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Page 1: Segundo Resumen de Ceramicas

Universidad Juarez del Estado de Durango

Facultad de Ciencias Químicas

Ingeniería en ciencias de los materiales

Cerámicas

Resumen de cerámicas para el segundo examen

Waldo Roberto Gallegos Pérez M.A Miguel Angel Salazar Lozano Fecha de entrega: 13/05/14

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Cerámicas Tradicionales: Las cerámicas de este tipo son pastas triaxiales, las cuales las en encontramos en forma de: •Productos de alfarería •Ladrillos y tejas •Azulejos •Porcelana •Aislantes •Refractarios Las cerámicas en si mismas por lo general son complejas y ampliamente utilizadas. Estas están compuestas normalmente de los siguientes componentes habituales: -Arcilla (cuerpo principal de cerámica: caolinita, montmorillonita etc.) -Sílice (desengrasantes) -Feldespatos (fundentes) A la conjunción de los componentes anteriores de le denomina pasta triaxial que al agregarle calor, se crea una mezcla de distintas fases cristalinas y amorfas. -Arcillas Son aluminosilicatos hidratados, mas pequeñas cantidades de otros óxidos, las en entramos de la siguiente manera: TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O,... De estas se distinguen dos tipos: 1. Arcillas primarias (“Arcillas chinas”) Fundamentalmente Caolinita (Fabric. Porcelanas) 2. Arcillas secundarias (o sedimentarias) Fundamentalmente Montmorillonita Forman coloides fácilmente

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Las arcillas se clasifican en : -Arcillas grasas o de bola (ricas en caolin) -Arcillas silícicas (hasta 60% SiO2) -Arcillas rojas (hasta 10% Fe; alfareria tejas -Arcillas de gres (ricas en alcalinos) -Arcillas micaceas (≈ 10 % de micas) De las arcillas anteriores las más empleadas son la caolinita o arcillas de bola. Estas arcilla se encuentran de la siguiente manera Silicato laminar 1:1 Capa [Si2O5]2- y capa [Al2(OH)4]2+; Si2Al2O5(OH)4 ó Al2O3-2SiO2-2H2O Generalmente llevan montmorillonitas y esmectitas (silicatos laminares 2:1 de composición variable)

Por ejemplo un uso muy común de estas arcillas son el de dar solución a problemas de canteras: asegurar homogeneidad de suministros. -Desengrasentes:SiO2 Son fundamentalmente sílice (cuarzo) y pedernal. Un desengrasante tiene las siguientes características: -Reduce viscosidad de la pasta -Fracción del cuerpo cerámico que tiene mayor tamaño de partícula. -↑ ρempaquetamiento (pieza en verde) ⇒ ↑R y ↓contracción.

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-Mejora resistencia a la fisuración durante secado -Forma esqueleto durante la cocción y ↓ deformación piroplástica -Debido a transformaciones polimórficas ↓ TSR -Fundentes: Feldespatos (K2O.Al2O3.6SiO2) Un fundente funde a ↓T y se transforma en vidrio cuando la mezcla se somete a ↑T, estos componentes facilitan el procesado, mejoran el acabado superficial (rellenan poros) y también se suele emplear nefelina (↓ T cocción y ↑ relación de alcalis).

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-Conformado de arcillas La preparacion de la pasta se lleva a cabo de la siguiente manera: Pasta triaxial + H2O ---> barro o barbotina Es Importante tener en cuenta la dosificación de agua: • Si es escasa → formación de grumos • Si es abundante → pérdida de cohesión de masa • Se emplean surfactantes: ↑σsuperficial ⇒ ↓%H2O en barro

Es Importante realizar un estudio reológico.

Conformado Las técnicas mas habituales de conformado en cerámicas son: torneado de piezas huecas (alfarería), extrusión, inyección, etc.

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-Secado y cocción Proceso de calentamiento para secar cerámica, quemar aglutinantes, producir cambios estructurales de minerales, vitrificar , unir partículas y densificar. Efecto del calor en la mezcla pasta triaxial-H2O

El secado y la cocción tiene las siguientes cara teristicas: •Fase desecación: ≤ 100 Pérdida de humedad libre, 100-200 C Pérdida de H2O adsorbida. •Fase deshidratación: 200-500 C Pérdida de H2O por deshidroxilación Al2O3.2SiO2.2H2O→ (caolinita). (Al coordinado Tdcamente) Al2O3.2SiO2 + 2H2O (metacaolín) (Al coordinado octaedricamente) 573 C Inversión de α-cuarzo a β-cuarzo

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Fase de reacción: 950-1000 oC Transformación Metacaolín -Espinela

≈1075 oC Conversión de espinela a mullita 0.282Al8(Al13.33 2.66)O32 + 6SiO2 → 3 Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 0.562Si8(Al10.67 5.33)O32 + 3SiO2 → 3 Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 1200 oC Fusión ↓Porosidad ⇒ ↑ compactación Vitrificación del feldespato

-Aplicaciones

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Materiales refractarios Son materiales con alta resistencia, estabilidad mecánica e inertes químicamente a temperaturas del orden de 1400oC y superiores. Las características generales que los distinguen son las siguientes: -Soportan altas temperaturas sin fundir o descomponerse (elevada estabilidad térmica) -Elevada Resistencia a fluencia -Químicamente inertes bajo medios agresivos -Baja conductividad térmica (Aislantes térmicos) Estos materiales los podemos encontrar en la: -Industria siderurgica (65% producción). -Industria cerámica y del vidrio (16% producción). -Industria del cemento (8% producción).

-Propiedades Las propiedades están íntimamente relacionadas con la microestructura y del tipo de enlace. • Microestructura: Microestructura compleja. Son policristalinos con una o mas fases cristalinas y frecuentemente una fase líquida o vítrea. R mayor a menor tamaño de grano y menor porosidad, conductividad térmica menor a mayor porosidad.

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• Tipo de Enlace Los enlaces que constituyen los materiales refractarios son enlaces de tipo iónico, covalente o mixto. Estos les otorgan elevada fortaleza interior, ya que el enlace entre ellos es muy fuerte. También, estos enlaces otorgan mayor temperatura de fusión y elevada dureza.

Los materiales refractarios tienen diferente microestructura y pueden encontrarse en diferentes fases, de ellas mas comunes son las siguientes:

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-Clasificación • Refractarios ácidos.- Contienen cantidades importantes de SiO2 que reacciona con refractarios básicos a mayor T p.e. refractarios basados en SiO2, en Al2O3 y en arcillas. • Refractarios básicos.- Refractarios que reaccionan con refractarios ácidos a mayor T p.e. MgO, dolomita (CaCO3.MgCO3) y cromita • Refractarios neutros.- Refractarios que no reaccionan con refractarios ácidos ni con básicos a mayor T p.e. Carbón y mullita, • Refractarios especiales.- Incluye materiales Refractarios de alto coste: ZrO2, SiC, Si3N4,..etc. Refractarios ácidos • Sílice El principal problema que tienen, es que presenta polimorfismo

Transformación SiO2: -desplazativa: (α ↔ β)

-reconstructivacuarzo ↔ tridimita o cristobalita (rápidas en calentamiento; impedida en enfriamiento) Ladrillos con sílice:-Hasta 600 C calentamiento lento debido a mayor ∆V (y mayor α(cuarzo)) -Por encima de 600 oC buena TSR (menor α).

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-Sílice: Ladrillos de Sílice Se emplea como revestimiento de hornos de coque, sus características son: Elevada estabilidad entre 600 y 1450oC Hay dos calidades: Densos ( 1.85 gcm-3) y superdensos (1.97 gcm-3)

Estos ladrillos de sílice tienen una microestructura que luce como se muestra en la siguiente imagen:

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-Sílice: Sílice amorfa fundida Excelente estabilidad volumétrica hasta 1200 oC y ↑ TSR (α = 0.5 x 10-6 K-1). Aplicaciones: -Material de laboratorio. -Toberas para hornos de acería. -Bebederos y tubos de descarga para Al y Cu fundido -Revestimiento de equipo de industria química. - Aluminosilicatos Son sencillos, baratos y de altas prestaciones, estos varían, y los encontramos de diferentes calidades en función del % Al2O3.

Estos materiales refractarios suelen contener otras sustancias (Fe2O3, TiO2 y alcalis).

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-Aluminosilicatos: ladrillos refractarios de arcilla refractaria

Fases principales: -Arcilla quemada densa ”Chamotte Grog”(aluminosilicatos ricos en Al2O3) -Mullita y vidrio de silicato que actúa como ligante de partículas -Aluminosilicatos: refractarios de alta alúmina

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Refractarios Básicos MgO: ausencia de transiciones polimórficas mayor Tf compatibilidad química con fases básicas Hay fundamentalmente tres tipos: • Refractarios de magnesia (MgO) Basados en mineral periclasa (MgO) • Dolomitas Basados en mineral dolomita ((Mg,Ca)CO3) • Refractarios de Magnesia-Cromo Partículas de MgO unidas por MgCr2O4 mayor coef. expans. térmica y mayor TSR. Se emplean en hornos extracción de metales por su ↑R escorias -Refractarios Especiales • Carburo de Silicio (SiC): menor α y mayor K⇒ mayor TSR, mayor dureza ⇒

mayor ,Rabrasión • Nitruro de Silicio (Si3N4) y SiAlON:↑R a ↑T,↑ Rcorrosión (capa pasivante de SiO2),↑

Rdesgaste y ↑TSR (∆T=900oC) (sobre todo Sialon). • Circona (ZrO2) ↑Tfusión ; ↑tenacidad y ↑Rcorrosión ↓K(aislante refractario), No reacciona con metales líquidos ni vidrios fundidos • Siliciuro de Mo (MoSi2) -Cerámicas Refractarias con C, Ladrillos óxido-grafito: C-MgO, C-Al2O3, C-ZrO2 Características • ↓ρ • ↑Rcorrosión (óxido) • ↑TSR ⇒ (↑σ del grafito) (4-30% grafito + 5% breas)

• Microestructura: M.C. Con ↑ tenacidad Aditivos • SiC, ZrB2,.... ⇒ (↑Rdesgaste

• Al, Si ⇒ (↑Roxidación (formación Al2O3, SiO2)

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Aplicaciones • Revestimientos de hornos de acero (MgO-grafito (5-20%)) • Revestimientos de tuberias vertedoras de acero en procesos de colada continua (Al2O3-grafito (≤ 30%)) • Revestimiento de tuberias conducción metal sin contacto con aire (ZrO2-grafito) Aplicaciones de refractarios en la industria del procesado del vidrio.

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Aplicaciones de los refractarios en la industria siderúrgica de alto horno. Requisitos -Mayor T (200-2000oC). -Mayor R de abrasión (carga mineral y movimiento ascendente de gases cargados con polvo). -Mayor R de compresión (parte baja del horno).

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Aplicaciones refractarios: Sistema protector térmico trasbordador espacial Requisitos: - menor ρ -Resistente a grad. térmicos severos -Soportar T exterior (-110oC – 1260 oC) - mayor poder adhesión a estructura Al. -Acabado bueno (superf. lisa y aerodinámica)

Material empleado: ≠ materiales con ≠ propiedades. -baldosas cerámicas. -C reforzado con C (Matriz C refuerrzo fibras C) (Zonas de T>1260oC) -Fieltro de nylon recubierto de silicona.

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Baldosas ceramicas: Fibras delgadas de SiO2 amorfa de ↑ pureza Características -93 % vacío (excelente aislante térmico) -α↓↓ (ya que es SiO2) -E↓↓ -↑Ttrabajo (T=1480oC tiempos cortos) -Propiedades anisotrópicas ↑↑TSR

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Finalmente concluimos este tema con la normatividad de los materiales refractarios.

Conclusión Conocer lo amplio especteo de posibilidades de uso de los cerámicos, me deja una idea bien clara de su importancia a nivel mundial. Este día comprendí en complementacion a este trabajo, el como un ingeniero en materiales tiene que estar formado. Principalmente se necesita dominar la habilidad de comprender las necesidades de hoy en día y del futuro. De ello dependerá la función que queremos que desempeñe nuestro material, y para que eso sea cumplido en orden, hay que saber que propiedades fisicas y quimicas debe tener nuestro material, por ejemplo en la construcción de un edificio, se nesesita que nuestra estructuta soporte toda la carga de su mismo peso y de toda la infraestructura, que sea resistente a los cambios climáticos, corrosión, a ciertas sustancias químicas etc. Estas propiedades se encontraran al mezclar de manera adecuada diferentes componentes como en el caso de una cerámica refractaria o tradicional. Estos componentes tendran que ser compatibles desde el punto de vista químico y físico, y tendremos que observar como las diferentes fases cristalinas que pudiese tener un compuesto, pudieran modificar la propiedades del mismo. Por lo tanto con este trabajo afianzo lo ya aprendido y dirijo con claridad el perfil que deseo tener y lograr cuando salga de mi carrera.