Materiales Cermicos

Materiales cermicos: sustancias inorgnicas no metlicas que constan de elementos metlicosy no metlicos, unidos principalmente por enlaces inicos y/o covalentes.

CLASIFICACIN SEGN SU USO

Materiales cermicos tradicionales:1.Arcilla2.Slice3.Feldespato4.vidrioMateriales cermicos de uso especfico en ingeniera:1. xidos cermicos2.Carburos cermicos3.Nitruros cermicos

CLASIFICACIN SEGN SU TIPOMateriales cermicos porosos: No han sufrido vitrificacin, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, lquidos y grasas. Ej.: Arcilla cocida, Loza, Refractarios, Electrocermicas: Materiales cermicos impermeables y semi-impermeables: Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y ms duros. Ej: Gres cermico comn y fino, Porcelana.

PropiedadesLas propiedades de los materiales cermicos cubren un amplio intervalo de necesidadesPropiedades mecnicasPropiedades trmicasPropiedades pticasPropiedades elctricasPropiedades magnticasPropiedades qumicas

PropiedadesLas propiedades generales que hacen a los materiales cermicos tiles para los productos de ingeniera son:Alta dureza, Caractersticas buenas de aislamiento trmico y elctrico,Estabilidad qumica y Temperaturas de fusin elevadas. Algunos cermicos son traslcidos; el ejemplo ms claro es el vidrio para ventanas. Tambin son frgiles y virtualmente no poseen ductilidad, lo que causa problemas tanto en su procesamiento como en su desempeo.

PROPIEDADES MAGNTICASNo suelen presentar propiedades magnticas, sin embargo podemos encontrar cermicas con propiedades magnticas de gran importancia como Ferritas y granates. stas son las llamadas cermicas ferrimagnticas.

Las propiedades dependen de: Las propiedades de los materiales cermicos vienen determinadas en cuatro niveles :tomicoOrdenacin de tomos, cristalino o amorfoMicroestructuraMacroestructura

PROCESAMIENTO DE CERMICASLa mayor parte de los productos de cermica tradicionales y de ingeniera se fabricancompactando polvos o partculas en formas que posteriormente se calientan a una temperatura suficientemente alta para que las partculas se unan entre s. Los pasos bsicos del procesamiento de cermicas por aglomeracin de partculas son: 1) preparacin del material 2)formacin o vaciado 3) tratamiento trmico por secado (que generalmente no se requiere) y coccin por calentamiento de la pieza de cermica hasta una temperatura lo bastante alta para que las partculas se unan.

PrensadoEste mtodo se usa comnmente para productos tales como refractarios estructurales y componentes electrnicos de cermica. El prensado en seco se puede definir como la compactacin de un polvo granulado, con pequeas cantidades de agua y/o un aglutinante orgnico, en un molde. Despus del prensado en fro, generalmente las piezas deben ser sometidas a coccin (sinterizadas) para que alcancen las propiedades requeridas de resistencia y microestructura.

Prensado isostticoEn este proceso el polvo de cermica se carga en un contenedor hermtico (llamado bolsa) flexible (generalmente de caucho) que se encuentra dentro de una cmara de fluido hidrulico donde se aplica la presin. La fuerza de la presin aplicada compacta uniformemente el polvo en todas direcciones, de modo que el producto final toma la forma del contenedor flexible. Despus de la presin isosttica en fro, la pieza debe ser sometida a coccin (sinterizada) para alcanzar las propiedades y microestructura requeridas. Las piezas de cermica manufacturadas por prensado isosttico incluyen refractarios, ladrillos, aislantes para bujas de encendidoy herramientas

Seccin transversal de un aislante de buja de encendido en un molde de presin isosttica

Pasos en la fabricacin de un aislante de buja de encendido por el mtodo deprocesamiento isosttico. a) Prensado tosco. b) Aislante torneado (pulido). c) Aislante cocinado. d) Aislante terminado vidriado y decorado. e) Seccin transversal de una bujade encendido automotriz armada, mostrando la posicin del aislante.

vaciado de suspensinEl moldeo de vaciado de suspensin es conveniente para formar paredes delgadas y formas complejas de grosor uniforme. El moldeo de lechada es especialmente econmico para el desarrollo de partes y para tandas de produccin cortas. Algunas variaciones recientes de los procesos de moldeo de lechada son el moldeo a presin y al vaco, en el cual la suspensin se moldea bajo presin o al vaco.

ExtrusinEste mtodo se usa comnmente para producir, por ejemplo, ladrillos refractarios, tubera de desages, losetas acanaladas, cermicas tcnicas y aislantes elctricos.

El medio ms usado es la mquina de extrusin tipo vaco-barrena, en la cual el material cermico plstico (por ejemplo, arcilla y agua) es forzado a pasar a travs de un troquel de acero o aleacin dura mediante una barrena accionada por motor

Tratamientos trmicosEl tratamiento trmico es un paso esencial en la fabricacin de la mayora de los productos de cermica. En esta subseccin se considerarn los siguientes tratamientos trmicos: secado, sinterizado y vitrificacin.

Secado y extraccin del aglutinanteEl propsito de secar la cermica es extraer el agua de la masa de cermica plstica antes de su coccin a mayores temperaturas. Generalmente, el secado para remover el agua se lleva a cabo a 100C o por abajo de esta temperatura, y puede tardar hasta 24 horas en partes de cermicas grandes. La mayora de los aglutinantes orgnicos se pueden eliminar de las partes de cermica por calentamiento en un intervalo de 200 a 300C, aunque algunos residuos de hidrocarburo pueden requerir un calentamiento a temperaturas mucho ms altas.

SinterizacinEl proceso por el cual pequeas partculas de un material son unidas entre s por difusin en el estado slido se llama sinterizacin. En la fabricacin de cermica, este tratamiento trmico da por resultado que un producto compacto poroso se transforme en uno denso, coherente. La sinterizacin se usa comnmente para producir formas de cermica a base de, por ejemplo, almina, berilea, ferritas y titanatos.

VitrificacinAlgunos productos de cermica, como porcelana, productos estructurales de arcilla y algunos componentes electrnicos, contienen una fase vtrea. Esta fase vtrea sirve como un medio de reaccin para que la difusin pueda llevarse a cabo a una temperatura ms baja que en el resto del material cermico slido. Durante la coccin de estos tipos de materiales cermicos, se lleva a cabo un proceso denominado vitrificacin por el cual la fase vtrea se funde y llena los espacios porosos del material. Esta fase vtrea lquida puede reaccionar tambin con parte del material refractario slido restante. Al enfriarse, la fase lquida solidifica una matriz vtrea o vidriada que une entre s a las partculas no fundidas.

CERMICOS TRADICIONALESEstos materiales se basan en silicatos minerales, slice y xidos minerales. Los productos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos), cemento y abrasivos naturales tales como la almina. Estos productos, y los procesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a miles de aos. El vidrio tambin es un material cermico y con frecuencia se le incluye en el grupo de los materiales cermicos tradicionales. El vidrio debido a que su estructura vtrea o amorfa lo diferencia de los materiales cristalinos mencionados (el trmino vtreo significa vidrioso, o que posee caractersticas del vidrio).

Vasijas y vajillasIncluye productos de vajillas que toda la gente usa: vasijas de barro, cermica de gres y porcelana. La materia prima de estos productos es la arcilla, por lo general combinada con otros minerales tales como slice y feldespato. A la mezcla hmeda se le da forma y despus se cuece para producir la pieza terminada.La de barro es la menos refinada del grupo; incluye vasijas y productos similares hechos en tiempos antiguos. La de barro es relativamente porosa y con frecuencia glaseado. El glaseado involucra la aplicacin de un recubrimiento superficial, por lo general una mezcla de xidos tales como slice y almina, para hacer que el producto sea menos permeable a la humedad y ms atractivo a la vista.

La cermica de gres tiene menor porosidad que el barro, lo que resulta de un control de coccin ms elevadas. La porcelana se hornea a temperaturas an mayores, lo que da a las piezas terminadas una superficie translcida caracterstica de su alta calidad. La razn de esto es que gran parte del material cermico ha sido convertido a la fase vtrea (se ha vitrificado), lo que lo hace transparente en comparacin con la forma policristalina. La porcelana moderna casi es la misma que la de China, y se produce por medio de hornear los componentes, sobre todo arcilla, slice y feldespato, a temperaturas an ms elevadas para obtener un material vtreo, denso y muy duro. La porcelana se utiliza en una variedad de productos que van del aislamiento elctrico a los recubrimientos de baeras. ms estrecho de los ingredientes y temperaturas

Ladrillos y azulejosLos ladrillos para la construccin, tubera de arcilla, tejas no glaseadas para techos y mosaicos para drenajes, estn hechos de distintas arcillas de bajo costo que contienen slice y materiales arenosos que existen en depsitos naturales distribuidos con amplitud. Estos productos reciben su forma por presin (moldeo) y se cuecen a temperaturas relativamente bajas.

RefractariosLos refractarios cermicos con frecuencia tienen la forma de ladrillos, son crticos en muchos procesos industriales que requieren de hornos y crisoles para calentar o fundir materiales. Las propiedades tiles de los materiales refractarios son su resistencia a las temperaturas elevadas, aislamiento trmico y resistencia a la reaccin qumica con los materiales que se hornean (por lo general metales fundidos). Como se dijo, no es raro que la almina se utilice como cermica refractaria, junto con el slice. Otros materiales refractarios incluyen los xidos de magnesio (MgO) y de calcio (CaO). Es frecuente que la superficie refractaria tenga dos capas, y que la exterior sea ms porosa porque eso incrementa las propiedades de aislamiento.

AbrasivosLos cermicos tradicionales que se emplean para hacer productos abrasivos tales como ruedas de esmeril y papel de lija son la almina y el carburo de silicio. Aunque el SiC es ms duro que aqulla (la dureza del SiC es 2 600 HV versus 2 200 HV de la almina), la mayora de esmeriles se basan en Al2O3 debido a que da mejores resultados cuando se rebaja acero, que es el metal ms usado. Las partculas abrasivas (granos de cermica) se distribuyen en la rueda por medio de algn material aglutinante como laca, resinas de polmeros o caucho. El uso de abrasivos en la industria involucra la remocin de material, y la tecnologa de los esmeriles y otros mtodos de abrasin para retirar material.

VIDRIOEl trmino vidrio es algo confuso porque describe tanto un estado de la materia como un tipo de cermico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no cristalina, de un material slido. El estado vtreo ocurre en un material al que no se da tiempo suficiente para que al enfriarse a partir de la condicin de fundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las tres categoras de los materiales de ingeniera (metales, cermicos y polmeros) pueden adoptar el estado vtreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras.Como un tipo de cermico, el vidrio es un compuesto inorgnico, no metlico (o mezcla de compuestos) que se enfra hasta adquirir una condicin rgida sin cristalizar; es un cermico que como material slido est en estado vtreo.

El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es el slice (SiO2), que se encuentra en forma comn como cuarzo mineral en las areniscas y arenas slicas. El cuarzo est presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuando se funde y luego se enfra, forma slice vtreo. El vidrio de slice tiene un coeficiente de expansin trmica muy bajo, y por ello es muy resistente al choque trmico.A fin de reducir el punto de fusin del vidrio para hacer ms fcil su procesamiento y controlar sus propiedades, la composicin de la mayora de vidrios comerciales incluye otros xidos adems de slice. ste permanece como el componente principal en esa clase de productos, por lo general entre el 50% y el 75% de los productos qumicos totales. La razn de que en esos compuestos se utilice tanto el SiO2 es porque es el mejor formador de vidrio. Se transforma de manera natural en estado vtreo cuando se enfra desde el lquido, en tanto que la mayora de los materiales cermicos se cristalizan al solidificarse.

Cermicos de ingeniera El trmino nuevos cermicos se refiere a materiales cermicos creados en forma sinttica durante las dcadas recientes, y por medio de mejoras en las tcnicas de procesamiento que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cermicos. En general, los nuevos cermicos se basan en compuestos distintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el que constituye el grueso de los materiales cermicos tradicionales). Los nuevos cermicos son por lo general ms sencillos en cuanto a su qumica que los tradicionales; por ejemplo, xidos, carburos, nitruros y boruros.

xidos cermicosEl xido ms importante de los nuevos cermicos es la almina. Aunque tambin se le es tu dia en el contexto de los cermicos tradicionales, hoy da la almina se produce en forma sinttica a partir de la bauxita, con un mtodo de horno elctrico. Por medio del control del tamao de las partculas e impurezas, mejoras en los mtodos de refinacin y la mezcla de cantidades pequeas de otros ingredientes cermicos, se mejora en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de la almina, en comparacin con su contraparte natural. La almina tambin tiene buena dureza en caliente, baja conductividad trmica y alta resistencia a la corrosin. sta es una combinacin de propiedades que estimulan una variedad de aplicaciones, inclusive [12]: abrasivos (esmeriles de arena), biocermicos (huesos y dientes artificiales), aislantes elctricos, componentes electrnicos, ingredientes de aleacin del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte (vase la seccin 23.2.5), aislante de buja y componentes de ingeniera (vase la figura 7.1).

CarburosLos carburos cermicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), titanio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr3C2). Aunque es un cermico hecho por el hombre, los mtodos para su produccin se desarrollaron hace un siglo, y por ello generalmente se le incluye en el grupo de los cermicos tradicionales. Adems de su empleo como abrasivo, otras aplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y aditivos para la fabricacin de acero.Se valora al WC, TiC y TaC, por su dureza y resistencia al desgaste en herramientas de corte y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. El carburo de tungsteno fue el primero que se cre y es el material ms importante y de mayor uso de su grupo. El WC se produce en forma comn por medio de carburar polvos de tungsteno que han sido reducidos a partir de minerales de tungsteno, tales como la wolframita (FeMnWO4) y la scheelita (CaWO4). El carburo de titanio se produce con la carburacin de los minerales rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3). El carburo de tantalio se hace carburando ya sea polvos de tantalio o pentxido de tantalio (Ta2O5). El carburo de cromo es ms apropiado para aplicaciones en las que son importantes la estabilidad qumica y la resistencia a la oxidacin. El Cr3C2 se prepara con la carburacin del xido de cromo (Cr2O3) como componente inicial. En todas estas reacciones la fuente usual de carbono es el negro de humo.

Excepto para el SiC, cada carburo de los que se estudian aqu debe combinarse con un aglutinante metlico como el cobalto o nquel, a fin de fabricar un producto slido til. En efecto, los polvos de carburo adheridos en una matriz metlica crean lo que se conoce como carburo cementado, que es un material compuesto, se trata en especfico de cermet (abreviacin de cermica y metal). En la seccin 9.2.1 se estudian los carburos cementados y otros cermets. Los carburos tienen poco valor para la ingeniera, excepto como constitutivos de un sistema compuesto.

NitrurosLas nitruros importantes para los cermicos son el de silicio (Si3N4), el de boro (BN) y el de titanio (TiN). Como grupo, las cermicas de nitruros son duras y frgiles, y se funden a temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las de los carburos). Lo normal es que sean aislantes elctricos el TiN es una excepcin.

El nitruro de siliciopromete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. El Si3N4 se oxida a alrededor de 1 200 C (2 125 F) y se descompone en cuanto a su qumica a los 1 900 C (3 400 F). Tiene baja expansin trmica, buena resistencia al choque y al agrietamiento trmicos, y resiste la corrosin de los metales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cermico apto para aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir.

El nitruro de boroexiste en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las formas importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito, y 2) cbica, como el diamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta ltima estructura se conoce con los nombres de nitruro de boro cbico y borazon, que se simboliza como cBN, y se produce por medio de calentar BN hexagonal en condiciones de presin muy elevada. Debido a su dureza extrema, las aplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte (vase la seccin 23.2.6) y los esmeriles (vase la seccin 25.1.1). Es interesante que no compita con las herramientas de corte y esmeriles hechos de diamante. ste es apropiado para maquinar y esmerilar lo que no sea acero, en tanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero.

El nitruro de titaniotiene propiedades similares a las de los dems nitruros del grupo, excepto por su conductividad elctrica, pues es conductor. El TiN tiene dureza levada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de friccin con los metales ferrosos. Esta combinacin de propiedades hace que el TiN sea un material ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte. El recubrimiento es de slo alrededor de 0.006 mm (0.0003 in) de espesor, de modo que las cantidades de material que se utilizan para esta aplicacin son bajas.

Un material cermico nuevo relacionado con el grupo del nitruro, y tambin con los xidos, es el cermico de oxinitruro llamado sialon. Consiste en los elementos silicio, aluminio, oxgeno y nitrgeno; y su nombre se deriva de ellos: Si-Al-O-N. Su composicin qumica es variable, una comn es Si4Al2O2N6. Las propiedades del sialon son similares a las del nitruro de silicio, pero resiste mejor que el Si3N4 la oxidacin a temperaturas elevadas. Su aplicacin principal es para herramientas de corte, pero sus propiedades lo hacen apropiado para otras aplicaciones de alta temperatura que se desarrollen en el futuro.

variedad de productos y aplicaciones que se basan en los cermicos incluye los siguientes:

Productos de arcilla para la construccin, tales como ladrillos, tubos de arcilla y mosaicos para la construccin.Cermicos refractarios, capaces de utilizarse en aplicaciones de alta temperatura tales como muros de hornos, crisoles y moldes.Cemento para concreto, se emplea para la construccin y carreteras (el concreto es un material compuesto, pero sus componentes son materiales cermicos). Productos de lnea blanca, incluyen vajillas, cermica de gres, porcelana china, fina y otros artculos de mesa, con base en mezclas de arcilla y otros minerales. Vidrio, se utiliza en botellas, anteojos, lentes, cubiertas para ventanas y focos.

Fibras de vidrio, para lana aislante trmica, plsticos reforzados (fibra de vidrio) y lneas de comunicacin de fibras pticas. Abrasivos, tales como xido de aluminio y carburo de silicio. Herramientas para cortar materiales, que incluyen carburo de tungsteno, xido de aluminio y nitruro de boro cbico. Aislantes cermicos, que se emplean en aplicaciones tales como componentes de transmisin elctrica, encendedores y sustratos de chips para la microelectrnica. Cermicos magnticos, por ejemplo, en memorias de computadora. Combustibles nucleares, con base en xido de uranio (UO2). Biocermicas, incluyen materiales que se usan para hacer dientes y huesos artificiales.

variedad de productos y aplicaciones que se basan en los cermicos incluye los siguientes:

AplicacionesLos productos de cermicas tcnicas se utilizan para una amplia variedad detecnologias :Aeroespacial : Materiales ligeros de alta resistencia mecnica y de alta temperatura paramotores, aviones, revestimientos de lanzadera espacial,...etcAutomatismo : Sensores, componentes de alta temperaturaBiomedica : Huesos, dientes, materiales de implanteptica/Fotnica : Fibras pticas, amplificadores laser, lentes, ..etcElectrnica : Condensadores, sustratos de circuito integrado, aislantes,..etcEnerga : Celdas de combustible slidas, combustible nuclear

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