16.Ingeniería de Materiales - Academia de Ingeniería de México

El presente es un documento de trabajo elaborado para el
estudio “Estado del Arte y Prospectiva de la Ingeniería en México
y el Mundo”, realizado por la Academia de Ingeniería de México
con el patrocinio del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
La información así como las opiniones y propuestas vertidas en
este documento son responsabilidad exclusiva de los autores.
La Academia y los autores agradecerán las sugerencias y
comentarios de los lectores para mejorar su contenido y las
omisiones en que se haya incurrido en su elaboración.
“Estado del Arte y Prospectiva de La
Ingeniería en México y el Mundo”
Ingeniería de Materiales
Elaborado por el M. en C. Carlos Alfonso Morán Moguel, Académico
Titular; el M. en C. Enrique Jiménez Espriú, Académico Titular y
Jonatthan Ulises Vega Gallaga.
Introducción
El presente documento tiene por objeto destacar la importancia que
tiene la ingeniería de materiales para el desarrollo tecnológico y la
industria, por lo cual se realiza una breve descripción de los diferentes
tipos de materiales, así como un análisis a los que mayor repercusión
tienen en la economía nacional.
Es muy importante que en el país se intensifique la difusión del tema, y
que todos los actores de la sociedad se comprometan desde el ámbito
que les corresponde, para generar un mayor desarrollo en cuanto a la
tecnología en materiales.
En el sector de materiales vamos a considerar dos ramas, la de los
materiales tradicionales y la de los materiales avanzados. Los materiales
tradicionales son aquellos que son ocupados en la construcción e
industrias y los materiales avanzados son aquellos donde se realiza una
mayor labor de investigación que lleve a un desarrollo tecnológico.
Materiales
Tradicionales
Avanzados
Metálicos
Nanomateriales
Cerámicos
Biométicos
Polímeros
Biomateriales
Semiconductores
Metamateriales
Materiales Compuestos
Materiales Inteligentes
Antecedentes Históricos
Históricamente la evolución y desarrollo del hombre ha estado ligada a
los materiales, desde la elaboración de herramientas para cazar, para
labrar la tierra, para defenderse y para hacer la guerra, tal es la
importancia de los materiales utilizados que a las diferentes etapas de la
humanidad se las ha designado con su nombre. Así, hemos identificado
a la Edad de Piedra, la de Bronce, la de Hierro y la de Acero.
Como se mencionó los materiales siempre han estado ligados al
desarrollo del hombre, por lo que durante siglos los seres humanos han
hechos ajustes a sustancias para elaborar nuevos y útiles materiales
que no se encuentran normalmente en la naturaleza para satisfacer las
necesidades de la época, es tal la importancia de los materiales que la
Academia Nacional de Ingeniería de Estados Unidos (NAE) considera a
los materiales de alto desempeño dentro de los grandes logros de la
ingeniería en el siglo XX, a continuación se presenta una línea del
tiempo que destaca grandes logros en cuanto a materiales se refiere:
1907.- Creación de la Baquelita
Leo Baekeland, un inmigrante belga a los Estados Unidos, crea la
baquelita, el primer plástico termoestable. Un aislante eléctrico que es
resistente al calor, agua y solventes, la baquelita es clara, pero se puede
teñir y maquinar.
1909.- Descubrimiento de endurecidos por precipitación
Alfred Wilms, entonces líder del Departamento de Metalurgia del Centro
Alemán de Investigación Científica, cerca de Berlín, descubre el
"endurecimiento por precipitación", un fenómeno que es la base para la
creación de fuertes aleaciones ligeras de aluminio, esencial para la
aeronáutica y otras tecnologías que necesitan de estos materiales.
Muchos otros materiales se ven reforzados también por el
endurecimiento por precipitación.
1913.- Redescubrimiento del acero inoxidable
Aunque creada a principios de siglo por un francés y un alemán, el acero
inoxidable es redescubierta por Harry Brearley en Sheffield, Inglaterra, y
se le acredita con la popularización de la misma. Hecho de hierro con un
13 por ciento de cromo y una pequeña porción de carbón, el acero
inoxidable no se oxida.
1915.- Pirex
El físico Jesse Littleton de Corning investigación cortó la parte inferior de
la batería de un frasco de vidrio producidos por Corning, lo llevó a casa,
y le pidió a su esposa hornear un pastel en él. El vidrio resiste el calor
durante el proceso de cocción, lo que lleva al desarrollo de vasos de
borosilicato de utensilios de cocina y más tarde a una amplia gama de
productos de vidrio comercializado como Pyrex.
1925.- Clasificación del acero 18/8 austenítico por la industria química
Un acero inoxidable que contiene 18 por ciento de cromo, 8 por ciento
de níquel, y el 0,2 por ciento de carbono entra en uso. Conocida como
18 / 8 austenítico, es adoptado por la industria química a partir de
1929. A finales de 1930 la utilidad del material en altas temperaturas es
reconocida y se utiliza en la producción de motores a reacción durante la
segunda guerra mundial.
1930.- Desarrollo del caucho sintético
Wallace Carothers y un equipo de DuPont, basándose en el trabajo
comenzado en Alemania a principios del siglo, hacen el caucho sintético.
Llamado neopreno, la sustancia es más resistente que el caucho natural
al aceite, gasolina, y el ozono, y es importante como un adhesivo y un
sellador en usos industriales.
1930.- Las fibras de vidrio son comercialmente viables
Los ingenieros de la Owens Illinois Glass Company y Corning Glass
Works desarrollaron varios medios para hacer fibra de vidrio
comercialmente viable. Compuesto de ingredientes que constituyen el
vidrio regular, las fibras de vidrio producidas en la década de 1930 es
hecho en hilos, girado en una bobina, y luego hilados. En combinación
con plásticos, el material se llama fibra de vidrio y se utiliza en los
automóviles, los cuerpos de barco, cañas de pescar, y también se
produce en un material adecuado para el aislamiento en casa.
1933.- Descubrimiento del Polietileno
Polietileno, un aislante útil, es descubierto por accidente por JC Tragar,
Perrin MW, y Reginald Gibson en Gran Bretaña. Utilizado por primera
vez para el recubrimiento de cables telegráficos, el polietileno es luego
convertido en envases y bolsas. Los procesos desarrollados más tarde
permitieron el polietileno lineal de baja densidad y polietileno de baja
densidad.
1934.- Nylon
Experimentando más de 4 años para elaborar un sustituto de ingeniería
para la seda, Wallace Carothers y su asistente Julián Hill en DuPont en
última instancia descubre un proceso exitoso con poliamidas. También
aprenden que su polímero aumenta en fuerza y suavidad, ya que se
estira, por tanto, descubrieron los beneficios de estirado en frío. El
nuevo material, llamado nylon, es objeto de uso en telas, cuerdas, y las
suturas y eventualmente también en cepillos de dientes, velas,
alfombras y más.
1936.- Plástico transparente y fuerte
Rohm and Haas Company de Filadelfia presionan el polímero acrilato
entre dos piezas de vidrio, haciendo una hoja de plástico transparente
del material. Es el precursor de lo que en los Estados Unidos se llama
plexiglás (metacrilato de polivinilo). Mucho más resistente que el vidrio,
es usado como sustituto del vidrio en los automóviles, aviones y casas.
1938.- Descubre DuPont el Teflón
En un tanque presumiblemente lleno de gas tetrafluoroetileno vacío, el
científico de DuPont Roy Plunkett investiga y descubre que el gas se
había polimerizado en los costados del tanque. Ceroso y resbaladizo, el
recubrimiento es altamente resistente a los ácidos, bases, calor y
solventes. Al principio el teflón es utilizado únicamente en la guerra,
pero más tarde se convierte en un ingrediente clave en la fabricación de
utensilios de cocina, nariz de cohetes, marcapasos, trajes espaciales, y
en las extremidades y articulaciones artificiales.
1940.- Super aleaciones base níquel
Metalúrgicos desarrollaron super aleaciones a base de níquel que son
sumamente resistentes a altas temperaturas, presión, fuerza centrífuga,
la fatiga y la oxidación. La clase de super aleaciones a base de níquel
con cromo, titanio y aluminio hacen posible el motor a reacción, y
finalmente es utilizado en las naves espaciales, así como en los
generadores de energía.
1940.- Imanes de cerámica
Los científicos en los Países Bajos desarrollaron imanes cerámicos,
conocidos como ferritas, que son complejos de múltiples óxidos de
hierro, níquel y otros metales. Estos imanes se convierten rápidamente
indispensables en todas las comunicaciones de alta frecuencia, incluida
la industria de grabación de sonido. Los imanes de cerámica a base de
níquel-zinc eventualmente son importantes en los núcleos de la
memoria del ordenador, en los televisores y equipos de
telecomunicaciones.
1945.- Desarrollo del titanio de bario
Los científicos en Ohio, Rusia y Japón desarrollaron titanio de bario, un
cerámico que desarrolla una carga eléctrica cuando es mecánicamente
tensionado (y viceversa). Estos cerámicos generan avance en las
tecnologías de grabaciones de sonido, sonar, y ultrasonidos.
1946.- Tupperware
Como un químico en DuPont en la década de 1930, Earl Tupper
desarrolla un polímero sintético resistente pero flexible que él llama Poli
T. En 1947 forma su propia compañía Tupperware y hace tazones de
Tupperware con tapas de cierre hermético. Prácticamente a prueba de
ruptura, Tupperware comienza reemplazando la cerámica en cocinas a
nivel nacional.
1950.- Siliconas
Siliconas, una familia de sustancias químicamente relacionadas cuyas
moléculas están formadas por núcleos de silicio-oxígeno con grupos de
carbono
unidos,
se
hace
importante
como
selladores
impermeabilizantes, lubricantes, y en implantes quirúrgicos.
1952.- Vidrio en cerámica de grano fino
El químico S. Donald Stookey de Corning investigación descubre un
proceso de tratamiento térmico para la transformación de objetos de
vidrio en cerámica de grano fino. El desarrollo de esta nueva
composición Pyroceram conduce a la introducción de Corningware en
1957.
1953.- Dacron
DuPont abre una planta de fabricación en EE.UU. para producir Dacron,
un material sintético desarrollado en Gran Bretaña en 1941 como
tereftalato de polietileno. Debido a que tiene una temperatura de fusión
más alta que las demás fibras sintéticas, Dacron revoluciona la industria
textil.
1953.- Polietileno de alta densidad
Karl Zeigler desarrolla un método para crear una molécula de polietileno
de alta densidad que puede ser fabricado a bajas temperaturas y
presiones, pero tiene un punto de fusión muy alto. Es convertido en
platos, botes flexibles, y materiales plásticos suaves.
1954.- Los diamantes sintéticos
Trabajo en laboratorios de investigación de General Electric, los
científicos utilizaron un recipiente de alta presión para sintetizar
diamantes, convirtiendo una mezcla de grafito y polvo metálico a
diamantes minúsculos. El proceso requiere una temperatura de 4800 ° C
y una presión de 1.5 millones de libras por pulgada cuadrada, pero los
pequeños diamantes tienen un valor incalculable como abrasivos y
puntos de corte.
1954.- Zeolitas sintéticas
Tras el trabajo realizado a finales de 1940 por Robert Milton y Donald
Breck de la División Linde de Union Carbide Corporation, la compañía
comercializa dos nuevas familias de zeolitas sintéticas como una nueva
clase de materiales industriales para la separación y purificación de
líquidos orgánicos y gases. Como los materiales clave para el "cracking",
es decir, la separación y la reducción de las moléculas grandes en el
petróleo crudo, esto revoluciona la industria petrolera y petroquímica.
Las zeolitas sintéticas también se utilizaron en el mejoramiento del
suelo, la purificación de aguas, tratamiento de residuos radiactivos, y
como un reemplazo más ecológico en los detergentes para los fosfatos.
1955.- Desarrollo del polipropileno de alto peso molecular
Basándose en la obra de Karl Ziegler, Natta Giullo en Italia desarrolla el
polipropileno de alto peso molecular que tiene alta resistencia a la
tracción y es resistente al calor, dando comienzo a una era de polímeros
de "diseñador". El polipropileno es objeto de uso en películas, partes de
automóviles, alfombras y herramientas médicas.
1959.- Desarrollo del cristal "Float"
La británica fabricante de vidrio Pilkington Brothers anuncia un nuevo
proceso revolucionario de fabricación de vidrio desarrollado por el
ingeniero Alastair Pilkington. Llamado "float" de cristal, que combina las
cualidades sin distorsión del vidrio plano pulido, con el método de
producción más barato de vidrio plano. Resistente y anti-rayaduras, el
vidrio float se utiliza en las ventanas de tiendas y rascacielos, parabrisas
para automóviles y aviones, periscopios, y los lentes.
1960.- Grandes cristales de silicio crecido
Ingenieros comienzan a crecer grandes monocristales de silicio con una
pureza casi perfecta. Los cristales son luego cortados en finas obleas,
grabados al agua fuerte, y dopados para convertirse en
semiconductores, la base para la industria electrónica.
Vidrio
borosilicato, es desarrollado para encapsular los residuos radiactivos
1962.- El níquel-titanio (Ni-Ti) aleación con memoria de forma
Investigadores en el Laboratorio Naval Ordnance in White Oak,
Maryland, descubrieron que la aleación de níquel-titanio (Ni-Ti) tiene
propiedades de forma llamada memoria, lo que significa que el metal
puede sufrir deformaciones sin embargo, "recordar" su forma original, a
menudo ejerciendo una fuerza considerable en el proceso. Aunque el
efecto de memoria de forma se observó por primera vez en otros
materiales en la década de 1930, la investigación ahora comienza en
serio en la metalurgia y los usos prácticos de estos materiales. Hoy en
día una serie de productos que utilizan aleaciones de Ni-Ti están en el
mercado, incluyendo los marcos de anteojos que se puede doblar sin
sufrir daños permanentes, alambres de guía para la dirección de
catéteres dentro de vasos sanguíneos en el cuerpo, y arcos para la
corrección de ortodoncia.
1964.- Pinturas Acrílicas
Los químicos desarrollaron las pinturas acrílicas, que seca más
rápidamente que las pinturas anteriores y tienen menor goteo. Se
utilizan para el acabado de tejidos en la industria y en los automóviles.
1964.- Desarrollo de la fibra de carbono
El ingeniero británico Leslie Phillips hace la fibra de carbono estirando
fibras sintéticas y luego las calienta en la obscuridad. El resultado son
fibras dos veces más fuertes que el mismo peso de acero. Las fibras de
carbono encontraron su aplicación en chalecos antibalas, aviones de alto
rendimiento, llantas de automóvil, y equipamiento deportivo.
1970.- Creación de aleaciones amorfas metálicas
Las aleaciones amorfas metálicas se hacen enfriando aleaciones de
metales en fusión de una forma muy rápida (más de un millón de
grados por segundo), produciendo un sólido vítreo con propiedades
características magnéticas y mecánicas. Estas aleaciones son objeto de
un uso en transformadores de potencia y señal y como sensores.
1977.- Descubrimiento
electricidad
de
polímeros
orgánicos
conductores
de
Los investigadores Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid y Alan Heeger
anuncian el descubrimiento de polímeros orgánicos conductores de
electricidad. Estos se desarrollan en los diodos emisores de luz (LEDs),
células solares y pantallas en los teléfonos móviles. Los tres son
galardonados con el Premio Nobel de Química en 2000.
1980.- Metales raros
Ingenieros en materiales desarrollaron "metales raros", como boruro de
neodimio-hierro, que puede convertirse en imanes de alta calidad y de
permanencia para su uso en sensores, unidades de disco, y motores de
automóviles eléctricos. Otros metales raros se utilizan en los fósforos de
televisión a color, lámparas fluorescentes, los láseres y sistemas de
almacenamiento magneto-ópticos con una capacidad 15 veces mayor
que la de los discos magnéticos convencionales.
1986-1990.- Piel sintética
Ingenieros desarrollan "piel sintética". Un tipo de semilla fibroblastos de
células de piel humana en una estructura de polímero tridimensional, lo
cual es absorbido eventualmente por el cuerpo del paciente. Otro tipo
combina la piel humana de menor tejido con una capa epidérmica
sintética o capa superior.
1990-presente
.- Nanotecnología
Los científicos investigan la nanotecnología, la manipulación de la
materia a escala atómica y molecular. Canales electrónicos, sólo unos
pocos átomos de podrían llevar a las máquinas de tamaño molecular,
sensores extraordinariamente sensible, y métodos revolucionarios de
fabricación. En páginas siguientes se explica un poco más sobre la
nanotecnología.
Materiales Tradicionales
En esta parte del estudio se va a tratar una breve introducción de los
materiales metálicos, cerámicos, polímeros, semiconductores y
materiales compuestos; posteriormente se hace un análisis de dos
materiales importantes para la economía e industrial nacional, estos son
el cemento y el acero.
Metálicos
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que
existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en
su estructura electrónica, el concepto de metal se refiere tanto a
elementos puros, así como aleaciones con características metálicas,
como el acero y el bronce; algunas características de los metales son:
buena conductividad eléctrica y térmica, alta densidad, maleabilidad,
ductilidad, tenacidad,
son sólidos a temperatura ambiente con
excepción del mercurio. Los materiales metálicos se pueden subdividir
en dos grupos: los ferrosos y los no ferrosos.
Ferrosos: a este grupo pertenece el hierro y sus derivados: el
acero y la fundición.
No ferroso: este grupo está formado por los demás metales y sus
aleaciones.
A su vez, en función del peso, los metales se pueden subdividir en dos
grupos: metales ligeros y metales pesados.
Cerámicos
Los materiales cerámicos incluyen arcilla, vidrio, sílice, grafito, asbestos,
caliza y cemento portland. Todos estos materiales inorgánicos se
mantienen unidos por enlaces iónicos y covalentes que son más rígidos
que el enlace metálico. Gracias a esto, los materiales cerámicos, poseen
mayor resistencia al calor y a la corrosión que otros materiales
orgánicos. Usualmente los cerámicos son buenos aislantes eléctricos y
térmicos, tienen alta resistencia a la compresión, pero baja resistencia a
la tracción; esta característica los hace útiles para soportar cargas y
para estructuras de apoyo en la construcción de edificios. A diferencia
de los metales, poseen pocos planos de deslizamiento para absorber los
esfuerzos locales, a eso se debe que los cerámicos sean materiales
frágiles.
La cerámica electrónica utilizada para celdas solares, rayos láser, fibras
ópticas, artefactos piezoeléctricos y circuitos integrados, dominan la
mayor parte del mercado actual y seguirán dominando el mercado de
los materiales avanzados en el futuro. Los cerámicos estructurales
tienen grandes posibilidades de reemplazar a metales y plásticos en
muchas áreas de fabricación.
Polímeros
Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas
más pequeñas llamadas monómeros. La polimerización es un proceso
químico en el cual se unen muchas moléculas para formar una molécula
mayor. Los materiales sintéticos comúnmente conocidos como plásticos,
tienen múltiples usos, inclusive como sustitutos de otros materiales en
la industria y en la construcción. Los únicos materiales que se utilizan en
cantidades mayores son el acero, el concreto y el papel.
Los plásticos son materiales orgánicos cuyo elemento básico es el
carbono; los demás elementos que conforman las estructuras químicas
son: oxígeno, hidrógeno, cloro y flúor. El sodio se utiliza en ionómeros y
el silicio en silicones.
Existen tres tipos básicos de polimerización: adición, copolimerización y
condensación. La polimerización por adición ocurre cuando polímeros
similares se unen para formar una cadena.
El polietileno es un ejemplo de un polímero lineal. Estos polímeros
lineales se llaman termoplásticos, lo que significa que se pueden
ablandar o fundir mediante calentamiento. La otra clase se compone
plásticos termoestables, llamados así debido a que el plástico fragua o
se endurece por medio de calor durante la operación de moldeo y no
puede ser ablandado nuevamente. Los termoendurecibles son más
frágiles que los termoplásticos.
La combinación de dos o más clases diferentes de monómeros, se llama
copolimerización; la cual puede compararse con la aleación entre dos o
más metales. Muchos plásticos para usos tecnológicos son copolímeros.
Los plásticos para usos tecnológicos incorporan elementos adicionales
además del carbón a la cadena polimérica, esto con la finalidad de
mejorar sus propiedades.
La polimerización por condensación, consiste en combinar moléculas de
cadena larga, para obtener moléculas más complicadas. Estas cadenas
cuando se enrollan presentan plasticidad, pero cuando se enlazan
transversalmente, pierden plasticidad y se vuelven elásticas.
Los plásticos tienen en común varias características. De todos los
materiales para usos tecnológicos, son los más ligeros. Como tienen una
conductividad térmica relativamente baja, todos son buenos aislantes
del calor. Casi todos los plásticos son buenos aislantes eléctricos, sin
embargo un plástico de poliacetileno es un buen conductor de
electricidad y puede ser utilizado en la elaboración de alambre, baterías
y motores plásticos.
Uno de los problemas asociados con el extenso uso de los plásticos es el
de la eliminación de los desechos y reciclado de los mismos. La mayoría
de ellos, es no biodegradable y son prácticamente indestructibles.
Semiconductores
Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica puede
considerarse situada entre las de un aislante y las de un conductor. La
característica principal de un semiconductor es que su conductividad
eléctrica aumenta con la temperatura. A la temperatura ambiente, los
semiconductores presentan conductividades eléctricas intermedias entre
la de los metales y la de los aislantes. Los semiconductores se pueden
clasificar en intrínsecos y extrínsecos.
En un semiconductor intrínseco la separación entre la banda de valencia
y la de conducción es tan pequeña que a la temperatura ambiente
algunos electrones ocupan niveles de energía de la banda de
conducción. La ocupación de estos niveles introduce portadores de carga
negativa en la banda superior y huecos positivos en la inferior y como
resultado, el sólido es conductor. Un semiconductor, a la temperatura
ambiente, presenta, generalmente, una menor conductividad que un
metal pues existen pocos electrones y huecos positivos que actúan
como portadores. A medida que aumenta la temperatura aumenta la
población de los niveles en la banda de conducción y el número de
portadores se hace mucho mayor, por lo que la conductividad eléctrica
también aumenta.
Un semiconductor extrínseco es aquel en el que se han introducido
pequeñas cantidades de una impureza con el objeto de aumentar la
conductividad eléctrica del material a la temperatura ambiente. A este
proceso se le conoce como dopado. Así, por ejemplo, el número de
portadores negativos (electrones) puede aumentar si se dopa el material
con átomos de un elemento que tenga más electrones de valencia que el
que compone dicho material semiconductor. El nivel de dopado no debe
de ser muy alto para que sea efectivo.
Materiales compuestos
Los compuestos son materiales que aprovechan las propiedades de dos
o más materiales (metales, cerámicos y plásticos) que, al ser
combinados (insolublemente) y unidos de ciertas maneras y en
proporciones adecuadas, forman un nuevo material con propiedades
diferentes a las de los constituyentes. Así, pueden lograrse
combinaciones de propiedades que son difíciles de obtener en materiales
convencionales, tal como gran tenacidad y alta resistencia a la tracción.
Generalmente, los constituyentes se combinan en dos fases tal que las
debilidades de uno de ellos se compensan con las fortalezas del otro,
mejorando el desempeño global. Por ejemplo, un polímero puede
reforzarse con fibras de vidrio para obtener resistencia y rigidez
adecuadas, manteniéndose un bajo peso (debido a su baja densidad).
Los materiales compuestos pueden clasificarse en:
Clasificación
Naturales
Microcompuestos
Macrocompuestos
Ejemplos
Madera
Hueso
Bambú
Músculos
Aleaciones Metálicas
Termoplásticos Endurecidos
Hojas para moldeo continuo
Termoplásticos reforzados
Acero galvanizado
Vigas de hormigón armado
Palas de helicópteros
La clasificación de los materiales microcompuestos es:
Fibras continuas en matriz
Fibras cortas en matriz
Particulado en matriz
Dispersión reforzada
Estructuras laminares
Esqueletos o redes interpenetrantes
Multicomponentes, fibras, partículas, etc.
Cemento
Los materiales son cruciales a la hora de construir, modificar,
innovar y crear de forma original un nuevo objeto; dentro de los
materiales tradicionales uno de los de mayor importancia a nivel
mundial es el cemento, el cual se utiliza para la producción de concreto
que es el segundo producto más utilizado en el mundo, solo por detrás
del agua; se producen alrededor de 6 billones de toneladas de concreto
al año lo cual da un consumo per cápita mundial de alrededor de una
tonelada.
México es el noveno productor de cemento a nivel mundial, donde China
es el líder con casi el 50% de la producción, la producción nacional de
cemento en el 2009 fue de 35.1 millones de toneladas y el consumo
nacional en el mismo año fue de 34.6 millones de toneladas1, por lo que
nuestro consumo per cápita es del orden de 0.31 toneladas anuales.
poco menos de la tercera parte del consumo promedio mundial.
1
USGS
Producción y Consumo Nacional
37.9
40
Millones de toneladas
35
30
25
31.7
29.4
31.9
31.1
30
27.7
28.8
33.2
30.9
29.6
38.8
34.7
35.9
32.7
36.8
37.1
35.1
35.1
34.6
20
15
10
5
0
2000
2001
2002
2003
2004
Producción Nacional
2005
2006
2007
2008
2009
Consumo Nacional
Fuente: CANACEM
A nivel nacional la industria del cemento representa el alrededor del 1%
del PIB, en México hay 32 plantas las cuales generan 20 mil empleos
directos y 110 mil empleos indirectos.
Compañía
Cemex México
Holcim Apasco
Cementos Moctezuma
GCC Cemento
Lafarge Cementos
Cooperativa la Cruz Azul
Cementos y Concretos Nacionales
Número de plantas
15
6
2
3
2
2
2
A nivel mundial Cemex es la cuarta compañía más grande, solo por
detrás de Lafarge, Holcim y Heidelberg Cement, en el 2009 tuvo ventas
de 197,801 millones de pesos (expansión).
Fuente: Cemnet (http://www.cemnet.com/publications/GlobalCementReport/worldcement-overview/player.html)
La producción de concreto y cemento consume grandes cantidades de
energía, alrededor del 80% de las necesidades de electricidad total de la
industria y 66% de su consumo de combustible; la fabricación del
cemento consiste en calentar piedra caliza pulverizada, arcilla y arena a
1450° C, con un combustible como el carbón o el gas natural, dicho
proceso genera entre 650 y 920 kilogramos de dióxido de carbono por
cada tonelada métrica de cemento Portland fabricada; aproximadamente
la mitad de los gases se generan en la combustión del combustibles, y el
resto de la descomposición química de la piedra caliza. Los 2,8 millones
de toneladas métricas de cemento producido en todo el mundo en 2009
contribuyeron con alrededor del 5% de las emisiones totales de dióxido
de carbono. Por esta razón se tienen que generar procesos más
eficientes en la fabricación del cemento o crear materiales cuyas
características sean similares al concreto pero amigables con el medio
ambiente.
Dentro de las tecnologías emergentes presentadas en el 2010 por el
Massachusetts Institute of Technology (MIT) en la revista Technology
Review se encuentra el “Concreto Verde” (Green Concrete); Nikolaos
Vlasopoulos, científico jefe en la Startup Novacem, con sede en Londres,
está tratando de eliminar las emisiones con un cemento que absorba
más dióxido de carbono del que libere durante su fabricación, éste logra
retener hasta 100 kilogramos de gas de efecto invernadero por
tonelada. Vlasopoulos investiga cementos producidos por la mezcla de
óxidos de magnesio con cemento Portland, no obstante, al añadir agua a
los compuestos de magnesio sin ningún tipo de Portland en la mezcla,
descubrió que aún así podía hacer un tipo de cemento sólido y que no
estuviese basado en piedra caliza rica en carbono. Y a medida que se
endurecía, el dióxido de carbono en la atmósfera reaccionaba con el
magnesio para crear carbonatos fortalecientes del cemento que, al
mismo tiempo, ayudaban a la captura del gas. Este es un avance
importante en cuanto a materiales sustitutos, ahora el reto al que se
enfrenta es hacer una producción a escala industrial y convencer a una
industria muy conservadora como es la de la construcción de los
beneficios de su cemento.2
Acero (Industria siderúrgica)
Otra de las industrias que mayor repercusión económica tienen a nivel
nacional es la siderúrgica, durante el 2009 la producción mundial de
acero alcanzó los 1,223.4 millones de toneladas, México ocupó la 14a
posición mundial (1.2% del total) y la 2a de América Latina (26.5% del
total regional).
2
http://www.technologyreview.com/tr10/
Distribución de la Producción Mundial de Acero
en el 2009
México
España 1.2%
Italia
1.6%
Turquía
2.1% Brasil
2.2%
1.2%
Otros Países
14.6%
China
46.6%
Ucrania
2.4%
Alemania
2.7%
Japón
7.2%
Corea del sur
4.0%
India
4.6%
Estados Unidos
4.8%
Rusia
4.9%
Fuente: CANACERO
La producción nacional de acero en el 2009 fue de 13.957 millones de
toneladas con un valor de 263,161 millones de pesos lo cual representa
el 2.2% del PIB total, 6.7% del PIB industrial y 13.5% del PIB
manufacturero. En el último periodo (2008-2009) se tuvo un
decremento en la producción de 18.9%.
20.0%
18.1%
18.6%
18.4%
17.9%
18.0%
14.5%
16.0%
13.1%
14.0%
12.5%
12.6%
13.5%
12.6%
12.0%
10.0%
8.0%
6.0%
4.0%
2.0%
8.2%
9.1%
7.7%
8.6%
6.7%
5.8%
1.4%
2.1%
3.0%
2.9%
3.0%
2.6%
3.1%
2.2%
0.0%
2002
2003
2004
PIB Nacional
2005
PIB Industrial
2006
2007
2008
PIB Manufacturero
Fuente: CANACERO
2009
El consumo nacional de acero ha tenido una caída desde el 2007, en el
2009 se acentuó la caída ya que éste fue 9.8% por debajo del consumo
que se tenía en el 2002 y en cuanto a la producción en el 2009 se tiene
el mismo nivel que había en el 2002, en el 2009 se tuvo un nivel de
utilización del 62.8%, a nivel mundial el nivel de utilización fue del
71.9%; estas cifras nos dan una idea de la crisis que está viviendo en
la actualidad la industria siderúrgica.
Mercado Mexicano del Acero
(millones de toneladas)
30000
25000
20000
15000
10000
5000
2002
2003
Capacidad Instalada
2004
2005
2006
Producción Total
2007
2008
2009
Consumo Nacional
Fuente: CANACERO
Desde 1990, dadas las exigencias de la globalización de mercados y de
la privatización del sector siderúrgico mexicano (noviembre de 1991)
hasta 1998, se registraron inversiones por 7 mil 402 millones de
dólares, para fortalecer y modernizar la estructura productiva,
orientándose hacia la consolidación de la capacidad competitiva. En el
período 1999-2006, el sector mantiene su programa de inversiones en
reposición, rehabilitación, actualización, mantenimiento y ampliación,
alcanzando 2 mil 993 millones de dólares. La reconfiguración del sector
derivada de la fusión de importantes empresas con plena participación
en el contexto mundial, dio inicio a un nuevo plan de inversiones por 2
mil 295 millones de dólares de 2007 a 2009, en el que se crearon
nuevas plantas productoras de acero.
En un estudio realizado por A.T. Kearney para la Cámara Nacional de la
Industria del Hierro y del Acero y la Secretaría de Economía3, cuyo
objetivo es desarrollar un plan de acción enfocado en maximizar el
potencial del sector siderúrgico en México, el plan de acción incluirá
iniciativas que fortalezcan la competitividad del sector y el soporte a las
industrias consumidoras de acero para incrementar el PIB del sector
acero para el 2020 de 6 mil millones de dólares a 12 mil millones de
dólares; las líneas de acción a seguir para lograr el crecimiento
planteado, el sector acero deberá:
Capturar el total del crecimiento inercial del sector al 2020
Sustituir parte de las importaciones de México
Incrementar las exportaciones a EE. UU.
Adicionalmente al crecimiento inercial, se espera contar con incrementos
importantes en varias industrias:
Industria automotriz
Industria petrolera
Industria de la construcción relacionado con el Programa Nacional
de Infraestructura
Estos crecimientos se lograrán al enfocar los esfuerzos del sector en
aquellos productos de mayor atractividad (altos crecimientos) y de
mejor posición competitiva de México.
Las líneas de acción a seguir para lograr los objetivos son:
3
Desarrollo de un plan de acción estratégico para el sector siderúrgico en México; 2008.
Fuente: Desarrollo de un plan de acción estratégico para el sector siderúrgico en
México
De las líneas de acción que se proponen en el estudio se puede ver que
la mitad de las de competitividad de costos están relacionadas con la
energía que se ocupa en el proceso de generación de acero, ya que la
industria siderúrgica es el primer consumidor de electricidad (8% del
total nacional) y también es el primer consumidor de gas natural (32%
del total nacional), por lo cual sería conveniente desarrollar procesos
más eficientes.
La oportunidad de la ingeniería de materiales en la industria siderúrgica
es muy grande ya que se requiere de recursos humanos altamente
capacitados para generar nuevos procesos y nuevas tecnologías, para
hacer más competitiva la industria siderúrgica nacional.
Materiales Avanzados
La Ciencia e Ingeniería de los Materiales abarcan no solamente a los
materiales tradicionales estructurales sino también a los materiales
funcionales. Esta joven disciplina es indispensable para potenciar la
capacidad industrial, la innovación tecnológica y mejorar la calidad de
nuestras vidas. Nuevos y mejores materiales son una tecnología que
puede estimular la innovación.
Hoy en día se desarrollan materiales que se identifican de acuerdo a su
estructura y función, más que a su composición química. En esta
caracterización aparecen las nuevas denominaciones:
Nanomateriales
El término Nanomateriales engloba todos aquellos materiales
desarrollados con al menos una dimensión en la escala nanométrica.
Cuando esta longitud es, además, del orden o menor que alguna
longitud física crítica, tal como la longitud de Fermi del electrón, la
longitud de un monodominio magnético, etc., aparecen propiedades
nuevas que permiten el desarrollo de materiales y dispositivos con
funcionalidades y características completamente nuevas. En esta área,
por lo tanto, se incluyen agregados atómicos (clusters) y partículas de
hasta 100 nm de diámetro, fibras con diámetros inferiores a 100 nm,
láminas delgadas de espesor inferior a 100 nm, nanoporos y materiales
compuestos conteniendo alguno de estos elementos. La composición del
material puede ser cualquiera, si bien las más importantes son silicatos,
carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros,
haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros
orgánicos y materiales compuestos.
Los nanomateriales tienen importancia en los sectores socioeconómicos, desde Sanidad y Salud hasta Energía pasando por Textil,
Tecnologías de la Comunicación e Información, Seguridad, Transporte,
etc. y un enorme potencial económico. La National Science Foundation
de EE.UU. estima que la nanotecnología moverá en 2015 un billón de
dólares en el mundo, representando el segmento de nanomateriales el
31% del total.
Los sectores de actividad más relevantes en Nanomateriales incluyen
Materiales Nanoestructurados, Nanopartículas, Nanopolvos, Materiales
Nanoporosos, Nanofibras, Fullerenos, Nanotubos de Carbono, Nanohilos,
Dendrímeros, Electrónica Molecular, Puntos Quánticos y Láminas
Delgadas. La importancia de los Nanomateriales no sólo está en su
tamaño, situado entre la escala macroscópica y la escala atómica, que
bien da lugar a propiedades nuevas como mejora otras ya existentes.
Estos materiales tienen además la potencialidad de ser disruptivos,
pudiendo dar lugar a tecnologías que sustituyan otras ya existentes con
costes muy inferiores, tanto de materias primas como de producción.
Dentro de la publicación en la revista Nature Nanotechnology Alan L.
Porter y Jan Youtie, realizaron un análisis de las citas y publicaciones
para explorar las relaciones entre la nanociencia, la nanotecnología y el
resto de la ciencia y la tecnología; dicho trabajo se llevó a cabo en el
periodo de enero – julio del 2008 tomando un total de 30,762
publicaciones de nanotecnología. Dentro del análisis se encontró que las
publicaciones de nanotecnología abarcan 151 de las 175 categorías
temáticas del Science Citation Index (SCI), la relación que hay entre las
diferentes categorías se presenta en la siguiente imagen:
Fuente: Nature Nanotechnology | VOL 4 | SEPTEMBER 2009 |
www.nature.com/naturenanotechnology
En esta imagen podemos ver la importancia de los materiales en la
nanotecnología ya que el 50% de las publicaciones revisadas se
encontraban en esta disciplina y el 85% de las publicaciones citaban
artículos referentes a materiales. En la siguiente imagen se puede ver la
relación que tiene la disciplina de materiales con las diferentes
disciplinas de nanotecnología:
Fuente: Nature Nanotechnology | VOL 4 | SEPTEMBER 2009 |
www.nature.com/naturenanotechnology
Con este análisis podemos darnos cuenta de que la disciplina ciencia de
los materiales es muy importante en la nanotecnología, y que muchas
otras disciplinas se auxilian de esta para poder realizar sus estudios.
La relevancia de los nanomateriales es tal, que se ha convertido en el
segmento más lucrativo, rentable y con mayor participación en el
mercado mundial de la nanotecnología, ocupando más del 80% del
mercado; en el 2009 se tuvieron ventas de $ 9,027.2 millones de
dólares y para el 2015 se esperan ventas de 19,621.7 millones de
dólares, lo cual representa un crecimiento del 117%.
Mercado Mundial de Nanomateriales
(millones de dolares)
19,621.7
20,000.0
15,000.0
9,027.2
10,000.0
5,000.0
0.0
2009
2015
Fuente: BCC Research
En los próximos años se espera que los nanomateriales tengan una
evolución a nanosistemas, la evolución de los nanomateriales se
presenta en la siguiente imagen:
Fuente: Diagnostico y Prospectiva de la nanotecnología en México
Dentro del estudio “Diagnostico y Prospectiva de la nanotecnología en
México” se presentan algunas recomendaciones para el desarrollo de
estrategias para el diseño de nanomateriales, las cuales se presentan a
continuación:
Desarrollo de nuevos paradigmas para la creación de nuevas
construcciones o estructuras basadas en los conocimientos de la física y
la química a nivel nano.
• Nueva catálisis por nucleación, crecimiento y desensamble de
nanoestructuras.
• Métodos confiables y de fácil funcionalidad para el control de
las interfaces de interacción y aglomeración.
Desarrollar nuevas estrategias y paradigmas para el control del
ensamblaje de nanocompuestos y espaciado de nanoestructuras con
orden de largo alcance.
• Nuevos métodos de autoensamble basados en la explotación
tanto de los principios biológicos como del reconocimiento
molecular y de síntesis, así como de la química supramolecular.
• Métodos de integración mediante escalas de tiempo y longitud
de materiales (Integración jerárquica heterogénea)
Determinar en el laboratorio a nivel escala el rendimiento de los
nanomateriales
• Visualizar el rendimiento del nanomaterial en las aplicaciones a
escala en el laboratorio
• Elaborar dispositivos y diseñar aplicaciones, contemplando
conceptos y paradigmas, para la explotación de las propiedades
de la nanoescala.
• Desarrollar sistemas con nuevos enfoques y cambio de
paradigmas, para la aplicación de los nanomateriales.
Como se puede ver los nanomateriales son un gran nicho de
oportunidad en el que el país se puede enfocar, por lo cual se debe de
realizar un esfuerzo apoyando tanto a la industria y al sector académico,
para así generar nanomateriales con alto valor agregado y tecnológico.
Materiales biomiméticos
Buscan replicar o “mimetizar” los procesos y materiales biológicos, tanto
orgánicos como inorgánicos. Se persigue un mejor conocimiento de los
procesos utilizados por los organismos vivos para sintetizar minerales y
materiales compuestos, de manera que puedan desarrollarse, por
ejemplo, materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros.
Biomateriales
Son materiales capaces de estar en contacto con tejidos vivos, durante
un cierto periodo de tiempo, como parte del tejido, con la finalidad de
completar el tejido o de ayudar a mejorar el funcionamiento de éste
cuando forma parte de un sistema, sin afectar el resto del organismo y
sin ser afectado por él. Una parte interesante del futuro de la Medicina
descansa en el desarrollo de los nuevos biomateriales y en los avances
de las nuevas técnicas de la Biología Molecular.
Materiales inteligentes
Los materiales inteligentes, denominados también multifuncionales, son
aquellos que tienen la capacidad de cambiar sus propiedades mecánicas
o físicas en presencia de un estímulo concreto, tales como la corriente
eléctrica, un campo magnético, humedad, solventes, calor, presión,
entre otros. Un sistema inteligente es: Sistema o material que presenta
sensores, „actuadores‟ y mecanismos de control, intrínsecos o
embebidos, por los cuales es capaz de sentir un estímulo, de responder
ante él de una forma predeterminada en un tiempo apropiado y de
volver a su estado original tan pronto como el estímulo cesa.
Los materiales inteligentes pueden clasificarse en:
Materiales con memoria de forma
El efecto de memoria de forma consiste en una relación causa-efecto
entre la deformación (cambio de forma) y un estímulo externo, por
ejemplo, cambio de temperatura o de campo magnético.
Materiales electro y magnetoactivos
Los materiales electro y magnetoactivos cambian sus propiedades físicas
cuando se someten a un campo eléctrico y magnético, respectivamente.
Dentro de esta clasificación están los materiales piezoeléctricos, los
materiales electro y magnetoestrictivos, y los materiales electro y
magnetoreológicos.
Los materiales piezoeléctricos adquieren un potencial eléctrico o un
campo eléctrico cuando se someten a esfuerzo mecánico. También, se
produce el efecto contrario, ya que estos materiales se deforman cuando
se les aplica un voltaje. De acuerdo con esto, el „efecto piezoeléctrico‟ es
un fenómeno que resulta de una relación entre las propiedades
eléctricas y las mecánicas del material.
Los materiales electroestrictivos presentan el efecto de electroestricción,
el cual implica un cambio de la dimensiones cuando se aplica un campo
eléctrico. Una diferencia de éstos materiales con los piezoeléctricos es
que en los primeros existe una dependencia cuadrática de la
permisividad sobre el campo eléctrico, mientras que en los últimos
existe dependencia lineal. Los materiales magnetoestrictivos pueden
responder a campos magnéticos como los piezoeléctricos responden a
un campo eléctrico.
Los fluidos magnetoreológicos y electroreológicos pueden cambiar su
viscosidad, drásticamente y de manera reversible, cuando se someten a
un campo magnético y eléctrico, respectivamente.
Materiales foto y cromoactivos
Los materiales fotoactivos experimentan cambios de diferente tipo
cuando se someten a la acción de la luz, y pueden producir luz bajo
ciertos estímulos. En los cromoactivos se generan cambios de color en
presencia de un estímulo externo, como por ejemplo la temperatura, la
corriente eléctrica y la radiación UV. Ejemplos de materiales fotoactivos
son los electroluminiscentes, fluorescentes y fosforescentes, y de
materiales
cromoactivos,
los
fotocrómicos,
termocrómicos
y
electrocrómicos.
Metamateriales
Son materiales artificiales que presentan propiedades electromagnéticas
inusuales, las que resultan de la conjunción de los elementos empleados
en su composición y son absolutamente disímiles con las características
individuales de cada material que integra la composición final. Los
metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica
y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en
día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un
índice de refracción ajustable, es decir, la creación de "superlentes" que
mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico
médico y otros usos orientados hacia otros espacios dentro del espectro
electromagnético, además de la óptica tradicional y aplicable a la visión
humana.
Educación en ciencia e ingeniería de materiales
Los antecedentes de la ingeniería en materiales provienen de la
metalurgia, aún existen programas orientados hacia la metalurgia, sin
embargo debido a cambios en las necesidades sociales e industriales la
metalurgia replantea su papel y da paso a la ciencia e ingeniería en
materiales.
La Ciencia e Ingeniería de Materiales es un campo de conocimiento
interdisciplinar que abarca el estudio de la estructura, propiedades,
procesado y aplicaciones de todo tipo de materiales; la ciencia de
materiales es una disciplina científica íntimamente relacionada con la
investigación, que tiene por objeto el conocimiento básico de la
estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales
mientras que la ingeniería de Materiales es un campo interdisciplinario
que aplica los conocimientos fundamentales de la estructura y
propiedades de la materia para el desarrollo de nuevos materiales que
se pueden utilizar en la vida diaria o para las tecnologías más
avanzadas.
Los ingenieros en materiales encuentran los métodos más eficientes
para la transformación de los minerales extraídos de las minas en
materiales útiles tales como las aleaciones resistentes para el sector
aeroespacial o compuestos biocompatibles que se pueden utilizar para
regenerar los huesos, pueden hacer toneladas de aluminio para latas de
bebidas, automóviles, aviones o crear estructuras de tamaño
nanométrico que pueden ser usados para hacer los láseres, celdas
solares, sensores para la detección de explosivos o para administrar
medicamentos directamente en los tejidos dañados.
El bienestar económico y social de un país en cierta medida depende de
su nivel en ingeniería de materiales, junto con el desarrollo de sus
capacidades energéticas y de las Ciencias de la Información. La Ciencia
e Ingeniería de Materiales permitirá ser más competitivos; fabricar –por
métodos alternativos- materiales convencionales con más calidad y
economía, y producir nuevos materiales para satisfacer las demandas de
la industria, del medio ambiente y de la salud.
Universidades e Institutos de Enseñanza Superior en México con
carreras de ciencias e ingeniería de materiales.
A pesar de que ya son un número importante las Instituciones que ofrecen
carreras de Ingeniería en el área de materiales, las necesidades de este
tipo de profesionistas deberían crecer a la par del desarrollo de nuevas
industrias que hacen uso de tecnología de información, biotecnología y
nanotecnología.
A nivel licenciatura se encontraron 6 programas que llevan explicitamente
el termino materiales, dichos programas son impartidos por 14
instituciones de la siguiente manera:
Programa
INGENIERÍA EN MATERIALES
Institución
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALTILLO
INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE
IRAPUATO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATECAS
ING. QUÍMICO
METALURGISTA Y
MATERIALES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILA
ING. EN METALURGIA Y
MATERIALES
ING. EN CIENCIA DE LOS
MATERIALES
ING. QUÍMICO EN
MATERIALES
TSU EN QUÍMICA DE
MATERIALES
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS
POTOSÍ
UNIVERSIDAD JUÁREZ DEL ESTADO DE
DURANGO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE
HIDALGO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TABASCO
Fuente: Catálogo Anuies
Existen 6 programas relacionados pero que no llevan explícitamente la
palabra materiales y son impartidas por 7 instituciones de la siguiente
forma:
Programa
Institución
UNIVERSIDAD
UNIVERSIDAD
MÉXICO
UNIVERSIDAD
UNIVERSIDAD
MÉXICO
UNIVERSIDAD
UNIVERSIDAD
UNIVERSIDAD
HIDALGO
ING. EN MINAS Y
METALURGISTA
ING. QUÍMICO
METALÚRGICO
ING. METALURGISTA
ING. METALÚRGICO
ING. MINERO
METALÚRGICO
ING. MINERO
METALURGISTA
AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA
NACIONAL AUTÓNOMA DE
DE COLIMA
NACIONAL AUTÓNOMA DE
AUTÓNOMA METROPOLITANA
DE GUANAJUATO
AUTÓNOMA DEL ESTADO DE
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
Fuente: Catálogo Anuies
En resumen hay 12 programas relacionados a materiales, las cuales son
impartidas por 18 instituciones, siendo ingeniería en materiales el
programa que más instituciones ofrecen con un total de 7.
En cuanto a posgrados se refiere, se encontraron 16 maestrías y 18
doctorados que llevan explicitamente el término materiales, dichos
programas son impartidos por 18 instituciones de la siguiente manera:
Institución
CENTRO DE INVESTIGACIÓN
CIENTÍFICA Y EDUCACIÓN SUPERIOR
DE ENSENADA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
SALTILLO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE
COAHUILA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE
MATERIALES AVANZADOS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD
JUÁREZ
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO
Programas
MAESTRÍA Y DOCTORADO DE FÍSICA DE
MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIA
EN MATERIALES
MAESTRÍA EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
DE LOS MATERIALES
DOCTORADO EN MATERIALES
POLIMÉRICOS
MAESTRÍA Y DOCTORADO CIENCIA DE
MATERIALES
MAESTRÍA EN CIENCIA DE LOS
MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIA
DE MATERIALES
DOCTORADO EN METALURGIA Y CIENCIA
DE LOS MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIA E
INGENIERÍA DE MATERIALES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL
ESTADO DE HIDALGO
ITESM – CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL
ESTADO DE MÉXICO
UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN
NICOLÁS DE HIDALGO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO
LEÓN
BENEMÉRITA UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE PUEBLA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE
ESTUDIOS AVANZADOS DEL IPN UNIDAD QUERÉTARO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN
LUIS POTOSÍ
UNIVERSIDAD DE SONORA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN
CIENTÍFICA DE YUCATÁN, A.C.
DOCTORADO EN CIENCIAS DE LOS
MATERIALES
DOCTORADO EN CIENCIAS E
INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIAS
DE MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN
METALURGIA Y CIENCIA DE LOS
MATERIALES
DOCTORADO EN INGENIERÍA DE
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y
ESTRUCTURAS
DOCTORADO EN INGENIERÍA DE
MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN CIENCIAS
DE LOS MATERIALES
2 MAESTRÍAS Y 2 DOCTORADOS EN
CIENCIAS DE MATERIALES
MAESTRÍA EN METALURGIA E
INGENIERÍA DE MATERIALES
MAESTRÍA EN POLÍMEROS Y
MATERIALES
DOCTORADO EN CIENCIAS DE
MATERIALES
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN
MATERIALES POLIMÉRICOS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE
MAESTRÍA EN PROCESOS Y MATERIALES
ZACATECAS
Fuente: Catálogo Anuies
Hay 7 programas de maestría y 5 de doctorado relacionados que no
tienen explicito la palabra materiales, estos programas son impartidos
por 7 instituciones de la siguiente manera:
Institución
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN
QUÍMICA APLICADA
Programas
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN
TECNOLOGÍA DE POLÍMEROS
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
ZACATEPEC
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD
MADERO
DOCTORADO EN INGENIERÍA DE
POLÍMEROS
MAESTRÍA EN POLÍMEROS
DOCTORADO EN POLÍMEROS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA CERÁMICA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE
DOCTORADO EN INGENIERÍA
ESTUDIOS AVANZADOS DEL IPN METALÚRGICA Y CERÁMICA
UNIDAD SALTILLO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA
METALÚRGICA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO
MAESTRÍA Y DOCTORADO EN
LEÓN
INGENIERÍA CERÁMICA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
METALÚRGICA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA MAESTRÍA EN METALURGIA
Fuente: Catálogo Anuies
En resumen hay 23 programas de maestría y 23 programas de
doctorado al año 2006, los cuales son impartidos por 23 instituciones;
de estos programas 20 pertenecen al Programa Nacional de Posgrados
de Calidad los cuales representan el 13.1% del total de programas de
posgrado relacionados con la ingeniería.
Disciplina
Ingeniería de materiales
Ciencia de materiales
Ingeniería metalúrgica
Programas
9
6
5
La matricula de estudiantes en el área de materiales en el periodo de
2006-2007 fue de 2,173 alumnos, en ese mismo periodo hubo 246
egresos y 105 titulaciones, si hacemos una comparación entre el
número de alumnos que ingresan tenemos que por cada 100 alumnos
que ingresan tenemos 11 egresados y 5 titulaciones. Y las titulaciones
con respecto a los egresos nos dan una relación de que por cada 100
egresados tenemos 42 titulaciones, esto nos sirve para darnos una idea
de cuál es el promedio de alumnos que va terminando los estudios,
debemos tomar en cuenta que no todas las generaciones son del mismo
tamaño, pero nos da una referencia de cómo está el panorama.
Datos de licenciaturas relacionadas
con materiales
2173
2500
2000
1500
1000
500
0
MATRICULA
246
105
EGRESADOS
TITULADOS
Fuente: ANUIES
A nivel Técnico Superior Universitario tenemos que en el periodo de
2006-2007 se tuvo una matrícula de 328 alumnos, si esta cifra la
sumamos a la matricula de licenciatura tenemos que los alumnos a nivel
TSU representan el 13%. Por cada 100 alumnos que ingresan se tienen
26 egresados y 6 titulados.
Datos a nivel TSU relacionados con
materiales
400
328
300
200
86
21
100
0
MATRICULA
EGRESADOS
TITULADOS
Fuente: ANUIES
A nivel posgrado se tuvo en el periodo 2006-2007 una matrícula de 438
alumnos, egresaron 75 y se titularon 74, se puede ver que en este nivel
de estudios es muy parecido el número de alumnos que egresan al
número de alumnos que se titulan, lo cual da una idea de que por lo
general los alumnos que egresan a nivel posgrado se titulan.
Datos a nivel Posgrado relacionados
con materiales
500
400
300
200
100
0
438
MATRICULA
75
74
EGRESADOS
TITULADOS
Fuente: ANUIES
Instituciones
Instituciones que tienen líneas de investigación referente a materiales
en México.
UNAM: IIM, IF, IQ, FQ, CI, IIN, CECIMAC, CIE
Centros CONACYT: CIMAV, CICESE, CIQA, COMIMSA, CIO, IPICYT,
CICY
UAM: Iztapalapa
Centros del Sector Energía: IIE, IMP, ININ
CINVESTAV: Querétaro, Saltillo, Mérida, México D.F.
Univ. Estatales: UANL, UAP, UMSNH, UNISON, UASLP, U de G,
UAC
IPN: CIIT, ESIQUIE, ESIME
CENAM
Universidades Privadas: Ibero, ITESM
Institutos Tecnológicos Regionales
Red de Nanociencias y nanotecnología
Centros de Investigación y Desarrollo de empresas privadas realizan
también actividades en el área de materiales, entre los que se cuentan:
Grupo DESC
Vitro
CEMEX
MABE
Peñoles
Hylsa
GCC
CONDUMEX
PROLEC
Analisis (FODA)
En la presente sección se pretende esbozar
correspondiente a la ingeniería en materiales.
un
Análisis
FODA
Fortalezas
Se
cuenta
con
empresas
nacionales
e
internacionales
desarrollando proyectos referentes a nuevas tecnologías en
materiales
Se cuenta con infraestructura básica para realizar investigación
Un número de facultades, escuelas y centros de investigación de
ingeniería en materiales de buen nivel
Acuerdos y tratados internacionales
Disponibilidad de recursos naturales
Debilidades
Carencia de un programa o iniciativa nacional
Carencia de ámbitos colaborativos entre los diferentes grupos de
investigación
Escaso presupuesto fiscal dedicado a la Ciencia y Tecnología
Dependencia tecnológica del exterior
Gran cantidad de PyMES sin capacidad en inversión tecnológica
Desconocimiento de los programas y apoyos gubernamentales
orientados a la investigación y el desarrollo
Oportunidades
Posibilidad de incorporarse a las nuevas tendencias en los
materiales
Cercanía geográfica con EUA
Explotar los nichos en los que México cuenta con ventajas
competitivas
Colaboración y cooperación internacional
Existen opciones pertinentes para la formación y capacitación de
recursos humanos
Formación de redes nacionales referentes a tecnología de
materiales
Amenazas
Ampliación de la brecha tecnológica con respecto a países más
avanzados
Pérdida de ventajas competitivas debido a la falta de desarrollo
tecnológico
Cambios imprevistos en las prioridades nacionales
Recomendaciones Generales
El país cuenta con el potencial para producir materiales de mayor
valor agregado para atender a la demanda de las industrias de
alta tecnología.
Apoyar a los sectores industriales como el metal-mecánico, el de
los plásticos, el minero, el del cemento, el acero, el del vidrio,
entre otros, ya que actualmente cuentan con capacidades
reducidas de investigación y desarrollo tecnológico, así como de
formación de recursos humanos de alto nivel, que no compiten
con las existentes en otras sociedades o regiones industrializadas.
En general el aparato productivo mexicano en el campo de los
materiales se caracteriza por su escaso contenido tecnológico. Muy
pocas industrias nacionales pueden ser consideradas como de
clase mundial, por lo cual hay que fomentar y apoyar la inversión
en desarrollo de tecnología propia.
Hay que modernizar el aparato productivo y generar tecnología
propia para hacer frente a la competencia internacional.
Fortalecer a las Instituciones de Educación Superior y Centros de
Investigación relacionados con la Disciplina de Ciencia de
Materiales.
Promover programas de estudio en el nivel licenciatura.
Fomentar la colaboración interdisciplinaria entre física, química y
matemáticas, con ciencia e ingeniería de los materiales, a través
de la promoción de proyectos en que se involucren actividades
complementarias para el desarrollo de productos y procesos para
la industria.
Articular voluntades y recursos, así como focalizar los esfuerzos,
para multiplicar los recursos disponibles.
Generar infraestructura científica y Tecnológica en el sector de los
materiales y específicamente en el subsector de los materiales
avanzados.
Crear Bancos de Datos, Laboratorios Nacionales y Centros de
Investigación y Desarrollo, que dinamicen las tareas de Ciencia y
Desarrollo Tecnológico.
Establecer programas de movilidad entre personal de la academia
hacia la industria y viceversa.
Establecer programas que hagan atractiva la estancia de
profesores extranjeros de alto nivel, que produzcan un efecto
multiplicador en las capacidades locales.
Difundir la relevancia de la Ciencia de los Materiales hacia la
sociedad.
Dar importancia a los ejercicios de prospectiva como el presente y
considerar por lo tanto la conveniencia de su continuidad.
Crear programas de incentivos orientados a la vinculación y
generar un cambio en la mentalidad de las comunidades
académicas en el sentido de incentivar adecuadamente tales
acciones.
Creación de un programa nacional de impulso que contemple el
marco de referencia para las acciones de investigación, desarrollo
e innovación (I+D+i).
Establecimiento de fondos públicos para la inversión en I+D+i.
Impulsar la I+D+i de los materiales avanzados.
Incorporar los materiales tanto tradicionales como avanzados en
las prioridades de políticas de desarrollo industrial.
Crear un balance entre Materiales Avanzados y Tradicionales.
En el estudio “Prospectiva Tecnológica Industrial de México” se hacen las
siguientes recomendaciones referentes a la industria de materiales.4
Sector Académico-Científico:
El sector debe producir recursos humanos de alta calidad científica
que resolverán los problemas tecnológicos industriales de los
empresarios a través de una renovada cultura de vinculación para
mejorar la generación de los recursos económicos del país.
4
Prospectiva Tecnológica de México 2002-2015
Es necesario generar tecnología con demanda internacional ya que
la venta de patentes y desarrollos tecnológicos traería como
consecuencia una derrama económica nacional.
Este sector estará involucrado en la generación de suficientes
recursos y buscará que se incremente el porcentaje del PIB que se
invierte en este rubro.
Se debe orientar y fomentar la actividad académica hacia las
aplicaciones que puedan ser utilizadas en nuevos productos y
procesos, lo que estimularía la inversión de la industria privada.
Se debe fomentar la creación de foros de interacción para
establecer las áreas de oportunidad.
Se deben establecer prioridades para el desarrollo nacional como
guía para el quehacer científico y tecnológico.
Los incentivos económicos a los científicos deben incluir aspectos
relacionados con el desarrollo tecnológico y su impacto en el
sector industrial.
Sector gobierno:
Existe una deficiente y no equitativa recaudación fiscal por lo tanto
es prioritario que se mejore ésta.
Es necesario que el gobierno considere el ejercicio de las
prospectivas tecnológicas industriales y dé prioridad e incentive a
aquellas empresas que a mediano plazo generarán empleos y
recursos económicos.
La mejora en las recaudaciones y captaciones fiscales permitirá el
incremento deseado para aumentar el porcentaje del PIB en el
sector de ciencia y tecnología
Es indispensable establecer una clara Política de Estado que defina
un rumbo a largo plazo en el área de Ciencia y Tecnología,
considerando las prioridades de desarrollo nacional.
Es importante establecer un balance entre el financiamiento para
los apoyos a la investigación básica y a la investigación aplicada
El sector público debe crear bancos de información y laboratorios
nacionales que estén orientados a la promoción, vinculación,
desarrollo e impulso a la formación y mantenimiento del sector
productivo.
Sector Industrial:
Es urgente mejorar la relación de los centros de investigación con
las empresas, ya que existe una desconfianza de los industriales
en los desarrollos que proporcionan los medios de investigación.
(Interlineado)
Esto ocasiona que no se tenga suficiente inversión de los
empresarios para lograr nuevos desarrollos. Así mismo existe una
cantidad de empresas que invierten recursos en el exterior para
captar su tecnología.
Si se logra que las empresas inviertan recursos en la investigación
para el desarrollo de sus tecnologías y el uso de patentes
nacionales, aunado a una confianza en los centros de investigación
y universidades nacionales, se tendrían mayor capital que,
sumado a los recursos gubernamentales podría incrementar el
porcentaje del PIB en Ciencia y Tecnología.
El sector debe identificar la importancia del desarrollo tecnológico
y de la investigación como condición necesaria para su
competitividad internacional, ante un entorno cada vez más
competitivo.
Se deben definir las áreas de oportunidad en el sector de los
materiales avanzados para incorporar el conocimiento más que la
transformación de materias primas.
La industria con capacidad de investigación propia debe reorientar
el quehacer hacia la generación de nuevos conocimientos que de
lugar a nuevas tecnologías más competitivas.
Referencias:
Alan L. Porter and Jan Youtie; Where does nanotechnology belong in the
map of science?; Nature Nanotechnology Magazine, volume 4,
September 2009.
Consejo de Desarrollo Tecnológico y Científico de Nuevo León, ADIAT,
CONACYT; Prospectiva Tecnológica Industrial de México 2002-2015
sector 10: Materiales.
Secretaría de Economía, Centro de Investigación en Materiales
Avanzados, FUNTEC; Diagnostico y Prospectiva de la Nanotecnología en
México.
CANACERO; SE; Desarrollo de un plan de acción estratégico para el
sector siderúrgico en México; 2008.
Sang Hee Cho, Jeong Joo Kim, Joon Hyung Lee y Doh Yeon Kim; La
Educación en Ciencia e Ingeniería de Materiales en Universidades
Coreanas.
MIT; 10 Emerging Technologies, Technology Review; 2010.
Materials Science and Engineering Overview
María Cristina Piña Barba; Los biomateriales y sus aplicaciones.
Fernando Palacio Parada; Nanomateriales.
Arias Maya, Luz Stella;
Compuestos Inteligentes.
Vanegas
Useche,
Jonas Klemas V.; Materiales Inteligentes
Polímeros con Memoria de Forma.
Libardo;
Aleaciones
Materiales
Metálicas
Catálogo de licenciaturas 2007; ANUIES
Catálogo de Posgrados 2006; ANUIES
Cámara Nacional de la Industria del Hierro y del Acero (CANACERO)
Cámara Nacional del Cemento (CANACEM)
y