tres propietats característiques dels metalls (conductivitat elèctrica i tèrmica, lluentor, mal·leabilitat...) i, per a cadascuna, un objecte quotidià que l'aprofiti.

Explica què és un aliatge i posa'n dos exemples (acer, llautó, bronze...), indicant per què la indústria utilitza aliatges en lloc de metalls purs en la majoria de les aplicacions.

Els polímers es divideixen en termoplàstics i termoestables. Explica la diferència clau (què passa en reescalfar-los) i posa un exemple d'objecte de cada tipus.

Anomena dues propietats típiques dels materials ceràmics (duresa, resistència a la calor, fragilitat, aïllament) i dos objectes quotidians fabricats amb aquests que depenguin d'aquestes propietats.

Explica què és la densitat d'un material i per què és una propietat crítica en triar el material del xassís d'un dron, comparant-ho amb el que importaria en una pesa de gimnàs.

Els metalls condueixen bé l'electricitat i la calor, mentre que els materials ceràmics són aïllants i aguanten temperatures molt altes. Relaciona aquestes diferències de comportament amb el tipus d'estructura interna de cada família i posa una aplicació de cada propietat esmentada.

Explica què és un material compost i per què es fabriquen combinant dos o més materials. Descriu el cas de la fibra de vidre: què aporta la resina i què aporten les fibres dins del conjunt.

Tria la família de materials més adequada per a cada peça i justifica-ho amb almenys dues propietats: (a) el fil conductor de l'interior d'un cable elèctric, (b) el cos aïllant d'un endoll i (c) el vidre de la porta d'un forn.

Classifica aquests objectes en la seva família de materials i justifica-ho amb una propietat: (a) el dissipador d'alumini d'un processador, (b) una finestra de vidre, (c) un pneumàtic (cautxú reforçat amb teles), (d) una espàtula de silicona de cuina, (e) un test de fang cuit i (f) un cable de coure.

El vidre és un sòlid amorf (sense estructura cristal·lina ordenada) que s'obté fonent sorra. Raona a quina família de materials pertany a partir del seu comportament (dur, fràgil, aïllant, resistent a la calor i als productes químics) i no a partir del seu nom comercial.

Emparella cada propietat amb la família de materials que millor la representa (metàl·lics, polimèrics, ceràmics, compostos) i justifica cada emparellament amb un exemple d'objecte: (a) la millor conductivitat tèrmica i elèctrica, (b) la fragilitat més alta juntament amb una gran duresa, (c) la densitat més baixa juntament amb un emmotllament fàcil i barat, (d) la millor combinació de lleugeresa i resistència aconseguida unint dos materials.

Els cotxes porten cada vegada més alumini i polímers en peces que abans eren d'acer. Analitza les raons del canvi (pes i consum de combustible, corrosió, llibertat de disseny) i els inconvenients que comporta (cost, reparació de cops, reciclatge de peces que barregen materials).

La fusta combina fibres de cel·lulosa amb una matriu de lignina. Analitza si es pot considerar un material compost natural comparant la seva estructura amb la de la fibra de vidre (reforç més matriu), i cita una conseqüència pràctica d'aquesta estructura fibrosa (la direcció de la veta en serrar o en doblegar).

Un dissenyador novell afirma: «Com que la densitat de l'alumini (2,7 g/cm³) és gairebé un terç de la de l'acer (7,8 g/cm³), si fabriquem el quadre de la bicicleta amb tubs d'alumini d'idèntiques dimensions que els d'acer, el quadre pesarà un terç i oferirà exactament el mateix rendiment mecànic».

1. a) Rebat tècnicament aquesta afirmació: considerant que el mòdul elàstic de l'acer és de 210 GPa i el de l'alumini de 70 GPa, prediu què li passarà a la rigidesa i a la deformació del quadre d'alumini enfront dels mateixos sots si no es redissenyen les dimensions del tub.
2. b) Dissenya la solució geomètrica: explica com s'han de modificar el diàmetre exterior i el gruix de paret dels tubs d'alumini per igualar la rigidesa a flexió de l'acer, i justifica per què l'estalvi de pes real no arriba a ser del 66 %.
3. c) Des del punt de vista del comportament a fatiga sota càrregues cícliques, prediu la vida útil esperable de tots dos quadres sabent que els acers estructurals presenten un límit de fatiga definit, mentre que els aliatges d'alumini no en tenen.

En la construcció d'un balcó en voladís sotmès al seu propi pes i al pes de persones a la seva vora, un operari inexpert ha col·locat les barres d'acer corrugat a la part inferior de la llosa de formigó en lloc de a la part superior.

1. a) Analitza la distribució de tensions a la biga en voladís: justifica quin tipus d'esforç mecànic (tracció o compressió) pateix la cara superior i quin la cara inferior en carregar-se el balcó.
2. b) Prediu què passarà en desencofrar: explica per què i per on s'esquerdarà el formigó, i per què les barres d'acer situades al fons no evitaran el col·lapse catastròfic.
3. c) Més enllà de resistir esforços mecànics oposats, justifica per què el formigó armat només funciona tèrmicament gràcies al fet que tots dos materials comparteixen un coeficient de dilatació lineal pràcticament idèntic (al voltant de 12·10⁻⁶ K⁻¹). Què passaria a l'estiu i a l'hivern si els seus coeficients fossin molt dispars?

Una empresa automobilística debat dues propostes per a les aletes i el capó d'un nou utilitari elèctric de gran sèrie (200 000 unitats anuals):

• Opció A: Xapa d'acer embotida en fred.

• Opció B: Material compost de matriu polimèrica termoestable reforçat amb fibra de carboni (CFRP).

1. a) Un directiu sosté: «El compost reduirà a la meitat el pes d'aquestes peces, així que compensarà econòmicament el seu major cost de material en allargar l'autonomia de la bateria». Rebat tècnicament aquest argument analitzant la velocitat del procés de conformat (estampació en segons enfront de cicle de curat de termoestables) i l'impacte del sobrecost en un vehicle de gamma econòmica.
2. b) Prediu el mode de fallada davant d'un impacte lleu d'aparcament: compara la deformació plàstica de l'acer amb el fenomen de delaminació interna o ruptura fràgil del CFRP, avaluant la facilitat i el cost de reparació en un taller convencional.
3. c) Justifica per què el reciclatge del residu al final de la vida útil del cotxe resulta crític: explica la diferència estructural entre un termoplàstic o un metall (refundibles) i una matriu termoestable entrecreuada enfront de la normativa de recuperació de materials.

Has de seleccionar el material per a una tassa tèrmica de viatge que mantingui el cafè calent, resisteixi caigudes d'1,5 m i suporti rentades diàries al rentaplats a 70 °C amb detergents càustics. Analitza les propostes següents:

• Proposta A: Ceràmica de gres esmaltada de paret gruixuda (5 mm).

• Proposta B: Polipropilè (PP) monocapa de paret intermèdia (3 mm).

• Proposta C: Doble paret d'acer inoxidable austenític amb cambra de buit intermèdia.

1. a) Analitza la transmissió de calor: la conductivitat tèrmica de l'acer inoxidable (~15 W/(m·K)) és gairebé dos ordres de magnitud superior a la del PP (~0,2 W/(m·K)). Justifica per què, malgrat això, la proposta C manté la calor molt millor que la B, identificant els tres mecanismes de transferència de calor i com actua el buit sobre aquests.
2. b) Prediu el resultat mecànic d'una caiguda sobre paviment dur per a la proposta A enfront de la C, justificant la diferència a partir de la tenacitat i el tipus d'enllaç atòmic predominant en cada material.
3. c) Prediu quina degradació física i química patirà el polipropilè (proposta B) a mitjà termini després de repetits cicles de rentaplats en comparació amb l'acer inoxidable, i dictamina quina és l'elecció de disseny òptima justificant el criteri decisiu.

Una empresa d'enginyeria avalua substituir els cables principals d'acer d'un pont penjant de gran obertura per cables de fibres d'aramida d'alta resistència, argumentant que la seva resistència a tracció per unitat de massa supera en quatre vegades la de l'acer i són immunes a la corrosió marina.

1. a) Fluència (creep): els cables suportaran tensions permanents del 40 % de la seva càrrega de ruptura durant més de 80 anys. Prediu què passarà amb la catenària del pont si el polímer experimenta deformació per fluència lenta i explica per què l'estructura cristal·lina metàl·lica de l'acer és superior enfront d'aquest fenomen a temperatura ambient.
2. b) Rigidesa i dinàmica: el mòdul de Young de l'acer és de 210 GPa, mentre que el de l'aramida ronda els 120 GPa. Justifica per què un menor mòdul elàstic en els cables principals, tot i tenir més resistència a ruptura, incrementa el risc d'inestabilitat aeroelàstica (oscil·lacions per vent) en el tauler.
3. c) Durabilitat ambiental: justifica quins assajos de degradació per radiació solar ultraviolada (UV) i absorció d'humitat haurien de superar les fibres polimèriques per oferir les garanties de durabilitat que l'acer ja té demostrades.

Sovint es qualifica el grafè com «el material bidimensional miraculós que substituirà el silici en els processadors i el coure en els cables de transport elèctric».

1. a) Justifica, a partir de l'estructura del grafè (hibridació sp² del carboni en xarxa hexagonal plana i electrons deslocalitzats en orbitals pi), la seva extraordinària conductivitat elèctrica i resistència mecànica al llarg del pla.
2. b) Rebat tècnicament l'afirmació que el grafè monocapa substituirà a curt termini el silici en els transistors digitals dels microprocessadors: explica què és la banda d'energia prohibida (bandgap), per què és imprescindible perquè un transistor pugui commutar entre els estats de tall i conducció (0 i 1 lògics) i quin valor presenta en el grafè pur.
3. c) Explica els obstacles que limiten la seva integració a escala industrial: compara la qualitat del grafè obtingut per exfoliació micromecànica amb el produït mitjançant deposició química en fase de vapor (CVD), i interpreta com afecten els defectes cristal·lins (arrugues, límits de gra) al rendiment real del material.

Una comissió organitzadora d'un festival de música de tres dies debat l'impacte ambiental dels gots per a 40 000 assistents i estudia tres opcions:

• Opció 1: Gots d'un sol ús de PLA (àcid polilàctic, «bioplàstic compostable»). Emissions de fabricació: 30 g de CO₂/got.

• Opció 2: Gots reutilitzables de polipropilè (PP) amb fiança d'1 €. Emissions de fabricació: 120 g de CO₂/got; rentada i transport: 10 g de CO₂/cicle.

• Opció 3: Gots d'un sol ús de PET 100 % reciclat (rPET). Emissions de fabricació: 25 g de CO₂/got.

1. a) Interpreta les dades i calcula a partir de quants cicles de reutilització (usos i rentades) l'Opció 2 resulta ambientalment més favorable en petjada de carboni que consumir gots de PLA de l'Opció 1.
2. b) Un patrocinador afirma: «El PLA és l'opció perfecta perquè, si els assistents els tiren a terra o van a l'abocador, desapareixeran convertits en adob en poques setmanes». Rebat aquesta afirmació justificant les condicions reals que exigeix el compostatge industrial del PLA (temperatura superior a 58 °C i humitat controlada) i prediu quin problema causa si es barreja per error al contenidor groc amb el PET tradicional.
3. c) Sabent que en esdeveniments multitudinaris la taxa de retorn real del got reutilitzable ronda només el 60 % (els usuaris se l'emporten a casa o el tiren a les escombraries), prediu si el got reutilitzable complirà el seu objectiu ecològic enfront de l'Opció 3 i dissenya una mesura organitzativa per garantir que el model sigui sostenible.

El departament d'urbanisme d'una localitat costanera t'encarrega definir els materials d'un nou model de banc públic exterior exposat a brisa marina salina, radiació solar intensa i risc de vandalisme (grafitis, cops i cremades).

1. a) Estructura portant: un membre de l'equip proposa fosa de ferro sense recobrir per ser econòmica i pesant. Rebat aquesta proposta preveient quin tipus de fallada per corrosió i fragilitat patirà davant d'impactes, i defensa una alternativa metàl·lica adequada (com acer galvanitzat en calent amb recobriment de pintura en pols o alumini anoditzat).
2. b) Seient i respatller: compara llistons de polietilè d'alta densitat (HDPE) reciclat enfront de llistons de fusta de pi tractada en autoclau. Prediu com respondrà cada material enfront de l'exposició solar continuada (degradació per UV) i davant de l'ús recurrent de dissolvents agressius (acetona) per netejar grafitis.
3. c) Corrosió galvànica a la caragoleria: si es caragola una estructura d'alumini amb caragols convencionals d'acer al carboni zincat en contacte directe sota la humitat salina, prediu quin dels dos metalls actuarà com a ànode i es corroirà acceleradament. Justifica com has d'evitar aquesta fallada mitjançant la selecció de materials o aïllament elèctric a les unions.