Tema III Ceramicos

UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS

CERMICOS y VIDRIOS

Profesor Dr Jos J. Fuentes

E-mail: [email protected]


Al finalizar este tema el estudiante debe:

1. Definir y clasificar los materiales cermicos;

2. Describir las propiedades mecnicas de los cermicos y los mecanismos

correspondientes de deformacin, endurecimiento y falla;

3. Describir las propiedades trmicas de los cermicos;

4. Nombrar diversos tipos de vidrios y, para cada tipo, sus aplicaciones

tpicas;

5. Cite los requerimientos que deben reunir los cermicos refractarios y los

cermicos abrasivos

Objetivos de aprendizaje


Los cermicos son materiales cristalinos inorgnicos no metlicos, constituidos por

elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces

totalmente o predominantemente inicos, teniendo algn carcter covalente.


Hasta los ltimos 60 aos los materiales ms importantes de esta clase fueron

denominados cermicos tradicionales, es decir, aquellos en que la materia

prima principal es la arcilla. Ejemplos: porcelana china, ladrillos, losetas,

vidrios, cermicos refractarios.

En los ltimos tiempos, avances en la comprensin de estos materiales han

permitido que una nueva generacin de cermicos haya evolucionado. Estos

nuevos materiales tienen un efecto bastante dramtico en nuestra vidas;

electrnica, informtica, comunicaciones, aeroespacial, y una serie de otras

industrias, dependen de su uso.


Ejemplos de materiales cermicos estructurales de alto rendimiento


Alta estabilidad qumica Gran resistencia a las condiciones

ambientales

Alta dureza Materiales abrasivos (o resistencia al desgaste)

Altas temperaturas de fusin Materiales refractarios

Buenos aislantes trmicos y elctricos

Fragilidad Propiedad ms desfavorable

Baja tenacidad y ductilidad Pocas aplicaciones estructurales

Propiedades tpicas


Diagrama de barras de rigidez a temperatura ambiente de materiales de ingeniera


Diagrama de barras de resistencia mecnica a temperatura ambiente de

materiales de ingeniera


Diagrama de barras de resistencia a fractura a temperatura ambiente de



Diagrama de barras de conductividad elctrica a temperatura ambiente de



Abrasivos

Ladrillos refractarios


Porcelana elctrica


Cermicos cristalinos: Incluyen silicatos y, compuestos oxdicos

y no oxdicos

Vidrios: Slidos no cristalinos con composiciones comparables a

las de los cermicos cristalinos. Se subdividen en silcicos y no

silcicos

Vitrocermicas: Se conforman inicialmente como vidrios, y

posteriormente cristalizan de un modo controlado

Categoras


Cermico cristalino Vidrio -no cristalino-

Estructura a escala atmica


1.Silicatos

Son materiales compuestos principalmente de tomos de Si y O. Dado que

estos son los elementos ms abundantes de la corteza terrestre la mayor

parte de suelos, rocas, arcillas y arenas estn bajo la clasificacin de

silicatos.

Los cermicos tradicionales pertenecen a esta categora. Productos de

arcilla cocida cermicas blancas, p.ej. porcelana china-, vajillas; productos

estructurales arcillosos como el ladrillo, la teja, losetas, retretes, baeras;

productos de ingeniera como aislantes elctricos, esmaltes, abrasivos,

refractarios; productos de construccin como cemento, etc.

Cermicos Cristalinos


Abundancia

relativa de los

elementos en la

corteza terrestre


Composiciones de algunas formaciones minerales de silicato

Slice

Cuarzo SiO2

Tridimita SiO2

Cristobalita SiO2 Silicato de almina

Caolinita Al2O3 2SiO2 2H2O

Pirofilita Al2O3 4SiO2 H2O

Metacaolinita Al2O3 2SiO2

Silimanita Al2O3 SiO2

Mullita 3Al2O3 2SiO2

Silicatos de almina e

iones alcalinos

Feldespato de potasio K2O Al2O3 6SiO2

Feldespato de sodio Na2O Al2O3 6SiO2

Mica K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O

Leucita K2O Al2O3 4SiO2

Silicatos de magnesio

Cordierita 2MgO 5SiO 2Al2O3

Esteatita 3MgO 4SiO

Talco 3MgO 4SiO H2O

Crisotilo asbestos- 3MgO 2SiO 2H2O Forsterita 2MgO SiO


Composicin de algunos cermicos de silicatos

Composicin (% en peso)

Cermico SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO Otros

Slice refractaria 96 4

Ladrillo refractario 50-70 45-25 5

Mullita refractaria 28 72 -

Porcelana

elctrica 61 32 6 1

Porcelana 64 5 30 1

Cemento portland 25 9 64 2

Refractarios: Materiales estructurales resistentes a las altas temperaturas


Cul es la unidad estructural bsica de los silicatos?


tomo de Si con una

valencia de 4 puede

establecer hasta 4

enlaces covalentes

tomo de O con una

valencia de 6 puede

establecer hasta 2

enlaces covalentes


Estructura tetradrica de slice, con enlaces covalentes entre tomos de Si y O


Unidad bsica

estructural (SiO4-4)

En esta estructura cuatro tomos de oxgeno rodean un tomo central de silicio.

Cada tomo de oxgeno tiene un electrn para enlazar con otro tomo. Diversas

estructuras de silicatos surgen de las distintas formas en las que las unidades SiO4-4

pueden combinarse en arreglos de una, dos y tres dimensiones.


1.1 Nesosilicatos (ortosilicatos). Son las estructuras ms simples que comprenden

tetraedros SiO4-4 individuales. Ejemplos de minerales: granates, olivino, topacio y

circn. Los tetraedros SiO4-4 permanecen unidos entre s por medio de cationes

intersticiales (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.), cuyos tamaos relativos y cargas

determinan la estructura de los compuestos.

Mineral Olivino

(Mg,Fe)2SiO4. En azul

los cationes Mg2+ y

Fe2+. Fuente: wikipedia


Olivino: se utiliza en procesos metalrgicos para purificar el acero produciendo escoria.

Normalmente, se usa olivino con alto contenido en Mg (forsterita), que se aade a los

altos hornos. El olivino tambin se ha usado como material refractario: ladrillos

refractarios y arenas para fundicin. Y, como piedras preciosas.

Olivino (Carolina del Norte) Peridoto (variedad de olivino)


1.2 Sorosilcatos: Se forman cuando dos tetraedros comparten un mismo oxgeno,

con frmula [Si2O7]6. Ejemplos: hemimorfita, epidota, zoisita o tanzanita. Los

tetraedros unidos por un vrtice permanecen unidos con otros por medio de cationes

intersticiales (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.) cuyos tamaos relativos y cargas

determinan la estructura de los compuestos.

Modelo polidrico.

Fuente: wikipedia


Hemimorfita: Industrialmente se extrae de

las minas como mena del cinc, siendo de

gran rentabilidad econmica su

explotacin, pues contiene ms de un

54% de cinc.

Frmula qumica: Zn4Si2O7(OH)2.H2O

Hemimorfita


1.3 Ciclosilicatos: Cada tetraedro est unido a dos o ms tetraedros de SiO4-4 por

sus vrtices, formando un anillo cerrado, simple o doble, el cual puede tener

enlaces inicos con cationes muy diversos (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.).

Ejemplos: turmalina, cordierita, rubelita, benitota, dioptasa, etc.

Estructura de la

cordierita. tomos de

Mg en verde, tomos

de O en azul y

tomos de Si y Al en

amarillo. Fuente:

wikipedia


Cordierita: Los convertidores catalticos son

comnmente fabricados con cermicos que

contienen una gran proporcin de cordierita

sinttica. El proceso de fabricacin

deliberadamente alinea los cristales de

cordierita para hacer uso de la muy baja

dilatacin trmica vista en un eje. Esto evita

el choque trmico que tiene lugar cuando el

convertidor cataltico es usado.

Frmula qumica: (Mg,Fe)2Al4Si5O18 Cordierita


1.4 Inosilicatos: Cada tetraedro tiene dos de sus vrtices unidos covalentemente a

otros tetraedros, constituyendo as largas cadenas de tetraedros unidos por vrtices,

y que pueden ser cadenas simples o dobles. Esta estructura dota a estos minerales

de hbito fibroso. Las cadenas estn unidas entre s por enlaces inicos con iones

metlicos (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.). Ejemplos: Espodumena,

Hedenbergita. Wollastonita, etc.

Inosilicato

de cadena

simple.

Fuente:

wikipedia


Wollastonita: Usos, sustituto del asbesto de

fibra corta; fundentes metalrgicos;

refuerzos en polmeros; industria cementera;

industria de papel; aditivo en pinturas;

cermica refractaria, etc

Formula qumica: (Mg,Fe)2Al4Si5O18

Wollastonita


Inosilicato de cadena doble. Fuente: wikipedia


1.5 Filosilicatos: Tres vrtices en el mismo plano de un tetraedro se enlazan a los

vrtices de otros tres tetraedros, formando una red plana que se extiende en un plano

de dimensiones indefinidas. Esta estructura dota a estos silicatos de hbito foliado,

hojoso o escamoso. Son blandos y de bajo peso especfico. Tipos: arcillas, mica,

serpentina, y clorita.

Modelo

polidrico de la

lmina de

tetraedros de

silicato.

Fuente:

wikipedia


Mina de caoln en Bulgaria. El caoln es una arcilla blanca muy pura que

se utiliza en la fabricacin de porcelanas, refractarios, relleno de

plsticos, agroqumicos, construccin y muchos ms. Fuente: wikipedia


El talco es el mineral ms blando. En la escala de Mohs se le asigna

el valor 1. Se utiliza como aditivo de plsticos, relleno de papel,

pinturas, cosmtica, industria de cermicos, etc. Fuente: wikipedia


Las micas se caracterizan por su fcil exfoliacin en delgadas lminas flexibles,

elsticas y muy brillantes. Usos: aplicaciones de alta responsabilidad como

aislamiento de mquinas de alta tensin y gran potencia, turbogeneradores,

motores elctricos, condensadores, etc.


1.6 Tectosilicatos: Se producen cuando todos los vrtices de cada tetraedro

comparten tomos de oxgeno con otros, produciendo una malla de extensin

tridimensional compleja. La sustitucin de Si por Al en algunos tetraedros permite que

en la malla se coloquen cationes (K+, Na+, Ca2+) para compensar las cargas negativas

resultantes. Tipos: cuarzo, tridimita, cristobalita, feldespatos, zeolita y escapolita.

Constituyen aprox. el 64% de los minerales de la corteza terrestre.

Esquema

tridimensional de la

estructura de un

cuarzo (cuarzo-). Fuente: wikipedia


Slice (silica)

Es el silicato qumicamente ms simple, denominado tambin dixido de silicio

(SiO2). Estructuralmente es una red tridimensional que se genera cuando los

tomos de oxgeno de cada tetraedro son compartidos por tetraedros adyacentes,

as, el material es elctricamente neutro. Si los tetraedros estn dispuestos de una

manera ordenada y regular se forma una estructura cristalina. Existen tres formas

bsicas cristalinas, no reversibles, de la slice: Cuarzo, cristobalita y tridimita.

La slice es el cermico ms ampliamente usado, p. ej., aislantes trmicos,

refractarios abrasivos, en compuestos reforzados con fibra, vidrio de laboratorio,

etc. En la forma de fibras largas continuas se usa para hacer fibra ptica.

Partculas finas de slice se usan en neumticos, pinturas, etc.


Arena de alta pureza de SiO2

Fuente: wikipedia

Fibras pticas (slice

de alta pureza)

Fuente: wikipedia


Arreglo de tomos

de O y Si en una

celda unidad de la

cristobalita.


2. Cermicos de xidos no silicatos

Composicin principal Nombre comn de los productos

Al2O3 Almina, almina refractaria

MgO Magnesia, magnesia refractaria, magnesita refractaria,

periclase refractaria

MgAl2O4 (=MgO.Al2O3) Espinela

BeO xido de berilio

ThO2 xido de torio

UO2 xido de uranio

ZrO2 (estabilizada con

CaO) Circona estabilizada (total o parcialmente)

BaTiO3 Titanato de bario

NiFe2O4 Ferrita de nquel

La tabla contiene algunos de los materiales cermicos ms avanzados. El costo de

la separacin qumica y el procesado de estos materiales supone un fuerte

contraste con la economa de los cermicos de silicato


Oxido de aluminio (Al2O3)

Se usa para contener metal lquido o en aplicaciones en las que un material debe

operar a altas temperaturas con alta resistencia. Tambin se usa como un

sustrato de constante dielctrica baja para el embalaje electrnico que alberga

los chips de silicio. Una aplicacin clsica es en aisladores de bujas. Algunas

aplicaciones nicas se encuentran en uso dental y mdico. La almina dopada

con cromo se usa para la fabricacin de lseres.

Dixido de titanio (TiO2)

Se usa para fabricar cermicos elctricos como BaTiO3. Pigmento blanco para

hacer pinturas y como blanqueador de la leche. Como agente nucleante de

ciertas vitrocermicas. Finas partculas de TiO2 se usan para hacer cremas

bronceadoras.


3. Cermicos no xidos

Composicin principal Nombre comn de los productos

SiC Carburo de silicio

Si3N4 Nitruro de silicio

TiC Carburo de titanio

TaC Carburo de tntalo

WC Carburo de wolframio

B4C Carburo de boro

BN Nitruro de boro

C Grafito

El nitruro de silicio junto a la circona parcialmente estabilizada representan el

extremo ms avanzado de la tecnologa de los cermicos. Est previsto que contine

el uso cada vez mayor de los cermicos estructurales, especialmente, en

aplicaciones en automocin


Carburo de silicio (SiC)

El SiC provee una destacable resistencia a la oxidacin a temperatura por arriba del

punto de fusin del acero. El SiC se usa como recubrimiento de metales, compuestos

carbono-carbono y otros cermicos para proveerles proteccin a temperaturas

extremas. Tambin se usa como abrasivo en ruedas de desbaste. Como refuerzo en

formas de fibra o partculas tanto en compuestos de matriz metlica como

compuestos de matriz cermica. Asimismo, se usa para fabricar elementos de

calefaccin para hornos. Y tiene ms aplicaciones.

Nitruro de silicio (Si3N4)

Tiene propiedades similares al del SiC, aunque su resistencia a la oxidacin y

resistencia a alta temperatura son algo ms bajas. Tanto el Si3N4 como el SiC son

candidatos para componentes de automvil y turbinas de gas, permitiendo operar a

ms altas temperaturas y mejor eficiencia, con menos peso que los metales

tradicionales.


Es un producto inorgnico de fusin que se ha enfriado hasta una condicin rgida,

sin cristalizacin. Al igual que la slice cristalina, el tetraedro SiO4-4 es la unidad

bsica, pero ms all de esta estructura existe un considerable desorden

Vidrios Materiales No Cristalinos

Esquema bidimensional de la estructura de (a) Slice cristalina, (b) Slice no

cristalina


Estructura de los vidrios

xidos formadores de red: SiO2, B2O3, GeO2, P2O5 . Son xidos que

pueden conectarse con la red de tetraedros de SiO44- asociados a la

slice vtrea.

xidos modificadores de red: Na2O, K2O, CaO, MgO, BaO, PbO. Son

xidos que rompen la continuidad de la red. Reducen la viscosidad del

vidrio, bajan la temperatura de fusin, permitiendo moldearlos ms

fcilmente.

xidos intermedios: Al2O3, TiO2, ZrO2. Son xidos que ayudan a

estabilizar la red, y permiten obtener propiedades especiales.


Representacin

esquemtica de la

estructura de un vidrio

de silicato de sodio


Composicin, propiedades y aplicaciones de algunos vidrios de silicato

Vidrio SiO2 Na2O K2O CaO B2O3 Al2O3 MgO Otros Observaciones

Slice vtrea 100

Expansin; Resistencia al choque trmico; Difcil de

fabricar. Crisoles de alta temperatura, ventanas de horno.

Slice 96 por 100 96,3


Materiales cermicos sofisticados. Combinan la naturaleza de los

cermicos cristalinos y los vidrios.

Comienzan por obtenerse como un producto de vidrio

capacidad de ser conformados a medida, y a bajo costo.

El producto se somete a T. T. controlado. Cristaliza cerca del 90%

del material vtreo. El vidrio residual rellena el volumen entre los

distintos granos estructura libre de poros.

El producto vitrocermico posee una resistencia al impacto y al

choque trmico muy superior a las de los cermicos

convencionales

Vitrocermicas


Cocina vitrocermica

Fuente: wikipedia


Composicin de algunas vitrocermicas

Composicin (% en peso)

Vitrocermica SiO2 Li2O Al2O3 MgO ZnO B2O3 TiO2 P2O5

Sistema Li2O-Al2O3-SiO2 74 4 16 6

Sistema MgO- Al2O3-SiO2 65 19 9 7

Sistema Li2O-MgO-SiO2 73 11 7 6 3

Sistema Li2O-ZnO-SiO2 58 23 16 3


Fractura frgil

En la Fig. se aprecia la naturaleza frgil de la fractura de los cermicos. En (a) la

resistencia a rotura en un ensayo de traccin es 280MPa. En (b) La resistencia a

rotura en un ensayo de compresin es 2100MPa.

Los cermicos son muy dbiles en traccin, pero relativamente resistentes en

compresin

Propiedades Mecnicas de los Cermicos y Vidrios


Mdulo de rotura, MOR

Ensayo de flexin permite determinar el mdulo de rotura. El MOR es de la misma

magnitud que la resistencia a traccin, puesto que el modo de fallo en un proceso de

doblado es traccin

22

3

bh

FLMOR


Mdulo de elasticidad y resistencia (MOR) de diversos cermicos y vidrios


Modelo de grieta de Griffith (Materiales frgiles)

Material KIC (MPa m1/2)

Circona parcialmente estabilizada 9

Porcelana elctrica 1

Almina (Al2O3) 3-5

Magnesia (MgO) 3

Cemento/hormign, sin reforzar 0,2

Carburo de silicio (SiC) 3

Nitruro de silicio (Si3N4) 4-5

Vidrio sdico (Na2O-SiO2) 0,7-0,8

Valores tpicos de la tenacidad de fractura (KIC) de diversos cermicos y vidrios

Nota: La mayora de los valores de KIC son menores que los de los metales ms frgiles


Choque Trmico

El choque trmico se define como la fractura (parcial o completa) del material

como resultado de un cambio de temperatura (normalmente un enfriamiento

brusco) El choque trmico es consecuencia de los valores del coeficiente de

dilatacin trmica, , y de la conductividad trmica, , desde dos puntos de vista:

Puede producirse un fallo tensional si se impide la expansin trmica

uniforme.

Los cambios bruscos de temperatura producen temporalmente

gradientes de temperatura en el material, que originan tensiones

residuales internas.


Choque trmico debido al hecho de impedir la dilatacin trmica del material.

El proceso es equivalente a permitir la expansin libre del material para

seguidamente devolverlo a su dimensin inicial mediante la aplicacin de una

compresin mecnica


Choque trmico

resultado de los

gradientes de

temperatura debidos

a una conductividad

trmica finita. El

enfriamiento rpido

origina tensiones

superficiales de

traccin.


Lectura recomendada: Ejemplo 1 de Cermicos avanzados


1. Smith, W. y Hashemi J. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de

Materiales, 4ta Edicin, McGraw-Hill, 2006. Captulo 11.

2. Shackelford, J. Introduccin a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, 6ta

Edicin, Pearson Prentice Hall, 2005. captulo 19.

3. Callister, W. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, 5ta

Edicin, Editorial Revert, 1995. Captulo 18.

Bibliografa

Tema III Ceramicos

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