Materiales Ceramicos
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.
Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios mas agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería.
En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica.
Estructuras de los Cerámicos Sencillos:
Algunos compuestos cerámicos con estructuras cristalinas relativamente sencillas están recogidos en la tabla 10.1 con sus puntos de fusión.
Tabla 10.1
Compuesto cerámico | Punto de Fusión,°C | Compuesto cerámico | Punto de Fusión,°C |
Carburo de afnio, HfC | 4150 | Carburo de boro, B4C | 2450 |
Carburo de titanio, TiC | 3120 | Oxido de aluminio, Al2O3 | 2050 |
Carburo de wolframio, WC | 2850 | Dióxido de silicio, SiO2 | 1715 |
Oxido de magnesio. MgO | 2798 | Nitruro de silicio, Si3N4 | 1900 |
Carburo de silicio, SiC | 2500 | Dióxido de titanio, TiO2 | 1605 |
En los compuestos cerámicos listados, el enlace atómico es una mezcla de los tipos iónico y covalente para los enlaces entre átomos en estos compuestos se pueden obtener considerando las diferencias de electronegatividad entre los diferentes tipos de átomos en los compuestos y utilizando la ecuación de Pauling para el porcentaje de carácter iónico. La cantidad de enlace iónico o covalente entre los átomos de estos compuestos es importante porque determina en alguna medida que tipo de estructura cristalina se formara en el compuesto cerámico.
Los sólidos (cerámicos) iónicos el empaquetamiento de los iones esta determinado principalmente por los siguientes factores:
1- El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (considerando los iones como esferas compactas de radio definido).
2- La necesidad de balancear las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el sólido iónico.
Tipos de materiales cerámicos
Podemos diferenciar entre dos grandes grupos de materiales cerámicos, los tradicionales y las denominadas cerámicas técnicas. Estos últimos también se conocen como cerámicas ingenieriles, avanzadas o tecnológicas. Productos usuales de la cerámica tradicional:
Cerámicas de mesa, pavimentos y revestimiento, Sanitarios, Refractarios, Porcelanas (aislantes, decorativas).
Los productos de cerámicas técnicas se utilizan para una amplia variedad de tecnologías:
Aeroespacial: Materiales ligeros de alta resistencia mecánica y de alta temperatura para motores, aviones, revestimientos de lanzadera espacial, etc
Automatismo: Sensores, componentes de alta temperatura.
Biomédica: Huesos, dientes, materiales de implante.
Óptica/Fotónica : Fibras ópticas, amplificadores laser, lentes, etc.
Electrónica: Condensadores, sustratos de circuito integrado, aislantes, etc.
Energía: Celdas de combustible sólidas, combustible nuclear.
Esquema general del procesado de los materiales cerámicos
Las etapas básicas en la fabricación de productos cerámicos son:
o Mezclado y molturación de materias primas
o Conformación
o Moldeo
o Secado
o Cocción
En función del tipo específico de material cerámico fabricado se introducirán una o varias etapas adicionales:
o Montaje en piezas con formas complicadas
o Esmaltado en cerámicas decorativas o que requieran modificar ciertas propiedades cerámicas.
o Lavado y molienda en materiales cerámicos pulverulentos, como los pigmentos
Clasificación de las cerámicas tradicionales
Estos cuatro tipos de pasta alfarería, loza, gres y porcelana pueden ser clasificadas de acuerdo a una gran cantidad de criterios, los más comunes suelen ser:
- Temperatura de quema: Es la temperatura en la cual, los cuerpos cerámicos alcanzan a desarrollar de manera más conveniente sus propiedades. Estas pueden ser de: Baja temperatura (850°C-1050°C), media temperatura (1100°-1150°C), Alta temperatura (1200°-1300°C).
- Plasticidad: Es la capacidad que tiene el material para dejarse moldear. Por su grado de plasticidad, pueden ser plásticas o poco plásticas.
- Densidad: Es la relación que Existe entre el volumen total de poros y el volumen total ocupado por el material. De acuerdo a su densidad pueden ser porosas o densas.
- Color: Se considera el color de la pasta después de la quema y pueden ser de color o blancas.
- Grano: Concierne al tamaño del grano de las partículas que conforman un cuerpo cerámico y son los que dan la apariencia de que una pasta es fina o gruesa.
- Texturizantes: Se refiere a la posibilidad de agregar materiales texturizantes como grog o arcilla refractaria.
