CERÁMICOS

Cerámicos

• Clasificación

• Propiedades mecánicas

• Aplicaciones

• Métodos de fabricación

Clasificación de los cerámicos

Propiedades: - alta Tf, baja tenacidad, baja ductilidad, alto E Aplicaciones: altas T, alta resistencia a la abrasión Fabricación - fundidos, sinterizados

Vidrio Arcilla Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicos avanzados

- óptico - fibras de

vidrio - contenedores - artículos

domésticos

- ladrillos - artículos

domésticos

- ladrillos para hornos

- lija - esmeril - pulidoras

- compuestos estructurales

- turbinas - válvulas - rodamientos

Diagramas de fase de cerámicos MgO-Al2O3

Propiedades mecánicas

Los materiales cerámicos son mas frágiles que los metales ¿Por qué? • Solidos altamente iónicos, es difícil el movimiento de dislocaciones • Pocos sistemas de deslizamiento • Resistencia de movimiento de iones como cargas

Ensayo de flexión – módulo de elasticidad

• Comportamiento a temperatura ambiente: frágil • se utiliza el ensayo de flexión de 3 puntos • el ensayo de tracción no es común

F L/2 L/2

d = deflexión

sección

R

b

d

rect. circ.

• El módulo de elasticidad se determina de la siguiente manera:

F x

elástico lineal d

F

d slope =

3

3

4bd

LFE

d

4

3

12 R

LFE

d

Ensayo de flexión - resistencia a la flexión • Ensayo de flexión de 3 puntos para medir la resistencia a la flexión

F L/2 L/2

d = midpoint deflection

cross section

R

b

d

rect. circ.

máxima tensión

• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:

Si nitride Si carbide Al oxide glass (soda-lime)

250-1000 100-820 275-700

69

304 345 393 69

Material s fs (MPa) E(GPa)

22

3

bd

LFffs s

3R

LFffs

s

Aplicaciones

Refractarios : para uso a altas temperaturas Silica(SiO2) – Alumina (Al2O3)

Composition (wt% alumina)

T(°C)

1400

1600

1800

2000

2200

20 40 60 80 1000

alumina

+

mullite

mullite

+ L

mulliteLiquid

(L)

mullite

+ crystobalite

crystobalite

+ L

alumina + L

3Al2O3-2SiO2

Matrices: alta resistencia a la abrasión carburo de tungsteno sinterizado

fuerza A o

A d matriz

matriz

Aplicaciones

Herramientas de corte: • Carburo de tungsteno • Diamantes para perforación

Sensores: ZrO2 , difusión de gases. Se añade Ca para incrementar vacancias y difusión de O2-

reference gas at fixed oxygen content

O2-

diffus

ion

gas with an unknown, higher oxygen content

-+voltage difference produced!

sensor

Métodos de fabricación

7

• Presión (moldeado):

• Soplado

• fibras

cementado

suspended Parison

Molde

aire compirimido enrollado

material

molde

presión

formado del vidrio

formado x partículas

Vidrio de sílice

Cuarzo es cristalino SiO2:

El vidrio no tiene estructura cristalina (amorfo) • A la sílica fundida (SiO2 ) se le añaden impurezas • Otros vidrios comunes contienen impurezas como iones de

Na+, Ca2+, Al3+, and B3+

vidrio común

Si 4+

Na +

O 2 -

Propiedades del vidrio

• Volúmen específico (1/rho) vs.

Temperatura

• Materiales cristalinos:

1. Cristaliza en Tm

2. Cambio abrupto en volúmen

especifico

• Vidrio:

1. No cristaliza

2. Volúmen especifico varía

lentamente

3. Temperatura de transición Tg,

cambia de pendiente

Viscosidad del vidrio

• Punto de fusión: vidrio aún

líquido

• Punto de trabajo: facil

deformación

• Punto de ablandamiento:

máximo punto al cual se puede

manejar el vidrio sin causar

alteraciones dimensionales

• Punto de recocido: Difusión

considerable, esfuerzos

residuales son eliminados

• Punto de carga: sin deformación

plástica, fractura frágil

Métodos de fabricación

• se obtiene el tamaño de partículas deseado • se mezcla el material con agua • se forma un componente crudo • el componente se seca/hornea

componente hueco

• molde

componente sólido

formado del vidrio

formado x partículas cementado

moldeado agua

crudo

• formado

moldeado drenaje crudo

Métodos de fabricación

Sinterizado : útil para materiales de componentes arcillosos y no arcillosos Procedimiento : inyección a molde y cocinado bajo presión para reducir los poros Ejm: óxido de aluminio sinterizado a 1700°C

15

formado del vidrio

formado x partículas cementado

Métodos de fabricación

• Producido en grandes cantidades • Cemento: mezcla y horneado a 1400°C

• constituido basicamente por silicato de tricálcico y silicato de dicálcico

• se añade agua para facilitar el moldeado • endurecimiento por reacciones químicas con el agua

16

formado del vidrio

formado x partículas cemento

Cerámicos avanzados

• Vidrios metálicos: “liquid metal” • Rápida solidificación (1500°C en 5 seg) • Átomos presentan una estructura amorfa (similar al

vidrio) pero están compuestos de átomos metálicos

Resumen

• Enlaces iónicos o covalentes para cerámicos

• Estructuras en cerámicos se forman en base a : 1. carga neutral 2. radios atómicos

• Imperfecciones en cerámicos

1. Puntuales: vacancias, intersticiales, Frenkel, Schottky 2. Impurezas: sustitucionales, intersticiales 3. Se debe mantener la neutralidad de la carga

• Propiedades mecánicas a temperatura ambiente – ensayos de flexión

1. linear elástico: E, sfs

2. fractura frágil

Resumen

• Clasificación de los cerámicos: • Vidrio • Arcilla • Refractarios • Cementos • Cerámicos avanzados

• Técnicas de fabricación: • formado del vidrio • por partículas • Cementos • Enfriamiento rápido

• Tratamientos térmicos: • Alivia esfuerzos residuales • Vidrio templado