1. INTRODUCCIÓN CERÁMICOS

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ESCUELA DE INGENIERA METALRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

INTRODUCCIN A LOS MATERIALES CERMICOSELCY MARA CRDOBA TUTA MATERIALES REFRACTARIOSASIGNATURA: PROFESORA:

CAPTULO I:

1. DEFINICIN Trmino griego KERAMOS (Material quemado) Artculo slido formado por la accin del calor sobre materias primas terrosas. Artculo slido compuesto en su mayor parte por sustancias inorgnicas no metlicas y endurecido por accin del calor.

Antigua

Moderna (incompleta)

Actualmente aceptada

Slido inorgnico no metlico (Kingery, 1976).

El grafito y el diamante son cermicos?

Compuesto orgnico:

Es aquel que tiene como componente principal al carbono, en combinacin con otros elementos como oxgeno, nitrgeno e hidrgeno.Grafito y diamante: Compuestos slo de carbono. Son materiales cermicos.

2. HISTORIA DE LA CERMICALa cermica fue uno de los primeros materiales fabricados por el hombre luego del descubrimiento del fuego. El trabajo de la arcilla fue una tcnica comn a todas las culturas primitivas.

Cermicas ms antiguas (hace diez mil aos): 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 (ao 4500 A.C.). Figuras con sentido religioso y urnas fnebres, fabricadas a mano.Adobe: Mezcla de barro y paja. Secado al sol. Sin coccin.

Ladrillos de barro (4000 A.C.), slo para construccin de murallas, templos y palacios.

Tejas (800 A.C.) en Grecia

Torno alfarero (2500 A.C.) en Egipto

Caoln: En el ao 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 (1200-1300C), obtuvieron un material blanco y muy vitrificado PORCELANA.

Culturas precolombinas: No tuvieron gran desarrollo en la alfarera, no se desarrollaron hornos de gran temperatura (slo 500-600C).

En Amrica los materiales vidriados se conocieron con la llegada de los conquistadores. En Egipto desde el 1450 A.C. ya exista toda una industria del vidrio.

Cermicos modernos

3. CLASIFICACIN DE LOS CERMICOSRpida

Funcin Formas de clasificacin

Composic in

Productos

Estructura

DIVISIN RPIDA

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 concentracin y purificacin de minerales poco abundantes. Materiales sintticos. Costosos ZrO2, SiC, BaTiO3

COMPOSICIN DE LA CORTEZA TERRESTREELEMENTO % PESO

O Si Al Fe Ca

46.60 27.72 8.13 5.00 3.63

> 80%

Na KMg Ti H Resto elementos

2.83 2.592.09 0.44 0.14 0.83

La corteza terrestre es el mayor material cermico en la naturaleza

COMPOSICIN (XIDOS Y NO XIDOS)Componentes principales Tipos Ejemplos Puros: SiO2 (cristalina, vtrea) Parcialmente sustituidos: Aluminosilicatos (SiO2+ Al2O3 + otros) Puros: Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO, BeO, Cr2O3, UO2, GeO2, WO3, etc. Parcialmente sustituidos: ferritas (NiFe2O4) Sales: yeso (CaSO4)

Silicatosxidos No silicatos

Monoelementales

Grafito (C) Azufre (S) 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)

No xidos

Binarios

Ternarios, etc.

Los anteriores parcialmente sustituidos Mezclas de xidos y no xidos (SIALON: Si3N4+Al2O3)

ESTRUCTURA

Teniendo en cuenta el ordenamiento de largo alcance de lo tomos:1. Monocristalinos: naturales (cuarzo, rub, diamante), sintticos (diamante)

Diamante (C puro)

Cuarzo (SiO2)

Escapolita (silicato de Al)

2. Policristalinos: obtenidos por sinterizacin (inmensa mayora de cermicos cristalinos) 3. No cristalinos: estructura amorfa (vidrios)

Modelo atmico en un material ordenado (cristalino)

Modelo atmico en un material amorfo (vidrio)

IMGENES DE MISCROSCOPIA ELECTRNICA DE BARRIDO

Almina (Al2O3)

Vidrio (con inmiscibilidad lquida)

VITROCERMICA

MICROESTRUCTURA DE UN VITROCERMICO

PRODUCTOSDENOMINACIN DEFINICIN GENERAL Y EJEMPLOS

Cermica rojaCermica blanca Refractarios Vidrios Cementos

Productos de arcilla cocida, generalmente porosos: ladrillos, tejas, objetos artsticos, etc.Productos de caoln-feldespato-cuarzo, pueden ser porosos o no: lozas, porcelana para vajillas, sanitarios, etc. Productos resistentes a altas temperaturas: aluminosos, de alta almina, bsicos, etc. Productos no cristalinos, generalmente vidrios planos, envases, fibras, etc. Slico-

transparentes:

Productos que presentan caractersticas aglomerantes y adhesivas al ser mezclados con agua. Cemento Prtland, yeso, cal, etc. Productos de alta dureza usados para cortar y pulir: carburo de silicio, diamante, carburos metlicos, etc. Los productos no comprendidos en los grupos anteriores

Abrasivos Cermicos especiales

FUNCINFUNCIN EJEMPLOS Y USOS

Elctrica y Aislantes: Porcelanas, Al2O3, etc. aisladores electrnica Ferroelctricos y piezoelctricos: BaTiO3, etc. capacitores, osciladores, transductores, etc. Semiconductores: xidos de metales de transicin termistores, varistores Superconductores: Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Conductores inicos: -Al2O3, ZrO2, etc. electrolitos slidos, sensores.Magntica Ferritas: memorias, sensores

pticaQumica

Lentes, filtros pticos, etc.: vidriosSensores de gases: ZrO2, SnO2 Soportes de catalizadores: Al2O3, vidrios, etc. Electrodos: grafito, etc.

Trmica Mecnica Nuclear Biolgica

Refractarios: slico aluminosos, bsicos, etc. Materiales de construccin: cermica roja (ladrillos, etc) Abrasivos: Al2O3, diamante, TiC, SiC, etc. Combustibles nucleares: UO2, PuO2 Proteccin: vidrios con PbO Prtesis seas y dentales: Al2O3, etc Recubrimientos: hidroxiapatita Huesos artificiales: biovidrios

MICROESTRUCTURA TPICA DE LOS MATERIALES CERMICOS

En gran medida, la microestructura define las propiedades del cermico

Ejemplo distribucin de fases:OBTENCIN DE UNA PORCELANAMATERIAS PRIMAS45% caolinita (Al2O32SiO22H2O) 25% cuarzo (SiO2) 25% feldespato (K2OAl2O36SiO2) 5% comp. Minoritarios (Fe2O3, TiO2, etc.)

Principales transformaciones durante la coccin de la porcelana Caolinita:3(Al2O32SiO22H2O) 3Al2O32SiO2 + 4SiO2 + 6H2O Caolinita mullita cristobalita

Cuarzo:SiO2 cuarzo(hexag., 2,65 g/cm3)

SiO2 cristobalita(tetrag., 2,33 g/cm3)

Feldespato:feldespato vdrio (silicato K)

45% caolinita(Al2O32SiO22H2O)

1000 a 1500C

40% mullita(3Al2O32SiO2)

25% cuarzo (SiO2) 25% feldespato(K2OAl2O36SiO2)

5% comp. minoritarios(Fe2O3, TiO2, etc.)

15% cristobalita (SiO2) 15% cuarzo (SiO2) 30% fase vtrea(todos los elementos)

Micrografas de una porcelana sinterizada a 1475C

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES CERMICOS Casi el 90% de los elementos metlicos cristalizan en los sistemas cbico y hexagonal. El sistema cristalino de la mayora de cermicos es diferente al cbico y al hexagonal. Las propiedades de los cermicos dependen en gran medida de su arreglo atmico.

Debido a sus enlaces inicos y covalentes, los cermicos por lo general son: Duros, frgiles, con alto punto de fusin, baja conductividad elctrica y trmica, estables qumica y trmicamente y tienen elevada resistencia a la compresin. Ejemplos de excepciones: - El SiC y AlN tienen conductividades trmicas 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 CERMICOS 1.Estequiometra del cristal 2.Tamao de los tomos presentes

3.Grado de direccionalidad de los enlaces

ESTEQUIOMETRA DEL CRISTAL Balance de cargas para mantener la neutralidad elctrica global.

N cargas positivas = N cargas negativas Dependiendo de su estequiometra el cermico tiene tendencia a algunas estructuras en particular.AX

AX2

ABX3

O

Ti

MgO O Zr Ca

MgO

ZrO2

CaTiO3

TAMAO DE LOS TOMOS PRESENTES (Relacin entre radios)

Los tomos se arreglan de tal forma que alcancen el estado de menor energa posible. Se maximizan las fuerzas de atraccin entre tomos y se minimizan las de repulsin. Cada catin se rodea del mayor nmero posible de aniones.La estabilidad del sistema aumenta con la relacin de radios del catin y el anin:

Inestable (Vibracin del catin)

Crticamente estable

Estable

rc/ra

RELACIONES CRTICAS DE RADIOS PARA VARIOS NMEROS DE COORDINACINNmero de coordinacin 3 Arreglo de iones alrededor del ion central Esquinas de un tringulo Esquinas de un tetraedro Esquinas de un octaedro Esquinas de un cubo Esquinas de cuboctaedro Rango de rc/ra Estructura

0.155 0.225 0.414 0.732 1.000

4

6

8

12

La estructura ms estable es aquella con el mximo nmero de coordinacin permitido por la relacin de radios

Cules son las estructuras esperadas para el CsCl y el MgO? Para el CsCl:

rCs+/rCl- = 0.170 nm/0.181 nm = 0.94Nmero de coordinacin = 8 Estructura cbica

Para el MgO:rMg2+/rO2- = 0.065 nm/0.144 nm = 0.45

Nmero de coordinacin = 6 Estructura octadrica

GRADO DE DIRECCIONALIDAD DE LOS ENLACES (Carcter covalente)

Muchos compuestos con rc/ra 0.414 cristalizan con arreglos tetradricos y no octadricos (como habra de esperarse). Esto sucede cuando aumenta el carcter covalente del enlace.

ENLACES EN LOS CERMICOSINICO MEZCLA COVALENTE