Materiales cerámicos

Introducción a la

Ciencia de Materiales M. Bizarro

Materiales cerámicos

• Son compuestos inorgánicos formados por

elementos metálicos y no metálicos cuyos

enlaces interatómicos pueden ser de carácter

totalmente iónico ó predominantemente iónico

con algún carácter covalente.

– Iones metálicos Cationes: carga +

– Iones no metálicos Aniones: carga -

Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos,

por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.

• Enlace: -- Principalmente iónico, un poco covalente.

-- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en

electronegatividad.

• Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño

Enlace Cerámico

SiC: pequeño

CaF2: grande

Estructuras cristalinas de

cerámicos

ZnS

(blenda de zinc)

NaCl (Cloruro

de sodio)

BaTiO3

Perovskita

Densidad teórica de cerámicos

La densidad se calcula de manera similar que en los metales, pero con una

Ecuación modificada:

Donde

n’ = es el número de unidades en la fórmula dentro de la celda unitaria (esto es

El número de iones en la fórmula química.

Ej.: BaTiO3 1 ion de bario, 1 ion de titanio y 3 iones de oxígeno.

SAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmula

SAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula

VC= volumen de la celda unitaria

NA = número de Avogadro, 6.022 x1023 unidades por mol.

Ejemplo • Calcule la densidad teórica del cloruro de sodio.

NaCl tiene estructura FCC n’ =4

A Na = 22.99 g/mol

A Cl = 35.45 g/mol

rNa+ =102 nm

rCl- = 0.181 nm

r =2.14 g/cm3

Impurezas en cerámicos

• Como los materiales cerámicos contienen al menos dos

tipos de iones, se generan defectos de cata tipo de ion.

• Defectos de Frenkel: Involucra una vacancia de catión y

un catión intersticial.

• Defecto de Schottky: Es un par vacancia de catión -

vacancia de anión

Dependencia de T

• El número de defectos de Frenkel y de Schottky

dependen de la temperatura.

Qfr es la energía requerida para la formación de cada defecto Frenkel,

N es el número total de sitios de la red

El número 2 es porque dos defectos (un catión faltante y un catión intersticial)

se asocian con cada defecto Frenkel.

Qs es la energía de formación de un defecto Schottky.

Ejemplo • Calcule en número de defectos de Schottky por metro

cúbico en el cloruro de potasio a 500ºC. La energía

requerida para formar cada defecto es de 2.6 eV, la

densidad del KCl (a 500ºC) es 1.955 g/cm3.

= 1.58 x 1028 sitios de red /m3.

Ns=5.3 x 1019 defectos /m3.

Diagramas de fase de cerámicos

Diagrama MgO-Al2O3

•Son similares a los de metales

•Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el

oxígeno

Propiedades mecánicas

• Son inferiores a las de los metales

• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma

frágil con muy poca absorción de energía.

• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a carga de tracción.

• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.

• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de

determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de

alta densidad atómica.

• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta

está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La

tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:

aYK Ic Donde:

-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la

probeta y de la grieta,

es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien

la mitad de la longitud de una grieta interna.

Propiedades mecánicas

La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la

derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en

deformaciones planas del material.

Kic en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales

• Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura) --Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles.

Medición del módulo elástico

F L/2 L/2

d = punto medio de deflección

Sección transversal

R

b

d

rect. circ.

• Determinación del módulo elástico, E:

Comportamiento lineal-elástico

F x

d

F

d pend. =

E = F

d

L 3

4 bd 3 =

F

d

L 3

12 R 4

Sección

transversal

rectangular

Sección

transversal

circular

• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente

Medición del esfuerzo

F L/2 L/2

d = punto medio

de deflección

Sección transversal

R

b

d

rectangular circular

Punto de tensión máxima

• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:

Nitruro de Si

Carburo de Si

Óxido de Al

vidrio (soda)

250-1000

100-820

275-700

69

304

345

393

69

Material rf (MPa) E(GPa)

x F

Ff

d fs d

rectangular

rf 1.5Ff L

bd 2

Ff L

R3 circular

Influencia de la porosidad

• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores en forma de polvo.

• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas.

• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo siempre queda porosidad remanente.

• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas

La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica

de porosidad P:

2

0 9.09.11 PPEE

Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.

La porosidad

deteriora la

resistencia a

la flexión

1. Los poros reducen el

área de la sección

transversal a través de

la cual se aplica la

carga.

2. Actúan como

concentradores de

esfuerzos (el esfuerzo

se amplifica por un

factor de 2).

La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción

volumétrica de porosidad (P):

nPrf exp0

Influencia de la porosidad

0 y n son constantes experimentales

Ejercicio

El módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que

tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.

• (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no

poroso

• (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad

del 15%.

2

0 9.09.11 PPEE

209.09.11 PP

EE

= 264 GPa

2

0 9.09.11 PPEE = 194 GPa

Ejercicio 2 Se realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela

(MgAl2O4) que tiene una sección transversal rectangular de altura d=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo es de 25 mm.

• Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de 350N.

El punto de máxima deflexión Dy ocurre en el centro de la muestra y está descrita por

donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal.

• Calcule Dy a una carga de 310 N.

EI

FLy

48

3

D12

3bdI donde

fl=101 MPa

Dy=9.4x10-3 mm

Propiedades:

-- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos.

-- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia.

Aplicaciones:

-- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de

carga.

Fabricación

-- algunos vidrios se moldean fácilmente

-- otras cerámicas no pueden moldearse.

Vidrios Productos

de arcilla

Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas

avanzadas

-porcelanas

-óptica

- compuestos

reforzados

- contenedores -ladrillos

-ladrillos

Para alta T

(hornos)

-lijas

- corte

- pulido

-compuestos

- estructurales

máquinas

- rotores

- válvulass - bearings

-sensores

Clasificacion de materiales cerámicos

vidrios vitrocerá

-micos

Productos

estructurales

de arcilla

porcelanas

Arcilla

refractaria

sílice básico

especial

Se necesitan materiales para hornos de alta temperatura.

• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) •

El diagrama de fase muestra: mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos.

Aplicación: Refractarios

Composition (wt% alumina)

T(°C)

1400

1600

1800

2000

2200

20 40 60 80 100 0

alumina +

mullita

mullite + L

mullita Liquid

(L)

mullita + cristobalita

cristobalita + L

alumina + L

3Al2O3-2SiO2

fuerza de tracción

A o A d die

die

• Moldes huecos (dados): Necesita propiedades de resistencia al desgaste

• superficie del molde: -- partículas de 4 mm de diamante policristalino

que se sinterizan en un substrato cementado

de carburo de tungsteno.

-- el diamante policristalino ayuda a controlar

la fractura y da dureza uniforme en todas

direcciones.

Courtesy Martin Deakins, GE

Superabrasives, Worthington,

OH. Used with permission.

Courtesy Martin Deakins, GE

Superabrasives, Worthington,

OH. Used with permission.

Aplicación: Moldes huecos

• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2 • Principio: produce difusión de iones para

una respuesta rápida.

Aplicación: Sensores

Una impureza de Ca 2+

remueve un ion de Zr 4+

y un ion de

O 2 -

Ca 2+

• Proceso: Se agregan impurezas de Ca al ZrO2: -- aumenta las vacancias de O2-

-- aumenta la tasa de difusión de O2-

Gas de referencia con contenido de oxígeno

fijo

O 2-

difusión

Gas con un mayor contenido de oxígeno

- + Diferencia de voltaje producido

sensor • Operación: -- se produce una diferencia de voltaje cuando los iones

de O2- se difunden de la

parte externa de la superficie

del sensor hacia el gas de

referencia.

Vidrios • Los vidrios son silicatos no cristalinos

que contienen otros óxidos (CaO, Na2O, K2O y Al2O3).

• No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso de forma continua.

• La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen específico vs. T) se denomina temperatura de transición vítrea Tg.

Métodos de

fabricación

de vidrios

-Prensado

-Soplado

-Estirado

-Formación de fibras

Cuarzo

(SiO2 cristalino)

Si 4+ Na +

O 2 -

Vidrio

(amorfo)

Métodos de fabricación de vidrios

Masa de vidrio

Molde de la preforma

operación de prensado

• Soplado:

Preforma suspendida

Molde

acabado

comprimido aire

• Prensado: Para fabricación de piezas

con paredes gruesas como

placas o platos.

Se aplica presión en un

molde de fundición

recubierto con grafito.

Producción de jarros,

botellas y bombillas de luz.

Preforma temporal por

prensado mecánico en un

molde. La pieza se coloca en

el molde final y es forzado a

adquirir la forma del molde

por la presión de aire

inyectado.

• Fiber drawing:

wind up

Métodos de fabricación de vidrios

• Estirado:

Para láminas, barras,

tubos y fibras con

sección constante.

Quemador Vidrio fundido

Lámina de vidrio Rodillo de

cambio direc.

Rodillo de

conformado

Apantallamiento térmico enfriado por

agua

El vidrio fundido está en una

cámara caliente. Las fibras se

forman haciendo pasar el vidrio

a través de pequeños orificios

en la base de la cámara.

• Recocido: --remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.

• Templado: --introduce tensiones residuales superficiales de compresión para

aumentar la resistencia.

--suprime el crecimiento de grietas en la superficie.

Tratamientos térmicos del vidrio

further cooled

tension

compression

compression

before cooling

hot

surface cooling

hot

cooler

cooler

--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.

Productos de arcilla

Productos estructurales de arcilla

Porcelanas

Ladrillos de construcción

Baldosas

Tuberías de aguas residuales

Porcelana

Productos de alfarería

Vajillas

Porcelana fina

Artículos sanitarios

Propiedades

-Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua

-Funde en un amplio intervalo de temperaturas

Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y

sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente.

• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado

• Las partículas se mezclan con agua

• secado y calcinado del componente

ram bille

t container

container

force die holder

die

A o

A d extrusion

--Conformación hidroplástica: Extrusión de una masa espesa a través

del orificio de una matriz que tiene la

geometría de la sección deseada.

Técnicas de conformado de arcillas

Componente sólido

--Moldeo en barbotina:

Es la suspensión

de arcilla y otros

materiales no

plásticos en

agua.

Componente hueco

Se vierte

en molde

Se drena

el molde “pieza

terminada”

Se vierte en molde

El molde absorbe el agua

Pieza

terminada

2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.