Post on 15-Feb-2015
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN A LOS
MATERIALES CERÁMICOS
PROFESORA: ELCY MARÍA CÓRDOBA TUTA
ASIGNATURA:
MATERIALES REFRACTARIOS
ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES
Antigua
• Término griego “KERAMOS” (Material quemado)
• Artículo sólido formado por la acción del calor sobre materias primas terrosas.
Moderna (incompleta)
• Artículo sólido compuesto en su mayor parte por sustancias inorgánicas no metálicas y endurecido por acción del calor.
Actualmente aceptada
• Sólido inorgánico no metálico (Kingery, 1976).
1. DEFINICIÓN
• Sólido inorgánico no metálico (Kingery, 1976).
• Artículo sólido compuesto en su mayor parte por sustancias inorgánicas no metálicas y endurecido por acción del calor.
• Término griego “KERAMOS” (Material quemado)
• Artículo sólido formado por la acción del calor sobre materias primas terrosas.
¿El grafito y el diamante son
cerámicos?
Compuesto orgánico:
Es aquel que tiene como componente principal al
carbono, en combinación con otros elementos
como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno.
Grafito y diamante: Compuestos sólo de
carbono. Son materiales cerámicos.
•El trabajo de la arcilla fue una técnica común a
todas las culturas primitivas.
•La cerámica fue uno de los
primeros materiales fabricados
por el hombre luego del
descubrimiento del fuego.
2. HISTORIA DE LA CERÁMICA
•Cerámicas más antiguas (hace diez mil años):
recipientes encontrados en Siria, Mesopotamia
inferior, noreste de Nigeria. Cocidos a fuego
directo.
•Tablillas de barro de los sumerios (5000 A.C.)
para transmitir mensajes.
•Primeros hornos: Mesopotamia (año 4500 A.C.).
Figuras con sentido religioso y urnas fúnebres,
fabricadas a mano.
Adobe: Mezcla de
barro y paja. Secado
al sol. Sin cocción.
•Ladrillos de barro (4000
A.C.), sólo para
construcción de murallas,
templos y palacios.
•Tejas (800 A.C.) en
Grecia
•Torno alfarero (2500
A.C.) en Egipto
•Caolín: En el año 2000 A.C. los chinos
descubrieron la arcilla de mayor calidad, en una
colina denominada Kao-Ling.
Al mezclarlo con feldespato y agua y cocerlo a alta
temperatura (1200-1300°C), obtuvieron un material
blanco y muy vitrificado “PORCELANA”.
•Culturas precolombinas: No tuvieron gran
desarrollo en la alfarería, no se desarrollaron
hornos de gran temperatura (sólo 500-600°C).
•En América los materiales vidriados
se conocieron con la llegada de los
conquistadores.
•En Egipto desde el 1450 A.C. ya
existía toda una “industria del vidrio”.
• Cerámicos modernos
3. CLASIFICACIÓN DE LOS
CERÁMICOS
Formas de
clasifica-ción
Rápida
Composición
Estructura Productos
Función
TRADICIONALES
• A base de silicatos y aluminosilicatos (Ej. arcillas).
• Baratos (materia prima abundante en la corteza terrestre).
• Tejas, ladrillos, etc.
AVANZADOS
• A partir de la concentración y purificación de minerales poco abundantes.
• Materiales sintéticos.
• Costosos
• ZrO2, SiC, BaTiO3
DIVISIÓN RÁPIDA
ELEMENTO % PESO
O 46.60
Si 27.72
Al 8.13
Fe 5.00
Ca 3.63
Na 2.83
K 2.59
Mg 2.09
Ti 0.44
H 0.14
Resto
elementos
0.83
> 80%
COMPOSICIÓN DE LA CORTEZA
TERRESTRE
“La corteza terrestre es el mayor
material cerámico en la naturaleza”
COMPOSICIÓN (ÓXIDOS Y NO ÓXIDOS)
Componentes
principales
Tipos Ejemplos
Óxidos
Silicatos
Puros: SiO2 (cristalina, vítrea)
Parcialmente sustituidos:
Aluminosilicatos (SiO2+ Al2O3 + otros)
No silicatos
Puros: Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO,
BeO, Cr2O3, UO2, GeO2, WO3, etc.
Parcialmente sustituidos:
ferritas (NiFe2O4)
Sales: yeso (CaSO4)
No óxidos
Mono-
elementales
Grafito (C)
Azufre (S)
Binarios
Carburos (SiC, B4C3, WC, etc.)
Boruros (ZrB2, etc.)
Nitruros (BN, Si3N4)
Fosfuros (AlP)
Silicluros (MoSi2)
Calcogenuros (S + otro elemento)
Halogenuros (F, Cl, Br, I + otro elemento)
Arseniuros (GaAs)
Ternarios, etc.
Los anteriores parcialmente sustituidos
Mezclas de óxidos y no óxidos (SIALON:
Si3N4+Al2O3)
ESTRUCTURA
• Teniendo en cuenta el ordenamiento de largo
alcance de lo átomos:
1.Monocristalinos: naturales (cuarzo, rubí,
diamante), sintéticos (diamante)
2.Policristalinos: obtenidos por sinterización
(inmensa mayoría de cerámicos cristalinos)
3.No cristalinos: estructura amorfa (vidrios)
Diamante (C puro) Cuarzo (SiO2) Escapolita (silicato de Al)
Modelo atómico en un
material ordenado
(cristalino)
Modelo atómico en un
material amorfo
(vidrio)
Alúmina (Al2O3) Vidrio (con inmiscibilidad
líquida)
IMÁGENES DE MISCROSCOPIA
ELECTRÓNICA DE BARRIDO
VITROCERÁMICA
MICROESTRUCTURA DE UN
VITROCERÁMICO
PRODUCTOS
DENOMINACIÓN DEFINICIÓN GENERAL Y EJEMPLOS
Cerámica roja Productos de arcilla cocida, generalmente porosos: ladrillos,
tejas, objetos artísticos, etc.
Cerámica blanca Productos de caolín-feldespato-cuarzo, pueden ser porosos
o no: lozas, porcelana para vajillas, sanitarios, etc.
Refractarios Productos resistentes a altas temperaturas: Sílico-
aluminosos, de alta alúmina, básicos, etc.
Vidrios Productos no cristalinos, generalmente transparentes:
vidrios planos, envases, fibras, etc.
Cementos Productos que presentan características aglomerantes y
adhesivas al ser mezclados con agua. Cemento Pórtland,
yeso, cal, etc.
Abrasivos Productos de alta dureza usados para cortar y pulir: carburo
de silicio, diamante, carburos metálicos, etc.
Cerámicos
especiales
Los productos no comprendidos en los grupos anteriores
FUNCIÓN
FUNCIÓN EJEMPLOS Y USOS
Eléctrica y
electrónica
Aislantes: Porcelanas, Al2O3, etc. → aisladores
Ferroeléctricos y piezoeléctricos: BaTiO3, etc. →
capacitores, osciladores, transductores, etc.
Semiconductores: óxidos de metales de transición →
termistores, varistores
Superconductores: Tl2Ba2Ca2Cu3Ox
Conductores iónicos: β-Al2O3, ZrO2, etc. → electrolitos
sólidos, sensores.
Magnética Ferritas: memorias, sensores
Óptica Lentes, filtros ópticos, etc.: vidrios
Química Sensores de gases: ZrO2, SnO2
Soportes de catalizadores: Al2O3, vidrios, etc.
Electrodos: grafito, etc.
Térmica Refractarios: sílico aluminosos, básicos, etc.
Mecánica Materiales de construcción: cerámica roja (ladrillos, etc)
Abrasivos: Al2O3, diamante, TiC, SiC, etc.
Nuclear Combustibles nucleares: UO2, PuO2
Protección: vidrios con PbO
Biológica Prótesis óseas y dentales: Al2O3, etc
Recubrimientos: hidroxiapatita
Huesos artificiales: biovidrios
MICROESTRUCTURA TÍPICA DE
LOS MATERIALES CERÁMICOS
En gran medida, la
microestructura
define las
propiedades del
cerámico
Ejemplo distribución de fases:
OBTENCIÓN DE UNA PORCELANA
MATERIAS PRIMAS
45% caolinita (Al2O3·2SiO2·2H2O)
25% cuarzo (SiO2)
25% feldespato (K2O·Al2O3·6SiO2)
5% comp. Minoritarios (Fe2O3, TiO2, etc.)
Principales transformaciones
durante la cocción de la porcelana
Caolinita:
3(Al2O3·2SiO2·2H2O) → 3Al2O3·2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O
Caolinita mullita cristobalita
Cuarzo: SiO2 → SiO2
cuarzo cristobalita (hexag., 2,65 g/cm3) (tetrag., 2,33 g/cm3)
Feldespato:
feldespato → vídrio (silicato K)
45% caolinita
(Al2O3·2SiO2·2H2O)
25% cuarzo (SiO2)
25% feldespato
(K2O·Al2O3·6SiO2)
5% comp. minoritarios
(Fe2O3, TiO2, etc.)
40% mullita
(3Al2O3·2SiO2)
15% cristobalita (SiO2)
15% cuarzo (SiO2)
30% fase vítrea
(todos los elementos)
1000 a
1500°C
Micrografías de una
porcelana sinterizada
a 1475°C
ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS
MATERIALES CERÁMICOS
• Casi el 90% de los elementos metálicos
cristalizan en los sistemas cúbico y hexagonal.
• El sistema cristalino de la mayoría de cerámicos
es diferente al cúbico y al hexagonal.
• Las propiedades de los cerámicos dependen en
gran medida de su arreglo atómico.
• Debido a sus enlaces iónicos y covalentes, los
cerámicos por lo general son:
Duros, frágiles, con alto punto de fusión, baja
conductividad eléctrica y térmica, estables
química y térmicamente y tienen elevada
resistencia a la compresión.
• Ejemplos de excepciones:
- El SiC y AlN tienen conductividades térmicas
parecidas a la de los metales.
- El FeO, ZnO, TiO2 son semiconductores
- El YBa2Cu3O7-x es superconductor
FACTORES DE LOS QUE DEPENDE
LA ESTRUCTURA DE LOS CERÁMICOS
1.Estequiometría del cristal
2.Tamaño de los átomos presentes
3.Grado de direccionalidad de los enlaces
ESTEQUIOMETRÍA DEL CRISTAL
Balance de cargas para mantener la neutralidad
eléctrica global.
N° cargas positivas = N° cargas negativas
Dependiendo de su estequiometría el cerámico
tiene tendencia a algunas estructuras en particular.
AX
MgO
Mg
O
AX2
ZrO2
Zr
O
ABX3
CaTiO3
Ca
O
Ti
TAMAÑO DE LOS ÁTOMOS PRESENTES
(Relación entre radios)
Los átomos se arreglan de tal forma que alcancen
el estado de menor energía posible.
Se maximizan las fuerzas de atracción entre
átomos y se minimizan las de repulsión.
Cada catión se rodea del mayor número posible de
aniones.
Críticamente
estable
Inestable
(Vibración del catión)
Estable
La estabilidad del
sistema aumenta con
la relación de radios
del catión y el anión:
rc/ra
Número de
coordinación
Arreglo de iones
alrededor del ion
central
Rango de rc/ra Estructura
3
4
6
8
12
Esquinas de un
triángulo
Esquinas de un
tetraedro
Esquinas de un
octaedro
Esquinas de un
cubo
Esquinas de
cuboctaedro
≥ 0.155
≥ 0.225
≥ 0.414
≥ 0.732
≈ 1.000
RELACIONES CRÍTICAS DE RADIOS PARA
VARIOS NÚMEROS DE COORDINACIÓN
La estructura más estable es aquella con el máximo número de coordinación
permitido por la relación de radios
¿Cuáles son las estructuras esperadas
para el CsCl y el MgO?
Para el CsCl:
rCs+/rCl- = 0.170 nm/0.181 nm = 0.94
Número de coordinación = 8
Estructura cúbica
Para el MgO:
rMg2+/rO2- = 0.065 nm/0.144 nm = 0.45
Número de coordinación = 6
Estructura octaédrica
GRADO DE DIRECCIONALIDAD DE
LOS ENLACES (Carácter covalente)
Muchos compuestos con rc/ra ≥ 0.414
cristalizan con arreglos tetraédricos y no
octaédricos (como habría de esperarse).
Esto sucede cuando aumenta el carácter
covalente del enlace.
ENLACES EN LOS CERÁMICOS
IÓNICO COVALENTE MEZCLA
Enlace iónico Enlace covalente
Electronegatividades muy
diferentes
Electronegatividades similares
Un átomo donor y otro aceptor Los átomos comparten electrones
Estructuras compactas Estructuras no compactas
Enlace no direccional Enlace direccional
La resistencia del enlace
aumenta con la carga
Compuestos con resistencias y
temperaturas de fusión altas
MgO, Al2O3, ZrO2 Nitruros, carburos, etc.
Electronegatividad: Capacidad de un átomo para atraer
hacia él los electrones compartidos en el enlace con otro
átomo.
• Entre más diferentes sean las electronegatividades de los
átomos, mayor es el carácter iónico del enlace.
Pauling:
XA y XB son las electronegatividades del catión y del anión
Cationes con alto poder polarizante (Cu2+,
Al3+, Zn2+, Hg2+) enlazados a aniones que
son fácilmente polarizables (I-, S2-, Se2-).
Catión
polarizante
Anión
polarizable
Nube de electrones
distorsionada
La distorsión es
equivalente a que un par
de electrones se
movieran hacia la región
entre los dos núcleos y
formaran un enlace
covalente.
Distorsión de la nube de electrones de un anión
Átomos que favorecen la
hibridización sp3 (Si, C, Ge) tienden a
estabilizar la coordinación tetraédrica.
Configuración electrónica
del átomo de carbono 1s22s22p2
1s 2s Dos orbitales
2p semillenos
1s Cuatro orbitales equivalentes
y semillenos sp3
Los cuatro orbitales híbridos
sp3 están dirigidos
simétricamente hacia los
vértices de un tetraedro
Los cuatro orbitales
híbridos sp3 forman
cuatro enlaces
covalentes
EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS
TÍPICAS EN LOS CERÁMICOS
La mayoría de estructuras cristalinas consisten
de arreglos compactos de los aniones con uno o
mas tipos de cationes posicionados en los
huecos tetraédricos u octaédricos. Aquí
predomina el enlace iónico.
H. octaédricos H. tetraédricos
Otras estructuras consisten en tetraedros y/o
octaedros aislados que se unen entre sí
compartiendo vértices o caras. Poseen alto
grado de enlace covalente direccional.
(Pirosilicato)
ESTRUCTURAS CERÁMICAS CON
UN SOLO ELEMENTO
No son muy abundantes. La más importante es
la tipo Diamante.
Diamante (C)
Estructura derivada de la estructura FCC, rellenando
la mitad de los huecos tetraédricos con átomos
iguales a los del empaquetamiento.
Otros elementos con esta estructura son: Si, Ge, Sn.
Compuesta de
átomos de C con
hibridización sp3
Grafito
Estructura en capas: átomos de C con arreglo
hexagonal. Cada átomo está unido por enlaces
covalentes a tres átomos.
Las fuerzas de unión entre capas son muy
débiles (tipo Van der Waals).
• Es buen conductor eléctrico
(los e- se pueden mover
entre planos).
• Se usa como lubricante
seco (débiles enlaces
interplanares).
e-
ESTRUCTURAS CERÁMICAS BINARIAS
Cl-
Cs+
Cloruro de cesio (CsCl)
• Cúbica simple: enlace iónico entre el anión (Cl-)
y el catión (Cs+).
Ocurre cuando los
cationes son muy grandes
como para ocupar los
huecos tetraédricos u
octaédricos.
rCs+/rCl- = 0.94
• Encontrada en haluros con propiedades ópticas:
CsBr, CsI, TlCl, TlBr.
Cloruro de sodio (NaCl)
• Cúbica centrada en las caras: enlace iónico
entre el Cl- y el Na+.
• Los cationes ocupan los sitios octaédricos
intersticiales.
Cl
Na rNa+/rCl- = 0.64
N° coord. = 6
Arreglo octaédrico
• Es típica de sulfuros (PbS), carburos (TiC, NbC, TaC),
nitruros (ZrN) y algunos óxidos (MgO, CaO, SrO, BaO,
CdO, FeO y NiO).
• Muchos de ellos no son estequiométricos:
TiO: Ti0.85O a TiO
FeO: Fe0.90O a Fe0.96O
• La presencia de tales vacancias hacen que los metales
existan en dos estados de valencia y que tengan
propiedades semiconductoras.
• Algunos nitruros y carburos (NbC, TaC, ZrN) son
superconductores a baja temperatura.
• Los carburos (Ej. TiC) tienen alta dureza (2479 kg/mm2-
Knoop), químicamente inertes (resistente a la oxidación
hasta 1200ºC) y tienen altos puntos de fusión (3147ºC).
Blenda de zinc o esfalerita (ZnS)
• Cúbica centrada en las caras: Los cationes
ocupan la mitad de los sitios intersticiales
tetraédricos.
• Son generalmente semiconductores.
• Ejemplos: Carborundo (β-SiC), GaAs.
Prevalece el enlace
covalente (87% para
ZnS)
Wurtzita (ZnS)
• Estructura hexagonal compacta formada por
combinación de aniones y cationes.
Coordinación
tetraédricas entre
aniones y cationes
• Algunos compuestos (SiC, ZnS, AlN, GaN, BeO,
ZnO) sufren polimorfismo entre las estructuras
de la esfalerita (bajas T) y la wurtzita (altas T).
• El BeO y AlN han sido usados en la industria
electrónica por su alta conductividad térmica
(disipadores de calor). Los polvos son altamente
tóxicos.
• El GaN (semiconductor) produce luz azul y
verde (dispositivos láser, luces verdes de los
semáforos, etc.)
Fluorita (CaF2)
• Los cationes forman una estructura cúbica
centrada en las caras.
• Aniones localizados en las ochos posiciones
tetraédricas dejando vacío el centro de la celda
unitaria.
rCa2+/rF- = 0.80
N° coord. = 8
Arreglo cúbico
• Ejemplos: UO2, CeO2, ZrO2, ThO2.
• El UO2 se usa como combustible de reactores
nucleares. Puede acumular productos de fisión
nuclear (como He) en el intersticio central sin
deformar la red.
• Los fluoruros con esta estructura tienen
aplicaciones ópticas, ya que son de los pocos
materiales transparentes a las menores
longitudes de onda del rango de luz UV (<0.13
µm)
Perovskita (CaTiO3)
• Hay tres tipos de iones. El catión grande (Ca2+)
se combina con el oxígeno para formar una
estructura FCC, mientras que el catión pequeño
y de mayor carga (Ti4+) ocupa los intersticios del
octaedro.
• Ejemplos: CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, SrSnO3,
CaZrO3, SrZrO3, KNbO3, NaNbO3, LaAlO3, YAlO3 y
KMgF3.
• La distorsión de la celda produce una señal
eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos
sirvan como transductores (señal eléct. a mec.)
• Las características más importantes de las
perovskitas son:
- Ferroelectricidad (polarización eléctrica
espontánea, sin aplicar campo eléctrico)
- Piezoelectricidad (convierten señal eléctrica a
mecánica y viceversa)
Corindón (α-Al2O3)
• Similar a una estructura hexagonal compacta.
• Los aniones ocupan los sitios de la estructura
HCP, mientras que los cationes las dos terceras
partes de los sitios intersticiales.
• Ejemplos: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, Ti2O3, U2O3,
Ga2O3 y Rh2O3.
• Los principales usos de la alúmina son:
refractarios, aislantes eléctricos y abrasivos.
ESTRUCTURAS CERÁMICAS TERNARIAS
Espinela (MgAl2O4)
• Compuesta por dos tipos de cationes: uno divalente
(Mg2+) y otro trivalente (Al3+).
Al3+ Mg2+ O2-
Al4O4 MgO4
32 átomos de oxígeno
16 átomos de aluminio
8 átomos de magnesio
TIPOS DE ESPINELAS
Normal (AB2O4) Inversa [B(AB)O4]
A2+ en los sitios tetraédricos
B3+ en los octaédricos
A2+ y ½ de B3+ en los octaédricos
½ de B3+ en los tetraédricos
ZnFe2O4, CdFe2O4,
MgAl2O4, FeAl2O4, CoAl2O4,
NiAl2O4, MnAl2O4, ZnAl2O4
Con propiedades magnéticas
Ferritas: FeMgFeO4, FeTiFeO4,
Fe3O4, ZnSnZnO4, FeNiFeO4
Principales aplicaciones: Refractarios,
materiales magnéticos.
Silicatos cristalinos
• El tetraedro SiO4 es la estructura básica de los
silicatos.
• Los tetraedros de Sílice, SiO44- se comportan
como grupos iónicos, que se unen a otros iones
formando diversos arreglos
•Ortosilicatos (olivina)
Los tetraedros SiO44- son independientes unos a
otros. Los iones oxígeno se combinan a cationes
como Mg2+ o Fe2+. (Mg2SiO4, Fe2SiO4, etc.)
•Pirosilicatos
Cuando dos tetraedros comparten un vértice
formando un tetraedro doble (Si2O76-). No son
comunes.
•Metasilicatos
Cuando los tetraedros comparten dos vértices,
formando una variedad de estructuras de anillos y
cadenas (contienen los iones (SiO3)n2n-).
Wollastonita (CaSiO3)
(Anillos de Si3O9)
•Estructuras laminares
Los tetraedros comparten tres vértices formando
estructuras laminares (arcillas, mica, talco).
Caolinita
(Al2Si2O5(OH)4)
Montmorillonita
(Al2(Si2O5)2(OH)2)
•Estructuras tridimensionales
Los tetraedros comparten los cuatro vértices entre
ellos. Ejemplos: sílice, feldespatos [Albita
(NaAlSi3O8), Anortita (CaAl2Si2O8), Ortoclasa
(KAlSi3O8), etc.]
PROCESAMIENTO DE LOS
MATERIALES CERÁMICOS
PROCESOS CERÁMICOS UNITARIOS
• Obtención de materias primas de alta calidad
PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS
PRIMAS
• Mezcla de materias primas con un aglomerante (agua) y otros aditivos
OBTENCIÓN DE LAS PASTAS CERÁMICAS
• Darle forma a las piezas cerámicas (prensado, extrusión, colado, etc.)
CONFORMADO
• Eliminación de agua libre SECADO
• Darle resistencia y demás propiedades a los cerámicos
COCCIÓN
I. PREPARACIÓN DE LAS
MATERIAS PRIMAS
TIPOS DE MATERIAS PRIMAS
1. DE ORIGEN MINERAL
2. PRODUCTOS QUÍMICOS
3. MATERIALES RECICLADOS
MATERIAS PRIMAS
1. MATERIAS PRIMAS
MINERALES
ALUMINO-SILICATOS
CARBONATOS
ÓXIDOS METÁLICOS Y OTRAS
ALUMINO-SILICATOS
COMPOSICIÓN
DE LA CORTEZA
TERRESTRE
ELEMENTO % PESO
O 46.60
Si 27.72
Al 8.13
Fe 5.00
Ca 3.63
Na 2.83
K 2.59
Mg 2.09
Ti 0.44
H 0.14
Resto elementos 0.83
> 80%
ARCILLAS
Son hidrosilicatos de aluminio (nAl2O3∙mSiO2∙xH2O)
•Caolinita (2SiO2∙Al2O3∙2H2O)
•Montmorillonita (6SiO2∙3Al2O3∙Na2O∙2H2O)
•Illita (14SiO2∙5Al2O3∙K2O∙4H2O)
FELDESPATOS
(Alum.-silicatos
de Ca, Na y/o K.
Ricos en SiO2)
•Ortoclasa (6SiO2∙Al2O3∙K2O)
•Anortoclasa [6SiO2∙Al2O3∙(K2O, Na2O)]
•Albita (6SiO2∙Al2O3∙Na2O)
•Anortita (2SiO2∙Al2O3∙CaO)
OTROS SÍLICO-
ALUMINATOS
•Nefelina (8SiO2∙4Al2O3∙3Na2O∙K2O)
•Sillimanita (SiO2∙Al2O3)
•Espodumeno (4SiO2∙Al2O3∙Li2O)
SILICATOS
•Cuarzo,Cristobalita, Tridimita (SiO2)
•Wollastonita (SiO2∙CaO)
•Forsterita (SiO2∙2MgO)
•Circón (SiO2∙ZrO2)
ALUMINO-SILICATOS
CARBONATOS
•Calcita (CaCO3)
•Magnesita (MgCO3) → P.F. MgO: 2800°C
•Dolomita (Ca, Mg)(CO3)2
OTRAS MATERIAS PRIMAS
•Bauxita (Al2O3·xH2O) → Alúmina
•Fluorita (CaF2) → fluidez a las escorias y vidrios
•Cromita (FeO·Cr2O3) → Refractarios
•Rutilo (TiO2) → Esmaltes (color blanco), nucleante (vitrocerámicos)
•Grafito (C) → Resiste temp. hasta de 3800°C (atmósfera inerte)
2. PRODUCTOS QUÍMICOS
Obtenidos por procesos de síntesis (alta pureza):
• Componentes principales de los cerámicos (TiO2,
FeO, NiO, ZnO, etc.).
• Insumos minoritarios: NaOH (defloculante), Bórax:
Na2B4O7·10H2O (fundente), Cr2O3 (colorante
verde), Co2O3 (colorante negro), SnO2 (colorante
blanco).
3. MATERIALES RECICLADOS
• Vidrio (hasta 80-90% de la mezcla)
• Chamota (cerámico cristalino, piezas desechadas)
ETAPAS DE LA PREPARACIÓN DE
MATERIAS PRIMAS
1.Conminución
2.Clasificación
3.Purificación
1. REDUCCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULA
• Las propiedades físico-mecánicas de los
cerámicos dependen estrechamente de la
distribución de tamaño de partículas de la
materia prima.
Distribución de tamaño partículas
Compactación de partículas
durante el conformado
(Porosidad)
Densificación del cerámico en verde y luego de
sinterización
Propiedades mecánicas
¿CUÁL ES EL TAMAÑO DE PARTÍCULA MÁS
ADECUADO?
Se requiere heterogeneidad en el tamaño de las
partículas para maximizar su empaquetamiento.
Empaquetamiento de las partículas
30% porosidad 26% porosidad 23% porosidad
DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS
PARA UN MÁXIMO EMPAQUETAMIENTO
Ejemplo (densificación de la alúmina)
Se ha estimado que con partículas menores a
1 μm se consigue la densificación ideal
(teórica) luego de la sinterización.
CRECIMIENTO DE GRANOS DURANTE LA
SINTERIZACIÓN DE UN CERÁMICO
¿SIEMPRE SE DESEA OBTENER LA MÁXIMA
DENSIFICACIÓN DEL CERÁMICO?
• En algunas aplicaciones una alta porosidad en el
cerámico es benéfica: Ej. Refractarios aislantes.
• En tales casos conviene minimizar el material
fino.
EQUIPOS DE MOLIENDA
La molienda puede ocurrir por:
• Impacto: fuerzas compresivas (golpes con los
cuerpos moledores y la pared del molino).
Ej. Molino de bolas
• Atrición o desgaste: los golpes no quiebran
completamente las partículas (separación de
pequeños fragmentos). El producto es más fino.
Ej. Molino de atrición
Molino de bolas Molino de atrición
•Por los fuertes golpes dentro del
molino se produce un gran
desgaste de los cuerpos
moledores y de la pared interior
del molino → CONTAMINACIÓN
•Se puede controlar la atmósfera
al interior del molino (Ej. Vacío,
inerte).
•Hay menor contaminación del
material.
SOLUCIONES AL PROBLEMA DE CONTAMINACIÓN
• Usar cuerpos moledores muy duros y pesados
como el carburo de tungsteno (WC).
• Usar cuerpos moledores del mismo material que
se está moliendo (ó de uno que no afecte las
propiedades del cerámico en desarrollo).
• Recubrir la pared interior del molino con
poliuretano u otro material resistente al desgaste
y no contaminante.
La molienda puede hacerse en seco o en húmedo
Molienda en seco
•Se evita el secado de la
muestra.
•Se evita una posible
reacción partícula-líquido.
•Menor desgaste de los
cuerpos moledores y de la
pared del molino.
Molienda en húmedo
•Menor consumo de energía
(por la mayor eficiencia en la
molienda).
•Se facilita el tamizaje en
mallas finas.
•Buena homogenización.
•Producto más fino que en la
molienda en seco.
2. CLASIFICACIÓN
Se usa en el proceso de fabricación de
cerámicos tradicionales a partir de materias
primas minerales.
• Tamizaje
• Ciclones
• Hidrociclones
• Sedimentación
3. PURIFICACIÓN
Eliminación de impurezas.
• Flotación
• Separación magnética (Fe2O3, Fe3O4, TiO2, etc.)
• Lixiviación (óxidos de hierro con ácidos)
PROCESOS CERÁMICOS UNITARIOS
• Obtención de materias primas de alta calidad
PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS
PRIMAS
• Mezcla de materias primas con un aglomerante (agua)
OBTENCIÓN DE LAS PASTAS CERÁMICAS
• Darle forma a las piezas cerámicas (prensado, extrusión, etc.)
CONFORMADO
• Eliminación de agua libre SECADO
• Darle resistencia y demás propiedades a los cerámicos
COCCIÓN
II. MEZCLADO Y
PREPARACIÓN DE PASTAS
•La finalidad del mezclado es homogenizar el material en
cuanto a composición y tamaño de partícula.
•Durante el mezclado las pastas de arcillas adquieren
plasticidad.
Mezclado artesanal
Mezclado mecánico (Recipiente con paletas giratorias)
La humectación necesaria depende del proceso de
conformado:
Proceso % H2O Observaciones
Prensado normal 4-20 Límite máximo: adhesión al molde
Límite mínimo: no mantiene la forma
Prensado en seco 0-1 Puede requerir secado previo
Colado 40-60 Límites: dependen de la fluidez que
se requiera en la barbotina
Extrusión 10-20 Límites: dependen de la forma y
espesor de las piezas y de la
plasticidad de la materia prima
Fusión (vidrios) 2-5 No es parámetro crítico
REQUISITOS DE LAS PASTAS CERÁMICAS
1.Uniformidad en cuanto a composición y
distribución granulométrica.
2.Plasticidad adecuada para su conformado.
3.Alta fluidez (con el menor contenido de agua)
para el caso de las barbotinas (suspensiones
acuosas).
PLASTICIDAD
Es la propiedad de la pasta de deformarse bajo la
acción de un esfuerzo y de mantener la forma
conferida una vez retirada la fuerza actuante.
Forma
original
Deformación Forma
final
Curva
esfuerzo-
deformación
Ejemplos
Material
plástico
•Pastas cerámicas
•Mezclas cemento-agua
•Vidrios fundidos
•Materiales plásticos, etc.
Material
elástico
•Metales y aleaciones
frágiles
•Materiales cerámicos,
etc.
Límite
elástico
ε
σ
ε
σ σ
ε
ε
σ
DETERMINACIÓN DE LA PLASTICIDAD
El método más popular es mediante los Límites
de Atterberg (Norma ASTM D4318-05).
Consiste en determinar los límites de contenido
de agua en la pasta entre los cuales ella es
plástica:
1.Límite Líquido (LL): % agua con el cual la pasta
pasa al estado líquido o de barbotina.
2.Límite Plástico (LP): % mínimo de agua que
necesita la pasta para ser moldeable.
Vis
co
sid
ad
% Agua LP LL
Sólido Pasta
plástica
Barbotina
Efecto de la cantidad de agua sobre la viscosidad de
la pasta cerámica (mezcla arcilla-agua)
DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO
Se utiliza la “Cazuela de Casagrande”
Ranurador Cazuela
Manivela
Procedimiento
1.Se preparan pastas con distintos % de agua, las
cuales se colocan dentro de la cazuela. La pasta
se separa en dos partes con ayuda de una paleta
estandarizada (ranurador).
2. Con ayuda de la manivela se levanta la cazuela a una
altura de 1 cm y se deja caer golpeando su base con una
superficie plástica dura. Se repite este paso hasta que se
cierre la ranura creada inicialmente en la pasta.
3. El límite líquido es el % agua (en peso) para el cual el
surco de la pasta se cierra en 25 golpes.
% H
um
ed
ad
N° golpes 25
LL
DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO
Moldeando manualmente pequeños cilindros con la pasta
(partiendo de un contenido de agua correspondiente al
LL) y disminuyendo el % agua.
El límite plástico (LP) corresponde al % agua para el cual
ya no se puedan moldear cilindros con un diámetro
inferior a 3 mm.
ÍNDICE DE PLASTICIDAD (IP)
Es la diferencia entre los límites líquido y plástico
IP = LL – LP
Los resultados se ubican sobre la Carta de Plasticidad de
Casagrande
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Límite líquido
Ind
ice d
e p
lasti
cid
ad
Arcillas
inorgánicas de
baja plasticidad
Arcillas
inorgánicas
de mediana
plasticidad
Arcillas inorgánicas
de alta plasticidad
IP = 0.73 (LL - 20)
Suelos no
cohesivos
Limos inorgánicos de alta
compresibilidad
Limos inorgánicos de
baja compresibilidad Limos inorgánicos de
mediana compresibilidad y
limos orgánicos
●
▲
Arcilla LL LP IP
Antes
beneficio
41.3 25.0 16.3
Después
beneficio
72.7 42.5 30.2
III. CONFORMADO DE LAS
PIEZAS CERÁMICAS
El conformado es la etapa en la cual se le da la
forma deseada a las piezas.
Técnicas de conformado más usadas:
• Moldeado a mano
• Torneado mecánico
• Prensado
• Extrusión
• Colado o colaje de barbotinas
• Moldeo por inyección
1.MOLDEADO A MANO
Método más antiguo, limitado a la producción
artística o artesanal.
2.TORNEADO
Se le da forma a las piezas con ayuda de un
torno: equipo sencillo, constituido de un plato
giratorio. Con ayuda de la fuerza centrífuga se da
forma a la pieza a partir de la pasta cerámica.
Método muy usado en alfarería, para fabricación
de recipientes (vasijas, materos, platos, etc).
3.PRENSADO
La pasta cerámica se coloca en un molde o
matriz y se le aplica presión para compactarla.
La materia prima se mezcla con aditivos
especiales que facilitan la compactación de las
partículas:
• Aglomerantes
• Plastificantes
• Lubricantes
a) AGLOMERANTES
Le dan resistencia a las piezas en verde para
que puedan ser manipuladas. (0.5-5% en peso)
ORGÁNICOS
• Polivinil alcohol (PVA)
• Dextrina, almidón
• Celulosa
• Resinas termoplásticas
• Gelatinas
• Ceras, gomas, etc.
INORGÁNICOS
• Arcillas
• Silicatos de Mg, Al
• Sílice coloidal
• Alúmina coloidal
• Fosfatos, etc.
La selección del aglomerante depende
principalmente del tipo de prensado: seco o
húmedo, pequeña o gran escala.
BLANDOS (en seco)
• Sensibles a las temperatura (ceras, gomas, etc.).
• No requieren adición de humedad ni de lubricantes.
• Pueden extruirse entre los componentes de la matriz.
• No se usan para producción a gran escala.
DUROS (en húmedo)
• Dextrina, almidón, etc.
• Requieren el uso de agua y lubricante.
• Producen gránulos duros y dimensionalmente estables.
• Se usan para producción a gran escala.
El comportamiento de los aglomerantes
orgánicos depende de la temperatura y de la humedad.
Transición dúctil-frágil
(Tg: Temperatura de transición vítrea)
Comportamiento Frágil (T < Tg) Comportamiento Dúctil (T > Tg)
Defo
rmació
n
Tiempo
Recuperación
Eliminación carga
Carga aplicada
0
+
_
Defo
rmació
n
Tiempo
Eliminación carga
Carga aplicada
0
+
_
Recuperación
• Mayor tendencia a fracturarse
que a deformarse
• Excelente capacidad
aglomerante y lubricante
Este comportamiento a la deformación puede variarse con la
adición de PLASTIFICANTES.
b) PLASTIFICANTES
Aumentan la plasticidad del material.
Se adiciona junto con los aglomerantes no
plásticos.
Ejemplos: polietilenglicol (PEG), glicerol, etc.
c) LUBRICANTES
Reducen la fricción entre partículas y entre el
polvo y la pared de la matriz.
Se adicionan en pequeñas cantidades (≤ 3%).
La selección debe hacerse teniendo en cuenta la
química de la materia prima y la pureza
necesaria del cerámico.
MATERIALES CON BAJA RESISTENCIA A LA
CIZALLA USADOS COMO LUBRICANTES
Estearato de zinc Parafina
Ácido esteárico Cera sintética
Ácido oleico Estearato de Litio
Aceites Estearato de potasio
Ácido nafténico Estearato de sodio
Ácido bórico Estearato de amonio
Nitruro de boro Estearato de magnesio
Grafito Talco
EFECTO DE LOS LUBRICANTES
Obtención de piezas uniformes
Aumento de la densidad en verde
Disminución de la presión para sacar la pieza de la matriz
(ρalúmina: 3.96 g/cm3)
Cera sintética
Acido esteárico
Estearato de zinc
MÉTODOS DE PRENSADO
• Prensado en una dirección Uniaxial
• Prensado en diferentes direcciones
Isostático
a) PRENSADO UNIAXIAL
Los polvos se compactan en una matriz rígida
aplicando, mecánica o hidráulicamente, presión a
lo largo de una dirección axial simple mediante
un punzón.
Polvos
Tolva alimentadora
de los polvos
Punzones
superiores
Pieza en
verde
1. Preparación matriz 2. Llenado 3. Compresión 4. Eyección
Cuerpo
del molde Punzones
inferiores
• Ciclos: 6 y 100
veces por minuto.
TIPOS DE PRESIÓN UNIAXIAL
Clase Definición Tipo presión
uniaxial
Ejemplos (sección transversal)
I Piezas delgadas
de un solo nivel
Acción simple
II Piezas gruesas
de un solo nivel
Acción doble
III Piezas de dos
niveles
Acción doble
Movimiento
múltiple
IV Piezas con
múltiples niveles
Acción doble
Movimiento
múltiple
TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDO
A LA HUMEDAD DEL POLVO
• Humedad ≤ 4%.
• Usado principalmente en equipos automatizados.
• Muy útil para fabricar piezas de poco espesor (0.5 mm) con un buen nivel de tolerancia dimensional (±1%). (Especialmente para componentes electrónicos.)
En seco
• Alto contenido de humedad (10-15%).
• Materia prima con alta plasticidad en húmedo (arcillas).
• Deformación plástica durante el prensado.
• La pasta puede extruirse entre las partes de la matriz.
• Nivel de tolerancia dimensional: ±2%.
En húmedo
PROBLEMAS DURANTE EL
PRENSADO UNIAXIAL
• Aire atrapado
• Desgaste de la matriz
• Rebote de la pieza durante su expulsión
• Fricción con las paredes de la matriz
Agrietamiento
• Incorrecta selección del tipo de presión uniaxial
• Fricción entre partículas y entre ellas y la pared de la matriz
• Llenado no uniforme de la matriz
• Presencia de aglomerados duros
Densidad inadecuada
EJEMPLOS TÍPICOS DE FORMACIÓN
DE GRIETAS
Al liberar la presión desde el
punzón superior
Al expulsar la pieza con el
punzón inferior
VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DURANTE
EL PRENSADO UNIAXIAL
Las diferencias de densidad en la
pieza son típicas del prensado
uniaxial desde un solo lado. Las diferencias de densidad
aumentan con la relación
espesor/diámetro.
b) PRENSADO ISOSTÁTICO
Se aplica presión en todas las direcciones.
Produce mayor uniformidad de compactación.
P. isostático P. uniaxial
Variaciones de la densidad en verde en las paredes de un crisol
prensado isostática y uniaxialmente
Prensado isostático
Bolsa húmeda
Bolsa seca
PRENSADO ISOSTÁTICO
DE BOLSA HÚMEDA
Polvo
Molde de goma
(flexible)
Fluido
Cierre hermético
del molde
Mandril metálico
Recipiente
presurizado
Cesta de malla
de alambre
Cierre hermético
del recipiente
Entrada del
líquido a presión
Para la compresión del polvo se usan fluidos
incompresibles (agua, aceite o glicerina).
La presión aplicada es de alrededor de 400 Mpa.
• Uniformidad de densidad
• Bajo costo de la operación
• Versatilidad del proceso (piezas de diferentes tamaños y formas)
Ventajas
• Baja producción (largos tiempos del ciclo: 1-10 minutos/ciclo)
• Difícil automatización del proceso
Desventajas
PRENSADO ISOSTÁTICO
DE BOLSA SECA
La matriz no está inmersa en el líquido. Posee
canales internos por los que se bombea el fluido
a alta presión.
La parte crítica es lograr una transmisión
uniforme de la presión:
• Posicionamiento de los canales
• Moldes compuestos (piezas de diferentes
elastómeros).
Automatización del proceso: alcanzando 1000 a
1500 ciclos/hora.
PRENSADO ISOSTÁTICO
DE BOLSA SECA
Tapa
Primer
elastómero
Contenedor rígido del molde
Segundo elastómero
Canal para la
distribución del líquido
Eje Entrada del líquido a presión
Conformado del
Aislante de una
bujía
Esquema del proceso automatizado de
prensado isostático de bolsa seca
Eje del
molde
Molde
de goma
Llenado
del
molde
Ciclo de
prensado Preparación
del molde
Extracción
de la pieza
prensada
Pieza
final
APLICACIONES DEL PRENSADO
• Piezas pequeñas para usos eléctricos (aislantes, capacitores, etc.)
• Tejas, ladrillos, crisoles, etc.
Uniaxial
• Piezas grandes: tubos catódicos de rayos X, clasificadores de cono, etc.
• Piezas pequeñas con relación grande longitud/ancho
Isostático
4. COLAJE Ó COLADO: “SLIP CASTING”
Consiste en el vertido de una suspensión
de partículas cerámicas (barbotina) dentro
de un molde poroso (yeso). El líquido es
removido por los poros del molde,
permitiendo que las partículas se
compacten dentro de éste.
COLADO DE LA BARBOTINA
Se realiza dentro
de moldes porosos
de yeso, lo que
permite la remoción
del agua por acción
capilar: Colado con
drenaje ó “drain
casting”.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
DE COLADO DE BARBOTINAS
1 • Preparación de la barbotina
2 • Colado
3 • Desagüe y consolidación
4 • Remoción de la pieza en verde
5 • Secado
6 • Sinterización
7 • Maquinado
PREPARACIÓN DE LA BARBOTINA
Se parte de materias primas muy finas: - 325# (44
µm).
Si se necesita una alta resistencia mecánica, la
granulometría debe ser más fina: -5 µm.
Requisito básico de la suspensión: Baja viscosidad
con la menor cantidad posible de agua:
• Buena fluidez (vertido en el molde).
• Fácil eliminación de burbujas atrapadas luego
del colado.
• Velocidad de colado razonable.
¿DE QUÉ FACTORES DEPENDE LA
VISCOSIDAD DE UNA SUSPENSIÓN?
1 • Viscosidad del líquido
2 • % sólidos
3 • Carga superficial y grado de
dispersión de las partículas
4 • Tamaño y forma de las partículas
VISCOSIDAD DEL LÍQUIDO
Y CONTENIDO DE SÓLIDOS
F. No Newtoniano
(alto % sólidos)
F. Newtoniano
(bajo % sólidos)
Vis
co
sid
ad
re
lativa
(ηr =
η/η
0)
% Sólidos Ec. Einstein
η: Viscosidad suspensión
η0: Viscosidad del líquido
V: fracción volumétrica de las partículas sólidas
(Partículas esféricas)
CARGA SUPERFICIAL Y GRADO DE
DISPERSIÓN DE LAS PARTÍCULAS
Carga superficial
• A mayor carga mayor repulsión entre partículas.
• Potencial zeta (relacionado con la carga).
Dispersión
• A mayor repulsión entre partículas mayor estabilidad de la suspensión (dispersión).
• La ausencia de carga conlleva a la aglomeración.
Viscosidad
• A mayor dispersión mayor fluidez y, por tanto, menor viscosidad.
DOBLE CAPA ELÉCTRICA Y POTENCIAL ZETA
+
Partícula
(-)
+ +
+ + +
+
+ + +
+ + +
+ + + + + +
+ +
+
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
- -
-
-
-
-
- - -
-
-
-
-
+
+
+
+
+
Distancia desde la
superficie de la partícula
Po
ten
cia
l (m
V)
Capa difusa
Capa de Stern
(Contraiones) - 100
0
Potencial superficial
Potencial de Stern
Potencial zeta
Plano de
deslizamiento
MEDIDA DEL POTENCIAL ZETA POR
ELECTROFORESIS
Se realiza en un equipo denominado “zeta-metro”.
Se mide la velocidad de movimiento de las
partículas en suspensión cuando se aplica un campo
eléctrico a través de la solución (movilidad
electroforética).
ZETAMETRO
El cálculo del potencia zeta se hace con ayuda de
la ecuación de Henry:
Donde:
z: potencial zeta
UE: movilidad electroforética
ε: constante dieléctrica
η: viscosidad
f(ka): función de Henry → 1.5 (Dp ≥ 0.2 µm)
1.0 (Dp < 0.2 µm)
Relación entre el potencial zeta y la estabilidad de
una suspensión:
Potencia zeta (mV)* Estabilidad suspensión
60 – 100 Muy buena (dispersión extrema)
40 – 60 Buena
30 – 40 Moderada
15 – 30 Umbral de leve dispersión
10 – 15 Umbral de aglomeración
< 10 Fuerte aglomeración y
precipitación
* Valor absoluto del potencial (puede ser + ó -)
¿Cómo modificar el potencial zeta?
Formas de modificar el potencial zeta
Variando el pH de la solución
Adicionando un defloculante (dispersante) adecuado
EFECTO DEL pH SOBRE EL
POTENCIAL ZETA
El potencial zeta se puede aumentar adicionando
un ácido o una base, dependiendo del tipo de carga
superficial de la partícula:
Superficie cargada
negativamente (por ionización de grupos ácidos en agua)
COOH
COOH
COOH
COO-
COO-
COO-
H+
H+
H+
Superficie cargada
positivamente (por ionización de grupos básicos en agua)
OH
OH
OH
+
+
+
OH-
OH-
OH-
Al disminuir el pH: Neutralización
Al aumentar el pH: Aumenta carga (-)
Al aumentar el pH: Neutralización
Al disminuir el pH: Aumenta carga (+)
CURVA TÍPICA POTENCIAL ZETA vs. pH
Material IEP
Sílice (SiO2) 2
Alúmina (Al2O3) 9
Circonia (ZrO2) 5-6
El punto isoeléctrico (IEP) ó punto
de carga cero (ZPC) es el pH al cual
el potencial zeta es igual a cero.
Po
ten
cia
l ze
ta (
mV
)
pH
Punto
isoeléctrico (+)
(-)
RELACIÓN ENTRE POTENCIAL ZETA,
VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIÓN
EFECTO DE LA ADICIÓN DE UN
DEFLOCULANTE SOBRE EL POTENCIAL
ZETA
El defloculante (dispersante) se adsorbe
sobre la superficie de la partícula modificando
su carga eléctrica (aumentando las fuerzas
repulsivas electrostáticas):
1. Polielectrolitos aniónicos (orgánicos)
2. Defloculantes inórgánicos
1) POLIELECTROLITOS ANIÓNICOS
Compuestos de largas cadenas hidrocarbonadas
con muchas entidades ionizables a lo largo de toda
la cadena polimérica.
Ejemplos:
•Polímeros de ácido acrílico y sus sales.
•Co-polímeros de acrilamida y ácido acrílico
Na - PAA
NH4 - PAA
Na - PMAA
NH4 - PMAA
Sales de sodio y de amonio de los ácidos poliacrílico (PAA) y polimetacrílico (PMAA)
-
+ NH4+
Se adsorben sobre las superficies sólidas aumentando
su carga negativa.
Ionización de la sal de amonio del
ácido polimetacrílico (PMAA)
¿Qué carga debe tener la superficie?
(¿positiva o negativa?)
Gracias al carácter hidrofóbico de las cadenas
hidrocarbonadas, el agua las empuja hacia afuera
de la solución y hacia la superficie de las partículas.
Estos dispersantes actúan tanto sobre las
partículas con carga positiva como negativa.
- - - - - - - - - - - - - - -
Parte hidrofílica
(Grupo ionizado)
Parte hidrofóbica
(Cadenas hidrocarbonadas)
Fuerzas hidrofóbicas
A. Pettersson, Journal of Colloid and Interface Science 228, 73–81 (2000)
Dispersión de alúmina con ácido
polimetacrílico (PMAA) con peso molecular de
13.000 g/mol
¿Qué efecto tiene la
adición de este
dispersante sobre la curva
potencial zeta vs. pH?
La adición del dispersante
mueve la curva de
potencial zeta vs pH hacia
abajo (por el aumento de
la carga negativa de las
partículas)
2) DEFLOCULANTES INORGÁNICOS
Aportan cationes monovalentes (Na+, NH4+,
Li+) a la solución:
•Silicato de sodio (Na2SiO3)
•Pirofosfato de sodio (Na4P2O7)
•Oxalato de amonio ((NH4)2C2O4)
•Oxalato de sodio (Na2C2O4)
•Hidróxido de litio (LiOH), etc.
Los defloculantes inorgánicos promueven la
desorción de cationes multivalentes (que son
altamente floculantes): Mg++, Ca++, Al+++, etc.
- - - - - -
H+
H+
H+
H+
OH-
H+
H+
OH-
Caolinita a pH ≥ 6
(carga neta negativa)
- - - - - -
Al+3+
OH-
H+
H+
OH-
Caolinita en presencia de sales de
Fe ó Al (10-5 M)
(la carga neta se aproxima a cero)
Al+3+
Al+3+
Al+3+
El sulfato de aluminio (Alumbre) es muy usado como floculante para
la limpieza de aguas.
Al adicionar pequeñas cantidades (0.05 –
0.3%) de defloculantes inorgánicos (silicato de
Na) se aumenta la repulsión entre partículas.
- - - - - -
Na+
Na+
Na+
Na+
Al3+
Al3+
Al3+
Al3+
carga neta negativa grande
(dispersión)
- - - - - -
Al3+
Al3+
Al3+
Al3+
carga neta negativa muy
pequeña (floculación)
- - - - - -
Al3+ Na+
Al3+
Al3+
Al3+
Na+
Na+
Na+
Adición de silicato de sodio
(Los iones Na+ desplazan
a los Al3+)
EFECTO DEL TAMAÑO Y FORMA
DE LAS PARTÍCULAS SOBRE LA FLUIDEZ
DE LA SUSPENSIÓN
La zona de atracción de las partículas es de
aproximadamente 20 Å.
Cuando las partículas se acercan a esta
distancia límite (20 Å), ellas tienden a
interactuar. (se necesita aplicar mayor fuerza
para moverlas).
Distancias medias de separación de
partículas esféricas en una suspensión
dependiendo de su tamaño:
Diámetro partículas
(µm)
Distancia separación
en suspensiones con
40% v/v de sólidos (Å)
10 9200
1 920
0.1 92
0.05 20
0.01 9.2
Las partículas con tamaños iguales o menores a 0.05 μm tienden a
aglomerarse en una suspensión del 40% en volumen.
Efecto de la forma: partículas planas (típica
de las arcillas), en las cuales su longitud mide
10 veces su espesor.
Longitud
lámina
(µm)
Espesor
lámina
(µm)
% v/v sólidos al cual la
distancia de separación
es de 20 Å
10 1 30
1 0.1 30
0.1 0.01 28
0.01 0.001 17
Distribución de tamaño de las partículas
• Los rangos amplios de tamaño permiten
aumentar el % sólidos en la suspensión sin
afectar su viscosidad.
El acondicionamiento de la suspensión con
los aditivos químicos se realiza dentro del
molino de bolas, a la vez que se muele la
materia prima.
USOS
• La aplicación más común del conformado por
colado es para la fabricación de piezas grandes y
ahuecadas: sanitarios, crisoles, etc.
Variantes del colado con drenaje:
• Colado al vacío: Con una bomba de vacío se
succiona el agua a través de los poros del molde.
•Colado centrífugo: El molde rota y se facilita el
llenado del molde (piezas con formas difíciles).
•Colado a presión: La suspensión entra a presión,
acelerando la consolidación de las partículas.
Inicialmente el colado a presión se realizaba en
moldes de yeso, pero luego se cambió a moldes
plásticos porosos que resisten mayores presiones.
Tiempo necesario para obtener por colado a
presión piezas de porcelana de 6 mm de espesor:
Presión (MPa) Tiempo (min)
0.025 45
0.4 15
4 1
FACTORES CRÍTICOS DEL PROCESO
DE COLADO
Conseguir una suspensión con baja viscosidad y
alto % sólidos.
La barbotina debe estar libre de aire atrapado.
La pieza debe liberarse fácilmente (se puede
untar aceite o silicona sobre las paredes del molde).
La pieza en verde debe tener suficiente resistencia
para su manipulación (adición de aglomerantes).
5. EXTRUSIÓN
Método de conformación plástica: La
pasta cerámica se empuja a través de un
troquel (boquilla) que tiene la sección
transversal deseada en la pieza.
Permite obtener fácilmente piezas con
secciones complejas.
Su desventaja obvia es que está limitada
a productos con sección transversal
constante.
La extrusión se puede aplicar a materias
primas de naturaleza plástica o no
plástica.
Para conformar las materias primas no
plásticas (óxidos, carburos, nitruros, etc.)
es imprescindible usar aglomerantes
orgánicos (entre 25 y 50% de aditivos)
PARTES DE UNA EXTRUSORA
Dos tornillos sin fin
(amasado)
Ejes de los
engranajes y motor
Entrada del
material
Amasadora
Cámara de
desaireamiento
Eje al motor
Cámara de
compactación
Matriz
(boquilla)
Corte de una
boquilla simple
Corte del mecanismo (tipo
taladro) de compactación y
extrusión
ADITIVOS PARA LA MATERIA
PRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIÓN
Básicamente, los mismos que para el
prensado:
• Agua
• Aglomerantes
• Plastificante
• Lubricantes
• Surfactantes: cuando la mojabilidad de la
materia prima es muy baja
EJEMPLOS DE DEFECTOS EN LAS
PIEZAS EXTRUÍDAS
Laminaciones
(Grietas internas con una
orientación específica)
• Mezclado incompleto de la
pasta luego de ser cortada por el
taladro o luego de pasar por los
soportes de las piezas interiores
de la boquilla.
Soportes de la barra central
de la boquilla
Partes (hembra y macho) de
una boquilla para la extrusión
de un tubo
Cortes o grietas superficiales
• Se forman cuando la pieza
va saliendo de la matriz.
• Debidas a fricción con la
pared.
Otras causas de defectos:
• Separación de líquido de la pasta (pobre mojabilidad
de las partículas).
• Poros (aire atrapado).
APLICACIONES DE LA EXTRUSIÓN
Ladrillos, baldosas, tejas, etc.
Tubos para hornos.
Tubos para protección de termocuplas.
En general, la extrusión se aplica para la obtención
a gran escala de piezas con sección transversal
constante.
IV. SECADO DE LAS PIEZAS
CERÁMICAS
Durante el secado se elimina la mayor parte del
agua libre (poros y cavidades).
La temperatura de secado es del orden de 95°C.
El secado debe ser lento (puede ser mayor a una
semana), pero no hay un tiempo de secado típico
pues depende de múltiples factores:
• Relación superficie/volumen
• % agua en las piezas
• Temperatura y humedad del ambiente
• Porosidad del material.
En esta etapa la pieza sufre la mayor contracción
(2 al 20%) linealmente.
V. SINTERIZACIÓN DE LAS
PIEZAS CERÁMICAS
SINTERIZACIÓN
Es la etapa de densificación del cerámico,
en la cual los polvos conformados y secados
se llevan a una temperatura suficientemente
alta para desarrollar la microestructura que le
confiera las propiedades útiles al material.
TIPOS DE SINTERIZACIÓN
Sólido
Líquido Poros
En
verde
SSS LPS
VCS
VGS
1. Sinterización en estado sólido (SSS)
2. Sinterización con fase líquida (LPS): < 20% líquido
3. Sinterización vítrea-viscosa (VGS): fabricación de vidrios
4. Sinterización de un compuesto viscoso (VCS): > 20% líquido
(Ej. porcelanas)
1. SINTERIZACIÓN EN ESTADO SÓLIDO
70
100
60
90
80
1300 1400 1600 1800
Etapa
inicial
Etapa
intermedia
Etapa final
Temperatura sinterización (°C)
% D
en
sif
icació
n
Curva de sinterización para la alúmina
ETAPA INICIAL
• Ocurre el reacomodamiento (desplazamiento)
de las partículas y la formación de un cuello en
los puntos de contacto.
Estado inicial Estado final
• La densificación aumenta un 10% aprox.
• Máxima densificación entre 60 y 70%.
Cuello de unión
entre partículas
Poros abiertos
ETAPA INTERMEDIA
• Las partículas continúan acercándose cada vez
más.
• Ocurre el crecimiento de algunos de los granos al
consumir otras partículas.
• Ocurre la mayor contracción de todo el proceso de
sinterización.
• La etapa termina con el aislamiento de los poros
(90% densificación).
Poros cerrados
ETAPA FINAL
• Ocurre la remoción final de porosidad por la difusión
de vacancias a lo largo de los límites de grano.
• La densificación en esta etapa es mínima (≈1%).
•Si los granos crecen muy rápido, los límites de grano
se mueven más rápido que los poros, quedando éstos
últimos atrapados dentro de los granos. Lo cual es
controlado por la velocidad y tiempo de calentamiento.
En conclusión:
La sinterización en estado sólido ocurre
gracias a la difusión de materia desde la
superficie de los granos a la zona de
contacto entre ellos.
Este tipo de sinterización se presenta en
materiales puros:
• Óxidos: Al2O3, ZrO2, MgO, etc.
• No óxidos: SiC, BN, C, etc.
2. SINTERIZACIÓN CON FASE LÍQUIDA
La inmensa mayoría de cerámicos se
sinterizan en presencia de fase líquida.
Al calentar los polvos compactos ocurre la
fusión incipiente del material (en la superficie de
las partículas).
El líquido viscoso cubre las partículas y las
enlaza.
Líquido
La formación del líquido se facilita por la
presencia de sustancias fundentes (boratos,
fluoruros, álcalis (Na2O, K2O)) y por la
presencia de impurezas que forman
eutécticos.
Ventaja: La densificación es muy alta
(cercana al 100%).
Desventaja: El cerámico tiene menor
resistencia mecánica por la fase vítrea.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL
PROCESO DE SINTERIZACIÓN
Temperatura de cocción: fase líquida.
Atmósfera: depende de la composición del cerámico:
oxidante (óxidos), reductora o inerte (no óxidos).
Ciclo de calentamiento:
• Tiempo de permanencia: densificación y tamaño de grano.
• Velocidad de calentamiento: formación de grietas por
cambios bruscos de volumen.
• Velocidad de enfriamiento: recristalización de fases.
T
tiempo
Se debe determinar
experimentalmente la curva
de cocción más adecuada
para cada caso.