Propiedades físicas [Modo de compatibilidad]

Propiedades de los
Materiales Cerámicos
PROPIEDADES FÍSICAS
• Muchas de las aplicaciones de cerámicos se basan
en propiedades físicas y térmicas.
• Por ejemplo los ladrillos de protección de una
nave espacial requieren:
–
–
–
–
Peso ultra-ligero
Resistencia a altas temperaturas
Resistencia al choque térmico
Baja conducción del calor
Físicas
Mecánicas
Térmicas
Propiedades Físicas
• Densidad (ρ) es la medida de la masa (m) por
unidad de volumen (V) de un material y se reporta
en unidades tales como g/cm3, lb/pulg3.
ρ=m/V
Diferentes factores afectan la densidad:
Tamaño y peso atómico de los elementos
Empaquetamiento de los átomos
Cantidad de porosidad en la microestructura
• El término DENSIDAD puede ser utilizado
de formas diversas, cada una con diferente
significado por lo que al hablar de densidad
es NECESARIO especificar de que tipo de
densidad se esta hablando.
1. DENSIDAD CRISTALOGRÁFICA
2. DENSIDAD DE BULTO
3. DENSIDAD TEÓRICA
1. Densidad Cristalográfica
• Es la densidad ideal de una estructura cristalina
específica calculada a partir de la composición
química y de la distancia interplanar
(espaciamiento atómico) obtenido por Difracción
de Rayos X.
• Se calcula dividiendo la masa de una celda
unitaria del material por el volumen de la celda
unitaria.
Masa Celda=(# de átomos por celda unitaria)(peso atómico)
No.de Avogadro (6.022x1023 atomos/mol)
•
Peso Atómico
Empaquetamiento
Temperatura
A la densidad cristalográfica también se le
conoce como:
– Peso específico
– Densidad de rayos X
– Densidad verdadera
Densidad Cristalográfica
2. Densidad de Bulto
• La densidad de bulto incluye la porosidad del
material, defectos de red y fases presentes.
• Muchos de los cerámicos contienen más de una
fase cristalina y muchas veces fases no cristalinas,
cada una de las cuales tiene densidad diferente.
Debido a que por la presencia de fases y
porosidad, la densidad cristalográfica no
caracteriza adecuadamente un material, se utiliza
el término de DENSIDAD DE BULTO.
• DB=
masa
volumen de bulto
Volumen de bulto=Volumen de los sólidos + Volumen de la porosidad
• Existen diversas técnicas para medir la
densidad de bulto:
A) La más simple consiste en calcular el volumen de
la pieza y dividir el peso entre este valor.
B) En piezas complejas se utiliza el principio de
Arquímedes. La diferencia en peso de la muestra
en aire comparado a su peso suspendido en agua
nos permite calcular su volumen.
Las piezas sin porosidad abierta pueden
sumergirse directamente en agua, pero si
contienen porosidad abierta hervirse de acuerdo a
la norma ASTM C373.
La Norma ASTM C373 permite mediciones de la
densidad de bulto, porosidad abierta, absorción de
agua y gravedad específica aparente, así como la
medición indirecta de la porosidad.
B) NORMA ASTM C373:
1. Medir del peso en seco (D)
2. Hervir la muestra en agua por 5 h y dejarla enfriar por 24 h.
3. Medir el peso húmedo suspendido en agua (S)
4. Medir el peso húmedo (W)
5. Aplicar las siguientes ecuaciones:
Volumen exterior(V)=W-S
Densidad de Bulto (DB)=D/V
Porosidad aparente (PA)=(W-D)/V
Gravedad específica aparente (T)=D/(D-S)
Absorción de agua (A)=(W-D)/D
• La gravedad específica aparente puede
compararse con la gravedad específica
verdadera para estimar la cantidad de
porosidad cerrada.
C) Otra técnica utilizada para medir la densidad
de bulto es mediante la inmersión de la
muestra en líquidos pesados calibrados y
observar si flotan o no. Generalmente se
utiliza en piezas muy pequeñas que no
contienen porosidad abierta.
3. Densidad teórica
• Si fuera factible la producción de un material
cerámico conteniendo diversas fases sin porosidad
abierta o cerrada, ese cerámico tendría la densidad
máxima de bulto alcanzable. A esta densidad
máxima se le conoce como DENSIDAD
TEÓRICA.
• Si un material contiene el 10% de porosidad, su
densidad teórica es del 90%.
• La densidad teórica puede calcularse si se
conoce la densidad cristalográfica de cada
fase sólida en la microestructura.
• DT= (Fracc. Vol. A)(ρ
ρ Crist. A) + (Fracc.
Vol. B)(ρ
ρ Crist. B) + ...
• La densidad teórica también
calcularse por picnometría.
puede
• Picnometría:
La muestra es pulverizada en partículas muy
pequeñas que no contienen porosidad cerrada y el
polvo resultante se coloca en un volumen
conocido (Bote picnómetro previamente pesado).
Posteriormente se añade líquido al bote que es
calentado y las burbujas de aire son removidas de
tal forma que solo el líquido y las partículas están
presentes. El bote se pesa nuevamente y la
diferencia en peso da el volumen de líquido, este
volumen sustraído al volumen total da el volumen
en sólidos. La densidad teórica se calcula como el
peso del sólido dividida por el volumen de sólidos.
Gravedad Específica
• Es la densidad de un sólido o un líquido
dividido por la densidad del agua a 4oC.
SG= densidad del material
densidad del agua (4oC)
ES ADIMENSIONAL
¿Cuál es la densidad del agua a 4oC y a 25oC?
Densidad del agua a varias temperaturas. Columna horizontal (en rojo) representa
valores enteros de temperatura en oC y la columna vertical (azul) son valores decimales
de temperatura en oC.
Porosidad Abierta
• Parámetro muy importante a evaluar ya que tiene
una influencia muy fuerte en las propiedades de un
cerámico.
• La Porosidad Abierta puede...
–
–
–
–
Reducir la resistencia
Permitir la permeabilidad de gases y líquidos
Alterar las características eléctricas
Comprometer el comportamiento óptico
Técnicas para medir la porosidad
1. Porosímetro de mercurio
2. Picnometría de Helio
3. Análisis de imágenes
4. Absorción de agua
(Principio de Arquímedes, ASTMC373)
Porosímetro de Mercurio
•
•
•
•
•
•
La muestra se coloca en un recipiente impermeable.
Se genera vacío y se llena con un volumen conocido de mercurio.
Se aplica presión al mercurio en intervalos
En cada intervalo de P se mide el volúmen de mercurio y de la muestra.
A baja P solo poros grandes se llenan.
A presiones altas los poros pequeños se empiezan a llenar.
•
El grado de intrusión depende de:
•
•
•
P=(4γcosθ)
d
P es la presión, d es el diámetro del poro, θ es el ángulo de contacto y γ es la
tensión superficial del mercurio.
Para la mayoría de los cerámicos θ es igual a 140o
Los nuevos programas computacionales dan valores del tamaño del poro
contra presión, área superficial contra presion, volumen y distancia de la
superficie de área de contacto contra el radio del poro y la distribución de la
porosidad.
Picnometría de Helio
• Un picnómetro opera detectando los cambios que resultan
del desplazamiento de un gas en un sólido.
• Una cierta cantidad de gas se expande a una presión
determinada en una cámara vacía y se mide la presión
resultante para trazar una línea base.
• Entonces la muestra se coloca en la cámara, a la misma
presión el gas es expandido y la presión resultante se
vuelve a medir.
• El cambio de presión combinado con el volumen conocido
de la cámara con la muestra permiten determinar el
volumen resultante por la ley de los gases.
• Muestras muy limpias y gases de alta pureza se requieren.
Técnica
Observaciones
Picnometría de Helio
No hace diferencia entre
porosidad abierta y cerrada.
Análisis de Imágenes
Morfología del poro.
No hace distinción entre
porosidad abierta y cerrada.
Absorción de agua
El error es muy grande
Porosímetro de Mercurio
Resuelve poros abiertos.
Ciega a la porosidad cerrada.
Solo mide poros pequeños.
Error más bajo.
Fusión
• Cada material tiene diferente punto de fusión y
pueden
fundir
congruentemente
o
incongruentemente. Además algunos se subliman
y otos se descomponen.
• La fusión y sublimación están determinadas por la
resistencia del enlace atómico. Materiales con
enlaces primarios muy fuertes y enlaces
estructurales tienden a tener altos puntos de
fusión.
Fusión
• Los metales alcalinos con enlaces débiles y los cerámicos
iónicos monovalentes tienen bajos puntos de fusión.
• Los metales de transición con enlaces más fuertes tienen
puntos de fusión más altos.
• Los cerámicos iónicos multivalentes con el incremento de
su comportamiento covalente también se observa el
incremento en la temperatura de fusión.
• Los cerámicos con enlaces covalentes fuertes tienen altos
puntos de fusión o disociación.
• Metales con enlaces fuertes (W, Ta, Mo) tienen
temperaturas de fusión muy elevadas.
Ejercicios
•
Cuál es la densidad teórica de una herramienta de corte con matriz de alúmina y
35% vol de TiC? Asuma que el TiC tiene una densidad teórica de 4.93 g/cm3 y
Al2O3 de 3.99 g/cm3 .
•
Una barra de pruebas de Si3N4 tiene 3 mm de alto, 4mm de ancho y 40 mm de
largo y pesa 1.34 g. ¿Cuál es su densidad de bulto? ¿Cómo la calcularías si
fuera una pieza de dimensiones irregulares? Explique el procedimiento.
•
Un bloque prensado en caliente de carburo de boro pesa 27.36 g y tiene 6 cm de
longitud, 4 de ancho y 5 de largo. Asumiendo que su densidad teórica es de 2.51
g/cm3 , ¿Cuál es el porcentaje de porosidad de la pieza?