M t i l á iMateriales cerámicos

Introducción a laCiencia de Materiales

M. Bizarro

Materiales cerámicos• Son compuestos inorgánicos formados por

elementos metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente iónico ó predominantemente iónico con algún carácter covalente.

– Iones metálicos Cationes: carga +Iones metálicos Cationes: carga – Iones no metálicos Aniones: carga -

Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos, por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.

Enlace Cerámico• Enlace:

-- Principalmente iónico, un poco covalente.p , p-- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en

electronegatividad.• Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño

CaF : grandeSiC: pequeño

CaF2: grande

Estructuras cristalinas de cerámicos

NaCl BaTiO3

ZnS

NaCl(Clorurode sodio)

BaTiO3Perovskita

ZnS (blenda de zinc)

Densidad teórica de cerámicosDensidad teórica de cerámicosLa densidad se calcula de manera similar que en los metales pero con unaLa densidad se calcula de manera similar que en los metales, pero con una Ecuación modificada:

DondeDonden’ = es el número de unidades en la fórmula dentro de la celda unitaria (esto esEl número de iones en la fórmula química.Ej.: BaTiO3 1 ion de bario, 1 ion de titanio y 3 iones de oxígeno.Ej.: BaTiO3 1 ion de bario, 1 ion de titanio y 3 iones de oxígeno.Ac = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmulaAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmulaVC= volumen de la celda unitariaCNA = número de Avogadro, 6.022 x1023 unidades por mol.

Ejemploj p• Calcule la densidad teórica del cloruro de sodio.

A Na = 22.99 g/molA Cl = 35.45 g/mol

rNa+ =102 nmrCl- = 0.181 nm

NaCl tiene estructura FCC n’ =4

Cl g Cl

=2.14 g/cm3

Impurezas en cerámicos• Como los materiales cerámicos contienen al menos dos

tipos de iones se generan defectos de cata tipo de iontipos de iones, se generan defectos de cata tipo de ion.

• Defectos de Frenkel: Involucra una vacancia de catión yDefectos de Frenkel: Involucra una vacancia de catión y un catión intersticial.

• Defecto de Schottky: Es un par vacancia de catión -Defecto de Schottky: Es un par vacancia de catión vacancia de anión

Dependencia de Tp• El número de defectos de Frenkel y de Schottky

dependen de la temperatura.

Qfr es la energía requerida para la formación de cada defecto Frenkel, N es el número total de sitios de la redEl número 2 es porque dos defectos (un catión faltante y un catión intersticial)El número 2 es porque dos defectos (un catión faltante y un catión intersticial)se asocian con cada defecto Frenkel.

Qs es la energía de formación de un defecto Schottky.Qs g y

Ejemploj p• Calcule en número de defectos de Schottky por metro

cúbico en el cloruro de potasio a 500ºC. La energía p grequerida para formar cada defecto es de 2.6 eV, la densidad del KCl (a 500ºC) es 1.955 g/cm3.

= 1 58 x 1028 sitios de red /m3= 1.58 x 10 sitios de red /m .

Ns=5.3 x 1019 defectos /m3.

Diagramas de fase de cerámicos•Son similares a los de metales

•Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el

Diagrama MgO-Al2O3

oxígeno

Propiedades mecánicas

• Son inferiores a las de los metales

• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía.

• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a carga de tracciónde la deformación plástica en respuesta a carga de tracción.

• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicadasección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.

• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son dedeterminados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica.

Propiedades mecánicas• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura Laestá presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:

aYK aYKIc Donde:

-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la probeta y de la grieta,

es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien la mitad de la longitud de una grieta interna.

La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material.

K á i 10 MP / 2 t lKic en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales

Medición del módulo elástico• Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura)

--Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles--Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles.

FL/2 L/2S ió t l L/2 L/2Sección transversal

Rb

d

= punto medio de deflección

brect. circ.

• Determinación del módulo elástico, E:F

xF

E = F

L3

4bd3= F

L3

12R4

F

pend. = 4bd 12R

Sección transversal

Seccióntransversal

Comportamiento lineal-elástico rectangular circular

Medición del esfuerzo• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente

FL/2 L/2

t di

Sección transversalR

b

d

= punto medio de deflección

brectangular circular

Punto de tensión máxima

• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:M t i l (MP ) E(GP )Nitruro de SiCarburo de Si

250-1000100-820

304345

Material rf (MPa) E(GPa)rf

1.5Ff L

bd2

Ff L

R3

Óxido de Alvidrio (soda)

275-70069

39369xF

Ff

rectangular circular

fs

Influencia de la porosidad• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores

en forma de polvo.

• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas.

• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo i d id d tsiempre queda porosidad remanente.

• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas

La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica de porosidad P:de porosidad P:

20 9.09.11 PPEE

Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.

Influencia de la porosidad

1. Los poros reducen el área de la sección

La porosidad deteriora la

resistencia a l fl ió

transversal a través de la cual se aplica la carga.

la flexión2. Actúan como

concentradores de esfuerzos (el esfuerzoesfuerzos (el esfuerzo se amplifica por un factor de 2).

La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción volumétrica de porosidad (P):volumétrica de porosidad (P):

nPrf exp0

0 y n son constantes experimentales

EjerciciojEl módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que ti l 5% d id d l ét i 240 GPtiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.

• (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no porosoporoso

• (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad del 15%del 15%.

20 9.09.11 PPEE 0 9.09.11 PPEE

20EE = 264 GPa 20 9.09.11 PP

E

20 9.09.11 PPEE = 194 GPa 0

Ejercicio 2jSe realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela(MgAl2O4) que tiene una sección transversal rectangular de altura ( g 2 4) q gd=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo es de 25 mm.

• Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es deCalcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de 350N.El punto de máxima deflexión y ocurre en el centro de la muestra y está descrita por FL3 3bdestá descrita por

EIFLy

48

3

12

3bdI donde

donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal.

• Calcule y a una carga de 310 N.

fl=101 MPa3y=9.4x10-3 mm

Clasificacion de materiales cerámicos

Vidrios Productos Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas de arcilla avanzadas

á ividrios vitrocerá Productos Arcilla sílice

l-óptica-compuestos

-ladrillos Para alta T

-lijas -corte

-compuestos -estructurales

máquinas -rotores -válvulass -bearings

-micos estructurales de arcilla

porcelanas

Arcilla refractaria

sílicebásico

especial

Propiedades:

-porcelanas compuestos reforzados

-contenedores -ladrillosPara alta T (hornos)

corte-pulido

estructurales bearings-sensores

Propiedades:-- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos.-- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia.

Aplicaciones:Aplicaciones:-- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de

carga.FabricaciónFabricación

-- algunos vidrios se moldean fácilmente-- otras cerámicas no pueden moldearse.

Aplicación: RefractariosSe necesitan materiales para hornos de alta temperatura.• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) •

p

• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) • El diagrama de fase muestra:

mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos.

2200 3Al2O3-2SiO2

T(°C)2000

mullitaLiquid

(L) alumina + L

1800alumina

+ mullite

+ Lcristobalita + L

1400

1600 mullitamullita

+ cristobalita

Composition (wt% alumina)

140020 40 60 80 1000

Aplicación: Moldes huecos• Moldes huecos (dados):

Necesita propiedades de resistencia al desgaste

p

fuerzade tracción

AoAddie

die

Necesita propiedades de resistencia al desgaste

dieCourtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

• superficie del molde:-- partículas de 4 m de diamante policristalino

que se sinterizan en un substrato cementadode carburo de tungsteno. Courtesy Martin Deakins, GE

-- el diamante policristalino ayuda a controlarla fractura y da dureza uniforme en todasdirecciones.

Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

Aplicación: Sensores• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2

Principio: d dif ió d i

p

Ca2+• Principio: produce difusión de iones para una respuesta rápida.

Ca

• Proceso:Una impureza deCa2+

remueve un ion de Zr4+y un ion de O2-

Se agregan impurezas de Ca al ZrO2:-- aumenta las vacancias de O2-

-- aumenta la tasa de difusión de O2-aumenta la tasa de difusión de O

G dGas con un

sensor• Operación:

-- se produce una diferencia d l j d l i Gas de

referencia con contenido de oxígenofijo

O2-difusión

Gas con un mayor contenido de oxígeno

de voltaje cuando los ionesde O2- se difunden de laparte externa de la superficie

-+Diferencia de voltaje producido

del sensor hacia el gas de referencia.

Vidrios Cuarzo(SiO2 cristalino)

N +

Vidrio(amorfo)

• Los vidrios son silicatos no cristalinosque contienen otros óxidos (CaO, Na2O, K2O y Al2O3).

Si4+Na+

O2-Na2O, K2O y Al2O3).

• No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso de forma continua.

• La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen

ífi T) d iespecífico vs. T) se denomina temperatura de transición vítrea Tg.

P d

Métodos de fabricación

-Prensado

-Soplado

Estiradode vidrios

-Estirado

-Formación de fibras

Métodos de fabricación de vidrios

ió

• Prensado: Para fabricación de piezas con paredes gruesas como

Masa de vidrio

Molde de

operación de prensado

gplacas o platos.

Se aplica presión en un molde de fundición

la preformamolde de fundición recubierto con grafito.

• Soplado: comprimido aire Producción de jarros,

botellas y bombillas de luz.

Preforma suspendida

Preforma temporal por prensado mecánico en un molde. La pieza se coloca en

Moldeacabado

el molde final y es forzado a adquirir la forma del molde por la presión de aire inyectado.

Métodos de fabricación de vidrios• Estirado:

Lámina de vidrioRodillo de cambio direc.

Rodillo de conformado

Apantallamiento térmicoenfriado por

Para láminas, barras, tubos y fibras con

enfriado por agua

tubos y fibras con sección constante.

• Fiber drawing:

Quemador Vidrio fundido

• Fiber drawing: El vidrio fundido está en una cámara caliente. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio a través de pequeños orificios en la base de la cámara.

wind up

Tratamientos térmicos del vidrio• Recocido:

--remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejosremueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.• Templado:

--introduce tensiones residuales superficiales de compresión para t l i t iaumentar la resistencia.

--suprime el crecimiento de grietas en la superficie.

further cooledbefore cooling surface cooling further cooled

tensioncompression

compression

before cooling

hot

surface cooling

hotcooler

cooler

coo e

--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.

Productos de arcillaLas arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente.

Productos estructurales de arcillaLadrillos de construcciónBaldosasTuberías de aguas residualesTuberías de aguas residuales

Porcelana

PorcelanasProductos de alfareríaVajillasPorcelana finaArtículos sanitarios

Propiedades -Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua-Funde en un amplio intervalo de temperaturas

Técnicas de conformado de arcillas

M li d t i d t ñ d tí l d d2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado• Las partículas se mezclan con agua

ram billett i

containerforce die holder

Ao

Adextrusion

--Conformación hidroplástica:Extrusión de una masa espesa a travésdel orificio de una matriz que tiene la tcontainer diegeometría de la sección deseada.

--Moldeo en barbotina:S i t S d

Es la suspensión de arcilla y otros materiales no

Se vierteen molde

Se drena el molde

“pieza terminada”

Se vierte en molde

El molde absorbe el agua

Pieza terminada

Componente sólido

materiales no plásticos en agua.

• secado y calcinado del componenteComponente sólido Componente hueco