Ceramicas y Vidrios

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lvaro Peralvo Simn....1E Mara Peralvo Simn....1E

ndice1. Cermicas 1.1 Introduccin. 1.2 Propiedades de las arcillas. 1.3 Materias primas. 1.4 Fabricacin de productos cermicos. 1.4.1 Tamizado. 1.4.2 Lavado. 1.4.3 Molido. 1.4.4 Mezclado del polvo obtenido con agua. 1.4.5 Amasado. 1.4.6 Extraccin de agua. 1.4.7 Conformado. 1.4.8 Secado. 1.4.9 Coccin. 1.4.10 Revestimiento. 1.4.11 Segunda coccin. 1.4.12 Acabado. 1.5 Propiedades de los productos cermicos. 1.6 Tipos de materiales cermicos. 1.7 Aplicaciones. 2. Vidrios. 2.1 Introduccin. 2.2 Materias primas. 2.3 Proceso de obtencin del vidrio. 2.4 Tipos de vidrio. 2.5 Propiedades del vidrio. 2.5.1 Propiedades fsicas. 2.5.2 Propiedades qumicas. 2.5.3 Propiedades mecnicas. 2.5.4 Propiedades pticas. 2.5.5 Propiedades trmicas. 2.5.6 Propiedades elctricas.

IntroduccinAunque la cermica ms antigua viene de Japn, no de Mesopotamia como es ampliamente credo, suele tomarse como aparicin de este material Mesopotamia, ya que es cuando comienza a usarse de forma ms amplia, habindose usado en Japn nicamente como complemento con otros materiales. En Mesopotamia empieza a usarse la cermica debido a la necesidad de transportar alimentos o almacenarlos en recipientes ms duraderos, pudindose construir otros objetos como sellos para estampar o artculos de decoracin gracias a su cualidad de poder adquirir diferentes formas fcilmente y a que al ser un material blando puede ser decorado fcilmente. La aparicin de la cermica marca una etapa decisiva en la evolucin humana, abriendo un gran nmero de oportunidades y usos, siendo tan importante que la etapa antes de su descubrimiento recibe el nombre de Neoltico precermico y el posterior el Neoltico cermico. No es hasta hace relativamente poco tiempo que la cermica comienza a usarse a nivel industrial y empiezan a explotarse al mximo sus cualidades, especialmente su alto punto de fusin, centrndose antes sus usos en los mencionados anteriormente, interviniendo en la fabricacin alfarera elementos como la arcilla, que es el principal, y otros materiales como arena, desperdicios..., lo que determina resultados muy diferentes, tanto visuales como mecnicos. Durante la fabricacin alfarera se usan tornos lentos o rpidos moldendose as a mano y aadiendo objetos como asas, bolas... procediendo despus a su coccin, determinando la cantidad de oxgeno presente el color del material, variando desde un color rojizo(oxidado) a un color negro(reducido).

Propiedades de las arcillasExiste en un gran nmero de arcillas, como podr verse a continuacin, y adems son el principal componente de la cermica gracias a su gran nmero de cualidades. Propiedades fsicas y qumicas: Estn determinadas por el tamao de sus granos, el agua y otros aditivos que modifican la plasticidad de la mezcla. Plasticidad: Es la capacidad de mantener su nueva forma una vez desaparece la fuerza que la deformaba y de deformarse sin agrietarse. La arcilla es maleable, es decir, que se deforma bajo cargas de compresin, lo cual se debe a la estructura laminar de sus partculas en contacto con el agua. El agua es el principal componente que determina la plasticidad de la arcilla, aumentando dicha plasticidad segn aumenta la cantidad de agua, ya que permite que se separen las lminas y envolviendo las partculas actuando como lubricando y permitindose que se deslicen unas sobre otras, llegando a un lmite, llamado lmite plstico, que de ser traspasado hace que la arcilla pierda toda su plasticidad convirtindose en un

material pegajoso. Encogimiento: Es la reduccin de tamao que se produce al perder la hinchazn producida por el agua que se le haya aadido debido al contacto con el aire . Esta reduccin de tamao se produce en dos etapas, una primera durante el secado en el que aparece la mayor parte de dicha reduccin, y una segunda durante la primera coccin denominada bizcochado. Baja conductividad trmica o refractariedad: Es la capacidad de, debido a sus caractersticas fsicas y qumicas, funcionar como aislante trmico, siendo inversamente proporcional ala cantidad de slice y de almina de la arcilla. Densidad: Es la masa de arcilla por unidad de volumen y viene determinada por la porosidad.

Materias primasLas materias primas usadas en la cermica provienen de diversos minerales como son: -Slice: es un elemento fundamental en la arcilla y muchos elementos cermicos, y las dos principales fuentes de las que se extrae el slice usado en la arcilla son el pedernal/slex y el cuarzo.

-Feldespato: es uno de los materiales principales de la arcilla, acta como antiplstico en la cermica, reduce su encogimiento durante el secado, se emplea como fundente por encima de 1200 y reduce el coeficiente de dilatacin en productos porosos, adems hay varios tipos: Feldespato potsico. Bicarbonato de feldespato. Nefelina sienita. Feldespato sdico. Feldespato clcico. -Materiales arcillosos: provienen de la descomposicin de las rocas feldespticas, por lo que se encuentran en gran cantidad en la corteza terrestre, se utilizan para estabilizar esmaltes y son el principal componente de las cermicas, hay varios tipos : a) Arcillas primarias o residuales: estn formadas en el mismo lugar de las rocas feldespticas y estn poco afectadas por los agentes atmosfricos, suelen no ser plsticas y tienen un alto punto de fusin, suelen tener un grano grande y grueso y dado que son muy puras, es decir, tienen poco contenido de impurezas tienen poca utilidad en su estado primario, un ejemplo es: Caoln: es el componente principal en fabricacin de pastas de porcelana, es decir, en pastas de arcilla blanca, es un material poco plstico, es decir, la cantidad de agua que puede encontrarse entre cada grano es muy poca por lo que los granos pueden deslizarse relativamente poco unos sobre otros impidiendo as que mantengan su nueva forma. Su contenido de slice y

almina es muy alto, produciendo una elevada resistencia trmica. b) Arcillas secundarias o sedimentarias: son aquellas que han sido desplazadas por cualquier agente atmosfrico, por lo que su constitucin es ms compleja, estn formadas por otros materiales procedentes como el hierro, el cuarzo o la mica, que disminuyen su punto de fusin y le proveen a la arcilla otras cualidades o caractersticas que posteriormente podrn ser utilizadas para la cermica. Su color vara mucho dependiendo de los materiales que se la aadan, y adems son muy plsticas, por lo que son las ms usadas entre los ceramistas artesanos. Algunos ejemplos son: Arcilla de bola: Es demasiado plstica para ser usada individualmente, ya que es muy proclive a sufrir deformaciones y encogimientos durante su secado y conformacin. Suele usarse para aumentar la plasticidad de otras arcillas, como puede verse en la mezcla que suele hacerse de arcilla de bola y caoln para usarse como pasta cermica. Gres o arenisca: Es generalmente gris, aunque su color puede variar del blanco al beige despus de la coccin. Es refractaria y plstica, obtenindose de la mezcla de diversos materiales. Bentonita: Es una de las pocas arcillas de origen volcnica, por lo que contiene ms silicio que almina, y al igual que la arcilla de bola se usa como aditivo de plasticidad y aumenta su volumen hasta 15 veces al aadrsele agua, vindose as su alta plasticidad. -Fritas: Son aquellos materiales txicos y dainos que sufren un proceso industrial llamado fritado para conseguir su neutralizacin. -Otros materiales: Son utilizados para mejorar o aadir determinadas propiedades a la pasta cermica, como dar brillo. Algunos de los ejemplos ms caractersticos son: Talco: Mejora la resistencia trmica de la pasta, es decir, se usa en pastas que se pondrn directamente en contacto con el fuego. Adems favorece la cristalizacin y se utiliza como desmoldante o para pulir piezas de cermicas. Chamota: Es un tipo de arcilla bizcochada y se introduce como antiplstico en las pastas, facilitando adems el secado a la vez que incrementa la resistencia de las piezas en los procesos de secado y disminuye el encogimiento. Dolomita: Acta como fundente en pastas y est compuesta por carbonato de calcio y magnesio, se utiliza para la fabricacin de materiales refractarios, aunque su funcin principal al aadirse a los esmaltes es la de dar aspecto mate. Carbonato clcico o caliza: Se utiliza como fundente, es decir, se introduce a las pastas cermicas de baja y media temperatura para rebajar su temperatura de vitrificacin, que es un proceso que consiste en conseguir que las partculas se

fundan entre s hacindose impermeable al agua.

Fabricacin de productos cermicosPara fabricar cualquier producto cermico es necesario que las materias primas pasen por ciertos procesos. Cabe diferenciar la fabricacin artesanal de la industrial, pese a que los procesos que se realizan son los mismos, las herramientas e instrumentos son distintos. Tamizado: Es el primer proceso al que se les somete, con objeto de separar la materia en sus distintos tamaos y eliminar ciertas partculas gruesas no pertenecientes a la materia prima. En la produccin de cermica este proceso es muy necesario ya que es muy til para un anlisis de los componentes y para conseguir una mayor uniformidad y homogeneidad en el caso de los esmaltes. Lavado: En segundo lugar se encontrara el lavado para eliminar las impurezas restantes de la materia prima. Molido. Mezclado del polvo obtenido con agua. Amasado: La disolucin obtenida se somete a este proceso con el fin de lograr una masa homognea y uniformemente plstica. Para facilitar esta operacin se aprovecha la humedad de la que dispone el material o se humedece ligeramente, de forma que artesanalmente se realiza vertiendo la arcilla en una pista circular y amasndola con los pies describiendo una espiral de dentro hacia fuera; e industrialmente se lleva a cabo mediante el empleo de mquinas, como cilindros o molinos de rulos, cuya apariencia es la que puede verse en la siguiente imagen. Extraccin de agua: Antes de su conformado, la materia prima se pasa por una prensafiltro que le extrae a la masa el exceso de agua que contenga. Conformado: Una vez preparada la pasta se procede al conformado o moldeo. Teniendo en cuenta que el producto moldeado debe estar sobredimensionado ( ya que durante el secado y la coccin la pasta experimenta contracciones) y que la pasta obtenida debe cumplir ciertas especificaciones de fluidez y humedad para que el moldeo sea eficiente. De forma artesanal la pasta debe estar seca antes de comenzar el proceso que se realiza introduciendo la pasta en unos moldes llamados gradillas donde se somete a la masa a un proceso de compresin manual seguido de un listn de madera que se encarga de eliminar el exceso de material cermico y de acabar de dar la forma deseada, o bien mediante tornos formados por discos que giran mientras el artesano retira los excesos de material cermico y da la forma deseada. En cambio, industrialmente se puede realizar con la pasta seca o hmeda. En cualquiera de los dos casos el conformado se realiza por extrusin, formando el vaco en la mquina

extrusora para prevenir la rotura de las piezas. Aparte de esta tcnica, el conformado se puede realizar mediante una prensa, que permite el moldeo de pastas secas y se emplea para la fabricacin de tejas planas. Este prensado puede ser plstico, semiseco o en seco. El prensado plstico funciona en posicin vertical y consta de dos moldes de yeso contenidos en una estructura metlica, excepto cuando se aumenta la presin que dichos moldes de yeso no pueden aguantar y se reemplazan por resinas plsticas o materiales cermicos porosos. En el prensado semiseco se obtienen principalmente ladrillos refractarios mediante un molde mvil que baja y gira conformando la pasta e introducindola en el otro molde fijo. Se emplean altas presiones para superar la baja plasticidad del material. Por ltimo, en el prensado en seco se parte de la pasta en forma de polvo que se introduce en el molde y se prensa en varias fases en las que se compacta y desairea el polvo, obtenindose en este caso principalmente azulejos y revestimientos. Adems de las tcnicas ya mencionadas existen otras como el moldeo por colada en el que se introduce la barbotina (arcilla con agua) en estado lquido dentro de un molde poroso, en el cual va a ocurrir un proceso denominado smosis quedando una capa de arcilla en estado slido. El proceso de smosis es un proceso muy habitual en los seres vivos que en este caso consiste en el paso de agua y los materiales solubles a la escayola o el material del molde. De esta forma, el grosor de la pieza estar determinado por el tiempo que permanezca dentro del molde y para extraer la pieza tan slo ser necesario verter el molde y vaciar as el exceso de barbotina. Secado: Es el mecanismo por el cual se elimina el agua que humedece la arcilla. Es necesario para que la coccin del cuerpo cermico se realice adecuadamente. El mecanismo que se sigue para los distintos cuerpos arcillosos vara muy poco, no obstante, dependiendo de la velocidad de secado los efectos que se generan sobre cada cuerpo varan mucho entre los diferentes cuerpos arcillosos dependiendo de su naturaleza qumica y cristalogrfica de su granulometra y de su historia previa antes de llegar al secadero. Dichas variaciones ocurren sobre los siguientes parmetros: -La cantidad de agua residual -Las dimensiones longitudinales, superficiales y de volumen. -La resistencia a la flexin -La plasticidad Adems, durante la eliminacin del agua, pueden observarse tres sucesos consecutivos: 1-La pasta disminuye de volumen proporcionalmente al agua eliminada. 2-Comienzan a formarse huecos y la pasta sigue contrayndose. 3-El volumen deja de disminuir y los huecos que se producen son proporcionales al agua eliminada. Esta disminucin de volumen que puede apreciarse es debida a que las partculas de la pasta arcillosa estn separadas por pelculas de agua (es a lo que debe su plasticidad) y cuando el agua se elimina por evaporacin las partculas se aproximan al hacerse ms delgadas las pelculas. Por esto, la disminucin del volumen de la arcilla es la misma que el volumen del agua perdido y tiene lugar hasta que las partculas se ponen en contacto unas con otras. Aparte de esta prdida de volumen y peso puede apreciarse la adquisicin de un color ms claro, de rigidez y una cierta resistencia mecnica en las piezas. La humedad contenida en los materiales puede eliminarse por mtodos mecnicos (sedimentacin, filtracin o centrifugacin) que resultan ms econmicos que por medios trmicos, sin embargo, la eliminacin ms completa del agua se obtiene por ste ltimo, es

decir, por evaporacin y eliminacin de los vapores formados, ya sea empleando una corriente gaseosa o proporcionndole calor mediante alguna otra forma. Coccin: Este proceso provoca una modificacin fundamental en las propiedades del material dando lugar a un material duro de consistencia ptrea e inalterabilidad de forma, elevndose su dureza, resistencia mecnica y adquiriendo impermeabilidad frente al agua y a los productos qumicos. Constituye la etapa ms importante del proceso de la fabricacin y en ella se ve si las operaciones o etapas de formacin anteriores se han desarrollado convenientemente y si el producto cocido ha adquirido las propiedades y caractersticas deseadas. As, se entiende por coccin al proceso fsico-qumico de calentamiento de las piezas previamente moldeadas, seguido de un enfriamiento en el que las arcillas se transforman en silicatos de aluminio cristalinos sin hidratar. Cada tipo de producto necesita una temperatura determinada en funcin de su composicin qumica, sus dimensiones y, sobre todo, del espesor. Si la coccin se realiza lentamente aumenta la calidad del producto obtenido pero tambin su coste, por eso industrialmente se estudian las curvas de temperatura-tiempo de cada horno. Durante este aporte de calor se origina un proceso de transformaciones fsico-qumicas que modifican la estructura qumica y cristalina de las arcillas de forma irreversible, obtenindose los productos cermicos. Adems de estas transformaciones permanentes, las piezas sufren un cierto nmero de modificaciones temporales entre las que cabe destacar la dilatacin que experimentan como resultado de la absorcin de calor. La consistencia ptrea mencionada anteriormente es producida por una movilidad atmica que ocurre durante el proceso y que conduce a la unin de las partculas y a la disminucin de la porosidad. Adems, si las variaciones de volumen ligadas a esta disminucin de la porosidad no se producen de modo regular durante el proceso de coccin las piezas presentarn falta de uniformidad y tensiones. En la coccin es importante considerar el intervalo de coccin, es decir, el rango de temperatura entre el inicio de vitrificacin y el inicio de la deformacin debiendo estar la temperatura ptima de coccin dentro de dicho intervalo, no demasiado cerca del inicio de la vitrificacin para que el material no sea demasiado poroso y no demasiado cerca del inicio de la deformacin para que la pieza no quede deformada. Otro factor importante a tener en cuenta es el tiempo de coccin a la mxima temperatura, que depende de las dimensiones del producto, ya que es necesario un tiempo que permita que la partes centrales del producto alcancen la temperatura requerida. Adems de estas condiciones, otras tambin destacables son: -Uniformidad de la temperatura en el horno, evitando el contacto directo de la llama con el producto cermico. -Control de la curva de coccin, incluso durante el calentamiento y el enfriamiento ya que pueden presentarse tensiones que produzcan roturas. -Control de la atmsfera del horno. -La curva de coccin anteriormente mencionada debe establecerse en funcin de las caractersticas de los materiales atendiendo sobre todo a su grosor puesto que la superficie

se calienta ms rpido que el interior y de esta diferencia de temperatura resulta una contraccin exterior ms rpida que puede tener como resultado la aparicin de fisuras en la pieza y por lo tanto, un aumento de la fragilidad de sta. Por esto es esencial que la diferencia de temperaturas entre el ncleo y la superficie de la pieza en el momento del paso por los puntos crticos resulte pequea, para que los cambios dimensionales que experimente el material en las citadas zonas sea lo ms parecido posible. Como ya hemos dicho anteriormente, un gran nmero de defectos del producto cermico se manifiestan despus de este proceso, por lo que la coccin puede considerarse como la fase ms delicada de todo el proceso de fabricacin cermica. Transformaciones que tienen lugar durante la coccin Estas transformaciones pueden clasificarse en fenmenos fsicos y en fenmenos qumicos. Fenmenos fsicos: -Dilatacin trmica. Es un efecto de la elevacin de la temperatura y se manifiesta de modo que el volumen aumenta en ausencia de transformaciones que modifiquen la naturaleza del material. -Transformaciones alotrpicas. Son propias de las fases cristalinas y pueden producir grandes perturbaciones en el material. Este fenmeno tan slo ocurre en productos crudos o cocidos con cuarzo libre Fenmenos qumicos: se pueden citar esencialmente los que abarcan a los silicatos y a los silico-aluminatos y a los que conciernen a los compuestos denominados impurezas. -Transformaciones que se presentan en los silicatos y en los silico-aluminatos: Muchos de estos compuestos que constituyen las materias primas naturales contienen agua bajo diferentes formas segn el tipo de unin qumica presente en ellos. Despus de la deshidratacin de estos materiales tiene lugar la destruccin del retculo cristalino y la formacin de nuevas fases cristalinas y vtreas. -Transformaciones que presentan las impurezas: 1. Descomposicin de carbonatos. Tiene lugar entre 800 y 900C. 2. Los carbonatos ferrosos se descomponen a xido frrico sobre los 370C y a altas temperaturas se forma magnetita. 3. Los hidrxidos de aluminio hidratados pasan a xido sobre los 300C. 4. La presencia de materia orgnica produce una descomposicin gradual entre los 300 y los 900C. 5. EL sulfato de cal es estable hasta los 1100C y el sulfato de Magnesio descompone antes de los 1000C.

Por lo tanto el proceso se coccin se resume y ejemplifica en el siguiente cuadro: De 0 a 400 C De 400 a 600 C Eliminacin de la humedad residual con dilatacin de la pasta Eliminacin del agua combinada Eliminacin en xidos Retraccin de la pasta y aumento de la porosidad Formacin de un metacaoln inestable

De 600 a 900 C

DE 900 a 1000C Ms de 1000C Sobre 1800 C Hornos

Formacin de silicatos por reaccin de los xidos Transformacin molecular de los silicatos cristalizando en agujas Fusin del material vitrificando

Para realizar la coccin existen dos tipos de hornos: los intermitentes y los continuos, siendo estos ltimos los ms recientes. Un ejemplo de horno continuo es el horno Hoffman, el cual se expone a continuacin: Al igual que todos los hornos continuos, los cuales aparecieron como una solucin ms rentable a la fabricacin de productos cermicos, se caracteriza por el desarrollo ininterrumpido de la coccin y la posibilidad de efectuar las diferentes etapas sin variar el ritmo de produccin. Fue el primer horno del funcionamiento continuo y se caracteriza por una colocacin fija de los productos cermicos y por una coccin mvil. En un principio fue un horno circular aunque para un mayor aprovechamiento espacial se abandon esta forma, adoptando hoy en da la forma ovalada. Se emplea para la obtencin de ladrillos y tejas. Presenta dos galeras paralelas unidas en sus extremos por cmaras de paso redondas o rectangulares. Tiene un gran rendimiento trmico evacuando los gases quemados y los productos cocidos a muy baja temperatura. Se llenan de ladrillos todas las cmaras menos dos que sirven de carga y descarga, suministrndose el combustible por la cubierta. En las primeras cmaras los ladrillos ya estn cocidos y el aire que entra los enfra, calentndose este mismo, sirviendo luego de comburente en la zona de coccin y precalentando los ladrillos recin cargados hasta salir por una vlvula prxima a un tabique de papel que se coloca delante de las cmaras de carga y descarga. Dicho tabique se va cambiando de sitio, abrindose la vlvula inmediatamente a la anterior y usando de carga y descarga las cmaras siguientes de forma rotativa. Este horno presenta ciertos inconvenientes como el contacto directo del combustible con las piezas y la imposibilidad de regular la temperatura en cada momento. Frente a esto tiene las ventajas de que se pueden cocer unas 200000 piezas al da aprovechando un 60% ms el carbn, siendo este el combustible, que los hornos intermitentes. El aire fresco entra por succin de una chimenea y pasa por los productos cocidos que tienen temperatura creciente, de esta forma se consigue que el producto se enfre aprovechndose al mismo tiempo el calor de los productos y de las paredes para el secado y tambin se obtiene que el aire freso llegue con una alta temperatura a la zona de coccin u hogar, lo que representa un gran ahorro de combustible. El aire llega al hogar a unos 900C y sale de l a unos 250C, consiguiendo que los ladrillos se calienten fuertemente antes de que empiece su coccin. Para aprovechar al mximo el calor de los productos el aire debe hacerse pasar por tantas cmaras como lo permita la succin de la chimenea.

Revestimiento:Una vez realizada la primera coccin se le suele dar una capa de esmalte o

barniz opaco o transparente para dotar a la cermica de impermeabilidad, aadindole belleza, dureza y resistencia a las inclemencias ambientales, entre otras cosas, aunque este proceso no es imprescindible. El barniz o vidriado es un borosilicato de plomo, este nombre de vidriado le viene dado por su parecido fsico y qumico con el vidrio. A su vez, al igual que el barniz, el esmalte es un borosilicato de plomo al que se le aade estao. El xido de estao modifica el barniz y lo transforma en esmalte, confirindole la propiedad de hacerlo blanco y opaco tras la coccin, aunque dicha blancura puede modificarse agregndole otros xidos o sustancias pigmentarias. Segunda coccin:Si se ha realizado el revestimiento previamente, se puede realizar una segunda coccin para vitrificar el esmalte o barniz aplicado. Acabado:Una vez realizados los procesos anteriores, se decora el producto pudindose realizar una tercera coccin al acabar. En el siguiente vdeo puede verse todo el proceso: https://www.youtube.com/watch?v=f8Ovkf8Lp9Q

Propiedades de los productos cermicos Slidos inorgnicos y no metlicos Duros Frgiles Muy resistentes al desgaste Resistentes a la corrosin Resistentes a la oxidacin Inertes y biocompatibles Altos puntos de fusin Asequibles econmicamente Baja tenacidad y ductibilidad Usualmente porosos, lo que reduce su resistencia Poca plasticidad Baja conductividad elctrica y trmica Son deformables a altas temperaturas No presentan deformaciones plsticas Poca elasticidad Poca resistencia a los esfuerzo de tensin, de traccin o de cizalla Alta resistencia a la compresin Mantienen sus propiedades mecnicas a altas temperaturas Su color depende de las impurezas que presente y de los aditivos que se empleen Impermeables Heladicidad: capacidad de recibir bajas temperaturas sin sufrir deterioros. No son absorbentes.

Tipos de materiales cermicosCabe distinguir: Cermicas.

Cermica vidriada. Se obtiene cuando la terracota o arcilla modelada y endurecida al horno se vitrifica (se cubre de esmalte). Cermica no vidriada

Cermica vitrificada

Cermica porosa. Se emplean en la fabricacin de la ladrillos, en cubiertas, estructuras planas, azulejera, pavimentos y conducciones.

Cermica refractaria. Se emplea en ladrillos refractarios.

Cermicos impermeables. Se emplean en loza, porcelana y gres. Cermicos de alto rendimiento. Su elevada tenacidad los hace ser aplicados en herramientas de corte llegando a competir con el diamante. Cemento y hormign. Son una mezcla de cal, slice y almina. Se emplean en construccin. Cermicos compuestos. Son cermicos junto con polmeros y metal.

AplicacionesLos cermicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. Se utilizan varios tipos de cermicos en las industrias elctrica y electrnica, debido a su alta resistividad elctrica y a sus propiedad magnticas adecuadas para aplicaciones como imanes para bocinas. Un claro ejemplo de ello es la porcelana, que es una cermica blanca compuesta por caoln, cuarzo y feldespato; la cual se emplea en aparatos domsticos y sanitarios.

La capacidad de los cermicos de conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas como altos hornos, cohetes.... A su vez, se emplean en cojinetes ya que tienen una resistencia elevada al desgaste. Por otro lado, pese a que los motores de combustin interna poseen una eficiencia aproximada del 30%, con el uso de componentes cermicos el rendimiento puede mejorar otro 30%. Otra aplicacin es el recubrimiento de metal con cermico, con la finalidad de reducir el desgaste, impedir la corrosin o proporcionar una barrera trmica. Adems, el elevado mdulo elstico de los cermicos los hace atractivos para mejorar la rigidez y al mismo tiempo, reducir el peso de las mquinas. Por ltimo, los biocermicos se emplean para reemplazar articulaciones en el cuerpo humano, como prtesis y en trabajo dental, debido a su resistencia mecnica y biocompatibilidad antes mencionadas. Los biocermicos de uso comn son el xido de aluminio y el nitruro de varios compuestos de slice.

IntroduccinLa industria del vidrio es una de las ms antiguas creadas por el hombre. La fabricacin del vidrio floreci en Egipto y Mesopotamia hasta el 1200 a.C y posteriormente ces casi por completo durante varios siglos. Antes del descubrimiento del vidrio soplado, del cual se hablar posteriormente, antiguamente se realizaban fundiendo el vidrio con mtodos parecidos a los de la cermica y metalurgia, y utilizaban moldes para hacer incrustaciones, estatuillas y vasijas tales como jarras y cuencos.

Materias primasSegn el papel que desempean durante el proceso de fusin las materias primas de las que estn formados los vidrios, pueden clasificarse en cuatro grupos: 1. Vitrificantes. Son aquellos xidos formadores de red. Algunos ejemplos de vitrificante pueden ser: -Slice: es el constituyente principal de la mayora de los vidrios comerciales, ya que puede encontrarse en todos los vidrios formando entre un 50% y un 100% de su composicin. Un bajo porcentaje de este material produce la desvitrificacin y un exceso de este material convierte al vidrio en un material duro y difcil de manejar. Las fuentes principales de esta materia prima son el cuarzo, las cuarcitas, las arenas y areniscas silceas de origen sedimentario y la tierra de infusorios, siendo las ms utilizadas las arenas y areniscas silceas. Pese a ser muy abundantes en la naturaleza dichas arenas, son relativamente pocas las que cumplen los requisitos exigidos ya que al ser la materia principal para la fabricacin del vidrio sus caractersticas fsicas y qumicas son rigurosamente determinantes en la calidad del producto. Los tres factores principales que limitan la utilidad de las arenas son sus caractersticas qumicas, mineralgicas y granulomtricas. Debido a las grandes exigencias de seleccin de las arenas se puede proceder al acondicionamiento de otras, siendo las operaciones ms frecuentes la molienda, el lavado, la atricin, la flotacin y la separacin magntica. La molienda se emplea para el aprovechamiento de cuarcitas o bien para ajustar la arena a la granulometra deseada, mientras que la separacin de los minerales pesados se suele realizar por lavado, atricin o vibraciones mecnicas, siendo en muchos casos insuficientes estos procedimientos, teniendo que recurrir a operaciones de flotacin y separacin magntica.

Arena de slice

-Anhdrido brico: es un componente esencial de los vidrios neutros para laboratorio de los vidrios termoresistentes de alta estabilidad a los cambios bruscos de temperatura de las fibras de vidrio y de muchos vidrios especiales, aunque no se suele emplear excepto en casos excepcionales como vitrificante nico debido a su alta solubilidad.

cido brico

-Anhdrido fosfrico: su empleo industrial es muy escaso y se limita nicamente a algunos vidrios de propiedades pticas especiales por su transparencia en el intervalo ultravioleta y su baja transmisin en el dominio infrarrojo. Los vidrios de fosfato presentan el grave inconveniente de su elevada solubilidad, aunque en ausencia de slice y convenientemente estabilizados son resistentes al cido fluorhdrico. -Otros vitrificantes: los restantes formadores de red no se emplean nunca como vitrificantes en vidrios convencionales. As, los xidos de arsnico y antimonio aunque intervienen frecuentemente en su composicin lo hacen como componentes secundarios. 2. Fundentes: la finalidad de este grupo de componentes es favorecer la formacin de vidrio y facilitar su elaboracin. Su efecto es doble, rebajando el punto de transformacin aumentando su fusibilidad por un lado; y acrecentando la extensin del palier de trabajo del vidrio por otro. Es importante tener clara la diferencia entre estos dos efectos ya que uno se refiere a la fusibilidad y el otro a la viscosidad. Algunos ejemplos de fundentes son: - xido de sodio: De todos los xidos alcalinos es el que se emplea en mayor proporcin en los vidrios ordinarios, siendo las materias primas ms utilizadas industrialmente para aportar este componente las siguientes: Cloruro sdico: es el material ms econmico para introducir el xido de sodio, pero su utilizacin es prcticamente nula debido a la agresividad de los vapores de cido clorhdrico. Carbonato sdico o sosa: el vidrio rico en sosa tiene un coeficiente de dilatacin muy alto, rompe fcilmente al calentando y es muy blando, teniendo adems poca resistencia a la corrosin.

-

xido de litio: aunque en los ltimos aos se ha incrementado su uso en la industria del vidrio por su favorable influencia sobre ciertas propiedades del vidrio, su uso no se ha generalizado debido a razones econmicas.

3. Estabilizantes: son elementos que permiten el desplazamiento de ciertas propiedades del vidrio. Algunos ejemplos son: - xido de calcio: es el tercer componente principal del vidrio despus de la slice y el xido de sodio dentro de los vidrios comerciales u ordinarios. Su presencia aumenta la estabilidad qumica y mecnica del vidrio, haciendo a su vez menos soluble al vidrio, aumentando as su resistencia a los agentes atmosfricos, hacindolo adems menos frgil y ms brillante. Un exceso de este componente puede facilitar la desvitrificacin. Es un material muy econmico debido a la abundancia de piedra caliza en la corteza terrestre y debido a que es un fundente frente a la arena. - xido de cinc: su adicin resulta favorable para la mayora de los vidrios comunes hasta un mximo de un 5%, ya que mejora su resistencia qumica, eleva su ndice de refraccin, aumenta la dureza y reduce su coeficiente de dilatacin trmica, adems reduce la viscosidad del vidrio a altas temperaturas. - xido de hierro: se consideraba una impureza de la arenas, empleado para obtener el color requerido en las botellas de Champagne.

Botella de vidrio de color verde

4. Componentes secundarios: adems de las materias primas en forma de xidos nombradas anteriormente deben tenerse en cuenta otras sustancias que modifican el aspecto y textura del vidrio. - Afinantes: dotan de homogeneidad al vidrio. Uno de los ejemplos ms representativos sera el sulfato sdico, ya que tiene la ventaja de que solamente se descompone a las temperaturas elevadas del afinado. - Decolorantes: evitan la coloracin del vidrio, bien por un proceso de oxidacin-reduccin o por comunicar al vidrio una coloracin complementaria a la adquirida. Un ejemplo de ellos es el manganeso, que es el ms empleado y se le conoce como jabn de vidrieros; tiene una accin decolorante ya que reduce los compuestos frricos en ferrosos. - Colorantes: son sustancias para dar coloracin o para volverlo incoloro anulando su tonalidad verde natural. Generalmente la coloracin es ms intensa cuanto ms bsico es el vidrio, adems las coloraciones estn influidas por: El grado de oxidacin de las sustancias, as diferentes xidos del mismo metal pueden dar coloraciones diferentes. La atmsfera del horno (oxidante o reductora). Naturaleza del vidrio. Un ejemplo de colorante sera el cobre, que en estado metlico dota al vidrio de un color rojo y que en forma de xido dota al vidrio de un color azul. - Opacificantes: le transmiten aspectos opacos a la masa vtrea y se emplean ciertos fluoruros como el fluoruro de calcio.

- Fluidificantes: al igual que en los opacificantes se usan tambin fluoruros, ya que estos no slo son opacificantes, sino que adems disminuyen notablemente la viscosidad del vidrio.

Proceso de obtencin del vidrioSe divide en seis etapas que son las siguientes: 1. Reaccin de los componentes y formacin de vidrio. 2. Disolucin del excedente de slice sin reaccionar. 3. Afinado y homogeneizacin. 4. Reposo y acondicionamiento trmico. 5. Conformacin. 6. Enfriamiento y recocido. Las cuatro primeras etapas se suceden sin pausas dentro del horno en el cual aumenta progresivamente la temperatura hasta alcanzar un mximo de 1500C, seguidos de un proceso de enfriamiento y un periodo de estabilizacin en el que la masa vtrea debe alcanzar la requerida homogeneidad trmica para su inmediata conformacin. Una vez que las materias primas han sido pesadas y mezcladas con la cantidad de agua necesaria para obtener la humedad correcta son llevadas al horno mediante una cinta e introducidas en el mismo mediante una mquina llamada enformadora. La acumulacin de calor es muy elevada en el interior del horno, ya que la cantidad de calor necesaria para calentar el interior de la masa es muy elevada. La formacin del vidrio comprende una serie de transformaciones fsicas y reacciones qumicas a altas temperaturas mediante las cuales la mezcla vitrificable se convierte en una masa vtrea. Dentro de las transformaciones fsicas cabe destacar: - La fusin de cada constituyente y de los productos de reaccin. - Una serie de transformaciones cristalinas de la masa. - Un desprendimiento de gases. - Una volatilizacin parcial. Mientras que entre los fenmenos qumicos se encontrara: - La evaporacin de agua de humedad. - Deshidratacin de ciertos constituyentes. - Disociacin de carbonatos y sulfatos. - Reacciones entre las distintas especies qumicas Proceso de conformacin del vidrio: el procedimiento ms prctico y ms empleado actualmente desde su descubrimiento en 1959 es el procedimiento de flotado, habindose fabricado prcticamente todos los vidrios usados en construccin por este procedimiento. Esta gran utilizacin se debe a su ventaja sobre otros procedimientos que consiste en la posibilidad de obtener directamente una lmina de vidrio pulida por ambas caras sin necesidad de ser sometida a ninguna operacin posterior de pulido. Durante este proceso el vidrio se funde en un horno cuba de grandes dimensiones cuyo origen es el horno Martin Siemens de siderurgia, con la particularidad de que los hornos para vidrio son de colada continua. Este horno est formado por un material refractario y consta de unos quemadores situados a ambos lados, as como por unas cmaras que comunican el laboratorio con la chimenea situadas en la misma zona. Cabe destacar que los humos calientes que abandonan el laboratorio no van directamente a la atmsfera a travs de la chimenea, sino que pasan por una cmara en la cual se retiene parte de su calor. El aire necesario para que se produzca la combustin, llamado aire secundario entra a travs de la cmara opuesta impulsado por un ventilador. Este aire asciende por donde anteriormente han descendido los humos recogiendo el calor retenido en la cmara y favoreciendo de este modo la combustin mediante la recuperacin del calor que se haba perdido precalentando el aire de combustin. 30 cm del horno estn cubiertos de estao fundido que soporta al vidrio, siendo el estao el metal escogido debido a que es lquido entre los 600 y 1000C y su densidad es mayor que la del vidrio. Sobre esta capa de estao el vidrio flota y avanza horizontalmente nicamente con fuerzas naturales, es decir, sin ser impulsado por

ninguna mquina o mecanismo, hasta alcanzar los siete mm de espesor en el que se equilibran las fuerzas. A partir de este momento la hoja de vidrio avanza hasta alcanzar los 900C, punto en el que se produce un efecto de traccin por una de las partes que origina una reduccin de espesor y anchura debido al estirado, cesando esta fuerza cuando la temperatura de la hoja pasa a ser de 800C, momento a partir del cual el vidrio se acondiciona para que llegue a la salida y tras un proceso de enfriamiento la plancha de vidrio salga del tnel a 180C, temperatura a la que es capaz de soportar el contacto directo con la atmsfera sin romperse por choque trmico, llevndose a cabo su transporte sobre rodillos metlicos hasta que la temperatura desciende a 125C. A continuacin se realiza el cortado del vidrio tallando una huella en la superficie con carburo de tungsteno ejerciendo una presin posterior por la cara opuesta que obliga a la lmina a deformarse provocando su rotura a lo largo de la huella.

Horno esquematizado

Rodillos de salida

Horno Matin Siemens del que proviene el horno de cuba para la obtencin dle vidrio

En el siguiente vdeo puede verse todo el procesohttps://www.youtube.com/watch?v=_1wNfjE8PVI

Tipos de vidrioExisten diferentes tipos de vidrios dependiendo de su proceso de fabricacin: -Vidrio hueco: se utiliza para fabricar recipientes como botellas o frascos. Se fabrica habitualmente por el mtodo de sopladura que se puede llevar a cabo de forma artesanal o industrial. -Vidrio plano: se utiliza para fabricar ventanas y espejos. El mtodo ms utilizado para su obtencin es el de flotacin. -Vidrio colado: se representa en forma de lminas de diferente grosor y con diversas texturas en su superficie. Se obtiene bsicamente por colada o por laminacin. -Fibra de vidrio: se obtiene por extrusin de la masa de vidrio.Tela de fibra de vidrio

-Vidrio artesanal: puede ser realizado por colado, soplado, prensado, a rodillo, etc. -Vidrio curvado: se obtiene tras moldear una pieza a baja temperatura para retener parte de las caractersticas que se perderan al elevar su temperatura.

-Vidrio decorado: modificado mediante esmaltado. -Vitrocermicos: fabricados a partir de arcilla o barro junto con silicatos. Sus aplicaciones son: cubertera, cristaleras, azulejos, ladrillos, etc. -Vidrio armado: se obtiene por el proceso de colado y se utiliza en lunas de automviles. -Vidrio templado: utilizado en la industria del motor y construccin, est considerado como un vidrio de seguridad.

Vidrio templado en construccin

-Vidrio ptico-cristal de plomo: se utiliza en las gafas, microscopios, telescopios, cmaras y otros instrumentos pticos.

Vidrio ptico en lentes

Propiedades del vidrioPueden dividirse en varios tipos: -Propiedades fsicas: Color: como ya hemos mencionado antes depende de los elementos que se agreguen en el proceso de fusin. Textura: cuando un vidrio no se funde completamente en el proceso de coccin o su viscosidad es todava alta la superficie resulta ser rugosa, por el contrario si se funde completamente presenta una superficie lisa y mucho brillo.

-Propiedades qumicas: Densidad: la densidad vara de acuerdo a las sustancias con las que ha sido complementado. Viscosidad: la viscosidad es una propiedad de los lquidos, lo cual parecer confuso para el estudio del vidrio, pero lo cierto es que el vidrio es un lquido sobreenfriado, es decir, es un lquido que llega a mayores temperaturas que la de solidificacin.

El vidrio es un lquido muy viscoso

Corrosin: el vidrio es muy resistente a la corrosin, por lo que son utilizados incluso en experimentos qumicos.

-Propiedades mecnicas: Torsin: los vidrios en su estado slido no tienen resistencia a torsin, en cambio en su estado fundido son como una pasta que acepta un grado de torsin que depende de los elementos que se le aadan. Compresin: tiene una gran resistencia a la compresin. Tensin: durante el proceso de fabricacin, el vidrio va adquiriendo ciertas grietas no visibles que van aumentando debido a presin acumulada por esfuerzos de tensin. Pese a que generalmente presentan una resistencia a la tensin entre 3000 y 5500 N/cm2, pueden llegar a superar los 70000 N/cm2 si ha sido especialmente tratado. Flexin: la flexin de los vidrios es distinta para cada una de sus composiciones. Maleabilidad: presentan maleabilidad cuando se encuentran en su etapa de fundicin pues pueden ser moldeados, los principales mtodos son el colado, soplado, prensado, estirado y laminado. Dureza: el vidrio es un material duro. Fragilidad: el vidrio es un material muy frgil.

-Propiedades pticas: varan segn la composicin del vidrio y son la transmitancia, a absorbancia y la reflactancia. -Propiedades trmicas: Calor especfico: es el calor necesario para elevar una unidad de masa un grado de temperatura, siendo en los vidrios de o,150 cal/gC aproximadamente. Conductividad trmica: es de aproximadamente 0,002 cal/cmsegC

-Propiedades elctricas: Constante dialctica: es la capacidad de almacenar carga elctrica, y est relacionada de forma inversamente proporcional con la opacidad, pudiendo almacenar ms carga cuando ms transparente sea. Resistividad elctrica superficial: es la resistencia que presenta el vidrio al paso de la corriente elctrica, siendo muy alta, aproximadamente 108 veces ms alta que la del cobre.