analisis de las propiedades termicas y mecanicas de materiales ceramicos

8/19/2019 Analisis de Las Propiedades Termicas y Mecanicas de Materiales Ceramicos

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Analisis de las propiedades termicas y mecanicas de las ceramicasingenieriles

Daniel Felipe Vanegas Morales

2120131007

En el siguiente documento se presentara los diagramas de selección dematerial (diagramas de ashby) de los materiales ceramicos no convencionalesen funcion de las propiedades termicas y mecanicas.

Algunas aplicaciones de los ceramicos de ingenieria que se veran en lasgracas son:

• Carburo de boro

• itruro de aluminio

• Alumina

• !ilicio

•

Circona• Carburo de "olframio

• itruro de !ilicio

• Carburo de silicio

#as propiedades mecanicas que se anali$aran seran las siguientes:

• %ure$a

• #imite elastico

• &esistencia a la compresion

• &esistencia a la traccion

• 'enacidad a la fractura

#as propiedades termicas que se anali$aran seran las siguientes:

• Calor especico

• Coeciente de epansion termica

• Conductividad termica

• unto de fusion

ara poder anali$ar las tablas de cada material se deben tener en cuenta lassiguientes recomendaciones:

• !e anali$ara los materiales que estan con una sombra amarilla en las

gracas (ver %iagramas de Ashby aneos) * ya que esa es la seccion delos ceramicos ingenieriles.• !e estudiara el comportamiento de las propiedades termicas y

mecanicas en comparacion de los elementos de los ceramicosingenieriles* e+emplo: todos los ceramicos ingenieriles tienen una altadure$a* pero entre ellos habran quienes tengan una dure$a mas ba+a*por eso se pondra niveles de ba+o* medio o alto para el comportamientocada propiedad mecanica y termica.


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• En las tablas habran dos valores* el de la i$quierda sera el

comportamiento de la propiedad mecanica y el de la derecha el de lapropiedad termica.

Primer material: Carburo de oro ! B4C "

Es un material casi tan duro como el diamante* pero mucho menos costoso(claro esta que sigue teniendo un precio muy elevado). 'iene una densidadmuy ba+a y una muy alta dure$a* ra$on por la cual se usa en aplicaciones comocapa eternas de chalecos antibalas* boquillas para chorro de arena y comoabrasivo.

#os valores de sus propiedades son los siguientes:

• %ensidad entre ,.- y ,. Kg

m3 .

• %ure$a entre los -,// y 0/// 12

• #imite elastico entre -/ y 3/ 4a

• &esistencia a la compresion entre ,5/ y 63/ 4a

• &esistencia a la traccion entre -/ y 3/ 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre ,. y -. 4pa7m8/.

• Calor especico entre 50/ y 9,6/ ;


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7(En las relaciones de las tablas* la seccion de la i$quierda son elcomportamiento de la propiedad termica y la derecha muestra elcomportamiento de la propiedad mecanica)

#egundo Material: $itruro de Aluminio !Al$"

Es un material que cuenta con una inusual combinacion de propiedades: esaislante electrico y ecelente conductor de calor. Es requerido para sustratosen electronica de alta potencia* y su funcion es evacuar el calor de losmicrochips. Cuenta con alta resistencia* estabilidad quimica y ba+a epansionlineal* lo cual le da un papel importante como disipador de calor para laelectronica de potencia.


• %ensidad entre -,3- y ---/ Kg

m3 .

•

%ure$a entre los 66/ y 9,3/ 12• #imite elastico entre -// y -/ 4a

• &esistencia a la compresion entre 96>/ y ,// 4a

• &esistencia a la traccion entre -// y -/ 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre ,. y -.0 4pa7m8/.

• Calor especico entre >5/ y 5,/ ;


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%ercer material: Al&mina ! Al2O3 "

Es un material barato* f@cil de procesar* y ampliamente difundido en laindustria. !e usa para hacer bu+as* aisladores elctricos y sustratos cer@micospara microcircuitos. El aumento de la temperatura m@ima de operación

aumenta con el contenido de alBmina* es buen aislante elctrico* tiene altaresistencia mec@nica* resistencia a la abrasión y buena estabilidad qumica(hasta 93/=C). !u resistencia a choque trmico y a impacto es limitada.


• %ensidad entre -5// y -65/ Kg

m3 .

• %ure$a entre los 9,// y ,/3/ 12

• #imite elastico entre -/ y 55 4a

• &esistencia a la compresion entre 36/ y // 4a

• &esistencia a la traccion entre -/ y 55 4a• 'enacidad a la fractura entre entre -.- y 0.5 4pa7m8/.

• Calor especico entre >6/ y 5,/ ; y >.6 μstrain

°C

• Conductividad termica entre ,3 y -5. ";m=C

• unto de fusion entre ,/// y ,9// =C

En la siguiente tabla se mostrara el comportamiento entre cada una de laspropiedades mecanicas +unto a cada una de las propiedades termicas en laAlumina.

%ure$a #imiteelastico

&esistencia a lacompresion

&esistencia a latraccion

'enacidada lafractura

Calorespecico

?a+a; Alto Alto; Alto Alto; Alto Alto; Alto Alto; Alto

Coecientedeepansiontermica

?a+a;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto

Conductividadtermica

?a+a;4edio Alto;4edio Alto;4edio Alto;4edio Alto;4edia

unto defusion

4edio;4edio

Alto;4edio 4edia;4edia

Alto;4edio Alto;4edia

Cuarto material: #ilicio


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Es el segundo elemento m@s abundante de la tierra* solo superado por elogeno. Es un ingrediente importante en los aceros y en las cer@micas.


•

%ensidad entre ,-// y ,-/

Kg

m3

.

• %ure$a entre los 6// y 9,// 12

• #imite elastico entre 93/ y 95/ 4a

• &esistencia a la compresion entre -,// y -03/ 4a

• &esistencia a la traccion entre 93/ y 95/ 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre /.5- y /.60 4pa7m8/.

• Calor especico entre 335 y >9 ;


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• %ensidad entre 6// y 39/ Kg

m3 .

• %ure$a entre los 9/// y 9,-/ 12

• #imite elastico entre // y >9/ 4a

• &esistencia a la compresion entre -3// y ,// 4a

• &esistencia a la traccion entre // y >9/ 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre 3 y 5 4pa7m8/.

• Calor especico entre 05/ y ,/ ;


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• &esistencia a la traccion entre -- y / 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre , y -.5 4pa7m8/.

• Calor especico entre 950 y ,6, ;.9 μstrain

°C

• Conductividad termica entre y 55 ";m=C

• unto de fusion entre ,5-/ y ,6,/ =C

En la siguiente tabla se mostrara el comportamiento entre cada una de laspropiedades mecanicas +unto a cada una de las propiedades termicas en elcarburo de Dolframio.





Calorespecico

Alto; ?a+o Alto; ?a+o Alto; ?a+o Alto; ?a+o Alto; ?a+o


Alto;4edio Alto;4edio Alto;4edio Alto;4edio Alto;4edio


Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto

unto defusion

Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto Alto;Alto

#+ptimo material: $itruro de #ilicio ! Si3 N 4 "

El nitruro de silicio se sinteti$a en forma de polvo a travs de varias reaccionesqumicas diferentes. #as pie$as hechas de estos polvos se sinteti$an pormtodos est@ndar para producir cer@micas con un con+unto Bnico depropiedades. #os nitruros de silicio de alto rendimiento fueron desarrolladospara pie$as resistentes al desgaste en motores de automóvil* tales comov@lvulas* seguidores de levas y alabes del turbocompresor* y han demostradosu ecacia* aunque el costo aBn no ha cado lo suciente para permitir su usogenerali$ado.


• %ensidad entre -9// y -0// Kg

m3 .

• %ure$a entre los 90// y 93// 12

• #imite elastico entre 3// y >,/ 4a

• &esistencia a la compresion entre ,0 y // 4a


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• &esistencia a la traccion entre 3// y >,/ 4a

• 'enacidad a la fractura entre entre 0 y 3.> 4pa7m8/.

• Calor especico entre 3>/ y 5// ;


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• Coeciente de epansion termica oscilan entre 0 y 0.5 μstrain

°C

• Conductividad termica entre 5/ y 9-/ ";m=C

• unto de fusion entre ,9/ y ,// =C

En la siguiente tabla se mostrara el comportamiento entre cada una de laspropiedades mecanicas +unto a cada una de las propiedades termicas en elCarburo de silicio.





Calorespecico

Alta; Alta Alta; Alta Alta; Alta Alta; Alta Alta; Alta


Alta;4edia Alta;4edia Alta;4edia Alta;4edia Alta;4edia


Alta;Alta Alta;Alta Alta;Alta Alta;Alta Alta;Alta

unto defusion

Alto;Alto Alto;Alto Alto;4edio Alto;Alto Alto;Alto

Ane(os:

1. Comportamiento de la dure/a *rente a las propiedades t+rmicas:

raca 9: Calor especico (;


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'ercera gr@ca: Conductividad trmica (";m=C) vs %ure$a (12)

raca 0: unto de fusión (=C) vs %ure$a (12)


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2. Comportamiento del lmite elstico *rente a las propiedadest+rmicas:

raca : Calor especico (;


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raca 3: Coeciente de epansión trmica vs #imite el@stico (4a)

raca >: Conductividad trmica (";m=C) vs #imite el@stico (4a)

raca 5: unto de fusión (=C) vs #imite el@stico (4a)


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3. Comportamiento de la resistencia a la compresin *rente a laspropiedades t+rmicas

r@ca 6: Calor especico (;


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raca 99: Conductividad trmica(";m=C) vs &esistencia a compresión (4a)

raca 9,: unto de fusión (=C) vs &esistencia a compresión (4a)

. Comportamiento de la resistencia a la traccin *rente a laspropiedades t+rmicas:

raca 9-: Calor especico (;


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raca 90: Coeciente de epansión trmica vs &esistencia a tracción (4a)

raca 9: Conductividad trmica (";m=C) vs &esistencia a tracción (4a)


16/18

raca 93: unto de fusión (=C) vs &esistencia a tracción (4a)

4. Comportamiento de la tenacidad a la *ractura *rente a laspropiedades t+rmicas

raca 9>: Calor especico (;


17/18

raca 95: Coeciente de epansión trmica vs 'enacidad a fractura

raca 96: Conductividad trmica (";m=C) vs 'enacidad a fractura


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raca ,/: unto de fusión (=C) vs 'enacidad a fractura

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