Materiales Cerámicos

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TEMA 7. MATERIALES CERÁMICOS

INDICE

1. Introducción

2. Materiales cerámicos no cristalinos (Vidrios)

3. Materiales cerámicos cristalinos

1. Propiedades mecánicas de los cerámicos

2. Aplicaciones de los cerámicos

3


Introducción

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Compuestos constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos

mediante enlace iónico o iónico con carácter covalente óxidos, nitruros,

carburos

Elevada dureza, refractarios (alto punto de fusión), baja conductividad eléctrica y

térmica, alta estabilidad química y térmica, elevada resistencia a compresión, alta

resistencia a corrosión y desgaste

Inconveniente: Baja tenacidad a fractura (fragilidad)

Inertes y biocompatibles: aplicaciones en implantes y articulaciones

Aplicaciones: muy variadas, ladrillos, alfarería, loza, porcelana china, sanitarios,

cristales de ventana, materiales refractarios, imanes, aislantes eléctricos,

abrasivos.

INTRODUCCIÓN

¿¿ Qué es un cerámico ??

¿¿ Cuál es la diferencia entre CERÁMICO y METAL ??

CERÁMICO

Frágil

Alta Tª de fusión

Baja conductividad del calor y electricidad

METAL

Dúctil

Alta conductividad eléctrica y del calor

Puede ser magnético

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

CLASIFICACIÓN SEGÚN ESTRUCTURA

• CERÁMICAS CRISTALINOS

– Silicatos tradicionales (SiO2)

– Compuestos Oxídicos y No Oxídicos

• VIDRIOS

– Cerámicas No Cristalinas composiciones comparables a la de los

cristalinos

• Vidrios de silicato (SiO2)

• Vidrios no silicato

• VITROCERÁMICAS conformación como vidrios + cristalización controlada

INTRODUCCIÓN

1. CERÁMICOS TRADICIONALES

Productos arcillosos arcilla (Al2O3· SiO2·H2O), Sílice (SiO2) y feldespatos (K2O· Al2O3 6SiO2)

• Cerámica porosa (ladrillos, alfarería, loza)

• Cerámica compacta (porcelana, gres)

• Cerámica refractaria (porcelana para aislantes térmicos)

2. CERÁMICOS AVANZADOS

Materiales de altas prestaciones desarrollados con propiedades especificas, alto coste

• Cerámicas refractarias (SiC, Al2O3, ZrO2, BeO, MgO)

• Piezoeléctricos y ferroeléctricos: BaTiO3, SrTiO3

• Cerámicas abrasivas: nitruros y carburos (Si3N4, SiC)

• Cerámicas superconductoras (YBa2Cu3O7)

• Cerámicas biocompatibles: Hidroxiapatita Ca10(HPO4)6(OH)2

3. VIDRIOS: Estructura no cristalina o amorfa

• Silíceos: basados en sílice (SiO2, CaO, Al2O3, Na2O…)

• No silíceos (B2O3, P2O5…)

4. Cemento y hormigón

5. Rocas y minerales

CLASIFICACIÓN Y TIPOS

INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

Vidrios: basados en la sílice (SiO2) principales son el vidrio común y los vidrios

borosilicatos para aplicaciones a alta Tª

¿¿Vitrocerámicas??: productos de arcilla, se conforman en estado húmedo

(estado plástico), se secan y se cuecen fases cristalinas (la mayoría silicatos)

unidas por fase vítrea (SiO2)

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INTRODUCCIÓN

Cerámicas de altas prestaciones: Desarrollo de cerámicas con Kc más altos y

población de defectos más pequeños. Aplicaciones de ingeniería, herramientas de

corte…

Cemento y hormigón: cemento, mezcla de óxidos de calcio o cal (CaO), sílice

(SiO2) y alúmina (Al2O3) que fragua cuando se mezcla con agua

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Cerámicas naturales: rocas y minerales

Materiales compuestos: Cerámicos, rigidez y dureza se combinan con la

tenacidad de polímeros y metales

INTRODUCCIÓN

12

Clasificación de cerámicos y técnicas de fabricación de los mismos

INTRODUCCIÓN

13


14

Estructura cristalina

• Átomos dispuestos y unidos según

distribución regular y repetitiva en el espacio

• Ordenamiento de largo alcance

• Cerámicas iónicas y covalentes

Estructura amorfa

• Disposición de los átomos de forma irregular

y aleatoria

• Ordenación de corto alcance

• Carecen de ordenamiento a largo alcance

• Vidrio (silicatos)

ESTRUCTURA ATÓMICA

Esquema bidimensional de una red de sílice

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2. Materiales cerámicos no cristalinos: VIDRIOS

Estructura y composición de los vidrios

Tipos de Vidrios

Procesado de Vidrios

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Material cerámico amorfo que se fabrica a elevadas temperaturas

Composición: silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos CaO, Na2O,

K2O, Al2O3

Combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente y una excelente

resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes

Aplicaciones típicas: recipientes, ventanas, lentes, fibra de vidrio…

Tienen una estructura no cristalina o amorfa: átomos que los constituyen no

están colocados en un orden repetitivo de largo alcance como existe en un sólido

cristalino

Óxidos formadores de vidrio

Óxidos modificadores de vidrio

Óxidos intermedios

CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS

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Vidrios de sílice: vidrios inorgánicos basados en la sílice: SiO2

Unidad fundamental: tetraedro SiO44-

Red en el espacio: cadenas de tetraedros de sílice SiO44-


ÓXIDOS FORMADORES DE RED

Óxidos que forman poliedros con bajos nº de coordinación

Cristobalita: tetraedros se encuentran

unidos compartiendo vértices en una

disposición regular que produce un orden

de largo alcance

Vidrio: tetraedros se retuercen sobre

sí mismos formando una red dispersa

sin orden de largo alcance ninguno

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Vidrios de Óxido de boro (B2O3)

También un óxido formador de vidrio

Forma subunidades triangulares planas (BO33-) con el átomo de boro ligeramente

fuera del plano de los átomos de oxígeno

Vidrios de borosilicato a los que se han adicionado óxidos alcalinos y

alcalinotérreos: triángulos de BO33- pueden pasar a tetraedros BO4

4-, en los que los

cationes alcalinos y alcalinotérreos proporcionan la neutralidad electrónica

necesaria

Aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, como los vidrios de

borosilicato y aluminoborosilicato


ÓXIDOS FORMADORES DE RED

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ÓXIDOS MODIFICADORES DE RED (fundentes)

Óxidos alcalinos (Na2O y K2O) y alcalinotérreos (CaO y MgO) que rompen la

estructura reticular del vidrio reduciendo su viscosidad (mejoran su conformado)

Efecto de óxido modificador (Na+) al

romper la continuidad de la sílice


Átomos de oxígeno de estos óxidos

alcalinos o alcalinotérreos, entran en la red

de la sílice, en los puntos de unión de los

tetraedros:

- Rompen el entramado

- Producen átomos de oxígeno con un

electrón libre que se combina con los iones

metálicos Na+

y K+

que quedan de forma

intersticial en la red

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ÓXIDOS INTERMEDIARIOS

Alúmina o circona: Al3+ o Zr2+ sustituyen al silicio en los tetraedros

Como valencia Al es +3 en lugar de +4: en el tetraedro, los cationes alcalinos deben

suministrar la carga eléctrica necesaria para producir la neutralidad

Óxido de plomo: óxido intermediario que se incorpora a algunos vidrios de sílice

Algunos de estos óxidos intermediarios actúan en ocasiones como modificadores de

red


Vidrio de red

modificado,

sodocálcico

Vidrio de óxido

intermedio,

alúmina-sílice

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VIDRIO COMPOSICION /CARACTERISTICAS APLICACIONES

Vidrios de

sílice

fundida

(Sílice

vítrea)

sílice de alta pureza

Alta transmisión espectral y no se produce daño de

radiación que origina coloración en otros vidrios

Altas temperaturas de servicio

Caros y de difícil de procesar

Vidrio ideal para lunas

vehículos espaciales y

túneles aerodinámicos y

para sistemas ópticos

en dispositivos

espectrofotométricos

Vidrios

sodio-

cálcicos

Composición básica:71-73% SiO2,12-14% Na2O y 10

-12% de CaO

Na2O y el CaO disminuyen punto de fusión desde

1600°C a 730°C: facilidad de conformado

Adición 1-4% MgO para evitar desvitrificación y 0,5-

1,5% alúmina para aumentar su duración

Más corriente: alrededor del 90% de todoel vidrio que

se fabrica

vidrios planos,

ventanas, objetos

prensados y soplados,

productos ligeros para

los que no se precise

una elevada resistencia

química o al calor

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VIDRIO COMPOSICION/CARACTERISTICAS APLICACIONES

Vidrios de

borosilicato

Red con poliedros triangulares de B2O33-y

tetraedros de SiO44-

B2O3 entra en la red de la sílice debilita su

estructura y reduce considerablemente el

punto de reblandecimiento del vidrio

Vidrios de borosilicato y Pyrex, se

usan para equipos de laboratorio,

tuberías, hornos y faros de

lámparas reflectoras

Vidrios al

plomo

Muy bajo punto de fusión y se utilizan

para soldar vidrios de cierre hermético

Vidrios de alto contenido en

plomo se utilizan en ventanas

para proteger de la radiación de

alta energía, carcasas de

lámparas fluorescentes y

lámparas de televisión

vidrios ópticos y decorativos

23

Composiciones de algunos de los vidrios más importantes


24

Composiciones de algunos de los vidrios más importantes


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Sólido cristalino: tiene una temperatura definida de fusión

a la que el líquido se transforma en sólido (camino ABC)

disminución drástica del volumen con la temperatura

Vidrio: al disminuir la temperatura se hace más viscoso

(camino AD). Disminución gradual del volumen

Se transforma desde un estado plástico, blando y elástico

a un estado vítreo, quebradizo y rígido en un intervalo

reducido de temperaturas, donde la pendiente de la curva

volumen específico frente temperatura es marcadamente

decreciente

Tª donde hay cambio de pendiente: Temperatura de

transición vítrea (Tg)

T < Tg vidrio

T > Tg líquido subenfriado

PROCESADO DE VIDRIOS

Representación variación del volumen

específico frente a la temperatura

Comportamiento durante la solidificación vidrio es diferente a metales y materiales cristalinos

Tg = Tª transición vítrea

Tm =Tª fusión material cristalino


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Tema 6: Materiales Cerámicos

Efecto de la Tª sobre la viscosidad de varios

tipos de vidrios cuya composición aparece

en la tabla de vidrios

Operaciones de conformado importancia de variación de viscosidad con Tª

Punto de fusión Tª para viscosidad:10 Pas,

Vidrio fluido (líquido)

Punto de trabajo Tª para viscosidad: 103 Pas

Facilidad de deformación

Punto de ablandamiento Tª para viscosidad:

4x106 Pas; Tª máxima manipulación del vidrio sin

producir alteraciones dimensionales apreciables

Punto de recocido Tª para viscosidad: 1012 Pas

difusión atómica es rápida eliminación de

tensiones residuales

Punto de deformación Tª a la cual viscosidad es

3x 1013 Pas; vidrio rígido se produce fractura

antes que deformación plástica

Operaciones de conformado intervalo entre Tª de

trabajo y ablandamiento


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Mayoría vidrios comerciales: sílice-sosa-cal

Materias primas: sílice como arena de cuarzo común; Na2O como ceniza de sosa (Na2CO3) y

CaO como piedra caliza (CaCO3)

Materias primas se calientan a temperatura por encima de fusión

Importante eliminar porosidad durante el procesado: burbujas de aire en el fundido

Métodos: Prensado, Soplado, Estirado, conformado en láminas y conformado

en fibras

Prensado

Aplicación de presión en un molde de fundición

recubierto de grafito con forma deseada, molde

calentado para asegurar superficie lisa

Es necesario Recocido final

Artículos planos como lentes ópticas, lentes para

faros


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Soplado

A mano (objetos de arte); automatizado para botellas,

bombillas….

Masa de vidrio se coloca en una preforma temporal por

prensado mecánico en un molde.

Pieza se coloca en molde final de soplado y por presión de

aire inyectado adquiere la forma del contorno del molde

Artículos huecos como botellas, jarras, bombillas.

Estirado

Conformado de piezas largas como barras, tubos y fibras de

sección constante

Masa de vidrio fundido se hace pasar por unos rodillos

(laminación)

Recocido final



29

Laminación de vidrio

Producción de vidrio para ventanas y vidrio plano

Las materias primas se funden en extremo del horno-tanque y fluyen hacia el otro extremo un

tiempo para eliminar las burbujas

Al final del horno pasa por rodillos, donde se controla la Tª para que el vidrio tenga la

viscosidad correcta

A continuación pasa la lámina de vidrio al horno de recocido donde se eliminan tensiones

residuales

La plancha de vidrio necesita acabado superficial esmerilado y pulido

PROCESADO DE VIDRIOS: EN LÁMINAS


30

Flotación de vidrio

Lámina de vidrio sale del horno de fusión y flota sobre superficie de un baño de Sn fundido

La lámina se enfría mientras se mueve a través del Sn fundido, bajo atmósfera controlada

químicamente

Cuando la superficie está suficientemente dura se saca del horno y se hace pasar a través de

rodillos lisos, para no dañar la superficie, a un horno de recocido, donde se eliminan

tensiones residuales

Se consigue una planitud y acabado superficial especular no es necesario esmerilado y

pulido

PROCESADO DE VIDRIOS: EN LÁMINAS


31

Recocido

Calentamiento hasta punto de recocido y enfriamiento lento hasta Tª ambiente

Enfriamiento desde temperaturas elevadas en cerámico origina tensiones internas

controlar diferencias entre la velocidad de enfriamiento y contracción térmica entre zona

superficial e interior

Importancia en vidrios choque térmico

Temple

Calentamiento a Tª ablandamiento <Tª > Tg y enfriamiento en agua o baño de aceite

Tensiones residuales debido a la diferencia de enfriamiento entre superficie e interior

La superficie se enfría mas rápido y a Tª < punto de deformación adquiere rigidez, mientras el

interior todavía es plástico

El enfriamiento de zona interior da lugar a tensiones de tracción en interior y de compresión

en exterior

Aumento de resistencia del vidrio templado introduciendo tensiones de compresión

Utilización cristales de seguridad, en puertas, automóviles, lentes…

PROCESADO DE VIDRIOS: Tratamiento térmico de los vidrios


32

Fabricación de fibra de vidrio

El vidrio se funde en un depósito con

resistencias de platino

Fluye por gravedad sobre placas

perforadas de Pt (204 agujeros)

Las fibras se enrollan en un tambor a

1000 m/min (hebra o strand)

El radio de las fibras (8-15 mm) se

controla por nivel del depósito,

viscosidad, la velocidad de giro, etc

Recubrimiento polimérico (size): protege,

une, lubrica, antiestático



33


2. Materiales cerámicos cristalinos

Cerámicos cristalinos iónicos

Cerámicos cristalinos covalentes

Porcelanas y Cerámicas triaxiales: arcillas

Vitrocerámicas

Cementos

Cerámicas avanzadas

Procesado de Cerámicos

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Estructuras más complejas que materiales metálicos

Factores que determinan la estructura cristalina:

- Carga eléctrica neutralidad

- Tamaño de radio iónico rC < rA estructuras estables catión rodeado por el

mayor numero posible de aniones Nº de coordinación

- Nº de coordinación depende del valor crítico rC / rA

INESTABLE ESTABLE ESTABLE

Configuraciones estables e inestables de aniones y cationes

CERAMICOS CRISTALINOS

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Geometrías de

coordinación en

función de los

cocientes rC / rA


36

CLORURO SÓDICO (NaCl)

Nº coordinación (catión y anión) = 6 (octaedro)

0.414 < rc/ra > 0.732

Estructura cúbica centrada en las caras:

- ANIONES (Cl-): centros de cara y vértices

- CATIONES (Na+): centros arista y centro cubo

Posiciones aniones y cationes intercambiables

Cerámicos: NaCl, MgO, MnS, LiF y FeO

CERAMICOS CRISTALINOS IÓNICOS

ESTRUCTURAS TIPO AB: igual nº cationes que aniones

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ESTRUCTURA CLORURO DE CESIO (CsCl)

Nº coordinación (catión y anión) = 8 (cubo)

0.732 < rc/ra > 1

Estructura cúbica centrada en el cuerpo:

- ANIONES: vértices

- CATIONES: centro del cubo



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ESTRUCTURA BLENDA (ZnS)

Nº coordinación (catión y anión) = 4 (tetraedro)

0.225 < r+ / r - > 0.414

Estructura cúbica:

- ANIONES: centros de cara y vértices

- CATIONES: huecos tetraédricos


Cerámicos con estructura ZnS: ZnS, ZnTe y SiC


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Resumen de estructuras cristalinas más comunes en materiales cerámicos


40

SiO2 se combina con MgO, CaO o Al2O3

Cationes Ca2+, Mg2+ y Al3+ : compensan

cargas negativas y enlace iónico entre

tetraedros

Estructuras complejas, clasificación según

disposición de tetraedros (relación MO/SiO2)

Dímeros de Sílice: 2 tetraedros comparten

1O

Cadenas de silicatos: tetraedros comparten

2O y el otro se une por el catión metálico

Estructuras laminares: tetraedros comparten

3O

Sílice pura: tetraedros comparten 4 O

CERAMICOS CRISTALINOS COVALENTES

SILICATOS

41

SILICE (SiO2)

Red tridimensional átomos de O de cada tetraedro compartidos con tetraedros adyacentes

Estructura cristalina colocación regular de tetraedros

Tres formas polimórficas cuarzo, cristobalita y tridimita

Estructuras complicadas, abiertas, poco compactas baja densidad y alta temperatura

fusión (Ej: cuarzo 2,65 g/cm3)

VIDRIOS DE SILICE SiO2 amorfa

Razón radios Si+4 y O-2 es 0,29

Cationes Si+4 está rodeado de 4 aniones

O-2 en los vértices del tetraedro

Enlazando cuatro tetraedros en la

celdilla unidad


42

Estado metaestable del carbono a T y P ambiente

Estructura blenda: todos los átomos de C

Cada C unido covalentemente a 4 C

PROPIEDADES:

Muy elevada dureza

Alta conductividad térmica

Transparente al visible e IR

Alto índice de refracción


DIAMANTE

43

Más estable a T y P ambiente

Estructura por capas

En una capa cada C unido por enlace convalente a

3 C (hexagonal)

Entre capas, cada C unido por enlace van der Waals

a 1C

PROPIEDADES:

Excelentes propiedades lubricantes

Alta resistencia química en atmósfera no-oxidante

Alta conductividad térmica

Bajo coeficiente de dilatación térmico

Alta resistencia al choque térmico

Alta adsorción de gases

Fácil mecanización


GRAFITO

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Cerámicas tradicionales constituidas 3 componentes básicos: arcilla, cuarzo (SiO2) y

feldespato potásico (K2O.Al2O3.6SiO2)

Tipos:

- Materiales con alta plasticidad: arcillas, lozas y porcelanas

- Materiales de mayor resistencia tanto mecánica como química: gres

- Materiales con alta resistencia al calor: materiales refractarios

Arcilla: compuesta principalmente silicato de aluminio hidratado (Al2O3.SiO2.H2O) con

pequeñas cantidades de óxidos TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O

PORCELANAS Y CERÁMICAS TRIAXIALES

Productos estructurales arcilla: más económicas y fácil de conformar, se utiliza para la

fabricación de ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas y como material de

solado, ladrillo, tuberías, tejas, losetas…

Porcelanas: productos cerámica fina y artículos sanitarios, mismos componentes aunque

con un control importante en su composición

Porcelana típica: 50% arcilla, 25% cuarzo y 25% feldespato


45


Composición química de algunas arcillas industriales

Tipo de pasta Caolín Arcilla plástica

Feldespato Sílex Otros

Porcelana dura 40 10 25 25

Artículos aislantes eléctricos 27 14 26 33

Sanitarios vítreos 30 20 34 18

Aislantes eléctricos 23 25 34 18

Tejas vítreas 26 30 32 12

Porcelana fina semivítrea 23 30 25 21

Porcelana inglesa 25 15 22

Loza hoteles 31 10 22 35 2CaCO3

Porcelana dental 5 95

Algunas composiciones químicas triaxiales en cerámica fina


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Cerámicas refractarias

Soportan elevadas Tª sin fundir ni descomponerse e inertes a medios agresivos

Elevada pureza en sus materias primas así como un estricto control de procesado


Tipos:

Arcillas refractarias: aluminosilicatos con un 55 y 70% de Al2O3

Se moldean fácilmente y refractariedad aumenta con contenido de alúmina

Más caras que los ladrillos comunes: se utilizan para construcción de hornos

Refractarios ácidos:

Refractarios de sílice: alta refractariedad y elevadas propiedades mecánicas a Tª elevadas,

cercanas a su punto de fusión

Refractarios de alta alúmina: contenidos superiores 95% Al2O3 elevada refractariedad pero

muy caros

Refractarios básicos: ricos en oxido de magnesio calcinado

Refractarios especiales


Cerámicas refractarias


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VITROCERÁMICAS

Desvitrificación transformación mediante tratamiento a temperatura elevada de estado no

cristalino (amorfo) a estado cristalino

Proceso evitado en el vidrio vidrio policristalino no transparente y frágil por las tensiones

originadas en cambios de volumen

Control de transformación de desvitrificación material de grano muy pequeño libre de

tensiones residuales vitrocerámica

Se añade agente nucleante TiO2

Composición 40-70 % SiO2, 10-35 % Al2O3, 10-30 % MgO, 7-15% TiO2

Propiedades

•Bajo coeficiente de dilatación térmica no experimenta choque térmico

•Resistencia mecánica y conductividad térmica alta

•Facilidad de fabricación

Aplicaciones artículos de cocina para hornos, aisladores y sustratos de placas de circuitos

integrados


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CEMENTOS

Cemento silicato tricálcico , silicato bicálcico, aluminato tricálcico, ferrito aluminato

tetracálcico y otros componentes secundarios (óxido de Ca, de Mg, de Na, de K, de S...)

Constituyente principal del hormigón. Producción en cantidades elevadas

En presencia de agua hidratación de los componentes formación de una red de

silicatos hidratados que aportan la resistencia mecánica fraguado y endurecimiento a Tª

ambiente

Endurecimiento por hidratación no por tratamiento térmico

Cemento Portland: Molienda y mezclado de arcilla y caliza que es calentada a 1400 ºC en

horno giratorio (calcinación) se obtiene el clinker

Clinker se tritura hasta obtener polvo muy fino que se mezcla con el yeso (CaSO4·2H2O)

Constituyentes; silicato tricalcico y silicato dicalcico que en el fraguado (reacción con agua)

da lugar al cemento

3 CaO·SiO2 + (x-1) H2O Ca2SiO4·xH2O + Ca(OH)2 + calor


50

Cerámicas técnicas, avanzadas o de ingeniería: constituidas principalmente de óxidos,

carburos o nitruros puros

Aplicaciones en motores de combustión debido a su resistencia a elevadas Tª y excelentes

resistencias a corrosión y desgaste

Más importantes : alúmina Al2O3, nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circona,

(ZrO2) combinados con algunos óxidos refractarios

CERAMICAS AVANZADAS


Temperaturas de fusión y propiedades mecánicas


COMPARACIÓN CERÁMICA TRADICIONAL VS AVANZADA

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PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: ARCILLAS

Hidroplasticidad: minerales de arcilla al añadir

agua se vuelve plásticos, se pueden conformar.

Después se secan para eliminar agua y

tratamiento térmico para aumentar resistencia

Materia prima con tamaño de partícula adecuado

se mezcla con agua : Masa hidroplástica que

tiene plasticidad y flexibilidad adecuada para su

moldeo, secado y cocción sin fisuración

Técnica extrusión: masa cerámica se hace pasar

a través del orificio de matriz con geometría de la

sección deseada (similar a extrusión de metales)

Fabricación de ladrillos, tuberías, bloques

cerámicos y azulejos

Técnicas de conformado de cerámicas cristalinas. a)

compresión. b) compresión isostática, c) extrusión


CONFORMACIÓN HIDROPLÁSTICA


53


MOLDEO EN BARBOTINA (Slip casting)

Barbotina: suspensión de arcilla y/o otros

materiales plásticos en agua

Barbotina se vierte en un molde poroso de

yeso que absorbe el agua de la suspensión

hasta que pieza se hace sólida (a medida

que la pieza se seca se contrae y se

despega del molde)



54


Pieza que se obtiene de la barbotina o hidroplásticamente: alta porosidad y baja resistencia

SECADO

Eliminación de humedad que contiene la pieza conformada en barbotina o hidroplásticamente

se obtiene el “Cuerpo verde”

Critico la velocidad de difusión y evaporación del agua en la superficie

Secado uniforme control de Tª y humedad minimizar tensiones, distorsión y agrietamiento

Cambio de volumen en un cerámico

producida por la eliminación de

humedad durante el secado

Los cambios volumétricos cesan

cuando se elimina toda el agua entre

partículas


55


COCCIÓN

Calentamiento en horno a Tª entre 900 y 1400 °C

Se aumenta densidad ( porosidad) y se aumenta resistencia mecánica

Tª función de composición y propiedades finales de la pieza

Ocurren distintas reacciones como la vitrificación

Vitrificación

Formación gradual de un líquido que fluye hacia los poros y llena en parte su volumen

Estructura final fase vitrificada, partículas de cuarzo que no reaccionan y algo de porosidad

Grado de vitrificación determina propiedades

Mayor temperatura mayor grado de vitrificación: mayor dureza y resistencia

Ej ladrillos de construcción Tª cocción ~ 900 °C


56

PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: CERÁMICAS CRISTALINAS

PRENSADO DE POLVO Y SINTERIZADO

Masa de polvo + agua o ligante compactación mediante presión

Mezcla de diferentes tamaños de partículas en proporciones adecuadas

Ligante lubricar partículas de polvo

3 Procedimientos:

Prensado Uniaxial compactación de polvo en matriz metálica mediante presión aplicada en

una dirección. Producción alta y proceso barato. Es necesario una cocción final

Prensado Isostático polvo en un envoltorio de goma y se aplica presión mediante un fluido,

en todas direcciones. Formas complicadas. Proceso más lento y caro. Es necesario una

cocción final

Prensado en caliente prensado y tratamiento térmico simultáneo. Compactación de polvo

a Tª elevada. Se aumenta densidad sin crecimiento de grano. Proceso más caro.


57

PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: CERÁMICAS CRISTALINAS

SINTERIZADO

Cocción de pieza compactada reducir porosidad y aumentar integridad mecánica

Tª sinterización < Tª fusión

Cambios microestructurales durante la cocción

de un polvo compactado. a) partículas

después del prensado, b) coalescencia de

partículas y formación de poros a medida que

se inicia la sinterización, c) cambio de tamaño

y forma de los poros según avanza la

sinterización


Etapas:

-Formación de cuellos en regiones de contacto entre partículas

-Formación de límite de grano dentro de cada cuello

-Intersticios poros (esféricos y tamaño )

Transporte de masa por difusión atómica desde zona de partículas a zona de cuello

58


4. Propiedades mecánicas de los cerámicos

59

Módulo de Elasticidad

Valor bien definido no depende del tiempo ni forma de aplicación de la carga

Módulos mayores que los de los metales: mayor rigidez enlaces iónicos y covalentes que

metálicos

Módulos específicos elevados (E/): son estructuras no compactas de átomos ligeros

Refuerzo en materiales compuestos porque aumentan rígidez

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS

60

Resistencia y Dureza

Cerámicos: sólidos más duros, como abrasivos

Metales: aleados para aumentar dureza

Metales: enlace metálico bajo impedimento al movimiento de dislocaciones

Cerámicos: enlace iónico y covalente mayor impedimento al movimiento de dislocaciones,


61

Resistencia y Dureza

Metales puros: movimiento de la dislocación en es

intrínsecamente fácil, aunque aleados dan lugar a

soluciones sólidas o precipitados que dificultan el

movimiento

Cerámicos covalentes: movimiento de la dislocación

en es intrínsecamente difícil porque los enlaces

interatómicos deben romperse y formarse de nuevo

Cerámicos iónicos: movimiento dislocación es fácil en

algunos planos pero difícil en otros (repulsión entre

átomos de igual signo). Suelen predominar sistemas

difíciles


62

Varía enormemente con rangos desde valores muy bajos, menores de 0,69 MPa hasta

7000MPa para algunas fibras monocristalinas de Al2O3

Sin embargo, pocos cerámicos tienes cargas de rotura superiores a 172 MPa

Muestran grandes diferencias entre la resistencia a tracción y a compresión, siendo las de

compresión alrededor de 5 a 10 veces las de tracción

Resistencia


Frágiles: Tenacidad a la fractura es baja (especialmente a temperaturas bajas)

Metales: alta tenacidad debido a la plasticidad en el extremo de la grieta. Eª absorbida por la

zona plástica menor propagación de la grieta

Además está fragilidad se incrementa con las imperfecciones: fisuras, porosidad, inclusiones,

fases cristalinas, tamaño de grano grande…

Tenacidad: Resistencia a la fractura

63

Aumentar tenacidad a fractura: Materiales compuestos de matriz cerámica


Tenacidad: Resistencia a la fractura

Materiales compuestos comportamiento pseudo-tenaz debido a la deflexión de las grietas en

la intercara

Material monolítico: grieta progresa en modo I

Material compuesto: la grieta se encuentra con la intercara y puede desviarse

Si la grieta prefiere desviarse por la

intercara, la Eª consumida es mayor

Comportamiento cuasi-tenaz

Grieta

Matriz Fibra

Comportamiento pseudo-tenaz


64

Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos



65

Material

cerámico Propiedades y aplicaciones

Al2O3

Contenedor de metal fundido

A alta temperatura donde se requiere alta resistencia

Sustrato aislante para soporte de circuitos integrados

Aislante de bujías

Uso dental y médico

Alúmina dopada (láser)

AlN Aislamiento eléctrico, con conductividad térmica

B4C Blindaje nuclear

Aplicaciones que requieran dureza, poco peso, o resistencia a la abrasión

SiC

Excelente resistencia a la oxidación → recubrimiento de metales, materiales

compuestos de carbono y otros cerámicos

Refuerzo de materiales compuestos

Motores de automóvil

Turbinas de gas

Si3N4

Propiedades similares al SiC con peor resistencia a la oxidación y a altas

temperaturas

Motores de automóvil

Turbinas de gas


APLICACIONES DE LOS CERÁMICOS

66

Material

cerámico Propiedades y aplicaciones

Sialón

Si6-zAlzOzN8-z

El sialón incrustado en matriz de Y2O3 consigue un cerámico ligero, de bajo

coeficiente de dilatación térmica, buena tenacidad a fractura y resistencia superior

a la mayoría de las cerámicas

Componentes de motor

Aplicaciones que requieran altas temperaturas y buenas propiedades al desgaste

TiB2

Buen conductor de la electricidad y del calor

Excelente tenacidad

Blindajes

UO2 Combustible de reactores nucleares



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