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  1. 1. MATERIALES CERAMICOSMATERIALES CERAMICOS Los materiales industriales pueden clasificarse en tres grupos principales, como puede verse en el cuadro 1.1, que son los siguientes: materiales inorgnicos, orgnicos y compuestos. A su vez cada grupo principal puede subdividirse en otros grupos, por ejemplo, el grupo de los materiales inorgnicos se divide en materiales metlicos y materiales no metlicos o cermicos, los cuales a su vez pueden subdividirse en otros grupos . NOSOTROS VAMOS A PONER NUESTRA ATENCIN EN LOS MATERIALES CERMICOS, LOS CUALES CUBREN UN AMPLIO RANGO DE MATERIALES Y QUE SE PUEDEN CLASIFICAR EN TRADICIONALES Y AVANZADOS (O TECNICOS, O FINOS, O MODERNOS, O ESPECIALES, O NUEVOS, O INGENIERILES, ETC.).
  2. 2. Cuadro 1.1 MATERIALES INDUSTRIALES
  3. 3. DAR UNA VISIN DE LOS PRINCIPIOS CIENTFICOS Y DE LA TECNOLOGA QUE TIENEN RELACIN CON EL PROCESADO DE MATERIALES CERMICOS A PARTIR DE MATERIAS PRIMAS PULVERULENTAS CON EL FIN DE OBTENER UN PRODUCTO FINAL QUE CUMPLA DETERMINADAS PROPIEDADES.
  4. 4. La tecnologa del procesado cermico se usa para producir productos comerciales que son muy diversos en cuanto a: TAMAO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD, COMPOSICION, ESTRUCTURA Y COSTE.
  5. 5. LAS FUNCIONES DE LOS PRODUCTOS CERMICOS SON MUY DEPENDIENTES DE: 1.- COMPOSICIN QUMICA 2.- ESTRUCTURA ATMICA (ENLACE Y ESTRUCTURA CRISTALINA) 3.- MICROESTRUCTURA (NATURALEZA, CANTIDAD Y DISTRIBUCION DE LAS FASES PRESENTES EN LA CERAMICA: CRISTALINA, VITREA Y POROSIDAD), LAS CUALES DETERMINAN SUS PROPIEDADES. PROPIEDADES INTRINSECAS DETERMINADAS POR AL ESTRUCTURA ESCALA ATOMICA No son susceptibles de un cambio significativo por modificacin de la microestructura Punto de fusin, Mdulo elstico, coeficiente de expansin trmica, si el material es frgil, magntico, ferroelctrico o semiconductor, etc. PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE DE LA MICROESTRUCTURA (Propiedades crticas para aplicaciones ingenieriles) Resistencia mecnica, constante dielctrica, conductividad elctrica, etc.)
  6. 6. LAS COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS CERMICOS VARIAN AMPLIAMENTE Y AS SE TIENEN CERAMICAS OXDICAS Y NO OXIDICAS. QUIMICAMENTE, CON EXCEPCION DEL CARBONO, LOS MATERIALES CERAMICOS SON COMPUESTOS INORGANICOS NO METALICOS -SILICATOS: CAOLINITA Al2Si2O5(OH)4, MULLITA Al6Si2O13 -OXIDOS SIMPLES: ALUMINA Al2O3, CIRCONIA ZrO2 -OXIDOS COMPUESTOS (A PARTE DE LOS SILICATOS): TITANATO DE BARIO, BaTiO3 SUPERCONDUCTOR, YBa2Cu3O6+ (0 1) -CARBUROS: SiC, B4C -NITRUROS: Si3N4, BN -BORUROS: DIBORURO DE TITANIO, TiB2 -SILICIUROS: DISILICIURO DE MOLIBDENO, MoSi2 HOY EN DA: 1.- LA COMPOSICIN Y ESTRUCTURA DE LOS GRANO 2.- FASES PRESENTES EN LOS LMITES DE GRANOS 3.- DISTRIBUCIN Y ESTRUCTURA DE LOS POROS SE CONTROLA DE FORMA CUIDADOSA CON EL FIN DE LOGRAR UNA MAYOR FIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE LOS PRODUCTOS EN EL DESARROLLO Y PRODUCCIN DE LAS CERMICAS AVANZADAS SE REQUIERE UN EXTRAORDINARIO CONTROL DE LOS MATERIALES DE PARTIDA Y DE LAS OPERACIONES DE PROCESADO CON EL FIN DE MINIMIZAR LOS DEFECTOS MICROESTRUCTURALES.
  7. 7. Comparacin entre las microestructuras de una almina densa convencional con una densidad igual al 98 % de la terica y una almina transparente opticamente con una densidad igual al 99.9 % de la terica. Pequeos cristales o granos Limites de granos DEFINICION CERAMICOS. SEGN LA BRITISH CERAMIC SOCIETY (1979) UNA CERMICA ES UN MATERIAL SINTTICO, SLIDO, QUE NO ES NI METLIGO NI ORGNICO, Y EN CUYA ELABORACIN ES NECESARIO UTILIZAR TRATAMIENTOS TRMICOS A ALTAS TEMPERATURAS. KINGERY DEFINE LA CERMICA COMO EL ARTE Y LA CIENCIA DE FABRICAR Y USAR MATERIALES SLIDOS, QUE ESTAN COMPUESTOS EN SU MAYOR PARTE (COMPONENTE ESENCIAL) POR MATERIALES NO METLICOS. LA DEFINICIN MS AMPLIAMENTE ACEPTADA ES QUE SON AQUELLOS PRODUCTOS (PIEZAS, COMPONENTES, DISPOSITIVOS, ETC.) CONSTITUIDOS POR COMPUESTOS INORGNICOS, NO METLICOS, CUYA CARACTERISTICA FUNDAMENTAL ES QUE SON CONSOLIDADOS MEDIANTE TRATAMIENTOS TRMICOS A ALTAS TEMPERATURAS.
  8. 8. AUTORES RUSOS, LOS DEFINEN COMO MATERIALES POLICRISTALINOS CONSOLIDADOS BASADOS EN LOS COMPUESTOS DE LOS GRUPOS III-VI DE LOS METALOIDES UNO CON OTRO Y/O CON METALES, EN CUYA TECNOLOGA DE FABRICACIN SE INCLUYEM FENMENOS DE TRANSPORTE DE MASA DE LOS CUALES RESULTA LA UNIN. INCLUYEN XIDOS, NITRUROS Y CARBUROS DE Si, Al, Ti Y Zr. DEFINICION CERAMICOS AVANZADOSDEFINICION CERAMICOS AVANZADOS
  9. 9. Diferencias entre cermicas tradicionales y avanzadas. Si se tienen en cuenta los argumentos clsicos, expuestos ya por Griffith en 1920, todo material fallar por fractura frgil segn la expresin: 1 2 f E Y a =
  10. 10. LADRILLOS Y TEJAS. TIPO DE PASTA: SENCILLO, CONSTITUIDO POR UNA O VARIAS ARCILLAS CALCREO-FERRUGINOSAS. CARACTERSTICAS DEL PRODUCTO: MS O MENOS POROSO, CON COLOR VARIABLE, DESDE EL AMARILLO HASTA EL ROJO INTENSO. TIPOS DE PRODUCTO: LADRILLO MACIZO O HUECO, TEJAS, BOVEDILLAS, CELOSAS, ETC.
  11. 11. EN CONTRASTE CON AQUELLAS PROPIEDADES QUE DEPENDEN DE LOS ENLACES INTERATMICOS Y, POR TANTO, SON INTRINSECAS AL MATERIAL, TALES COMO POR EJEMPLO EL PUNTO DE FUSIN, LA DUREZA Y LA EXPANSIN TRMICA, TENEMOS QUE LA RESISTENCIA MECNICA, AS COMO LAS PROPIEDADES ELCTRICAS O MAGNTICAS, VARAN NOTABLEMENTE CON SU MICROESTRUCTURA (TEXTURA) ENTENDIENDO POR TAL LA NATURALEZA FISICO - QUIMICA, TAMAO Y DISTRIBUCIN DE LAS FASES QUE CONSTITUYEN EL MATERIAL. LA TEXTURA REPRESENTA, PUES, UNA CARACTERSTICA IMPORTANTE EN LA CIENCIA Y TECNOLOGA DE LOS MATERIALES CERMICOS, QUE UNE EL PROCESO DE FABRICACIN Y LAS PROPIEDADES. LAS MATERIAS PRIMAS, EL MODO EN QUE ELLAS SON CONFORMADAS Y PROCESO SEGUIDO EN SU TRATAMIENTO TERMICO, AFECTAN A LA TEXTURA DEL MATERIAL FINAL Y, POR TANTO, A SUS PROPIEDADES. ADEMS EN LAS PROPIEDADES TAMBIN INFLUYEN FACTORES EXTERNOS, TALES COMO LA TEMPERATURA, EL AMBIENTE DE TRABAJO, ETC. PROPIEDADES Tabla 1.1.- Valores de diversas propiedades para materiales cermicos usuales.
  12. 12. Propiedades que interesan son las termomecnicas (HORNOS, etc.) que incluyen: refractariedad importante (Tuso > 1000 C), buenas propiedades mecnicas a altas temperaturas, resistencia a la abrasin, resistencia al choque trmico y gran estabilidad qumica (resistencia al ataque qumico). En la figura puede verse la resistencia a la rotura para varios materiales y su evolucin en funcin de la temperatura. Puede observarse que los materiales cermicos y los materiales compuestos de matriz cermica (CMCs) son los nicos que se pueden utilizar a temperaturas superiores a los 1400 C. Resistencia a la rotura para varios materiales y su evolucin en funcin de la temperatura.
  13. 13. LOS MATERIALES CERMICOS AVANZADOS PUEDEN DEFINIRSE POR LAS TRES CARACTERISTICAS SIGUIENTES: 1.- PARA SU FABRICACIN SE USAN MATERIA PRIMAS DE ALTA PUREZA (99.99 %), CON COMPOSICIN QUMICA Y PROPIEDADES MORFOLOGICAS CONTROLADAS. GRANULOMETRA SUBMICRNICA (MENOR DE LA MICRA) .2.-EL PROCESADO ESTA SUJETO A UN CONTROL PRECISO, TANTO EN EL CONFORMADO COMO EN LA COCCIN (SINTERIZACIN). 3.-LOS PRODUCTOS TIENEN UNA MICROESTRUCTURA BIEN CONTROLADA, QUE ASEGURA SU ALTA FIABILIDAD O RESPUESTA A LA UTILIZACIN PARA LA CUAL HA SIDO DISEADA. LOS MATERIALES CERMICOS POR SUS APLICACIONES SE PUEDEN DIVIDIR EN DOS GRANDES GRUPOS : 1.- CERMICAS TCNICAS O ESTRUCTURALES (PARA APLICACIONES ESTRUCTURALES. SON REQUERIDOS, FUNDAMENTALMENTE, POR SUS PROPIEDADES MECANICAS) 2.- CERMICAS FUNCIONALES. EN FUNCIN DE LAS MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN: I.- CERMICAS OXDICAS (BLANCAS). II.- CERMICAS NO OXDICAS (NEGRAS) CLASIFICACION DE LOS LOS MATERIALES CERMICOS
  14. 14. Principales materias primas para la fabricacin de cermicas avanzadas. DISILICIURO DE MOLIBDENO MoSi2 Si6-zAlzN8-zOz (0
  15. 15. Productos obtenidos por procesamiento cermico de polvos.
  16. 16. rbol genealgico de la familia cermica Funciones, propiedades y aplicaciones de las ceramicas avanzadas
  17. 17. Clasificacin de los materiales cermicos tomando como criterio su funcin. APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION
  18. 18. APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION LAS CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES CERMICOS PUEDEN COMPRENDERSE MEJOR, POR COMPARACIN CON LOS METALES. AS POR EJEMPLO, EN LA TABLA 1.5 LA ALMINA SE RELACIONA CON EL ALUMINIO. ESTE TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIN BAJA, UNA CONDUCTIVIDAD TRMICA ELEVADA Y ES BLANDO, MIENTRAS QUE LA ALMINA TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIN MUY ALTA, UNA CONDUCTIVIDAD TRMICA BAJA Y ES DURA. EN GENERAL, LOS MATERIALES CERMICOS TIENEN MEJORES CARACTERSTICAS EN DUREZA, RESISTENCIA A ALTA TEMPERATURA Y RESISTENCIA A LA CORROSIN, PERO TIENEN DESVENTAJAS COMO POR EJEMPLO, QUE SON FRGILES Y QUE AUN PRESENTA DIFICULTADES EL FABRICARLOS CON ALTA REPRODUCTIBILIDAD. SIN EMBARGO, ESTAS DESVENTAJAS PUEDEN SER SUPERADAS, EN ALGUNA MEDIDA, MEDIANTE UNA ADECUADA ELECCIN DE LAS MATERIAS PRIMAS Y MODIFICANDO CONVENIENTEMENTE EL PROCESO DE FABRICACIN.
  19. 19. Propiedades de las cerPropiedades de las cermicas tmicas tcnicas que sustentan su uso encnicas que sustentan su uso en motoresmotores. Aplicaciones de las cermicas estructurales en el campo de los motores.
  20. 20. TRES RAZONES FUNDAMENTALES PUEDEN SER ESGRIMIDAS PARA JUSTIFICAR LA CRECIENTE IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES CERMICOS. 1.- RAZONES PURAMENTE ESTRATGICAS. Dependencia del mundo occidental en metales considerados estratgicos. CASO DEL CROMO. ES EL ADITIVO MS AMPLIAMENTE UTILIZADO PARA ENDURECER, INCREMENTAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE Y A LA CORROSIN DE UNA GRAN VARIEDAD DE ALEACIONES METLICAS. TAMBIN ES UTILIZADO COMO ADITIVO QUE INCREMENTA LA RESISTENCIA MECNICA A LA DEFORMACIN Y A LA OXIDACIN DE MUCHAS ALEACIONES METLICAS A ALTAS TEMPERATURAS. SE USA EN LOS ACEROS INOXIDABLES, EN LAS ALEACIONES PARA HERRAMIENTAS Y EN LAS SUPERALEACIONES. SIN EMBARGO LA PRCTICA TOTALIDAD DE LOS DEPSITOS MUNDIALES DE ESTE MINERAL SE ENCUENTRAN CONCENTRADOS EN SLO SIETE PASES: CUBA, FILIPINAS, TRANSVAAL, TURQUA, USSR, RODESIA E INDIA.
  21. 21. 2.- ECONOMICA. El consumo energtico para producir un material cermico es, en general, aproximadamente el 50 % del consumo requerido para producir un metal o un componente metlico. Por otro lado, la mayora de los materiales cermicos estn constituidos por elementos ampliamente existentes en la corteza terrestre y, generalmente, bastante bien distribuidos. El silicio y el aluminio, dos los componentes ms representativos de los materiales cermicos, son los elementos ms abundantes de la corteza terrestre e incluso el circonio, constituyente fundamental de gran parte de los materiales cermicos avanzados, abunda ms que metales tan comunes como el cobre, el plomo o el cinc. 3.- VENTAJAS QUE LOS MATERIALES CERMICOS PRESENTAN, INTRNSECAS A SU NATURALEZA, EN CUANTO A SUS PROPIEDADES: -MAYOR DUREZA -MAYOR RESISTENCIA A LA OXIDACIN - MS BAJA DENSIDAD - MENOR CONDUCTIVIDAD TRMICA - MAYOR RESISTENCIA AL ATAQUE QUMICO - MAYOR RESISTENCIA A TEMPERATURAS ELEVADAS.
  22. 22. INCONVENIENTES MATERIALES CERAMICOS SON FUNDAMENTALMENTE DOS: 1.- SU REPRODUCIBILIDAD 2.- SU FRAGILIDAD, CONDICIN INHERENTE A SU NATURALEZA - LA REPRODUCIBILIDAD SE PUEDE MEJORAR MEDIANTE UN PROCESADO ADECUADO, CON OBJETO DE LOGRAR MICROESTRUCTURAS CONTROLADAS CON TAMAOS DE DEFECTOS LO MS PEQUEOS POSIBLES Y - LA FRAGILIDAD, TRATANDO DE INCREMENTAR, CON MECANISMOS DE REFORZAMIENTO ADECUADOS, LA ENERGA REQUERIDA PARA QUE UNA GRIETA SE PROPAGUE EN EL MATERIAL. LAS SUCESIVAS ETAPAS DEL PROCESO, SE INICIAN EN LOS MATERIALES DE PARTIDA, FORMACIN DE SISTEMAS PARTICULADOS, CONFORMADO, SECADO Y COCCIN, Y CONFIGURAN LA FABRICACIN Y TIENEN QUE VER CON ASPECTOS DE INGENIERA TALES COMO EQUIPOS, MQUINAS, MOLDES, ETC. LAS ETAPAS PARALELAS DONDE SE ENMARCA EL COMPORTAMIENTO O RESPUESTA DEL MATERIAL AL SER EXPUESTO A LAS DIFERENTES ETAPAS DE LA FABRICACIN ES LO QUE CONSTITUYE LOS FUNDAMENTOS DEL PROCESADO CERMICO DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL MATERIAL. ESTA CORRELACIN PUEDE AYUDAR A ELIMINAR LA CONFUSIN EXISTENTE ENTRE EL PROCESADO CERMICO CONTEMPLADO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA TECNOLOGA O INGENIERA O DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES. EN RESUMEN, LA FABRICACIN CERMICA ENFATIZA LOS ASPECTOS INGENIERILES DEL PROCESO Y EL "PROCESADO" ENFATIZA LOS ASPECTOS CIENTFICOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES AL SER SOMETIDOS A LAS DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO DE FABRICACIN.
  23. 23. Efecto domino en el procesamiento cermico.