Clase 12 ceramicos y vidrios miercoles (1)

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Ing. Pablo Huaraca Rojas * CERAMICA Y VIDRIOS

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* PROPOSITO DE CLASE

IDENTIFICAR, ANALIZAR Y EVALUAR LOS MATERIALES DE CERAMICOS Y VIDRIOS,

PARA SELECCIONAR ADECUADAMENTE LOS

MATERIALES DE INGENIERÍA.

* RESUMEN DE CLASE

1. CERAMICA2. ESTRUCTURA CRISTALINA DE CERÁMICA.3. PROPIEDADES DE CERÁMICA4. CLASIFICACIÓN DE CERÁMICA POR SU APLICACIÓN5. ARCILLA.5.1. ESTRUCTURAS DE ARCILLA.5.2. PORCELANAS6. REFRACTARIOS7. ABRASIVOS8. CEMENTO9. CERÁMICA AVANZADA10. VIDRIO10.1. FABRICACIÓN DE VIDRIO.10.2. MATERIAS PRIMAS PARA EL VIDRIO10.3. TIPOS DE VIDRIO.

* CERAMICA

Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas que contienen elementos metálicos y no metálicos.El termino cerámica proviene de la palabra griega keramicos que significa cosa quemado.Las propiedades deseables de estos materiales se obtienen después de un tratamiento térmico a alta temperatura denominado de cocción.

*CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS POR SU APLICACION

ESTRUCTURA CRISTALINA COMPLEJA DE CERAMICA

ESTRUCTURA CRISTALINA MAS COMUNES DE LOS MATERIALES CERAMICOS

REPRESENTACION ESQUEMATICA DE LAS POSICIONES DE IONES EN UN VIDRIO DE

SILICATO CON SOSA

PROPIEDADES MECANICAS DE CERAMICA

Las propiedades mecánicas de los cerámicos son inferiores a los metálicos, La principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil, con poca absorción de energía.FRACTURA FRAGIL EN CERAMICOSA temperaturas ambientes tanto la cerámica cristalina y cerámica no cristalina se rompen antes de cualquier deformación plástica en respuesta a una fuerza de tracción.

COMPORTAMIENTO TENSION - FLEXION DE CERAMICA

La tensión máxima o tensión de fractura en el ensayo de flexión se denomina módulo de rotura o resistencia a la flexión

COMPORTAMIENTO TENSION - FLEXION DE CERAMICA

MODULOS DE ROTURA (RESISTENCIA A LA FLKEXION) Y MODULOS DE ELASTICIDAD

DE CERAMICOS

DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACION DE CERAMICOS

INFLUENCIA DE LA POROSIDAD EN EL MODULO DE ELASTICIDAD

DUREZA DE MATERIALES CERAMICOS

*PROPIEDADES & CARACTERÍSTICAS

*Son materiales inorgánicos de carácter no metálico

*Estructura: Poli cristalinas y/o amorfa

*Tipo de unión química: iónico y/o covalente

*Punto de fusión: alto Tf

*Rigidez, resistencia estructural

*Son duros y frágiles (baja tenacidad y ductilidad)

*Buenos aislantes eléctricos y térmicos

Los materiales cerámicos …

*¿EN QUÉ DESTACAN LOS MATERIALES CERÁMICOS?

*Buena resistencia a la corrosión, al desgaste al deterioro y a la degradación. Uso para recubrir bordes entrantes de maquinaria agrícola.

*Son inertes y biocompatibles

*Debido a su alto Tf, son útiles en motores, turbinas.

Historia

Usualmente se encuentran objetos de arcilla cocida en las ruinas de toda civilización antigua, y puede afirmarse con seguridad que el uso de la arcilla data de una época anterior a la historia registrada. La abundancia de la arcilla y la simpleza de su manufactura explican probablemente la aparición de los materiales de arcilla cocida para construcción en un periodo tan antiguo.

ARCILLA

PRODUCTOS DE ARCILLA.Material cerámico crudo más ampliamente usado. Se encuentra en forma natural en gran abundancia, con frecuencia se utiliza tal como se ha extraído. Es fácilmente trabajable, cuando se mezcla agua y arcilla en las proporciones adecuadas, obteniéndose una masa plástica que es muy fácil darle diversas formas. La pieza conformada se seca para eliminar parte de la humedad después de lo cual se cuece a una temperatura elevada para mejorar sus resistencia mecánica.

Los productos de arcilla se pueden clasificar en dos grandes grupos: Elementos estructurales de arcilla y porcelanas.

ESTRUCTURAS DE ARCILLA.

LADRILLOS Y TEJAS.

TIPO DE PASTA: SENCILLO, CONSTITUIDO POR UNA O VARIAS ARCILLAS CALCÁREO-FERRUGINOSAS.

CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO: MÁS O MENOS POROSO, CON COLOR VARIABLE, DESDE EL AMARILLO HASTA EL ROJO INTENSO.

TIPOS DE PRODUCTO: LADRILLO MACIZO O HUECO, TEJAS, BOVEDILLAS, CELOSÍAS, ETC.

PORCELANA DE ARCILLA.La porcelana es un material cerámico producido de forma artesanal o industrial y tradicionalmente blanco, compacto, duro, translúcido, impermeable, resonante, de baja elasticidad y altamente resistente al ataque químico y al choque térmico, utilizado para fabricar los diversos componentes de las vajillas y para jarrones, lámparas, esculturas y elementos ornamentales y decorativos. Desarrollado por los chinos en el siglo VII u VIII e históricamente muy apreciado en Occidente, pasó largo tiempo antes de que su modo de elaboración fuera reinventado en Europa.

*ABRASIVOS

*La palabra abrasión significa el desgaste por fricción de una superficie contra otra, la abrasión en la odontología es útil para alisar una superficie áspera, como para preparación para el pulido.

*La cerámicas abrasivas se usan para desgastar, desbastar o cortar otros materiales más suaves.

*Dan buenos resultados como abrasivos; Ejemplos: el carburo de silicio y el carburo de boro; ambos se obtienen al calentar silicio y boro a grandes temperaturas para efectuar su unión con el carbono. El silicio se sintetiza y aglomera con una sustancia aglutinante y se forman ruedas o discos abrasivos, que en su mayoría se usan para cortar la estructura dentaria.

CARBUROS

*ESMERIL

*Se compone básicamente de un óxido natural de aluminio denominado corindón. Contiene varias impurezas, como el óxido de hierro, que tambien actúa como abrasivo.

*DIAMANTE

*Es el abrasivo más duro y eficaz del esmalte dentario, compuesto de fragmentos de diamante. Estos se impregnan en un aglutinante o en una sustancia cementante sobre un soporte metálico formando piedras de diamante y discos.

*REFRACTARIO BÁSICO

*Los refractarios básicos ricos en periclasa (MgO) , pueden contener calcio, cromo y hierro. Resistentes al ataque por escorias que contienen altas concentraciones de MgO y CaO.

*Se usa en alto horno para la producción de acero.

*CEMENTO*El cemento es un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. El cemento es un material inorgánico finamente pulverizado, que al agregarle agua, ya sea sólo o mezclado con arena, grava u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad.

*HISTORIA DEL CEMENTO

*Prehistoria: Se utilizaron bloques de piedra de gran tamaño y cuya estabilidad dependía de su colocación. *Egipto: Se utilizan ladrillos adobe colocados en forma

regular pegándolos con una capa de arcilla del Nilo.*Grecia y Roma: Se utiliza cal mezclada con arena

para hacer mortero en la isla de creta. Los romanos adaptaron y mejoraron esta técnica para lograr construcciones de gran durabilidad como son el Coliseo Romano y Panteón Roma

Los Griegos fueron los primeros en percatarse de las propiedades cementantes de los depósitos volcánicos al ser mezclados con cal y arena

*HISTORIA DEL CEMENTO*1756: John Smeaton, un ingeniero inglés, encuentra las

proporciones para el cemento.Aparecen los primeros concretos.*1800 - 1850:

Este periodo fue caracterizado por la aplicación de tres materiales: el acero, el cristal y el concreto que permitirían la industrialización de la producción, la prefabricación, el rápido montaje y la pronta recuperación de capital.

* 1873: Se construye el primer puente haciendo uso de concreto.* 1876: El Ing. Mazas aplica por primera vez el cálculo de los

elementos de concreto, fundamentando las bases de las resistencias de materiales.

* 1877: Se funda la primera asociación para fijar especificaciones del Cemento Portland, en Alemania para controlar la calidad del producto.

* 1900: Las pruebas básicas del cemento son estandarizadas.* 1903:Se comienzan a introducir las innovaciones del concreto armado

a la arquitectura e ingeniería

*EL PROCESO DE FABRICACION DEL CEMENTO COMPRENDE CUATRO ETAPAS PRINCIPALES

*Extracción y molienda de la materia prima

*Homogeneización de la materia prima

*Producción del CLINKER

*Molienda de cemento

*COMPOSICION QUIMICA DEL CEMENTO*Los cementos Portland típicos consisten en mezclas de

silicato tricálcico (3CaO·SiO2), aluminato tricálcico (3CaO·Al2O3) y silicato dicálcico (2CaO·SiO2) en diversas proporciones, junto con pequeñas cantidades de compuestos de hierro y magnesio. Para retardar el proceso de endurecimiento se suele añadir yeso.*Los compuestos activos del cemento son inestables, y en

presencia de agua reorganizan su estructura. El endurecimiento inicial del cemento se produce por la hidratación del silicato tricálcico, el cual forma una sílice (dióxido de silicio) hidratada gelatinosa e hidróxido de calcio. Estas sustancias cristalizan, uniendo las partículas de arena o piedras —siempre presentes en las mezclas de argamasa de cemento— para crear una masa dura.

La sílice puede existir como sólido amorfo o vidrioLos vidrios inorgánicos más comunes (recipientes, ventanas) llevan óxidos (B2O3, CaO, Na2O) que saturan valencias favoreciendo el estado amorfo

*CERÁMICAS AMORFAS-VIDRIOS

* ¿Son vidrio y cristal lo mismo?

VIDRIO CRISTAL

*Estructura amorfa *Estructura regular

*¿Qué es el Vidrio?

oEl Vidrio es una sustancia amorfa.oSe halla en un estado vítreo. oDuro, frágil y transparente oPunto de fusión 1.500 ºC de

temperaturas con boratos o fosfatos.oLo componen 3 sustancias comunes

como lo son : arena de sílice (SiO2), carbonato sódico (Na2CO3) y caliza (CaCO3), con boratos o fosfatos.

oSe encuentra en la naturaleza, por ejemplo como obsidiana o tectitas.

oEs un material apto para ser reciclado.

oTransparencia óptica

Sílice cristalino y amorfo

*Fabricación del Vidrio

La fabricación del vidrio, para cualquier tipo de vidrio, es siempre la misma en lo único que difiere es la calidad del material usado para la fabricación de este, las etapas del proceso son:

oPreparación de las materias primas.

oFusión.

oFormado del Vidrio

oRecocido

oAcabado

* Esquema industrial general del proceso de fabricado del

vidrio.

* Materias primas para la fabricación del vidrio

* ARCILLAS: Ejm. Al2O3.2 SiO2.2H2O

* CARBONATO SÓDICO: Na2CO3 * PIEDRA CALIZA: CaO

* ÓXIDO DE BORO: B2O3

* ÓXIDO PLOMOSO: PbO* COLORANTES, etc.

Estructura del silicoaluminato en una arcilla

BOROSILCATO CALIZO SEGURIDAD

FIBRA DE VIDRIO PIREX

TIPOS DE VIDRIOS

TIPOS DE VIDRIOS

CARACTERÍSTICAS

MECÁNICAS

Resistencia a la compresión

Resistencia a la tracción

Resistencia a la flexión

Tensiones de trabajo admisibles

Dilatación Lineal

Emisividad

Coeficientes de intercambio superficial

Coeficiente U

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

Transmisión Absorción Reflexión Factor solar

CARACTERÍSTICAS ÓPTICAS

PRINCIPALES CARACTERISTICAS

TIPOS DE VIDRIOS

POR SU COMPOSICIÓN:

SÓDICO CÁLCICO:o SILICE: Vitrificante.o SODIO: Fundenteo CALCIO: Estabilizador.o Mas barato de obtener.o Se funde con facilidad.

DE PLOMO:o PLOMO: Mantiene

transparencia pero aumenta densidad.

o Funde a bajas temperaturas.

o Propiedad aislante.

o Ácido clorhídrico ataca con facilidad.

DE BOROSILICATO:o Silice y boroo B2O3 : Vitrificante.o Productos de laboratorio y

cocina.

DE SILICE:

o Silice, Oxido de Boro.o Es el más duro y más

costoso de trabajar.o Soporta altas

temperaturas.

POR SU FABRICACIÓN: VIDRIOS TRATADOS TÉRMICAMENTE

o VIDRIO RECOCIDO:

Enfriamiento que evita tensiones residuales, se puede modificar después del proceso; se puede cortar taladrear, etc.

o VIDRIO TERMOENDURECIDO: Calentamiento y enfriamiento. Mayor resistencia física. Se rompe en trozos mucho más grandes. No se corta ni taladra después del proceso.

o TEMPLADO: A T = cte, cerca al punto de reblandecimiento. Resistente, y se rompe en pedazos no cortantes. No se puede hacer modificaciones después del proceso. Fabricación química y térmica.

TIPOS DE VIDRIOS

VIDRIOS LAMINADOS:

o Dos láminas de vidrio float y unidas por capa de polivinil de butiral (PVB).

o Vidrio de seguridad o antirrobo, aislante acústico.

o Filtra 99% de radiación ultravioleta.

VIDRIO ARMADO:

o Malla metálica en el interior.o Vidrio de seguridad, estética,

decoración

TIPOS DE VIDRIOS

SERIGRAFIADO:

o Capa de esmalte en una de sus caras con algún diseño.

o Durable y estable.

MATEADO:

o Capa superficial con textura rugosa.o Evita visión clara.o Estética y de privacidad.

TIPOS DE VIDRIOS

*VITROCERAMICALa mayoría de los vidrios inorgánicos pueden transformarse

desde un estado no cristalino a un estado cristalino mediante un tratamiento térmico a temperatura elevada apropiado. Este proceso se denomina cristalización o desvitrificación y el producto resultante es un material policristalino de grano fino denominado vitroceramica

PROPIEDADES:• Resistencia mecánica

relativamente alta• Coeficiente de dilatación térmico

bajo• Tolerancias de temperatura

relativamente altas• Buena compatibilidad biológica. • Pueden ser transparentes u

opacas.• Puede usarse en cubierta de

hornos, para mesa, aislante eléctrico, etc.

Composición y características de algunos vidrios comerciales

Composición (% en peso)

Tipo de vidrio SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 Otros Características y aplicaciones

Silice fundida>

99,5           Alta T de fusión, bajo coeficiente de dilatación

96 % sílice 96       4  Resistente al choque térmico y al ataque químico (laboratorio)

Boro silicato 81 3.5   2.5 13  Resistente al choque térmico y al ataque químico (horno) (PIREX)

Recipientes (sosa +cal) 74 16 5 1   4MgO Baja temperatura de fusión

Fibra de vidrio 55   16 15 10 4MgOFácilmente estirada en fibras-parachoques de automóviles

Vidrio optico, silex 54 1      

37 PbO, 8K2O

Alta densidad y alto índice de refracción-lentes ópticos

Vitroceramica 43.5 14   30 5.56.5 TiO2; 0.5 As2O3

Fácil fabricación; resistente, resistente al choque térmico-piezas para horno

*CERAMICAS AVANZADAS

*Las cerámicas avanzadas se utilizan en los sistemas de comunicación de fibra óptica, en los sistemas micro electromecánicos, como cojinetes por ejemplo

*El Carburo De Silicio(SiC)

*tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos a temperaturas extremas.

*La Urania(UO2):

*Utilizado como combustible de reactores nucleares.

*Nitruro de silicio(Si3N4):

*Utilizado como material para bolas de rodamientos.

*Fibra óptica:

*La fibra óptica se hace de sílice de una pureza extrema.