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15 – Materiales cerámicos

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Contenido

• Definiciones• Clasificación• Fabricación

– Sinterizado

• Aplicaciones• Propiedades

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Definiciones

• Cerámico: compuesto de elementos metálicos y no metálicos, para los cuales las interacciones entre átomos son predominantemente iónicos (Callister, W; Fundamentals of Materials Science and Engineering; 2000)

• Cerámica, co:

– Dicho de un material no metálico: fabricado por sinterización

– Arte de fabricar vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana (www.rae.es)

• Cerámica: termino general aplicado al arte o técnica de producir objetos mediante un proceso cerámico, o a los objetos así producidos (es decir objetos cerámicos) (ASTM C 242:1993)

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Definiciones

• Objetos cerámicos: son aquellos que presentan un cuerpo vitrificado o no, de estructura parcial o totalmente cristalina o bien vítrea, producidos esencialmente en base a sustancias inorgánicas no metálicas, y conformados a partir de una masa fundida que solidifica por enfriamiento, o bien conformados y, simultáneamente o subsiguientemente, endurecidos por la acción del calor. (ASTM C 242:1993)

• Procesos cerámicos: incluyen la producción de objetos o recubrimientos a partir de materiales esencialmente inorgánicos no metálicos; dichos objetos o recubrimientos se hacen permanentes y adecuados para propósitos utilitarios o decorativos mediante la acción del calor, a temperaturas los suficientemente elevadas como para provocar sinterizado, reacciones en el estado sólido, liga entre partículas, o bien conversión parcial o total al estado vítreo (ASTM C 242:1993)

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Definiciones

% iónico se puede calcular como:{1-exp[(-0,25).(XA-XB)2]}.100XA y XB son las electronegatividades de los elementos en cuestión

Estructura básica de los silicatos: tetraedro SiO4

-4

Definiciones

Ordenado � cristalinocuarzo, cristobalita, tridimita

Desordenado � amorfo

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Definiciones

Estructura de un vidrio silicato sódico � SiO2 + NaO2El Na+ puede reemplazarse por K+, Ca2+, B3+, Ba+, Pb+, Al3+, Zn+, Mg+. Todos en forma de óxidos. Estos iones son modificadores de red.

Los vidrios son materiales sólidos que se obtienen por enfriamiento rápido de una masa fundida, impidiendo su cristalización

Los materiales que comúnmente llamamos “vidrio” son vidrios constituidos por óxidos, principalmente silicatos. Pero hay otros elementos formadores de red (además del Si): B, P, Ge

Abundancia de elementos en la corteza terrestre

Orden Elemento % m/m % átomos % volumen

1 O 46,60 62,55 91,97

2 Si 27,72 21,22 0,80

3 Al 8,13 6,47 0,77

4 Fe 5,00 1,92 0,68

5 Ca 3,63 1,94 1,48

6 Na 2,83 2,64 1,60

7 K 2,59 1,42 2,14

8 Mg 2,09 1,84 0,56

9 Ti 0,44 0,20 0,02

10 H 0,14 3,00 <0,01

El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m

Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998

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Fe en la Tierra

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Espesor de las capasCorteza ~ 50 kmManto ~ 2 900 kmNúcleo ~ 3 400 km

Morgan, J. and Ander, E.; Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury; Proc. Nati. Acad. Sci. USA Vol. 77 (12); pp. 6973-6977; Dec. 1980

¿Qué materiales cerámicos reconoce en su vida diaria?

• Cemento

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Clasificación

― Composición― Estructura― Propiedades― Tipo de productos― Aplicación

Composición

• Óxidos– silicatos � sílice

• cristalina: – cuarzo (trigonal), – cristobalita (tetragonal)– tridimita (triclínico)

• amorfa (mal llamado “cuarzo fundido”)– silicatos parcialmente sustituidos � aluminosilicatos �

cerámicas tradicionales– No silicatos puros � Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO, BeO, Cr2O3,

UO2, GeO2, WO3

– No silicatos parcialmente sustituidos � NiFe2O4 (ferritas), CaSO4 (yeso)

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Composición

• Caolinita � típica arcilla

Soluble en agua

BarbotinaEs una suspensión coloidal diluida donde la interacción entre las partículas es despreciable

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Composición

• No óxidos– monoelementos: C, S– binarios

• carburos � SiC, WC, B4C3

• boruros � ZrB4

• nitruros � BN, AlN, Si3N4

• siliciuros � MoSi2• calcogenuros � incluye S• halogenuros � F, Cl, Br o I + otro elemento

– ternarios � los anteriores parcialmente sustituidos por otros elementos o mezclas de óxidos y no óxidos como el refractario SiAlON (Al2O3 + Si3N4)

Estructura

― Cristalinos―Monocristalinos―Policristalinos � los más comunes

― No cristalinos � amorfos � vidrios

Muchos materiales cerámicos pueden considerarse como materiales compuestos ya que están constituidos por fases vítreas y cristalinas, como las porcelanas.

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Estructuras

fase vítrea (ligante)

fase cristalina

porosidad intragranular

porosidad intergranular

fase cristalina

borde de grano

Estructura

http://www.metallographic.com/Procedures/SIALON%20ceramic.htm

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Propiedades

Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos

productos porosos

sin recubrimientos

rojo

cerámicas rojas, ladrillos, bloques, tejas, macetas, refractarios

blancofiltros para agua, cementos, hormigones

Con recubrimientos (esmaltes)

base rojomayólicas, revestimientos

base blancalozas, sanitarios

Propiedades

Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos

productos no porosos

sin recubrimientos

rojocerámicas gres, gres químico

blanco

porcelanas técnicas, materiales refractarios

Con recubrimientos (esmaltes)

base rojogres esmaltado

base blancaporcelana fina (vajilla)

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Tipo de productoDenominación Definición general y ejemplos

Cerámica roja productos de arcillas cocidas, generalmente porosos: ladrillos, tejas, bloques, revestimientos

Cerámica blanca caolín-feldespato-cuarzo: lozas, porcelanas, sanitarios, usos técnicos

Refractarios sílico-aluminosos, alta alúmina, básicos, electrofundidos,

Vidrios productos amorfos, generalmente translúcidos: vidrios planos, envases, fibras, esmaltes

Cementos Presentan características aglomerantes y adhesivas al ser mezclados con agua: cemento portland, yeso, cales, cementos aluminosos

Abrasivos Alta dureza, para cortar y pulir: esmeril, carburo de silicio, diamante, carburos metálicos

Cerámicas especiales otros no incluidos en la lista anterior: semiconductores

Aplicación

• Eléctrica y electrónica – aislantes: porcelanas, Al2O3

– ferroeléctricos: BaTiO3 (capacitores)– Piezoeléctricos: BaTiO3 (transductores, osciladores)– Semiconductores (óxidos de metales de transición): termistores,

varistores– Superconductores– Conductores iónicos

• Magnéticas– ferritas (XO)m(Fe2O3)n, donde X puede ser Cd, Co, Cu, Ni, Fe, Mg, Zn

• Ópticas– lentes, prismas (vidrios): oftalmología, instrumental óptico– filtros ópticos– translucidos (Al2O3, vidrios)– láser de estado sólido: vidrios de Nd2O3, Y2O3 + ThO2

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Aplicación

• Química– sensores de gases (ZrO2, SnO2): alarmas, detectores– sensores de humedad (MgCrO4): hornos de microondas– soporte de catalizadores– electrodos (grafito, titanatos): industria química

• Térmica– aislación térmica (refractarios): hornos– transmisión térmica (SiO2, SnO2, TiO2):calefactores

• Mecánica– elementos estructurales (cerámica roja): construcción– cementos, hormigones– Abrasivos (Al2O3, diamante, TiC, WC): corte, pulido, desbaste

Aplicación

• Nuclear– combustibles nucleares: UO2, PuO2

– Protección (vidrios con PbO, grafito, SiC, Al2O3)

• Biológica– prótesis óseas y dentales; recubrimientos Al2O3

– huesos artificiales (biovidrios)

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Ejemplos

Materia prima para una porcelana común %

Caolín Cuarzo Feldespato

SiO2 47,0 98,5 69,6

Al2O3 36,4 0,8 17,5

Fe2O3 0,8 0,4 0,1

CaO 0,2 0,3 0,8

MgO 0,2 --- ---

Na2O 0,2 --- 3,6

K2O --- --- 8,1

TiO2 0,2 --- ---

H2O 15,0 --- ---

Mezcla % 50 25 25

EjemplosMateria prima para vidrios silicato, %

común de ventana

botella verde

fibra de vidrio

(tipo E)

termorresistente

vidrios ITO (táctil

capacitivo)

anti-radiación

gama

SiO2 72-75 67,4 54,5 81,0 70-73 ---

Al2O3 0,8 5,9 14,5 2,5 1-2 ---

Fe2O3 --- 1,5 --- --- 0,08-0,14 ---

CaO + MgO 9-14 10,0 22,0 --- 7-12 ---

B2O3 --- 0,1 8,5 12,0 1-5 ---

Na2O 13-15 11,9 0,5 4,5 --- ---

K2O --- 1,7 --- --- 13-15 ---

Otros --- 0,8 MnO --- --- In2O3 –SnO2

59,2 PbO2

21,2 WO3

16,7 P2O5

1,6 CdO

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Ejemplos

Composición del cemento portland, %

Composición global Fases cristalinas

SiO2 20,0 C3S 54,1

Al2O3 6,2 C2S 16,6

Fe2O3 2,8 C3A 10,8

CaO 63,5 C4AF 9,1

MgO 1,5 otros 9,4

Na2O --- C = CaOA = Al2O3

S = SiO2

F = Fe2O3

K2O ---

TiO2 ---

H2O ---

Ejemplos

Refractarios � >1000 °C, %

Sílice Magnesia –cromo circón

SiO2 95-98 1,6 33,6

Al2O3 0,3-3 4,9 2,7

Fe2O3 0,3-3 8,6 0,3

CaO 0,3-5 1,2 0,2

MgO --- 70,9 ---

Na2O + K2O --- --- ---

Cr2O3 --- 12,8 ---

TiO2 --- 0,2 0,3

Observaciones Refractarios ácidos

Refractario básico HfO2 1,3; ZrO2 61,2

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Procesos de fabricación

Materias primas

Mezcla

Conformado en frío

FusiónConformado en caliente

Sinterizado

Tratamientos posteriores

Terminado

Producto final

Sinterizado

• Conglomerar un material pulverulento sin llegar a la fusión, eventualmente con la ayuda de sustancias “ligantes” (ver cold sintering).

• El material pulverulento puede ser metálico (pulvimetalurgia) o cerámico

Tipo Liga Ejemplos

Sinterizado con fase líquida

QuímicaCementos, yesos, cales (liga hidráulica)Refractarios (liga fosfática)Abrasivos (resina orgánica, ver “cold sintering”)

Metálica Placas de corte (cermets) � 0,5-2% metal (Co, Ni, Fe)

VítreaPorcelanas, productos de loza, cerámicas blancas y rojas, gresRefractarios electrofundidos

Sinterizado en fase sólida

CerámicaAlúmina pura (99,5%)Cerámicas no oxídicas (carburos, nitruros, boruros)Grafito

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Sinterizado

Sinterizado

http://ceramics.org/ceramic-tech-today/processing-1/mechanism-for-electric-field-effects-during-sintering

Sinterizado de ZrO2 estabilizada con Y2O3

1500 °C 1250 °C + campo eléctrico AC 60 Hz

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Procesos de fabricación de ladrillos y tejas

Procesos de fabricación de ladrillos y tejasMaterias primas

CortadoraSecado natural

Extrusora

Mezcla y amasado

MoliendaArcillas rojas

Agua

Horno de cocción 800 – 1000 °C

Deposito

Tratamiento de materias primas

Conformado

Sinterizado

Producto final

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Procesos de fabricación de porcelanas y lozas

Procesos de fabricación de porcelanas y lozas

Materias primas

Prensado TorneadoColado

Mezcla y humectación

Moliendacaolín, cuarzo,

feldespato

Agua

Horno de cocción 900 – 1250 °C

“bizcocho”

Tratamiento de materias primas

Conformado

Sinterizado

Filtro y prensa

Amasado

Secado

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Procesos de fabricación de porcelanas y lozas

Horno de cocción 900 – 1250 °C

“biscocho”Sinterizado

Esmaltado

Segunda cocción1000-1100 °C

Decorado, aplicación y cocción 700-

900 °C

Deposito

Tratamiento posterior

Producto final

Procesos de fabricación de productos de vidrio

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Procesos de fabricación de productos de vidrio

Materias primas

Colado, estirado, flotado

OtrosSopladoPrensado

Molienda

Mineralesarena, caliza, feldespato, bórax

Productos químicosNa2CO3

Horno de fusión1400 – 1550 °C

Tratamiento de materias primas

Conformado

Fusión

Casco de vidrio

(reciclado)

Mezcla

Fibrado

Procesos de fabricación de productos de vidrio

Colado, estirado, flotado(vidrio plano)

OtrosSopladoPrensado

(vidrio hueco)Conformado

Fibrado(fibras)

Deposito

Recocido

corte, pulido, decorado, etc

Tratamiento posterior

Producto final

Templado térmico o químico

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Templado químicoIntercambio iónico de K por NaK introduce tensiones de compresión en la red

Templado térmicoEnfriamiento brusco para introducir tensiones de compresión en la superficie

Procesos de fabricación de productos de vidrio

Propiedades

• Eléctricas• Mecánicas• Térmicas• Ópticas• Biológicas

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Densidad

• Depende de la porosidad de la pieza• Valores de densidad en g/cm3 a 20 °C para porosidad cero

– SiO2 – tridimita 2,26– C – grafito 2,27– SiO2 – cristobalita 2,32– Vidrios Si-Na-Ca 2,40 a 2,50– SiO2 – cuarzo 2,65– Vidrios de plomo 2,80 a 6,20– Si3N4 3,44– C – diamante 3,51– Al2O3 – corindon 3,97– ZrO2 – baddeelyta 5,83– UO2 – rómbico 10,96

Dilatación• Importante en la resistencia de tensiones mecánicas de origen térmico en

materiales con baja conductividad• Los vidrios termorresistentes se definen como aquellos con coeficiente de

dilatación lineal menor a 5.10-6 °C-1

• Coeficiente de dilatación lineal α0-1000 °C 10-6 °C-1

– SiO2 (amorfo) 0,5– Vidrio borosilicato 3,4 a 3,8– ZrSiO4 (circón) 4,2– SiC 4,7– Refractarios Al-Si 5 a 6– Porcelana 6 a 6,5– TiC 7,4– Al2O3 (corindón) 8,8– Vidrios Si-Na-Ca 9 a 9,5– MgO 13,5– SiO2 (cuarzo) 18,9 alfa 20-500 °C (www.matweb.com)– AISI 304 18,3 alfa 0-500 °C (www.matweb.com)– acero al carbono 13 alfa 0-500 °C (www.matweb.com)– aluminio 1100 25 alfa 0-300 °C (www.matweb.com)

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Propiedades eléctricas

Tipo de material Ejemplos Temperatura de uso, K

resistividad, Ω cm

Mecanismo de conducción

Aislador Porcelana eléctricavidrios silicatos

ambiente >108 Mínima conducción superficial por H2O absorbida

Electrolito sólido β-Al2O3β-AgI

300-1000 °C 10-3 a 10-5 Conducción iónica por difusión de iones a través de la red

Semiconductor Fe3O4, B4C3, Ge, Si, C (grafito)

ambiente 10-2 a 103 Conducción electrónica por ocupación parcial de bandas de conducción

Superconductor YxSrxCuO2

LaxBaxCuO2

< 70K < 10-5 Conducción electrónica, mecanismo desconocido

Propiedades mecánicas

• Los materiales cerámicos son frágiles a temperatura ambiente, en el caso de vidrios debe decirse a temperaturas por debajo de su temperatura de transformación (Tg)– T > Tg � viscoplástico– T < Tg � viscoelástico

• La resistencia a la tracción depende fuertemente del estado superficial• La tenacidad depende de las imperfecciones en su interior• Módulos de Young, GPa

Material E Material E Material E Material E

Grafito, 20% porosidad

9 Vidrio de Pb (20% PbO)

69 Refractario 65% Al2O3

104 Alúmina 365

Vidrio borosilicato

68 Vidrio de sílice

72 Zr2O 152 MoSi2 (5% porosidad)

407

Porcelana 69 Vidrio común Si-Na-Ca

72 MgO (5% porosidad)

210 SiC (5% porosidad)

468

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Preguntas

1. Defina material cerámico.2. Defina vidrio. De ejemplos de vidrios no cerámicos.3. ¿Cuál es la materia prima principal de los materiales que

comúnmente llamamos “vidrios”?4. ¿Qué diferencia hay entre el templado térmico y el templado

químico de un vidrio?5. ¿Para qué se utilizan los vidrios de plomo?6. ¿Qué tipo de producto es un vidrio flotado?7. ¿Qué característica principal tiene los vidrios al boro?8. ¿Qué es la barbotina?9. ¿Cuáles son las fases cristalinas más comunes del SiO2?10. ¿En qué consiste el proceso de sinterizado?11. ¿Cómo se clasifican los procesos de sinterizado?12. ¿Qué es el sinterizado en frío?

Preguntas

13. Desde el punto de vista de la composición, ¿qué clase de materiales son las arcillas?

14. ¿Cuál es la estructura de las ferritas? ¿Cuál es su uso?15. ¿Qué es la pulvimetalurgia?16. ¿Qué es un cermet?17. ¿Qué clase de material cerámico es la “vidia”, típica herramienta

en procesos de mecanizo con arranque de viruta?18. ¿Cuáles son los componentes principales del cemento portland?19. Describa genéricamente el proceso de fabricación de un vidrio

templado.20. ¿Qué función cumple el sodio en un vidrio silicato?21. ¿Qué determina que un refractario sea ácido o básico?22. ¿Qué significa que un material sea refractario?

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Preguntas

23. ¿Cuál es la diferencia entre el proceso de fabricación de un plato de vidrio y uno de porcelana?

24. ¿Qué es la temperatura de transformación Tg de los vidrios? ¿De qué depende?

25. ¿Por qué no se utiliza el ensayo de tracción para caracterizar a los materiales cerámicos? ¿Qué ensayo suele utilizarse?

26. ¿Qué tipo de producto cerámico en su proceso de fabricación incluye una etapa de fusión?

Referencias

• Mari, E; Los materiales cerámicos; Editorial Alsina; 1998

• Mari, E; Los vidrios; Editorial Alsina; 1982• www.matweb.com• http://ceramics.org/• http://www.vasa.com.ar