MATERIALES CERÁMICOS AVANZADOS

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E.P.S.LAMILANERAUBU

MATERIALES CERMICOS AVANZADOSG.I.E.Nuevosmaterialesdeaplicacinen construccin. RodrigoRivasDiez 25/04/2012

Trabajorealizadoparalaasignaturadenuevosmaterialesaplicadosalaconstruccin.

MATERIALES CERMICOS AVANZADOSG.I.E.-Nuevos materiales de aplicacin en construccin. Rodrigo Rivas Diez

MATERIALES CERMICOS AVANZADOSINDICE: 1 Introduccin ..................................................................................... pg2. 2 Materias primas ................................................................................ pg2. 3 Elaboracin y estructura molecular .................................................. pg3. 4 Tipos de materiales cermicos avanzados y usos ............................ pg10. 5 Aplicaciones de materiales cermicos avanzados en construccin . pg16. 6 Bibliografia. ................................................................................ pag17.

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1 Introduccin.El trmino cermica proviene de la palabra griega keramikos, que significa cosa quemada, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan despus de un tratamiento trmico a alta temperatura que se denomina coccin. Los materiales cermicos tienen una amplia gama de propiedades mecnicas y fsicas. Debido a sus enlaces inicos o covalentes, los materiales cermicos por lo general son duros, frgiles, con un alto punto de fusin, tiene baja conductividad elctrica y trmica, buena estabilidad qumica y trmica y elevada resistencia a la compresin. Una tecnologa moderna de rpido crecimiento es la de los materiales cermicos avanzados, tambin llamados materiales cermicos estructurales. Estos fueron utilizados por primera vez en 1971 para aplicaciones a alta temperatura en tuberas de gas que funcionaban a 2506C. En la fabricacin de estas piezas se utilizaron nitruro de silicio y carburo de silicio. Los materiales cermicos avanzados aportan a los materiales cermicos tradicionales propiedades elctricas, dielctricas, magnticas, pticas, mecnicas, trmicas; estas propiedades se unen a las propiedades que ya de por si tienen los materiales cermicos.

2 Materias primas.Las materiales primas empleadas para la produccin de materiales cermicos son por lo general muy abundantes en la naturaleza. En el caso de los materiales cermicos avanzados la materia prima empleada en su produccin es similar a la materia prima de las cermicas tradicionales, a las cuales les daremos un tratamiento especfico expuesto en el apartado siguiente. Estas materias primas son:Arcillas Feldespatos Arenas Feldespticas Caolines

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3 Elaboracin y estructura molecular. 3.1.- ElaboracinEl objetivo de la produccin normalmente es obtener un producto slido con una determinada forma como pueden ser pelculas, fibras o monolitos con una microestructura especfica. Se puede observar en la tabla 3.1 que los mtodos de

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fabricacin se pueden dividir en tres grupos fundamentales.

Tabla 3.1 fuente Rahaman, M.N., Ceramic processing and sintering.

Esta divisin est determinada fundamentalmente por el estado en que se pueden encontrar los materiales de partida en fase gaseosa, una fase lquida, o una fase slida. Reacciones en fase gaseosa: Deposicin de vapor qumica. Oxidacin metlica directa. Reaccin de enlace.

Deposicin de vapor qumica: La deposicin de vapor qumica, cuyas siglas en ingls son CVD (Chemical vapor deposition) es un proceso donde las molculas de los reactantes en fase gaseosa son transportadas a una superficie para que reaccionen qumicamente y formen una pelcula slida. Es una tcnica bien conocida que puede usarse para depositar todos tipos de materiales, incluyendo metales, cermicas y semiconductores con una variedad de aplicaciones. Pueden cubrirse grandes reas y el proceso es sencillo de aplicar en la produccin. Se logran pelculas espesas o incluso cuerpos monolticos bsicamente prolongando el proceso de la deposicin para que el espesor deseado sea logrado [13]. El equipamiento usado en el CVD depende de la reaccin a usar, la temperatura reaccin, y el diseo del substrato. La caracterstica principal de cualquier quipo es proporcionar una exposicin uniforme del substrato a los gases reactantes. El proceso CVD tiene varias variables que deben controlarse para producir un depsito con las propiedades deseadas. Estas variables incluyen control de flujo de los gases reactantes, la naturaleza y proporcin de flujo de cualquier portador gaseoso, la presin en el recipiente donde ocurre la reaccin, y la temperatura del substrato. Oxidacin metlica directa: La oxidacin metlica directa es una va de fabricacin que involucra las reacciones entre un gas y un liquido y que generalmente para las produccin de cuerpos cermicos es poco practica porque los productos de la reaccin comnmente forman una capa refractaria slida lo que provoca la separacin de los reactantes y detiene la sntesis. Sin

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embargo un mtodo nuevo que emplea directamente la oxidacin del metal por un gas ha sido desarrollado por la corporacin norteamericana Lanxide para la produccin de materiales porosos y densos. Este mtodo ha sido usado para la produccin de compuestos con matrices de xidos, pero tambin nitruros, boruros, carburos y titanatos. Una ventaja del mtodo es el crecimiento de la matriz dentro de las preformas sin que pueda cambiar las dimensiones iniciales y que los problemas asociados con el encogimiento durante la densificacin en otras vas de fabricacin se evitan. Adems, pueden producirse con rapidez grandes componentes con un buen control de las dimensiones. Reaccin de enlace: La reaccin de enlace o (reaccin de formacin) es comnmente usada para describir las vas de fabricacin donde una preforma slida porosa reacciona con un gas (o un liquido) para producir el compuesto qumico deseado y unido entre los granos. Normalmente, el proceso se acompaa por un pequeo encogimiento de la preforma lo que facilita que puedan lograrse pequeas tolerancias dimensionales para el cuerpo construido. La reaccin de enlace se usa como una de las vas de fabricacin en gran escala para el Si3N4 y SiC [14, 15]. Un ejemplo de aplicacin lo constituye la obtencin del SiC [16]. Una mezcla de partculas de SiC (5-10 (m), carbn y un aglomerante polimtrico es conformada en un cuerpo verde por presin, extrusin o inyeccin a presin. En algunos casos las partculas de carburo de silicio y una resina de conformado base carbn son usados como mezclas iniciales. El aglutinante o la resina es quemada por fuera y el carbn se llena de microporos por la pirolisis, despus estos poros son infiltrados con silicio liquido a temperaturas por encima del punto de fusin del Si (1410 oC) Reacciones en fase liquida: Proceso sol-gel. Pirolisis polimrica.

Proceso sol-gel: En el proceso sol-gel, una solucin de compuestos metlicos o una suspensin de partculas muy finas en un liquido (referido como "sol") es convertido dentro de una masa de muy alta viscosidad (referido como "gel"). Dos procesos sol-gel pueden encontrarse dependiendo en si de la solucin p "sol" usada. comenzando con un "sol", la gelificacin del material consiste en partculas coloidales identificables que se han unido por las fuerzas superficiales en formar de una red. Cuando es usada una solucin de compuestos orgnicos-metlicos la gelificacin del material en muchos casos consiste en una red de cadenas polimricas formada por la hidrlisis y la condensacin de las reacciones. Pirolisis polimrica:

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La pirolisis polimrica se basa en la descomposicin piroltica de compuestos polimricos metal-orgnicos para la produccin de cermicas. Los polmeros usados en este proceso son comnmente llamados "polmeros precermicos" y en ellos constituyen los precursores de las cermicas. Al contrario de los polmeros orgnicos convencionales (por ejemplo, polietileno), qu contiene una cadena de tomos de carbono, la cadena central en los polmeros precermicos contiene otros elementos adems del carbono (el ej., Si, B, y N). La pirolisis de los polmeros produce una cermica que contiene algunos elementos presentes en la cadena. La pirolisis polimrica es conocida como una amplia va para la produccin de materiales de carbono como por ejemplo fibras a partir de polyacrylonitrile a partir de la pirolisis de los polmeros de carbono[19, 20]. Las posibilidades de obtencin de cermicas a partir de polmeros metal-orgnicos fue reconocida hace varios aos y un alto inters se genero a mediado de la dcada del 70 cuando se obtuvo fibras con un alto contenido de SiC reportado por Yajima. La va de pirlisis ha sido el ms eficazmente aplicado a la produccin fibras cermicas de monxidos, en particular, fibras de dos cermicas basadas en silicio, SiC y Si3N4, y a un grado ms limitado al BN y B4C. Reacciones a partir de polvos: Fundicin contina. Sinterizacin de polvos compactados.

Estas vas involucran la produccin del cuerpo deseado a partir de la fusin de slidos finamente dividido (es decir, polvos) por la accin de calor. Esto da lugar a dos mtodos ampliamente usados para la fabricacin de cermicas: (1) fundicin seguida por la conformacin de la forma, simplemente referida como fundicin continua, y (2) sinterizado de polvos compactados. Fundicin contina: El mtodo de fundicin continua involucra fundir un lote de materias primas (en forma de polvos), seguido por la conformacin del cuerpo por alguno de los diferentes mtodos que incluyen la fundicin, roleado, prensado, soplando e hilado. Para las cermicas la cristalizacin es relativamente fcil, la solidificacin de lo fundido es acompaada por una rpida nucleacin y crecimiento de cristales en granos. El crecimiento incontrolado de los granos es generalmente un problema severo que afecta en la produccin de cermicas con indeseables propiedades como por ejemplo disminuye la resistencia. Otros problemas en muchas cermicas que tienen un alto punto de fusin como por ejemplo el ZrO2 ( 2600 oC) se descompone antes que fundirse. Esto provoca que este mtodo se limite a la fabricacin de vidrios. La sinterizacin de polvos compactados puede ser usado para la produccin de vidrios y de cermicas policristalinas, en la practica es muy poco usado para los vidrios por la posibilidad de usar mtodos mas econmicos, sin embargo este mtodo es el de mayor uso para la fabricacin de materiales cermicos. Los pasos del proceso se muestran en la figura 3.1 en forma simple, estos incluyen la consolidacin de una masa de partculas finas (polvos) en forma porosa, polvos

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compactados en forma de un cuerpo especfico (cuerpo verde), el cual cuando es quemado o sinterizado para producir un producto denso.

Fig 3.1.- Esquema de la sinterizacin de polvos compactados.

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3.2 Estructura molecular de los materiales cermicos.Existen dos caractersticas que componen los materiales cermicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: el valor de la carga elctrica de los iones componentes y los tamaos relativos de los cationes y aniones. El cristal debe ser elctricamente neutro, o sea todas las cargas positivas de las cationes deben ser equilibradas por un nmero igual de cargas negativas de los aniones.

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Los tamaos de los radios inicos de los cationes y aniones, rc y rA respectivamente. Puesto que los elementos metlicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones, por tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad. Las estructuras estables de los materiales cermicos se forman cuando los aniones que rodean un catin estn todos en contacto con el catin tal como se ilustra en la figura:

Configuraciones estables e inestables de la coordinacin entre aniones y cationes Estructura del Cloruro Sdico Un gran nmero de materiales cermicos, incluyendo el CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el HfN poseen la estructura del cloruro de sodio, esta estructura es del tipo AX posee un nmero de coordinacin tanto para los cationes y los aniones de 6, por consiguiente, el cociente del radio del catin y del anin esta comprendido entre 0,414 y 0,732. Estructura cristalina del Cloruro de Cesio El nmero de coordinacin es 8 para ambos tipos de iones. El intercambio de las posiciones de los iones positivos y negativos reduce la misma escritura. Esta no es una estructura cbica centrada en el cuerpo puesto que distintos tipos de iones ocupan los puntos de la red Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc La estructura de la blenda de la blenda de zinc es tpica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tiene estructura cristalina del tipo AX, en la cual el nmero de coordinacin es 4; o sea, todos los iones estn con coordinacin tetradrica. Se denomina estructura de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al nombre dado al mineral de sulfuro de zinc. Estructura cristalina de la Fluorita El CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el ZrO2, el PuO2, y el HfO2, tienen la estructura de la florita, estos compuestos se destacan por la frmula qumica AmXp, donde m y/o p

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son diferentes de 1. El cociente de radios inicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual, segn la tabla 1, corresponde a un nmero de coordinacin de 8. Estructura Perovskite Se encuentra en varios cermicos elctricos importantes, como el BaTiO3, y el SrTiO3. En este tipo de celda estn presentes tres clases de iones. Si en las esquinas de un cubo estn los iones de bario, los iones de oxgeno llenarn los sitios centrados en las caras y los iones de titanio ocuparn los sitios centrados en el cuerpo. La distorsin de la celda unitaria produce una seal elctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores. Estructura de espinel La estructura del espinel tpica del MgAl2O4, tiene una celda unitaria que se puede visualizar como una formacin de ocho cubos ms pequeos. En cada uno de estos cubos menores se localizan iones de oxgeno en las posiciones normales de una red cbica centrada en las caras. Dentro de los cubos pequeos hay cuatro sitios intersticiales octadricos y ocho sitios intersticiales tetradricos, de los cuales los cationes ocupan tres. En espinel normal los iones bivalentes (como el ma2+) ocupan sitios tetradricos y los triviales (como el Al3+), los octadricos. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones triviales se localizan en los sitios octadricos. Esta estructura la tiene muchos cermicos elctricos y magnticos importantes, incluyendo el Fe3O4. Grafito Al grafito, una de las formas cristalinas del carbono, alguna veces se le considera material cermico, aunque el carbono es un elemento y no una combinacin de tomos metlicos y no metlicos. El grafito tiene una estructura hexagonal por capas y se utiliza como material refractario, como lubricante y como fibra.

4 Tipos de materiales cermicos avanzados y usos 4.1.- Materiales cermicos avanzados. 4.2.- Clasificacin por propiedades. 4.2.1.- Materiales refractarios. 4.2.2.- Otros materiales cermicos y sus propiedades. 4.2.3.- Vidrios. 4.1.- Materiales cermicos avanzados:

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Los cermicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los xidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecnicas como fsicas a altas temperaturas. Un extenso grupo de cermicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus nicas propiedades magnticas, electrnicas y pticas, su buena resistencia a la corrosin a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la deteccin de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prtesis y otros componentes de repuesto para el ser humano. La Almina(Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

El Nitruro De Aluminio(AIN): Proporciona un buen aislante elctrico, pero tiene alta conductividad trmica. Dado que su coeficiente de expansin trmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

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El Carburo De Boro(B4C): Es muy duro y an as extraordinariamente ligero. Adems de su utilizacin como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasin, como parte en placas blindadas.

El Carburo De Silicio(SiC): tiene una resistencia a la oxidacin extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusin del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cermicos a temperaturas extremas.

El Nitruro De Silicio(Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.

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El Sialn: Se forma cuando el aluminio y el oxgeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrgeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. El sialn puede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste. El Boruro De Titanio(TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Adems tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la almina, son aplicaciones en la produccin de blindajes.

La Urania(UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares.

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4.2.- Clasificacin por propiedades.

4.2.1.- MATERIALES REFRACTARIOS Son componentes importantes del equipo utilizado en la produccin, refinacin y manejo de metales y vidrios. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno. Los refractarios tpicos estn compuestos por diversas partculas gruesas de xido aglutinadas con un material refractario ms fino. Este segundo material se funde al hornearse y proporciona la unin. En algunos casos, los ladrillos refractarios contienen aprox. de 20 a 25% de porosidad aparente, a fin de conseguir un mejor aislamiento trmico. Los refractarios se dividen en tres grupos (con base en su comportamiento qumico): cidos. Bsicos. Neutros.

Refractarios cidos: Incluyen las arcilla de slice, de almina y refractarios de arcilla. El slice puro a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente dbiles, pero poco costosos. Contenidos de almina por arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de alta almina. Refractarios Bsicos: Varios refractarios se basan en el MgO(magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusin alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricacin de acero. Tpicamente, los refractarios bsicos son ms costosos que los refractarios cidos. Refractarios Neutros: Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios cidos de los bsicos, impidiendo que uno ataque al otro. Refractarios Especiales: El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxgeno fcilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circn (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros. 4.2.2.- OTROS MATERIALES CERMICOS Y SUS APLICACIONES.

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Cementos: En un proceso conocido como cementacin, las materias primas cermicas se unen utilizando un aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una reaccin qumica convierte una resina lquida en un slido que une las partculas. En el caso del silicato de sodio, la introduccin de gas CO2 acta como catalizador para deshidratar la solucin de silicato de sodio y convertirla en un material vtreo. La reaccin de cementacin ms comn e importante ocurre en el cemento Prtland, utilizado para producir el hormign. Recubrimientos: Con frecuencia los productos cermicos se utilizan como recubrimientos protectores de otros materiales. Los recubrimientos comerciales comunes incluyen los vidriados y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobre la superficie de un material cermico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar proteccin y decorar, o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metlicas. Los esmaltados y vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fcilmente durante el horneado. Mediante la adicin de otros minerales se pueden producir en los vidriados y esmaltados colores especiales. Uno de los problemas que tienen los vidriados y los esmaltados son las grietas o cuarteduras superficiales que ocurren cuando el vidriado tiene un coeficiente de expansin trmica distinto al del material subyacente. Para materiales cermicos avanzados y para materiales de operacin a alta temperatura se utilizan recubrimientos de SiC para mejorar su resistencia a la oxidacin. A las superaleaciones base nquel se les puede aplicar recubrimientos de circonia, como barreras trmicas que protejen al metal contra la fusin o contra reacciones adversas. Fibras A partir de materiales cermicos se producen fibras para diversos usos como esfuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de fibras pticas. Las fibras de vidrio de borosilicato, las ms comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. Tambin se pueden producir fibras con una diversidad de materiales cermicos, incluyendo almina, carburo de silicio y carburo de boro. Superconductividad: Fenmeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente elctrica. Los superconductores tambin presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnticos. La superconductividad slo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crtica Tc y un campo magntico

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crtico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor ms elevado de Tc que se conoca era de 23,2 K (-249,95 C), en determinados compuestos de niobiogermanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio lquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una mquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba prctico el funcionamiento a gran escala de estas mquinas. Sin embargo, en 1986, los descubrimientos llevados a cabo en varias universidades y centros de investigacin comenzaron a cambiar radicalmente la situacin. Se descubri que algunos compuestos cermicos de xidos metlicos que contenan lantnidos eran superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usar nitrgeno lquido como refrigerante. Como el nitrgeno lquido, cuya temperatura es de 77 K (-196 C), enfra con una eficacia 20 veces mayor que el helio lquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicaciones potenciales empezaron a parecer econmicamente viables. En 1987 se revel que la frmula de uno de estos compuestos superconductores, con una Tc de 94 K (-179 C), era (Y0,6Ba0,4)2CuO4. Desde entonces se ha demostrado que los lantnidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubri un xido de cobre y talio-bario-calcio con una Tc de 125 K (-148 C). 4.2.3.- VIDRIOS El vidrio es un liquido sobreenfriado y se encuentra en un estado metaestable, osea puede pasar a un estado de menor energa, solo si pasa por un estado de mayor energa. El vidrio fundido se enfra lentamente, para evitar su cristalizacin, es un material cermico obtenido a partir de materiales inorgnicos a altas temperaturas, se distingue de otras cermicas en que sus constituyentes son calentados hasta fusin y despus enfriados hasta un estado rgido sin cristalizacin. En un vidrio las molculas cambian su orientacin de una manera aleatoria en todo el slido, es decir su estructura es amorfa. Solo se conocen tres componentes minerales binarios, que pueden pasar del estado fundido a la temperatura ambiente sin cristalizar; Slice, (SiO2), Anhdrido Brico (B2O3) y Anhdrido Fosfrico (B 2 O 5).

5 Aplicaciones de materiales cermicos avanzados en construccin.Los materiales cermicos avanzados son materiales ingenieriles, es decir se emplean en mquinas o procesos con funciones muy especficas, los campos en los que mas presentes se encuentran es en la ingeniera aeroespacial, en la medicina, en la automocin y en la electrnica. En construccin estos materiales no han conseguido desbancar a los materiales cermicos tradicionales, debido principalmente a su menor coste econmico.

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La utilizacin de estos materiales se restringe a su empleo en elementos de domtica, y a pavimentos y acabados muy resistentes y con las tolerancias de variacin dimensional muy restringidas y a elementos de empleo como refractarios.

6 BIBLIOGRAFIA Rincn Lpez, J. Ma. Romero Prez, M. Materiales cermicos en sistemas constructivos de la edificacin - Instituto CC Construccin E. Torroja,CSIC

WILLIAM D., Callister. Introduccin a la ciencia e ingeniera de materiales.Editorial Revert, S.A. Espaa 1995. WILLIAM F., Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales. Editorial Mcgraw-Hill. Espaa. 1999. Jorge Jacomino.- Una introduccin en los Materiales Cermicos

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