6 materiales ceramicos
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6. MATERIALES CERMICOS
6.1 Estructura de los cermicos
Enlace atmico: parcial o totalmente inico Iones metlicos: cationes (ceden sus electrones, +), aniones (aceptanelectrones, - ).
Estructuras cristalinas, compuestas de dos o ms elementos. La estructura est determinada por: el valor de la carga elctrica de los
iones (el cristal debe ser elctricamente neutro) y los tamaos relativos
de los cationes y aniones (nmero de coordinacin).
a)Estructura cristalina tipo XY (X: catin, Y: anin) Igual nmero de cationes y aniones. Ejemplos: cloruro de sodio (NaCl), cloruro de cesio (CsCl), blenda
(ZnS), etc.
Fig. 6.1 Enlace inico
Fig. 6.2 Estructura del NaCl
b)Estructura cristalina tipo XmYp Nmero de cationes distinto del nmero de aniones m yp son diferentes de 1. Ejemplos: fluorita (CaF2), UO2, ThO2, etc.
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Fig. 6.3 Flurita (CaF2)
(Ca
2+
, F
-
)
c)Estructura cristalina tipo XmZnYp Dos tipos de cationes (X y Z) y un anin (Y) Ejemplos: perouskita (BaTiO3), SrZrO3, SrSnO3, espinela (MgAl2O4,
FeAl2O4).
Fig. 6.4 Perouskita (BaTiO3)
Ti4+
O2-
Ba+2
d)Densidad de los cermicos cristalinos(( ))
Ac
XY
NVAAn ++==
n: N de iones
AY, AX: suma de pesos atmicos de cationes y aniones, respectivamente
Vc: volumen de la celda unitaria
NA: N de Avogadro (&,023 x 1023
iones/mol).
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6.2 Cermicas formadas por silicatos
Silicatos: materiales compuestos formados principalmente por silicio yoxgeno (mayora de suelos, rocas, arcillas y arenas)
En vez de combinacin de celdas unitarias, se usa combinacin detetraedros SiO4
4-.
Fig. 6.5 Tetraedro de SiO44-
a) Slice Silicato ms simple: dixido de silicio sliceFig. 6.6 Slice (SiO2)
b) Silicatos ms complejos Uno, dos o tres de los tomos de oxgeno del tetraedro son compartidos
por otros tetraedros.
Ejemplos: SiO44-, Si2O76-, Si3O96-, etc. Cationes, como Ca2+, Mg2+ y Al3+, compensan las cargas negativas de
los tetraedros SiO44-
de manera que alcancen la neutralidad y sirven de
enlace inico entre los tetraedros SiO44-
.
Fig. 6.7 Estructuras de iones de
Silicatos formados a partir de SiO44-
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c) Vidrios de slice Slido no cristalino, con un alto grado de distribucin al azar. Vidrios inorgnicos comunes (recipientes, ventanas, etc.): vidrios de
slice ms xidos (CaO y Na2O). Los cationes (Na
+
, Ca
2+
) enlazan lostetraedros, dando forma a una estructura vtrea, ms probable que una
cristalina.
Fig. 6.8 Representacin de un
vidrio de slice con sodio.
6.3 Carbono
Existe en varias formas polimrficas y en estado amorfo. Carboncillo: amorfo
Grafito : compuesta por capas, los tomos de C de cada capa unidos conenlaces covalentes, y entre capas unidos por fuerzas de Van der Waals.
Propiedades anisotrpicas.
Diamante: poliformo metaestable de C a temperatura ambiente y presinatmosfrica. Cada tomo de C est unido con otros cuatro, con enlaces
covalentes. Propiedades isotrpicas.
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6.4 Propiedades mecnicas de los cermicos
a) Tenacidad de fractura
Fractura frgil Tenacidad de fractura KIC: capacidad de un cermico para resistir lafractura, cuando se ha formado una grieta.
aYK IC ==
Y: parmetro adimensional, funcin de la geometra de la probeta y de la
grieta.
: tensin aplicada
a: longitud de una grieta superficial o mitad de una grieta interna.
b)Mdulo de ruptura mr mr: resistencia a la flexin, tensin a la fractura en ensayo de flexin.Fig. 6.10 Ensayo de flexin
por tres puntos
M: momento de flexin mx.
c: distancia desde el centrode la probeta a las fibras
externas
I: momento de inercia
i) Seccin rectangular: 2f
mrbd2
LF3==
ii) Seccin circular: 3fmr RLF3
==
Ff: carga de fractura
L: distancia entre puntos de apoyo
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c)Influencia de la porosidad En la fabricacin del cermico (compactacin de polvos) se forman
poros
En el tratamiento que le sigue al conformado se elimina gran parte deestos poros, quedando porosidad permanente.
Porosidad tiene efecto negativo en las propiedades mecnicas. El mdulo de elasticidad E disminuye con la fraccin de volumen P de
porosidad: E = E0 (1 1.9 P + 0.9 P2); E0 es el mdulo de elasticidad
del material sin poros.
Fig. 6.11. Influencia de la fraccin volumtrica de porosidad en el mdulo
de elasticidad y en el mdulo de ruptura.
Clasificacin de los cermicos de acuerdo a su aplicacin
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Arcillas y porcelanas
Arcillas: aluminosilicatos (almina, Al2O3, y slice, SiO2) ms agua.Ejemplos: ladrillos de construccin, baldosas, tuberas de agua
residuales.
Porcelanas: aluminosilicatos, adquieren el color blanco despus de lacoccin a altas temperaturas. Ejemplos: alfarera, vajillas, artculos
sanitarios, etc.
Estructura de las arcillas y porcelanas: caolinita Al2(Si2O5)(OH)4Refractarios
Mezcla de Al2O3, SiO2, MgO, Fe2O3, CaO, y a veces Cr2O3, TiO2. Capacidad de soportar altas temperaturas sin fundir ni descomponerse,
no reaccionan cuando son expuestos a medios agresivos. Capacidad de
producir aislamiento trmico.
Ejemplos: revestimientos de hornos. Arcillas refractarias: mezclas de arcillas refractarias de alta pureza
(almina y slice), con un 25 a 45 % de almina)
Refractarios de slice: principal ingrediente es la slice. Refractarios bsicos: refractarios ricos en periclasa (MgO calcinada). Refractarios especiales: xidos de alta pureza, como almina, slice,
magnesia, circona (ZrO2), mullita (3Al2O3-2SiO2); otros son compuestos
de carburos (por ejemplo SiC), carbn y grafito.
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Tcnicas de conformado de los materiales cermicos
Fig. 6.14 Prensado y
soplado de vidrio para
fabricar una botella.
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6.15. Moldeo y Sinterizacin
Molienda dematerias primas
Tamizado Mezcla de polvos
con agua u otros
ingredientes