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CERAMICOS CONDUCTORES A ALTAS TEMPERATURA
• Castro Alvarado, Luis Alberto•Chipana Alarcón, Aarón Daniel•Condori Ccoyllo, Everth Dionicio
Los materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánicos o soluciones complejas, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes.
Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas.
Entre sus principales características, se puede destacar que no son magnéticos, son malos conductores de calor y son por naturaleza materiales muy duros.
Introducción
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas.
Los cerámicos conductores de alta temperatura, llamados cerámicos refractarios por su capacidad de soportar altas temperaturas, son considerados dentro de la clasificación de cerámicos avanzados, debido a los métodos de procesado o usos que se les da en la actualidad.
Definiciones
Materiales refractarios
Termofluencia
Choque térmico
Palabras clave
La invención de la cerámica se produjo durante la revolución neolítica, cuando se hicieron necesarios recipientes para almacenar el excedente de las cosechas producido por la práctica de la agricultura.
En los últimos 50 años, se han estado desarrollando las llamadas cerámicas avanzadas.
Uno de los ejemplos más claros sobre la evolución de estos materiales lo desarrollo la empresa multinacional japonesa Toyota.
Historia
Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez.
COMPORTAMIENTO REFRACTARIO
Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial.
Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura.
LAS PRINCIPALES INNOVACIONES EN EL CAMPO
DE LAS CERÁMICAS REFRACTARIAS
Cerámicas resistentes a las altas temperaturas
En las últimas décadas se han obteniendo muestras de N4Si3 y CSi, que mantienen sus resistencias a la tracción de 56 kg/mm2 y 39 kg/mm2 respectivamente, a 1200 °C.
Cerámicas moldeables y maquinables
Actualmente existen cerámicas de OMg que pueden moldearse bajo cualquier forma; después de calentarse puede mecanizarse. Las piezas terminadas poseen una buena resistencia térmica y excelentes propiedades dieléctricas y puede soportar temperaturas de hasta 1,540°C.
Cerámica tenaz resistente a los choques térmicos
La cerámica en cuestión puede obtenerse por una variedad de métodos, incluyendo la compresión isostática y el H.I.P, y el prensado en frío utilizando una cera parafina como aglomerante, para mantener los polvos ligados. La contracción durante el procesado es del 8/10%.
Protección térmica del transbordador espacial
Cerámica mullita para elevadas temperaturas
La cerámica de mullita en la que, la proporción de impurezas se rebaja al 0,1% adquiere una resistencia mecánica comparable al CSi, que puede mantenerse a temperaturas de hasta 1.400°C. La mullita en cuestión se obtiene a base de Sílice (SiO2) y Alúmina (Al2O3) de alta pureza. Calentando la mezcla y controlando el crecimiento de las mallas cristalinas se consiguen mullitas de las purezas especificadas.
APLICACIONES TECNOLÓGICAS En esta línea, las cerámicas se están
incorporando ahora a los motores de combustión interna.
Los principales beneficios que pueden derivarse de su incorporación son: las altas temperaturas de funcionamiento y un menor peso total del motor, lo cual se traduce en un mayor rendimiento.
Puesto que los motores aprovechan mejor el combustible, cuanto más alta es su temperatura de trabajo, la obtención de paletas de turbina y otros componentes que resistan esas condiciones, exigirá el desarrollo de materiales híbridos y de nuevas aleaciones.
EL MOTOR CERÁMICO• El motor cerámico es una máquina que transforma la energía química presente en los combustibles, en energía mecánica disponible en su eje de salida, cuya construcción esta hecha por partes cerámicas en lugar de los metales y aleaciones clásicas.•Tales motores están todavía en la fase de desarrollo experimental; sin embargo, ya se han ensayado bloques de motor cerámicos, así como válvulas, camisas cilíndricas, pistones, cojinetes y otros componentes.
Además, la investigación también se lleva a cabo en turbinas de gas que emplean rotores cerámicos, estatores, regeneradores y cámaras de combustión
Uno de los materiales cerámicos mas utilizados para fabricar estas partes de los motores cerámicos es el de nitruro de silicio.
Componentes de automóvilElegidos por su resistencia al calor y desgaste
CARACTERÍSTICAS
Capacidad de resistir temperaturas mas altas de operación del motor.
Puede durar hasta 10 veces mas que el motor convencional.
Mayor rendimiento del combustible utilizado. Excelente resistencia a la corrosión. Menores pérdidas por fricción. No requiere refrigeración ni lubricación. Menor densidad. Mayor aprovechamiento de energía. Produce menos gases contaminantes
DESVENTAJAS
Manufactura cerámica muy dificultosa. Poca resistencia a la tracción. Las imperfecciones conducen a quiebras y
rompimientos con relativa facilidad. Son factibles en investigaciones de laboratorio,
pero las dificultades actuales sobre la manufactura impiden su producción en masa.
COMPONENTES DE MOTORES
Rotor (Alúmina)
Engranajes (Alúmina)
TURBOCARGADOR CERÁMICO•Se conoce como turbocargador cerámico, al componente, compuesto de dos turbina y cuyo rotor esta hecho a base de material cerámico.•La primera turbina usa la fuerza derivada de los gases de escape, para girar o rotar sobre su propio eje;• La otra turbina recibe el nombre de compresor, debido a que recibe la fuerza rotativa de la primera, para comprimir la mezcla,y empujarla dentro de los cilindros.•Los turbocargadores cerámicos son aproximadamente 40% mas ligeros que los turbocargadores convencionales y pueden soportar mayores temperaturas.
Rotor Cerámico
TURBOCARGADOR CERÁMICO
La empresa Nissan de motores, ha introducido ya un vehículo con un rotor turbo de nitruro de silicio en su motor.
La empresa Cummins ha estado probando un motor diesel para camiones con cabezas de pistón, cojinetes y camisas de cilindros cerámicos que permiten el funcionamiento sin un sistema de refrigeración.
Varias firmas estadounidense están desarrollando motores con turbina de gas cerámica para automóviles, y la Rolls Royce está experimentando con motores similares para helicópteros.
En aviones y cohetes, la reducción de peso en la estructura significa poder aumentar la carga útil (ya sean pasajeros, instrumentos científicos u ojivas nucleares), así como ahorro de combustible.
MERCADO ACTUAL
EL MOTOR CERÁMICO DE AKATSUKI
Es el primer motor de cerámica del mundo que se ha probado en una misión espacial.
El motor, denominado OME (Orbital Maneuvering Engine) fue fabricado por Mitsubishi, en Japón.
CARACTERISTICAS
Ha sido fabricado usando nitruro de silicio (Si3N4).
Es capaz de soportar los 1500º C. Posee un empuje de 500 N. Quema hidracina con óxido de nitrógeno. Pero permite aumentar el rendimiento de los
motores hipergólicos reutilizables.
APLICACIÓN EN EL ESPACIO El pasado 28 de junio del 2010, la sonda
japonesa Akatsuki encendió el motor principal durante 13 segundos cuando se encontraba a 14,6 millones de Km. de la Tierra para verificar su funcionamiento de cara a la próxima inserción en la órbita de Venus.
El encendido del OME es una prueba decisiva para comprobar el estado de este motor antes de la inserción orbital el próximo 7 de diciembre.
FUTURO DE LOS CERÁMICOS CONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA Se prevén aplicaciones generalizadas en
herramientas de corte, rotores de turbocompresores, juntas mecánicas y guías de válvulas de automóviles.
Los materiales cerámicos avanzados llegarán, en el futuro, a utilizarse también en motores de reacción de aviones. Aprovechándose la baja densidad de estos materiales, para ser utilizados en los álabes de turbina que serán más ligeros que los fabricados con superaleaciones y que también conducirán a la fabricación de otros componentes más ligeros.
Implementación de diversos métodos que mejoren la seguridad y fiabilidad de los componentes cerámicos.
RAZONES DEL CRECIMIENTO DE LOS CERÁMICOS DE ALTA TEMPERATURA En primer lugar, razones puramente
estratégicas. Es bien conocido el hecho de que un posible corte en el suministro de algunos metales, tales como el niobio, manganeso, cromo, cobalto, níquel, etc., produciría unas consecuencias irreparables en sus respectivas economías, lo cual refleja una dependencia respecto a una serie de metales o minerales metálicos. Por ello los cerámicos serian excelentes sustitutos.
La segunda razón es de naturaleza puramente económica.
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 como 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.
En tercer y último lugar las 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 y por supuesto una mayor resistencia a temperaturas elevadas.
Todo lo expuesto justifica el que en los países más avanzados tecnológicamente, se haya apoyado y estimulado desde hace años una política tendente a la obtención de materiales cerámicos con altas prestaciones en sus características y con fines muy diversos.
CONCLUSIONES Los cerámicos conductores de alta temperatura,
reciben el nombre de cerámicos refractarios debido a su capacidad de soportar las altas temperaturas.
Los cerámicos avanzados son aquellos materiales cerámicos que combinan las características y las ventajas de la cerámica tradicional, por ejemplo inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de soportar una tensión mecánica y térmica significativa.
Los cerámicos conductores de alta temperatura son considerados dentro de la clasificación de cerámicos avanzados, debido a los métodos de procesado o usos para los cuales están siendo investigados y llevados a cabo.
El motor cerámico es capaz de soportar temperaturas superiores a 3300° C y durar 10 veces más porque el desgaste es prácticamente nulo.
Estos motores no necesita refrigeración ni lubricación, ya que son capaces de trabajar a más altas temperaturas sin fugas de calor.
Dentro de los principales compuestos de los que están hechos los cerámicos conductores de altas temperaturas destacan: Alúmina, Mullita, Carburo de silicio, Circonia entre otros.
En el mercado actual de motores, empresas importantes ya están utilizando estos motores cerámicos para automóviles, helicópteros, aviones y cohetes.
