Antecedentes y visión general

1. INTRODUCCIÓN

La mayoría de los libros en los órganos de toma de cerámica se centran en la tecnología dominante de con-consolidando y

densificación de polvos (principalmente de origen químico), principalmente a través de sinterización [1-3]. Estos libros

ofrecen información valiosa sobre los principios-sci cien- subyacentes que controlan dicho tratamiento, así como

proporcionan informa-ción útil sobre muchos de los parámetros del proceso, pero su punto de vista sobre la elección del

método (s) de fabricación es uno básico en lugar de una ingeniería uno. Por lo tanto, este tipo de libros en general tienen

poca o ninguna en la formación de muchos de los aspectos importantes engi-inge- o coste de producción de componentes

de cerámica. Además, incluso dentro de su ámbito de aplicación más básica, que se centran generalmente en las

metanfetaminas SAO más comunes, por ejemplo, de preparaciones líquidas químicas de los polvos y presionando su

matriz y sinterización. En general, proporcionan una información limitada o nula en otros métodos de producción de

componentes de cerámica, por ejemplo, de la deposición química de vapor (CVD) o varias rutas de procesamiento de

fusión, y por lo general no hay información sobre la propiedad y en gineering compensaciones entre diferentes métodos de

producción básicos o dentro de las variaciones de un enfoque determinado, como la sinterización de los cuerpos de

diferentes métodos ing formulario. Así, mientras que los libros existentes abordan el uso de aditivos en densifi-cación, lo

hacen onl y en amplios términos de sinterización en fase líquida, no discutiendo aditivo específico utiliza para la

sinterización, y no abordan una serie de otros usos de los aditivos. Además, no hay discusión limitada de la forma,

especialmente Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc. del tamaño de los componentes, las capacidades de las tecnologías de procesamiento y fabricación dirigidas,

ni sus aspectos de costos. En el otro extremo hay libros que se centran más en aspectos específicos engi-inge-, por ejemplo,

formulaciones específicas, incluyendo los usos de ambos ad-ditives y de carpetas, pero principalmente para la

cerámica tradicional más [4], para el que dicha información es generalmente conocida, pero a menudo es

propietaria para muchos materiales cerámicos más nuevos. También hay algunos libros que se centran en la

fabricación de polvo específica / forman técnicas [5-8], así como en algunas otras técnicas de fabricación,

principalmente las enfermedades cardiovasculares [9,10]. Este libro está destinado a complementar y suplementar los libros anteriores, proporcionando una

perspectiva mucho más amplia en la fabricación de cerámica, que se define como la combinación de diversas

tecnologías de proceso para producir piezas de cerámica / componentes monolíticos o compuestas en forma

determinada, el tamaño, y la propiedad microestructura-tura límites para una composición dada. La atención

se centra en mayores perfor-mance cerámicas monolíticas, pero con una considerable atención a los

compuestos cerámicos, compuestos especialmente paniculadas, así como la atención a algunos cuerpos spe-

zados, por ejemplo, los de la porosidad diseñada. Este libro no pretende ser un "libro de cocina" fabricación

de ingeniería ya que muchas de las tecnologías no están en producción, y muchos que son puede tener

diversos aspectos de propiedad. En su lugar, se entiende como una guía para las alternativas tecnológicas para

la aplicación práctica de los interesados en el desarrollo de tecnologías prácticas de fabricación más allá de la

preparación de laboratorio de muestras para fines de investigación. Así, mientras que una amplia gama de

temas se aborda esté completo, se hace hincapié en las tecnologías que se tratan menos o nada en los libros

anteriores, pero han sabido o poten-cial practicidad. Por lo tanto, mientras que, la fabricación a base de polvo

tanto convencional como alternativa se abordan, se da considerable atención tanto a CVD y fundir los

procesos, así como para el procesamiento de reacción. Además, se revisa el uso de aditivos en todos estos

procesos, y se prestará especial atención a la cuestión del tamaño y forma las capacidades de los diferentes

métodos de fabricación. Además, en la medida feasi-bles, aspectos de costos se abordan y se dan ejemplos de

la extensión de ingeniería específico de límites de las tecnologías de fabricación de dados. Por último, se

analizan algunas tendencias y oportunidades globales.

Antes de proceder a la discusión de las diversas tecnologías de proceso / fabricación de los capítulos

siguientes, cuatro temas básicos se abordan en las tres secciones fol-mugido, el primer ser racional, ¿por qué

la cerámica y las oportunidades y desafíos para la selección de candidatos la cerámica. A continuación, se

discuten cuestiones generales que afectan el desarrollo y aplicación-ce Ramic, seguidas de discusión y il-

lustración de los costos y compensaciones. Finalmente, se discuten algunos factores generales de ingeniería,

en particular los tamaños y formas alcanzable, así como las posibilidades de unión, y sus costos y

consecuencias asociadas. Estos temas se tratan en este capítulo desde una perspectiva amplia, mientras que

algunos de estos factores se discuten en más detalle, donde se abordan tecnologías de fabricación

específicos.Estos son Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

grandes temas que sólo pueden ser ilustrados y resumidos aquí (especialmente los costes de pro-

ducción) para proporcionar orientación y el conocimiento de sus parámetros, variaciones, y la importancia.

2. ¿POR QUÉ LA CERÁMICA Y los que

La primera decisión que se hizo en la selección de candidatos materiales para una aplicación es determinar

qué tipo s de los materiales a considerar. Esto implica comúnmente tanto la fabricación y cuestiones de costos

discutidos más adelante, especialmente cuando se desea o requiere listos vano-capacidad, y el desarrollo

significativo no es realista. Cómo siempre, una cuestión básica para muchas necesidades, ESPECI queridos

aliado más largo plazo, es decir, qué candidatos materiales tienen el mejor potencial propiedad intrínseca para

satisfacer las re-requisitos de la aplicación, sobre todo si están demandando? Esto es espe-cialmente cierto

para cerámica y materiales compuestos de cerámica, ya que existe una diversidad de tales materiales y

propiedades, con gran parte de su potencial parcial o Sustancia-cialmente demostrado, pero a menudo sin

explotar. Este potencial surge tanto de los ex Tremes y las combinaciones únicas de propiedades que se

pueden obtener de la divers dad de los materiales cerámicos.

Perspectiva sobre la diversidad se puede conseguir por Ering rememb que Materi-ALS sólidas se pueden

dividir en nominalmente materiales monofásicos que son polimérico (principalmente plásticos o cauchos),

metálico, o de cerámica, o en dos o multifásicos compuestos de constituyentes de cualquiera de los tres mater

de una sola fase i-ALS básicos, o combinaciones de dos o tres de los materiales de una sola fase. Cerámica, o

más específicamente cerámicas monolíticas, por lo tanto se definen como nominalmente cuerpos de una sola

fase que no son materiales compuestos ni metales o polímeros. Mientras que esto incluye unos pocos

materiales elementales tales como azufre, o mucho más importante, las diversas formas de carbono, el gran

volumen y la diversidad de la cerámica son químicos com-libra de átomos de uno o más elementos metálicos

con uno o más metaloide o elementos no metálicos .

compuestos, es decir, compuestos de cerámica que consta de cuatro o más con-constituyentes atómicos que

son generalmente mucho menos conocidos. Tales compuestos de orden superior de-fer oportunidad para

extender la tecnología de cerámica a través de más diversas propiedades. La diversidad de cerámica y sus propiedades se extiende significativamente por el hecho de que las propiedades de

un compuesto de cerámica dado pueden ser variadas, a menudo sub-tancialmente, cambiando la microestructura a través

de diferencias en la fabricación / procesamiento, que se discute extensamente en otra parte [11,12] . La diversidad es

también signifi-cativamente ampliado por adición de uno o más de otros compuestos cerámicos que forman una solución

sólida con el compuesto de cerámica de base. Las limitaciones de tales sólido extensión so-lución de propiedades son los

límites de solubilidad ya sea debido a la precipitación o la reacción, o ambos. Sin embargo, estos límites de solubilidad

también proporcionan más formas spe-zados de la ampliación de la gama de propiedades a través de cerámica de

cerámica compos-itas, es decir, cuerpos cerámicos compuestos de dos o más fases de cerámica que han limitado o

ninguna solubilidad mutua y una gama considerable de química compatibil-dad. Más ampliamente, compuestos de

cerámica se hacen mediante la consolidación de las mezclas de fases compuestas, que se clasifican por el carácter de la

segunda por lo general, de fase adicional, es decir, partículas, barba, de plaquetas, o compuestos de fibra, que se abordan

en este libro, en general, en la disminución de medida, en el orden indicado. La diversidad resultante de las propiedades de cerámica de todos los compuestos de cerámica, sus

soluciones sólidas, y materiales compuestos se ilustra en parte por una lista muy abreviada de algunas

propiedades de los miembros más refractarios de los materiales cerámicos binarios más comunes y más

ampliamente desarrollado en la Tabla 1.1 . Tenga en cuenta que otros sistemas binarios tienen compuestos

refractarios, para ex-amplio, sulfuros y fosfuros con puntos de fusión de 2000 a 2500 hasta 2700 ° C, y

muchos sistemas con compuestos que tienen puntos de fusión de 1500 a 2200 ° C o superior. También tenga

en cuenta que, mientras que los compuestos ternarios y de orden superior suelen tener temperaturas de fusión

más bajas que los compuestos binarios más refractarios, esto no siempre es cierto.

La diversidad característica de la cerámica se muestra adicionalmente mediante los siguientes OB-

observa- relacionadas con los seis categorías de propiedades funcionales: (1) térmico-químico, (2) mecánico,

(3) de conducción térmica, (4) eléctrica, (5) magnético, y (6) electromagnética. Por lo tanto, hay una serie de

cerámicas que tienen entre las más altas temperaturas de funcionamiento posibles, acercándose a sus puntos

de fusión en y por encima los de sus únicos otros competidores, los metales refractarios (Tabla 1.1), y tienen

las más altas energías para la ablación, especialmente en el ausencia de fusión, como es el caso de la cerámica

importantes que comúnmente sublimes sin fusión.Además, la diversidad de composiciones cerámicas

proporciona candidatos para una diversidad de ambientes, por ejemplo, haluros para entornos de halogenuros

y sulfuros para entornos de azufre, así como la formación o aplicación de recubrimientos al menos

parcialmente de protección que son químicamente compatibles con el ce-Ramic sustrato. Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

Teniendo en cuenta el rendimiento mecánico, muchas cerámicas tienen una alta rigidez y altos puntos de

fusión, lo que refleja la fuerte vinculación atómica. Mientras que la rigidez disminuye generalmente al

aumentar la temperatura, como para otros materiales, es typi-camente un atributo importante de muchas

cerámicas de todo el espectro de la temperatura. Fortalezas alta de bonos de muchas cerámicas refractarias

también se correlaciona con sus altas durezas, que tiende a correlacionarse con el rendimiento de algunos

armadura y espe-cialmente con mucho desgaste y resistencia a la erosión, así como con resistencias a la

compresión que también pueden ser de importancia a altas temperaturas, pero son típicamente más importante

a temperaturas modestos [2,11,12]. Resistencia a la tracción, a pesar de ser-Ing particularmente sensibles a

microestructural y por lo tanto a los procesos de fabricación para-metros, también se correlacionan, en parte,

con módulos de elasticidad, y puede ser muy importante en un amplio rango de temperaturas. También tenga

en cuenta que algunos compuestos ternarios (como mulita y tal vez compuestos de orden superior) pueden

tener mucho mayor resistencia a la deformación de sus componentes binarios más refractarios. En el extremo

de precisión mecánica, muchas cerámicas ofrecen los más altos grados de precisión elas-TIC estabilidad, es

decir, la estabilidad dimensional bajo carga mecánica y térmica, que es típicamente más pronunciada e

importante a temperaturas modestos [12]. Diferentes cerámicas tienen entre las más bajas conductividades térmicas intrínsecos y otros de los rangos más

altos de conductividad térmica, con aún más extremos muestran para la conductividad eléctrica o resistividad. Esto

incluye tanto los superconductores de alta-tem-peratura (TiN y TiC) antes del descubrimiento de ternarios tanto de mayor

temperatura y de mayor óxidos superconductores de gran interés durante aproximadamente los últimos 10 años.Algunos

cerámica también tienen la mayor resistencia a la descomposición-di eléctrico, por lo tanto, la capacidad de ser buenos

aislantes incluso bajo muy altos campos eléctricos, así como otras propiedades eléctricas importantes [2,11,12]. Estos

incluyen semiconductores de alta temperatura para una variedad de aplicaciones y conductores iónicos para diversas

aplicaciones, tales como células de combustible y baterías avanzadas, así como sensores. De particular importancia para

muchas aplicaciones tecnológicas son propiedades eléctricas ferroeléctricos y afines, especialmente en algunas ce-ramics

ternarios, que al igual que muchas otras propiedades son más a menudo de especial importancia en o cerca de habitación

y temperaturas moderadas. Esto es comúnmente el caso también por sus propiedades magnéticas y electromagnéticas

importantes, pero el rendimiento tempera-tura elevada de tales funciones puede ser también importante. Mientras que una sola propiedad puede conducir aplicaciones, combinaciones únicas de propiedades

son comúnmente un factor importante.Así, por ejemplo, buenas propiedades magnéticas en no conductora, es

decir, dieléctricos, la cerámica es un factor importante en sus aplicaciones magnéticas, mientras que la

aplicación de la transparencia de las cerámicas dieléctricas a los rayos ultravioleta (UV), visible, infrarroja

(IR), microondas, y otra ondas elec-electromag- se hace a menudo debido en parte a las capacidades de

temperatura de muchas cerámicas. Estas y otras aplicaciones también son a menudo impulsados en parte por

las durezas sustanciales de muchas cerámicas como se refleja en su resistencia al desgaste, la erosión, y el

impacto balístico, por ejemplo, para las ventanas de armadura transparente. Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

El reto de la fabricación de componentes cerámicos para diversas aplicaciones requiere que las

propiedades y el rendimiento buscaron ser obtenido de una manera fiable y rentable. Sin embargo, estos dos

objetivos de fiabilidad y coste adecuados dependen de los impactos de la composición de componentes, así

como el tamaño, la forma y requisitos de acabado tridimensional de la superficie en las rutas de fabricación, y

los para-metros de las técnicas de procesamiento dentro de estas rutas. Las propiedades buscadas son determinados generalmente por la composición del cuerpo, principalmente por el

compuesto seleccionado. Sin embargo, puede ser uniforme, hetero-geneous, o ambas variaciones, ya sea en la

composición del compuesto de cerámica tratado, otros componentes o impurezas en solución sólida o como segunda

fases, o combinaciones de éstos. Por lo tanto, algunos compuestos son muy estables en la composición durante el uso,

pero otros no lo son tanto, mientras que los parámetros de procesamiento de fabricación puede de-ten presentan mayores

problemas de estabilidad de la composición.Por ejemplo, algunos óxidos tales como A1 2 O 2, BeO, SiO y 2 son bastante

estables, mientras que otros, tales como óxidos de Ce, Ti, Zr y lo son menos, de tal manera que se pueden reducir de su

estequiometría de oxígeno normal en diversos grados, dependiendo de la extensión de la reducción de las condiciones,

temperaturas y tiempos de exposición. Tamaños y formas de los componentes son factores clave en gradientes de

composición resultantes y sus efectos. Tal reducción puede ser muy perjudicial para algunos usos, especialmente

eléctricos y electromagnéticos y algunas-veces propiedades mecánicas, así como un cierto uso posible en casos

especiales. Simi-lar, aunque a menudo efectos menos extremas de desviaciones estequiometría pueden ocurrir con la

cerámica nonoxide útiles. Tanto la presencia de impurezas y el uso de aditivos pueden ser cuestiones importantes, ya que

el aumento de purificación normalmente significa aumento de los costos y puede tener otras ramificaciones en la

fabricación, como aditivos pueden ser impor-tante en la fabricación, pero presentan limitaciones en su uso. Capítulo

3 trata el uso de aditivos en la preparación de las materias primas cerámicas que, si bien tienen algún efecto-desir poder,

puede retener algunas impurezas, las variaciones en la composición, o ambas cosas. Ca- pítulo 5 aborda ampliamente el

uso de aditivos en la fabricación. Otro impacto básico de fabricación en las propiedades es sus efectos sobre mi-crostructure, que surgen tanto por

razones intrínsecas y extrínsecas, los últimos efectos menudo reflectantes del heterogeneidades químicas o físicas en el

cuerpo. La razón de esto es que microestructura juega un papel importante en muchas propiedades, con el factor de

porosidad microestructural ser más crítico. Mientras que la porosidad es crítico para algunas aplicaciones importantes,

tales como la catálisis o filtración, y también puede ayudar a algunas otras propiedades y aplicaciones, reduce

significativamente comúnmente muchas propiedades importantes, tales como las mecánicas y ópticas [11]. Por lo tanto,

una fracción de un por ciento de porosidad que dispersa la luz visible puede hacer que una ventana de cerámica

potencialmente trans padres ineficaces para el fin, mientras que la porosidad ~ 5% restante de la mayor parte de

sinterización puede reducir muchas de las propiedades mecánicas en un 10-25%. Siguiente más significativo es el tamaño

de grano (G), con muchas de las propiedades mecánicas como el aumento de G disminuye, por ~ 50% o más como G va

desde ~ 100 a ~ 1 mermelada, pero otras hélices propie- puede ser afectado por G o aumentar con el aumento G [12]. En

los materiales compuestos Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

el tamaño de partícula dispersa juega un papel similar al de G en la cerámica monolíticos, pero el

tamaño de grano matriz también todavía tiene efectos similares en materiales compuestos como en la

cerámica monolíticos, aunque puede ser más moderado en el crecimiento del grano por las par-tículas

dispersas. Heterogeneidades de estructura de grano y de partícula y la porosidad, así como im-purezas o

aditivos, también pueden ser importantes en la limitación de los niveles de fiabilidad y de propiedades. Todos

estos efectos microestructurales se ven afectados por la cerámica, la ruta de fabricación, y los parámetros de

procesamiento seleccionado para una aplicación dada. La diversidad de la actuación por encima de cerámica basada tanto en la diversidad de los materiales

cerámicos y en los impactos de la fabricación a través de efectos sobre la microestructura es un arma de doble

filo. Por un lado, la diversidad rendimiento proporciona más amplio op-opor- para la aplicación. Por otro

lado, se puede diluir los recursos entre los candidatos que compiten-pos ble, que pueden poner en peligro el

éxito de cualquier candidato. También puede significar que el candidato que puede ser implementada no es el

mejor en general, pero el que requiere menor desarrollo; Sin embargo, una vez establecido, es más difícil de

sustituir con un candidato potencialmente superior. Dichas compensaciones se im-pactada por factores

económicos específicos (ver Sec. 1.4), así como por factores políticos y económicos más grandes, (ver Sec.

1.3).

3. FACTORES POLÍTICOS Y ECONÓMICOS QUE INFLUYEN

DESARROLLO Y APLICACIÓN DE CERÁMICA AVANZADA

Un cambio importante reducción de oportunidades para el desarrollo y aplicación de ce-ramics

(y otros materiales de anuncios avanzados) fue el final de la reducción de la guerra fría de la

financiación militar aeroespacial. Es probable que también reduce las oportunidades para la

transformación y desarrollo de materiales ad-avanzado, como el de la cerámica con poten-cial

para los extremos de rendimiento, al cambiar el equilibrio de un mayor impulso en el

rendimiento a más de la disponibilidad / accesibilidad. Esto hizo que tal financiación deci-

siones impulsados aún menos por impulso tecnológico, lo cual es raro en la industria general,

donde la demanda del mercado domina como la fuerza impulsora para la nueva tecnolo

gía. Así, por ejemplo, la aplicación de algunos sistemas militares, tales como el radar phased-

array, fue establecido el paso por el desarrollo comercial de costo efectivo aplicable technol-

gía desarrollada en el volumen de los hornos de microondas a casa. También, para la

perspectiva, que debería ser n oted que la justificación principal para uno de los principales

programas de motores de turbina-ce Ramic anteriores fue impulsado principalmente por las

preocupaciones geopolíticas de la guerra fría para la disponibilidad de elementos como el Cr,

Co y Mn crítica para super-aleaciones en la sección s caliente de motores de turbina de metal,

que potencialmente se sustituye por Si de la arena y N del aire. Mejora de la eficiencia de

combustible también fue citado como un beneficio, pero no fue una fuerza impulsora

importante, sobre todo cuando los costos del petróleo no eran altos. Dicha eficiencia ofrece

mucho menos fuerza impulsora en el mercado de consumo como lo demuestran las bajas

ventas de vehículos de bajo consumo en el pasado, excepto cuando el gas era escasa. Las altas

ventas de vehículos deportivos de mayor consumo de combustibles de utilidad en los últimos

años, en parte, el resultado de los bajos costos de los combustibles. Más justificaciones recientes para

Ceram-ics en turbinas se han centrado en la erosión reducida, por lo tanto, menos mantenimiento y

mayor vida útil de las unidades de potencia auxiliar de turbinas ASED tierra-b, (APU), es decir, unidades

auxiliares de energía eléctrica de turbina y el peso también, posiblemente, más ligero para transmitida

por el aire APU.

Otros dos cambios relacionados han sido los cambios revolucionarios en la tecnología y los e lectronics médicos y

biológicos, especialmente en las telecomunicaciones y los ordenadores personales. Mientras que ambos ofrecen

oportunidades para aplicaciones cerámicas, por ejemplo, de cerámica bio y electrónicos, respectivamente, éstas son

generalmente modesta y también tener algunos efectos negativos. Los cer oportunidades ámicos en estas áreas están

limitadas por una parte por los problemas de distribución y de responsabilidad de biocerámicas (espe-cialmente en

los Estados Unidos que tiene un menor uso de biocerámicas que Europa), y por otro lado, por la suma, producto

desarroll rápida ciclos nt de muchos sistemas de elec trónico, que hacen que sea muy difícil de implementar nuevas

tecnologías, como el uso de la cerámica a menudo representan. Además, estas áreas están absorbiendo grandes

cantidades de gobierno e industrial de financiación, lo que deja menos dinero para otras tecnologías. Cambios de

diseño Además, la amplia y creciente disponibilidad de la tecnología de diseño por ordenador ha realizado utilizando

los materiales existentes, como los metales, mucho más rápida y rentable, permitiendo así que las mejoras

significativas de productos a través de diseño nuevo o mejorado en lugar de nuevos materiales REALIZACIÓN-

tación, la siendo este último típicamente un proceso mucho más largo y más costoso. Por lo tanto, la adición de un

conjunto adicional de válvulas en cada cilindro de muchos motores de automóviles y los diseños aerodinámicos de

coche s, especialmente los tractores de camiones, reduce las fuerzas de conducción durante más tecnología de motor

de bajo consumo de combustible de cerámica.

Otro factor importante es la regulación, junto con otros fac-tores de política pública. Control de las

emisiones del motor gubernamentales generaron el mercado de al menos $ 300 millones por año para el

catalizador de escape de cerámica apoya. Otros controles de emisión existente y-ing pend también

proporcionan más oportunidades para la cerámica (por ejemplo, para los quemadores), así como por

alguna competencia de quemadores metálicos y catalizadores SUP-puertos. Los impuestos también

pueden ser un factor, por ejemplo, un impuesto antes en mayor auto en-gines en Japón proporcionó un

impulso financiero para el desarrollo y venta de Si 3 N 4 rotores del turbocompresor, y la eliminación del

impuesto reduce en gran medida el mercado tur-bocharger cerámica - que, si yo t crece en el futuro

podría experimentar compe-compe- partir de otros materiales, como los metales, lo que permite de paso

variable o carbono-carbono de menor masa. Los impuestos a los combustibles derivados del petróleo de

alta en la mayoría de los demás países de-desarrollados fueron un factor importante en el desarrollo d e

mejores vehículos de bajo consumo, lo que permitió a otros países a ampliar su cuota de mercado en los

Estados Unidos. La flota de automóviles estándares de eficiencia de combustible posteriores

estadounidenses ayudaron a proporcionar un incentivo más uniforme para la mejora de la eficiencia del

automóvil de Estados Unidos frente a las fluctuaciones de los costos del combustible.

Otros dos factores importantes y relacionados que comúnmente no son reconocidos adecuadamente son

que siempre hay competencia para cualquier aplicación de material, y

que la competencia no es estática. Por lo tanto, muchas aplicaciones de cerámica debe com-pete con la

aplicación de otros materiales, tales como plásticos o metales, así como cerámicas de menor costo en

forma a granel por sí mismos o por medio de tecnología de capa ing, diseños al-ternativas, o ambos. Por

lo tanto, diversas, intermetálico, o recubrimientos metálicos cerámicos pueden competir con

componentes cerámicos a granel para una variedad de otras aplicaciones (por ejemplo, biomédicas) y

desgaste. Bajos costos para muchos cerámica tradicional debido a la utilización de componentes

minerales de bajo costo y sobre todo de mate-riales procesados, en particular, A1 2 O 3, debido a las

economías de escala que son el resultado de la industria del aluminio y, en general menores costos de

procesamiento para cerámicas de óxido, proporcionan la competencia para la cerámica de rendimiento h

igher, especialmente nonoxides.Los metales son claramente la principal competencia para la cerámica en

los motores, en los diseños de refrigeración de aire permiten metales para ser utilizados más allá de sus

normales de temperatura lim-its, pero lo más probable es ser sustituidos por la cerámica (pos blemente

también refrigerado por aire) en algunas aplicaciones. En otros casos se trata de la competencia de costos

estricta - fueron considerados seguidores de leva de cerámica para un número de años por Chrysler para

reemplazar los rodamientos de aguja de metal lic en algunos de sus motores de automóviles. Seguidores

de leva de cerámica no se han aplicado en los motores de automóviles Chrysler, debido a la reducción de

costos de los rodamientos de metal estimuladas por el potencial de la competencia de

cerámica (Nota:. Los seguidores de cerámica tenían que ser menor costo que los rodamientos de metal a

ser con-considerarse para EJECUCIÓ automotriz ntation; seguidores de leva de cerámica han sido im-

complementado en algunos motores diesel donde el costo-rendimiento compensaciones son diferentes).

El ejemplo anterior de seguidores de leva de cerámica en los motores de automóviles también illus-trados el hecho

de que es difícil de desplazar una tecnología ISHED establ que todavía se puede mejorar. Esto también se demuestra

por otros ejemplos, tales como paneles de células solares para la energía en el espacio, que en repetidas ocasiones se

han extendido a los tamaños más grandes y altos poderes más allá de los límites anteriormente previstos. Sin

embargo, el cambio de los equilibrios entre las tecnologías que compiten con el tiempo es importante, pero puede ser

complejo. Por lo tanto, cúpulas utilizadas en misiles y aviones solían ser compos-itas basados poliméricos debajo de

Mach 1, y la cerámica por encima de ella, pero el primero se han mejorado con el tiempo para u se a Mach 2.3, lo

que podría reducir el mercado de cúpulas de cerámica . Sin embargo, las velocidades superiores de misiles para los

que se utilizan radomos de cerámica también se han extendido sustancialmente, manteniendo así un uso considerable

de radomos de cerámica. Del mismo modo, los paquetes electrónicos ic plast han aumentado en su temperatura

ambiental y otras capacidades que les permitan reemplazar algunos paquetes de cerámica, pero la aplicación de

paquetes de cerámica en más exigentes ENVI-am- también ha aumentado, dejando paquetes de cerámica todavía un

negocio grande y creciente. Sin embargo, A1N comercial sustratos electrónicos y paquetes para mayor disipación de

calor, aunque presente en forma de artículos de comercio, están muy por debajo de las previsiones anteriores debido

al costo de AIN superior, la competencia de otras de calor d materiales y métodos ISSI-pantes, así como reducciones

en el poder para operar algunos dispositivos semiconductores y necesidades, por lo tanto reducidos para alta

disipación de calor. La

mayor coste de A1N, especialmente frente a la de A1 2 O 3, se puede reducir con el volumen arrugado

en-, como para la mayoría material. Sin embargo, las preguntas importantes para todos los mate-riales

son si los costos pueden reducirse lo suficiente para atraer el uso de alto volumen, y son correos

aplicaciones de costo / volumen intermedios ther para cerrar la brecha (s) entre las aplicaciones más

bajos y más altos de volumen. Tenga en cuenta que este número de mercados en expansión progresiva

para proporcionar una oportunidad para aumentar progresivamente el volumen de producción y por lo

tanto reducir los costos c un ser particularmente problemático para las nuevas tecnologías como se

comenta por Christenson [13]. Por lo tanto, los principales desarrollos tecnológicos a menudo comienzan

como nichos de mercado, que pueden no ser de interés para el negocio descubrirlos, pero en última

instancia lo sustituyan. Por ejemplo, los fabricantes de buggy se gener-aliado no está interesado en los

automóviles, que se desarrollaron considerablemente por otros antes de haber comenzado a sustituir la

carroza de caballos.

Es útil para tomar brevemente un largo plazo y una amplia perspectiva sobre cerámica-en motor progra

ms. Estas son las que comenzaron a finales de la Segunda Guerra Mundial con la inteligencia aliada que

indica la posible labor en Alemania utilizar la cerámica para mejorar el rendimiento de sus aviones caza

a reacción introducida a finales de la guerra [14], lo que lleva a un programa de Estados Unidos después

de la guerra t él. La turbina de cuchilla de Estados Unidos fueron candidatos a-Manite silli (-

A1 2 O 3 SiO 2) y una "porcelana" BeO (~ 85% BeO), y más tarde MoSi 2, y especialmente, un ~ 80%

TiC-20% Co cermet. Todos eran infructuosos (esta última entrega cermets su reputación de frecuencia

dando la fragilidad de la cerámica a un menor y el pobre resistencia a la deformación de los metales a

altas temperaturas, en lugar de la esperada para la combinación de una mayor dureza de metales de

resistencia a la fluencia inferior y ce-Ramic en temperaturas más altas). Este programa anterior turbina-

ap parente plomo a la investigación industrial de cerámica para los motores de pistón, por ejemplo,

camisas de cilindros, al parecer, se centró en la cerámica a base de alúmina. Por lo tanto, se podría decir

que este tipo de programas de cerámica han sido investigados por ~ 50 y ~ 40 años, respectivamente, sin

éxito, y se podría añadir que los rodamientos de cerámica han sido investigados por ne arly 40 años y

sólo han comenzado recientemente para lograr el éxito comercial moderado. Estos programas anteriores

mostraron la necesidad de mejores materiales cerámicos, cuyo desarrollo, especialmente los nitruros de

silicio y otros materiales relacionados, estimulado programas posteriores y se han mejorado aún más por

ellos.

Por lo tanto, visto en una perspectiva más amplia, los programas antes mencionados son éxitos de tipos

interrelacionados y modo, y ambos rodamientos y motores de pistón de aplicaciones de levas de nitruro

de silicio son, en parte, los derivados de los programas de motores de turbina, como fue el éxito temporal

de rotores del turbocompresor de nitruro de silicio . Esto es también por lo menos par-cialmente

verdadera de la i ncreasing uso de otros materiales cerámicos (por ejemplo, de ZrO 2), en otro diesel en-

cionar mucho aplicaciones de combustible-desgaste, que tuvieron un menor número de años de

investigación para la aplicación y están creciendo con la progresión a más reciente modelos de

motores. Los vehículos que utilizan la combustión híbrida-batería o la propulsión de combustible células

beta ofrecen importantes oportu-nidades para la cerámica que se benefician de los esfuerzos anteriores

del motor de cerámica. (Una unidad de tur-bine-eléctrico híbrido fue propuesto por este autor como un

seguimiento de motor de cerámica

programas, pero fue retirada basada en el asesoramiento que era demasiado caro tener dos fuentes de

energía, la suposición de que se pondrá a prueba por los vehículos híbridos en producción y desarrollo.)

En general, algunos po puestos ssible de usos, como sili-con nitruro rotores del turbocompresor u óxidos

resistentes a los golpes térmicos como trazadores de líneas de puerto de escape, pueden resultar

permanente o temporal. La expansión de los actuales Applica-ciones y otras oportunidades de desarrollo,

sin embargo, indican gro motor ala ap-plicatura de la cerámica - por ejemplo, nitruro de silicio o

carbono-carbono válvulas o pistones de grafito de alto rendimiento.

Es útil tener en cuenta que las aplicaciones electrónicas de cerámica son mayores y han experimentado

un mejor crecimiento que initiall y proyecta, sobre todo en sus inicios antes, (previsiones de aplicación

eran a menudo por debajo de los resultados reales, mientras que las previsiones para aplicaciones de

motores de cerámica típicamente han sido mucho por encima de los resultados de ac-tual). Por lo tanto,

la tecnología de empuje puede tener éxito cialmente, espe nuevas devel-desa- (pero probablemente

requiere apoyo gubernamental sustancial), mientras que la evolución de tracción de mercado suelen ser

más rápido y más probabilidades de tener éxito, espe-cialmente en marcos de tiempo modestos.

15. 1.4 COSTOS Y GANANCIAS FACTORES

Si bien hay factores que afectan a los mercados de la cerámica en una, a menudo base más amplia a

largo plazo como se indica más arriba, más fundamentales para el éxito de cualquier producto-spe

espe- es primero su mercado potencial específico y su producibilidad a costos aceptar-capaz. El

mercado se describe el carácter del producto, tales como sus requisitos técnicos, la escala de la

producción potencial, el precio del producto, y-pos ble interrelación de estos, pero mucho puede ser

especulativo e incierto, espe-cialmente para nuevas aplicaciones. El pro ducibilidad está

directamente relacionada con la fabricación (es decir, determinar si el rendimiento de los

componentes percibido o conocido, tamaño, forma, dimensiones, y otros requisitos se pueden

cumplir), así como lo que es probable que sean sus costes y cómo se comparan con potente precios

ial y por lo tanto lo que puede ser la rentabilidad potencial. Una vez más hay que destacar que todos

estos factores puede ser muy incierto para un nuevo producto, pero mejor definido para un fabricante

de entrar en un mercado existente para un componente existente. Muchos de los problemas,

especialmente los de marketing, son mucho más allá del alcance de este libro y por lo tanto se tratan

poco o nada en absoluto. La atención se centra en aquellos aspectos más directamente relacionados

con la fabricación - se centra en los costos - con algunos comentarios limitados sobre los precios y

los pro fitability.

El costo de desarrollo de la tecnología y sobre todo de la producción real de im-imple- son críticos

para el éxito de la introducción y el éxito de un producto. Los costos de producción de Ac-tuales

para una parte dada son típicamente de propiedad, por lo que gran parte de la información disponible

proviene de la producción de conocimiento general y especialmente de la creciente utilización de

modelos informáticos de los costes de fabricación. Evalua-ciones de costos a través de la

modelización son un factor crítico para el éxito del desarrollo y la implementación de fabricación de

componentes de cerámica, tanto en las primeras etapas de-ción CONSIDERA así como durante el

desarrollo y la aplicación, ya que esto indica ambas rutas posibles fabricatio n y los pasos más

costosos que necesitan atten-ción particular. Sin embargo, estas evaluaciones son muy dependientes

de Parame-tros clave de operaciones (por ejemplo, la ruta específica de fabricación, los parámetros

de procesamiento, y los volúmenes de producción), así como los factores de su ch como el exceso de

material utilizado, compartición de recursos-ción producción, y especialmente rendimientos

alcanzados (el porcentaje de componentes manu-Factured que son adecuados para la venta frente a

los que tiene que ser desechado). Estos factores suelen ser altamente propietario, y jue no es

disponible públicamente, como es el caso de muchos datos para verificar los modelos de costos. Sin

embargo, hay algunos aspectos de costos generalmente conocidas, así como estudios específicos de

modelado de costos que proporcionan directrices útiles, reconociendo que hay excepciones a todas

las tendencias t sombrero requieren evaluaciones específicas de casos específicos. Una vez más, el

propósito aquí no es un tutorial sobre métodos ing-modelo, que es un tema importante en sí mismo,

sino para dar algunas fuentes de dicha información, y especialmente a familiarizar a los lectores con

factores de variación, s, y algunas pautas básicas.

En primer lugar, tenga en cuenta las tendencias generales, una de las principales siendo lo técnico de mercado

en la que el componente específico caerá, con una diferenciación importante siendo si el componente es uno

electrónico, especialmente un electo paquete ronic múltiples capas, o por algún otro uso, como por funciones

térmico-estructurales. Paquetes Elec-tronic (y en menor medida otros electronic y algunos com-componentes

eléctricos, así como las herramientas de corte de cerámica) se venden a precios mucho más altos por unidad

de peso, refl eja tanto mayores costos de producción y su pequeño tamaño, por lo tanto, lim-tados por coste

de las piezas, y probable más valor añadido. Una evaluación global de la industria de la cerámica avanzada en

los Estados Unidos esbozado por Agarwal [15], que es al parecer más centrado en la cerámica estructural,

señaló que el procesamiento de cerámica es típicamente lotes y mano de obra intensiva. Atribuyó el 40-50%

de los costes de fabricación de cerámica de alto rendimiento a la inspección y rechazo (básicamente para

producir), frente al 5-10% para los metales de alto rendimiento, por lo que una vez más hincapié en esto

como un problema importante costo para la producción de cerámica. Agarwal citó típico 15-20% de los

costos totales para el acabado de cerámica, principalmente para el mecanizado, y sólo 5 a 10% para el

personal del als conocido. Sin embargo, para las piezas de precisión (por ejemplo, aquellos en los motores),

los costes de mecanizado pueden ser sustancialmente superior (por ejemplo, los costes de mecanizado fueron

un factor importante en los altos costos proyectados de componentes de óxido de circonio templado para su

posible uso en motores diesel más eficientes (ver Tabla 1.2) . Los potencialmente altos costos de mucho

mecanizado de componentes-ce Ramic es una razón importante para enfatizar cerca fabricación net-forma,

aunque una excepción importante ha sido la fabricación de bolas de cerámica para los rodamientos como se

discute más adelante. en cada etapa de fabricación varían en cantidad y el impacto de los costes, con la cantidad limitada de

recuperación suele ser mayor, por lo tanto, algo menos costoso, en las etapas de proceso anteriores, tales

como polvo, y mucho mayor en las etapas posteriores, como la cocción y ma-el mecanizado. Sin embargo, el

rendimiento del producto acumulado, que puede ser bien <50% en las primeras etapas de la producción de

productos y, posiblemente, <80% en etapas posteriores de la pro-ducción de componentes complejos, es más

crítico, y es a menudo el factor determinante en el éxito del producto y de las restricciones sobre los costos de

etapas de fabricación individuales, especialmente los más costosos [18-23]. En cuanto a otros costes de fabricación específicas, las materias primas son un factor; Agarwal les cita

como el 5-10% de los costos totales (para la cerámica estructural, metales y polímeros), que es una escala

común, pero sujeta a una variedad de condiciones, que son a veces más baja o más alta (véase el cuadro

1.2). Así, por ejemplo, Roth-hombre y compañeros de trabajo [18,19] informan de que un mayor costo de

SiC en polvo (22 $ / kg, lo que los costes de material en un 22%) podría ser utilizado para la fabricación de

pequeños sellos de disco si un alto rendimiento sobre-todo (86 %) se supuso, en comparación con ~ $ 3 / kg

de polvo (dando los costes de material en -5%) con 40% de rendimiento global. El impacto de los costes de

las materias primas depende en gran medida de la cantidad utilizada caros se utilizan materiales como la

plata, el oro y plat-inum en cerámica electrónicos, pero en pequeñas cantidades, de tal manera que muchos

paquetes se pueden vender por unos pocos dólares cada uno. De manera más general, considerar una serie de

pequeños componentes, estructurales, como una de Si 3 N 4 bolas para aplicaciones de cojinetes: A '/ 4 -

en. balón diámetro requiere una modesta cantidad de Si 3 N 4 de polvo, mientras que un mayor V 2 -

en.diámetro uno requiere ocho veces más en polvo, por lo que la sensibilidad de tales bolas a la materia prima

cuesta aumenta sustancialmente a medida que aumenta tamaño de la bola. Por lo tanto, las materias primas

utilizadas para las pequeñas bolas no pueden ser económicamente viable para los más grandes. Esta edición

de materiales costos primas es importante porque muchos polvos-desir poder se han desarrollado, pero sus

altos costos limitan seriamente su viabilidad eco-nómica. Por ejemplo, Schoenung y compañeros de trabajo

[20-21] llevaron a cabo el modelado sustancial de los costos de cerámica para una variedad de avanzado

motor utiliza, Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

tales como rodillos de levas, válvulas y guías, que muestran que el óxido de circonio endurecido com-

ponentes nunca o apenas permitió a los costes de ponerse a dirigir precios de los componentes en los

volúmenes de productos sustanciales de 5-10 million / año con US $ 13 / kg de polvo, mientras que $ 4.50 /

kg costo en polvo permite costos de los componentes para alcanzar objetivos sobre precios en las cantidades

de producción de 2-4 million / año. Sin embargo, también en cuenta que muchos compo-nentes, como

muchos en aplicaciones de motores, tienen un volumen physi-cal aproximadamente fijo, en cuyo caso

zirconia sufre una desventaja de requerir casi el doble del peso de polvo por componente con respecto a otros

materiales cerámicos tales como candidatos Si 3 N 4 . Por otro lado, otros polvos tales como los de

Si 3 N 4 son com-comúnmente mucho más caro que 4,50 dólares / kg, por tanto, no cambiando las

limitaciones de coste de las materias primas mucho si en todos favorablemente. Schoenung y evaluaciones de

los compañeros de trabajo similares de Si 3 N 4 componentes también mostró costo material similar

limitaciones- $ 44 / kg de polvo de costos ni siquiera acercarse a apuntar precios incluso con el volumen de

producción de 10 millones / año, y hasta $ ll / kg costos polvo apenas alcanzando el rango de precios de

hasta-por blanco a un volumen de ~ 7 millones / año. Das y Curlee [24] también han demostrado la importancia de la reducción de Si 3 N 4 costos en polvo (de ~ $ 44 /

kg), junto con los costes de mecanizado haciendo rodillos de levas FOL-disminuye y rotores del turbocompresor más

costos competitivos con los costos de metales com-ponentes. Sin embargo, su afirmación de que se llevarán a cabo este

tipo de componentes cerámicos de motores de mayor costo, donde los beneficios mejorados se comunican adecuadamente

debe ser visto con una gran incertidumbre. Morgan [25] cor-rectamente cita potenciales ahorros de costos por el uso más

amplio de química avanzada prepa-ración de polvos primas cerámicas y su procesamiento, pero no aborda la cuestión

clave de cómo las diversas etapas de producción se pueden hacer con éxito para pasar de la típica modesta comenzando

mercados y procesos batch menos eficientes comunes utilizados en tales niveles anteriores de producción para lograr

menores costos potencial a gran escala. Quadir et al. [26] corroboró que reducen los costos de las materias primas, incluidos los aditivos, son

importantes en el desarrollo de un costo más bajo de Si 3 N 4 (por ejemplo, para el desgaste, aplicaciones de

temperatura más modestas, y la resistencia al choque térmico) y que com-conminución es un costo

importante en polvo factor de donde debe ser utilizado. Costes de herramientas pueden variar desde muy modesta a bastante sustancial dependiendo de varios

factores, pero particularmente en el proceso de fabricación seleccionado. Por lo tanto, los costos de

herramientas para el procesamiento coloidal tal como la deposición electroforética y la cinta o moldeo en

barbotina, así como compresión isostática, pueden ser bastante limitados (aunque los tiempos para de-

depósitos más gruesos, de laminación de cinta, el tiempo de secado, mueren de almacenamiento, y isopresses

de carga puede ser importante factores de coste). Fundición a presión puede implicar utillaje más caro (y de

nuevo la deposición cuestiones de tiempo). Die prensado y los costos de herramientas de extrusión pueden

ser modesto (por ejemplo, unos diez mil dólares), ya que las formas son a menudo simple, pero incluso

complejidad limitada y la cavidad múltiple muere (para una producción más rápida y mejor uso de las

prensas) puede aumentar sustancialmente los costos. Herramientas de moldeo por inyección puede ser

sustancialmente más caro, ya que puede formar piezas complejas, una virtud fundamental de moldeo en

proyección, con los costos de herramientas a menudo llegan a $ 50,000 o más. Dicha matriz Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

costos son por lo tanto un factor en la elección de los métodos desde modestos niveles de producción, por

ejemplo, la formación, unos pocos miles de componentes, a menudo pueden no cuestan efectivamente sup-

puerto herramientas más caro. Algunos han asumido de manera explícita o implícitamente que los costos de energía de sinterización u

otros procesos de fabricación / densificación son un problema importante, evitar algunos de fabricación y la

búsqueda de otros enfoques, como el uso de algunos procesos de reacción altamente exotérmica, como la

síntesis de la auto-propagación, para eliminar los costos de energía de densificación. Sin embargo, los costos

de la energía (la "factura de combustible" para la mayoría de procesamiento de cerámica industrial), por

ejemplo de sinterización y prensado en caliente, son comúnmente <5% de los costos de los componentes

(ver Tabla 1.2). Así, mientras que el ahorro en los costos son de valor, ya que estos normalmente aumentan

las ganancias, no son un factor-ma jor en la determinación de la selección del proceso. (Adicionales tales

ahorros de energía pueden ser eclipsados en gran medida por los altos costos de las materias primas para

producir el ahorro de energía de tal procesamiento reacción [27,28]. Además, como se explica en los

siguientes capítulos, los costos de energía para otros métodos de fabricación, tales como las enfermedades

cardiovasculares y incluso derretir-ing proceso son comúnmente similar.) Dichos ahorros de energía serían de

más impacto si también reducen los costos de las instalaciones de calefacción de su tamaño, el

mantenimiento y el espacio de la planta utilizada, (que a menudo tienen en cuenta en los costos de despido),

pero éstos ahorro por dicho procesamiento reacción también parecen limitadas [27,28]. Por otro lado, estos u

otros procesos de reacción pueden dar materias primas beneficiosos y (inesperadas) costos de trituración

como se explica a continuación y en los capítulos siguientes. Como se señaló anteriormente, existen otros factores importantes en los costos de despido para Ceram-ics, como la

atmósfera del horno, la temperatura, el volumen, y más. Por lo tanto, la cerámica de óxido a menudo tienen costos más

bajos, ya que pueden ser despedidos en el aire, y al más temperaturas moder-ate que nonoxides, cuya combinación

permite tanto hornos más grandes y especialmente los continuos, como hornos de túnel para óxidos, tanto de que puede

aumentar la rentabilidad. Mientras nonoxides suelen dispararon en hornos discontinuos con significativa inferior a través

de capacidad debido al calentamiento y tiempos de enfriamiento, algunas de las ventajas significativas de cocción

continua de óxidos pueden ser re-lizados por el disparo continuo de nonoxides. Por lo tanto, Wittmer y compañeros de

trabajo [29] mostraron un ahorro sustancial (por ejemplo, 50 a 70% más bajos costes de despido de nitruro de silicio

disparados en un horno de cinta (continuo) que para la cocción en hornos por lotes). Aunque este tipo de hornos de cinta

normalmente no tienen cerca del caudal de aire típico disparó hornos de túnel para la cocción de los óxidos, muestran un

importante potencial para el disparo continuo de nonoxides con suficiente volumen de producción para justificar mayores

costos horno de cinta. Ha habido un intento preliminar a abordar aspectos de costos de conformado en caliente de la

cerámica. Por lo tanto, Kellett y Wittenauer [30] discutir las posibilidades de formación superplástica de

cerámica nanograin tal como Al 2 O 3 -ZrO 9 y Si 3 N 4 como un medio de reducir los costos mediante la

producción de componentes de forma neta cerca, requiriendo menos de mecanizado. Su atención se centró en

los efectos de las tasas de deformación en los costos, informar-ción que las velocidades de deformación de 10

~ 3

a 10 5

seg 'traducir en ocasiones forman, respectivamente, de 4 min frente a 6 horas dando costas Parte de

$ 4 y $ 400, respectivamente, para el caso Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

elegido. También señalaron medidas para mejorar estos, en inhibi-ción crecimiento del grano en

particular. (Nota: Gran deformación a altas velocidades de deformación, por ejemplo, ~ 10 " 1

seg ' 1

, han re-

cientemente ha informado de un compuesto de óxido nanograin; Ver Sec . 6.3.) El impacto del tiempo necesario para los pasos individuales del proceso, así como los factores de costos

generales y limitaciones en el procesamiento de materiales, puede ser visto por rec-ciendo que hay algo más

de 31.500.000 segundos en un año, es decir, aproximadamente 10,5 millones de dólares por cada 8

desplazamiento -HR, sin días de descanso, y unos 7 millones de segundos en un turno de 8 horas, con días

típicos de descanso. Por lo tanto, cualquiera que sea la producción anual era de esperar, esta limitación de

tiempo es un factor fundamental en los costos de producción, ya que define cuántas partes debe ser producido

por unidad de tiempo y el impacto de esto en la productividad en cada paso para lograr la meta de

producción. Por ejemplo, si una parte mil-león por año es la meta, entonces, en función de los turnos y días

de produc-ción, una parte debe producirse cada 7-31 segundos (y aún más rápido para permitir pérdidas de

producción, los rendimientos de <100%). Así, si un proceso consta de 10 pasos, en promedio, una parte debe

tener no más de 0,7 a 3,1 segundos en cada paso. La mayoría de los pasos de un proceso toma más tiempo, a

menudo mucho más tiempo por parte de los tiempos medios permitidos, lo que significa que muchas partes

deben realizarse simultáneamente para alcanzar el promedio de tiempo de alquitrán geted por pieza. Por

ejemplo, si las piezas se forman en una prensa con una cavidad de matriz sin-GLE, entonces el número de

tales prensas necesarios será el tiempo real para la formación de cada parte dividida por el promedio de

tiempo permitido para la etapa de formación, lo que significa que los pasos del proceso que tomar tiempos

más largos y tienen baja o nula múltiples complicidad de la formación simultánea de cada parte de prensa

requiere un gran número de prensas y sus costos asociados. Volviendo brevemente a los costos de producción de polvos cerámicos (y bigotes), hay similitudes con

la producción de cuerpos cerámicos, por ejemplo, los impactos de los materiales ing iniciales. Por lo tanto,

Schoenung [31], ha modelado los costos de hacer de Si 3 N 4 polvo mediante nitruración directa de Si por

contra en fase gaseosa ECV nu-cleation láser estimulada de polvo. Para los parámetros asumidos, mostró

nitruración produciendo costos en polvo de 17 a 230 $ / kg, principalmente $ 25-50 / kg, en función de los

costos de polvo de semillas, el tiempo de nitruración, y especialmente los costos de trituración; mientras que

los costos del polvo láser ECV fueron más,> $ 100 / kg, impulsado en gran medida por el alto costo del gas

silano (supone que es $ 160 / kg). Schoenung [32] También ha modelado costos de producción de filamentos de SiC mediante (VS)

bueno reacción va por de SiO 2 y carbono, lo que demuestra que los costos podrían no ser re-dujo a <$ 50 /

kg para las hipótesis formuladas, con un costo de materias primas y los rendimientos de ser factores

importantes. Otro indicador del impacto de los costos de precursores para la cerámica se muestra por el costo

por kg de tres óxidos comunes en la Tabla 1.3, que contrastan con los costos de otros precursores más

convencionales de <$ 1 a <3 dólares / kg. Los costos de los aditivos utilizados en el procesamiento

comúnmente para ayudar a la densificación y propiedades (ver cap. 5) también -puede ser significativo. Por

lo tanto, el uso de tierras raras y otros óxidos para PSZ y TZP así como de Si 3 N 4 a menudo aumentar

sensiblemente los costos de materias primas, aditivos especialmente más costosos tales como itria en

comparación con los demás

tales como ceria, y especialmente magnesia o óxido de calcio. Otro indicador de la importancia fre-poste- de los costos de

trituración son precios comerciales de grado abrasivo granos de SiC. La proporción de los costes de granos más finos

(400, 600, y 1000) a la de 240 grit de material de dos diferentes grados de pureza de cada uno de los dos principales

Manufactur-res fueron 1,6, 2,4., 4,2, y 1.1 a 1.2, 2, y 05.03 a 05.08. Dado que todos se molieron de la misma SiC, los

aumentos sustanciales en los costes como el tamaño de grano disminuyeron se debe principalmente a costo de trituración

y en segundo lugar a la clasificación. Por último, señalar que el modelo típico de la disminución de los costes por unidad de producción-ción,

por ejemplo, por unidad de peso de polvo o por componente, progresivamente decreciente suavemente hacia

un costo que limita aproximadamente a un volumen alto (y por tanto también comúnmente con el paso del

tiempo) , mientras que una guía útil, a menudo es una simplificación excesiva, como se muestra por los costos

de fibras de grafito [23]. Por lo tanto, varios perturba-ciones de tales descensos suaves y continuas producen,

debido a los cambios discretos en infraestructura, tecnología de procesos, o ambos. Ejemplos serían

agregando otra pieza o más grande o más caro de equipos de procesamiento, como un horno continuo, la

adquisición e instalación de los cuales requieren importantes niveles de producción antes de que pueda

justificarse. Un ejemplo específico indicado en un estudio de cerámica era que un relativamente sencilla en

forma de álabe de turbina-podría ser presionado en caliente a la forma neta en cantidades modestas a menor

costo que por moldeo por inyección y-ción de sinterización, debido a la mucho más alto costo del moldeo por

inyección morir frente a las herramientas de prensado en caliente. Por lo tanto, el nivel de rentabilidad de la

producción de ambos procesos fue de varios miles por año, elevando el dilema de la posibilidad de iniciar con

un proceso más caro (moldeo por inyección) y con la esperanza de que los volúmenes aumentaron sufi-ciente

para justificar su costo, o de comenzar con prensado en caliente a bajo volumen, a continuación, cambiar de

moldeo por inyección si el volumen se elevó lo suficiente, pero con algo de pena de costo para los procesos

(R. Palička, CERCOM, Vista, CA, com-de comunicación personal, 2000) de conmutación. (Fig.1.1) . Volviendo brevemente a los precios y la rentabilidad relacionada, es esencial recuer-ber que el precio se

determina por la competencia en uno o más niveles, que pueden cambiar con diferentes aspectos de un

determinado tipo de aplicación. El nivel más común y fundamental es en el nivel de material de fabricación

de componente específico, pero la competencia en el subsistema o nivel de sistema completo también pueden

ser impor-tante, y pueden variar con el carácter específico de una aplicación dada. Esto se ilustra brevemente

para turbocompresores, donde en el nivel fundamental, cerámica rotores (nitruro de silicio) turbocompresor

compiten con el uso establecido de metales ro-dores. Esto puede ser en una diferencia de costo directo de

rotor de cerámica-metal, o en el ba-sis del costo total turbocompresor frente al rendimiento, pero en cualquier

caso, el coste de los componentes metálicos de forma individual o colectiva es un factor importante en el

balance-com competitiva. Sin embargo, la competencia coste de diferentes tecnologías puede cambiar como func-ción de tamaño de los

componentes, los requisitos de rendimiento, y el tamaño del mercado, así como otros factores. Como se señaló

anteriormente, un factor importante que impulsó el uso de cerámica rotores tur-bocharger para motores de automóviles

más pequeños fue un impuesto japonés en el motor de caballo de fuerza por encima de un cierto nivel, poniendo una

prima de más rendimiento de los motores más pequeños. Esto cambió la balanza a favor de los rotores de cerámica,

poniendo una prima mayor en una respuesta más rápida debido a la baja de cerámica frente a la densidad del metal (3,2

frente a 5,8 ~ g / cc) hasta que se derogó el impuesto. Sin embargo, otras circunstancias podrían afectar

rotores turbocompresores carbono-carbono deberían ser factible con una respuesta aún más rápida debido a la

densidad aún menor (por ejemplo, 1.6 hasta 1.8 g / cc) y posiblemente un costo menor que los rotores de

nitruro de silicio. Por otro lado, palas de paso variable puede ser-advan tajosa en algunos turbocompresores

más grandes, como para los motores diesel de camiones, de nuevo probablemente favorecen rotores

metálicos. Mercados más grandes para turbocompresores también podrían traer la competencia de otros

dispositivos y tecnologías de fabricación relacionados, ya que un tur-bocharger es realmente sólo una forma

de aumentar temporalmente el volumen de aire deliv-Ered al motor para una aceleración más rápida; otros

dispositivos para hacer esto puede ser factible, tal como un compresor de aire pequeño, tanque de

almacenamiento, y las válvulas para extraer el aire comprimido del tanque, según sea necesario, lo que podría

cambiar completamente los materiales y la tecnología de imagen fabri-cación. Limitaciones Precio de la tecnología existente se puede ver en términos generales, considerando los precios

resultante de los componentes individuales o sistemas en los que podrían ser utilizados ce-ramics. Por lo

tanto, los precios pagados por las compras importantes del sistema, tales como automóviles, tanques y barcos

pueden proporcionar alguna orientación. Por ejemplo, el precio de venta de un kg coche 1200 es ~ $ 20.000,

que se traduce en ~ $ 17 / kg, lo que, teniendo en cuenta los costos de lucro y de montaje, significa que el

precio medio de compra de los componentes individuales y materiales básicos (principalmente aceros) es

generalmente <10 dólares / kg. Por lo tanto, mientras que las pequeñas cantidades de materiales mucho más

caros, tales como algunos componentes de cerámica, pueden ser tolerados, mayores cantidades de uso se

convierten rápidamente en serio precio limitada por la tecnología existente. Dicha evaluación indica

fácilmente las limitaciones de costo de sustituciones sustanciales de cerámica para la armadura de metal para

los tanques. Mientras que la tecnología competiting es comúnmente la de los metales, también pueden ser

otros materiales, incluyendo otras cerámicas. Un caso particular de ello es que el uso moderado y el

crecimiento de A1N paquetes electrónicos con disipación de calor-ción superior a A1 2 O 3 es, en parte,

debido a los menores costos de A1 2 O 3 paquetes, proporcionando incentivos para en- diseños que reducen la

disipación térmica en paquetes o formas alternativas de cumplimiento de la disipación. Por último, una vez que se ha hecho el compromiso de un producto, o no las incertidumbres se han abordado de manera

adecuada, la cuestión es si la rentabilidad adecuada, tanto en cantidad y tiempo, se puede llegar. Esta es una función de

los costos de desarrollo, que incluyen la investigación y el desarrollo, especialmente produc-ción y el desarrollo del

mercado, así como los costos de interés y de las ganancias, que es-vol ume y diferencial de precio de costo (Fig. 1.2) [23 ,

33]. El interés es un factor, ya sea de manera adecuada rentable, un nuevo producto tiene que pagar no sólo volver los

costos de su desarrollo, pero lo hacen con un retorno de interés que hace que el desarrollo de una buena inversión por la

empresa frente a otras inversiones posibles. Para un nuevo producto sustancial los costos de interés puede ser un factor

importante, que se puede estimar fácilmente por el imperio de la 72, es decir, el momento en años para duplicar un costo-

inter est o devolver multiplicado por la tasa de interés anual es de 72. Así, por un interés anual del 10%, la cantidad de

dinero que se devolverá por las ventas de productos de la com- Copyright © 2003 Marcel Dekker, Inc.

5. PANORAMA DE LA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE

CERÁMICA

La tecnología de fabricación de cerámica consiste en una diversidad de procesos que se pueden combinar de

diversas maneras con materiales diferentes y la microestructura (propiedad), tamaño y forma, y las

limitaciones de costo y oportunidades. Las combinaciones de diferentes procesos para formar una ruta de

fabricación de un componente se determinan principalmente por el proceso de producción de un componente

sólido de carácter adecuado. El proceso dominante para la fabricación de la cerámica de tecnología

superiores es-ción de sinterización, en su mayoría sin presión, de los cuerpos preformados hechas por

diversas técnicas de consolidación de polvo Us o polvos de diversos procesos de preparación (ver . Chaps

2 y 3) . Los procesos de consolidación de formación de polvo típico son apremiantes, extrusión, moldeo por

inyección, y varios procesos loidal col, que junto con la sinterización y sus variaciones, se discuten en

troquel o isostática el Capítulo 4, haciendo hincapié en las cuestiones prácticas. Tal fabricación a base de

sinterización es muy di-verso con muchas variaciones s como se indica en la figura. 1.3. Mientras que todos

los procesos de conformado anteriores tienen considerable capacidad de forma, su clasificación en términos

de la disminución de la capacidad de complejidad forma es aproximadamente de moldeo por inyección,

formando coloidal, extrusión, y die- o isopressi ng.

Las variaciones en la fabricación a base de sinterización incluyen tanto nuevos métodos de calentamiento no

mostrados en la Fig. 1.3 que han sido objeto de investigación y puede efectuar el proceso de sinterización, así

como muchas variaciones se muestra en la Fig. 1.3. Este último sinterización-in cluir bajo presión uniaxial

(es decir, prensado en caliente), que ha visto el uso de producción-con considerable, y sinterización de

presión hidrostática der ONU (PIC), ya sea hecho siguiente sinterización o en lugar de la sinterización, que ha

visto algunos pro- utilización producción. Ambos procesos de presión-sinterización generalmente reflejar los

costos más altos, pero tienen crecientes áreas de aplicación, y los lazos oportuni para más desa-rrollo como se

discute en el Capítulo 6. También hay procesos de formación de calientes, tales como prensa de forja, que han

visto algunos investigación comenzando con un cuerpo sinterizado o la combinación de consolidación de

polvo y h ot formación de formas simples. Dicha formación, aunque frente a importantes cuestiones de

tiempo-costo (como se discutió en Sec. 1.4), puede tener algunas aplicaciones especializadas. Varios procesos

de reacción que se realizan en conjunto con cualquiera de sinterización sin presión o mediante procesos sas

vari con presión, sobre todo para la fabricación de compuestos de cerámica también son ad-vestido. Se

presenta la discusión sustancial de este y otros cambios en los métodos de fabricación para monolítica frente a

la cerámica compuestas.

Otros métodos de fabricación para la producción de cerámica sin sinterización, y puede o no puede

implicar el uso de polvos (por ejemplo, la pirólisis del polímero, deposi-ción, y de fusión, así como otros

procesos de reacción) se discuten en el Capítulo 6. También hay otra fabricación métodos para algunos

cuerpos superficialidad spe, es decir, fibras, globos, perlas, y los cuerpos de porosidad diseñado,

incluyendo espumas, lo que puede conllevar diversas combinaciones de estos métodos (pirólisis de

polímeros), aquellas que supongan sinterización, o ambas, que se discuten en el Capítulo 7. La

deposición de recubrimientos mediante diversos procesos de vapor se discute brevemente, mientras que

el uso y potencial-sig significa- de ECV para cerámicas monolíticas y compuestas a granel se discuten

más ampliamente. Del mismo modo, el recubrimiento a través de diversos deposición ay spr tech-nicas

de fusión se señaló, al tiempo que grandes masas a granel por tales métodos son más tratados ex

tensively. Fusión a granel y solidificación se utilizan realmente para producir tanto algunos de los

mayores componentes individuales, así como el volumen de productos de micrófonos Cera producidos en

vista de su amplio uso, tanto para los vasos y refractarios, pero ha sido más limitado en su uso para

materiales de mayor tecnología , principalmente al crecimiento de cristal único. A principios de

desarrollo de la prensa de forja de monocristales a en forma pro-duce, polycr ventanas ystalline óptico

(por ejemplo, IR), que ha visto un cierto uso en la producción, se analiza junto con otras extensiones

posibles de crecimiento de los cristales individuales y derretimiento de fundición.

Muchos temas tratados incluyen los efectos de la atmósfera tanto de calcinación y sinterización de

polvos, así como de la emisión de gases adecuado de impurezas y aniones adsorbidos especies, no sólo

en los diversos procesos de sinterización, sino también a otros procesos fab-rication como fusión - por

ejemplo, el crecimiento de cristal único . Otros métodos de fabricación de polvos y partículas más

gruesas, incluyendo la formación de masa fundida, para la fabricación de cuerpos cerámicos para su uso

por sí mismos o en la matriz nonceramic

Copyright © 2003 Marc el Dekker, Inc.

se discuten compuestos. Cambios importantes en los métodos de fabricación de varios tipos de

compuestos cerámicos se abordan, como es la gama de diversos métodos de fabricación de forma pro-

totyping gratuita rápidos Eme rging. Como se señaló anteriormente, se discute extensamente la

preparación de materias primas, la densificación de polvos, y el control de microestructuras mediante el

uso de aditivos. El tamaño y la forma potenciales y Limi-taciones de varias rutas de fabricación también

se abordan, i ncluding unirse ce-ramics a sí mismos, así como otros materiales. Esto muestra algunas

ventajas importantes de prensado, CVD, y especialmente de procesamiento de fusión en

caliente. También se discuten algunos como-as- mecanizado de superficie y otros métodos de acabado de

superficies, así como unirse. Una vez más, en todos estos temas se centra en aspectos Practi cal

incluyendo los costos.

1.6 Resumen y conclusiones

En resumen, las grandes y crecientes familias de cerámica tienen muchas conocida indi-vidual, así como

combinaciones de propiedades de gran importancia tecnológica. Mientras que el fin de la guerra fría reduce

sustancialmente la fuerza motriz para apli-cación de ics de Ceram, sobre todo, más desarrollo en función de

resultados, y el impuesto y las fuerzas de regulación de la conducción puede venir, el cambio, y se van, todavía hay

gran necesidad y oportunidad para cerámica aplicaciones, y es probable que aumente en el futuro. Sin embargo, gran

parte del desarrollo e ª debe estar más centrado y consciente de los costos y limitaciones económicas. Incluso hay

oportunidad más limitada para aplicaciones de la tecnología de empuje, y los costos de materiales de la competencia,

como para los metales, se comúnmente ser una limitación, a excepción de la ventaja de que la cerámica a menudo

tienen densidades más bajas que los competidores de metales comunes, por lo menos masa de cerámica se utiliza en

los muchos casos en que el volumen de componente está dictado por el diseño.

Estos cambios proporcionan necesidades añadidas para evaluar y modelar los costos de la cerámica va

rias y su fabricación / procesamiento. Mientras que la evaluación detallada de estos costes en función de

los métodos de producción y los factores tales como el volumen es el árbitro final, se observaron algunos

problemas o banderas de más atención. Por lo tanto, los rendimientos son a menudo am ajor factor de,

especialmente en las primeras etapas de la fabricación, pero pueden ser un problema esporádico en la

producción a largo plazo. Los costes de mecanizado a menudo pueden ser muy alta, siendo una

motivación importante para cerca de fabricación en forma de red, pero los detalles de los métodos y los

volúmenes son importantes. Costes energéticos directos suelen ser modestos, espe-cialmente en

comparación con muchas impresiones (por ejemplo, <5% de los costos totales de producción), sino que

debe ser considerado, a menudo con atención a los factores más amplios, como a través de-poner y la

duplicación de las instalaciones de tiro. Costos de herramientas de métodos tales como morir prensado,

extrusión y moldeo por inyección que forma pueden ser sustanciales, con altos costos ing herramientas

que requieren altos niveles de producción sobre la que extender esos costos. Las materias primas,

comúnmente ~ 10% o menos de los costos totales también se deben considerar, especialmente si su

porcentaje de los costos totales es sustancialmente mayor, con costes adicionales de ser a menudo un

factor que requieren atención.

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La clave para el éxito de la producción de cerámica está produciendo de manera rentable com-ponentes que realizan

con una fiabilidad adecuada a precios rentables. Esto significa que gran parte del cambio normalmente tiene que

ocurrir en la transición de laboratorio PREPARA-ción a la producción, lo que comúnmente significa cambios en las

materias primas y fabrica-ción y procesamiento. Así, por ejemplo típico de uso de laboratorio de muchos polvos

finos pero caros que son ideales para el procesamiento a menudo no es rentable; el fo-cus debe ser no en lo que es

ideal - es decir, el más fino, más uniforme, más pura pow-der con el contenido fase cerámica óptima - pero ¿cuáles

son las verdaderas necesidades para alcanzar el objetivo del producto. Una gran parte del desarrollo de las etapas de

fabricación reales, incluyendo la evaluación de los enfoques ternativas al, es comúnmente necesario.