Materiales Cerámicos

16/05/2015

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Materiales CerámicosHUGO SÁNCHEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 2

Definición- Inorgánicos.

- Generalmente cristalinos.

- Constituidos por elementos metálicos y no metálicos.

- Enlaces iónicos ó covalentes.

- Obtenidos a partir de polvos y posterior proceso de sinterizacióna elevadas temperaturas.


Propiedades- Alta dureza.

- Alta resistencia a compresión.

- Baja conductividad térmica y eléctrica (si bien existen cerámicas superconductoras).

- Elevada estabilidad química con la temperatura.

- “Ligeros”.

- Puntos débiles: fragilidad y escasa fiabilidad.


ClasificaciónPOR SU ORIGEN

- CERÁMICAS NATURALES.

- CERÁMICAS TRANSFORMADAS.

- CERÁMICAS SINTÉTICAS.

POR SU CAMPO DE APLICACIÓN

- VIDRIOS.

- ARCILLA COCIDA.

- ABRASIVOS.

- REFRACTARIOS.

- CEMENTOS.

- CERÁMICAS AVANZADAS.


Estructura- ESTRUCTURA ATÓMICA:

◦ - CRISTALINA.◦ - AMORFA O VÍTREA.

- LOS POROS COMO PARTE DE LA ESTRUCTURA.


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Clasificación por su Estructura- CERÁMICAS IONICAS.

- CERÁMICAS COVALENTES.

- SÍLICE Y SILICATOS.

- ALEACIONES CERÁMICAS.

- CERÁMICAS CRISTALINAS.- VIDRIOS CERÁMICOS.- CERÁMICAS VÍTREAS.


Cerámicas IónicasFormadas por un metal + un no metal: unión por atracción electrostática entre + Y -.

HALITA: NaCl.

ALUMINA: Al2O3. (cerámica estructural, usada para

corte, abrasivo, refractario,...)

ZIRCONA: ZrO2. (cerámica ingenieril, usada como

superficie antidesgaste).

MAGNESIA: MgO. (cerámica ingenieril, usada en

hornos como refractario, punto de fusión > 2000 ºC).


Cerámicas CovalentesFormadas por dos NO METALES: unión por uso compartido de electrones entre átomos vecinos.

SILICE: SiO2

DIAMANTE: C

SILICIO: Si

GRAFITO: C

CARBURO DE SILICIO: SiC.(cerámica estructural

muy dura, equivale a sustituir la en la estructura del

diamante la mitad de los carbonos por silicio).

Si3N4: (cerámica usada como cojinete en motores).


Sílices y SilicatosAbundantes y baratos.

La unidad básica es la que resulta si sustituimos los C en el diamante por tetraedros de SiO4.

Monómeros.

Dímeros.

Estructuras de cadena.

Estructuras laminares. (arcillas

capas de silicato lubricadas por capas de agua).

Redes tridimensionales. (sílice pura).


Aleaciones Cerámicas

En las aleaciones de metales se busca aumentar:◦ - límite elástico.◦ - la resistencia a la fatiga◦ - ó la resistencia a la corrosión.

En las aleaciones cerámicas se busca:◦ - Mejorar tenacidad.◦ - Conseguir densificación total.

Las cerámicas al igual que los metales forman aleaciones unas con otras.


Cerámicas Cristalinas- Forman microestructuras policristalinas.

- En la microestructura veremos: granos, bordes de grano, poros anclados entre granos, microgrietas.

- Los niveles de porosidad pueden llegar al 20 %.

- Los poros y las microgrietasdebilitan el material, sobretodo

éstas últimas.


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Vidrios CerámicosSe caracterizan por su ordenación atómica en cortas distancias.

Método de obtención de una cerámica vítrea. temperatura de transición vítrea.


- Consecuencias de la estructura abierta de los vidrios:

Modificadores: átomos de diferentes especies que rompen la continuidad de la red de la estructura abierta de los vidrios.

Formadores: átomos de diferentes especies que contribuyen a la formación de la red de la estructura abierta de los vidrios.


Estructura atómica de a) sílice cristalina, b) sílice vítrea y c) vidrio sódico de sílice.


Conformado del VidrioSoplado.

Centrifugado.

Moldeo a presión.

el parámetro a controlar es la viscosidad.


Cerámicas VitreasUna cerámica vítrea es por definición una cerámica parcialmente cristalina, de grano muy fino yque se obtiene por calentamiento de un vidrio cerámico susceptible de experimentar unacristalizacióncontrolada.

No todos los vidrios cerámicos pueden experimentar cristalización parcial por tratamientotérmico.

Las cerámicas vítreas tienen como mínimo el 50 % cristalizado pudiendo llegar al 90 % de suvolumen.


Las propiedades dependerán de sus fases vítrea y cristalina así como de sus fraccionesen volumen.

Las propiedades mecánicas son superiores a las del vidrio de procedencia.

Se pueden obtener por dos vías:

1º conformar el vidrio de partida por métodos sencillos.2º proceder a la desvitrificación del vidrio conformado.

o

1º Conformado de polvos en estado vítreo.2º Desvitrificación simultanea a la sinterización.

Esta última vía es la que proporciona mejores propiedades mecánicas.


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Clasificación de los materiales cerámicos en base a su aplicación:


Videos Cerámicos o Cerámicas Vítreas

Obtención por:◦ Soplado.◦ Centrifugado.◦ Moldeo a presión.

Tratamientos de recocido para disminuir su fragilidad.


Tratamientos de temple sobre el vidrio plano: se somete al vidrio a temperaturassuperiores a las de transición vítrea pero inferiores a la de fusión, al enfriarrápidamente se crean en el material a nivel superficial tensiones de compresión quemejoran sus propiedades.

Vitrocerámicas: se elaboran como un vidrio y posteriormente un tratamiento dedesvitrificación logrando una transformación del vidrio en cristal del 50 %, mejorando:

- Propiedades mecánicas.- Resistencia al choque térmico.- Disminución del coeficiente de dilatación térmica.


Arcillas Cocidas- Constituidospor aluminosilicatos.

- Poseen en su red agua enlazada químicamente.

- Abundan otros elementos y estructuras.

Fabricación:

- (hidroplásticos) lo que favorece su conformadopor extrusión, prensadoo laminado.

- Se les adiciona arena de sílice por su bajo coste y alta dureza.

- Se les adiciona feldespatopara reducir la temperatura de cocción.

En su fabricación al aumentar la temperatura se promueve la aparición de una fase líquida queal enfriar une los granos.


Abrasivos RefractariosABRASIVOS: Se destinan al corte o desgaste de materiales. Son SiC, alumina, etc,que se aglomeran en una fase metálica, cerámica, polimérica, ...

(muelas, lijas, discos de corte)

REFRACTARIOS: Se destinan a aplicaciones que requieran altas temperaturas sinfundir, ni reaccionar químicamente con materiales con los que estén en contactoy siendo también aislantes térmicos.


CementosDefinición según la norma UNE 80301:

“Son conglomerados hidráulicos, esto es materiales artificiales de naturalezainorgánica y minerales que finamente molidos y convenientemente amasadoscon agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones dehidrólisis e hidratación de sus constituyentes dando lugar a productoshidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto al aire como bajo elagua.”


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Cerámica AvanzadaSe caracterizanpor:

- Elevadaresistenciaante solicitacionesde tipo térmico, mecánico y químico.

- Baja densidad.

- Alta resistencia al desgaste.

- En general elevada resistividadeléctrica.

En contraste también hay cerámicos de elevada conductividad térmica, iónica, ferromagnetismo,piezoelectricidad, ... y cerámicas con transparencia óptica.

Su utilización actual, sobretodopor funciones eléctricas y magnéticas.

Sus limitaciones: la fiabilidad, la dificultad de diseño y el coste.


Estructura



Cerámicos AX

A: MetalX: No Metal

# Coord: 6

Dos redes FCC interpenetrantes

e.g.NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO


AX

# CoordL 8

X en los vértices de un cubo y A en el centro, o al revés.

e.g.CsCl, CsI


Tipo Zn blenda

# Coord: 4

A en los vértices y Centros de cara de cada cubo y X en los sitios tetrahédricos

e.g.ZnS, ZnTe, SiC


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Cerámicos AmXp

# Coord: 6

A en vértices del cubo y X alternadamente en los centros

e.g.UO2, PuO2, ThO2


Cerámicos AnBmXp

# Coord: 12(A) y B(6)

A en vértices, B en el centro y X en los centros de las caras del cubo

e.g.BaTiO3, PbTiO3


Cerámicos ABX3

Perovskita sistema cristalino ortorrómbico(pseudocúbico)

# Coord: 12(A) y B(6)

A en vértices, B en el centro y X en los centros de las caras del cubo

e.g.BaTiO3, PbTiO3


Cerámicos AB2X4

# Coord: 4(A) y B(6)

Los iones X forman red FCC, los iones A se ubican en los sitios tetraédricos y los B en los Octaédricos

e.g.MgAl2O4, FeAl2O4, , ,NiFe2O4


Tetraedros SiO2


Tetraedros SiO2


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YBa2Cu3O7


Yttrium stabilized zirconia



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SiC


Fe2O3




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Comportamiento Mecánico


Comportamiento mecánico de los materialescerámicosPropiedades:

◦ Refractariedad.◦ Comportamiento electrónico y magnético.◦ Elevada resistencia a altas temperaturas.◦ Elevados valores de dureza.◦ Excelentes propiedades tribológicas.◦ Químicamente inertes.◦ Tenacidad <-> Fragilidad


Comportamiento mecánico de los materialescerámicosExtrema sensibilidad a la distribución y concentración de tensiones.

Complejidad para la medida de sus propiedades mecánicas.

La Fragilidad de las cerámicas a temperatura ambiente radica en la naturalezaiónica o fuertemente covalente de sus enlaces y a falta de un número suficientede posibilidades de movimiento de dislocaciones que les confieran plasticidad.


Medida de la dureza en los materialescerámicosEs una de las medidas más útiles de todas las que se realizan para estudiar el comportamiento mecánico de estos materiales.

Ventajas en la ejecución de la medida:◦ Ejecución muy simple.◦ Probetas pequeñas.

Durezas más usuales en materiales cerámicos:◦ Dureza al rayado (dureza Mohs).◦ Dureza a la penetración (escalas Knoopo Vickers).


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Escalas de Dureza.Material Escala Mohs Knoop (Kg/mm2)

Talco (Mg3Si4O10)(OH)2 1 20

Sal (NaCl) 2 35Calcita (CaCO3) 3 135

Fluorita (CaF2) 4 180

Apatito (Ca5P3O12F) 5 450

Feldespato(KAlSi3O8) 6 600Cuarzo(SiO2) 7 1000

Topacio (SiAl2F2O4) 8 1500

Corindón (Al2O3) 9 2000

Carburo de Ti (TiC) +9 2800Carburo de Boro(B4C) +9 3500

Diamante ( C ) 10 7000-8000UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 55

TracciónEl ensayo convencional directo es difícil de ejecutar y caro, debido a la naturaleza frágil de lascerámicas monolíticas y su alta sensibilidad a la concentraciónde tensiones.

(Las probetas rompenpor las mordazas, es decir por donde son agarradas).

Un desalineamiento de milésimas de centímetro provoca tensiones que originan desviacionessuperiores al 10 %).

En consecuencia se ha optado por métodos alternativos de ensayo, como es el ensayo de flexiónbien sea de 3 o 4 puntos.


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Ensayo de FlexiónLa flexión crea un gradiente de tensiones y solo una pequeña parte de la misma se encuentraexpuesta a elevadas tensiones de tracción.

Estas probetas son muy sensibles en los bordes y a los daños por mecanizado, de ahí que lasdispersiones y desviaciones experimentales se mantengan, no obstante como beneficio se tienela facilidad de montaje y ejecución del ensayo.

Últimamente se están desarrollando la ejecución de tracciones directas con rotulas,reduciéndoselas tensiones en las mordazas al 1 % y reduciéndose la dispersión.



s r= 1.7xs TS. s c = 15xs TS.


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Procesado de Materiales Cerámicos


Técnicas de ObtenciónLa totalidad de los materiales cerámicos se obtiene mediante técnicas propiasde la metalurgia de polvos.

Principales fases de fabricación de un material cerámico:◦ - Fabricación de los polvos.◦ - Procesado de los polvos.◦ - Conformado.◦ - Sinterizado.


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HIP Hot Isostatic Pressing, HIP


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Slipcasting


Esquema ilustrando el proceso de colada hueca o drenante (drain casting).(a).- Llenado del molde con la suspensión(b).- El molde succiona el liquido de la suspensión próxima a su pared consolidándola.(c).- Se retira el exceso de suspensión dejando una pieza hueca(d).- La pieza se retira después de un secado parcial.


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Defectos típicos en el procesado de unmaterial cerámicoFABRICACIÓN DE POLVOS

Distribución inadecuada de tamaños

Tamaño medio de partícula inadecuado

Forma de partícula no uniforme

Partículas no equiáxicas

Heterogeneidad de composición

Impurezas incontroladas

Partículas extrañas

Partículas de excesivo tamaño

Aglomerados duros

COMPACTO EN VERDE

Grietas

Huecos

Insuficiente densidad

Poros

Densidad heterogénea

Distribución heterogénea de aditivos

Segregaciones

Inclusiones orgánicas

Texturas Presencia de ligantes


Defectos típicos en el procesado de unmaterial cerámicoACONDICIONAMIENTO DE POLVOSDistribución de tamaños de aglomeradosinadecuados.

Aglomeradosduros

Aglomeradoshuecos

Heterogeneidad de densidad en aglomerados.

Aglomeradosporosos

Viscosidad inadecuada

Heterogeneidad en la distribución de aditivos.

Insuficiente fase inerte en suspensión

Inclusionesorgánicas

PIEZAS SINTERIZADAS

Grietas

Poros

Huecos

Granos Huesos

Crecimiento exagerado del grano

Distribución inadecuada del tamaño de grano.

Zonas de diferente tamaño de grano

Segundas fases (Si,C libres, etc.)

Inclusiones Rugosidad superficial



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Cerámica

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Ladrillo


Carbono Amorfo Vs Diamante

J. Robertson, Adv. Phys. 35 (1986) 317 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 80

Carbono Amorfo Vs Diamante

http://quimicadidaticainterativa.blogspot.com/http://jazminpalaciosg108.blogspot.com/2012/03/alotropos-del-carbono.html


Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 82

Carbono Amorfo

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Amorphous_Carbon.pngC&T Conocimientos http://cienciatecnologia.conocimientos.com.ve/2009_12_26_archive.html


Carbono Amorfo

Diamond-like carbon (DLC) es una fase meta estable del carbono presente en estructura amorfa,sus propiedadesse verán significativamente afectadopor la fracción de enlaces Sp3

Si % Sp3>80% ta-C Si % Sp3<80% a-C

Modificado de Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 84

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Diagrama de fase ternario de aleaciones amorfas de carbono-hidrógeno

W. Jacob, W. Moller, Appl. Phys, Lett. 63 (1993) 1771 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 85

Comparativa de Propiedades

Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 86

Diamond-like carbon present status Y.Lifshitz UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 87


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Compuesto de SiC/Si3N4

Interés

Si3N4

CVD, PECVD, LPCVD, Pulverización catódica reactiva y no reactiva

SiC

LAD, CVD, PECVD, Pulverización catódica reactiva y no reactiva

El SiC y Si3N4 son materiales interesantes por propiedades como su estabilidad a altas temperaturas(resistencia al choque térmico), ser químicamente inertes, durezas elevadas, buena resistencia a lacorrosión y al desgaste, así como buenaspropiedades dieléctricas.

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SiC

β-SiC Cúbicoα-SiC Hexagonal

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Propiedades

SiC Si3N4 Si3N4/SiC

Densidad g/cm3 2,7 2,4 2,69

Módulo Elástico Gpa 500 220 80

Coef Dilatación 10-6/°C 3,9 3,3 2,7

Máx Temperatura de trabajo °C 1500 1350 1580

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