CERAMICOS

Son productos inorgánicos, esencialmente no metálicos, policristalinos y frágiles.

Son materiales ampliamente usados en la industria: (ladrillo, alfarería, losetas y

porcelana), incluye el concreto, pues sus componentes son cerámicas. También

materiales como Carburo de Tungsteno y Nitruro de Boro.

Su importancia se basa en la abundancia en la naturaleza y sus propiedades

físicas y mecánicas, diferentes a las de los metales.

EJEMPLOS:

Alúmina: Desde abrasivos hasta huesos artificiales.

Kaolinita: (Silicato hidratado de aluminio) principal componente en los productos

de barro.

IMPORTANCIA COMERCIAL:

Son de alta dureza (útiles para ingeniería), como Aislamiento Térmico y Eléctrico,

con buena estabilidad química a altas temperaturas de fusión.

Prácticamente no son dúctiles, son frágiles.

PRODUCTOS COMERCIALES

Productos de barro: Para la construcción (ladrillos, losetas, etc).

Productos refractarios: Paredes de hornos, crisoles y moldes.

Productos de loza: Porcelana, vajillas cerámicas.

Productos de vidrio: Ventanas, envases, etc.

Fibra de vidrio: Para lana de aislamiento.

Abrasivas: Oxido de aluminio y carburo de cilicio.

Materiales para herramientas de corte: Carburo de Tungsteno.

ESTRUCTURAS DE LAS CERÁMICAS

Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico, más fuerte que el enlace

metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción de los

electrones en las moléculas de estos elementos hacen que sean conductores

pobres.

Los fuertes enlaces dotan a estos materiales de altas temperaturas de fusión.

Tienen estructura cristalina mas compleja que la de los materiales metálicos.

Hay varias razones para esto:

1. Con átomos de diferente tamaños.

2. Las fuerzas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (sílice

diferente del aluminio).

3. Unión de más de dos elementos

PROPIEDADES MECÁNICAS

Los materiales cerámicos deberían ser mas resistentes que los materiales

metálicos pero su fina estructura de sus enlaces evitan que hayan deslizamientos,

mecanismo base para un deformación clásica.

Los materiales cerámicos al igual que los metales, tienen las mismas

imperfecciones cristalinas (vacantes, átomos desacomodados, pequeñas fisuras y

grietas), todo eso tiende a concentrar esfuerzos y el material metálico falla por

fractura.

PROPIEDADES FÍSICAS

- Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros.

- Baja conductividad eléctrica.

- Baja conductividad térmica.

- Baja expansión y fallas térmicas.

NUEVOS MATERIALES CERÁMICOS

Oxidos cerámicos: El más importante es la alúmina, se saca de la bauxita pero a

través de un horno eléctrico, baja conductividad térmica y resistencia a la

corrosión, buena dureza en caliente.

Se usa para abrasivos, y cerámicas aislantes (Bujías).

Carburos: Se usan para herramientas 

WC (carburo de tungsteno)

TiC (carburo de titanio)

TaC (carburo de tantalio)

Se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste. La fuente usual del

carbono para estas reacciones es el carbón de humo.

Nitruros:

1. Nitruros de silicio: motores de cohetes, crisoles para hornos.

2. Nitruros de boro: Tienen una dureza similar al diamante pero no compite como

herramienta (muy costoso).

3. Nitruros de titanio: es conductor de la electricidad y se usa para recubrir

superficies de herramientas, tiene alta dureza y resistencia al desgaste.

4. Sialón: similitud en propiedad con el silicio pero con mejor resistencia a la

oxidación y a las altas temperaturas.

5. Vidrio: se conoce desde hace mas de 4000 años A.C.; tiene una estructura

amorfa y adquiere su estado vítreo cuando se ha dado un tiempo insuficiente

durante el enfriamiento desde la fundición para permitir que se forme una

estructura cristalina.

Su principal componente es la Sílice.

MATERIALES CERÁMICOS

 

Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos

principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma

específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona

ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción

eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde

la Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y

antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas

las zonas del planeta. Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en

construcción son ejemplos de estos.

 

Edificación de ladrillos de la antigua Mesopotamia.

 

Sin embargo, en la actualidad, los diversos métodos de producción han permitido

crear cerámicas avanzadas o estructurales, materiales de muy diversas

características, incluyendo aquellas con buena conductividad eléctrica o con

mejores propiedades mecánicas, por lo que el uso de estos va más allá que el de

la edificación.

 

Estos materiales se pueden clasificar en cerámicas basadas en óxidos y en

basadas en nitruros, carburos, silicuros y otros. Entre las cerámicas avanzadas

cabe destacar la alúmina, la berilia, los carburos, los nitruros y los boruros.

 

La producción de cerámicas avanzadas sigue las etapas de producción de polvos,

preparación de la masa por humectación, conformado y secado, prensado y

sinterización, aplicando el calor con o sin presión simultánea, para acabar con el

mecanizado. La correcta composición de los polvos constituye un punto

fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas

y uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados

industrialmente son:

 

La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en

un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se

forma un sólido suave. El  iquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira

del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.

La conformación plástica en húmedo. En unos de los casos se apisona un

refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye para que salga en una

forma determinada. La masa plástica se fuerza a trabes de un troquel para

producir una forma alargada que luego se corta a longitud deseada. Cuando se

desea formar figuras circulares tales como platos, se coloca una masa de arcilla

húmeda en una rueda rotativa, y se la conforma con una herramienta.

Prensado con polvo seco. Se consigue rellenando un troquel con polvo y luego

prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido,

esteárico o cera. Después la pieza fresca o verde se somete al horneado.

Mientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.

El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de

prensado y sinterización. Se obtienen mayor densidad y tamaño mas fino del

grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel a

temperaturas elevadas, para lo cual muchas veces se emplean atmósferas de

protección.

La compactación isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que se

pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del

recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del prensado. El

prensado puede ser en caliente o en frio.

 

Algo que cabe señalar dentro de la clasificación de las cerámicas es que

los vidrios NO son materiales cerámicos, se estudian de forma aparte, pues

aunque tienen características similares, no son materiales sólidos sino líquidos

subenfriados y su estructura no es cristalina sino amorfa (desordenda).

Ventajas

•      BAJA DENSIDAD. Debido a su peso bajo se utiliza para diseño de motores, revestimientos de lanzadera espacial, aviones, entre otros.•      EXCLENTE COMPORTAMIENTO ANTE LA CORROSIÓN. Los materiales mecánicos son combinaciones de elementos metálicos y no metálicos, se puede considerar que son materiales que ya han sido corroídos. La corrosión en los materiales cerámicos transcurre como una simple disolución química, en contraste con los procesos electroquímicos de los metales y no metales. •      ALTAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS. (MEJOR RESISTENCIA MECÁNICA A FRICCIÓN).Oponen un alta resistencia al desplazamiento tangencial, debido a su flujo de viscosidad bajo. •      MANTENIMIENTO MÍNIMO.Los recubrimientos cerámicos no necesitan ningún mantenimiento después de su puesta en obra, excepto las normales operaciones de limpieza. La cerámica se caracteriza por su alta facilidad de limpieza y su capacidad de preservación frente a la suciedad y cualquier tipo de contaminación.•      RESISTENTES A ABRASIÓN.Esta característica permite saber el grado de cohesión interna del material.•      DURABILIDAD ELEVADA.Se refiere a la capacidad que tiene el material cerámico de mantener su integridad estructural bajo las condiciones a las cuales está expuesto.•      USO EN MEDIOS QUÍMICAMENTE AGRESIVOS.La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química ante agentes químicos agresivos.•      AISLANTE TÉRMICO.La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción. •      AISLANTE ELÉCTRICO.La forma de sujeción (sujetar con fuerza de manera que no se caiga, mueva o separe) de los electrones en las moléculas de estos

elementos hace que sean bajos conductores.•      PERMEABLE A LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS.Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, onocids como fotones. Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacioón  produce una diversidad de efectos, como absorción, transmisión. Reflexión, refracción y un comportamiento electrónico.•      ALTA DUREZA Y RIGIDEZ. Tienen enlaces iónicos y covalentes, los cuáles son más fuertes que los metálicos.•      ALTOS PUNTOS DE FUSIÓN. Debido a sus enlaces fuertes permiten que los cerámicos tengan altos puntos de fusión.•      NO SUFREN OXIDACIÓN. La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química ante agentes químicos agresivos. Se cree que los cerámicos refractarios y estructurales son inertes o resistentes a la oxidación en comparación con los metales. Esto es relativamente cierto a temperaturas ambientes o por debajo de los 100° C en ambientes secos. Cuando la temperatura aumenta la degradación de los mismos comienza a acelerarse.

Desventajas

•      SON FRÁGILES Y DÉBILES. Cuando en el proceso de fractura, en respuesta a una tensión aplicada estática, se da poca o ninguna deformación plástica en el material antes de romperse. Esto debido a la porosidad que presentan estos materiales.•      BAJA RESISTENCIA A IMPACTOS. Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones iónico-covalentes, aunque como excepción encontramos el comportamiento de las arcillas como materiales fácilmente deformables debido a fuerzas de enlaces secundarios débiles entre las capas de los átomos unidos por enlaces iónico-covalentes. Las causas principales de la fractura en cerámicos poli cristalinos han de buscarse en las grietas superficiales producidas durante los procesos de conformación y acabado, poros, inclusiones y estructuras de granos grandes formados durante el proceso de cocción, que actúan como concentradores de tensiones fragilizando al material.

Materiales Cerámicos para ingenieríaEn la unidad precedente se han analizado las diferentes familias de materiales metálicos utilizadas en la ingeniería, que podrían completarse en cuanto a características mecánicas y comportamiento resistente a altas temperaturas con los materiales cerámicos, que además poseen propiedades muy especiales en cuanto a conductividad eléctrica y magnética, así como una gran estabilidad química

Los materiales cerámicos tienen una gran variedad de aplicaciones que van desde la alfarería, fabricación de materiales para la construcción (ladrillos, azulejos, loza, etc.), hasta aplicaciones a elevadas temperaturas, materiales refractarios, aplicaciones eléctricas y electrónicas como materiales aislantes, substratos semiconductores, imanes, materiales ferroeléctricos o piezoeléctricos, etc., y finalmente como materiales que conjugando estas propiedades permiten su aplicación industrial por su elevada tenacidad.

En esta unidad didáctica, repasaremos la estructura de los materiales cerámicos, ya estudiada en la unidad 3, tanto cristalinos como vítreos, resumiendo sus principales propiedades y aplicaciones. Se describirán algunos procesos productivos que completarán la visión general que sobre el procesado de materiales cerámicos debe darse.

Debido a diversidad de materiales y las diferentes aplicaciones a las que pueden destinarse, el estudio de los mismos se abordará siguiendo la clasificación siguiente, que sin obedecer a ningún tipo de material o aplicación específica siguen una secuencia lógica en su exposición:

 Estructuras cerámicas silico-aluminosas. Estructuras cerámicas no cristalinas. Porcelanas. Cerámicas eléctricas y magnéticas. Cerámicas tenaces.