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La cerámica avanzada

El apasionante desarrollo que hasufrido la cerámica en las últimas

décadas ha estado conducido máspor la “necesidad” que por el “azar”.

La histórica crisis del petróleo acabócon el sueño dorado de la energíabarata e hizo que los procesosproductivos cambiaran drásticamentepara disminuir los consumosenergéticos. Para ello, los techos detemperatura han de ser elevados por

encima del de las aleaciones ysuperaleaciones metálicas, haciendoque los materiales cerámicos tenganque desempeñar un papel muchomás activo y a veces crítico en lasnuevas tecnologías.

 Aun siendo los materiales cerámicos los primeros que aparecen enla historia del hombre, muy por delante de los metales, el nivel en

que se encuentra su desarrollo a principios de los setenta puede sercalificado de muy rudimentario.

Por ello, podemos afirmar que lo que hoy entendemos por cerámicaestructural tiene su origen no hace más de treinta años. Es, portanto, un campo muy reciente de investigación y desarrollo.

Para mejorar las propiedades mecánicas de los materialescerámicos hubo que empezar por disminuir el tamaño de susdefectos críticos mediante un cambio dramático en el

procesamiento de los sistemas particulados de partida. A tal efecto,emerge una nueva ciencia, la ciencia del procesamiento cerámico,que tiene su origen en un famoso meeting  cuyas contribucionesrecoge el libro Ceramics before firing, editado por Onoda y Henchen 1978.

La segunda gran limitación de los materiales cerámicos estriba ensu intrínseca fragilidad. Los materiales cerámicos son susceptiblesde rotura catastrófica. Cuando un jarrón de porcelana impacta en su

caída se inician grietas que se propagan a una velocidad próxima ala del sonido fracturando el jarrón en múltiples trozos que a su vez

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generan superficies frescas de fractura. La energía del impacto seha invertido en la creación de nuevas superficies. Si el jarrónhubiera sido metálico se habrían producido sólo abolladuras, esdecir, la energía del impacto se habría consumido en forma de

deformación plástica.

En este contexto, el descubrimiento en 1975 por Garvie et al. de losmecanismos de reforzamiento de matrices cerámicas mediante laincorporación de elementos microestructurales no lineales (p.e.partículas de ZrO2 parcialmente estabilizada que pueden sufrir unatransformación de fases de naturaleza martensítica, similar a la quese produce en los aceros templados) abrió una avenida deinvestigación que ha dado frutos espectaculares. Aquellaspropiedades inherentes a los materiales cerámicos que los distinguede los metales y los plásticos, como son su elevada estabilidad

química (son altamente resistentes tanto a los ácidos como a lasbases), su dureza y su refractariedad, se potencian decididamentesi se disminuye su fragilidad y abre el camino de la cerámica haciaaplicaciones estructurales de elevada responsabilidad, impensablesantes de este acontecimiento científico.

En la actualidad está claramente establecido que las propiedadesmecánicas de un material cerámico están íntimamente relacionadascon aspectos de su microestructura. Propiedades tales como

módulo de rotura (f ), tenacidad (K

1c), resistencia a la fatiga y

resistencia a la deformación en caliente están dictadas porentidades microestructurales dispersas, tales como segundas fases(partículas metálicas, nanopartículas, micro fibras, micro plaquetas,etc.).

En el caso concreto de los materiales cerámicos con una fasedispersa de circonia sus propiedades mecánicas (el módulo derotura está relacionado con el tamaño crítico de defecto, c,

mediante la expresión: f =Cte.KIc.c-1/2), se incrementaron de manera

espectacular, pasando de unos valores máximos para la alúmina de500MPa en el año 1970 hasta los 2500MPa para los materiales

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compuestos alúmina-circonia parcialmente estabilizada con itria (Y-TZP) obtenidos a finales de los años ochenta. Estos valores deresistencia mecánica claramente compiten con los correspondientesa los mejores aceros del mercado. Ello ha sido debido a dos

factores fundamentales, a) el refinamiento de la microestructura aniveles submicrométricos (disminución del defecto crítico c), y b) elaumento de la tenacidad K1c  como consecuencia de latransformación martensítica de las partículas submicrométricas decirconia localizadas en el entorno de las grietas.

Como consecuencia de esta revolución  en la actualidad losmateriales basados en circonia parcialmente estabilizada (Y-TZP,Mg-TZP, alúmina/Y-TZP, mullita/Y-TZP) están plenamente

introducidos en el mercado y se utilizan en aplicacionesestructurales de gran responsabilidad (boquillas para la extrusión demetales, para la industria textil, bombas y válvulas para ser usadasen ambientes corrosivos, etc.).

Otra importante familia de materiales cerámicos estructurales quese ha desarrollado en los últimos veinte años son los basados ennitruro de silicio. Este tipo de materiales (carburos, boruros ynitruros) como consecuencia de su enlace covalente poseen

elevados módulos elásticos y elevada dureza. Particularmente elnitruro de silicio se obtiene mediante sinterización bajo presión amuy elevada temperatura (>1.800ºC) con una microestructura

compuesta por granos elongados monocristalinos de -Si3N4 

>10m, que le sirven de auto reforzamiento, embebidos en unadelgada película vítrea. Este material está particularmente indicadopara aplicaciones estructurales a elevada temperatura así como encojinetes y en herramientas de corte por su elevada dureza.

En la actualidad, como consecuencia del extraordinario progresoque han experimentado las nuevas tecnologías (biotecnología,robótica, aeroespacial, defensa, etc.), la fuerza conductora queinspiró los grandes desarrollos de nuevos materiales a finales delsiglo XX ha pasado de ser “una solución en busca del problema” a“un problema en busca de una solución satisfactoria”. En estenuevo escenario la investigación y la sociedad están obligadas aestablecer sinergias y sólidas vías de comunicación que propicien labúsqueda de estas requeridas soluciones satisfactorias.