Materiales Ceramicos y Compuestos

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PDF Materiales cerámicos Versión para descargar 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
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NDICE_______________ INTRODUCCIN 6 LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES CERMICOS 8 CERMICOS CRISTALINOS 8 ESTRUCTURA DEL CLORURO SDICO 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 CERMICAS 12 DEFECTOS ATMICOS PUNTUALES 12 IMPUREZAS EN CERMICOS 12 DISLOCACIONES 13 DEFECTOS SUPERFICIALES 13 PROPIEDADES MECNICAS 14 FALLAS MECNICAS EN LOS CERMICOS 14 FRACTURA FRGIL 14 TRATAMIENTO ESTADSTICO DE LA FRACTURA FRGIL 14 MTODOS PARA MEJORAR LA TENACIDAD 15 DEFORMACIN DE LOS CERMICOS A ALTAS TEMPERATURAS 15 FLUJO VISCOSO DEL VDREO 16 TERMOFLUENCIA EN LOS CERMICOS 16 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS PRODUCTOS DE ARCILLA 18 TCNICAS DE CONFORMADO DE ARCILLAS 18

SECADO Y HORNEADO DE PRODUCTOS DE ARCILLA 18 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERMICOS AVANZADOS 19 MATERIALES Y APLICACIONES AVANZADAS 20 MATERIALES REFRACTARIOS 21 REFRACTARIOS CIDOS 21 REFRACTARIOS BSICOS 21 REFRACTARIOS NEUTROS 21 REFRACTARIOS ESPECIALES 21 OTROS MATERIALES CERMICOS 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 BIBLIOGRAFA 30 INTRODUCCIN Las cermicas y los vidrios representan algunos de los materiales para ingeniera ms antiguos y durables ante el ambiente. Tambin son los materiales que han desarrollado avances para la industria aeroespacial y electrnica. El trmino cermica proviene de la palabra griega keramikos, que significa cosa quemada, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan despus de un tratamiento trmico a alta temperatura que se denomina coccin. Son compuestos qumicos o soluciones complejas, que contienen elementos metlicos y no metlicos. Por ejemplo la almina (Al2O3) es un cermico que tiene tomos metlicos (aluminio) y no metlico (oxgeno). Los materiales cermicos tienen una amplia gama de propiedades mecnicas y fsicas. Debido a sus enlaces inicos o covalentes, los materiales cermicos por lo general son duros, frgiles, con un alto punto de fusin, tiene baja conductividad elctrica y trmica, buena estabilidad qumica y trmica y elevada resistencia a la compresin. Aunque la mayora de los productos cermicos son buenos aislantes elctricos y trmicos, el SiC y el AlN tienen conductividad trmica parecida a las de los metales. Los productos cermicos como el FeO y el ZnO, son semiconductores y, adems, han sido descubiertos materiales superconductores como el YBa2Cu3O7-x.

Una tecnologa moderna de rpido crecimiento es la de los materiales cermicos avanzados, tambin llamados materiales cermicos estructurales. Estos fueron utilizados por primera vez en 1971 para aplicaciones a alta temperatura en tuberas de gas que funcionaban a 2506C. En la fabricacin de estas piezas se utilizaron nitruro de silicio y carburo de silicio. La materia base para la fabricacin de los productos cermicos es la arcilla en sus mltiples variedades; sta, al amasarla con agua, adquiere caractersticas de plasticidad y por ello puede adoptar la forma deseada. Los materiales cermicos de arcilla utilizados en la construccin se clasifican en ladrillos para pared, para pavimentacin (suelos) y para cubiertas. Los materiales de ingeniera se pueden dividir en tres categoras principales: cermicas cristalinas, vidrios y cermicas de vidrio. Los cermicos incluyen los silicatos tradicionales y los muchos compuestos de xidos y sin xidos ampliamente usados tanto en la tecnologa tradicional como en la avanzada, las arcillas y refractarios hacen parte de este grupo.

Arcillas: Las arcillas comunes se utilizan en la fabricacin de ladrillos para la construccin de edificios y ladrillos refractarios. Estas arcillas comunes estn formadas por almina y slice en diversa proporciones, con la presencia de otras impurezas, tales como xido frrico (el cual le da color rojo), xido de manganeso, potasa, magnesio y cal. El caoln (arcilla blanca formada principalmente por almina y slice) 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 comn, y sin los refractarios, no sera 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 trmico) debido a su alta conductividad trmica. La mayora 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 tambin puede utilizarse como refractario para altas temperaturas, pero es bastante caro para utilizarse en este sentido. Los ladrillos refractarios que contienen grandes cantidades de xido de cromo se conocen como refractarios de cromita y son muy apropiados para usarlas a altas temperaturas en hornos de fusin de acero. El ladrillo de magnesita, compuesto predominante por xido de magnesio, se usa tambin con este propsito. Los ladrillos refractarios aislantes se fabrican con arcilla refractaria comn, pero para darles porosidad, la arcilla se combina con aserrn o con coque, material que se quema cuando el ladrillo se calcina. LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS Estructuras de los cermicos cristalinos: Existen dos caractersticas que componen los materiales cermicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: el valor de la carga elctrica de los iones componentes y los tamaos relativos de los cationes y aniones. El cristal debe ser elctricamente neutro, o sea todas las cargas positivas de las cationes deben ser equilibradas por un nmero igual de cargas negativas de los aniones. Los tamaos de los radios inicos de los cationes y aniones, rc y rA respectivamente. Puesto que los elementos metlicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones, por tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad. Las estructuras estables de los materiales cermicos se forman cuando los aniones que rodean un catin estn todos en contacto con el catin tal como se ilustra en la figura:

Configuraciones estables e inestables de la coordinacin entre aniones y cationes Estructura del Cloruro Sdico Un gran nmero de materiales cermicos, incluyendo el CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el HfN poseen la estructura del cloruro de sodio, esta estructura es del tipo AX posee un nmero de coordinacin tanto para los cationes y los aniones de 6, por consiguiente, el cociente del radio del catin y del anin esta comprendido entre 0,414 y 0,732. Estructura cristalina del Cloruro de Cesio El nmero de coordinacin es 8 para ambos tipos de iones. El intercambio de las posiciones de los iones positivos y negativos reduce la misma escritura. Esta no es una estructura cbica centrada en el cuerpo puesto que distintos tipos de iones ocupan los puntos de la red Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc La estructura de la blenda de la blenda de zinc es tpica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tiene estructura cristalina del tipo AX, en la cual el nmero de coordinacin es 4; o sea, todos los iones estn con coordinacin tetradrica. Se denomina estructura de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al nombre dado al mineral de sulfuro de zinc. Estructura cristalina de la Fluorita El CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el ZrO2, el PuO2, y el HfO2, tienen la estructura de la florita, estos compuestos se destacan por la frmula qumica AmXp, donde m y/o p son diferentes de 1. El cociente de radios inicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual, segn la tabla 1, corresponde a un nmero de coordinacin de 8. Estructura Perovskite Se encuentra en varios cermicos elctricos importantes, como el BaTiO3, y el SrTiO3. En este tipo de celda estn presentes tres clases de iones. Si en las esquinas de un cubo estn los iones de bario, los iones de oxgeno llenarn los sitios centrados en las caras y los iones de titanio ocuparn los sitios centrados en el cuerpo. La distorsin de la celda unitaria produce una seal elctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores. Estructura de espinel La estructura del espinel tpica del MgAl2O4, tiene una celda unitaria que se puede visualizar como una formacin de ocho cubos ms pequeos. En cada uno de estos cubos menores se localizan iones de oxgeno en las posiciones normales de una red cbica centrada en las caras. Dentro de los cubos pequeos hay cuatro sitios intersticiales octadricos y ocho sitios intersticiales tetradricos, de los cuales los cationes ocupan tres. En espinel normal los iones bivalentes (como el ma2+) ocupan sitios tetradricos y los triviales (como el Al3+), los octadricos. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones triviales se localizan en los sitios octadricos. Esta estructura la tiene muchos cermicos elctricos y magnticos importantes, incluyendo el Fe3O4. Grafito

Al grafito, una de las formas cristalinas del carbono, alguna veces se le considera material cermico, aunque el carbono es un elemento y no una combinacin de tomos metlicos y no metlicos. El grafito tiene una estructura hexagonal por capas y se utiliza como material refractario, como lubricante y como fibra. IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CERAMICAS Defectos atmicos puntuales. En los compuestos cermicos pueden existir defectos atmicos que involucran a los tomos disolventes. Tal como ocurre en los metales, pueden existir tanto vacantes inicas como iones intersticiales; sin embargo, puesto que los materiales cermicos contiene iones de dos tipos, pueden existir defectos con cada tipo de iones. Por ejemplo, en el NaCl pueden existir tomos intersticiales y vacantes de Na y tomos intersticiales y vacantes de Cl. Un tipo de defecto est formado por una vacante catdica y un catin intersticial, esto se denomina un defecto de Frenkel. Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catinica-vacante aninica conocido como defecto de Schottky. Este efecto debe visualizarse como el creado por la eliminacin de un catin y un anin desde el interior del cristal y colocando a ambos en una superficie externa. Impurezas en cermicas. Puesto que hay tanto cationes como aniones, una impureza sustituir al tomo disolvente que sea ms similar en comportamiento elctrico; si el tomo de impureza forma normalmente un catin en un material cermico, lo ms probable es que sustituya al catin disolvente. Por ejemplo, en el cloruro sdico, las impurezas inicas Ca2+ y O2- sustituirn probablemente a los iones Na+ y Cl-, respectivamente. Para que en el estado slido haya una solubilidad apreciable de los tomos de impurezas sustitucionales, los tamaos inicos u la carga deben ser casi iguales a los de los iones disolventes. Si una impureza inica 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 slido se mantenga. Una manera de conseguirlo es mediante la formacin de defectos puntuales de la red: vacantes inicas o iones intersticiales de ambos tipos. Dislocaciones. En algunos materiales cermicos, incluyendo el LiF, el Zafiro (Al2O3), y el MgO se observan dislocaciones. Sin embargo, stas 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 inicos fuertes para despus 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 deformacin del material que se encuentra en la punta de la grieta y, en consecuencia, su propagacin contina. El material cermico es frgil.

Aunque las dislocaciones se mueven con mayor facilidad a temperaturas elevadas, es ms probable que ocurra deformacin mediante mecanismos como el deslizamiento de bordes de grano y el flujo viscoso de las fases vtreas. Defectos superficiales. Los cermicos con un grano de tamao fino tienen mayor resistencia que los cermicos de grano ms grueso. Los granos ms finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a

la alta expansin y la contraccin anisotrpica. Normalmente, se produce un tamao de grano fino utilizando desde el principio materias primas cermicas de partculas ms finas. PROPIEDADES MECANICAS Fallas mecnicas en los materiales cermicos. Los materiales cermicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frgiles, particularmente a temperaturas bajas. El problema con la fractura frgil de los materiales cermicos se intensifica por la presencia de imperfecciones como pequeas grietas, porosidad, inclusiones extraas, fases cristalinas o un tamao grande, que tpicamente se introduce en el proceso de manufactura. Fractura frgil. Cualquier grieta o imperfeccin limita la capacidad de un producto cermico para resistir un esfuerzo a tensin. Esto es debido a que una grieta concentra y amplifica el esfuerzo aplicado (defecto de Griffith). Cuando se aplica un esfuerzo a tensin ; el esfuerzo real en el extremo de la grieta es: Para grieta muy delgadas (r pequea) o para grietas largas (a grande) la relacin REAL/ se hace grande y el esfuerzo se amplifica. Si el esfuerzo amplificado excede el lmite elstico, la grieta crece y finalmente causa la fractura, an cuando el esfuerzo real aplicado sea pequeo. Un esfuerzo aplicado genera una deformacin elstica, relacionada con el mdulo de elasticidad E del material. Cuando se propaga una grieta se libera sta energa de deformacin, reduciendo la energa general. Los defectos resultan de mxima importancia cuando actan esfuerzos de tensin sobre el material. Los esfuerzos a la compresin tienden a cerrar las grietas en vez de abrirlas: en consecuencia, a menudo los cermicos tienen excelente resistencia a la compresin. Tratamiento estadstico de la fractura frgil. Debido a que las propiedades de los materiales cermicos dependen en forma crtica del tamao y geometra de los defectos siempre existentes, hay una dispersin considerable de los valores de resistencia, determinados a partir de ensayos de tensin, de flexin o a fatiga. Los componentes cermicos producidos a partir de materiales idnticos, con mtodos de produccin idnticos, fallan a distintas cargas aplicadas. A fin de disear componentes estructurales utilizando cermicos, debe tomarse en cuenta la probabilidad de que exista un defecto que pueda causar ruptura bajo cualquier esfuerzo. La distribucin de Werbull y el mdulo de Weibull proporcionan un tratamiento estadstico para disear piezas de materiales cermicos. La distribucin de Weibull describe la fraccin de las muestras que fallan a distintos esfuerzos aplicados. Una pequea fraccin de stas 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 slo defectos pequeos 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, tambin se reduce la probabilidad de que las muestras fallen. Mtodos para mejorar la tenacidad. Un mtodos tradicional para mejorar la tenacidad consiste en rodear las partculas frgiles del cermico con un material matriz ms suave y tenaz. Otra alternativa es crear compuestos de matriz cermica (CMC) introduciendo fibras o aglomerados cermicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta propagarse en la matriz, encuentra la interfase entre matriz y fibra cermica; la interfase ayuda a bloquear la propagacin de la grieta. Ciertos materiales cermicos se pueden endurecer por transformacin. En la circonia, por ejemplo, se puede absorber la energa de una grieta mediante una fase metaestable presente en la estructura original.

Esta absorcin de la energa de la grieta, por la cual efectivamente se reduce su crecimiento, permitiendo que la fase metaestable se transforme en una forma ms estable y al mismo tiempo ayuda a cerrar la grieta. El procesamiento del producto cermico debe ser tambin crtico para poder mejorar la tenacidad. Las tcnicas de procesamiento que producen cermicos con un grano excepcionalmente fino, de alta pureza y completamente densos, mejoran la resistencia y la tenacidad. Deformacin de los cermicos a altas temperaturas. En los cermicos las dislocaciones no se mueven a bajas temperaturas y no se observa deformacin plstica significativa. A temperaturas ms altas, el flujo viscoso y el deslizamiento de bordes de grano se convierten en mecanismos importantes de deformacin. El flujo viscoso ocurre en los vidrios y en los cermicos que contienen una mezcla de fases vtrea y cristalina: el deslizamiento de bordes de grano ocurre en cermicos que principalmente son cristalinos. Flujo viscoso del vidrio. Un vidrio se deforma por flujo viscoso si la temperatura es suficientemente alta. La aplicacin de un esfuerzo cortante hace que un lquido fluya a una velocidad que vara con la posicin. En el vidrio, los grupos de tomos como las islas, anillos o cadenas de silicatos, se mueven ano al lado del otro en respuesta al esfuerzo, permitiendo la deformacin. Sin embargo, la deformacin entre estos grupos de tomos ofrece resistencia al esfuerzo cortante aplicado. A altas temperaturas, digamos por encima de la temperatura de fusin del vidrio, la resistencia es muy baja y el vidrio lquido se puede variar; esto es, se deforma y fluye bajo su propio peso. La viscosidad de un vidrio lquido es tpicamente menor a 500 poises; ms viscoso que el agua, pero an 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 ms difcil de deformar. Termofluencia en los cermicos Los cermicos cristalinos tienen buena resistencia a la termofluencia, por sus altos puntos de fusin y su elevada energa de activacin para la difusin. La termofluencia en los cermicos 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: Tamao de grano: Los tamaos e grano ms pequeos incrementan la tasa de termofluencia. Porosidad: Al incrementar la porosidad en el cermico, se reduce su seccin transversal y aumenta el esfuerzo que acta sobre el producto cermico para una carga dada; los poros tambin facilitan el deslizamiento de los bordes de grano. En consecuencia la tasa de termofluencia se incrementa. Impurezas: Diversas impurezas pueden provocar la formacin 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 difusin y promueven la formacin de fases vtreas. en los vidrios de silicatos, la mejor resistencia a la termofluencia se obtiene para el slice puro; conforme se van agregando xidos 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 cermico, el flujo viscoso de la fase vtrea 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 vtrea, la viscosidad de la fase vtrea se incrementa mejorando la resistencia a la termofluencia. PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE PRODUCTOS DE ARCILLA Los productos de arcilla forman un grupo de cermicos tradicionales que se utilizan para la produccin 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 cermicos, el feldespato [(K, Na)2O. Al2O3. 6SiO2] sirven como agentes fundentes (formadores de vidrio) durante el tratamiento trmico posterior. Tcnicas 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 ms plsticos o conformables. A stas mezclas plsticas se les puede aplicar procesos de conformado hidroplstico, incluyendo extrusin, recortado y conformado a mano, los lodos cermicos pueden inyectarse en moldes cuando contienen grandes cantidades de plastificantes orgnicos en vez de agua. Despus del conformado, los cuerpos cermicos, es decir, los cuerpos verdes, siguen siendo dbiles, 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 concentracin. Despus ocurrir un cambio dimensional relativamente pequeo 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 as esfuerzos, distorsin y agrietamiento. La rigidez y la resistencia de una pieza cermica se obtiene durante su horneado. A temperaturas ms elevadas de horneado, con ms vitrificacin y menos porosidad se produce la loza ptrea o gres. Esta loza, utilizada para las tuberas de drenaje de aguas negras, contiene una porosidad de slo 2 a 4 por ciento. La porcelana necesita temperaturas de horneado todava superiores para obtener una completa vitrificacin casi sin porosidades. PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERMICOS AVANZADOS Los cermicos estructurales avanzados estn diseados para optimizar las propiedades mecnicas a temperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparacin con la cermica tradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Se utilizan tcnicas especiales para conformar estos materiales en productos tiles. Muchos de los cermicos ms avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su composicin, 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 cermicos avanzados, el conformado por compactacin de polvos se efecta a altas temperaturas, mediante prensas calientes o por compresin isosttica en caliente. En este proceso los polvos se llevan en recipientes metlicos o de vidrio; entonces se calientan y compactan simultneamente en un recipiente de gas inerte a presin. Una diferencia entre los cermicos avanzados y los metales tpicos es que, una vez terminado el sinterizado y fabricado el componente cermico, su microestructura queda fija. Este proceso se utiliza para producir y consolidar polvos cermicos excepcionalmente finos. Se prepara una solucin coloidal lquida, que contenga iones metlicos disueltos. Las reacciones de hidrlisis forman

una solucin organometlica o sol, compuesta por cadenas tipo polimrica, con iones metlicos y oxgeno. De las solucin se forman partculas de xido amorfo, las cuales producen un gel rgido. El gel es secado y horneado para el sinterizado y la compactacin de la pieza terminada de cermica. El proceso sol gel se puede utilizar en la produccin de UO2 para combustible de reactores nucleares, en estructuras perovskitas como el titanato de bario para dispositivos electrnicos, en almina de grano ultrafino para aplicaciones estructurales de alta resistencia y en una amplia variedad de otros productos cermicos. Materiales y aplicaciones avanzadas Los cermicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los xidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecnicas como fsicas a altas temperaturas. Un extenso grupo de cermicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus nicas propiedades magnticas, electrnicas y pticas, su buena resistencia a la corrosin a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la deteccin de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prtesis y otros componentes de repuesto para el ser humano.La Almina(Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia. - El Nitruro De Aluminio(AIN): Proporciona un buen aislante elctrico, pero tiene alta conductividad trmica. Dado que su coeficiente de expansin trmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados. - El Carburo De Boro(B4C): Es muy duro y an as extraordinariamente ligero. Adems de su utilizacin como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasin, como parte en placas blindadas. - El Carburo De Silicio(SiC): tiene una resistencia a la oxidacin extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusin del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cermicos a temperaturas extremas. - El Nitruro De Silicio(Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales. - El Sialn: Se forma cuando el aluminio y el oxgeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrgeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. El sialn puede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste. - El Boruro De Titanio(TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Adems tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la almina, son aplicaciones en la produccin de blindajes. - La Urania(UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares. MATERIALES REFRACTARIOS Son componentes importantes del equipo utilizado en la produccin, refinacin y manejo de metales y vidrios. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno. Los refractarios tpicos estn compuestos por diversas partculas gruesas de xido aglutinadas con un material refractario ms fino. Este segundo material se funde al hornearse y proporciona la unin. En algunos casos, los ladrillos refractarios contienen aprox. de 20 a 25% de porosidad aparente, a fin de conseguir un mejor aislamiento trmico. Los refractarios se dividen en tres grupos: cidos, bsicos y neutros con base en su comportamiento qumico.

Refractarios cidos: Incluyen las arcilla de slice, de almina y refractarios de arcilla. El slice puro a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente dbiles, pero poco costosos. Contenidos de almina por arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de alta almina. Refractarios Bsicos: Varios refractarios se basan en el MgO(magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusin alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricacin de acero. Tpicamente, los refractarios bsicos son ms costosos que los refractarios cidos. Refractarios Neutros: Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios cidos de los bsicos, impidiendo que uno ataque al otro. Refractarios Especiales: El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxgeno fcilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circn (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros. OTROS MATERIALES CERMICOS Y SUS APLICACIONES Cementos: En un proceso conocido como cementacin, las materias primas cermicas se unen utilizando un aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una reaccin qumica convierte una resina lquida en un slido que une las partculas. En el caso del silicato de sodio, la introduccin de gas CO2 acta como catalizador para deshidratar la solucin de silicato de sodio y convertirla en un material vtreo. La reaccin de cementacin ms comn e importante ocurre en el cemento Prtland, utilizado para producir el concreto. Recubrimientos: Con frecuencia los productos cermicos se utilizan como recubrimientos protectores de otros materiales. Los recubrimientos comerciales comunes incluyen los vidriados y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobre la superficie de un material cermico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar proteccin y decorar, o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metlicas. Los esmaltados y vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fcilmente durante el horneado. Mediante la adicin de otros minerales se pueden producir en los vidriados y esmaltados colores especiales. Uno de los problemas que tienen los vidriados y los esmaltados son las grietas o cuarteduras superficiales que ocurren cuando el vidriado tiene un coeficiente de expansin trmica distinto al del material subyacente. Para materiales cermicos avanzados y para materiales de operacin a alta temperatura se utilizan recubrimientos de SiC para mejorar su resistencia a la oxidacin. A las superaleaciones base nquel se les puede aplicar recubrimientos de circonia, como barreras trmicas que protejen al metal contra la fusin o contra reacciones adversas. Fibras A partir de materiales cermicos se producen fibras para diversos usos como esfuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de fibras pticas. Las fibras de vidrio de borosilicato, las ms comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. Tambin se pueden producir fibras con una diversidad de materiales cermicos, incluyendo almina, carburo de silicio y carburo de boro. Superconductividad: Fenmeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente elctrica. Los superconductores tambin presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnticos. La superconductividad slo se manifiesta por debajo de una determinada

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

Vitrificantes: tales como La slice, con punto de fusin 1.720 C. Fundentes: Los mas usados son el Sulfato de Sodio y el Carbonato Sodico, son fcilmente atacables los vidrios formados por vitrificantes y fundentes. Estabilizantes: Se aaden 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

xidos formadores de vidrio: Muchos vidrios inorgnicos estn basados en el oxido de silicio, (SiO2), como formador de vidrio. La subunidad fundamental en los vidrios de slice es el tetraedro SiO4 - en donde un tomo (ion) de silicio (Si4 +) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro tomos de oxigeno. En la variedad de Slice cristobalita, por ejemplo, los tetraedros SiO4 se encuentran unidos compartiendo vrtices en una disposicin regular produciendo un orden de largo alcance, en un vidrio corriente de slice los tetraedros estn unidos por sus vrtices formando una red dispersa sin orden de largo alcance. El oxido de boro B2 O3, es tambin un oxido formador de vidrio y por si mismo forma subunidades que son tringulos planos con el tomo de boroligeramente fuera de plano de los tomos de oxigeno. Sin embargo. En los vidrios de borosilicato a los que se han adicionado xidos alcalinos y alcalinoterreos, los tringulos 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 ingeniera. La combinacin de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosin en la mayora de los ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniera tales como construccin y vidriado de vehculos. En la industria elctrica el vidrio es esencial para varios tipos de lmparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad para suministrar un cierre hermtico. En la industria electrnica los tubos electrnicos tambin requieren el cierre hermtico proporcionado por el vidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores. La alta resistencia qumica del vidrio lo hace muy til para los aparatos de laboratorio y recubrimientos resistentes a la corrosin, conducciones y recipientes en la industria qumica. Temperatura de transicin vtrea: El comportamiento frente a la solidificacin de un vidrio es diferente del de un cristal, un liquido que forma un slido cristalino bajo solidificacin (p. ej., un metal puro) normalmente cristalizar en su punto de fusin con una disminucin 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 plstico blando y elstico a un estado vidrioso, quebradizo y rgido en un margen reducido de temperaturas. Mtodos 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 fusin y flota sobre la superficie de un bao de estao fundido, la lmina de vidrio es enfriada mientras se mueve a travs del estao fundido y bajo una atmsfera controlada qumicamente cuando su superficie esta suficientemente dura, la lmina de vidrio se saca del horno sin ser marcada mediante rodillos y pasa a travs de un largo horno de recocido llamado Lehr, donde se eliminan las tensiones residuales. Conformado por soplado, prensado y moldeado del vidrio: Artculos huecos como botellas, jarras, y envolturas de tubos luminosos se fabrican soplando aire para ajustar el vidrio fundido dentro de los moldes. Artculos planos como lentes pticas y lentes para faros se fabrican prensando con un mbolo en el molde que contiene vidrio fundido. Muchos artculos pueden fabricarse moldeando el cristal dentro de un molde abierto. Un gran espejo de telescopio en cristal. Artculos con forma de embudo como tubos de televisor se fabrican mediante moldeado centrfugo. 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 rpidamente con aire la superficie de vidrio despus de que ste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. La superficie del vidrio se enfra primero y se contrae, mientras el interior esta caliente y se reajusta a los cambios dimensionales con pocas tensiones, cuando el interior se enfra y contrae, la superficie ya esta rgida, con lo que se crean fuerzas de tensin en el interior del vidrio y fuerzas de compresin en las superficies, este tratamiento de templado aumenta la resistencia del vidrio porque las fuerzas de tensin aplicadas deben sobrepasar las fuerzas de compresin 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 automviles y el vidrio de seguridad para puertas son artculos que han sido templados trmicamente. Conformado por vidrio reforzado qumicamente: La resistencia de un vidrio puede incrementarse mediante tratamientos qumicos especiales. Por ejemplo, si un vidrio de alumino-silicato de sodio se sumerge en un bao de nitrato de potasio a una temperatura de aproximadamente 50C por debajo de su punto de tensin (" 500C) durante 6 a 10 h, los iones ms pequeos de sodio, junto a la superficie del vidrio son reemplazados por iones potasio ms grandes. La introduccin de los iones potasio ms grandes en la superficie del vidrio produce fuerzas compresivas en la

superficie y las correspondientes fuerzas de tensin en su centro. Este proceso de templado qumico puede ser usado en las secciones transversales ms delgadas que puedan templarse trmicamente ya que la capa compresiva es muy fina, el vidrio qumicamente reforzado se usa para aeronaves supersnicas y para lentes oftlmicas. APLICACIONES DE LOS VIDRIOS VIDRIOS Slice (fundida) Slice 96% Soda-clcica: lminas de vidrio Silicato de Plomo OBSERVACIONES Difcil de fundir y fabricar , pero til hasta temperaturas de 1000C. Muy baja expansin y alta resistencia al choque trmico. Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves de borosilicato; se calienta para consolidar los poros. Fcilmente fabricable. Usado ampliamente en una variedad de aplicaciones; cristalera, para ventanas, contenedores y bombillas elctricas. Funde fcil y es fabricable, con buenas propiedades elctricas. El alto contenido en plomo absorbe los rayos X; el alto ndice de retraccin es til en lentes acromticas. Alto contenido en plomo Vidrio para cristal decorativo. Aplicaciones pticas y vidrios de mesa. Ventanas de radiacin y lmparas de televisin. Baja expansin, buena resistencia al choque trmico y estabilidad qumica. Utilizando ampliamente en la industria qumica. Borosilicato: baja expansin Para utensilios de cocina, instrumentos de laboratorio, grandes espejos de telescopios, hornos y lmparas reflectoras. Baja prdida elctrica Aluminoborosilicato: aparatos estndar Bajo alcali (Vidrios E) Aluminosilicato Bajas prdidas dielctricas. Contenidos altos en alumina y bajos en xido brico mejoran la durabilidad qumica. Usado ampliamente para fibras en compuestos de resina de vidrio. Resistencia a altas temperaturas, baja expansin. Cermica cristalina fabricada por desvitrificacin del vidrio. Cermica vtrea Fcil fabricacin, buenas propiedades. Diferentes vidrios y catalizadores.

BIBLIOGRAFA

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RICHARD A. FLINN y PAUL K. TROJAN. Materiales de Ingeniera y sus aplicaciones. Editorial McGraw-Hill. 3 Edicin 1989.

MATERIALES CERAMICOS La palabra cermica deriva del vocablo griego keramos, cuya raz snscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este trmino incluye a todos los materiales inorgnicos no metlicos. Desde la dcada de los 50s en adelante, los materiales ms importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarera, ladrillos, azulejos] y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cermica se describe en alfarera. Tambin puede buscarse la historia del rak, singular tcnica milenaria oriental. Histricamente, los productos cermicos han sido duros, porosos y frgiles. El estudio de la cermica consiste en una gran extensin de mtodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, as como ofrecer usos no tradicionales. Ejemplos de materiales cermicos Nituro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo. Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicpteros 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. xido de zinc (ZnO), un semiconductor. Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en ncleos de transformadores magnticos y en ncleos de memorias magnticas. Esteatita, utilizada como un aislante elctrico. Ladrillos, utilizados en construccin xido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares xido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7?-x), superconductor de alta temperatura.

Propiedades mecnicas de la cermica Los materiales cermicos son generalmente inicos o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensin y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscpicas actan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados. Estos materiales muestran deformaciones plsticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformacin ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformacin plstica, y tambin es muy lenta. An as, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cermicos. Tienen elevada resistencia a la compresin 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 cermicos Las cermicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es formado por cualquiera de los siguientes mtodos: soplado, prensado, laminado, estirado, colado o flotado. Los materiales cermicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de procesado. Los mtodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos categoras -hacer cermica en la forma deseada, pro reaccin in situ, o por formacin de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo slido. Algunos mtodos usados son un hbrido de los dos mtodos mencionados.

Captulo 11:

Clasificacin de los materiales. (Cermicos)Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos lo propio con los materiales cermicos. Son compuestos qumicos o soluciones complejas, que comprenden fases que contienen elementos metlicos y no metlicos. Sus enlaces inicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones qumicas. A temperaturas elevadas pueden conducir inicamente, pero muy poco en comparacin con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecnicas, sin embargo, su comportamiento mecnico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones crticas es muy limitado. Los materiales cermicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en funcin de sus estructuras cristalinas. Se llama cristales a los acomodamientos atmicos repetitivos en las tres dimensiones. Esta repeticin de patrones tridimensionales se debe a la coordinacin atmica dentro del material, algunas veces este patrn controla la forma externa del cristal. El acomodamiento atmico interno persiste, aunque la superficie externa se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar uno de siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos estn estrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volmenes por superficies planas de interseccin.Sistema Cbico Tetragonal Ortorrmbico Monociclco Triciclco Hexagonal Romboedral Ejes a1=a2=a3 a1=a2c abc abc abc a1=a2=a3c a1=a2=a3 ngulos Axiales Todos los ngulos = 90 Todos los ngulos = 90 Todos los ngulos = 90 2 ngulos = 90, 1 ngulo 90 Todos los ngulos diferentes, ninguno = 90 ngulos = 90 y 120 Todos los ngulos iguales, pero ninguno de 90

Cristales Cbicos. Los tomos pueden acomodarse en un patrn cbico con tres diferentes tipos de repeticin: cbico simple (cs), cbico de cuerpos centrados (ccc), y cbico de caras centradas (ccac). - Cbico simple. Es hipottica para metales puros, pero representa un buen punto de partida. Adems de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes en ngulos rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tiene contornos idnticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal. Del mismo modo, cualquier posicin especfica es idntica en todas las celdillas unitarias. - Cbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un tomo en cada vrtice del cubo y otro tomo en el centro del cuerpo del cubo.

- Cbica 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 tomo, 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. Adems, existen estructuras hexagonales. Compactas que se caracterizan por tener cada tomo en una capa situada exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres tomos de las capas adyacentes. As, cada tomo toca tres tomos de capa bajo un plano, seis tomos en su propio plano y tres en la capa superior. Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos ms en cuanto a otros sistemas de cristales y retculas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios son comparables a los citados previamente. Comportamiento ptico de los cermicos. En ciertos materiales cermicos, la brecha de energa entre las bandas de valencia y conduccin es tal, que un electrn que pase a travs de ella, producir 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 fraccin de segundo despus de haberse eliminado el estmulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energa Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha de energa. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo que debern escapar para regresar a la capa de valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos, porque despus de haber eliminado en estmulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia est dada por: ln I/I0 = t/t donde t es el tiempo de relajacin, que es una constante conocida del material. Despus de tiempo t posterior a la eliminacin de la fuente, la intensidad de la luminiscencia disminuir de I0 a I . Los materiales fosforescentes son muy importantes en la operacin de las pantallas de televisin. Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prcticamente imposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los vidrios tpicos estn prximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su transparencia; mientras que las porcelanas comunes, sin ser tan reflejantes como los metales estn por arriba de este dato, y son consideradas opacas. Los cermicos aislantes tienen una brecha de energa muy grande entre las bandas de energa y de conduccin. Si la potencia de los fotones incidentes es

menor a la brecha de energa, ningn electrn ganar la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrir absorcin. La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequea cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersin tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un ndice de refraccin muy distinto al material de al matriz, que de igual forma causan dispersin. As, precipitados o poros ms pequeos generan una mayor reduccin en la transmisin de los fotones. As concluimos este captulo referente a los cermicos. En la prxima entrega comenzaremos con el estudio de los materiales polmericos. Hasta entonces! 4.8.4.-Estructura y propiedades de cermicos Tienen baja conductividad elctrica y trmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frgiles y quebradizos. Nuevas tcnicas de procesos consiguen que los cermicos 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 cermicos Entre los metales cermicos puros destacan el xido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno. Estos materiales presentan una estructura atmica formada por enlaces hbridos inicocovalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades especficas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusin. Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elsticos y tenaces que stos. Segn su microestructura, podemos clasificarlos en: cermicos cristalinos, cermicos no cristalinos o vidrios y vitro cermicos. Cermicos cristalinos Se obtienen a partir de slice fundida. Tanto el proceso de fusin como el de solidificacin posterior son lentos, lo que permite a los tomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecnica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayora de los vidrios refractarios.

Cermicos no cristalinos Se obtienen tambin a partir de slice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rpido, lo que impide el proceso de cristalizacin. El slido es amorfo, ya que los tomos no se ordenan de ningn modo preestablecidos. Vitro cermicos Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento tambin rpido. Qumicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus molculas determina la aparicin de microcristales que les confieren mayor resistencia mecnica y muy baja dilatacin trmica. Propiedades y aplicaciones Los materiales cermicos se caracterizan por las siguientes propiedades: Son muy duros y presentan una gran resistencia mecnica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. Son capaces de soportar altas temperaturas Tienen gran estabilidad qumica y son resistentes a la corrosin Poseen una amplia gama de cualidades elctricas. Los materiales cermicos son materiales ligeros. Su densidad vara segn el tipo de cermica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho ms duros que los metales. A diferencia de stos, se trata de materiales relativamente frgiles, ya que los enlaces inico-covalentes. Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible. Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales hbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polmero plstico o, incluso, de fibras cermicas inmersas en el material cermico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura. Los materiales cermicos tambin se utilizan en la fabricacin de otros materiales hbridos denominados cermet, abreviatura de la expresin inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de xido de aluminio, dixido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro.

Para obtenerlos, se emplean dos tcnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metlicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metlico junto al material cermico a una compresin dentro de un horno elctrico para obtener una aleacin. Resistencia a la temperatura Esta propiedad se fundamenta en tres caractersticas de los materiales cermicos: elevado punto de fusin, bajo coeficiente de dilatacin y baja conductividad trmica. Su elevado punto de fusin supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio. Su bajo coeficiente de dilatacin los hace particularmente resistentes a los choques trmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparicin de gritas y su posterior rotura. Su baja conductividad trmica permite su empleo como aislantes.

Resistencia a los agentes qumicos La estructura atmica de los materiales cermicos es la responsable de su gran estabilidad qumica, que se manifiesta en su resistencia a la degradacin ambiental y a los agentes qumicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes qumicos a que vayan ser sometidos. La almina de elevada pureza se emplea en prtesis o implantes seos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosin, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.

4. MATERIALES CERMICOS Los productos cermicos son materiales slidos inorgnicos no metlicos que pueden ser cristalinos o no cristalinos. Los materiales cermicos no cristalinos incluyen el vidrio y unos cuantos materiales ms con estructuras amorfas.Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superior

Los materiales cermicos son muy resistentes al calor, la corrosin y el desgaste, no se deforman fcilmente 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 vehculos espaciales pesan slo el 40% de lo que pesaran los componentes metlicos a los que sustituyen. A pesar de tantas ventajas, el empleo de productos cermicos como materiales de ingeniera ha estado limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. En tanto que un componente metlico podra abollarse si se le golpea, una pieza cermica por lo regular se hace pedazos porque los enlaces impiden que los tomos se deslicen unos sobre otros. Adems, es difcil fabricar componentes cermicos sin defectos. Efectivamente, los elevados costos de fabricacin y la incierta confiabilidad de los componentes son barreras que debern vencerse antes de que los materiales cermicos se utilicen ms ampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. Es por ello que la atencin en aos recientes se ha enfocado en el procesamiento de los materiales cermicos, as como en la formacin de materiales cermicos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cermicos delgados sobre materiales convencionales.

Materiales cermicos compuestos Los objetos cermicos son mucho ms fuertes cuando se forman a partir de una mezcla compleja de dos o ms materiales. Semejantes mezclas se denominan

materiales compuestos o composites. Los materiales compuestos ms eficaces se forman por la adicin de fibras cermicas a un material cermico. As, el material compuesto consiste en una matriz cermica que contiene fibras embebidas de un material cermico, que podra o no tener la misma composicin qumica que la matriz. Por definicin, una fibra tiene una longitud de por lo menos 100 veces su dimetro. Las fibras suelen tener una resistencia elevada cuando se someten a cargas aplicadas a lo largo de su eje longitudinal. Si las fibras estn embebidas en una matriz, la fortalecen porque resisten deformaciones que ejercen un esfuerzo sobre la fibra a lo largo de su eje longitudinal. La formacin de fibras cermicas se ilustra con el caso del carburo de silicio, SiC, o carborndum. El primer paso de la produccin de fibras de SiC es la sntesis de un polimero, polidimetilsilano:

Si este polmero se calienta a cerca de 400C, 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 polmero se calientan entonces lentamente a cerca de 1200 C en una atmsfera de nitrgeno para expulsar todo el hidrgeno y todos los tomos de carbono excepto los que enlazan directamente los tomos de silicio. El producto final es un material cermico con composicin SiC, en forma de fibras cuyo dimetro vara entre 10 y 15 um. Mediante procedimientos similares, partiendo de un polmero orgnico apropiado, es posible fabricar fibras cermicas con otras composiciones, como el nitruro de boro, BN. Si las fibras cermicas se agregan a un material cermico procesado como se explic antes, el producto resultante tiene una resistencia mucho ms alta a las fallas catastrficas por agrietamiento. Aplicaciones de los materiales cermicos Los productos cermicos, sobre todo los nuevos "composites" cermicos, se utilizar ampliamente en la industria de las herramientas para cortar. Por ejemplo, la almina reforzada con fibras extremadamente finas de carburo de silicio se usa para cortar y maquinar hierro colado y aleaciones ms duras a base de nquel. Tambin si utilizan materiales cermicos en las ruedas de amolar y otros abrasivos a causa de si excepcional dureza (Tabla 12.4). El carburo de silicio es el abrasivo ms ampliamente utilizado.

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Los materiales cermicos desempean un papel importante en la industria electrnica. Los circuitos integrados semiconductores generalmente se montan en un sustrato de cermica, por lo regular almina. Algunos materiales cermicos, notablemente el cuarzo (Si O2 cristalino), son piezoelctricos, lo que significa que generan un potencial elctrico cuando se les somete a un esfuerzo mecnico. Esta propiedad hace posible el empleo de materiales piezoelctricos para controlar las frecuencias en los circuitos electrnicos, como en los relojes de cuarzo y los generadores ultrasnicos. Se usan materiales cermicos para fabricar placas cermicas que cubren las superficies de los transbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la atmsfera terrestre. Las placas se fabrican con fibras de slice cortas de alta pureza reforzadas con fibras de boro silicato de aluminio. El material se moldea en bloques, se sinteriza a ms 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 180 C cuando la temperatura superficial es de hasta 1250C.

Captulo 17:

Clasificacin de los Materiales. (Compuestos)Para finalizar, trataremos brevemente las caractersticas generales de los materiales compuestos. Este tipo de materiales se definen bsicamente como la unin de dos materiales para conseguir una combinacin de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales de forma individual. Se clasifican es tres categoras generales: - Particulados. Dentro de estos podemos distinguir dos tipos; los dispersoides, que son materiales endurecidos por dispersin y contienen partculas de 10 a 250 nm de dimetro, 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 partculas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material. Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen slo 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, ndice de refraccin, etc.) por la fraccin volumtrica del constituyente. - Reforzados con fibras. Por lo general, este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relacin resistenciapeso, al incorporar fibras resistentes y rgidas, aunque frgiles, en una matriz ms blanda y dctil. 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 metlicos, bimetlicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones especficas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares estn diseados para mejorar la resistencia a la corrosin conservando un b ajo costo, alta resistencia o bajo peso. Otras caractersticas de importancia incluyen resistencia superior al desgaste o a la abrasin, mejor apariencia esttica y algunas caractersticas de expansin trmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimar algunas de las propiedades, paralelas a la laminillas de los materiales compuestos laminares. Tambin se pueden calcular con poco margen de error: la densidad y la conductividad elctrica y trmica.

Material compuestoDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegacin, bsqueda En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades:

Estn formados de 2 o ms componentes distinguibles fsicamente y separables mecnicamente. Presentan varias fases qumicamente distintas, completamente insolubles entre s y separadas por una interfase. Sus propiedades mecnicas 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 cermicos, los plsticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rgidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosin y el desgaste, propiedades stas que rara vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prcticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricacin o la incompatibilidad entre materiales. La gran mayora de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Contenido[ocultar]

1 Estructura 2 Clasificacin o 2.1 Materiales Compuestos reforzados con partculas. o 2.2 Materiales Compuestos reforzados con fibras. o 2.3 Materiales compuestos estructurales. 3 Ejemplos de materiales compuestos 4 Procesos de fabricacin 5 Bibliografa

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

Agente reforzante: es una fase de carcter discreto y su geometra es fundamental a la hora de definir las propiedades mecnicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carcter continuo y es la responsable de las propiedades fsicas y qumicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. Tambin lo protege y da cohesin al material.

Clasificacin [editar]Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partculas. [editar]Estn compuestos por partculas de un material duro y frgil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz ms blanda y dctil Tipos: Endurecidos por dispersin Formados por partculas 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 traccin, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o polister que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no estn alineadas con las lneas de tensin. Tambin, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresin. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adicin a las fibras. En trminos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecnicas) sirven para resistir la traccin, la matriz (responsable de las propiedades fsicas y qumicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresin, incluyendo cualquier agregado. Los golpes o los esfuerzos cclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminacin.

Materiales compuestos estructurales. [editar]

Panel sandwich con ncleo en forma de panal.

Estn formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometra y de su diseo. Los ms abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich. Los laminares estn formadas por paneles unidos entre si por algn tipo de adhesivo u otra unin. Lo ms usual es que cada lmina est reforzada con fibras y tenga una direccin preferente, ms resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material istropo, uniendo varias capas marcadamente anistropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de mxima resistencia forman entre s ngulos rectos. Los paneles sandwich consisten en dos lminas exteriores de elevada dureza y resistencia,, (normalmente plsticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polmeros espumosos, cauchos sintticos, madera balsa o cementos inorgnicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construccin, en la industria aeronutica y en la fabricacin de condensadores elctricos multicapas.

Ejemplos de materiales compuestos [editar]

Plsticos reforzados con fibra: o Clasificados por el tipo de fibra: Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa) Plstico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plstico reforzado de fibra de vidrio o GFRP o reinforced plastic GRP (informalmente, "fibra de vidrio") o Clasificados por la matriz: o

Termoplsticos reforzados por fibra larga. Termoplsticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metlica o MMCs: o Cermet (cermica y metal). o Fundicin blanca. Metal duro (carburo en matriz metlica) o Laminado metal-intermetal. Compuestos de matriz cermica: o Hormign/Concreto o Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito). o Hueso (matriz sea reforzada con fibras de colgeno) o Adobe (barro y paja) Compuestos de matriz orgnica/agregado cermico o Madreperla o ncar o Concreto asfltico

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

Procesos de fabricacin [editar]

Moldeo SMZ Moldeo por proyeccin Moldeo por va hmeda contacto Apilado por bolsa de vaco Resine Transfer Moulding, RTM Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM Resine Infusion Moulding, RIM Filament Winding Fiber Placement Pultrusin Automatic Tape Laying, ATL Eb couring

Bibliografa [editar]

Callister. Ciencia e ingeniera de materiales.

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

1. IntroduccinLos materiales compuestos son aquellos que estn formados por combinaciones de metales, cermicos y polmeros. 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 utilizacin cada vez sea ms imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polmero, metal o cermico) por s solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinacin de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual tambin juega un papel importante en la aplicacin por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz. En general, la desventaja ms clara de los materiales compuestos es el precio. Las caractersticas de los materiales y de los procesos encarecen mucho el

producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecnicas, tales como la alta rigidez especfica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosin, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clsicos compensan el alto precio Adems del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de caractersticas peculiares para cada tipo de fabricacin y aplicacin.

2. Estructura de los materiales compuestosMatriz. 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 tambin depende de la resistencia de la interfase. Una interfase dbil 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 orgnicas y Matrices inorgnicas. Los materiales compuestos de matriz metlica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, elctrica y electrnica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y mdulo especfico. Para el caso de las aplicaciones en el sector elctrico y electrnico, se requiere en el diseo de los materiales, propiedades termomecnicas y termofsicas con una mxima transferencia de calor. Los materiales metlicos de uso ms comn 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 mecnicas, alta resistencia a la degradacin ambiental y fcil manipulacin. Tambin se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se est investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetlicos. Refuerzos. Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categoras: fibras, whiskers y partculas. Desde el punto de vista de propiedades mecnicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la direccin del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partculas se experimenta una disminucin de resistencia pero se obtiene una gran isotropa en el material. Fibras Continuas: En el caso de las fibras metlicas, los problemas de ataque qumico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolucin de la fibra en la matriz y la relativamente fcil oxidacin de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que ste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cermicas, siendo las ms 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 mdulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partculas: El uso de partculas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropa de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener xito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamao y la pureza de las partculas utilizadas. Los refuerzos tpicos de mayor uso en forma de partcula son los carburos (TiC, B4C), los xidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los ltimos aos se han empezado a utilizar partculas de refuerzo de compuestos intermetlicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la produccin de CMM son comercializadas en diferentes dimetros (entre 3 y 5 mm). El uso de ste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce. Los whiskers tienen dimetros 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 utilizacin se ha visto restringida en algunos pases a causa de su carcter nocivo para la salud humana. Interfase matriz-refuerzo La zona de interfase es una regin de composicin qumica variable, donde tiene lugar la unin entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecnicas finales de los materiales compuestos. Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unin interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metlica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unin en la interfase una estabilidad termodinmica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unin suficientes que garanticen la transmisin de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean adems estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector elctrico y electrnico, 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 travs de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.

3. CMM: propiedades y comportamientoBajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un lmite superior de propiedades mecnicas y fsicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinacin de propiedades especficas de la aleacin (tenacidad, conductividad elctrica y trmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades especficas de los cermicos reforzantes (dureza, alto mdulo de Young, bajo coeficiente de expansin trmica). Es as como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus propiedades, tanto mecnicas como trmicas al compararlo con la aleacin base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtencin de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad. Propiedades mecnicas Las propiedades mecnicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha sealado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfologa, la fraccin en

volumen, el tamao y la distribucin del refuerzo en la aleacin base. Adems dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos trmicos residuales de la matriz Se ha comprobado cmo vara la dureza de un material compuesto en estado de obtencin y despus de un tratamiento trmico, as como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la traccin al variar el % de volumen de la fraccin reforzante, tanto en el material sin tratamiento trmico, como con tratamiento trmico. Figura 3. La resistencia a la traccin en los materiales compuestos con partculas duras y blandas vara en funcin del volumen del material reforzante Por su parte la deformacin de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partculas reforzantes Similar comportamiento a la elongacin tiene la resistencia al impacto Propiedades trmicas Las propiedades trmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad trmica (CT) Dependiendo de la fraccin de volumen de refuerzo, su morfologa y su distribucin en la aleacin base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitacin de la matriz y por el tipo de aleacin de la matriz. Es as 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 trmica entre las fibras y la matriz. Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleacin matriz se vea disminuida con la introduccin de partculas cermicas, esto puede verse compensado si la fase cermica que se usa como refuerzo es conductora.

4. Mtodos de obtencinLas tcnicas de produccin para CMM se clasifican bsicamente en cuatro tipos segn el estado de la matriz durante el proceso:

En estado lquido (fundicin, infiltracin), En estado slido (pulvimetalurga (PM), sinterizacin, prensado en caliente), En estado semislido (compocasting) y En estado gaseoso (deposicin de vapor, atomizacin, electrodeposicin), ste ltimo de poca difusin, pero bastante utilizado en la obtencin de CMM para el sector electrnico En la figura 1, se muestra el proceso de obtencin de materiales compuestos por la va de fundicin, utilizando un agitador para homogeneizar las partculas del refuerzo en la matriz de aluminio.

Figura 1. Mtodo de fundicin con agitacin. En los mtodos relacionados con la fundicin deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Empleo de una capa de gas inerte Tcnicas de desgaseado por inyeccin rotatoria Argn-SF6 Evitar sobrecalentamientos (Formacin de carburo de aluminio) Agitacin para el mezclado del refuerzo con el aluminio fundido) Evitar turbulencias (se atrapa gas)

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

Figura 3. Esquema del mtodo de infiltracin 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 distribucin homognea, luego son prensados para obtener la forma de la pieza que se quiere obtener y despus se procede a la sinterizacin. El proceso de sinterizacin generalmente se desarrolla en atmsfera de nitrgeno o amoniaco disociado. Otro mtodo empleado es el de al fundicin prensada, mediante este mtodo el metal solidifica bajo la presin, entre moldes cuyas superficies son presionadas en una prensa hidrulica. La presin aplicada y el contacto con el molde favorecen la transferencia de calor, por lo que el enfriamiento es rpido y se obtiene un grano fino, libre de poros y propiedades mecnicas cercanas a la materia prima Tambin se obtienen materiales compuestos con matriz de aluminio mediante extruccin, cuando se hace pasar el material preconformado, tanto en fro, como en caliente a travs de troqueles con la forma que se desea, generalmente piezas simtricas a travs de un eje.

Mediante la extruccin se logra acabado superficial y exactitud dimensional. Aunque a veces se requieren operaciones de maquinado pequeas tales como taladrado, pequeos cortes, etc.

5. Estudios reportados en patentesA continuacin se muestran algunos trabajos presentados en patentes, en los que aparecen diferentes variantes en la obtencin de materiales compuestos: Reaccin de aglutinacin para preparar un material compuesto de aluminio nitrurado reforzado con un material cermico, desarrollado en la patente CN1099739, en el ao 1995, por Kefeng Cai (Cn); Cewen Nan (Cn); Xinmin Min (Cn). Un material compuesto de aluminio nitrurado con partculas de porcelana se obtiene mezclando previamente los polvos de aluminio y cermicas, molida en un molino de bolas, secado en un horno al vaco, tamizado y conformado en una prensa en fro, y sinterizacin en atmsfera de nitrgeno. El material obtenido tiene las ventajas de emplear temperaturas relativamente bajas, materias primas de fcil obtencin y baratas; se obtienen buenos cristales de nitruro de aluminio, no se produce contraccin en el objeto sinterizado y adems el costo de fabricacin es bajo. Preparacin de un material compuesto de aluminio reforzado con granos de cermica, desarrollado por Xie Guohong (Cn), reportado en la patente CN1182063, con fecha del 1998. Los granos de material cermico son tratados con fluorato como asistente para sumergirlos; ellos son disueltos en una solucin acuosa de K2ZrF6 o K2TiF6 a una temperatura de 80-95C o mezclados con fluorato antes de calcinarlos, los granos de material cermico de esta forma tratados son colocados en la parte superior del aluminio fundido y se mantiene la temperatura durante cierto perodo, 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 cermicas y a partir de una ligera agitacin es posible preparar el material compuesto requerido en el medio ambiente de la atmsfera. Mtodo para la preparacin de un material compuesto de aluminio y cermicas, es propuesto mediante la patente CN1199101, del 1998, propuesta por Feng Di (Cn); Han Guangwei (Cn); Yin Ming (Cn). Un mtodo para preparar un material compuesto de aluminio y cermicas continuos preparando previamente piezas de material cermico comunicadas con orificios en tres dimensiones, el aluminio aleado fundido recubre las piezas de cermicas preelaboradas, al sumergir dichas piezas en el aluminio fundido. Luego las piezas son calentadas en una atmsfera de un gas inerte para su proteccin entre 760 y 1 200C durante un perodo de 1 a 10 h, tomando entonces las piezas preelaboradas fuera del horno. Material Compuesto formado por un material intermetlico de hierro-aluminio y xido de aluminio y su preparacin, son mostrados en la patente CN1210097, del 1999 por Yin Yansheng (Cn); Zhang Yujun (Cn); Sun Kangning (Cn). En esta patente se describe la formacin de un material compuesto formado por un material intermetlico de hierro y aluminio y almina. Este material presenta altas propiedades mecnicas, resistencia a las altas temperaturas, a la corrosin y a la oxidacin 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 partculas de material cermico, es descrito en la patente CN1414132, del 2003 por Fei Weidong (Cn); Shi Gang (Cn); Li Yilin (Cn). Un whisker de borato de magnesioy partculas de cermica (SiC y/o partculas de borato de aluminio y/o Al2O3 y/o ZrO2) refuerzan un material base formado por una aleacin de aluminio. Sus ventajas son su alta resistencia al desgaste, conductividad trmica, un excelente comportamiento ante las altas temperaturas y un coeficiente de friccin estable. Preparacin de un material compuesto de base aluminio y el proceso pulvimetalrgico 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 tecnologa de preparacin de materiales compuestos. El material compuesto que se obtiene tiene la siguiente expresin qumica AlaMgbBcMd,, donde a se encuentra entre 50-96, b entre 1-7, c entre 9-90 y d entre 0-13M puede ser uno de los siguientes elementos: Si, Cu, Ni, Ti, Fe, Cr, La, Mn, Ce, Zn, V y Zr. La preparacin del material es un proceso combinado que comprende metalurgia de polvos y reaccin in situ, tambin comprende mezclado de materiales en polvo, prensado en fro para conformar el material, calentamiento y prensado en caliente del material en polvo para producir una reaccin qumica a una temperatura por encima de 950C. dentro de la aleacin base de aluminio, se aade un material cermico de A1MgB14 se forma para formar el material compuesto. El material cermico refuerza al material compuesto formado, este material cermico 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 tecnolgico de autoexpansin con alta temperatura reductora, para sintetizar el polvo cermico compuesto ZrB2Al2O3 en solo un paso. El metal activo reductor y el xido 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 tamao de grano pequeo, un proceso simple, menor consumo de polvos, corto tiempo y bajo costo de produccin. Mtodo de sntesis de un material compuesto formado por nitruro de aluminio ultra fino en fase de polvo cermico 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 preparacin de superfino un compuesto cermico 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 Nitrgeno a travs de la reaccin SHS. Dicho AIN/ZrN es preparado a partir de Zr en polvo y AIN en polvo y N2 a travs de la reaccin SHS. Material compuesto de zinc-aluminio reforzado con partculas de cermicas y proceso de preparacin. 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 partculas cermicas capaz de ser usado en pares de deslizamiento y su proceso de obtencin. El material compuesto consiste en Al 25-45 wt%, Cu 1.0-2.5 wt%, Sb 0.2-2.5 wt%, Te 0.050.15 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 fusin, 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 travs de reaccin y el ltimo paso fusin de una carga de Al-Ti-B, otro carga y colada. El material compuesto de la siguiente patente tiene un excelente desempeo, incluyendo alta resistencia, alta resistencia al d