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ÍNDICE_______________

INTRODUCCIÓN 6

LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS 8

CERÁMICOS CRISTALINOS 8

ESTRUCTURA DEL CLORURO SÓDICO 9

ESTRUCTURA DEL CLORURO DE CESIO 9

ESTRUCTURA DEL SULFURO DE ZINC 10

ESTRUCTURA DE LA FLUORITA 10

ESTRUCTURA PEROVSKITE 10 ESTRUCTURA DE ESPINEL 11

GRAFITO 11

IMPERFECCIONES DE LAS ESTRUCTURAS CERÁMICAS 12

DEFECTOS ATÓMICOS PUNTUALES 12

IMPUREZAS EN CERÁMICOS 12

DISLOCACIONES 13

DEFECTOS SUPERFICIALES 13

PROPIEDADES MECÁNICAS 14

FALLAS MECÁNICAS EN LOS CERÁMICOS 14

FRACTURA FRÁGIL 14

TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE LA FRACTURA FRÁGIL 14

MÉTODOS PARA MEJORAR LA TENACIDAD 15

DEFORMACIÓN DE LOS CERÁMICOS A ALTAS TEMPERATURAS 15

FLUJO VISCOSO DEL VÍDREO 16

TERMOFLUENCIA EN LOS CERÁMICOS 16

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS PRODUCTOS DE ARCILLA 18

TÉCNICAS DE CONFORMADO DE ARCILLAS 18

SECADO Y HORNEADO DE PRODUCTOS DE ARCILLA 18

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERÁMICOS AVANZADOS 19

MATERIALES Y APLICACIONES AVANZADAS 20

MATERIALES REFRACTARIOS 21

REFRACTARIOS ÁCIDOS 21

REFRACTARIOS BÁSICOS 21

REFRACTARIOS NEUTROS 21

REFRACTARIOS ESPECIALES 21

OTROS MATERIALES CERÁMICOS Y SUS APLICACIONES 22

CEMENTOS 22

RECUBRIMIENTOS 22

FIBRAS 22

SUPERCONDUCTIVIDAD 23

VIDRIOS 24

MATERIA PRIMA 24

ESTRUCTURA DEL VIDRIO 25

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS 26

APLICACIONES DE LOS VIDRIOS 28

BIBLIOGRAFÍA 30

INTRODUCCIÓN

Las cerámicas y los vidrios representan algunos de los materiales para ingeniería más antiguos y durables ante el ambiente. También son los materiales que han desarrollado avances para la industria aeroespacial y electrónica.

El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina cocción.

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Por ejemplo la alúmina (Al2O3) es un cerámico que tiene átomos metálicos (aluminio) y no metálico (oxígeno). Los materiales cerámicos tienen una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los materiales cerámicos por lo general son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, tiene baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química y térmica y elevada resistencia a la compresión. Aunque la mayoría de los productos cerámicos son buenos aislantes eléctricos y térmicos, el SiC y el AlN tienen conductividad térmica parecida a las de los metales. Los productos cerámicos como el FeO y el ZnO, son semiconductores y, además, han sido descubiertos materiales superconductores como el YBa2Cu3O7-x.

Una tecnología moderna de rápido crecimiento es la de los materiales cerámicos avanzados, también llamados materiales cerámicos estructurales. Estos fueron utilizados por primera vez en 1971 para

aplicaciones a alta temperatura en tuberías de gas que funcionaban a 2506°C. En la fabricación de estas piezas se utilizaron nitruro de silicio y carburo de silicio.

La materia base para la fabricación de los productos cerámicos es la arcilla en sus múltiples variedades; ésta, al amasarla con agua, adquiere características de plasticidad y por ello puede adoptar la forma deseada.

Los materiales cerámicos de arcilla utilizados en la construcción se clasifican en ladrillos para pared, para pavimentación (suelos) y para cubiertas. Los materiales de ingeniería se pueden dividir en tres categorías principales: cerámicas cristalinas, vidrios y cerámicas de vidrio.

Los cerámicos incluyen los silicatos tradicionales y los muchos compuestos de óxidos y sin óxidos ampliamente usados tanto en la tecnología tradicional como en la avanzada, las arcillas y refractarios hacen parte de este grupo.

Arcillas: Las arcillas comunes se utilizan en la fabricación de ladrillos para la construcción de edificios y ladrillos refractarios. Estas arcillas comunes están formadas por alúmina y sílice en diversa proporciones, con la presencia de otras impurezas, tales como óxido férrico (el cual le da color rojo), óxido de manganeso, potasa, magnesio y cal. El caolín (arcilla blanca formada principalmente por alúmina y sílice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, de porcelana fina, de otras porcelanas, de productos de papel y de ladrillos refractarios.

Refractarios: Un material refractario puede soportar altas temperaturas sin desintegrarse (astillarse o fundirse). El ladrillo refractario que se utiliza en los hornos es un ejemplo muy común, y sin los refractarios, no sería posible la moderna industria del acero. Los materiales refractarios pueden colocarse o conformarse como ladrillos, lo cual se hace cuando se utiliza arcilla refractaria u otro material como mortero para unir los ladrillos refractarios.

El grafito es un material refractario excelente ya que no puede astillarse (o sea, no se pueden separar pedazos por el choque térmico) debido a su alta conductividad térmica. La mayoría de los refractarios tales como los ladrillos refractarios pueden soportar temperaturas levemente mayores a 1647 °C antes de desintegrarse. El grafito tiende a oxidarse en presencia de aire y puede utilizarse hasta 3316 °C.

El carburo de silicio abrasivo también puede utilizarse como refractario para altas temperaturas, pero es bastante caro para utilizarse en este sentido. Los ladrillos refractarios que contienen grandes cantidades de óxido de cromo se conocen como refractarios de cromita y son muy apropiados para usarlas a altas temperaturas en hornos de fusión de acero. El ladrillo de magnesita, compuesto predominante por óxido de magnesio, se usa también con este propósito. Los ladrillos refractarios aislantes se fabrican con arcilla refractaria común, pero para darles porosidad, la arcilla se combina con aserrín o con coque, material que se quema cuando el ladrillo se calcina.

LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES

CERAMICOS

Estructuras de los cerámicos cristalinos:

Existen dos características que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: el valor de la carga eléctrica de los iones componentes y los tamaños relativos de los cationes y aniones.

El cristal debe ser eléctricamente neutro, o sea todas las cargas positivas de las cationes deben ser equilibradas por un número igual de cargas negativas de los aniones.

Los tamaños de los radios iónicos de los cationes y aniones, rc y rA respectivamente. Puesto que los elementos metálicos 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 cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión tal como se ilustra en la figura:

Configuraciones estables e inestables de la coordinación entre aniones y cationes

Estructura del Cloruro Sódico

Un gran número de materiales cerámicos, 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 número de coordinación tanto para los cationes y los aniones de 6, por consiguiente, el cociente del radio del catión y del anión esta comprendido entre 0,414 y 0,732.

Estructura cristalina del Cloruro de Cesio

El número de coordinación 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 cúbica 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 típica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tiene estructura cristalina del tipo AX, en la cual el número de coordinación es 4; o sea, todos los iones están con coordinación tetraédrica. 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 fórmula química AmXp, donde m y/o p son diferentes de 1. El cociente de radios iónicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual, según la tabla 1, corresponde a un número de coordinación de 8.

Estructura Perovskite

Se encuentra en varios cerámicos eléctricos importantes, como el BaTiO3, y el SrTiO3. En este tipo de celda están presentes tres clases de iones. Si en las esquinas de un cubo están los iones de bario, los iones de oxígeno llenarán los sitios centrados en las caras y los iones de titanio ocuparán los sitios centrados en el cuerpo. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores.

Estructura de espinel

La estructura del espinel típica del MgAl2O4, tiene una celda unitaria que se puede visualizar como una formación de ocho cubos más pequeños. En cada uno de estos cubos menores se localizan iones de oxígeno en las posiciones normales de una red cúbica centrada en las caras. Dentro de los cubos pequeños hay cuatro sitios intersticiales octaédricos y ocho sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan tres. En espinel normal los iones bivalentes (como el ma2+) ocupan sitios tetraédricos y los triviales (como el Al3+), los octaédricos. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones triviales se localizan en los sitios octaédricos. Esta estructura la tiene muchos cerámicos eléctricos y magnéticos importantes, incluyendo el Fe3O4.

Grafito

Al grafito, una de las formas cristalinas del carbono, alguna veces se le considera material cerámico, aunque el carbono es un elemento y no una combinación de átomos metálicos y no metálicos. El grafito tiene una estructura hexagonal por capas y se utiliza como material refractario, como lubricante y como fibra.

IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS

CERAMICAS

Defectos atómicos puntuales.

En los compuestos cerámicos pueden existir defectos atómicos que involucran a los átomos disolventes. Tal como ocurre en los metales, pueden existir tanto vacantes iónicas como iones intersticiales; sin embargo, puesto que los materiales cerámicos contiene iones de dos tipos, pueden existir defectos con cada tipo de iones. Por ejemplo, en el NaCl pueden existir átomos intersticiales y vacantes de Na y átomos intersticiales y vacantes de Cl.

Un tipo de defecto está formado por una vacante catódica y un catión intersticial, esto se denomina un defecto de Frenkel.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catiónica-vacante aniónica conocido como defecto de Schottky. Este efecto debe visualizarse como el creado por la eliminación de un catión y un anión desde el interior del cristal y colocando a ambos en una superficie externa.

Impurezas en cerámicas.

Puesto que hay tanto cationes como aniones, una impureza sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en comportamiento eléctrico; si el átomo de impureza forma normalmente un catión en un material cerámico, lo más probable es que sustituya al catión disolvente. Por ejemplo, en el cloruro sódico, las impurezas iónicas Ca2+ y O2- sustituirán probablemente a los iones Na+ y Cl-, respectivamente.

Para que en el estado sólido haya una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales, los tamaños iónicos u la carga deben ser casi iguales a los de los iones disolventes.

Si una impureza iónica tiene una carga distinta de la del ion disolvente al cual sustituye, el cristal debe compensar esta diferencia de carga de manera que la electroneutralidad del sólido se mantenga. Una manera de conseguirlo es mediante la formación de defectos puntuales de la red: vacantes iónicas o iones intersticiales de ambos tipos.

Dislocaciones.

En algunos materiales cerámicos, incluyendo el LiF, el Zafiro (Al2O3), y el MgO se observan dislocaciones. Sin embargo, éstas no se mueven con facilidad por los siguientes factores que influyen:

Debido a un vector de Burgers grande, a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamiento, y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse frente a los de carga opuesta.

Debido a que no ocurre deslizamiento las grietas no se redondean por la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y, en consecuencia, su propagación continúa. El material cerámico es frágil.

Aunque las dislocaciones se mueven con mayor facilidad a temperaturas elevadas, es más probable que ocurra deformación mediante mecanismos como el deslizamiento de bordes de grano y el flujo viscoso de las fases vítreas.

Defectos superficiales.

Los cerámicos con un grano de tamaño fino tienen mayor resistencia que los cerámicos de grano más grueso. Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a

la alta expansión y la contracción anisotrópica. Normalmente, se produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas.

PROPIEDADES MECANICAS

Fallas mecánicas en los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles, particularmente a temperaturas bajas. El problema con la fractura frágil de los materiales cerámicos se intensifica por la presencia de imperfecciones como pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases cristalinas o un tamaño grande, que típicamente se introduce en el proceso de manufactura.

Fractura frágil.

Cualquier grieta o imperfección limita la capacidad de un producto cerámico para resistir un esfuerzo a tensión. Esto es debido a que una grieta concentra y amplifica el esfuerzo aplicado (defecto de Griffith).

Cuando se aplica un esfuerzo a tensión ; el esfuerzo real en el extremo de la grieta es:

Para grieta muy delgadas (r pequeña) o para grietas largas (a grande) la relación REAL/ se hace grande y el esfuerzo se amplifica. Si el esfuerzo amplificado excede el límite elástico, la grieta crece y finalmente causa la fractura, aún cuando el esfuerzo real aplicado sea pequeño.

Un esfuerzo aplicado genera una deformación elástica, relacionada con el módulo de elasticidad E del material. Cuando se propaga una grieta se libera ésta energía de deformación, reduciendo la energía general.

Los defectos resultan de máxima importancia cuando actúan esfuerzos de tensión sobre el material. Los esfuerzos a la compresión tienden a cerrar las grietas en vez de abrirlas: en consecuencia, a menudo los cerámicos tienen excelente resistencia a la compresión.

Tratamiento estadístico de la fractura frágil.

Debido a que las propiedades de los materiales cerámicos dependen en forma crítica del tamaño y geometría de los defectos siempre existentes, hay una dispersión considerable de los valores de resistencia, determinados a partir de ensayos de tensión, de flexión o a fatiga. Los componentes cerámicos producidos a partir de materiales idénticos, con métodos de producción idénticos, fallan a distintas cargas aplicadas. A fin de diseñar componentes estructurales utilizando cerámicos, debe tomarse en cuenta la probabilidad de que exista un defecto que pueda causar ruptura bajo cualquier esfuerzo. La distribución de Werbull y el módulo de Weibull proporcionan un tratamiento estadístico para diseñar piezas de materiales cerámicos.

La distribución de Weibull describe la fracción de las muestras que fallan a distintos esfuerzos aplicados. Una pequeña fracción de éstas contiene defectos lo suficientemente grandes para causar fractura a esfuerzos bajos; la mayor parte de las muestras fallan con un esfuerzo intermedio y unas cuantas contiene sólo defectos pequeños y no fallan hasta que se les aplican grandes esfuerzos.

Cuando el esfuerzo aplicado es alto, existe alta probabilidad de que cualquier muestra falle. Conforme se reduce el esfuerzo, también se reduce la probabilidad de que las muestras fallen.

Métodos para mejorar la tenacidad.

Un métodos tradicional para mejorar la tenacidad consiste en rodear las partículas frágiles del cerámico con un material matriz más suave y tenaz.

Otra alternativa es crear compuestos de matriz cerámica (CMC) introduciendo fibras o aglomerados cerámicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta propagarse en la matriz, encuentra la interfase entre matriz y fibra cerámica; la interfase ayuda a bloquear la propagación de la grieta.

Ciertos materiales cerámicos se pueden endurecer por transformación. En la circonia, por ejemplo, se puede absorber la energía de una grieta mediante una fase metaestable presente en la estructura original.

Esta absorción de la energía de la grieta, por la cual efectivamente se reduce su crecimiento, permitiendo que la fase metaestable se transforme en una forma más estable y al mismo tiempo ayuda a cerrar la grieta.

El procesamiento del producto cerámico debe ser también crítico para poder mejorar la tenacidad. Las técnicas de procesamiento que producen cerámicos con un grano excepcionalmente fino, de alta pureza y completamente densos, mejoran la resistencia y la tenacidad.

Deformación de los cerámicos a altas temperaturas.

En los cerámicos las dislocaciones no se mueven a bajas temperaturas y no se observa deformación plástica significativa. A temperaturas más altas, el flujo viscoso y el deslizamiento de bordes de grano se convierten en mecanismos importantes de deformación. El flujo viscoso ocurre en los vidrios y en los cerámicos que contienen una mezcla de fases vítrea y cristalina: el deslizamiento de bordes de grano ocurre en cerámicos que principalmente son cristalinos.

Flujo viscoso del vidrio.

Un vidrio se deforma por flujo viscoso si la temperatura es suficientemente alta. La aplicación de un esfuerzo cortante hace que un líquido fluya a una velocidad que varía con la posición.

En el vidrio, los grupos de átomos como las islas, anillos o cadenas de silicatos, se mueven ano al lado del otro en respuesta al esfuerzo, permitiendo la deformación. Sin embargo, la deformación entre estos grupos de átomos ofrece resistencia al esfuerzo cortante aplicado. A altas temperaturas, digamos por encima de la temperatura de fusión del vidrio, la resistencia es muy baja y el vidrio líquido se puede variar; esto es, se deforma y fluye bajo su propio peso. La viscosidad de un vidrio líquido es típicamente menor a 500 poises; más viscoso que el agua, pero aún capaz de fluir con facilidad.

La viscosidad del vidrio depende de la temperatura.

Conforme se reduce la temperatura, se incrementa la viscosidad y el vidrio se hace más difícil de deformar.

Termofluencia en los cerámicos

Los cerámicos cristalinos tienen buena resistencia a la termofluencia, por sus altos puntos de fusión y su elevada energía de activación para la difusión.

La termofluencia en los cerámicos cristalinos frecuentemente ocurre como resultado del deslizamiento de los bordes de grano. Conforme los granos se deslizan uno sobre otro, se pueden iniciar las grietas y finalmente causar la falla.

Varios factores facilitan el deslizamiento de los bordes de grano y, en consecuencia, reducen la resistencia a la termofluencia:

Tamaño de grano: Los tamaños e grano más pequeños incrementan la tasa de termofluencia.

Porosidad: Al incrementar la porosidad en el cerámico, se reduce su sección transversal y aumenta el esfuerzo que actúa sobre el producto cerámico para una carga dada; los poros también facilitan el deslizamiento de los bordes de grano. En consecuencia la tasa de termofluencia se incrementa.

Impurezas: Diversas impurezas pueden provocar la formación de fases en los bordes de grano, permitiendo termofluencia debido al flujo viscoso.

Temperatura: Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes de grano, incrementan la velocidad de difusión y promueven la formación de fases vítreas.

en los vidrios de silicatos, la mejor resistencia a la termofluencia se obtiene para el sílice puro; conforme se van agregando óxidos modificadores como el MgO. El SrO y el PbO, se reduce la viscosidad y por lo tanto la resistencia a la termofluencia.

Al calentarse el cerámico, el flujo viscoso de la fase vítrea promueve el deslizamiento de bordes de grano y reduce la resistencia a la termofluencia y a la temperatura. Si se permite que una fase cristalina precipite dentro de una fase vítrea, la viscosidad de la fase vítrea se incrementa mejorando la resistencia a la termofluencia.

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE PRODUCTOS DE ARCILLA

Los productos de arcilla forman un grupo de cerámicos tradicionales que se utilizan para la producción de tubos, ladrillos, artefactos de cocina y otros productos comunes, la arcilla como la caolinita, y el agua sirven como aglutinante inicial para los polvos cerámicos, el feldespato [(K, Na)2O. Al2O3. 6SiO2] sirven como agentes fundentes (formadores de vidrio) durante el tratamiento térmico posterior.

Técnicas de conformado para productos de arcilla

Los polvos, las arcillas, el fundente y el agua se mezclan y se les da forma. Mezclas secas o semisecas se comprimen en formas “verdes” (sin hornear) con suficiente resistencia para poder ser manejadas.

A mayores contenidos de humedad, los polvos son más plásticos o conformables. A éstas mezclas plásticas se les puede aplicar procesos de conformado hidroplástico, incluyendo extrusión, recortado y conformado a mano, los lodos cerámicos pueden inyectarse en moldes cuando contienen grandes cantidades de plastificantes orgánicos en vez de agua.

Después del conformado, los cuerpos cerámicos, es decir, los cuerpos verdes, siguen siendo débiles, contienen agua y otros lubricantes y son porosos, por tanto, se requiere de un secado y horneado posterior.

Secado y horneado de productos de arcilla

Durante el secado, la humedad excesiva se elimina y ocurren grandes cambios dimensionales. Inicialmente, el agua existente entre las plaquetas de arcilla o agua interparticular se evapora y es la causa de la mayor parte de la concentración. Después ocurrirá un cambio dimensional relativamente pequeño cuando se evapore el agua restante entre los poros. Para conseguir un secado uniforme de toda la pieza, se controla cuidadosamente la temperatura y la humedad, minimizando así esfuerzos, distorsión y agrietamiento.

La rigidez y la resistencia de una pieza cerámica se obtiene durante su horneado. A temperaturas más elevadas de horneado, con más vitrificación y menos porosidad se produce la loza pétrea o gres. Esta loza, utilizada para las tuberías de drenaje de aguas negras, contiene una porosidad de sólo 2 a 4 por ciento. La porcelana necesita temperaturas de horneado todavía superiores para obtener una completa vitrificación casi sin porosidades.

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERÁMICOS AVANZADOS

Los cerámicos estructurales avanzados están diseñados para optimizar las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparación con la cerámica tradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Se utilizan técnicas especiales para conformar estos materiales en productos útiles.

Muchos de los cerámicos más avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su composición, y se prensan para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sintetiza para que se desarrolle la microestructura y propiedades requeridas.

En algunos casos, particularmente en cerámicos avanzados, el conformado por compactación de polvos se efectúa a altas temperaturas, mediante prensas calientes o por compresión isostática en caliente. En este proceso los polvos se llevan en recipientes metálicos o de vidrio; entonces se calientan y compactan simultáneamente en un recipiente de gas inerte a presión.

Una diferencia entre los cerámicos avanzados y los metales típicos es que, una vez terminado el sinterizado y fabricado el componente cerámico, su microestructura queda fija.

Este proceso se utiliza para producir y consolidar polvos cerámicos excepcionalmente finos. Se prepara una solución coloidal líquida, que contenga iones metálicos disueltos. Las reacciones de hidrólisis forman

una solución organometálica o sol, compuesta por cadenas tipo polimérica, con iones metálicos y oxígeno. De las solución se forman partículas de óxido amorfo, las cuales producen un gel rígido. El gel es secado y horneado para el sinterizado y la compactación de la pieza terminada de cerámica.

El proceso sol gel se puede utilizar en la producción de UO2 para combustible de reactores nucleares, en estructuras perovskitas como el titanato de bario para dispositivos electrónicos, en alúmina de grano ultrafino para aplicaciones estructurales de alta resistencia y en una amplia variedad de otros productos cerámicos.

Materiales y aplicaciones avanzadas

Los cerámicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los óxidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecánicas como físicas a altas temperaturas.

Un extenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus únicas propiedades magnéticas, electrónicas y ópticas, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la detección de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prótesis y otros “componentes de repuesto para el ser humano”.La Alúmina(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 eléctrico, pero tiene alta conductividad térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

- El Carburo De Boro(B4C): Es muy duro y aún así extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas.

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

- El Nitruro De Silicio(Si3N4): 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.

- El Sialón: Se forma cuando el aluminio y el oxígeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansión térmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. El sialón 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. Además tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la alúmina, son aplicaciones en la producción de blindajes.

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

MATERIALES REFRACTARIOS

Son componentes importantes del equipo utilizado en la producción, refinación y manejo de metales y vidrios. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno. Los refractarios típicos están compuestos por diversas partículas gruesas de óxido aglutinadas con un material refractario más fino. Este segundo material se funde al hornearse y proporciona la unión. En algunos casos, los ladrillos refractarios contienen aprox. de 20 a 25% de porosidad aparente, a fin de conseguir un mejor aislamiento térmico.

Los refractarios se dividen en tres grupos: ácidos, básicos y neutros con base en su comportamiento químico.

Refractarios ácidos: Incluyen las arcilla de sílice, de alúmina y refractarios de arcilla. El sílice puro a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente débiles, pero poco costosos. Contenidos de alúmina por arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de alta alúmina.

Refractarios Básicos: Varios refractarios se basan en el MgO(magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero. Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos.

Refractarios Neutros: Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro.

Refractarios Especiales: El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros.

OTROS MATERIALES CERÁMICOS Y SUS APLICACIONES

Cementos:

En un proceso conocido como cementación, las materias primas cerámicas se unen utilizando un aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una reacción química convierte una resina líquida en un sólido que une las partículas. En el caso del silicato de sodio, la introducción de gas CO2 actúa como catalizador para deshidratar la solución de silicato de sodio y convertirla en un material vítreo.

La reacción de cementación más común e importante ocurre en el cemento Pórtland, utilizado para producir el concreto.

Recubrimientos:

Con frecuencia los productos cerámicos 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 cerámico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar protección y decorar, o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metálicas. Los esmaltados y vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fácilmente durante el horneado.

Mediante la adición 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 expansión térmica distinto al del material subyacente.

Para materiales cerámicos avanzados y para materiales de operación a alta temperatura se utilizan recubrimientos de SiC para mejorar su resistencia a la oxidación. A las superaleaciones base níquel se les puede aplicar recubrimientos de circonia, como barreras térmicas que protejen al metal contra la fusión o contra reacciones adversas.

Fibras

A partir de materiales cerámicos se producen fibras para diversos usos como esfuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de fibras ópticas. Las fibras de vidrio de borosilicato, las más comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. También se pueden producir fibras con una diversidad de materiales cerámicos, incluyendo alúmina, carburo de silicio y carburo de boro.

Superconductividad:

Fenómeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente eléctrica. Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. La superconductividad sólo se manifiesta por debajo de una determinada

temperatura crítica Tc y un campo magnético crítico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se conocía era de 23,2 K (-249,95 °C), en determinados compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio líquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una máquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba práctico el funcionamiento a gran escala de estas máquinas. Sin embargo, en 1986, los descubrimientos llevados a cabo en varias universidades y centros de investigación comenzaron a cambiar radicalmente la situación. Se descubrió que algunos compuestos cerámicos de óxidos metálicos que contenían lantánidos eran superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usar nitrógeno líquido como refrigerante. Como el nitrógeno líquido, cuya temperatura es de 77 K (-196 °C), enfría con una eficacia 20 veces mayor que el helio líquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicaciones potenciales empezaron a parecer económicamente viables. En 1987 se reveló que la fórmula 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 lantánidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubrió un óxido de cobre y talio-bario-calcio con una Tc de 125 K (-148 °C).

VIDRIOS

El vidrio es un liquido sobreenfriado y se encuentra en un estado metaestable, osea puede pasar a un estado de menor energía, solo si pasa por un estado de mayor energía. El vidrio fundido se enfría lentamente, para evitar su cristalización, es un material cerámico obtenido a partir de materiales inorgánicos a altas temperaturas, se distingue de otras cerámicas en que sus constituyentes son calentados hasta fusión y después enfriados hasta un estado rígido sin cristalización.

En un vidrio las moléculas cambian su orientación de una manera aleatoria en todo el sólido, 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; Sílice, (SiO2), Anhídrido Bórico (B2O3 ) y Anhídrido Fosforico ( B 2 O 5 ).

Materia Prima:

Las materias usadas para fabricar vidrio son:

Vitrificantes: tales como La sílice, con punto de fusión 1.720 °C.

Fundentes: Los mas usados son el Sulfato de Sodio y el Carbonato Sodico, son fácilmente atacables los vidrios formados por vitrificantes y fundentes.

Estabilizantes: Se añaden para obtener vidrios mas estables y menos atacables. Los mas usados son: Carbonato Calcico, Carbonato de Megnesio, Oxido de Bario(Barita), Oxido de Aluminio(Alumina), Oxido de Plomo y Oxido de Cinc.

Accesorias: Pueden ser afinantes , decolorantes, opalescentes o colorantes.

ESTRUCTURA DEL VIDRIO

Óxidos formadores de vidrio: Muchos vidrios inorgánicos están basados en el oxido de silicio, (SiO2), como formador de vidrio. La subunidad fundamental en los vidrios de sílice es el tetraedro SiO4 - en donde un átomo (ion) de silicio (Si4 +) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxigeno. En la variedad de Sílice cristobalita, por ejemplo, los tetraedros SiO4 se encuentran unidos compartiendo vértices en una disposición regular produciendo un orden de largo alcance, en un vidrio corriente de sílice los tetraedros están unidos por sus vértices formando una red dispersa sin orden de largo alcance.

El oxido de boro B2 O3, es también un oxido formador de vidrio y por si mismo forma subunidades que son triángulos planos con el átomo de boroligeramente fuera de plano de los átomos de oxigeno. Sin embargo. En los vidrios de borosilicato a los que se han adicionado óxidos alcalinos y alcalinoterreos, los triángulos de oxido BO3- Pueden pasar a tetraedros BO4- , en los que los cationes alcalinos y alcalinoterreos proporcionan la electroneutralidad necesaria. El oxido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, con vidrios de borosilicato y aluminoborosilicato.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería tales como construcción y vidriado de vehículos. En la industria eléctrica el vidrio es esencial para varios tipos de lámparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad para suministrar un cierre hermético.

En la industria electrónica los tubos electrónicos también requieren el cierre hermético proporcionado por el vidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores. La alta resistencia química del vidrio lo hace muy útil para los aparatos de laboratorio y recubrimientos resistentes a la corrosión, conducciones y recipientes en la industria química.

Temperatura de transición vítrea:

El comportamiento frente a la solidificación de un vidrio es diferente del de un cristal, un liquido que forma un sólido cristalino bajo solidificación (p. ej., un metal puro) normalmente cristalizará en su punto de fusión con una disminución significativa de su volumen especifico, por el contrario un liquido que forma un vidrio bajo enfriamiento no cristaliza el liquido se vuelve mas viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y se transforma desde un estado plástico blando y elástico a un estado vidrioso, quebradizo y rígido en un margen reducido de temperaturas.

Métodos de conformado del vidrio:

Los productos de vidrio se fabrican calentando primero el vidrio a una temperatura alta para producir un liquido viscoso que seguidamente se moldea, contorna o lamina en la forma deseada.

Conformado en hojas y laminas: Se fabrica mediante el proceso de flotado, en el cual una tira de vidrio sale del horno de fusión y flota sobre la superficie de un baño de estaño fundido, la lámina de vidrio es enfriada mientras se mueve a través del estaño fundido y bajo una atmósfera controlada químicamente cuando su superficie esta suficientemente dura, la lámina de vidrio se saca del horno sin ser marcada mediante rodillos y pasa a través de un largo horno de recocido llamado Lehr, donde se eliminan las tensiones residuales.

Conformado por soplado, prensado y moldeado del vidrio: Artículos huecos como botellas, jarras, y envolturas de tubos luminosos se fabrican soplando aire para ajustar el vidrio fundido dentro de los moldes. Artículos planos como lentes ópticas y lentes para faros se fabrican prensando con un émbolo en el molde que contiene vidrio fundido. Muchos artículos pueden fabricarse moldeando el cristal dentro de un molde abierto. Un gran espejo de telescopio en cristal. Artículos con forma de embudo como tubos de televisor se fabrican mediante moldeado centrífugo. Los trozos de vidrio fundido desde el alimentador se arrojan en un molde rotativo que origina que el vidrio fluya hacia arriba para formar un muro de vidrio de espesor de aproximadamente uniforme.

Conformado por vidrio templado: Este tipo es reforzado enfriando rápidamente con aire la superficie de vidrio después de que éste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. La superficie del vidrio se enfría primero y se contrae, mientras el interior esta caliente y se reajusta a los cambios dimensionales con pocas tensiones, cuando el interior se enfría y contrae, la superficie ya esta rígida, con lo que se crean fuerzas de tensión en el interior del vidrio y fuerzas de compresión en las superficies, este tratamiento de “templado” aumenta la resistencia del vidrio porque las fuerzas de tensión aplicadas deben sobrepasar las fuerzas de compresión de la superficie antes que se produzca la fractura. El vidrio templado tiene una mayor resistencia a los impactos que el vidrio recocido y es alrededor de cuatro veces mas fuerte. Las ventanas de los automóviles y el vidrio de seguridad para puertas son artículos que han sido templados térmicamente.

Conformado por vidrio reforzado químicamente: La resistencia de un vidrio puede incrementarse mediante tratamientos químicos especiales. Por ejemplo, si un vidrio de alumino-silicato de sodio se sumerge en un baño de nitrato de potasio a una temperatura de aproximadamente 50°C por debajo de su punto de tensión (" 500°C) durante 6 a 10 h, los iones más pequeños de sodio, junto a la superficie del vidrio son reemplazados por iones potasio más grandes. La introducción de los iones potasio más grandes en la superficie del vidrio produce fuerzas compresivas en la superficie y las correspondientes fuerzas de tensión en su centro. Este proceso de templado

químico puede ser usado en las secciones transversales más delgadas que puedan templarse térmicamente ya que la capa compresiva es muy fina, el vidrio químicamente reforzado se usa para aeronaves supersónicas y para lentes oftálmicas.

APLICACIONES DE LOS VIDRIOS

VIDRIOS OBSERVACIONES

Sílice (fundida)Difícil de fundir y fabricar , pero útil hasta

temperaturas de 1000°C. Muy baja expansión y alta resistencia al choque térmico.

Sílice 96%Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves

de borosilicato; se calienta para consolidar los poros.

Soda-cálcica: láminas de vidrioFácilmente fabricable. Usado ampliamente en una

variedad de aplicaciones; cristalería, para ventanas, contenedores y bombillas eléctricas.

Silicato de PlomoFunde fácil y es fabricable, con buenas propiedades

eléctricas.

Alto contenido en plomo

El alto contenido en plomo absorbe los rayos X; el alto índice de retracción es útil en lentes

acromáticas.

Vidrio para cristal decorativo.

Aplicaciones ópticas y vidrios de mesa.

Ventanas de radiación y lámparas de televisión.

Borosilicato: baja expansión

Baja expansión, buena resistencia al choque térmico y estabilidad química. Utilizando

ampliamente en la industria química.

Para utensilios de cocina, instrumentos de laboratorio, grandes espejos de telescopios, hornos

y lámparas reflectoras.

Baja pérdida eléctrica Bajas pérdidas dieléctricas.

Aluminoborosilicato: aparatos estándarContenidos altos en alumina y bajos en óxido bórico

mejoran la durabilidad química.

Bajo alcali (Vidrios E)Usado ampliamente para fibras en compuestos de

resina de vidrio.

Aluminosilicato Resistencia a altas temperaturas, baja expansión.

Cerámica vítrea

Cerámica cristalina fabricada por desvitrificación del vidrio.

Fácil fabricación, buenas propiedades. Diferentes vidrios y catalizadores.

BIBLIOGRAFÍA

WILLIAM D., Callister. “Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales”. Editorial Reverté, S.A. España 1995.

WILLIAM F., Smith. “Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales”. Editorial Mcgraw-Hill. España. 1999.

Enciclopedia Encarta 2000.

RICHARD A. FLINN y PAUL K. TROJAN. “Materiales de Ingeniería y sus aplicaciones.” Editorial McGraw-Hill. 3ª Edición 1989.

MATERIALES CERAMICOS

La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa

quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el

uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos.

Desde la década de los 50′s en adelante, los materiales más importantes fueron las

arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos] y similares, junto con el

cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También

puede buscarse la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental.

Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio

de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas

y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos no tradicionales.

Ejemplos de materiales cerámicos

• Nituro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo.

• Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.

• Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como

material refractario.

• Diboruro de magnesio (Mg B 2 ? ), es un superconductor no convencional.

• Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.

• Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos

de memorias magnéticas.

• Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.

• Ladrillos, utilizados en construcción

• Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares

• Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7 ? -x), superconductor de alta

temperatura.

Propiedades mecánicas de la cerámica

Los materiales cerámicos son generalmente iónicos o vidriosos. Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser

materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como

entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos

mencionados.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de

la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los

materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la

deformación plástica, y también es muy lenta. Aún así, es omitido en muchas

aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión y son capaces de operar en temperaturas

altas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas.

Procesado de materiales cerámicos

Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es

formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado,

estirado, colado o flotado.

Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de

procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos

categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por formación de

polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo sólido. Algunos

métodos usados son un híbrido de los dos métodos mencionados.

Capítulo 11:

 Clasificación de los materiales. (Cerámicos)

Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos lo propio con los materiales cerámicos. 

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden  fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación  con los metales.  Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.

Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tres dimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a la coordinación atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla la forma externa del cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque la superficie externa  se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar  uno de siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos están estrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volúmenes por superficies planas de intersección.

Sistema Ejes Ángulos Axiales

Cúbico a1=a2=a3 Todos los ángulos = 90°

Tetragonal a1=a2¹c Todos los ángulos = 90°

Ortorrómbico a¹b¹c Todos los ángulos = 90°

Monociclíco a¹b¹c 2 ángulos = 90°, 1 ángulo ¹ 90°

Triciclíco a¹b¹c Todos los ángulos diferentes, ninguno = 90°

Hexagonal a1=a2=a3¹c Ángulos = 90° y 120°

Romboedral a1=a2=a3 Todos los ángulos iguales, pero ninguno de 90°

Cristales Cúbicos. Los átomos pueden acomodarse en un patrón cúbico con tres diferentes tipos de repetición: cúbico simple (cs), cúbico de cuerpos centrados (ccc), y cúbico de caras centradas (ccac).

- Cúbico simple. Es hipotética para metales puros, pero representa un buen punto de partida. Además de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes en ángulos rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tiene contornos idénticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal. Del mismo modo, cualquier posición específica es idéntica en todas las celdillas unitarias.

- Cúbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un átomo en cada vértice del cubo y otro átomo en el centro del cuerpo del cubo.

- Cúbica de caras centradas. Este tipo de estructura se caracteriza por que en la esquina de cada celdilla unitaria y en centro de cada cara hay un átomo, pero no hay ninguno en el centro del cubo.

- Cristales Hexagonales. Existen dos representaciones de las celdillas unitarias hexagonales simples. Este tipo de celdillas no tienen posiciones internas que sean equivalentes a las posiciones esquina. Además, existen estructuras hexagonales. Compactas que se caracterizan por tener cada átomo en una capa situada exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres átomos de las capas adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano, seis átomos en su propio plano y tres en la capa superior.

Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemas de cristales y retículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios son comparables a los citados previamente.

Comportamiento Óptico de los cerámicos.

En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energía Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar a la capa de valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos,  porque después de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está dada por:

ln  I/I0 = t/t 

donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material. Después de tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la luminiscencia disminuirá de I0 a I . Los materiales fosforescentes son muy importantes en  la operación de las pantallas de televisión.

Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamente imposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los vidrios típicos están próximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su transparencia;  mientras que las porcelanas comunes,  sin ser tan reflejantes como los metales están por arriba de este dato, y son consideradas opacas.

Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las bandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.

La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y  los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al matriz, que  de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.

Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos. En la próxima entrega comenzaremos con el estudio de los materiales polímericos. ¡Hasta entonces!

4.8.4.-Estructura y propiedades de cerámicos

Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes.

Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos

consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que

puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se

encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

Materiales cerámicos

Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y

el carburo de tungsteno.

Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-

covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren

propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión.

Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales,

por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos.

Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no

cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.

Cerámicos cristalinos

Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de

solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales

regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas,

superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.

Cerámicos no cristalinos

Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es

rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los

átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.

Vitro cerámicos

Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de

enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales,

pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales

que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.

Propiedades y aplicaciones

Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades:

• Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y

a la cizalladura.

• Son capaces de soportar altas temperaturas

• Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión

• Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.

Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de

cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los

metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los

enlaces iónico-covalentes.

Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible.

Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores.

Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o,

incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue

que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.

Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales

híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals,

compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el

cobalto, el cromo y el hierro.

Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado.

El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad

para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material

cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación.

Resistencia a la temperatura

Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos:

elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.

Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el

volframio.

Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los

choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan

cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su posterior rotura.

Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.

Resistencia a los agentes químicos

La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran

estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a

los agentes químicos.

Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los

agentes químicos a que vayan ser sometidos.

La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su

resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.

4. MATERIALES CERÁMICOS

Los productos cerámicos son materiales sólidos inorgánicos no metálicos que pueden ser cristalinos o no cristalinos. Los materiales cerámicos no cristalinos incluyen el vidrio y unos cuantos materiales más con estructuras amorfas.

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Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste, no se deforman fácilmente cuando se someten a esfuerzos y son menos densos que algunos metales empleados en aplicaciones de alta temperatura. Algunos materiales ceramicos que se usan en aviones, proyectiles y vehículos espaciales pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes metálicos a los que sustituyen.

A pesar de tantas ventajas, el empleo de productos cerámicos como materiales de ingeniería ha estado limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. En tanto que un componente metálico podría abollarse si se le golpea, una pieza cerámica por lo regular se hace pedazos porque los enlaces impiden que los átomos se deslicen unos sobre otros. Además, es difícil fabricar componentes cerámicos sin defectos. Efectivamente, los elevados costos de fabricación y la incierta confiabilidad de los componentes son barreras que deberán vencerse antes de que los materiales cerámicos se utilicen más ampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. Es por ello que la atención en años recientes se ha enfocado en el procesamiento de los materiales cerámicos, así como en la formación de materiales cerámicos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cerámicos delgados sobre materiales convencionales.

 Materiales cerámicos compuestos

Los objetos cerámicos son mucho más fuertes cuando se forman a partir de una mezcla compleja de dos o más materiales. Semejantes mezclas se denominan materiales compuestos o composites. Los materiales compuestos más eficaces se forman por la adición de fibras cerámicas a un material cerámico.

Así, el material compuesto consiste en una matriz cerámica que contiene fibras embebidas de un material cerámico, que podría o no tener la misma composición química que la matriz. Por definición, una fibra tiene una longitud de por lo menos 100 veces su diámetro. Las fibras suelen tener una resistencia elevada cuando se someten a cargas aplicadas a lo largo de su eje longitudinal. Si las fibras están embebidas en una matriz, la fortalecen porque resisten deformaciones que ejercen un esfuerzo sobre la fibra a lo largo de su eje longitudinal.

La formación de fibras cerámicas se ilustra con el caso del carburo de silicio, SiC, o carborúndum. El primer paso de la producción de fibras de SiC es la síntesis de un polimero, polidimetilsilano:

Si este polímero se calienta a cerca de 400ºC, se convierte en un material que tiene atomos de carbono y silicio alternantes a lo largo de la cadena:

Las fibras formadas a partir de este polímero se calientan entonces lentamente a cerca de 1200° C en una atmósfera de nitrógeno para expulsar todo el hidrógeno y todos los átomos de carbono excepto los que enlazan directamente los átomos de silicio.

El producto final es un material cerámico con composición SiC, en forma de fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 15 um. Mediante procedimientos similares, partiendo de un polímero orgánico apropiado, es posible fabricar fibras cerámicas con otras composiciones, como el nitruro de boro, BN. Si las fibras cerámicas se agregan a un material cerámico procesado como se explicó antes, el producto resultante tiene una resistencia mucho más alta a las fallas catastróficas por agrietamiento.

Aplicaciones de los materiales cerámicos

Los productos cerámicos, sobre todo los nuevos "composites" cerámicos, se utilizar ampliamente en la industria de las herramientas para cortar. Por ejemplo, la alúmina reforzada con fibras extremadamente finas de carburo de silicio se usa para cortar y maquinar hierro colado y aleaciones más duras a base de níquel. También si utilizan materiales cerámicos en las ruedas de amolar y otros abrasivos a causa de si excepcional dureza (Tabla 12.4). El carburo de silicio es el abrasivo más ampliamente utilizado.

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 Los materiales cerámicos desempeñan un papel importante en la industria electrónica. Los circuitos integrados semiconductores generalmente se montan en un sustrato de cerámica, por lo regular alúmina. Algunos materiales cerámicos, notablemente el cuarzo (Si O2 cristalino), son piezoeléctricos, lo que significa que generan un potencial eléctrico cuando se les somete a un esfuerzo mecánico. Esta propiedad hace posible el empleo de materiales piezoeléctricos para controlar las frecuencias en los circuitos electrónicos, como en los relojes de cuarzo y los generadores ultrasónicos.

Se usan materiales cerámicos para fabricar placas cerámicas que cubren las superficies de los transbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la atmósfera terrestre. Las placas se fabrican con fibras de sílice cortas de alta pureza reforzadas con fibras de boro silicato de aluminio. El material se moldea en bloques, se sinteriza a más de 1300° C luego se corta en placas. Las placas tienen una densidad de apenas 0.2 g/cnr, pero pueden mantener la piel de aluminio del trasbordador

por debajo de los 180º C cuando la temperatura superficial es de hasta 1250ºC.

Capítulo 17:

 Clasificación de los Materiales. (Compuestos)

Para finalizar, trataremos brevemente las características generales de los materiales compuestos.

Este tipo de materiales se definen básicamente como la unión de dos materiales para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales de forma individual. Se clasifican es tres categorías generales:

- Particulados. Dentro de  estos podemos distinguir dos tipos; los dispersoides, que son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a

250 nm de diámetro, que aunque no sean coherentes con la matriz, bloquean el movimiento en las dislocaciones y producen un marcado endurecimiento del material matriz; y los "verdaderos" que contienen grandes cantidades de partículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseñados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material.  Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de sus constituyentes, de forma que se pueden predecir con exactitud mediante la llamada regla de la mezclas, que es la sumatoria de las propiedades (densidad, dureza, índice de refracción, etc.) por la fracción volumétrica del constituyente.

- Reforzados con fibras. Por lo general, este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite al fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. De forma semejante a los compuestos particulados, al regla de las mezclas predice algunas de sus propiedades.

- Laminares. Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones específicas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un b ajo costo, alta resistencia o bajo peso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior al desgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características de expansión térmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimar algunas de las propiedades, paralelas a la laminillas de los materiales compuestos laminares. También se pueden calcular con poco margen de error: la densidad y la conductividad eléctrica y térmica.

Material compuestoDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegación, búsqueda

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Contenido[ocultar]

1 Estructura 2 Clasificación

o 2.1 Materiales Compuestos reforzados con partículas. o 2.2 Materiales Compuestos reforzados con fibras. o 2.3 Materiales compuestos estructurales.

3 Ejemplos de materiales compuestos 4 Procesos de fabricación

5 Bibliografía

Estructura [editar]

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Clasificación [editar]

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partículas. [editar]

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Endurecidos por dispersión Formados por partículas verdaderas

Materiales Compuestos reforzados con fibras. [editar]

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Materiales compuestos estructurales. [editar]

Panel sandwich con núcleo en forma de panal.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia,, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con

frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Ejemplos de materiales compuestos [editar]

Plásticos reforzados con fibra: o Clasificados por el tipo de fibra:

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado de fibra de vidrio o GFRP o reinforced plastic

GRP (informalmente, "fibra de vidrio") o Clasificados por la matriz:

o

Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio.

Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs: o Cermet (cerámica y metal). o Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica) o Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica: o Hormigón /Concreto o Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito). o Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno) o Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico o Madreperla o nácar o Concreto asfáltico

Madera mejorada o Plywood o Tableros de fibra orientada. o Trex o Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno) o Pycrete (serrín en matriz de hielo)

Procesos de fabricación [editar]

Moldeo SMZ Moldeo por proyección Moldeo por vía húmeda ó contacto Apilado por bolsa de vacío Resine Transfer Moulding, RTM Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM Resine Infusion Moulding, RIM

Filament Winding Fiber Placement Pultrusión Automatic Tape Laying, ATL Eb couring

Bibliografía [editar]

Callister. Ciencia e ingeniería de materiales.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Material_compuesto"

1. Introducción

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.

En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio

Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación.

2. Estructura de los materiales compuestos

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar

fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de

partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de CMM son comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5 mm). El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido de uso frecuente, su utilización se ha visto restringida en algunos países a causa de su carácter nocivo para la salud humana.

Interfase matriz-refuerzo

La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.

3. CMM: propiedades y comportamiento

Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica). Es así como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus propiedades, tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la aleación base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtención de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz

Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.

Figura 3. La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas duras y blandas varía en función del volumen del material reforzante

Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.

Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.

4. Métodos de obtención

Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso:

En estado líquido (fundición, infiltración), En estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en

caliente), En estado semisólido (compocasting) y En estado gaseoso (deposición de vapor, atomización,

electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico

En la figura 1, se muestra el proceso de obtención de materiales compuestos por la vía de fundición, utilizando un agitador para homogeneizar las partículas del refuerzo en la matriz de aluminio.

Figura 1. Método de fundición con agitación.

En los métodos relacionados con la fundición deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Empleo de una capa de gas inerte Técnicas de desgaseado por inyección rotatoria Argón-SF6 Evitar sobrecalentamientos (Formación de carburo de

aluminio) Agitación para el mezclado del refuerzo con el aluminio

fundido) Evitar turbulencias (se atrapa gas)

En el caso donde el metal se infiltra sin presión en una preforma del material cerámico poroso, como se observa en la figura 2. En este caso la filtración del metal depende del nivel de porosidad interconectada en el material cerámico

Figura 3. Esquema del método de infiltración para obtener materiales compuestos.

Los pasos que se siguen cuando se emplea la pulvimetalurgia para obtener materiales compuestos con matriz de aluminios son los siguientes:

Mezclado de los polvos Compactado Sinterizado Acabado del producto

Los materiales en forma de polvo son mezclados previamente hasta obtener una distribución homogénea, luego son prensados para obtener la forma de la pieza que se quiere obtener y después se procede a la sinterización. El proceso de sinterización generalmente se desarrolla en atmósfera de nitrógeno o amoniaco disociado.

Otro método empleado es el de al fundición prensada, mediante este método el metal solidifica bajo la presión, entre moldes cuyas superficies son presionadas en una prensa hidráulica. La presión aplicada y el contacto con el molde favorecen la transferencia de calor, por lo que el enfriamiento es rápido y se obtiene un grano fino, libre de poros y propiedades mecánicas cercanas a la materia prima

También se obtienen materiales compuestos con matriz de aluminio mediante extrucción, cuando se hace pasar el material preconformado, tanto en frío, como en caliente a través de troqueles con la forma que se desea, generalmente piezas simétricas a través de un eje.

Mediante la extrucción se logra acabado superficial y exactitud dimensional. Aunque a veces se requieren operaciones de maquinado pequeñas tales como taladrado, pequeños cortes, etc.

5. Estudios reportados en patentes

A continuación se muestran algunos trabajos presentados en patentes, en los que aparecen diferentes variantes en la obtención de materiales compuestos:

Reacción de aglutinación para preparar un material compuesto de aluminio nitrurado reforzado con un material cerámico, desarrollado en la patente CN1099739, en el año 1995, por Kefeng Cai (Cn); Cewen Nan (Cn); Xinmin Min (Cn). Un material compuesto de aluminio nitrurado con partículas de porcelana se obtiene mezclando previamente los polvos de aluminio y cerámicas, molida en un molino de bolas, secado en un horno al vacío, tamizado y conformado en una prensa en frío, y sinterización en atmósfera de nitrógeno. El material obtenido tiene las ventajas de emplear temperaturas relativamente bajas, materias primas de fácil obtención y baratas; se obtienen buenos cristales de nitruro de aluminio, no se produce contracción en el objeto sinterizado y además el costo de fabricación es bajo.

Preparación de un material compuesto de aluminio reforzado con granos de cerámica, desarrollado por Xie Guohong (Cn), reportado en la patente CN1182063, con fecha del 1998. Los granos de material cerámico son tratados con fluorato como asistente para sumergirlos; ellos son disueltos en una solución acuosa de K2ZrF6 o K2TiF6 a una temperatura de 80-95°C o mezclados con fluorato antes de calcinarlos, los granos de material cerámico de esta forma tratados son colocados en la parte superior del aluminio fundido y se mantiene la temperatura durante cierto período, el aluminio agitado es colado en un molde. Este invento puede incrementar las propiedades del aluminio para mojar la superficie de los granos de las cerámicas y a partir de una ligera agitación es posible preparar el material compuesto requerido en el medio ambiente de la atmósfera.

Método para la preparación de un material compuesto de aluminio y cerámicas, es propuesto mediante la patente CN1199101, del 1998, propuesta por Feng Di (Cn); Han Guangwei (Cn); Yin Ming (Cn). Un método para preparar un material compuesto de aluminio y cerámicas continuos preparando previamente piezas de material cerámico comunicadas con orificios en tres dimensiones, el aluminio aleado fundido recubre las piezas de cerámicas preelaboradas, al sumergir dichas piezas en el aluminio fundido. Luego las piezas son calentadas en una atmósfera de un gas inerte para su protección entre 760 y 1 200°C durante un período de 1 a 10 h, tomando entonces las piezas preelaboradas fuera del horno.

Material Compuesto formado por un material intermetálico de hierro-aluminio y óxido de aluminio y su preparación, son

mostrados en la patente CN1210097, del 1999 por Yin Yansheng (Cn); Zhang Yujun (Cn); Sun Kangning (Cn). En esta patente se describe la formación de un material compuesto formado por un material intermetálico de hierro y aluminio y alúmina. Este material presenta altas propiedades mecánicas, resistencia a las altas temperaturas, a la corrosión y a la oxidación y puede ser empleado para producir herramientas de corte o matrices

La superficie de un freno hecho de un material compuesto en base a aluminio reforzado por cristales de borato de magnesio wisker y partículas de material cerámico, es descrito en la patente CN1414132, del 2003 por Fei Weidong (Cn); Shi Gang (Cn); Li Yilin (Cn). Un whisker de borato de magnesioy partículas de cerámica (SiC y/o partículas de borato de aluminio y/o Al2O3 y/o ZrO2) refuerzan un material base formado por una aleación de aluminio. Sus ventajas son su alta resistencia al desgaste, conductividad térmica, un excelente comportamiento ante las altas temperaturas y un coeficiente de fricción estable.

Preparación de un material compuesto de base aluminio y el proceso pulvimetalúrgico empleado para preparar el material, aparecen en la patente CN1487109 del 2004, cuyos autores son Fan Tongxiang (Cn); Zhang Di (Cn); Yang Guang (Cn). Esta patente pertenece al campo de la tecnología de preparación de materiales compuestos. El material compuesto que se obtiene tiene la siguiente expresión química AlaMgbBcMd,, donde a se encuentra entre 50-96, b entre 1-7, c entre 9-90 y d entre 0-13¸M puede ser uno de los siguientes elementos: Si, Cu, Ni, Ti, Fe, Cr, La, Mn, Ce, Zn, V y Zr. La preparación del material es un proceso combinado que comprende metalurgia de polvos y reacción in situ, también comprende mezclado de materiales en polvo, prensado en frío para conformar el material, calentamiento y prensado en caliente del material en polvo para producir una reacción química a una temperatura por encima de 950°C. dentro de la aleación base de aluminio, se añade un material cerámico de A1MgB14 se forma para formar el material compuesto. El material cerámico refuerza al material compuesto formado, este material cerámico tiene muy poco peso y alta resistencia, puede ser empleado en la industria del transporte y en la industria de la defensa.

Un proceso para sinterizar diboro de zircornio de alta pureza y Al2O3como material compesto en un solo paso. Esta patente es la CN1587188 del 2005, cuyos autores son Yang Zhenguo (Cn); Yu Zhiqiang (Cn). La presente patente trata de un proceso tecnológico de autoexpansión con alta temperatura reductora, para sintetizar el polvo cerámico compuesto ZrB2-Al2O3 en solo un paso. El metal activo reductor y el óxido barato como material son sintetizados en un material compuesto de alta pureza ZrB2-Al2O3 en forma de polvo ZrB2-Al2O3. Comparado con los procesos tradicionales, el polvo sintetizado tiene alta pureza, un tamaño de grano pequeño, un

proceso simple, menor consumo de polvos, corto tiempo y bajo costo de producción.

Método de síntesis de un material compuesto formado por nitruro de aluminio ultra fino en fase de polvo cerámico mediante auto retardo. Patente CN1618767 del 2005cuyos autores son Ge Changchun (Cn); Chen Kexin (Cn); Li Jiangtao (Cn). Un proceso de autocontrol en su proceso para la preparación de superfino un compuesto cerámico en forma de polvo (AlN/ZrN/AL3Zr o AIN/ZrN) es revelado. Dicho AIN/ZrN/Al3Zres preparado a partir de AIN, ZrN, Al y Zr y Nitrógeno a través de la reacción SHS. Dicho AIN/ZrN es preparado a partir de Zr en polvo y AIN en polvo y N2 a través de la reacción SHS.

Material compuesto de zinc-aluminio reforzado con partículas de cerámicas y proceso de preparación. Patente CN1648269 del 2005 de Geng Haoran (Cn); Lin Ling (Cn); Cui Feng (Cn). La patente presente pertenece al campo de los materiales compuestos y especialmente a los materiales compuesto de aleaciones Zn-Al reforzado por partículas cerámicas capaz de ser usado en pares de deslizamiento y su proceso de obtención. El material compuesto consiste en Al 25-45 wt%, Cu 1.0-2.5 wt%, Sb 0.2-2.5 wt%, Te 0.05-0.15 wt%, Mg 0.02-0.15 wt%, Ti 1.80-5.0 wt%, y B 0.8-2.5 wt% excepto Zn y Fe, las impurezas inevitables totales se encuentran por debajo del 0,3%. Se prepara en dos etapas de un proceso de fusión, el que incluye el paso previo de producir una carga de Al-Ti-B en un bloque prefabricado comprimido con polvo de Ti, polvo de KBF4, Na3AlF6, y aluminio y aluminio fundido y a través de reacción y el último paso fusión de una carga de Al-Ti-B, otro carga y colada. El material compuesto de la siguiente patente tiene un excelente desempeño, incluyendo alta resistencia, alta resistencia al desgaste, bajo coeficiente de expansión lineal y buen desempeño ante las altas temperaturas.

Material compuesto en base a aluminio reforzado por un material cerámico recubierto por trióxido de dibismuto. Patente CN1648270 del 2005 de Fei Weidong (Cn); Li Zhijun (Cn); Wang Lidong (Cn). La patente está relacionada con un material compuesto en base de aluminio reforzado por una fase cerámica que representa del 5 al 50% del volumen total y donde el trióxido de dibismuto representa entre el 2 y 20% del material cerámico. La capa de trióxido de dibismuto se distribuye en la interfase entre el cuerpo reforzante y el cuerpo base a través de una reacción aluminotérmica con le aluminio del cuerpo base. Durante la deformación en caliente del material compuesto y después de que la temperatura supera el punto de fusión del bismuto (270°C), el bismuto fundido en la superficie actúa como lubricante el material reforzante y el material base, reduce la temperatura de deformación y el costo de maquinado reduce el daño a la fase cerámica y mantiene excelente el desempeño mecánico del material deformado.

Método de preparación de un material compuesto cerámico cuya base es el trióxido de aluminio. Patente CN1657486 del 2005 de Zhang Xihua (Cn); Zhang Jianhua (Cn); Liu Changxia (Cn). Un material compuesto en base a alúmina con alta dureza y resistencia se prepara a partir de la obtención del compuesto intermetálico AlTiC en un horno de inducción, mezclando partes proporcionales de alúmina y óxido de zirconio, en un molino de bolas, prensado en un molde caliente y sinterizando en atmósfera de nitrógeno. Este puede ser útil para moldes, boquillas de sand-blasting o herramientas de corte.

Método para preparar un material compuesto cerámico en polvo, whisker de carburo de silicio y óxido de aluminio, a partir de caolín natural. Patente CN1821175 del 2006 de los autores Zou Zhengguang Long (Cn). Esta patente muestra el proceso de preparación de un material compuesto cerámico en polvo de whisker de carburo de silicio y alúmina con caolín natural. El proceso incluye un paso en un molino de bolas, mezclado de los materiales, que incluye al caolín y una fuente de carbón, la cual puede ser grafito, carbón o un material orgánico con alto peso molecular, las proporciones deben ser 1 : 3. Posterior secado y se coloca dentro de un crisol de alúmina, en un horno, el cual se le produce vacío y se llena con argón hasta 1 atmósfera como medio de protección contra el oxígeno en el aire, se eleva la temperatura a una velocidad de 10 a 15 grado centígrado por minuto durante 2-4 horas y naturalmente enfriamiento dentro del horno para obtener polvo de carburo de silicio y alúmina en el nivel nanométrico. La patente emplea materiales baratos, un proceso de síntesis simple, fácil control del proceso.

Material compuesto cerámico de óxido de aluminio lining board y método de preparación. Patente CN1821165 del 2006, Wu Dongsheng (Cn). Este compuesto es preparado con polvo de alúmina (75-85%), acetona (2-4%), ebullidores de vidrio (1,5-3,5%), trietil dimetil silano (0,5-2,5%), titanato (4-6%) y cuarcita (5-10%). A través de mezclado, moldeo en frío, calentamiento entre 380 y 420°C durante 8-12 h, prensado en caliente a 18-22 MPa durante 0,5 a 2 h y enfriamiento a temperatura normal. El material compuesto de alúmina conocido como lining board tiene entre sus características resistencia a alta temperatura, antioxidante, elevada resistencia al desgaste, retardador de fuego, bajo coeficiente de fricción, relativa alta resistencia y es utilizable para uso en los campos de la industria mecánica, química y otras.

Empleo de una capa de cerámica para fortalecer un material compuesto en base a zinc o aluminio y proceso de obtención. Patente CN1793406 del 2006 de Fei Weidong Yue (Cn). Esta patente señala como una capa de pintura de ZnO cerámica puede reforzar a un material compuesto de base zinc o aluminio y su proceso de obtención. Lo cual resuelve el problema de la baja humectación y resistencia de la interfase de unión en los materiales compuestos

comúnmente. El proceso incluye los siguientes pasos: adición de la fase cerámica en un sol de pintura cerámico de ZnO, formación de la fase de pintura ZnO, formación de un bloque preconformado y calcinación, además empleo de un proceso de extrución. La pintura de ZnO puede incrementar la fase cerámica y la posibilidad de mojar del material base. Además puede incrementar las propiedades mecánicas del material compuesto.

Reforzamiento de la capa de cerámica que contiene SnO2, en un material compuesto en base a magnesio o aluminio. Patente CN1769511 del 2006 por Fei Weidong Wang (Cn). Esta patente explica la obtención de una capa de fase cerámica que contiene SnO2

En materiales compuestos en base a aluminio o magnesio, el cual pertenece al campo de los materiales compuestos. Dicho material está formado por la capa de SnO2, la fase cerámica reforzante y el material base, que puede ser aluminio o magnesio. La película de SnO2 colocada por método químico o físico, puede incrementar la humectación de la fase y matriz e inhibir la reacción en la interfase, decrece la temperatura de deformación plástica del material compuesto y además tiene mejores propiedades mecánicas.

Material compuesto de aluminio reforzado con material cerámico granulado. Método de preparación. Patente CN1676644 del 2005 de Cui Chunxiang (Cn); Shen Yutian (Cn); Liu Shuangjin (Cn); Wang Ru (Cn); Qi Yumin (Cn); Wang Xin (Cn). Esta patente es sobre un material compuesto en base a aluminio reforzado por partículas de material cerámico granulado, está relacionado con una matriz de aluminio aleada. Sus componentes son: 2.5-15% TiN, 2.4-10% AIN, 4-6.5% Si, 0.5-1.5% Cu, 0.3-0.5% Mg, 0-0.8% Ni, 0-0.5% Ti, y el resto es Al, el método de obtención adopta un método de mezclado por fundición, donde se funden los materiales reforzantes se añaden al material base fundido, se modifica al material fundido y se produce la colada, se le da tratamiento térmico. El tamaño de la fase reforzante es de 5 a 10 micrómetros y el grado de vacío en el horno es de 1,3 . 10-3 Pa, la temperatura es de 670 a 800°C, el agente modificante se adiciona en la proporción de 1,8 g or kg del material compuesto que contiene de 1 a 6% sodio y polvo nanométrico de aluminio, el material compuesto de esta patente es más ligero, posee mayor módulo, mayor resistencia, buena conducción del calor y comportamiento al desgaste abrasivo y su preparación tiene bajo costo, la técnica es simple y puede reproducirse industrialmente.

Método de producción de material en base a aluminio reforzado con partículas cerámicas en un nanomaterial. Patente CN1667145 del 2005 deGu Wanli (Cn). Esta patente produce un material nano, de aluminio reforzado con partículas cerámicas y señala el método de su obtención. Su rasgo distintivo lo constituyen las partículas de cerámica con 21 nanómetros a 100 micrómetros y el polvo de aluminio, los que son mezclados en cantidades de 3 a 20% para el material cerámico y de 80 a 97% del aluminio. El polvo es

pasado por un molino de bolas, entonces son puestos en un molde, sinterizados y fundidos, el material se deja enfriar a una velocidad no superior a 200°C por minuto. En el material compuesto, los granos del aluminio pueden ser menores que 100 nanómetros y de acuerdo a ello la dureza del material puede incrementarse hasta tres veces la del material común, si las dimensiones de los cristales se encuentran por debajo de 100 nanómetros. Por ejemplo, para un un material compuesto de aluminio con SiC al 10%, puede alcanzar una dureza de 200HV e incluso llegar hasta 260HV, pero el material no nanométrico solo alcanza cerca de los 60HV, la tenacidad a la rotura puede incrementarse de 110Mpa a 180 MPa.

El fuselaje de un avión en su parte exterior es un material compuesto tipo sándwich formado por fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de cerámicas y aleaciones de alumnio o titanio. Patente DE102004001078 del 2005 de Mueller Rainer (De); Turanski Petra (De); Oestereich Wilko (De); Reinelt Thorsten (De). El fuselaje de un avión tiene una estructura que consiste en un marco y horcones dentro de la capa exterior. Esta capa se produce a partir de un material no metálico resistente al fuego o de una pieza metálica resistente al fuego o mediante la combinación de ambos. El material no metálico puede ser fibra de carbón, vidrio o material cerámico o la combinación de estas. El metal es el aluminio, titanio o sus aleaciones dentro de una resina o recubiertos por esta.

6. Conclusiones1. Los materiales compuestos son aquellos que están formados

por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas.

2. Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso: en estado líquido (fundición, infiltración), en estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente), en estado semisólido (compocasting) y en estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico

3. La pulvimetalurgia es uno de los métodos más empleados para la obtención de materiales compuestos con matriz de aluminios, entre los pasos seguidos para la obtención de estos materiales se encuentran: Mezclado de los polvos, Compactado, Sinterizado y Acabado del producto

Autor:

Dr. Lázaro Pino Rivero

lazaropr[arroba]uclv.edu.cu

MATERIALES COMPUESTOS

INTRODUCCIÓN:Bajo esta denominación comprende un conjunto de materiales cuyo origen es más bien técnico. Están constituidos por dos o más materiales distintos, con unas propiedades bastante diferentes a las que tendría cada uno por sí mismo. Son esencialmente insolubles entre sí, lo que pretende lograr es un material compuestos con unas características a ser posible superiores o más importantes a los materiales por separado. La naturaleza nos ofrece un material compuesto natural que es la madera. También los hormigones hechos basándose en cemento y grava, el asfalto, los plásticos reforzados con fibra de vidrio, etc.Los materiales compuestos pueden ser de dos clases fundamentalmente: macroscópicos y microscópicos. Los macroscópicos, cuyo ejemplo típico es el hormigón (compuesto de cemento y grava, como hemos dicho antes) como material de construcción o el hormigón armado. Luego están los microscópicos, con estos materiales se pretende aumentar los valores normales de algunas propiedades físicas, también las características mecánicas (la resistencia, la dureza, el límite elástico, etc.) o también las características térmicas. Todas estas características suelen aglutinarse en la denominación de termoelásticas. Los materiales compuestos microscópicos pueden ser de refuerzo continuo (lo que comúnmente se conoce como fibras) y con refuerzo discontinuo (que están formadas por partículas peque_as).En los últimos a_os, ha habido un rápido crecimiento del uso de los materiales compuestos reforzados con fibras, sobre todo en aplicaciones técnicas. Este crecimiento es debido ha que los materiales compuestos se van reemplazando por los materiales que se iban utilizando hasta ahora, como por ejemplo los metales. Esto se debe a las características casi siempre superiores de los materiales compuestos.

Los materiales compuestos están formados por dos partes claramente dirferenciadas: la matriz, que sirve fundamentalmente de base de los otros materiales y los materiales reforzadores que serán, de otra clase de material, distinto de la matriz. Las matrices pueden ser de tres tipos diferentes: materiales compuestos de matriz plástica o MCMP o de matriz polimérica, materiales compuestos de matriz metálica y materiales compuestos de matriz cerámica. De este modo el aumento de características termo elásticas depende fundamentalmente del tipo de preparación usado, de las condiciones físicas, etc. La temperatura es un factor fundamental. Entre matriz y reforzante, la elección de la matriz no se debe quedar en la elección del material buscado como sólo un buen aglutinante, porque el efecto tenso elástico es debido al material reforzante, la matriz se tiene que definir otras propiedades del material compuesto, como son las conductividades térmica y eléctrica. La matriz tendrá que tener propiedades elásticas y plásticas, con una baja densidad y una alta resistencia térmica. Los materiales más usados en las matrices son polímeros, metales y cerámicos.En principio cualquier material valdría para matriz, pero en la práctica sólo se usan unos pocos materiales. Esto es propiciado porque hay factores determinantes tales como facilidad en la fabricación, propiedades finales que se desean que tengan, que haya una compatibilidad con las fibras con las que vayan a reforzar y principalmente el coste.Las fibras más importantes son de tres clases: fibras de vidrio, fibra de carbono y la de poliamida. Las propiedades de las fibras dependen del procedimiento de fabricación y de las condiciones de procesado. Las fibras afectan las propiedades de los materiales compuestos.

CARACTERÍSTICAS FIBRA Y MATRIZ:Teniendo en cuenta el contacto fibra- matriz debe ser superficialmente, un factor importante es la cuna capacidad mojante de ambos, de un modo concreto que no se produzcan poros en la intercara, porque sino se producirá un debilitamiento de la mutua adherencia. Por esta razón a las fibras se las suele dotar de un recubrimiento previo a su colocación. Este recubrimiento debe tener un doble efecto:- aumentar el poder mojante de la matriz hacia la fibra- proteger a ésta del posible ataque del medio en que se sitúa.Interviene también la diferencia de coeficientes de dilatación de ambos componentes, con una consecuencia, las tensiones de origen térmico que aparecen en el calentamiento o enfriamiento del sistema.

Para muchas fibras reforzantes, se ha comprobado, que aguantan sin romperse hasta la tensión de rotura, cuando la relación entre su longitud y su diámetro es de 100:1.

UNIÓN FIBRA-MATRIZ:Esta relación matriz-fibra es consecuencia de un efecto sinergético de ambas. En el trabajo del material compuesto se sobrepasan ciertos valores de la tensión, puede suceder la rotura de la fibra, aparecen

esfuerzos de cizalladura en la matriz y se crean tensiones en las fibras rotas. Entonces se produce una transferencia de carga y una cooperación en el esfuerzo del material compuesto o composite. Los efectos termoelásticos, entonces la temperatura a la que a de estar sometido el material compuesto, la que determina los materiales componentes de la fibra reforzante y la matriz.Dos factores que pueden modificar la unión: la contracción de la resina durante el curado de polímeros termoestables y una dilatación térmica diferencial entre la matriz y las fibras.

- Fibras de vidrio:Los mecanismos de unión química que implican agentes adhesivos silano y otras moléculas bifuncionales que se aplican generalmente a polímeros termoestables porque el grupo organo-funcional se bloquea químicamente en la estructura de enlaces cruzados de la resina de líquido a sólido rígido. Las fibras antes de introducirse en la resina sufren un tratamiento de apresto que incluye un agente adhesivo y una resina en forma de película, que asegura la protección contra el agua y los da_os producidos por los procesos de inyección. El efecto de la unión fibra-matriz en las propiedades mecánicas no pueden pasarse por alto y es bastante importante en com