Materia Doctoral VII: Introducción a los Materiales Cerámicos

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    26-May-2015
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Introduction to Ceramic Materials at Universidad Nacional de Rosario (Argentina)

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  • 1. INTRODUCCIN A LOS MATERIALES CERMICOS Javier Garca MollejaDoctoradondiceIDescripcin de la asignatura 4II Resumen51. Fsico-qumica del slido 5 1.1. Introduccin . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.2. Estructura electrnica del tomo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.3. Tipos de enlace qumico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.4. Enlace metlico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.5. Enlace inico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.6. Enlace covalente . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 1.7. Enlace secundario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.8. El espectro electromagntico . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.9. Constante de Madelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.10. Estructuras . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.11. Leyes de Pauling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.12. Estudio de estructuras de inters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.12.1. KCl . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.12.2. ZnS . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.12.3. CaF2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.12.4. ZrO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.12.5. Al2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.12.6. 2 Cationes + O3 . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.12.7. BaTiO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

2. 1.12.8. Espinelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.12.9. Superconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.13. Dominios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182. Defectos en la red 20 2.1. Tipos de defectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2. Defectos intrnsecos . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3. Concentracin de defectos intrnsecos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4. Defectos extrnsecos . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5. Oxidacin y reduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6. Defectos electrnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.7. Compensacin electrnica e inica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8. Compuestos no estequiomtricos . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.9. Dopaje de la zirconia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.10. Asociacin de defectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313. Difusin 31 3.1. Leyes de Fick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2. Difusin atmica . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3. Camino aleatorio . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4. Proceso trmicamente activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.5. Trazador . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6. Soluto . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.7. Conduccin elctrica . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7.1. Gradiente de potencial qumico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7.2. Gradiente de potencial elctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.8. Potencial electroqumico . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394. Fenmenos de supercie 39 4.1. Fuerza generalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2. Energa de supercie del slido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3. Efecto de la curvatura de la supercie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4. Energa de supercie relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5. Energa de borde de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.6. Mojado de supercies . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.7. Sinterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455. Soluciones 46 5.1. Leyes de la termodinmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.2. Potenciales termodinmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.3. Funcin molar parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2 3. 5.4. Cambios de entalpa, entropa y energalibre . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.5. Actividad . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.6. Sistemas en solucin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.7. Equilibrio qumico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.8. Tratamiento de solucin ideal . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.9. Solucin regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506. Transformaciones de fase54 6.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6.2. Cintica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6.3. Nucleacin homognea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.4. Concentracin de ncleos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.5. Nucleacin heterognea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.6. Velocidad de nucleacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.7. Velocidad de crecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617. Borde de grano, movimiento y crecimiento de grano 61 7.1. Bordes de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 61 7.2. Crecimiento de granos . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 62 7.3. Efecto de lquido, soluto y poro en el borde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.3.1. Granos perfectos . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 637.3.2. Granos con lquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.3.3. Granos con impurezas . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 647.3.4. Granos con poros . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 64 7.4. Sinterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 66 7.5. Flujo viscoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 68 3 4. Parte IDescripcin de la asignaturaEl libro de referencia de esta asignatura es Y.-M. Chiang, D. Birnie III, W.D. Kingery:Physical Ceramics. Principles for ceramic science and engineering; editorial WileyMIT(1997).Se lleva a cabo un estudio terico de la estructura cristalina, los defectos de la red, losfenmenos de difusin, la supercie, las soluciones, los procesos cinticos y la morfologade los granos (bordes y crecimiento).4Javier Garca Molleja 5. 1 FSICO-QUMICA DEL SLIDOParte IIResumen1. Fsico-qumica del slido1.1.IntroduccinLa industria actual necesita de materiales que cumplan ciertas espectativas. Existenalgunos materiales cuyas propiedades son de inters en la industria, luego la ciencia demateriales los investigar y estudiar su fabricacin. Al analizar la estructura del materialsabremos qu elementos posee y qu propiedades les otorga, por lo que aadiendo oeliminando elementos modicaremos sus propiedades. Otra manera de optimizacin secentrar en el procesamiento, luego alterando el proceso de fabricacin conseguiremosdistintas estructuras y espesores del mismo material.Adems, la tecnologa actual nos permite construir objetos de diverso tamao: demacroscpico a cuntico, por lo que se podrn construir dispositivos de cualquier escalaa partir de los materiales necesarios.1.2.Estructura electrnica del tomoEl tomo est constituido bsicamente por un ncleo de carga positiva rodeado poruna nube de electrones de carga negativa. Debido al potencial al que se ven sometidos loselectrones y al principio de exclusin de Pauli (dos fermiones no pueden ocupar el mismoestado) presentarn estados discretos de energa, organizndose en diferentes capas ysubcapas. En el estado fundamental los electrones ocuparn las capas de tal forma quela menor energa posible sea conseguida. Durante el llenado, debido a la regla de Hund,los electrones de una misma capa se colocarn en diferentes subcapas siempre y cuandosea posible. De esta manera obtendremos un tomo elctricamente neutro y en el estadofundamental.El tomo ser estable si tiene completas todas sus subcapas y dejar entonces de serreactivo. Slo los gases nobles son estables. Esto hace que la mayora de elementos notengan completas todas sus subcapas, luego intentarn perder o ganar electrones paraconseguir la estabilidad. ste es el principio en el que se basa el enlace qumico.Los elementos de la tabla peridica se ordenarn segn las capas llenadas y la subcapasuperior que no ha sido completada. Los elementos centrales, llamados metales de transi-cin, deben perder o ganar varios electrones para ser estables, por lo que no se ionizarnfcilmente, al contrario que los alcalinos y los halgenos. Adems, a causa de la reglade Hund sus electrones estarn desapareados, presentando as propiedades elctricas ymagnticas, requiriendo tambin un tipo especial de enlace para formar molculas.Javier Garca Molleja5 6. 1 FSICO-QUMICA DEL SLIDOLa electronegatividad indica la tendencia de los tomos de adquirir electrones. Es may-or en los halgenos (slo necesitan ganar un electrn para ser estables) y menos en losalcalinos (para ser estables deben perder un electrn). Si dos tomos de electronegativi-dades muy diferentes se enlazan predominarn las fuerzas electromagnticas, por lo que