INTRODUCCIÓN CERÁMICOS

7/26/2019 INTRODUCCIN CERMICOS

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CAPTULO I

INTRODUCCIN A LOS

MATERIALES CERMICOS

PROFESORA:

ELCY MARA CRDOBA TUTA

ASIGNATURA:

MATERIALES REFRACTARIOS

ESCUELA DE INGENIERA METALRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES


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Antigua

Trmino griego KERAMOS (Material quemado) Artculo slido formado por la accin del calor

sobre materias primas terrosas.

Moderna(incompleta)

Artculo slido compuesto en su mayor parte porsustancias inorgnicas no metlicas yendurecido por accin del calor.

Actualmenteaceptada

Slido inorgnico no metlico (Kingery, 1976).

1. DEFINICIN DE MATERIAL CERMICO

Slido inorgnico no metlico (Kingery, 1976).

Artculo slido compuesto en su mayor parte porsustancias inorgnicas no metlicas yendurecido por accin del calor.

Trmino griego KERAMOS (Material quemado) Artculo slido formado por la accin del calor

sobre materias primas terrosas.

El grafito y el diamante son cermicos?


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Compuesto orgnico:

Es aquel que tiene como componente principal alcarbono, en combinacin con otros elementoscomo oxgeno, nitrgenoe hidrgeno.

Grafito y diamante: Compuestos slo decarbono (no son orgnicos). Son materialescermicos.


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El trabajo de la arcilla fue una tcnica comn atodas las culturas primitivas.

La cermica fue uno de losprimeros materiales fabricadospor el hombre luego del

descubrimiento del fuego.

2. HISTORIA DE LA CERMICA


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Cermicas ms antiguas (hace diez mil aos):

recipientes encontrados en Siria, Mesopotamiainferior, noreste de Nigeria. Cocidos a fuegodirecto.

Tablillas de barro de los sumerios (5000 A.C.)para transmitir mensajes.


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Primeros hornos:Mesopotamia (ao 4500 A.C.).

Figuras con sentido religioso y urnas fnebres,fabricadas a mano.

Adobe:Mezcla debarro y paja. Secado

al sol. Sin coccin.


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Ladrillos de barro (4000A.C.), slo paraconstruccin de murallas,templos y palacios.

Tejas(800 A.C.) enGrecia

Torno alfarero (2500A.C.) en Egipto
http://ceramica.wikia.com/wiki/Archivo:C+B-Pottery-Fig7-EgyptianHandTurnedPottersWheel.PNG


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Caoln: En el ao 2000 A.C. los chinos

descubrieron la arcilla de mayor calidad, en unacolina denominada Kao-Ling.

Al mezclarlo con feldespato y agua y cocerlo a altatemperatura (1200-1300C), obtuvieron un material

blanco y muy vitrificado PORCELANA.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Kaolin.jpg


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Culturas precolombinas: No tuvieron grandesarrollo en la alfarera, no se desarrollaron

hornos de gran temperatura (slo 500-600C).

En Amrica los materiales vidriados

se conocieron con la llegada de losconquistadores.

En Egipto desde el 1450 A.C. ya

exista toda una industria del vidrio.


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Cermicos modernos
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Hueftgelenk-Endoprothese.jpghttp://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://96.31.77.225/~globalyp/services_products/1171_500.jpg&imgrefurl=http://www.amarillaslatinas.net/productos_servicios/corporacion_industrial_ceramica_electrica_sac/imagen_1171.htm&usg=__ZPqS0VD_o_Kg2zdPbV42GuQrWTA=&h=375&w=500&sz=43&hl=es&start=24&zoom=1&tbnid=lUpAb9pUl-qZmM:&tbnh=98&tbnw=130&ei=t2QLTtLLJNKjtgec8exe&prev=/images?q=ceramicos+industriales&start=20&hl=es&sa=N&tbm=isch&itbs=1http://www.dentalvallarino.com/img/fija2combi.jpghttp://spanish.alibaba.com/product-free-img/ceramic-table-lamp-base-holder-427749298.html


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3. CLASIFICACIN DE LOSCERMICOS

Formasde

clasifica-cin

Rpida

Composi-cin

EstructuraProductos

Funcin


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TRADICIONALES

A base de silicatos yaluminosilicatos (Ej.arcillas).

Baratos (materia primaabundante en la

corteza terrestre). Tejas, ladrillos, etc.

AVANZADOS

A partir de laconcentracin ypurificacin deminerales pocoabundantes.

Materiales sintticos. Costosos ZrO2, SiC, BaTiO3, etc.

DIVISIN RPIDA


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ELEMENTO % PESO

O 46.60

Si 27.72

Al 8.13

Fe 5.00Ca 3.63

Na 2.83

K 2.59

Mg 2.09Ti 0.44

H 0.14

Restoelementos

0.83

> 80%

COMPOSICIN DE LA CORTEZA

TERRESTRE

La corteza terrestre es el mayor

material cermico en la naturaleza


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COMPOSICIN (XIDOS Y NO XIDOS)

Componentesprincipales

Tipos Ejemplos

xidos

SilicatosPuros: SiO

2(cristalina, vtrea)

Parcialmente sustituidos:Aluminosilicatos (SiO2+ Al2O3+ otros)

No silicatos

Puros: Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO,BeO, Cr2O3, UO2, GeO2, WO3, etc.Parcialmente sustituidos:

ferritas (NiFe2O4)Sales: yeso (CaSO4)


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No xidos

Mono-elementales

Grafito (C)Azufre (S)

Binarios

Carburos (SiC, B4C3, WC, etc.)Boruros (ZrB2, etc.)Nitruros (BN, Si3N4)Fosfuros (AlP)Silicluros (MoSi2)Calcogenuros (S + otro elemento)Halogenuros (F, Cl, Br, I + otro elemento)Arseniuros (GaAs)

Ternarios, etc.Los anteriores parcialmente sustituidosMezclas de xidos y no xidos (SIALON:Si3N4+Al2O3)


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ESTRUCTURA

Teniendo en cuenta el ordenamiento de largoalcance de los tomos:

1.Monocristalinos: naturales (cuarzo, rub,diamante), sintticos (diamante)

2.Policristalinos: obtenidos por sinterizacin(inmensa mayora de cermicos cristalinos)

3.No cristalinos: estructura amorfa (vidrios)

Diamante (C puro) Cuarzo (SiO2) Escapolita (silicato de Al)


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Modelo atmico en unmaterial ordenado

(cristalino)

Modelo atmico en unmaterial amorfo

(vidrio)


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Almina (Al2O3) Vidrio (con inmiscibilidadlquida)

IMGENES DE MISCROSCOPIAELECTRNICA DE BARRIDO


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VITROCERMICA

-Se agrega un agente nucleante (TiO2, ZrO2, P2O5, etc.).-Se induce la cristalizacin parcial del vidrio (grano pequeo: 0.1 a 1 m).

- Buena resistencia al choque trmico.

-Mayor resistencia mecnica que los vidrios normales.

-Los granos finos aportan resistencia al impacto.

-Transparencia a la luz.


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MICROESTRUCTURA DE UN

VITROCERMICO


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PRODUCTOS

DENOMINACIN DEFINICIN GENERAL Y EJEMPLOS

Cermica roja Productos de arcilla cocida, generalmente porosos: ladrillos,tejas, objetos artsticos, etc.

Cermica blanca Productos de caoln-feldespato-cuarzo, pueden ser porososo no: lozas, porcelana para vajillas, sanitarios, etc.

Refractarios Productos resistentes a altas temperaturas: Slico-aluminosos, de alta almina, bsicos, etc.

Vidrios Productos no cristalinos, generalmente transparentes:vidrios planos, envases, fibras, etc.

Cementos Productos que presentan caractersticas aglomerantes yadhesivas al ser mezclados con agua. Cemento Prtland,yeso, cal, etc.

Abrasivos Productos de alta dureza usados para cortar y pulir: carburode silicio, diamante, carburos metlicos, etc.

Cermicosespeciales

Los productos no comprendidos en los grupos anteriores


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FUNCIN

FUNCIN EJEMPLOS Y USOS

Elctrica yelectrnica

Aislantes: Porcelanas, Al2O3, etc. aisladoresFerroelctricos y piezoelctricos: BaTiO3, etc. capacitores, osciladores, transductores, etc.

Semiconductores: xidos de metales de transicin termistores, varistoresSuperconductores: Tl2Ba2Ca2Cu3OxConductores inicos: -Al2O3, ZrO2, etc. electrolitosslidos, sensores.

Magntica

Ferritas: memorias, sensoresptica Lentes, filtros pticos, etc.: vidrios

Qumica Sensores de gases: ZrO2, SnO2Soportes de catalizadores: Al2O3, vidrios, etc.Electrodos: grafito, etc.


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Trmica Refractarios: slico aluminosos, bsicos, etc.

Mecnica Materiales de construccin: cermica roja (ladrillos, etc)Abrasivos: Al2O3, diamante, TiC, SiC, etc.

Nuclear Combustibles nucleares: UO2, PuO2Proteccin: vidrios con PbO

Biolgica Prtesis seas y dentales: Al2O3, etcRecubrimientos: hidroxiapatitaHuesos artificiales: biovidrios


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MICROESTRUCTURA TPICA DELOS MATERIALES CERMICOS

En gran medida, lamicroestructuradefine laspropiedades delcermico


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Ejemplo distribucin de fases:

OBTENCIN DE UNA PORCELANA

MATERIAS PRIMAS

45% caolinita (Al2O32SiO22H2O)

25% cuarzo (SiO2)

25% feldespato (K2OAl2O36SiO2)5% comp. Minoritarios (Fe2O3, TiO2, etc.)
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20%20%20%20%20%20%20%20-%20porcelana.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20%20%20%20%20%20%20%20-%20porcelana.avi


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Principales transformacionesdurante la coccin de la porcelana

Caolinita:

3(Al2O32SiO22H2O) 3Al2O32SiO2+ 4SiO2+ 6H2O

Caolinita mullita cristobalitaCuarzo:

SiO2 SiO2cuarzo cristobalita

(hexag., 2,65 g/cm3) (tetrag., 2,33 g/cm3)

Feldespato:

feldespato vdrio (silicato K)


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45% caolinita

(Al2O32SiO22H2O)25% cuarzo (SiO2)

25% feldespato

(K2OAl2O36SiO2)

5% comp. minoritarios(Fe2O3, TiO2, etc.)

40% mullita

(3Al2O32SiO2)

15% cristobalita (SiO2)

15% cuarzo (SiO2)

30% fase vtrea

(todos los elementos)

1000 a

1500C


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Micrografas de unaporcelana sinterizada

a 1475C


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ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOSMATERIALES CERMICOS

Casi el 90%de los elementos metlicos

cristalizan en los sistemas cbico y hexagonal.

El sistema cristalino de la mayora de cermicoses diferente al cbico y al hexagonal.

Las propiedadesde los cermicos dependen engran medida de su arreglo atmico.


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Debido a sus enlaces inicos y covalentes, los

cermicos por lo general son:Duros, frgiles, con alto punto de fusin, bajaconductividad elctrica y trmica, establesqumica y trmicamente y tienen elevadaresistencia a la compresin.

Ejemplos de excepciones:

- El SiC y AlN tienen conductividades trmicasparecidas a la de los metales.- El FeO, ZnO, TiO2son semiconductores- El YBa2Cu3O7-xes superconductor


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FACTORES DE LOS QUE DEPENDE

LA ESTRUCTURA DE LOS CERMICOS

1.Estequiometra del cristal

2.Tamao de los tomos presentes

3.Grado de direccionalidad de los enlaces


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1) ESTEQUIOMETRA DEL CRISTAL

Balance de cargas para mantener la neutralidadelctrica global.

Ncargas positivas = Ncargas negativas

Dependiendo de su estequiometra el cermicotiene tendencia a algunas estructuras en particular.

AX

MgO

Mg

O

AX2

ZrO2

Zr

O

ABX3

CaTiO3

Ca

O

Ti
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.png


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2) TAMAO DE LOS TOMOSPRESENTES (Relacin entre radios)

Los tomos se arreglan de tal forma que alcancenel estado de menor energa posible.

Se maximizan las fuerzas de atraccin entretomos y se minimizan las de repulsin.

Cada catin se rodea del mayor nmero posible de

aniones.

Crticamente

estable

Inestable

(Vibracin del catin)

Estable

La estabilidad delsistema aumenta con larelacin de radios entreel catin y el anin:

rc/ra


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Nmero decoordinacin Arreglo de ionesalrededor del ioncentral

Rango de rc/ra Estructura

3

4

6

8

12

Esquinas de untringulo

Esquinas de untetraedro

Esquinas de unoctaedro

Esquinas de uncubo

Esquinas decuboctaedro

0.155 -0.225

0.2250.414

0.4140.732

0.732-1.000

1.000

RELACIONES CRTICAS DE RADIOS PARAVARIOS NMEROS DE COORDINACIN

La estructura ms estable es aquella con el mximo nmero de coordinacinpermitido por la relacin de radios


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Cules son las estructuras esperadaspara el CsCl y el MgO?

Para el CsCl:

rCs+/rCl-= 0.170 nm/0.181 nm = 0.94

Nmero de coordinacin = 8Estructura cbica

Para el MgO:

rMg2+/rO2-= 0.065 nm/0.144 nm = 0.45Nmero de coordinacin = 6

Estructura octadrica


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3) GRADO DE DIRECCIONALIDADDE LOS ENLACES (Carcter covalente)

Muchos compuestos con rc/ra 0.414

cristalizan con arreglos tetradricos y nooctadricos (como habra de esperarse).

Esto sucede cuando aumenta el carctercovalente del enlace.


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ENLACES EN LOS CERMICOS

INICO COVALENTEMEZCLA

Enlace inico Enlace covalente

Electronegatividades muydiferentes Electronegatividades similares

Un tomo donor y otro aceptorde electrones

Los tomos comparten electrones

Estructuras compactas Estructuras no compactasEnlace no direccional Enlace direccional

La resistencia del enlaceaumenta con la carga

Compuestos con resistencias ytemperaturas de fusin altas

MgO, Al2O3, ZrO2 Nitruros, carburos, etc.

Electronegatividad: Capacidad de un tomo para atraer

hacia l los electrones compartidos en el enlace con otrotomo.


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Entre ms diferentes sean las electronegatividades de lostomos, mayor es el carcter inico del enlace.

Pauling:

XAy XBson las electronegatividades del catin y del aninElectronegatividad: Capacidad de un tomo para atraerhacia l los electrones compartidos en el enlace con otrotomo.


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Estructura esperada:rZn2+/rS2-= 0.083 nm/0.184 nm = 0.45

Nmero de coordinacin = 6

Arreglo: OctadricoCarcter inico/covalente para el ZnS:

Diferencia electronegatividades:

|XZn2+- XS2-| = 0.93% Carcter inico = 19.4% Carcter covalente: 80.6

Arreglo: Tetradrico

ESTRUCTURA DEL ZnS


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Cationes con alto poder polarizante (Cu2+,Al3+, Zn2+, Hg2+) enlazados a aniones queson fcilmente polarizables (I-, S2-, Se2-).

Catin

polarizante

Anin

polarizable

Nube de electronesdistorsionada

La distorsin esequivalentea que un parde electrones se

movieran hacia la reginentre los dos ncleos yformaran un enlacecovalente.

Distorsin de la nube de electrones de un anin


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Los tomos que favorecen la hibridacin sp3(Si, C, Ge) tienden a estabilizar la coordinacin tetradrica.

Configuracin electrnicadel tomo de carbono 1s

22s22p2

1s 2s Dos orbitales 2psemillenos

(dos electrones desapareados)

1s Cuatro orbitales equivalentesy semillenos sp3

Los cuatro orbitales hbridossp3estn dirigidossimtricamente hacia losvrtices de un tetraedro

Los cuatro orbitaleshbridos sp3formancuatro enlacescovalentes

* Al excitar energticamente, se puede promover un electrn del orbital 2s al 2p,formndose cuatro orbitales hbridos sp3.
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Sp3-Orbital.svg


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EJEMPLOS DE ESTRUCTURASTPICAS EN LOS CERMICOS

La mayora de estructuras cristalinas consistende arreglos compactos de los aniones con uno omas tipos de cationes posicionados en los

huecos tetradricos u octadricos. Aqupredomina el enlace inico.

H. octadricos H. tetradricos


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Otras estructuras consisten en tetraedros y/o

octaedros aislados que se unen entre scompartiendo vrtices o caras. Poseen altogrado de enlace covalente direccional.

(Pirosilicato)


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ESTRUCTURAS CERMICAS CONUN SOLO ELEMENTO

No son muy abundantes. La ms importante esla tipo Diamante.

Diamante (C)

Estructura derivada de la estructura FCC, rellenandola mitad de los huecos tetradricos con tomosiguales a los del empaquetamiento.

Otros elementos con esta estructura son: Si, Ge, Sn.

Compuesta detomos de C conhibridizacin sp3


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Grafito

Estructura en capas: tomos de C con arreglohexagonal. Cada tomo est unido por enlacescovalentes a tres tomos.

Las fuerzas de unin entre capas son muydbiles (tipo Van der Waals).

Es buen conductor elctrico(los e- se pueden moverentre planos).

Se usa como lubricanteseco (dbiles enlaces

interplanares).

e-


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ESTRUCTURAS CERMICAS BINARIAS

Cl-

Cs+

Cloruro de cesio (CsCl) Cbica simple: enlace inico entre el anin (Cl-)

y el catin (Cs+).

Ocurre cuando loscationes son muy grandescomo para ocupar loshuecos tetradricos uoctadricos.

rCs+/rCl-= 0.94


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Encontrada en haluros con propiedades pticas:

CsBr, CsI, TlCl, TlBr.


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Cloruro de sodio (NaCl)

Cbica centrada en las caras: enlace inicoentre el Cl-y el Na+.

Los cationes ocupan los sitios octadricos

intersticiales.Cl

Na

rNa+/rCl-= 0.64

Ncoord. = 6Arreglo octadrico


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Es tpica de sulfuros (PbS), carburos (TiC, NbC, TaC),

nitruros (ZrN) y algunos xidos (MgO, CaO, SrO, BaO,CdO, FeO y NiO).

Muchos de ellos no son estequiomtricos:TiO: Ti0.85O a TiO

FeO: Fe0.90O a Fe0.96O La presencia de tales vacanciashace que los metales

existan en dos estados de valencia y que tenganpropiedades semiconductoras.

Algunos nitruros y carburos (NbC, TaC, ZrN) sonsuperconductores a baja temperatura.

Los carburos (Ej. TiC) tienen alta dureza (2479 kg/mm2-Knoop), qumicamente inertes (resistente a la oxidacin

hasta 1200C) y tienen altos puntos de fusin (3147C).


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Blenda de zinc o esfalerita (ZnS)

Cbica centrada en las caras: Los cationesocupan la mitad de los sitios intersticialestetradricos.

Son generalmente semiconductores.

Ejemplos: Carborundo (-SiC), GaAs.

Prevalece el enlacecovalente (87% paraZnS)


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Wurtzita (ZnS) Estructura hexagonal compacta formada por

combinacin de aniones y cationes.

Coordinacintetradricas entreaniones y cationes


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Algunos compuestos (SiC, ZnS, AlN, GaN, BeO,

ZnO) sufren polimorfismo entre las estructurasde la esfalerita (bajas T) y la wurtzita (altas T).

El BeO y AlN han sido usados en la industriaelectrnica por su alta conductividad trmica(disipadores de calor). Los polvos son altamentetxicos.

El GaN (semiconductor) produce luz azul yverde (dispositivos lser, luces verdes de lossemforos, etc.)


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Fluorita (CaF2)

Los cationes forman una estructura cbicacentrada en las caras. Aniones localizados en las ochos posiciones

tetradricas dejando vaco el centro de la celda

unitaria.

rCa2+/rF-= 0.80

Ncoord. = 8Arreglo cbico


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Ejemplos: CaF2, BaF

2, UO

2, CeO

2, ZrO

2, ThO

2.

El UO2se usa como combustible de reactoresnucleares. Puede acumular productos de fisin

nuclear (como He) en el intersticio central sindeformar la red.

Los fluoruros con esta estructura tienen

aplicaciones pticas, ya que son de los pocosmateriales transparentes a las menoreslongitudes de onda del rango de luz UV (


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Corindn (-Al2O3)

Similar a una estructura hexagonal compacta.

Los aniones ocupan los sitios de la estructuraHCP, mientras que los cationes las dos terceraspartes de los sitios intersticiales.


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Ejemplos: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, Ti2O3, U2O3,

Ga2O3y Rh2O3.

Los principales usos de la almina son:refractarios, aislantes elctricos y abrasivos.


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ESTRUCTURAS CERMICAS TERNARIAS

Perovskita (CaTiO3)

Hay tres tipos de iones. El catin grande (Ca2+) secombina con el oxgeno para formar una estructura FCC,mientras que el catin pequeo y de mayor carga (Ti4+)ocupa los intersticios del octaedro.

Ti4+

O2-

Ca2+Octaedros

Tio6


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Ejemplos: CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, SrSnO3,

CaZrO3, SrZrO3, KNbO3, NaNbO3, LaAlO3, YAlO3yKMgF3.

Las caractersticas ms importantes de las

perovskitas son:- Ferroelectricidad(polarizacin elctrica

espontnea, sin aplicar campo elctrico)- Piezoelectricidad(convierten seal elctrica a

mecnica y viceversa)


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Espinela (MgAl2O4)

Compuesta por dos tipos de cationes: uno divalente(Mg2+) y otro trivalente (Al3+).

Al3+ Mg2+ O2-

Al4O4 MgO4

32 tomos de oxgeno16 tomos de aluminio8 tomos de magnesio
http://localhost/var/www/apps/conversion/Q.%20I.%20Estructural/tema6a/Link6espinela1.html


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TIPOS DE ESPINELAS

Normal (AB2O4) Inversa [B(AB)O4]

A2+en los sitios tetradricosB3+en los octadricos

A2+y de B3+en los octadricos de B3+en los tetradricos

ZnFe2O4, CdFe2O4,MgAl2O4, FeAl2O4, CoAl2O4,NiAl2O4, MnAl2O4, ZnAl2O4

Con propiedades magnticasFerritas: FeMgFeO4, FeTiFeO4,Fe3O4, ZnSnZnO4, FeNiFeO4

Principales aplicaciones: Refractarios,materiales magnticos.


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Silicatos cristalinos

El tetraedro SiO4

es la estructura bsica de lossilicatos.


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Los tetraedros de Slice, SiO44- se comportan

como grupos inicos, que se unen a otros ionesformando diversos arreglos


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Ortosilicatos (olivina)

Los tetraedros SiO44-son independientes unos aotros. Los iones oxgeno se combinan a cationescomo Mg2+ o Fe2+.(Mg2SiO4, Fe2SiO4, etc.)


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PirosilicatosCuando dos tetraedros comparten un vrtice

formando un tetraedro doble (Si2O76-). No soncomunes.

EpidotaCa2FeAl2(Si2O7)(SiO4)O(OH)


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MetasilicatosCuando los tetraedros comparten dos vrtices, formandouna variedad de estructuras de anillos y cadenas(contienen los iones (SiO3)n2n-).


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Estructuras laminaresLos tetraedros comparten tres vrtices formando

estructuras laminares (arcillas, mica, talco).

Estructura de la caolinita[Al2(OH)4(Si2O5)]

Estructura de la mica[KAl2(OH)2(AlSi3O10)]

El aluminio sustituye parte de los tomosde silicio, por lo que para compensar eldficit de carga +, retiene iones K+.

La arcilla absorbe las molculas polares de agua


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Estructuras tridimensionalesLos tetraedros comparten los cuatro vrtices entre

ellos. Ejemplos: cristobalita, feldespatos [Albita(NaAlSi3O8), Anortita (CaAl2Si2O8), Ortoclasa(KAlSi3O8), etc.]


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PROCESAMIENTO DE LOS

MATERIALES CERMICOS


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PROCESOS CERMICOS UNITARIOS

Obtencin de materias primas dealta calidad

PREPARACIN DELAS MATERIASPRIMAS

Mezcla de materias primas con unaglomerante (agua) y otros aditivos

OBTENCIN DELAS PASTASCERMICAS

Darle forma a las piezas cermicas(prensado, extrusin, colado, etc.)CONFORMADO

Eliminacin de agua libreSECADO

Darle resistencia y demspropiedades a los cermicosCOCCIN


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I. PREPARACIN DE LAS

MATERIAS PRIMAS


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TIPOS DEMATERIAS

PRIMAS

DE ORIGENMINERAL

PRODUCTOSQUMICOS

MATERIALESRECICLADOS

MATERIAS PRIMAS


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1.MATERIAS PRIMASMINERALES

ALUMINO-SILICATOS

CARBONATOS

XIDOSMETLICOS YOTRAS


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ALUMINO-SILICATOS

COMPOSICINDE LA CORTEZATERRESTRE

ELEMENTO % PESO

O 46.60

Si 27.72

Al 8.13

Fe 5.00Ca 3.63

Na 2.83

K 2.59

Mg 2.09Ti 0.44

H 0.14

Resto elementos 0.83

> 80%


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ARCILLAS

Son hidrosilicatos de aluminio (nAl2O3mSiO2xH2O)

Caolinita (2SiO2Al2O32H2O)Montmorillonita (6SiO23Al2O3Na2O2H2O)

Illita (14SiO25Al2O3K2O4H2O)

FELDESPATOS

(Alum.-silicatos

de Ca, Na y/o K.Ricos en SiO2)

Ortoclasa (6SiO2Al2O3K2O)

Anortoclasa [6SiO2Al2O3(K2O, Na2O)]

Albita (6SiO2Al2O3Na2O)Anortita (2SiO2Al2O3CaO)

OTROS SLICO-ALUMINATOS

Nefelina (8SiO24Al2O33Na2OK2O)

Sillimanita (SiO2Al2O3)

Espodumeno (4SiO2

Al2

O3

Li2

O)

SILICATOS

Cuarzo,Cristobalita, Tridimita (SiO2)

Wollastonita (SiO2CaO)

Forsterita (SiO22MgO)

Circn (SiO2ZrO2)

ALUMINO-SILICATOS


75/182

CARBONATOS

Calcita (CaCO3)Magnesita (MgCO3) P.F. MgO: 2800CDolomita (Ca, Mg)(CO3)2

OTRAS MATERIAS PRIMAS

Bauxita (Al2O3xH2O) AlminaFluorita (CaF2) fluidez a las escorias y vidrios

Cromita (FeOCr2O3) RefractariosRutilo (TiO2) Esmaltes (color blanco), nucleante (vitrocermicos)Grafito (C) Resiste temp. hasta de 3800C (atmsfera inerte)


76/182

2. PRODUCTOS QUMICOS

Obtenidos por procesos de sntesis (alta pureza):

Componentes principales de los cermicos(TiO2,FeO, NiO, ZnO, etc.).

Insumos minoritarios: NaOH (defloculante), Brax:Na2B4O710H2O (fundente), Cr2O3(coloranteverde), Co2O3(colorante negro), SnO2(coloranteblanco).

3. MATERIALES RECICLADOS

Vidrio (hasta 80-90% de la mezcla)

Chamota (cermico cristalino, piezas desechadas)


77/182

ETAPAS DE LA PREPARACIN DEMATERIAS PRIMAS

1.Conminucin

2.Clasificacin

3.Purificacin


78/182

1. REDUCCIN DE TAMAO DE PARTCULA

Las propiedades fsico-mecnicas de loscermicos dependen estrechamente de ladistribucin de tamao de partculas de lamateria prima.

Distribucin

de tamaopartculas

Compactacinde partculas

durante elconformado

(Porosidad)

Densificacindel cermico

en verde yluego desinterizacin

Propiedadesmecnicas


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CUL ES EL TAMAO DE PARTCULA MSADECUADO?


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Se requiere heterogeneidad en el tamao de laspartculas para maximizar su empaquetamiento.

Empaquetamiento de las partculas

30% porosidad 26% porosidad 23% porosidad

En la prctica la porosidad en verde de las piezascermicas va del 35% a ms del 50%.


81/182

Ejemplo (densificacin de la almina)

Se ha estimado que con partculas menores a1 mse consigue la densificacin ideal(terica) luego de la sinterizacin.


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CRECIMIENTO DE GRANOS DURANTE LASINTERIZACIN DE UN CERMICO


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SIEMPRE SE DESEA OBTENER LA MXIMADENSIFICACIN DEL CERMICO?

En algunas aplicaciones una alta porosidad en elcermico es benfica: Ej. Refractarios aislantes.

En tales casos conviene minimizar el material

fino.


84/182

EQUIPOS DE MOLIENDA

La molienda puede ocurrir por:

Impacto: fuerzas compresivas (golpes con los

cuerpos moledores y la pared del molino).Ej. Molino de bolas

Atricin o desgaste: los golpes no quiebran

completamente las partculas (separacin depequeos fragmentos). El producto es ms fino.

Ej. Molino de atricin


85/182

Molino de bolas Molino de atricin

Por los fuertes golpes dentro delmolino se produce un grandesgaste de los cuerposmoledores y de la pared interiordel molino CONTAMINACIN

Se puede controlar la atmsferaal interior del molino (Ej. Vaco,inerte).Hay menor contaminacin delmaterial.


86/182

SOLUCIONES AL PROBLEMA DE CONTAMINACIN

Usar cuerpos moledores muy duros y pesadoscomo el carburo de tungsteno(WC).

Usar cuerpos moledores del mismo material quese est moliendo ( de uno que no afecte laspropiedades del cermico en desarrollo).

Recubrir la pared interior del molino conpoliuretano u otro material resistente al desgastey no contaminante.


87/182

2. CLASIFICACIN

Se usa en el proceso de fabricacin decermicos tradicionales a partir de materiasprimas minerales.

Tamizaje

Ciclones

Hidrociclones Sedimentacin


88/182

3. PURIFICACIN

Eliminacin de impurezas.

Flotacin

Separacin magntica (Fe2O3, Fe3O4, TiO2, etc.)

Lixiviacin (xidos de hierro con cidos)


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PROCESOS CERMICOS UNITARIOS

Obtencin de materias primas dealta calidad

PREPARACIN DELAS MATERIAS

PRIMAS

Mezcla de materias primas con unaglomerante (agua) y otros aditivos

OBTENCIN DELAS PASTASCERMICAS

Darle forma a las piezas cermicas(prensado, extrusin, etc.)CONFORMADO

Eliminacin de agua libreSECADO

Darle resistencia y demspropiedades a los cermicosCOCCIN


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II. MEZCLADO Y

PREPARACIN DE PASTAS


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La finalidad del mezclado es homogenizarel material en

cuanto a composicin y tamao de partcula.Durante el mezclado las pastas de arcillasadquierenplasticidad.

Mezclado artesanalMezclado mecnico(Recipiente con paletas giratorias)
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacion%20Ladrillos-espa%C3%B1ol.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacion%20Ladrillos-espa%C3%B1ol.avi


92/182


93/182

La humectacin necesaria depende del proceso deconformado:

Proceso % H2O Observaciones

Prensado normal 4-20 Lmite mximo: adhesin al molde

Lmite mnimo: no mantiene la formaPrensado en seco 0-1 Puede requerir secado previo

Colado 40-60 Lmites: dependen de la fluidez quese requiera en la barbotina

Extrusin 10-20 Lmites: dependen de la forma yespesor de las piezas y de laplasticidad de la materia prima

Fusin (vidrios) 2-5 No es parmetro crtico


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REQUISITOS DE LAS PASTAS CERMICAS

1.Uniformidad en cuanto a composicin ydistribucin granulomtrica.

2.Plasticidad adecuada para su conformado.

3.Alta fluidez (con el menor contenido de agua)

para el caso de las barbotinas (suspensionesacuosas).


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PLASTICIDAD

Es la propiedad de la pasta de deformarse bajo laaccin de un esfuerzo y de mantener la formaconferida una vez retirada la fuerza actuante.

Forma

original

Deformacin Forma

final

Curva

esfuerzo-deformacin

Ejemplos

Materialplstico

Pastas cermicas

Mezclas cemento-agua

Vidrios fundidos

Materiales plsticos, etc.

Materialelstico

Metales y aleacionesfrgiles

Materiales cermicos,etc.

Lmiteelstico


96/182

DETERMINACIN DE LA PLASTICIDADDE PASTAS CERMICAS

El mtodo ms popular es mediante los Lmitesde Atterberg(Norma ASTM D4318-05).

Consiste en determinar los lmites de contenidode agua en la pasta entre los cuales ella esplstica:

1.Lmite Lquido (LL): % agua con el cual la pasta

pasa al estado lquido o de barbotina.

2.Lmite Plstico (LP): % mnimo de agua quenecesita la pasta para ser moldeable.


97/182

Viscosid

ad

% AguaLP LL

Slido

Pasta

plstica

Barbotina (suspensin)

Efecto de la cantidad de agua sobre la viscosidad de

la pasta cermica (mezcla arcilla-agua)


98/182

DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO

Se utiliza la Cazuela de Casagrande

RanuradorCazuela

Manivela

Procedimiento


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Procedimiento

1.Se preparan pastas con distintos % de agua, lascuales se colocan dentro de la cazuela. La pastase separa en dos partes con ayuda de una paletaestandarizada (ranurador).


100/182

2. Con ayuda de la manivela se levanta la cazuela a unaaltura de 1 cm y se deja caer golpeando su base con unasuperficie plstica dura. Se repite este paso hasta que secierre la ranura creada inicialmente en la pasta.

3. El lmite lquido es el % agua (en peso) para el cual el

surco de la pasta se cierra en 25 golpes.

%H

u

medad

Ngolpes25

LL

DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO


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DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO

Moldeando manualmente pequeos cilindros con la pasta

(partiendo de un contenido de agua correspondiente alLL) y disminuyendo el % agua.

El lmite plstico (LP) corresponde al % agua para el cualya no se puedan moldear cilindros con un dimetroinferior a 3 mm.

NDICE DE PLASTICIDAD (IP)


102/182

NDICE DE PLASTICIDAD (IP)

Es la diferencia entre los lmites lquido y plstico

IP = LLLP

Los resultados se ubican sobre la Carta de Plasticidad deCasagrande

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Lmite lquido

Ind

ice

de

plasticidad

Arcillas de bajaplasticidad

Arcillas demediana

plasticidad

Arcillas de altaplasticidad

IP = 0.73 (LL - 20)

Suelos nocohesivos

Limos inorgnicos de altacompresibilidad

Limos inorgnicos debaja compresibilidad

Limos inorgnicos demediana compresibilidad ylimos orgnicos

Arcilla LL LP IP

Antesbeneficio

41.3 25.0 16.3

Despus

beneficio

72.7 42.5 30.2

Limos: material muyfino (< 10 m)


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Las arcillas son los minerales ms plsticos, siendo la

plasticidad en ellas:

Montmorillonita > Illita > Caolinita

Arcilla pura LP LL IPCaolinita 36 58 22

Illita 40 83 43

Montmorillonita 97 700 603


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III. CONFORMADO DE LAS

PIEZAS CERMICAS


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El conformado es la etapa en la cual se le da laformadeseada a las piezas.

Tcnicas de conformado ms usadas:

Moldeado a mano Torneado mecnico Prensado

Extrusin Colado o colaje de barbotinas

1 MOLDEADO A MANO
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avi


106/182

1.MOLDEADO A MANO

Mtodo ms antiguo, limitado a la produccinartstica o artesanal.

2.TORNEADO

Se le da forma a las piezas con ayuda de untorno: equipo sencillo, constituido de un platogiratorio. Con ayuda de la fuerza centrfuga se daforma a la pieza a partir de la pasta cermica.

Mtodo muy usado en alfarera, para fabricacinde recipientes (vasijas, materos, platos, etc).
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Alfareria%20torneado%20de%20una%20vasija.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Alfareria%20torneado%20de%20una%20vasija.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avi


107/182

3.PRENSADO

La pasta cermica se coloca en un molde omatrizy se le aplica presin para compactarla.

La materia prima se mezcla con aditivosespecialesque facilitan la compactacin de laspartculas:

Aglomerantes Plastificantes Lubricantes

a) AGLOMERANTES
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20Fly%20ash%20automatic%20brick%20press%20mc%20VTEC.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20Fly%20ash%20automatic%20brick%20press%20mc%20VTEC.avi


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a) AGLOMERANTES

Le dan resistenciaa las piezas en verde paraque puedan ser manipuladas. (0.5-5% en peso)

ORGNICOS

Polivinil alcohol(PVA)

Dextrina, almidn Celulosa

Resinastermoplsticas

Gelatinas Ceras, gomas, etc.

INORGNICOS

Arcillas Silicatos de Mg, Al Slice coloidal Almina coloidal Fosfatos, etc.


109/182

La seleccindel aglomerante dependeprincipalmente del tipo de prensado: seco ohmedo, pequea o gran escala.

BLANDOS (en seco)

Sensibles a lastemperatura (ceras,gomas, etc.).

No requieren adicin dehumedad ni de

lubricantes. Pueden extruirse entre loscomponentes de la matriz.

No se usan paraproduccin a gran escala.

DUROS (en hmedo)

Dextrina, almidn, etc. Requieren el uso de agua y

lubricante.

Producen grnulos duros ydimensionalmente estables.

Se usan para produccin agran escala.

El comportamiento de los aglomerantes


110/182

p gorgnicos depende de la temperatura y de la humedad.

Transicin dctil-frgil

(Tg: Temperatura de transicin vtrea)

Comportamiento Frgil (T < Tg) Comportamiento Dctil (T > Tg)

Deformacin

Tiempo

Recuperacin

Eliminacin carga

Carga aplicada

0

+

_

Deformacin

Tiempo

Eliminacin carga

Carga aplicada0+

_

Recuperacin

Mayor tendencia a fracturarseque a deformarse

Excelente capacidadaglomerante y lubricante

Este comportamiento a la deformacin puede variarse con la

adicin de PLASTIFICANTES.

b) PLASTIFICANTES


111/182

b) PLASTIFICANTES

Aumentan la plasticidad del material.Se adiciona junto con los aglomerantes no

plsticos.Ejemplos: polietilenglicol (PEG), glicerol, etc.


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c) LUBRICANTES

Reducen la friccin entre partculas y entre elpolvo y la pared de la matriz.

Se adicionan en pequeas cantidades ( 3%).

La seleccin debe hacerse teniendo en cuenta laqumica de la materia prima y la purezanecesaria del cermico.


113/182

MATERIALES CON BAJA RESISTENCIA A LACIZALLA USADOS COMO LUBRICANTES

Estearato de zinc Parafina

cido esterico Cera sinttica

cido oleico Estearato de LitioAceites Estearato de potasio

cido naftnico Estearato de sodio

cido brico Estearato de amonio

Nitruro de boro Estearato de magnesio

Grafito Talco

EFECTO DE LOS LUBRICANTES


114/182

EFECTO DE LOS LUBRICANTES

Obtencin de piezas uniformes

Aumento de la densidad en verde

Disminucin de la presin para sacar la pieza de la matriz

(almina: 3.96 g/cm3)


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Cera sinttica

Acido esterico

Estearato de zinc

MTODOS DE PRENSADO


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MTODOS DE PRENSADO

Prensado en unadireccinUniaxial

Prensado en

diferentesdireccionesIsosttico

a) PRENSADO UNIAXIAL


117/182

a) PRENSADO UNIAXIAL

Los polvos se compactan en una matriz rgidaaplicando, mecnica o hidrulicamente, presin alo largo de una direccin axial simple medianteun punzn.

Polvos

Tolva alimentadorade los polvos

Punzonessuperiores

Pieza enverde

1. Preparacin matriz 2.Llenado 3.Compresin 4.Eyeccin

Cuerpodel molde Punzones

inferiores

Ciclos: 6 y 100veces por minuto.

TIPOS DE PRESIN UNIAXIAL


118/182

TIPOS DE PRESIN UNIAXIAL

Clase Definicin Tipo presin

uniaxial

Ejemplos (seccin transversal)

I Piezas delgadasde un solo nivel

Accin simple

II Piezas gruesasde un solo nivel

Accin doble

III Piezas de dosniveles

Accin dobleMovimiento

mltiple

IV Piezas conmltiples niveles

Accin dobleMovimiento

mltiple

TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDO


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TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDOA LA HUMEDAD DEL POLVO

Humedad 4%. Usado principalmente en equipos automatizados. Muy til para fabricar piezas de poco espesor (0.5 mm)

con un buen nivel de tolerancia dimensional (1%).(Especialmente para componentes electrnicos.)

En seco

Alto contenido de humedad (10-15%). Materia prima con alta plasticidad en hmedo (arcillas). Deformacin plstica durante el prensado. La pasta puede extruirse entre las partes de la matriz. Nivel de tolerancia dimensional: 2%.

Enhmedo

PROBLEMAS DURANTE EL


120/182

PROBLEMAS DURANTE ELPRENSADO UNIAXIAL

Aire atrapado Desgaste de la matriz Rebote de la pieza durante su expulsin

Friccin con las paredes de la matriz Insuficiencia de aglomerante

Agrietamiento

Incorrecta seleccin del tipo de presinuniaxial

Friccin entre partculas y entre ellas yla pared de la matriz

Llenado no uniforme de la matriz Presencia de aglomerados duros

Densidad nouniforme

EJEMPLOS TPICOS DE FORMACIN


121/182

EJEMPLOS TPICOS DE FORMACINDE GRIETAS

Al liberar la presin desde elpunzn superior

Al expulsar la pieza con elpunzn inferior

b) PRENSADO ISOSTTICO


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b) PRENSADO ISOSTTICO

Se aplica presin en todas las direcciones.Produce mayor uniformidad de compactacin.

P. uniaxial P. isosttico

Variaciones de la densidad en verde (g/cm3) en las paredes deun crisol prensado uniaxial e isostticamente.


123/182

Prensado isosttico

Bolsa hmeda

Bolsa seca

PRENSADO ISOSTTICO


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DE BOLSA HMEDA

Polvo

Molde de goma(flexible)

Fluido

Cierre hermticodel molde

Mandril metlico

Recipientepresurizado

Cesta de mallade alambre

Cierre hermticodel recipiente

Entrada dellquido a presin

Para la compresin del polvo se usan fluidosincompresibles (agua, aceite o glicerina).

La presin aplicada es de alrededor de 400 Mpa


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Uniformidad de densidad Bajo costo de la operacin Versatilidad del proceso (piezas

de diferentes tamaos y formas)

Ventajas

Baja produccin (largos tiemposdel ciclo: 1-10 minutos/ciclo)

Difcil automatizacin delprocesoDesventajas

PRENSADO ISOSTTICO


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DE BOLSA SECA

La matriz no estinmersa en ellquido. Posee

canales internospor los que sebombea el fluido aalta presin.

TapaPrimer

elastmeroContenedor rgido del molde

Segundo elastmero

Canal para ladistribucin del lquido

Eje Entrada del lquido a presin

Conformado del aislante de una buja

PRENSADO ISOSTTICO


127/182

DE BOLSA SECA

La parte crtica es lograr una transmisinuniforme de la presin:

Posicionamiento de los canales

Moldes compuestos (piezas de diferenteselastmeros).

Automatizacin del proceso: alcanzando 1000 a

1500 ciclos/hora.

Esquema del proceso automatizado de


128/182

prensado isosttico de bolsa seca

Eje delmolde

Molde degoma

Llenado

delmolde

Ciclo de

prensadoPreparacindel molde

Extraccin

de la piezaprensada

Piezafinal

APLICACIONES DEL PRENSADO
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20EPSIFrey%20GmbH%20Multi-size%20Drybag%20Press.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20EPSIFrey%20GmbH%20Multi-size%20Drybag%20Press.avi


129/182

APLICACIONES DEL PRENSADO

Piezas pequeas para usoselctricos (aislantes,capacitores, etc.)

Tejas, ladrillos, crisoles, etc.

Uniaxial

Piezas grandes: tuboscatdicos de rayos X,clasificadores de cono, etc.

Piezas pequeas con relacingrande longitud/ancho

Isosttico


130/182


131/182

4. COLAJE COLADO: SLIP CASTING

Consiste en el vertido de una suspensinde partculas cermicas (barbotina) dentro

de un molde poroso (yeso). El lquido esremovido por los poros del molde,permitiendo que las partculas se

compacten dentro de ste.

COLADO DE LA BARBOTINA


132/182

Se realiza dentrode moldes porosos

de yeso, lo quepermite la remocindel agua por accincapilar.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO


133/182

DE COLADO DE BARBOTINAS

1 Preparacin de la barbotina

2 Colado

3 Desage y consolidacin

4 Remocin de la pieza en verde

5 Secado

6 Sinterizacin

7 Maquinado

PREPARACIN DE LA BARBOTINA


134/182

PREPARACIN DE LA BARBOTINA

Se parte de materias primas muy finas: - 325# (44m).

Si se necesita una alta resistencia mecnica, la

granulometra debe ser ms fina: -5 m. Requisito bsico de la suspensin: Baja viscosidad

con la menor cantidad posible de agua:

Buena fluidez (vertido y llenado del molde). Fcil eliminacin de burbujas atrapadas luego

del colado.

DE QU FACTORES DEPENDE LA


135/182

VISCOSIDAD DE UNA SUSPENSIN?

1 Viscosidad del lquido

2 % slidos

3 Carga superficial y grado de

dispersin de las partculas

4 Tamao y forma de las partculas

VISCOSIDAD DEL LQUIDO


136/182

Y CONTENIDO DE SLIDOS

F. No Newtoniano(alto % slidos)

F. Newtoniano(bajo % slidos)

Viscosida

drelativa

(r=

/0

)

% SlidosEc. Einstein

: Viscosidad suspensin0: Viscosidad del lquidoV: fraccin volumtrica de las partculas slidas

(Partculas esfricas)

CARGA SUPERFICIAL Y GRADO DE


137/182

DISPERSIN DE LAS PARTCULAS

Cargasuperficial

A mayor carga mayor repulsin entrepartculas.

Potencial zeta (relacionado con la carga).

Dispersin

A mayor repulsin entre partculas mayorestabilidad de la suspensin (dispersin). La ausencia de carga conlleva a la

aglomeracin.

Viscosidad

A mayor dispersin mayor fluidez y, portanto, menor viscosidad.


138/182

MEDIDA DEL POTENCIAL ZETA PORELECTROFORESIS


139/182

ELECTROFORESIS

Se realiza en un equipo denominado zeta-metro.Se mide la velocidad de movimiento de laspartculasen suspensin cuando se aplica un campoelctricoa travs de la solucin (movilidad

electrofortica).

ZETAMETRO


140/182


141/182

El clculo del potencia zeta se hace con ayuda dela ecuacin de Henry:

Donde:z: potencial zetaUE: movilidad electrofortica: constante dielctrica (relacionada con la capacidad del material

para polarizarse ante un campo elctrico)

: viscosidadf(ka): funcin de Henry 1.5 (Dp 0.2 m)

1.0 (Dp < 0.2 m)

Relacin entre el potencial zeta y la estabilidad de


142/182

Relacin entre el potencial zeta y la estabilidad deuna suspensin:

Potencia zeta (mV)* Estabilidad suspensin

60100 Muy buena (dispersin extrema)

4060 Buena

3040 Moderada

1530 Umbral de leve dispersin

1015 Umbral de aglomeracin

< 10 Fuerte aglomeracin yprecipitacin

* Valor absoluto del potencial (puede ser + -)

Cmo modificar el potencial zeta?


143/182

Formas de modificar elpotencial zeta

Variando el pH de la solucin

Adicionando un defloculante(dispersante) adecuado

EFECTO DEL pH SOBRE EL POTENCIAL ZETA


144/182

El potencial zeta se puede aumentar adicionando

un cidoo una base, dependiendo del tipo de cargasuperficial de la partcula:

Superficie con carga netanegativa

H

H

H

-

-

-

H+

H+

H+

Superficie con carga netapositiva

OH

OH

OH

+

+

+

OH-

OH-

OH-

Al disminuir el pH: Neutralizacin

Al aumentar el pH:Aumenta carga (-)

Al aumentar el pH: Neutralizacin

Al disminuir el pH:Aumenta carga (+)

(-) (+)

Aumento de la carga negativa porionizacin de grupos cidos

adsorbidos en la superficie

Aumento de la carga positiva porionizacin de grupos bsicos

adsorbidos en la superficie

CURVA TPICA POTENCIAL ZETA vs. pH


145/182

Material IEP

Slice (SiO2) 2Almina (Al2O3) 9

Circonia (ZrO2) 5-6

El punto isoelctrico (IEP) puntode carga cero(ZPC) es el pH al cualel potencial zeta es igual a cero.

Potenc

ialzeta(mV)

pH

Puntoisoelctrico(+)

(-)

RELACIN ENTRE POTENCIAL ZETA,VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIN


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VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIN

EFECTO DE LA ADICIN DE UN


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DEFLOCULANTE SOBRE EL POTENCIALZETA

El defloculante (dispersante) se adsorbe

sobre la superficie de la partcula modificandosu carga elctrica (aumentando las fuerzasrepulsivas electrostticas):

1. Polielectrolitos aninicos (orgnicos)

2. Defloculantes inrgnicos

1) POLIELECTROLITOS ANINICOS


148/182

Compuestos de largas cadenas hidrocarbonadas

con muchas entidades ionizablesa lo largo de todala cadena polimrica.

Ejemplos:

Polmeros de cido acrlico y sus sales.Co-polmeros de acrilamida y cido acrlico

Na - PAANH4- PAA

Na - PMAANH4- PMAA

Sales de sodio y de amonio de los cidos poliacrlico (PAA) y polimetacrlico (PMAA)

Ionizacin de la sal de amonio delcido polimetacrlico (PMAA)


149/182

-

+ NH4+

Se adsorbensobre las superficies slidas aumentandosu carga negativa.

cido polimetacrlico (PMAA)

Qu carga debe tener la superficie?(positiva o negativa?)


150/182

(positiva o negativa?)

Gracias al carcter hidrofbico de las cadenashidrocarbonadas, el agua las empuja hacia afuerade la solucin y hacia la superficie de las partculas.

Estos dispersantes actan tanto sobre laspartculas con carga positiva como negativa.

- --------------

Parte hidroflica(Grupo ionizado)

Parte hidrofbica

(Cadenas hidrocarbonadas)

Fuerzas hidrofbicas

Dispersin de almina con cidoli t li (PMAA) l l d


151/182

A. Pettersson, Journal of Colloid and Interface Science 228, 7381 (2000)

polimetacrlico (PMAA) con peso molecular de

13.000 g/molQu efecto tiene laadicin de estedispersante sobre la curva

potencial zeta vs. pH?

La adicin del dispersantemueve la curva depotencial zeta vs pH haciaabajo (por el aumento dela carga negativa de laspartculas)

2) DEFLOCULANTES INORGNICOS


152/182

2) DEFLOCULANTES INORGNICOS

Aportan cationes monovalentes (Na+, NH4+,Li+) a la solucin:

Silicato de sodio (Na2SiO3)Pirofosfato de sodio (Na4P2O7)Oxalato de amonio ((NH4)2C2O4)Oxalato de sodio (Na2C2O4)Hidrxido de litio (LiOH), etc.

Los defloculantes inorgnicos promueven la


153/182

Los defloculantes inorgnicos promueven la

desorcin de cationes multivalentes (que sonaltamente floculantes): Mg++, Ca++, Al+++, etc.

------

H+

H+

H+

H+

OH-

H+

H+

OH-

Caolinita a pH 6(carga neta negativa)

------

Al+3+

OH-

H+

H+

OH-

Caolinita en presencia de sales deFe Al (10-5M)

(la carga neta se aproxima a cero)

Al+3+

Al+3+

Al+3+

El sulfato de aluminio (Alumbre) es muy usado como floculante parala limpieza de aguas.

Al adicionar pequeas cantidades (0 05


154/182

Al adicionar pequeas cantidades (0.05

0.3%) de defloculantes inorgnicos (silicato deNa) se aumenta la repulsin entre partculas.

----

--

Na+

Na+

Na+

Na+

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

carga neta negativa grande(dispersin)

----

--

Al3+

Al3+

Al3+

Al3+

carga neta negativa muypequea (floculacin)

----

--

Al3+ Na+

Al3+

Al3+

Al3+

Na+

Na+

Na+

Adicin de silicato de sodio(Los iones Na+desplazan

a los Al3+)

EFECTO DEL TAMAO Y FORMA


155/182

DE LAS PARTCULAS SOBRE LA FLUIDEZDE LA SUSPENSIN

La zona de atraccin de las partculas es de

aproximadamente 20 .

Cuando las partculas se acercan a esta

distancia lmite (20 ), ellas tienden ainteractuar. (se necesita aplicar mayor fuerzapara moverlas).

Distancias medias de separacin de


156/182

ppartculas esfricas en una suspensindependiendo de su tamao:

Dimetro partculas(m)

Distancia separacinen suspensiones con

40% v/v de slidos ()10 9200

1 920

0.1 92

0.05 200.01 9.2

Las partculas con tamaos iguales o menores a 0.05 m tienden aaglomerarse en una suspensin del 40% en volumen.

Efecto de la forma: partculas planas (tpica


157/182

Efecto de la forma: partculas planas (tpica

de las arcillas), en las cuales su longitud mide10 veces su espesor.

Longitud

lmina(m)

Espesor

lmina(m)

% v/v slidos al cual la

distancia de separacines de 20

10 1 30

1 0.1 30

0.1 0.01 280.01 0.001 17

Distribucin de tamao de las partculas


158/182

Distribucin de tamao de las partculas

Los rangos amplios de tamao permitenaumentar el % slidos en la suspensin sinafectar su viscosidad.


159/182

El acondicionamiento de la suspensin con

los aditivos qumicos se realiza dentro delmolino de bolas, a la vez que se muele lamateria prima.

USOS


160/182

La aplicacin ms comn del conformado por

colado es para la fabricacin de piezas grandes yahuecadas: sanitarios, crisoles, etc.

Variantes del colado de barbotinas:

Colado al vaco: Con una bomba de vaco sesucciona el agua a travs de los poros del molde.

Colado centrfugo: El molde rota y se facilita el

llenado del molde (piezas con formas difciles).

Colado a presin: La suspensin entra a presin,acelerando la consolidacin de las partculas.

I i i l t l l d i li b
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacin%20de%20Inodoros.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacin%20de%20Inodoros.avi


161/182

Inicialmente el colado a presin se realizaba en

moldes de yeso, pero luego se cambi a moldesplsticos porosos que resisten mayores presiones.

Tiempo necesario para obtener por colado a

presin piezas de porcelana de 6 mm de espesor:

Presin (MPa) Tiempo (min)

0.025 450.4 15

4 1

FACTORES CRTICOS DEL PROCESO


162/182

DE COLADO

Conseguir una suspensin con baja viscosidad yalto % slidos.

La barbotina debe estar libre de aire atrapado.

La pieza debe liberarse fcilmente (se puedeuntar aceite o silicona sobre las paredes del molde).

La pieza en verde debe tener suficiente resistenciapara su manipulacin (adicin de aglomerantes).

5. EXTRUSIN


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Mtodo de conformacin plstica: Lapasta cermica se empuja a travs de untroquel (boquilla) que tiene la seccin

transversal deseada en la pieza. Permite obtener fcilmente piezas con

secciones complejas.

Su desventaja obvia es que est limitadaa productos con seccin transversalconstante.


164/182

La extrusin se puede aplicar a materiasprimas de naturaleza plstica o noplstica.

Para conformar las materias primas noplsticas (xidos, carburos, nitruros, etc.)es imprescindible usar aglomerantes

orgnicos(entre 25 y 50% de aditivos)

PARTES DE UNA EXTRUSORA
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Extrusora%20Ladrillera%202.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Extrusora%20Ladrillera%202.avi


165/182

Dos tornillos sin fin

(amasado)

Ejes de losengranajes y motor

Entrada delmaterial

Amasadora

Cmara dedesaireamiento

Eje al motor

Cmara decompactacin

Matriz(boquilla)

Corte de unaboquilla simple

Corte del mecanismo (tipotaladro) de compactacin y

extrusin

ADITIVOS PARA LA MATERIAPRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIN


166/182

PRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIN

Bsicamente, los mismos que para elprensado:

AguaAglomerantesPlastificante

LubricantesSurfactantes: cuando la mojabilidad de lamateria prima es muy baja

EJEMPLOS DE DEFECTOS EN LASPIEZAS EXTRUDAS


167/182

PIEZAS EXTRUDAS

Laminaciones

(Grietas internas con unaorientacin especfica)

Causa:Mezclado incompleto dela pasta luego de ser cortada porel anillo sin fin, o luego de pasarpor los soportes de las piezasinteriores de la boquilla.

Soportes de la barra centralde la boquilla

Partes (hembra y macho) deuna boquilla para la extrusin

de un tubo

Cortes o grietas superficiales
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Al_extrusion_die_set.jpg


168/182

Se forman cuando la piezava saliendo de la matriz.Debidas a friccin con lapared.

Otras causas de defectos:

Separacin de lquido de la pasta (pobre mojabilidadde las partculas).

Poros (aire atrapado).

APLICACIONES DE LA EXTRUSIN

L d ill b ld t j t


169/182

Ladrillos, baldosas, tejas, etc.

Tubos para hornos.

Tubos para proteccin de termocuplas.

En general, la extrusin se aplica para la obtencina gran escala de piezas con seccin transversalconstante.


170/182

IV. SECADO DE LAS PIEZAS

CERMICAS

Durante el secado se elimina la mayor parte del agua libre( id d )


171/182

(poros y cavidades).

La temperatura mxima de secado es del orden de 95C.

El secado debe ser lento(puede ser mayor a una semana),

pero no hay un tiempo de secado tpico pues depende demltiples factores: Relacin superficie/volumen % agua en las piezas Temperatura y humedad del ambiente Porosidad del material.

En esta etapa la pieza sufre la mayor contraccin (2 al20%)linealmente.


172/182

V. SINTERIZACIN DE LAS

PIEZAS CERMICAS


173/182

SINTERIZACIN

Es la etapa de densificacin del cermico,

en la cual los polvos conformados y secadosse llevan a una temperatura suficientementealta para desarrollar la microestructura que leconfiera las propiedades tiles al material.

TIPOS DE SINTERIZACINSlido (fase cristalina)


174/182

Lquido(fase amorfa)

Poros

Enverde

SSSLPS

VCS

VGS

1. Sinterizacin en estado slido (SSS)2. Sinterizacin con fase lquida (LPS): < 20% lquido3. Sinterizacin vtrea-viscosa (VGS):fabricacin de vidrios4. Sinterizacin de un compuesto viscoso (VCS): > 20% lquido

(Ej. porcelanas)

1. SINTERIZACIN EN ESTADO SLIDO


175/182

70

100

60

90

80

1300 1400 1600 1800

Etapainicial

Etapa

intermedia

Etapa final

Temperatura sinterizacin (C)

%D

ensific

acin

Curva de sinterizacin para la almina

ETAPA INICIAL


176/182

Ocurre el reacomodamiento (desplazamiento)de las partculas y la formacin de un cuello enlos puntos de contacto.

Estado inicial Estado final

La densificacin aumenta un 10% aprox.Mxima densificacin entre 60 y 70%.

Cuello de uninentre partculas

Poros abiertos

ETAPA INTERMEDIA

L t l ti d d


177/182

Las partculas continan acercndose cada vez

ms.

Ocurre el crecimiento de algunos de los granos alconsumir otras partculas.

Ocurre la mayor contraccin de todo el proceso desinterizacin.La etapa termina con el aislamiento de los poros(90% densificacin).

Poros cerrados

ETAPA FINAL

Ocurre la remocin final de porosidad por la difusin


178/182

Ocurre la remocin final de porosidad por la difusin

de vacancias a lo largo de los lmites de grano.La densificacin en esta etapa es mnima (1%).

Si los granos crecen muy rpido, los lmites de granose mueven ms rpido que los poros, quedando stosltimos atrapados dentro de los granos. Lo cual escontrolado por la velocidad y tiempo de calentamiento.

En conclusin:


179/182

La sinterizacin en estado slido ocurregracias a la difusin de materia desde lasuperficie de los granos a la zona decontacto entre ellos.

Este tipo de sinterizacin se presenta enmateriales puros:

xidos: Al2O3, ZrO2, MgO, etc.

No xidos: SiC, BN, C, etc.

2. SINTERIZACIN CON FASE LQUIDA


180/182

La inmensa mayora de cermicos sesinterizan en presencia de fase lquida.

Al calentar los polvos compactos ocurre la

fusin incipiente del material (en la superficie delas partculas).

El lquido viscoso cubre las partculas y lasenlaza.

Lquido

La formacin del lquido se facilita por la


181/182

La formacin del lquido se facilita por la

presencia de sustancias fundentes (boratos,fluoruros, lcalis (Na2O, K2O)) y por lapresencia de impurezasque forman

eutcticos.

Ventaja: La densificacin es muy alta(cercana al 100%).

Desventaja: El cermico tiene menorresistencia mecnica por la fase vtrea.

FACTORES QUE INFLUYEN EN ELPROCESO DE SINTERIZACIN


182/182

Temperatura de coccin:fase lquida.Atmsfera:depende de la composicin del cermico:oxidante (xidos), reductora o inerte (no xidos).

Ciclo de calentamiento:Tiempo de permanencia: densificacin y tamao de grano.Velocidad de calentamiento: formacin de grietas porcambios bruscos de volumen.Velocidad de enfriamiento: recristalizacin de fases.

INTRODUCCIÓN CERÁMICOS

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