Tema 6. Materiales Ceramicos

CERÁMICO

compuesto constituido por elementos metálicos y no metálicos o solo no metálicos unidos mediante enlace iónico, covalente o mezcla de ambos.

Propiedades de los cerámicos

• Baja conductividad térmica y eléctrica (a menudo se usan como aislantes)

• Elevada dureza y resistencia al desgaste

• Elevada resistencia a corrosión en medios naturales

• Temperatura de fusión muy elevada

• Baja tenacidad a fractura → FRÁGILES

• Sensibles al choque térmico

Tipos y Clasificación de cerámicos (2)

• Vidrios → tiene una estructura amorfa, disposición de átomos de forma irregular, ordenamiento de corto alcance

• Cerámicas cristalinas → estructura cristalina, disposición de átomos regular y repetitiva, ordenamiento de largo alcance (7 tipos)

VIDRIOS: Solidificación de vidrios

Los materiales vítreos no solidifican de la misma manera que los materiales cristalinos. La viscosidad aumenta de forma continua a medida que la temperatura disminuye; no existe una temperatura definida a la cual el líquido se transforma en sólido, como sí ocurre en los materiales cristalinos.

Un líquido que forma un sólido cristalino por solidificación (Ej.: un metal puro) cristaliza a partir de su temperatura de fusión (Tm) con una

disminución discontinua y significativa de volumen específico. En cambio, en los líquidos que forman sólidos vítreos, el volumen disminuye continuamente con la reducción de temperatura. A la temperatura de transición vítrea (Tg) se produce un ligero cambio en la pendiente. Por debajo de la Tg, el material es un vidrio. Por encima de la Tg, primero es un líquido subenfriado y, finalmente, un líquido.

El líquido subenfriado se comporta como un líquido viscoso: bajo tensión los grupos de átomos pueden deslizarse unos sobre otros, permitiendo la deformación permanente del vidrio → la mayoría de las operaciones de conformado del vidrio se realizan en este rango.

VIDRIOS: Vidrios de Sílice fundida o sílice vítrea

• Composición: sílice (SiO2) de alta pureza

• Unidad Básica: tetraedro de SiO (números) → la estructura de estos tiene forma de tetraedro, estos se unen vértice con vértice para formar una red dispersa sin orden a largo alcance

• Ventajas:

  • Resistente a temperaturas altas y al choque térmico

  • Elevada resistencia al ataque químico

• Inconvenientes → debe ser calentado a temperaturas muy altas para obtener la suficiente viscosidad → caro y difícil de procesar

• Aplicaciones: ventanas de vehículos espaciales, fibras ópticas, y recubrimientos decorativos

VIDRIOS: Vidrios de borosilicato

• Composición: muchos óxidos :v

• Estructura: el óxido bórico forma triángulos o tetraedros que ocupan las posiciones de los tetraedros de sílice

• Ventajas: excelente estabilidad química y dimensional

• Aplicaciones:

  • Productos vítreos de laboratorio

  • Recipientes para desechar desperdicios nucleares de alto nivel

  • Refuerzo Lara materiales compuestos (fibras de vidrio)

VIDRIOS: Vidrio Sódico-Cálcicos

• Composición:

  • (12-14)% Na2O → rompe la red vítrea: los átomos de oxígeno de este óxido penetran en la red de sílice en puntos de unión del tetraedro y rompen la red → disminuyen la viscosidad del vidrio → éste puede ser trabajado y conformado con más facilidad

  • (10-12)% CaO → reduce la solubilidad del vidrio en agua

  • Pequeñas adiciones de óxido de magnesio (MgO) y de Al2O3

• Ventaja: producción barata

• Inconvenientes: baja resistencia a, ataque químico y al choque térmico

• Aplicaciones: vidrios planos, ventanas, objetos prensados y soplados, etc

ES EL VIDRIO MÁS CORRIENTE: constituye el 90% de todo el vidrio que se fabrica

VIDRIOS: Vidrios al Plomo o Plomados

• Composición: poseen al menos 25% de óxido de plomo

• Estructura: el PbO entra en la red de sílice reemplazando tetraedros de sílice

• Propiedades:

  • Benja temperatura de fusión

  • Elevado índice de refracción

  • Elevada resistencia electrónica

  • Propiedades protectoras contra la radiaciones de alta energía

• Aplicaciones: Cristal decorativo, lámparas de televisión, cáscaras de lámparas fluorescentes, tubos de rayos X

CERÁMICAS VÍTREAS O VITROCERÁMICAS

• Propiedades:

  • Resistencia mecánica elevada

  • Conductividad térmica alta

  • No experimenta choque térmico

  • Algunas se fabrican con transparencia óptica y otras son opacas

  • Se fabrican con facilidad

• Aplicaciones: ventanas de horno, cubiertas de estufa, aislantes eléctricos …

Producción de las cerámicas vítreas o vitrocerámicas

La mayoría de los vidrios inorgánicos pueden transformase desde un estado no cristalino (amorfo) a un estado cristalino mediante el apropiado tratamiento térmico a temperatura elevada → CRISTALIZACIÓN O DESVITRIFICACIÓN

Producto resultante: VITROCERÁMICA (material policristalino de grano fino)

Producción de cerámicas vítreas:

1. Se derriten los componentes y se fabrica el modelo mientras el material está en estado vítreo.

2. Se aplica al vidrio formado el tratamiento secundario (desvitrificación):

• Proceso de nucleación de núcleos cristalinos sobre la superficie de los agentes nucleantes presentes en la matriz de vidrio a baja temperatura.

• Crecimiento de los núcleos cristalinos a altas temperaturas.

• Formación de una estructura policristalina.

CERÁMICOS TRADICIONALES: Productos de arcilla

COMPONENTES BÁSICOS: Arcilla + material de relleno + fundente

• Arcilla → producto barato que se encuentra de forma natural en gran abundancia

  • Propiedad: los minerales de arcilla son hidroplásticos => cuando se mezclan agua y arcilla, se obtiene una masa plástica a la que es muy fácil darle forma

  • Composición:

    • Aluminosilicatos hidratados: compuestos de alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente

    • Impurezas: compuestos (generalmente óxidos) de bario, calcio, sodio, potasio y hierro y un poco de materia orgánica

  • Estructura: estructura laminar o en capas => las moléculas de agua penetran entre las mismas y forman una película delgada entre las partículas de arcilla => las partículas son libres de moverse unas con respecto a otras (hidroplasticidad)

• Material de relleno → normalmente cuarzo (barato, relativamente duro, no reacciona químicamente y tiene un punto de fusión muy elevado => apenas experimenta cambios durante la cocción)

• Fundente → normalmente feldespatos: aluminosilicatos que contienen iones K+, Na+ y Ca2+

Cerámicos tradicionales: productos de arcilla → FABRICACIÓN Y PROCESADO

Los polvos de los 3 componentes básicos se mezclan con agua (en las proporciones adecuadas), obteniéndose una masa plástica que puede moldearse sin agrietamiento. Después de ser moldeadas, las piezas deben someterse a operaciones de secado y cocción para eliminar la humedad y mejorar su resistencia mecánica.

→ La cocción se realiza a temperaturas entre 900 y 1400 °C, en función de las propiedades deseadas de la pieza terminada. Durante la cocción se forma una fase líquida que funde hacia los poros y llena su volumen. La temperatura a la cual se forma esta fase líquida disminuye por la adición de agentes fundentes.

Cerámicos tradicionales: productos de arcilla → CLASIFICACIÓN (2)

• Elementos estructurales de arcilla (T ~ 900 °C): ladrillos de construcción, baldosas, tuberías de aguas residuales, etc. (es decir, aplicaciones en las que la integridad estructural es importante).

• Porcelanas (T ~ 1000-1100 °C): porcelana fina, productos de alfarería, vajillas, porcelana china, accesorios para sanitarios, coronas dentales, etc. (Porcelana típica ⇒ 50% arcilla, 25% cuarzo y 25% feldespato).

CERÁMICAS REFRACTARIAS

• Propiedades:

  • Resisten altas temperaturas sin fundirse o descomponerse

  • Permanecen sin reaccionar e inertes en ambientes agresivos

  • Elevada pureza en sus materias primas, así como un estricto control de procesado

  • Aislantes térmicos

• Aplicación: revestimiento de hornos (sobre todo industriales) y chimeneas

• Presentación comercial: ladrillos (la más común)

• Microestructura: están constituidas por partículas grandes (pedacería refractaria o grog) y partículas pequeñas. Durante la cocción, las partículas pequeñas se funden y hacen de unión. La porosidad es un parámetro microestructural a controlar durante la fabricación del ladrillo refractario → si la porosidad disminuye, aumentan la resistencia mecánica, la capacidad de carga y la resistencia al ataque químico, pero disminuye su capacidad de aislamiento térmico y la resistencia al choque térmico.

CERÁMICAS REFRACTARIAS → Clasificación (4)

• Refractarios de arcilla

• Refractarios de ácidos

• Refractarios básicos

• Refractarios especiales

CERÁMICOS ABRASIVOS

Se usan para desgastar, desbastar, pulir o cortar otros materiales que necesariamente son más blandos. Requisitos:

• Elevada dureza y resistencia al desgaste

• Elevada tenacidad (para evitar que las partículas abrasivas se fracturen)

• También es deseable que posean alguna refractariedad (porque las fuerzas abrasivas de fricción pueden producir altas temperaturas)

• Cerámicas abrasivas más comunes: carburo de silicio, carburo de wolframio, corindón, arena de sílice

• Aplicaciones: Adheridos a muelas de desbaste, Depositados sobre algún tipo de papel o tejido (Ej.: lija), Como granos sueltos en una suspensión de aceite o agua

CERÁMICAS AVANZADAS

• Materiales cerámicos con propiedades optimizadas → requieren un control excepcional de pureza, del procesado y de su microestructura.

• Procesado: compactación y sinterizado

Muchos de los cerámicos avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con lubricante para mejorar su compactación y se aplica presión para darles forma. Posteriormente, se sinteriza para que se desarrolle la microestructura y obtener las propiedades requeridas.

Cerámicas Avanzadas: SUPERCONDUCTORES

Superconductividad: Capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía por debajo de una temperatura crítica (Tc).

• Algunos materiales presentan comportamiento superconductor a temperaturas próximas al cero absoluto (0 K = -273 °C). Ej: Al, Sn, Nb3Sn… → se requiere He líquido (muy caro) para enfriar estos materiales por debajo de su Tc → aplicaciones muy limitadas

• Algunos grupos de materiales cerámicos presentan comportamiento superconductor por encima del cero absoluto (superconductores de alta temperatura) → se requiere N2 líquido (mucho más asequible que el He) para enfriar estos materiales por debajo de su Tc.

Aplicaciones: tren de levitación magnética

El uso potencial de los superconductores de alta temperatura incluye cables eléctricos, interruptores electrónicos, ordenadores de alta velocidad, mejores baterías para automóviles eléctricos no contaminantes, etc.

CERÁMICAS PIEZOELÉCTRICAS

• Propiedad: Producen un campo eléctrico por imposición de una deformación mecánica y viceversa.

• Composición: BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3, KNbO3

• Aplicación: Transductores entre energías eléctrica y mecánica. Ejemplos

  • El sonar → detecta objetos debajo del agua (Ej.: submarinos, rocas) y calcula su posición.

  • En el sector automotriz: balanceo de ruedas, alarmas para cinturones de seguridad, indicadores de desgaste de la rodadura, etc.

  • En el sector informático: microactuadores para discos duros, transformadores para notebooks, etc.

  • En el sector médico: bombas para insulina…

  • Otros: cabezas para impresoras de chorro de tinta,

CEMENTOS

• Cementos inorgánicos → cemento, yeso y caliza

• Propiedades características: no endurecen por secado, sino por reacción química → no requieren cocción

• Aplicaciones: Construcción

CEMENTO PORTLAND → el material de este grupo que se consume en mayores cantidades

Cuando los cementos se mezclan con agua, forman una pasta que fragua y endurece → el endurecimiento resulta de reacciones químicas con el agua (hidratación) → es un cemento hidráulico

CEMENTOS: Producción

1. Se muelen y mezclan minerales que contienen arcilla y caliza en las proporciones adecuadas

2. Se calienta la mezcla a aproximadamente 1400 °C en un horno giratorio (calcinación) → producto resultante: clinker

3. El clinker se tritura hasta obtener un polvo muy fino al que se le añade una pequeña cantidad de yeso para retardar el proceso de fraguado → producto resultante: cemento portland

Técnicas de conformado de cerámicos

La primera parte del conformado consiste en la preparación de las materias primas. Los procesos de conformado de cerámicos requieren de un material inicial con forma de pasta plástica, formada por la mezclamde los polvos cerámicos y agua. La consistencia de esta pasta determinará la calidad y la dificultad para conformar la pieza final. El proceso de conformado de materiales cerámicos finaliza consolidando el material en estado sólido mediante la sinterización, gracias a la acción de presión y calor.

La obtención de los polvos cerámicos puede realizarse mediante:

• Triturado: consiste en la rotura de grandes trozos en pedazos de tamaño más pequeño para su reducción posterior.

• Molienda: consiste en reducir los pedazos pequeños posteriores al triturado a polvos cerámicos finos.

El polvo resultante se mezcla con diferentes aditivos para mejorar su fluidez, de forma que se facilite el llenado de los moldes.

Una vez procesado el polvo, pueden emplearse diferentes técnicas para realizar el conformado:

• Prensado uniaxial

• Prensado isostático

• Moldeo por colada

• Extrusión

• Moldeo por inyección

Técnicas de conformado de cerámicos: PRENSADO UNIAXIAL

Este método se basa en aplicar presión en una única dirección de forma que se consiga la compactación de los polvos cerámicos. De esta forma, la pieza conformada presentará la forma de la matriz y las superficies con las que se aplica la presión. Su principal ventaja es su sencillez y rapidez.

Este proceso se emplea sobre todo para obtener piezas planas, sin grandes diferencias en el espesor. Se utiliza para la cerámica plana (baldosas), para la cerámica estructural (ladrillos y tejas) y para elaborar piezas como placas y platos que tienen paredes gruesas.

Técnicas de conformado de cerámicos: PRENSADO ISOSTÁTICO

Método basado en la compactación de los polvos al cerrarlos herméticamente en moldes elásticos, fabricados normalmente de goma, látex o PVC. Se aplica una presión hidrostática gracias a un fluido que puede ser agua o aceite que compacta de manera uniforme y en todas direcciones el material. Si el proceso se realiza en caliente se puede conseguir la sinterización.

La principal ventaja de este método es que se puede utilizar en formas más complejas, por lo que resulta técnica de conformado habitual en la producción de vajillas.

Técnicas de conformado de cerámicos: MOLDEO POR COLADA

Esta técnica se basa en verter un líquido dentro de un molde poroso para conformar la pieza cerámica final. Por este motivo, se emplean pastas con un porcentaje de agua superior, que se puede colar de diferentes maneras:

• Colada tradicional (a presión atmosférica): generalmente se emplean moldes de escayola y se utiliza para vajillas y/o cerámicas estructurales.

• Colada a alta presión: supone un aumento de la velocidad del proceso. Normalmente se aplica con moldes de resina sintética. Se usa en el sector sanitario y, en menor medida, en productos de vajilla.

En función del tiempo que el líquido permanezca en el molde, el grosor de la pieza resultará mayor o menor. Una vez conseguido el espesor deseado de la pieza, se voltea el molde y se elimina el exceso de material.

Técnicas de conformado de cerámicos: EXTRUSIÓN

Con esta técnica se puede dar forma a masas cerámicas sólidas aprovechando su plasticidad. Normalmente consumen más agua que las técnicas de prensado, aunque menos que las de colada.

El procesado mediante extrusión consiste en hacer pasar la pasta a través de un orificio con la forma deseada aplicando presión.

Esta técnica se utiliza para la fabricación de productos cerámicos en los que la sección se mantiene constante. Se emplea en el conformado de cerámica estructural y cerámica plana, como los ladrillos o las tejas.

Técnicas de conformado de cerámicos: MODELO POR INYECCIÓN

Esta técnica permite producir piezas pequeñas y con geometrías complejas, con la elevada precisión de la inyección de plástico, utilizando materiales con mayor resistencia.

Este proceso consta de cuatro etapas fundamentales:

1. Mezclado: el polvo cerámico se mezcla con un ligante.

2. Moldeo: se caliente el material para reducir su viscosidad y se inyecta bajo presión en el molde. Posteriormente se abre el molde y se saca la pieza.

3. Eliminación del ligante: por métodos térmicos o químicos.

4. Sinterización: se densifica la pieza por aplicación de temperatura.

TÉCNICAS DE CONFORMADO DE VIDRIOS (4)

• Vidrio flotado

• Vidrio laminado

• Vidrio soplado

• Vidrio prensado

Conformado de vidrio: PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL VIDRIO FLOTADO

1. Se mezclan las materias primas (arena de sílice, piedra caliza, etc.).

2. Se introduce en un horno una mezcla compuesta por aproximadamente el 80 % de la mezcla anterior y un 20 % de vidrio de desecho. Se funde la mezcla a temperaturas extremadamente elevadas durante un tiempo prolongado. Posteriormente se liberan las burbujas y la cinta de vidrio fundido flota sobre un baño de estaño líquido para facilitar la obtención de superficies planas y paralelas.

3. Dentro del baño de estaño se determina el grosor de la cinta de vidrio.

4. La temperatura del vidrio se reduce gradualmente en un horno de recocido, permitiendo cortar el material en hojas que son almacenadas.

Este vidrio es ampliamente utilizado en construcción debido que este método proporciona un vidrio de espesor uniforme y con una superficie muy plana.

Conformado de vidrio: PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL VIDRIO LAMINADO

El vidrio laminado hace referencia a la unión entre sí de una serie de láminas de vidrio de igual o diferente espesor, mediante una serie de capas intermedias de plástico. Para conseguir la unión perfecta, el conjunto de láminas de vidrio y capas intermedias son sometidos a presión y temperatura.

La principal ventaja de este tipo de vidrio es que, al fracturarse, los fragmentos se adhieren a las películas de plástico, evitando su desprendimiento. Por tanto, en caso de impacto, se evitaría la posible proyección de fragmentos de vidrio. Por este motivo, también son conocidos como vidrios de seguridad.

Se utilizan en la industria automotriz, en arquitectura y diseño de interiores, en centros comerciales, en entidades bancarias, etc.

Conformado de vidrio: PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL VIDRIO SOPLADO

Se trata de una técnica de fabricación de piezas de vidrio mediante la creación de burbujas en el vidrio fundido.

Fases:

1. Se introduce el vidrio en un horno a una temperatura muy elevada. Posteriormente se introduce el extremo de un tubo hueco metálico en el vidrio. Una vez el tubo esté pegado al vidrio, el artesano podrá atemperar el material hasta llegar a una temperatura óptima para manipularlo.

2. El extremo del tubo en el que no está el vidrio se utiliza para soplar e introducir aire en él. Esta fase de la producción es esencial para poder darle la forma deseada al material.

3. Con el aire dentro del vidrio, se moldea la pieza con la forma final usando múltiples herramientas. El vidrio se suele recalentar hasta que se alcanza la forma deseada.

4. Se atempera la pieza final introduciéndola de nuevo en el horno, otorgándole una mayor dureza y evitando roturas o desperfectos por un enfriamiento demasiado rápido.

Conformado de vidrio: PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL VIDRIO PRENSADO

En este proceso, el vidrio fundido es sometido a la presión de dos moldes, de forma que se adapte a su forma

Esta técnica es recomendable para la fabricación de envases y piezas con formas complejas, macizas o huecas

CARBONOS

El carbono tiene varios alótropos, es decir, puede existir con diversas estructuras y, por tanto, propiedades sustancialmente diferentes.

El carbono y su alótropos, en realidad no pertenecen a ninguno de los tipos convencionales de materiales, pero como el grafito, se considera (a veces) un material cerámico, se estudiarán.

Carbonos: DIAMANTE

• Estructura: estructura cúbica de diamante. Los enlaces que unen los átomos son totalmente covalentes

• Propiedades:

  • Temperatura de fusión → 3550°C

  • Material más duro de la naturaleza

  • Conductividad térmica muy elevada

  • Aislante eléctrico

  • Ópticamente transparente

  • Elevado índice de refracción

• Aplicaciones: joyería (diamantes naturales), abrasivo y recubrimiento policristalino (diamantes sintéticos)

Carbonos: GRAFITO

• Estructura: estructura en capas. Los átomos están fuertemente unidos por enlaces covalentes en distribuciones hexagonales

• Propiedades:

  • Baja densidad

  • Buen conductor térmico y eléctrico

  • Buena estabilidad química a altas temperaturas

  • Resistente al choque térmico

• Aplicaciones: calefactores de hornos eléctricos

Carbonos: CARBONO AMORFO

• Estructura: láminas de carbono. Los átomos están unidos por enlaces covalentes y ordenados en patrones regulares hexagonales

• Propiedades:

  • Propiedades mecánicas similares al acero

  • Baja densidad

  • Elevada conductividad térmica

  • Elevada porosidad

  • Baja reactividad química

• Aplicaciones: pigmento negro en colorantes, alimentos, y en otros materiales como neumáticos …

Carbonos: FULLERENOS

• Estructura: moléculas huecas de forma esférica que contienen desde 20 a 960 átomos de carbono. Los átomos se unen mediante enlaces covalentes formando hexágonos y pentágonos

• Propiedades y aplicaciones:

  • Pueden reaccionar con varios radicales antes de ser consumidos → excelentes antioxidantes

  • Excelente capacidad para suprimir la replicación de algunos virus → potentes agentes antivirales

  • Portadores inorgánicos con buena compatibilidad biológica y selectividad → administradores de medicamentos y genes

  • Propiedades ópticas limitantes (sólo permiten el paso de luz por debajo de un cierto umbral) → gafas protectoras y sensores

  • En estado puro, no son conductores eléctricos. Sin embargo, cuando se añaden ciertas impurezas, como el potasio, se obtiene un compuesto que sí es conductor. Pero cuando la cantidad de potasio es demasiado alta, vuelven a convertirse en aislantes → gran potencial como semiconductores para sofisticadas aplicaciones eléctricas

  • Las fuerzas intermoleculares son muy débiles → buenas propiedades lubricantes

Carbonos: NANOTUBOS DE CARBONO Y GRAFITO

• NANOTUBOS de carbono → lámina individual de grafito enrollada en forma de tubo

• GRAFENO → lámina individual de grafito

• Propiedades:

  • Excelentes propiedades mecánicas (unas 100 veces más resistentes que los aceros más duros)

  • Excelente conductividad eléctrica (comparable a la del cobre)

  • Excelente conductividad térmica (superior a la del diamante, el cobre o la plata)

  • Coeficiente de fricción casi nulo

  • Densidad muy baja (⁓ 1,40 g/cm3)

  • Área superficial y relación de aspecto muy elevadas

• Aplicaciones: Aunque tienen algunas aplicaciones en el campo de la electroquímica, electrónica, medicina, etc., su aplicación más común es la fabricación de materiales compuestos ligeros con extraordinarias propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y tribológicas.