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Materiales Industriales I Fac. de Ingeniera - UBA

MATERIALES CERMICOS


MATERIALES CERAMICOS

Soluciones compuestas- elementos metlicos y no metlicos enlazados mediante uniones inicas y/o covalentes.

Son duros y frgiles con baja tenacidad y ductilidad.

Son buenos Aislantes elctricos y trmicos.

Tienen altas temperaturas de fusin, alta resistencia al ataque qumico, bajo costo y presentan la facilidad de controlar su aspecto.


Productos de arcilla: Productos estructurales de arcilla, Porcelanas.

Vidrios Cermicos de uso Ingenieril:

Oxido de Aluminio (Al2O3), Carburo de Silicio, Refractarios , Cementos, Abrasivos, Cermicas



Elementos en los Cermicos


Alta temperatura de fusin Baja densidad Rigidez, dureza, resistencia estructural Resistencia a la corrosin Buenos aislantes trmicos y elctricos

Propiedades destacables de los materiales cermicos


CERAMICOS vs METALES

BuenaMalaAltas temperaturasMalaBuenaChoque trmicoAlto.-Similar valorAltoDilatacin linealMalaBuenaTransm. calorMalaBuenaTransm. electricidad

Cristalina o vtreaCristalinaEstructuraMayor BuenaMalaDurezaCasi nulaBuenaTenacidad

AltsimaBuenaSensib.defectos superfCasi nuloBuenaTraccinCasi nuloAltoAlargamiento de roturaMenor- BuenaBuenaCompresin

CERAMICOSMETALES


MicaMineral constitudo por silicatos de almina, hierro, calcio,magnesio y minerales alcalinos complejos de potasio y aluminio.Se presenta en forma de lminas flexibles, elsticas y muy brillantes.Ejemplo -Muscovita: KAl2(Si3AlO10)(OH)2

Aplicaciones: Aislante de mquinas de alta tensin y potencia, turbogeneradores, motores elctricos, y algunos tipos de condensadores.

Otros usos: Transistores - Superficies y Mosaicos - CauchoPintura para exteriores -Pinturas de Aluminio- Selladores


AsbestosUnidadbsica:SiO32.Sonsilicatos,mineralesfilamentosos,formadosporfibraslargasydelgadas,flexibles,fcilmenteseparables,aislantesdelcalor,laelectricidadydelsonido;yresistentesalaaccindelfuego.Usos :roparesistentealfuego,mantascontraincendios,chapasaislantes(cartones),hilosaislantes.Lasfibrasseusantambinenlaszapatasdefrenosyparalaproduccindefibrocemento,caos,chapas,tanques,etc.


Talco - Mg3(OH)2(Si2O5)2 Mineral de color blanco a gris verdoso. Pertenece al grupo de los silicatos. En la escala de Mohs se toma como patrn de la menor dureza

posible, asignndosele convencionalmente el valor 1 . En forma de polvo se utiliza como relleno en la fabricacin de papel

y cartulina, para lacas y pinturas, en la industria cermica, como aditivo de gomas y plsticos.

Por su resistencia a elevadas temperaturas se utiliza en la fabricacin de materiales termo-resistentes.

Tambin es la base de muchos polvos en la cosmtica.


Silicato de Aluminio hidratado natural con sodio o calcio Del tipo: Na2O.Al2O3.nSiO2.xH2O

Resina Artificial intercambiadora de iones

Alto grado de hidratacin. Baja densidad y un gran volumen de vacos cuando es deshidratado. Propiedades de intercambio del catin. Habilidad de absorber gases y vapores. Se utilizan como tamices moleculares:

materiales que pueden absorber selectivamente molculas enbase a su tamao.

Zeolitas


SILICIO Estructura

Tetraedros SiO42-fusionados compartiendo vrtices en una disposicin regular


Estructura Vitrea

Estructuras vtreas :se unen los tetraedros de slice , para producir una estructura reticular.

. cristalina (a), y vtrea (b) de silicato.


Vidrios comerciales-Composicin y caractersticas.

Resistencia al horno4.5 TiO22.5 Li2O

1870Ceramicavtrea

Alta densidad e indice de refraccion-Optica

37 PbO8 K2O

154Optico

Aislaciones-Resinas

4 MgO10151655Fibra vidrio

Laboratorio.Altas temperatura132.53.581PIREX

Resiste Shock Termico y buena resist. quimica

596Silica96%

AplicOtrosB2O3Al2O3CaONa2OSiO2


VIDRIOS SLICO-SDICO-CLCICOS

Son los ms utilizados en la construccin.Composicin

Slice, un vitrificante introducido en forma de arena (70 a 72%).Sodio, un fundente en forma de carbonato y sulfato (aprox. 14%).Cal, un estabilizante en forma de caliza (alrededor 10%).Diversos xidos, como de aluminio y magnesio -mejoran las propiedades fsicas del vidrio - su resistencia a la accin de los agentes atmosfricos (alrededor 5%).


Vidrio de Borosilicato (PIREX) ) (80% SiO2 - 12% B2O3 -4%AI2O3)

Se sustituyen xidos alcalinos por B2O3 en la red vtrea.Vidrios de mas baja expansin. Cuando el boro entra en la red de slice debilita la estructura y reduce el pto de reblandecimiento. El uso del B2O3, en lugar del sodio y la cal, reduce el coeficiente de expansin de 9.0x10-6, para el vidrio de sodio y cal, a 3.5x10-6, para un vidrio tpico de borosilicato.La resistencia de estos vidrios a los choques trmicos es muy superior. La reduccin de la cantidad de alcalinos presente mejora la inercia qumica de dicho vidrio. Pyrex es una marca comercial. Usos: instrumentos de laboratorio, utensilios de cocina, tuberas para productos qumicos y sellos metlicos de baja dilatacin.


Vidrios de Almino - Silicato (55% de SiO2 - 20% de AI2O3 - Cant. Pequ. de B2O3, MgO y CaO)

Los contenidos elevados de almina y dixido de silicio producen un vidrio de punto elevado de fusin. Mejor resistencia a las temperaturas elevadas que el de sodio y cal. El coeficiente de expansin es la mitad . Se utiliza para tubos de combustin, utensilios de cocina y aplicaciones similares


VIDRIOS AL PLOMO

El xido de plomo es normalmente un modificador de la red de la slice.Son de baja fusin y se utilizan para cristales decorativos-Son usados como proteccin a la radiacin de alta energa y encuentra aplicacin

para ventanas de radiacin, carcasas de lmparas fluorescentes y lmparas de televisin.

Por sus altos ndices de refraccin, los vidrios al plomo se emplean para algunos vidrios pticos y para algunos vidrios decorativos.

VIDRIOS DE BOTELLADe composicin parecida a la del vidrio comn, pero con cierto porcentaje de

xido de hierro.VIDRIOS DE CRISTALCon adicin de plomo o bario Les confiere elevado brillo, mucho peso y

sonido metlico, y el ptico de transparencia, inalterabilidad, homogeneidad e isotropa

Uso en la fabricacin de lentes, prismas, espejos.


VIDRIOS TEMPLADOS

Templado trmico: consiste en calentar el vidrio hasta una temperatura prxima a la de reblandecimiento.

Luego se enfra bruscamente, haciendo incidir sobre su superficie aire a una presin controlada.

Superficie sometida a fuerzas de compresin, y el interior se somete a fuerzas de traccin.

Las intensidades de estas tensiones varan de acuerdo con el gradiente trmico que se estableci en el momento de su enfriamiento.

Los vidrios templados presentan un aumento de la resistencia mecnica.

Con los vidrios templados decorados se puede dar a las superficies exteriores de los edificios una gran variedad de terminaciones, y cambiar las propiedades foto-energticas del vidrio.


Temple del vidrio


PROCESO DE CONFORMACION LAMINADO

En el horno de recocido (lehr) , se eliminan los esfuerzos residuales. Para el vidrio ordinario de ventanas el material laminado es utilizable en su forma original, pero para la plancha de vidrio se necesita esmerilado y pulimento.


Prensado y Soplado

Se utiliza mucho para fabricar recipientes.Se alimenta un molde con un pedazo y se lo presiona. Luego se quita la parte inferior del molde, sustituyndolo por un molde con la forma final. La operacin de soplado le da el contorno deseado. El vidrio parcialmente formado se conoce como parisn.


Fibra de Vidrio

Re-fusin de bolas de vidrio que fluyen a travs de una plancha calentada de platino con orificios por los cuales salen filamentos. Se ejerce la traccin rotando el tubo de enrollamiento a velocidades de hasta 61 m/seg). Luego se clasifica el material por grosores para separarlo, y se le aplica lubricante a las fibras a medida que se van enrollando.


Al medir la expansin trmica de un vidrio, se encuentran dos respuestas mecnicas nicas. Primero: Rompimiento en la curva de expansin a la temperatura Tg.

El coef.de expansin trmica por debajo de Tg es comparable al de un slido cristalinode la misma composicin.

El coef de expansin trmica por arriba de Tg es comparable con el de un lquido. Como resultado, Tg se conoce como :Temperatura de transicin vtrea.

La deformacin elstica abajo de Tg

y la deformacin viscosa (como lquido) arriba de Tg.

Por arriba de Tg abrupta cada en la curva de los datos a la temperatura Ts. (temperatura de reblandecimiento)el material llega a ser tan fluido que no puede soportar por ms tiempo el peso de la sonda de monitoreo de la longitud (una pequea barra refractaria)

Viscosidad y temperaturas de transicin, fusin


Volumen especfico vs temperatura.Materiales cristalinos y no cristalinos.


IMPORTANCIA TECNOLOGICA DEL VIDRIO

Aplicacin en campos de la alta tecnologa:SEMICONDUCTORES

Silice usada como aislante en los transistores

Usos: Computadoras (45%)-Calculadoras-Equipos de comunicacin(13%)-Industrias manufactureras (12%) Automviles (5%)

FIBRAOPTICAVidriodealtsimapurezautilizadoentelecomunicaciones


FIBRA OPTICA

Ncleo: Vidrio de altsima pureza con alto ndice de refraccin para la luz que se transmite en su interior.

Una capa de vidrio con menor refraccin clad que protege en ncleo y un polmero externo chaqueta para proteccin mecnica.

La capa clad tiene algunos tomos de Germanio que contiene mas electrones externos 32 vs 14 del Si . Esto disminuye la velocidad de la luz en el ncleo e incrementa el ndice de refraccin.

Como el ndice de refraccin en el ncleo es mayor que en el clad la luz logra una reflexin absoluta en el ncleo.

Estefenmenodereflexintotalas comolaaltapurezadelcristallepermitealaluzviajarlargasdistanciassinperdersuintensidad.


Se fabrican de tal modo que satisfagan las especificaciones, segn el uso a que se destinan. Clasificacin: Segn la resistencia a la compresin, la absorcin de agua y la resistencia a la refrigeracin y el deshielo. A medida que se incrementa la temperatura de cocido, aumenta la resistencia, disminuye la porosidad y los ladrillos adquieren una coloracin ms oscura.

CLASIFICACIN :De fachada: son ms oscuros, densos y fuertes que los comunes, debido a las temperaturas ms elevadas de coccin a que se someten. No absorben tanta agua como los comunes, son ms resistentes y, por lo tanto, se utilizan en las fachadas de los edificios.Pueden resistir cerca de 6000 lb/plg2 de compresinComn: absorbe, aproximadamente, un quince por ciento de agua por peso, mientras que los ladrillos de fachada, absorben menos de un diez por ciento. Tienen una resistencia a la compresin de aproximadamente, 4000 Ib/plg2

Ladrillos


Lozas La loza de barro: se hace de arcilla (caoln, por ejemplo), aunque en algunos casos

estn presentes slice (SiO2) y feldespato.Se la somete al fuego a baja temperatura, comparada con la de otros productos de este grupo. Ello produce una fractura terrosa relativamente porosa.

La loza semivitrea: Calidades ms finas -Se fabrican empleando mezclas de arcilla-slice-feldespato, (triaxiales) por la presencia de estos tres ingredientes. La temperatura de cocido es mayor, dando por resultado la formacin de vidrio, menor porosidad y mayor resistencia. Todos los grados pueden ser no vidriados o cubiertos con un material separado que forme una superficie vidriosa, lo cual da una superficie lustrosa.

La loza de piedra: difiere de la loza de barro en que se emplea una mayor temperatura de cocido, lo cual produce una porosidad menor del 5% comparado con el 5 al 20% de la loza de barro. Por lo general la composicin se controla ms cuidadosamente que en la loza de barro y el producto no lustroso tiene el acabado mate de la piedra fina.

Excelente material para la loza de hornear tanques para sustancias qumicas y serpentinas. En la prctica no lo atacan la mayora de los cidos pero lo corroen los lcalis.


La loza china: se obtiene cociendo la mezcla triaxial a alta temperatura para obtener un objeto traslcido.Es traslcido porque una gran parte de la mezcla de cristales de cuarzo, arcilla y feldespato se ha convertido en vidrio claro. La temperatura de cocido es menor que para la porcelana "dura" porque una pequea cantidad de CaO est presente como fundente.

La "porcelana inglesa": Contiene cerca de un 45% de ceniza de hueso (de huesos de ganado), 25% de arcilla y el resto feldespato y cuarzo. El fosfato de calcio de los huesos produce un material con menor punto de fusin y el grupo fosfato sustituye en parte la slice como formadora de vidrio.

Porcelana china "Beleek": muy conocida, se fabrica aadiendo vidrio como fundente a la mezcla original, que proporciona gran traslucidez al producto terminado.

Porcelana: es la que se cuece a las ms altas temperaturas del grupo. La no utilizacin de fundentes y las temperaturas ms altas dancomo resultado un producto denso y muy duro.

Lozas


Ladrillos refractarios Materiales que resisten la compresin a temperaturas elevadas . Contienen caolinita (esencialmente AI2O2 . 2SiO2 . 2H2O), como

ingrediente principal, con un mnimo de substancias productoras de vidrio.

Se fabrica a partir de arcilla precocida con el fin de obtener un producto dimensionalmente estable.

La resistencia es baja; pero no tienen como fin el soportar cargas estructurales.

Su funcin principal: confinar las llamas y las temperaturas elevadas del aire, para proteger a los miembros estructurales de dichas temperaturas excesivas.

Los ladrillos refractarios se unen con cantidades mnimas de mortero, hecho mediante la mezcla de arcilla refractaria molida con agua.

Las temperaturas de servicio crece con el precio:cidos - Bsicos - Neutros

Su temperatura de ablandamiento es de cerca de 1650C.


Diagrama Silico-Alumina


Refractarios cidos (Silicicos Silicicos Aluminosos Zircn)

El dixido de silicio es el ingrediente principal.Son cidos, no reaccionan con otras substancias cidas y se utilizan en los fondos de los hornos en que se encuentran escorias cidas. El dixido de silicio se obtiene del cuarzo o la arenisca arcillosa.

Tienden a sufrir una dilatacin ligera y permanente, despus de una exposicin prolongada a las temperaturas elevadas. Se utilizan materiales combustibles de relleno, tales como bandas de carbn, en las juntas de expansin, para acomodarse a dicha dilatacin.

Se utiliza como material de recubrimiento para los convertidores de hogar abierto para la fabricacin del acero.


Refractarios Bsicos (Dolomita Magnesita)

MgO Ingrediente principal.La magnesia se obtiene calcinando (calentando hasta el punto de la descomposicin) la magnesita (MgCO3).

Se necesitan temperaturas de 1650C para obtener un producto estable. Tambin se obtiene magnesia del agua del mar. Despus de cocida, la magnesia se muele y se mezcla con xido frrico, arcilla, almina u xido de cromo. Las paredes de los hornos bsicos de hogar abierto se recubren con ladrillos de magnesia.

Los fondos bsicos de hogar abierto se cubren con magnesita o dolomita (MgCO3 . CaCO3).Los recubrimientos resisten a las reacciones con las composiciones bsicas de las escorias.


Refractarios Neutros(Carburo de silicio- Cromita-Carbn y Grafito)

Cr2O3, - Ingrediente principal. Cantidades ms pequeas de dixido de silicio, xido frrico y magnesia forman un enlace en los productos refractarios neutros.Los productos de alto contenido de almina se consideran, a veces, como refractarios neutros.

El carburo de silicio, que se obtiene mediante la fusin del dixido de silicio con el carbn de coke, en un horno elctrico, y el grafito, se clasifican tambin como refractarios neutros, resistentes a la accin de las escorias. El grafito, unido a la arcilla, se utiliza en grandes cantidades para el recubrimiento de hornos o altos hornos.


Seleccin de Refractarios

Refractarios cidos > uso en presencia de escorias cidas > precio bajo ($ 1)

Refractarios bsicos > uso en presencia de escorias bsicas > precio medio ($ 4)

Refractarios neutros > uso en presencia de escorias cidas y bsicas > precio muy alto ($ 10)


La CalPiedra caliza (CaCO3) - Contiene cantidades variables de (MgCO3) hasta un 30% aproximadamente, es la materia prima para la produccin de cal. Con frecuencia se encuentran el SiO2, la Al2O3 y FeO, en pequeas cantidades.El Carbonato de magnesio, es beneficioso porque hace descender las temperaturas de calcificacin. El dixido de silicio es una impureza perjudicial, ya que reacciona con la cal (CaO), para formar silicatos.

Mtodo de Fabricacin:Calcinacin: luego de machacar piedra caliza hasta obtener un tamao uniforme, se calienta en hornos a temperaturas aproximadas a los 1100C (Cocido), Se obtiene Cal viva + MagnesiaApagamiento: La cal viva se hidrata, mezclndola en cantidades apropiadas de agua.Endurecimiento: Se realiza mediante la reaccin de partculas de cal apagada (Ca(OH)2) con el CO2 del aire.Usos:

Se consume en forma apagada como ingrediente de mortero o yeso. El mortero mas importante es el cal-cemento (1p de cemento, 2p de cal y 6p de arena + agua para darle la plasticidad requerida)


Yeso

Materia prima: yeso ptreo, CaSO4 . 2H2O. Contiene impurezas ( SiO2, Al2O3 y CaCO3).Mtodo de Fabricacin:Calcinacin: se aplasta (triturado) y se calienta.Endurecimiento: El sulfato de calcio (CaSO4) es peculiar, porque su hidrato

es menos soluble en agua que su semihidrato.Si se mezcla el semihidrato con agua, reacciona lentamente, para producir la

precipitacin de agujas de dihidrato.La formacin de una capa entrelazada de cristales de dihidrato es la que

produce el endurecimiento del yeso . La elevacin de la temperatura de la masa plstica hace que sea fijada con

mayor rapidez, sin embargo generalmente no se desea acelerar el endurecimiento sino retrasarlo, para lo cual se agregan engrudosanimales o retardadores. El endurecimiento va acompaado de expansin y produccin de calor.

Usos:Yeso de acabados, placas, enyesados, cartones de yeso, Moldes para metales,

Empleos odontolgicos, etc.


Cemento Portland

Elaboracin Las materias primas: Caliza (CaCO3), Slice (SiO2), Almina (Al2O3) y

Oxido de Hierro (Fe2O3) son molidas y mezcladas en proporciones adecuadas, posteriormente se mantienen en un horno a 1400-1650C, convirtindose en cemento endurecido (Clinker)

Se enfra y pulveriza y finalmente se le agrega una pequea cantidad de yeso Pars para controlar el tiempo de preparacin del Hormign.

Componentes El Cemento Portland consta de cuatro componentes prioritarios: Silicato Triclcico C3S 55% Silicato Diclcico C2S 20% Aluminato Triclcico C3A 12% Aluminoferrita de Tetracalcio C4AF 9%


Cemento Portland


Hormign (Concreto de Portland)Compuesto de naturaleza cermica formado por un material tosco (agregado) encajado en una matriz dura de una pasta de cemento (aglutinante)( cemento portland )y agua.Es econmico, tiene dureza, resiste al fuego, presenta la posibilidad de ser fabricado en el sitio. Desventajas: escasa resistencia a la traccin, baja ductilidad y algo de contraccin.

Composicin:Cemento Portland 7-15%Agua 14-21%Aire 0,5-8%Agregado Fino 24-30%Agregado Grueso 31-51%

Cuando se usa en estructuras que pueden someterse a traccin se usan barras deacero en cantidad suficiente para resistirlos esfuerzos (HORMIGON ARMADO)

Recien preparado consistencia fludaFraguado; Proceso qumico hasta alcanzar la consistencia ptrea (Fuertemente exotrmico)


Fibrocemento Cemento + 15% de asbesto. Ventajas: ser estanco (asla), ignfugo (no inflamable), es

perforable. Usos: Techos para lugares expuestos a agentes qumicos y

corrosivos, en frenos (debido a que posee un buen coeficiente defriccin) y embrague de los autos (para evitar que patine).

Lana Mineral Se obtiene de la escoria del alto horno (Silicato y Aluminato) y

posee muy buenas propiedades aislantes. Aislaciones de caeras y equipos que trabajan a altas temperaturas.


Aislacin del Taxi Espacial

Cerca del 70% de la superficie externa es protegida porunas 24000 bloques ceramicos.

Material: Silica fiber compound. Densidad 4kg/ft3 y soporta temperaturas de hasta 12600C.

Courtesy of NASA

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