Leccion1.CERAMICAS.Generalidades

MATERIALES CERAMICOS
Los materiales industriales pueden clasificarse en tres
grupos principales, como puede verse en el cuadro 1.1, que
son los siguientes: materiales inorgánicos, orgánicos y
compuestos. A su vez cada grupo principal puede
subdividirse en otros grupos, por ejemplo, el grupo de los
materiales inorgánicos se divide en materiales metálicos y
materiales no metálicos o cerámicos, los cuales a su vez
pueden subdividirse en otros grupos .
NOSOTROS VAMOS A PONER NUESTRA ATENCIÓN EN
LOS MATERIALES CERÁMICOS, LOS CUALES CUBREN UN
AMPLIO RANGO DE MATERIALES Y QUE SE PUEDEN
CLASIFICAR EN TRADICIONALES Y AVANZADOS (O
TECNICOS, O FINOS, O MODERNOS, O ESPECIALES, O
NUEVOS, O INGENIERILES, ETC.).
Cuadro 1.1
MATERIALES
INDUSTRIALES
DAR UNA VISIÓN DE LOS PRINCIPIOS CIENTÍFICOS Y DE
LA TECNOLOGÍA QUE TIENEN RELACIÓN CON EL
PROCESADO DE MATERIALES CERÁMICOS A PARTIR DE
MATERIAS PRIMAS PULVERULENTAS CON EL FIN DE
OBTENER UN PRODUCTO FINAL QUE CUMPLA
DETERMINADAS PROPIEDADES.
La tecnología del procesado cerámico se usa para producir
productos comerciales que son muy diversos en cuanto a:
TAMAÑO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD,
COMPOSICION, ESTRUCTURA Y COSTE.
LAS FUNCIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS SON MUY
DEPENDIENTES DE:
1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA
2.- ESTRUCTURA ATÓMICA (ENLACE Y ESTRUCTURA
CRISTALINA)
3.- MICROESTRUCTURA (NATURALEZA, CANTIDAD Y
DISTRIBUCION DE LAS FASES PRESENTES EN LA
CERAMICA: CRISTALINA, VITREA Y POROSIDAD),
LAS CUALES DETERMINAN SUS PROPIEDADES.
PROPIEDADES INTRINSECAS
DETERMINADAS POR AL ESTRUCTURA ESCALA ATOMICA
No son susceptibles de un cambio significativo por
modificación de la microestructura
Punto de fusión, Módulo elástico, coeficiente de expansión
térmica, si el material es frágil, magnético, ferroeléctrico o
semiconductor, etc.
PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE
DE LA MICROESTRUCTURA
(Propiedades críticas para aplicaciones ingenieriles)
Resistencia mecánica, constante dieléctrica,
conductividad eléctrica, etc.)
LAS COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS VARIAN
AMPLIAMENTE Y ASÍ SE TIENEN CERAMICAS OXÍDICAS Y NO OXIDICAS.
QUIMICAMENTE, CON EXCEPCION DEL CARBONO, LOS
MATERIALES CERAMICOS SON COMPUESTOS INORGANICOS NO
METALICOS
-SILICATOS: CAOLINITA Al2Si2O5(OH)4, MULLITA Al6Si2O13
-OXIDOS SIMPLES: ALUMINA Al2O3, CIRCONIA ZrO2
-OXIDOS COMPUESTOS (A PARTE DE LOS SILICATOS):
TITANATO DE BARIO, BaTiO3
SUPERCONDUCTOR, YBa2Cu3O6+δ (0 ≤ δ ≤ 1)
-CARBUROS: SiC, B4C
-NITRUROS: Si3N4, BN
-BORUROS: DIBORURO DE TITANIO, TiB2
-SILICIUROS: DISILICIURO DE MOLIBDENO, MoSi2
HOY EN DÍA:
1.- LA COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS GRANO
2.- FASES PRESENTES EN LOS LÍMITES DE GRANOS
3.- DISTRIBUCIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS POROS
SE CONTROLA DE FORMA CUIDADOSA CON EL FIN DE
LOGRAR UNA MAYOR FIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE
LOS PRODUCTOS
EN EL DESARROLLO Y PRODUCCIÓN DE LAS
CERÁMICAS AVANZADAS SE REQUIERE UN
EXTRAORDINARIO CONTROL DE LOS MATERIALES DE
PARTIDA Y DE LAS OPERACIONES DE PROCESADO
CON EL FIN DE MINIMIZAR LOS DEFECTOS
MICROESTRUCTURALES.
Pequeños cristales o granos
Limites de granos
Comparación entre las microestructuras de una alúmina densa convencional
con una densidad igual al 98 % de la teórica y una alúmina transparente
opticamente con una densidad igual al 99.9 % de la teórica.
DEFINICION CERAMICOS.
SEGÚN LA BRITISH CERAMIC SOCIETY (1979) UNA CERÁMICA ES UN
MATERIAL SINTÉTICO, SÓLIDO, QUE NO ES NI METÁLIGO NI
ORGÁNICO, Y EN CUYA ELABORACIÓN ES NECESARIO UTILIZAR
TRATAMIENTOS TÉRMICOS A ALTAS TEMPERATURAS.
KINGERY DEFINE LA CERÁMICA COMO EL ARTE Y LA CIENCIA DE
FABRICAR Y USAR MATERIALES SÓLIDOS, QUE ESTAN
COMPUESTOS EN SU MAYOR PARTE (COMPONENTE ESENCIAL) POR
MATERIALES NO METÁLICOS.
LA DEFINICIÓN MÁS AMPLIAMENTE ACEPTADA ES QUE SON
AQUELLOS PRODUCTOS (PIEZAS, COMPONENTES, DISPOSITIVOS,
ETC.) CONSTITUIDOS POR COMPUESTOS INORGÁNICOS, NO
METÁLICOS, CUYA CARACTERISTICA FUNDAMENTAL ES QUE SON
CONSOLIDADOS MEDIANTE TRATAMIENTOS TÉRMICOS A ALTAS
TEMPERATURAS.
AUTORES RUSOS, LOS DEFINEN COMO MATERIALES
POLICRISTALINOS CONSOLIDADOS BASADOS EN LOS COMPUESTOS
DE LOS GRUPOS III-VI DE LOS METALOIDES UNO CON OTRO Y/O CON
METALES, EN CUYA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN SE INCLUYEM
FENÓMENOS DE TRANSPORTE DE MASA DE LOS CUALES RESULTA
LA UNIÓN.
INCLUYEN ÓXIDOS, NITRUROS Y CARBUROS DE Si, Al, Ti Y Zr.
DEFINICION CERAMICOS AVANZADOS
Diferencias entre
cerámicas
tradicionales y
avanzadas.
Si se tienen en cuenta los argumentos clásicos, expuestos ya por Griffith en
1920, todo material fallará por fractura frágil según la expresión:
σf =
1 2Eγ
Y
a
LADRILLOS Y TEJAS.
TIPO DE PASTA: SENCILLO, CONSTITUIDO POR UNA O VARIAS ARCILLAS
CALCÁREO-FERRUGINOSAS.
CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO: MÁS O MENOS POROSO, CON COLOR
VARIABLE, DESDE EL AMARILLO HASTA EL ROJO INTENSO.
TIPOS DE PRODUCTO: LADRILLO MACIZO O HUECO, TEJAS, BOVEDILLAS,
CELOSÍAS, ETC.
PROPIEDADES
EN CONTRASTE CON AQUELLAS PROPIEDADES QUE DEPENDEN DE
LOS ENLACES INTERATÓMICOS Y, POR TANTO, SON INTRINSECAS
AL MATERIAL, TALES COMO POR EJEMPLO EL PUNTO DE FUSIÓN,
LA DUREZA Y LA EXPANSIÓN TÉRMICA, TENEMOS QUE LA
RESISTENCIA MECÁNICA, ASÍ COMO LAS PROPIEDADES
ELÉCTRICAS O MAGNÉTICAS, VARÍAN NOTABLEMENTE CON SU
MICROESTRUCTURA (TEXTURA) ENTENDIENDO POR TAL LA
NATURALEZA FISICO - QUIMICA, TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DE LAS
FASES QUE CONSTITUYEN EL MATERIAL.
LA TEXTURA REPRESENTA, PUES, UNA CARACTERÍSTICA IMPORTANTE EN
LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS, QUE UNE EL
PROCESO DE FABRICACIÓN Y LAS PROPIEDADES.
LAS MATERIAS PRIMAS, EL MODO EN QUE ELLAS SON CONFORMADAS Y
PROCESO SEGUIDO EN SU TRATAMIENTO TERMICO, AFECTAN A LA
TEXTURA DEL MATERIAL FINAL Y, POR TANTO, A SUS PROPIEDADES.
ADEMÁS EN LAS PROPIEDADES TAMBIÉN INFLUYEN FACTORES
EXTERNOS, TALES COMO LA TEMPERATURA, EL AMBIENTE DE TRABAJO,
ETC.
Tabla 1.1.- Valores de diversas propiedades para materiales cerámicos usuales.
Propiedades que interesan son las termomecánicas
(HORNOS, etc.) que incluyen: refractariedad importante
(Tuso > 1000 ºC), buenas propiedades mecánicas a altas
temperaturas, resistencia a la abrasión, resistencia al
choque térmico y gran estabilidad química (resistencia al
ataque químico). En la figura puede verse la resistencia a
la rotura para varios materiales y su evolución en función
de la temperatura. Puede observarse que los materiales
cerámicos y los materiales compuestos de matriz
cerámica (CMCs) son los únicos que se pueden utilizar a
temperaturas superiores a los 1400 °C.
Resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en
función de la temperatura.
LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZADOS PUEDEN DEFINIRSE
POR LAS TRES CARACTERISTICAS SIGUIENTES:
1.- PARA SU FABRICACIÓN SE USAN MATERIA PRIMAS DE ALTA
PUREZA (99.99 %), CON COMPOSICIÓN QUÍMICA Y PROPIEDADES
MORFOLOGICAS CONTROLADAS. GRANULOMETRÍA
SUBMICRÓNICA (MENOR DE LA MICRA)
2.-EL PROCESADO ESTA SUJETO A UN CONTROL
PRECISO, TANTO EN EL CONFORMADO COMO EN LA
COCCIÓN (SINTERIZACIÓN).
.
3.-LOS PRODUCTOS TIENEN UNA MICROESTRUCTURA BIEN
CONTROLADA, QUE ASEGURA SU ALTA FIABILIDAD O
RESPUESTA A LA UTILIZACIÓN PARA LA CUAL HA SIDO
DISEÑADA.
CLASIFICACION DE LOS LOS MATERIALES CERÁMICOS
LOS MATERIALES CERÁMICOS POR SUS APLICACIONES SE
PUEDEN DIVIDIR EN DOS GRANDES GRUPOS :
1.- CERÁMICAS TÉCNICAS O ESTRUCTURALES (PARA APLICACIONES
ESTRUCTURALES. SON REQUERIDOS, FUNDAMENTALMENTE, POR SUS
PROPIEDADES MECANICAS)
2.- CERÁMICAS FUNCIONALES.
EN FUNCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS SE
PUEDEN CLASIFICAR EN:
I.- CERÁMICAS OXÍDICAS (BLANCAS).
II.- CERÁMICAS NO OXÍDICAS (NEGRAS)
Principales materias primas para la fabricación de cerámicas avanzadas.
Si6-zAlzN8-zOz (0<z<∼4)
DISILICIURO DE MOLIBDENO MoSi2
Productos
obtenidos por
procesamiento
cerámico de
polvos.
Árbol genealógico de la familia cerámica
Funciones,
propiedades y
aplicaciones
de las
ceramicas
avanzadas
Clasificación de
los materiales
cerámicos
tomando como
criterio su función.
APLICACIONES
DE LOS
MATERIALES
CERÁMICOS
AVANZAZADOS
CLASIFICADAS
POR FUNCION
APLICACIONES
DE LOS
MATERIALES
CERÁMICOS
AVANZAZADOS
CLASIFICADAS
POR FUNCION
LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS PUEDEN
COMPRENDERSE MEJOR, POR COMPARACIÓN CON LOS METALES. ASÍ
POR EJEMPLO, EN LA TABLA 1.5 LA ALÚMINA SE RELACIONA CON EL
ALUMINIO. ESTE TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIÓN BAJA, UNA
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ELEVADA Y ES BLANDO, MIENTRAS QUE LA
ALÚMINA TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIÓN MUY ALTA, UNA
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA BAJA Y ES DURA. EN GENERAL, LOS
MATERIALES CERÁMICOS TIENEN MEJORES CARACTERÍSTICAS EN
DUREZA, RESISTENCIA A ALTA TEMPERATURA Y RESISTENCIA A LA
CORROSIÓN, PERO TIENEN DESVENTAJAS COMO POR EJEMPLO, QUE
SON FRÁGILES Y QUE AUN PRESENTA DIFICULTADES EL FABRICARLOS
CON ALTA REPRODUCTIBILIDAD. SIN EMBARGO, ESTAS DESVENTAJAS
PUEDEN SER SUPERADAS, EN ALGUNA MEDIDA, MEDIANTE UNA
ADECUADA ELECCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Y MODIFICANDO
CONVENIENTEMENTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN.
Propiedades de las cerámicas técnicas que sustentan su uso en
motores.
motores
Aplicaciones de las cerámicas estructurales en el campo de los
motores.
TRES RAZONES FUNDAMENTALES PUEDEN SER ESGRIMIDAS PARA
JUSTIFICAR LA CRECIENTE IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES
CERÁMICOS.
1.- RAZONES PURAMENTE ESTRATÉGICAS.
Dependencia del mundo occidental en metales considerados estratégicos.
CASO DEL CROMO.
ES EL ADITIVO MÁS AMPLIAMENTE UTILIZADO PARA
ENDURECER, INCREMENTAR LA RESISTENCIA AL
DESGASTE Y A LA CORROSIÓN DE UNA GRAN VARIEDAD
DE ALEACIONES METÁLICAS. TAMBIÉN ES UTILIZADO
COMO ADITIVO QUE INCREMENTA LA RESISTENCIA
MECÁNICA A LA DEFORMACIÓN Y A LA OXIDACIÓN DE
MUCHAS ALEACIONES METÁLICAS A ALTAS
TEMPERATURAS.
SE USA EN LOS ACEROS INOXIDABLES, EN LAS
ALEACIONES PARA HERRAMIENTAS Y EN LAS
SUPERALEACIONES.
SIN EMBARGO LA PRÁCTICA TOTALIDAD DE LOS
DEPÓSITOS MUNDIALES DE ESTE MINERAL SE
ENCUENTRAN CONCENTRADOS EN SÓLO SIETE PAÍSES:
CUBA, FILIPINAS, TRANSVAAL, TURQUÍA, USSR, RODESIA
E INDIA.
2.- ECONOMICA.
El consumo energético para producir un
material cerámico es, en general,
aproximadamente el 50 % del consumo
requerido para producir un metal o un
componente metálico. Por otro lado, la
mayoría de los materiales cerámicos
están constituidos por elementos
ampliamente existentes en la corteza
terrestre y, generalmente, bastante bien
distribuidos.
El silicio y el aluminio, dos los
componentes más representativos de los
materiales cerámicos, son los elementos
más abundantes de la corteza terrestre e
incluso el circonio, constituyente
fundamental de gran parte de los
materiales cerámicos avanzados, abunda
más que metales tan comunes como el
cobre, el plomo o el cinc.
3.- VENTAJAS QUE LOS MATERIALES CERÁMICOS
PRESENTAN, INTRÍNSECAS A SU NATURALEZA, EN CUANTO A
SUS PROPIEDADES:
-MAYOR DUREZA
-MAYOR RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN
- MÁS BAJA DENSIDAD
- MENOR CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
- MAYOR RESISTENCIA AL ATAQUE QUÍMICO
- MAYOR RESISTENCIA A TEMPERATURAS ELEVADAS.
INCONVENIENTES MATERIALES CERAMICOS
SON FUNDAMENTALMENTE DOS:
1.- SU REPRODUCIBILIDAD
2.- SU FRAGILIDAD, CONDICIÓN INHERENTE A SU NATURALEZA
- LA REPRODUCIBILIDAD SE PUEDE MEJORAR
MEDIANTE UN PROCESADO ADECUADO, CON OBJETO
DE LOGRAR MICROESTRUCTURAS CONTROLADAS CON
TAMAÑOS DE DEFECTOS LO MÁS PEQUEÑOS POSIBLES
Y
- LA FRAGILIDAD, TRATANDO DE INCREMENTAR, CON
MECANISMOS DE REFORZAMIENTO ADECUADOS, LA
ENERGÍA REQUERIDA PARA QUE UNA GRIETA SE
PROPAGUE EN EL MATERIAL.
LAS SUCESIVAS ETAPAS DEL PROCESO, SE INICIAN EN LOS MATERIALES
DE PARTIDA, FORMACIÓN DE SISTEMAS PARTICULADOS, CONFORMADO,
SECADO Y COCCIÓN, Y CONFIGURAN LA FABRICACIÓN Y TIENEN QUE VER
CON ASPECTOS DE INGENIERÍA TALES COMO EQUIPOS, MÁQUINAS,
MOLDES, ETC.
LAS ETAPAS PARALELAS DONDE SE ENMARCA EL COMPORTAMIENTO O
RESPUESTA DEL MATERIAL AL SER EXPUESTO A LAS DIFERENTES
ETAPAS DE LA FABRICACIÓN ES LO QUE CONSTITUYE LOS
FUNDAMENTOS DEL PROCESADO CERÁMICO DESDE EL PUNTO DE VISTA
DEL MATERIAL.
ESTA CORRELACIÓN PUEDE AYUDAR A ELIMINAR LA CONFUSIÓN
EXISTENTE ENTRE EL PROCESADO CERÁMICO CONTEMPLADO DESDE EL
PUNTO DE VISTA DE LA TECNOLOGÍA O INGENIERÍA O DESDE EL PUNTO
DE VISTA DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES.
EN RESUMEN, LA FABRICACIÓN CERÁMICA ENFATIZA LOS ASPECTOS
INGENIERILES DEL PROCESO Y EL "PROCESADO" ENFATIZA LOS
ASPECTOS CIENTÍFICOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES
AL SER SOMETIDOS A LAS DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO DE
FABRICACIÓN.
Efecto domino en el procesamiento cerámico.