Materiales Cerámicos

Abdón Ortiz Flores - 1607195

• Materiales cerámicos.• Definición de Materiales Cerámicos• Tipos de Enlaces Atómicos en Cerámicos• Propiedades de Cerámicos • Estructuras Cristalinas de los Cerámicos• Diagramas de Fases en Cerámicos• Procesamiento de materiales cerámicos• Aplicación de cerámicos avanzados• Conclusiones reflexivas

Índice:

Materiales cerámicos

Etimología:Cerámica proviene de:“Keramikos” que significa “cosa quemada”El termino indica que las propiedades deseables de los cerámicos se obtienen después de un tratamiento térmico a alta temperatura “cocción”.

Cerámica de origen maya Datan de 700-900 DC

La mayoría de los cerámicos son compuestos forados por elementos metálicos y no metálicos cuyo enlaces interatómicos puede se de carácter totalmente iónico o bien de carácter predominantemente iónico con algún carácter covalente.

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Definición

Los materiales cerámicos son compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros, carburos, etc.) que incluyen minerales de arcilla, cementos y vidrios. Se trata de materiales/minerales que son aislantes térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos, son más resistentes que los metales y los polímeros.Presentan enlaces iónicos o covalentes aunque el predominante es el ionico.

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Enlaces en cerámicos

• El tipo de enlace predominante es el iónico

Este tipo de enlace se da entre elementos cuyas electronegatividades sean diferentes. La fuerza que mantiene y da estabilidad a este enlace es de tipo electrostática siendo así los compuestos enlazados parte positiva y negativa, catión y anión.Los cationes se mantiene unidos a los aniones y la fuerza de el enlaza será proporcional a la diferencia en electronegatividades.

Enlace iónico Enlace covalente

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Enlace iónico

• En este enlace se puede considerar que un átomo, el electropositivo, da sus electrones de valencia y el otro, átomo electronegativo, gana dichos electrones para así completar el octeto.

• Analizando esto conforme a los orbitales atómicos veremos que los electrones se encontraran con mayor probabilidad en cargados hacia el átomo mas electronegativo y con una pequeña distribución en el átomo electropositivo.

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• Si nos centramos en la densidad electrónica observaremos que todos lo electrones se encontraran con una mayor probabilidad dentro alrededor del átomo mas electro negativo.

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• Los cerámicos también presentan enlaces covalentes

Este tipo de se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos. Dos atomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al menos un electrón, los electrones compartidos se considera de los dos átomos.En Este enlace todos los elementos busca configuraciones mas estables como las de los gases nobles, esto compartiendo electrones para completas su octeto.

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• El enlace covalente es direccional, existe entre átomos específicos y solo en la dirección que hay electrones compartidos.

• Analizando los orbitales de los enlaces covalentes observamos que los electores tomas una distribución que generalmente no se inclina hacia ninguno de los átomos en el caso de los enlaces covalentes polares y distribuciones donde los electrones se posicionan ligeramente en el atomo mas electronegativo.

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Propiedades mecánicas

• La aplicación de los cerámicos, están limitadas en gran medida debido a sus propiedades mecánicas. Como principal desventaja tenemos la fractura catastrófica d forma frágil con muy poca absorción de energía.

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Fractura frágil:• A temperatura ambiente los cerámicos cristalinos y no cristalinos se generalmente rompen

sin que en ellos ocurra alguna • Fractura frágil: consiste en formación y propagación de fisuras a través de la sección de un

material en una dirección perpendicular ala carga aplicada, el crecimiento de grietas normalmente ocurre a través de los granos y a los largo de determinados planos cristalográficos, lo cuales son de alta densidad atómica.

• La existencia a la fractura medida en los materiales cerámicos es sustancialmente menor a la predicha por la teoría basada en las fuerzas de enlace entre átomos.

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Esto puede explicarse por al presencia de pequeños defectos en el material los cuales actúan como concentradores de la tención es decir lugares en los cuales la magnitud de la tención aplicada es amplificada. El grado de amplificación de la tención depende de la longitud de la grieta y el radio de curvatura de su uno de acuerdo con la ecuación, siendo mayor para defectos largos y puntiagudos.Estos concentradores en la tención pueden ser fisuras muy pequeñas superficiales o internas, poros internos y puntos triples entre varios granos, los cuales son virtualmente imposibles de eliminar o controlar

Comportamiento tensión-deformación Modulo de rotura• El comportamiento tención - deformación de las cerámicas frágiles usualmente no se describe mediante el

ensayo de tracción común, por dos razones. • 1 es difícil preparar y ensayar probetas de tracción con la geometría requerida• 2 existe una diferencia significativa entre los resultados obtenidos a partir de ensayos conducidos bajo cargas

de compresión y tracción.• Por consiguiente frecuentemente se emplea un ensayo de flexión, en el cual una probeta en forma de barra

con sección rectangular o circular es flexionada usando una técnica de 3 o 4 puntos de aplicación de la caga; el esquema de aplicación de carga por tres puntos se ilustra .

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- En el punto de aplicación de la carga, la superficie superior esta sometida a un estado de compresión mientras la up inferior esta sometida a tracción. La tensión se calcula a partir del espeso de la probeta el momento de flexión y el momento de inercia de la sección; estos parámetros están indicados en la fig. El modulo de rotura es la tensión máxima o tención de fractura en el ensayo de flexión.

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Comportamiento elástico

• El comportamiento elástico tención-deformación de los materiales cerámicos ensayados a flexión es similar al comportamiento de los metales en ensayos de tracción; existe una relación lineal entre la tención y deformación. La pendiente en la región elástica es el modulo de la elasticidad; la gama de módulos esta comprendida entre 7x104 y 50x103 MPa y es ligeramente mayor que para los metales

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Influencia de la porosidad

• Al procesar cerámicos muchas veces lo materias precursoras están en forma de polvos, dichos polvos son compactados y posterior mene llevados a un tratamiento térmico, en el compactado quedan una gran cantidad de poros o espacio libres de materia solida, y posteriormente estos espacios se eliminan en el tratamiento térmico pero dicho tratamiento no elimina completamente los poros y la porosidad es considerada permanente.

• Cualquier porosidad residual tendrá un efecto negativo en las propiedades elásticas y la resistencia.

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Fluencia en caliente

• Usualmente los cerámicos presentan deformación por fluencia al ser expuestos a tenciones a temperaturas elevadas, la deformación por fluencia de los cerámicos es similar a la de los metales pero esta ocurre a temperaturas mucho mas altas

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Estructuras cristalinas Los materiales cerámicos pueden ser pensados como compuesto de iones eléctricamente cargados en lugar de átomos.Los iones metálicos, cationes ceden sus electrones de valencia a los aniones y cada uno obtiene carga positiva y negativa respectivamente.Los cerámicos poseen estructuras mas complejas que los metales debido a que están compuestos de por lo menos dos elementos.

Los iones determinan la estructuracristalina de acuerdo a:

Valor de la carga eléctrica:El cristal debe ser eléctricamente neutro mismo numero carga de los aniones debe ser igual al de los cationes.

Tamaños relativos de iones y cationes:Los metales proporcionan electrones al ser ionizados por esto los cationes son generalmente mas pequeños que los aniones, para un número especifico de coordinación existe un valor critico o mínimo de :

que puede determinaste geométricamente.

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Números y geómetras de coordinación para varios cocientes entre los radios del catión y el anión

Numero de coordinación:

2

3

4

6

8

<0,155

0.115 – 0,225

0,225 – 0,414

0,414 – 0,732

0,732 – 1,0

Geometría de coordinación

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Estructuras en los ceramicos

Estructuras tipo AX

Estructuras tipo

Estructura tipo

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Cerámicos formados por silicatos

Estructuras tipo AX

• El numero de cationes y de aniones es el mismo A indica el catión y X el anión. Existen varias estructuras cristalinas para los compuestos AX cada una se escribe mediante el nombre de un material que tiene esta particular estructura:

Estructura del cloruro sódico Estructura del Cloruro de Cesio Estructura del sulfuro de cinc

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Estructura del cloruro sódico• El numero de coordinación tanto para

los cationes como para los aniones es 6y por consiguiente esta entre 0,414 y 0,732.

• La celdilla de esta estructura se genera a partir de una FCC de aniones con cationes sustituidos en el centro del cubo y otro en el centro de los 12 lados del cubo.

• Otra forma de generarla es a partir de 2 BCC independientes una formada por aniones y otra por cationes.

Algunos materiales que presentan esta estructura son:NaCl, MgO, MnS, LiF y FeO

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Estructura del Cloruro de Cesio

• El numero de coordinación es 8 para ambos tipos de iones.

• Los aniones esta colocados en los vértices del cubo mientras que los cationes se posicionan en el centro de cada cubo, si se colocan los cationes en el sito de los aniones se representa la misma estructura.

• Aunque se parece a una BCC esta estructura no lo es, pues los iones que ocupan la red son distintos.

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Estructura del sulfuro de cinc (blenda)• El numero de coordinación es 4, esto

supone una forma tetraédrica, es también nombrada estructura de la blenda o de la esfalerita, nombre que también se le da al mineral del de sulfuro de cinc.

• Todos los vértices y posiciones en la cara de la BCC están ocupadas por átomos S, mientras que los Zn llenan el interior en posición tetraédrica.

• Al igual que en las anteriores estructuras si intercambiamos la posición de S por Zn no se cambia la estructura.

• A menudo el enlace atómico es gran parte covalente en los compuestos que exhiben esta estructura.Algunos compuestos que presentan

esta estructura son:ZnS, ZnTe y SiC

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Estructuras tipo

• Si los cargas de los cationes y de los aniones no es la misma, pueden formar compuestos con formula quimica done m y/o p son diferentes de 1.

• Para construir la estructura debemos considerar la formula química y el numero de iones y cationes, asi mismo para determinar el numero de coordinación

• por ejemplo

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Estructura de la fluorita (

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Estructura de la fluorita (

• El =0.8 lo cual corresponde a una numero de coordinación igual a 8

• Los iones calcio están colocados en los centros de los cubos, con iones flúor en los vértices.

• El numero de iones es el doble del de iones

Ejemplos de compuestos con esta estructura son , ,

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Estructura tipo

• En los cerámicos es posible tener mas de un tipo de catión.

• En las estructuras , A y B, representan los cationes y X el anión

• Un ejemplo es

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Perouskita

• El tiene este tipo de estructura

• Posee los cationes y y un anión .

• Los iones están situados en los ocho vértices del cubo y un ion Ti+4 esta en el centro, con los iones O-2 localizados en el centro de cada una de las seis caras.

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Cerámicos formados por silicatos

• En lugar de caracterizar las estructuras cristalinas de estos materiales en términos de celdas unitarias es conveniente usar varias combinaciones de tetraedros de

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Diagramas de fase cerámicos

• Sistema - • Sistema - • Sistema - • Sistema -

Los diagramas de fase de algunos cerámicos han sido determinados experimentalmente. En los diagramas binarios en cada compuesto regularmente se comparte un elemento en común, normalmente el oxigeno. La interpretación de los diagramas de fase

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Sistema -

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• Es relativamente sencillo y posee la forma que el diagrama cobre-niquel, esta dividido en 3 parte una liquida, una zona bifásica liquido-solido en forma de cuchilla y una disolución solida - sustituciones donde el sustituye al

• Debido a que los iones de aluminio y cromo tienen la misma carga, radios similares y el y tienen la misma estructura cristalina.

Sistema -

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• Es similar al sistema plomo magnesio

• Este diagrama contiene una fase intermedia denominada espinela, con formula o bien - (50% masa molar - 50% masa molar o 73% peso y 27%

Sistema -

• El eje horizontal se extiende únicamente hasta aproximadamente 31% en peso de CaO (50% masa molar de CaO) composicion para la cual se forma el compuesto

• En este sistema ocurren:• reacciones eutécticas: 2280°C y

24.5% en peso CaO.• Reacciones eutectoides: 940°C y

6.3% en peso CaO.• Reacciones peritécticas: 2560°C y

7.7% en peso de CaO.

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Sistema -

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• Este sistema es importante pues los materiales son los principales constituyente de muchos materiales refractarios.

• La forma polimórfica de la sílice que es establea temperatura ambiente es la cristobalita.

• Sílice y alúmina no son solubles una en otra.

• Un compuesto mulita - se forma a una composición de alrededor del 72% en peso y funde de forma incongruente a 1828 °C

• Existe un solo eutéctico a 1587°C y 7.7 % en peso de

Procesamiento y aplicaciones • Conformado del vidrio: el vidrio e produce calentando las

materias primas a temperaturas elevadas por encima de la temperatura de fusión. La mayoría de los vidrios comerciales

son de sílice - sosa- cal.• Existen 4 métodos diferentes para fabricar productos de

vidrio.

Formación de fibras.EstiradoSoplado Prensado

Diagrama completo de la elaboración del vidrio

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Diagrama de la elaboración de vidrio

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Prensado

• Se utiliza para fabricar piezas con paredes relativamente gruesas como placas y platos.

• Las piezas son formadas por aplicación de presión en un molde con la forma deseada, el molde suele ser de fundición recubierto de grafito.

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Soplado

• Esta técnica es considerada artesanal por la manera en que se realiza.

• Este proceso se ha automatizado para fabricar botellas y diferentes tipos de recipientes d vidrio como se ve en la imagen.

• Consiste en la fabricación de objetos de vidrio mediante la creación de burbujas en el vidrio fundido. Estas burbujas se obtienen inyectando aire dentro de una pieza de material a través de un largo tubo metálico, bien por medio de una máquina o bien de forma artesana

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Estirado

• Se utiliza para conformar piezas largas como laminas, barras tubos entre otras, todas con sección constante.

Proceso de estirado continuo de laminas de vidrio.

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Formación de fibras.

• Las fibras de vidrio continuas se forman mediante una operación de estirado mas sofisticada.

• El vidrio fundido esta contenido en una cámara calentada con resistencia de platino. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio fundido a través de pequeños orificios. En la base de la cámara. La viscosidad del vidrio que es criticase controla mediante las temperatura de la cámara y el orificio

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Aplicaciones de cerámicos avanzados

Los cerámicos aparte de las aplicaciones generales, como aislantes, refractarios, entre otras, pueden ser utilizados para aplicaciones mas precisas, aprovechando al máximo sus propiedades, algunas de las aplicaciones que han encontrado lugar predominante en la tecnología, demandan propiedades especificas y combinadas, tanto electrónicas, magnéticas y ópticas.

Aplicaciones en motores de combustión

Blindaje ceramio

Empaquetamiento electrónico

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Aplicaciones en motores de combustión

• Esta es una rama en desarrollo y propone ventajas como capacidad de existir temperaturas mas altas de operación del motor, aumentando el rendimiento del combustible utilizado, excelente resistencia al desgaste y la corrosión, menos densidad, capacidad de operar sin sistema de refrigeración

Nitruro de silicio (Si3N4):Cerámicos como el Nitruro de Silicio presentan alta resistencia mecánica, resistencia al choque térmico y elevados puntos de fusión. Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.Industrias: aviación, eléctrica, médica, petrolífera, marítima, química, alimentos, aeroespacial, militar.

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Blindaje ceramio

• Diboruro de Titanio (TiB2)

Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Además tiene excelente tenacidad. El TiB2 junto con el carburo de silicio y la alúmina, son aplicaciones en la producción de blindajes.

Algunos cerámicos avanzados son utilizados en sistemas de blindaje para esta aplicación se buscan cerámicos con baja densidad, desde el punto de vista peso alguno cerámicos son altamente eficientes para blindajes.

- Carburo de silicio (SiC)Es casi tan duro como el diamante. Con una estructura covalente tetetragoanl

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Empaquetamiento electrónico

Para esta aplicación se buscan materiales con: • tener una baja constante dieléctrica.• Ser conductores termicos

- Nitruro de aluminio (AlN)- Es el sustrato alternativo mas

prometedor.- Tiene una conductividad termica mejor

en factor de 10 que la del oxido de aluminio sustrato que se ha usado como material estándar.

- La dilatación térmica del AlN es muy próxima a la de los chips de silicio de los circuitos integrados.

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Conclusión reflexiva• Los materiales cerámicos son indispensables para el procesamiento de materiales como los metales,

sustratos para componentes electrónicos, entre muchas otras aplicaciones, haciendo un análisis de la naturaleza de las propiedades, debemos ser muy minuciosos y analizar los fundamentos sencillos que dictan el acomodo y el tipo de enlace que mantiene unida a cualquier material solido, estos fundamentos nos dan una mayor perspectiva, para proponer hipótesis y posteriormente compararlas con experimentación real, es importante tener en mente que es lo que determina las propiedades macroscópicas. En el caso de los materiales cerámicos el enlace iónico y covalente brinda un punto de partida muy ventajoso, pues con el podemos explicar la dureza de los materiales así como la escasa conductividad térmica y eléctrica entre otras cosas, si seguimos analizando como se acomodan los átomos nos daremos cuenta de que, el acomodo, también juega un rol importante, brindándonos un marco mas amplio y explicando propiedades como lo es la transparencia de los materiales entre tras.

• Es importante analizar y tener en mente las teorías básicas para así, entender y proponer nuevos modelos que expliquen diferentes fenómenos pues como alguna vez enuncio Newton "He sido un niño pequeño que, jugando en la playa, encontraba de tarde en tarde un guijarro más fino o una concha más bonita de lo normal. El océano de la verdad se extendía, inexplorado, delante de mi.“ análogo a esta frase vemos que conforme la ciencia avanza, el océano de la verdad, esta siendo descifrado y alzándose ahora no solo como un misterio inexplorado, si no como un conjunto de fundamentos y teorías que nos ayudan a comprender el por que de las cosas.

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