CERAMICOS

DEFINICION

Se define como un solido no metalico, inorganico que puede ser fabricado a partir de materiales en polvo incluyendo aplicacion de calor, proceso conocido como sinterizacion. Con este proceso se obtiene un producto ceramico de gran dureza, resistencia, de baja conductividad electrica y alta fragilidad. Pueden tener enlace ionico o covalente.

DEFINICION

En la naturaleza se encuentran en forma cristalina y son compuestos formados entre elementos metalicos y no metalicos tales como el aluminio y el oxigeno (aluminaAl2O3), calcio y oxigeno (oxido de calcio CaO).

CARACTERISTICAS

Dependiendo del metodo de formacion los ceramicos pueden ser pesados o livianos. Normalmente presentan buena resistencia y dureza. Algunos ceramicos son fabricados para mejorar la conductividad electrica o para actuar como aislantes. Ceramicos como los superductores pueden presentar propiedades magneticas.

CARACTERISTICAS

Son mas resistentes que los metales y los polimeros a altas temeraturas y a los ataques del ambiente. Debido al amplio rango de propiedades los ceramicos tienen gran variedad de aplicaciones.

CLASIFICACION

De acuerdo con sus usos los ceramicos puedesn clasificarse asi: 1. Productos estructurales: soportes, techos. 2. Refractarios. 3. Vidrios. 4. Arcillas 5. Abrasivos 6. Cemento 7. Ceramicos avanzados

CERAMICOS AVANZADOS1.

2.

3.

4.

Estructural (herramientas de corte, componentes de motores) Electrico (capacitores, circuitos integrados, piezoelectricos y superconductores) Recubrimiento (componentes de motores) Quimico y ambiental (filtros, membranas)

ESTRUCTURA CRISTALINA

La estructura de la mayoria de los ceramicos varia desde muy simple hasta muy compleja. La microestructura puede ser completamente vitrea, completamente cristlina o una combinacion de ambas, en este ultimo caso la fase vitrea rodea a los cristales uniendolos unos con otros.

VIDRIO CERAMICO

Los ceramicos que tienen una estructura completamente vitrea tienen propiedades completamente diferentes de los metales. Un metal en el estado liquido que es enfriado solidifica cuando se alcanza la temperatura de fusion, un ceramico de este tipo en estado liquido cuando se enfria se convierte en viscoso, es decir que no existe una temperatura de fusion definida.

VIDRIO CERAMICO

A partir de su estado liquido y con la extraccion de calor se va convirtiendo en un solido plastico suave hasta que finalmente se endurece y fragiliza. Permite ser fundido, laminado, y trabajado como un metal. El comportamiento vidrioso es debido a la estructura atomica del material.

VIDRIO CERAMICO

Si se une silice pura (SiO2), se forma por enfriamiento un vidrio llamado silice vitrea. La unidad basica estructural de este vidrio es la silice tetraedral, la cual esta compuesta por un atomo de silicio rodeado de cuatro atomos de oxigeno. El atomo de silicio ocupa el espacio intersticial entre los atomos de oxigeno y cede 4 electrones de valencia para formar el e. covalente.

VIDRIO CERAMICO

La estructura de la silice puede unirse con otras formando cadenas o anillos.

VIDRIO CERAMICO PROCESAMIENTO Y APLICACIONES

Se fabrican articulos utiles a alta temperatura, controlando la viscosidad, de tal forma que el vidrio pueda ser conformado sin romperse. Existen tres rangos de viscosidad: el rango liquido, el rango de trabajo y el de recocido.

RANGO LIQUIDO

Se produce el vidrio en hojas y placas cuando se encuentra en estado fundido.

CONFORMADO EN HOJAS Y LAMINAS

Se fabrica mediante el proceso de flotado, en el cual una tira de vidrio sale del horno de fusin y flota sobre la superficie de un bao de estao fundido, la lmina de vidrio es enfriada mientras se mueve a travs del estao fundido y bajo una atmsfera controlada qumicamente cuando su superficie esta suficientemente dura, la lmina de vidrio se saca del horno sin ser marcada mediante rodillos y pasa a travs de un largo horno de recocido llamado Lehr, donde se eliminan las tensiones residuales.

RANGO DE TRABAJO

A una porcion caliente de vidrio liquido se le da una preforma y luego se somete a presion para darle la forma final. El vidrio se calienta a una temperatura en el rango de trabajo, de tal forma que pueda ser formado pero que no fluya.

RANGO DE TRABAJO

RANGO DE TRABAJO

Artculos huecos como botellas, jarras, y envolturas de tubos luminosos se fabrican soplando aire para ajustar el vidrio fundido dentro de los moldes. Artculos planos como lentes pticas y lentes para faros se fabrican prensando con un mbolo en el molde que contiene vidrio fundido. Muchos artculos pueden fabricarse moldeando el cristal dentro de un molde abierto.

RANGO DE TRABAJO

Artculos con forma de embudo como tubos de televisor se fabrican mediante moldeado centrfugo. Los trozos de vidrio fundido desde el alimentador se arrojan en un molde rotativo que origina que el vidrio fluya hacia arriba para formar un muro de vidrio de espesor aproximadamente uniforme.

RANGO DE RECOCIDO

Algunos componentes ceramicos se recocen para eliminar tensiones residuales introducidas durante su formado. Tambien se hacen tratamientos termicos para causar la devitrificacion, es decir, la precipitacion de una fase cristalina a partir del vidrio. Tambien se puede hacer un temple enfriando las superficies de las placas con aire para generar esfuerzos de compresion.

CONFORMADO DE VIDRIO TEMPLADO

Este tipo es reforzado enfriando rpidamente con aire la superficie de vidrio despus de que ste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. La superficie del vidrio se enfra primero y se contrae, mientras el interior esta caliente y se reajusta a los cambios dimensionales con pocas tensiones, cuando el interior se enfra y contrae, la superficie ya esta rgida, con lo que se crean fuerzas de tensin en el interior del vidrio y fuerzas de compresin en las superficies.

CONFORMADO DE VIDRIO TEMPLADO

Este tratamiento de templado aumenta la resistencia del vidrio porque las fuerzas de tensin aplicadas deben sobrepasar las fuerzas de compresin de la superficie antes que se produzca la fractura. El vidrio templado tiene una mayor resistencia a los impactos que el vidrio recocido y es alrededor de cuatro veces mas fuerte. Las ventanas de los automviles y el vidrio de seguridad para puertas son artculos que han sido templados trmicamente.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

La combinacin de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosin en la mayora de los ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniera tales como construccin y vidriado de vehculos. En la industria elctrica el vidrio es esencial para varios tipos de lmparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad para suministrar un cierre hermtico.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

En la industria electrnica los tubos electrnicos tambin requieren el cierre hermtico proporcionado por el vidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores. La alta resistencia qumica del vidrio lo hace muy til para los aparatos de laboratorio y recubrimientos resistentes a la corrosin, conducciones y recipientes en la industria qumica.

CERAMICO CRISTALINO O PARCIALMENTE CRISTALINO

Los materiales ceramicos usualmente contienen elementos metalicos y no metalicos con enlaces ionicos o covalentes. Tanto la estructura de los atomos metalicos como la de los no metalicos, al igual que las cargas producidas por los electrones de valencia deben ser consideradas.

CERAMICO CRISTALINO O PARCIALMENTE CRISTALINO

La celda unitaria es la estructura atomica usada para describir estos ceramicos. Las celdas mas comunes son la cubica y la hexagonal. La diferencia entre el radio atomico de los iones metalicos y no metalicos juega un papel importante en el arreglo de la celda unitaria. Debido al arreglo atomico es comun que exista deslizamiento y fractura fragil en este tipo de ceramicos.

REFRACTARIOS

Estan compuestos por diversas particulas de gruesas de oxido aglutinadas con un material refractario mas fino, el cual se funde al hornearse proporcionando la union. Puede soportar altas temperaturas sin desintegrarse (astillarse o fundirse).

REFRACTARIOS

El ladrillo refractario que se utiliza en los hornos es un ejemplo muy comn, y sin los refractarios, no sera posible la moderna industria del acero. Los materiales refractarios pueden colocarse o conformarse como ladrillos, lo cual se hace cuando se utiliza arcilla refractaria u otro material como mortero para unir los ladrillos refractarios.

REFRACTARIOS

El grafito es un material refractario excelente ya que no puede astillarse (o sea, no se pueden separar pedazos por el choque trmico) debido a su alta conductividad trmica. La mayora de los refractarios tales como los ladrillos refractarios pueden soportar temperaturas levemente mayores a 1647 C antes de desintegrarse. El grafito tiende a oxidarse en presencia de aire y puede utilizarse hasta 3316 C.

CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS

Refractarios cidos: Incluyen las arcilla de slice, de almina y refractarios de arcilla. El slice puro a veces se utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente dbiles, pero poco costosos. Contenidos de almina por arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de alta almina.

CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS

Refractarios Bsicos: Varios refractarios se basan en el MgO(magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusin alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricacin de acero. Tpicamente, los refractarios bsicos son ms costosos que los refractarios cidos.

CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS

Refractarios Neutros: Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios cidos de los bsicos, impidiendo que uno ataque al otro.

CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS

Refractarios Especiales: El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxgeno fcilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circn (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros.

CEMENTO

En un proceso conocido como cementacin, las materias primas cermicas se unen utilizando un aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una reaccin qumica convierte una resina lquida en un slido que une las partculas. En el caso del silicato de sodio, la introduccin de gas CO2 acta como catalizador para deshidratar la solucin de silicato de sodio y convertirla en un material vtreo.

CEMENTO

La reaccin de cementacin ms comn e importante ocurre en el cemento Prtland, utilizado para producir el concreto.

RECUBRIMIENTOS

Los recubrimientos comerciales comunes incluyen los vidriados y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobre la superficie de un material cermico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar proteccin y decorar, o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metlicas.

RECUBRIMIENTOS

Los esmaltados y vidriados son productos de arcilla que se vitrifican fcilmente durante el horneado. Mediante la adicin de otros minerales se pueden producir en los vidriados y esmaltados colores especiales. Pueden aparecer grietas o cuarteaduras superficiales que ocurren cuando el vidriado tiene un coeficiente de expansin trmica distinto al del material subyacente.

FIBRAS

A partir de materiales cermicos se producen fibras para diversos usos como esfuerzo de materiales compuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de fibras pticas. Las fibras de vidrio de borosilicato, las ms comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. Tambin se pueden producir fibras con una diversidad de materiales cermicos, incluyendo almina, carburo de silicio y carburo de boro.

ARCILLA

Las arcillas comunes se utilizan en la fabricacin de ladrillos para la construccin de edificios y ladrillos refractarios. Estn formadas por almina y slice en diversas proporciones, con la presencia de otras impurezas, tales como xido frrico (el cual le da color rojo), xido de manganeso, potasa, magnesio y cal. El caoln (arcilla blanca formada principalmente por almina y slice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, porcelana fina y ladrillos refractarios.

ARCILLA

Los productos de arcilla forman un grupo de cermicos tradicionales que se utilizan para la produccin de tubos, ladrillos, artefactos de cocina y otros productos comunes. La arcilla como la caolinita, y el agua sirven como aglutinante inicial para los polvos cermicos, el feldespato [(K, Na)2O. Al2O3. 6SiO2] sirven como agentes fundentes (formadores de vidrio) durante el tratamiento trmico posterior.

CONFORMADO PARA PRODUCTOS DE ARCILLA

Los polvos, las arcillas, el fundente y el agua se mezclan y se les da forma. Mezclas secas o semisecas se comprimen en formas verdes (sin hornear) con suficiente resistencia para poder ser manejadas. A mayores contenidos de humedad, los polvos son ms plsticos o conformables. A stas mezclas plsticas se les puede aplicar procesos de conformado hidroplstico, incluyendo extrusin, recortado y conformado a mano.

CONFORMADO PARA PRODUCTOS DE ARCILLA

Los lodos cermicos pueden inyectarse en moldes cuando contienen grandes cantidades de plastificantes orgnicos en vez de agua. Despus del conformado, los cuerpos cermicos, es decir, los cuerpos verdes, siguen siendo dbiles, contienen agua y otros lubricantes y son porosos, por tanto, se requiere de un secado y horneado posterior.

SECADO Y HORNEADO DE PRODUCTOS DE ARCILLA

Durante el secado, la humedad excesiva se elimina y ocurren grandes cambios dimensionales. La rigidez y la resistencia de una pieza cermica se obtiene durante su horneado. A temperaturas ms elevadas de horneado, con ms vitrificacin y menos porosidad se produce la loza ptrea o gres, utilizada para las tuberas de drenaje de aguas negras. La porcelana se hornea a temperaturas superiores para obtener una completa vitrificacin casi sin porosidades.

CERAMICOS AVANZADOS

Los cermicos estructurales avanzados estn diseados para optimizar las propiedades mecnicas a temperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparacin con la cermica tradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura.

CERAMICOS AVANZADOS

Muchos de los cermicos ms avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su composicin, y se prensan para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sinteriza para que se desarrolle la microestructura y propiedades requeridas. Una diferencia entre los cermicos avanzados y los metales es que, una vez terminado el sinterizado y fabricado el cermico, su microestructura queda fija.

APLICACIONES DE LOS CERAMICOS AVANZADOS

Se usan en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus nicas propiedades magnticas, electrnicas y pticas, su buena resistencia a la corrosin a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la deteccin de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prtesis en el cuerpo humano.

CERAMICOS AVANZADOS

Los cermicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los xidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecnicas como fsicas a altas temperaturas.

CARBUROS

Los carburos tpicos estn hechos de tungsteno y titanio(utilizados como herramientas de corte y materiales para matrices) de silicio (usados como abrasivos, especialmente en piedras de esmerilado), y de boro (duro y ligero, utilizado en blindaje nuclear)

NITRUROS

- El Nitruro De Aluminio(AIN): Proporciona un buen aislante elctrico, pero tiene alta conductividad trmica. Dado que su coeficiente de expansin trmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

NITRUROS

- El Nitruro De Silicio(Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.

SIALON

Se forma cuando el Al y el O reemplazan parcialmente al Si y al Ni en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. Aplicaciones: en componentes para motor y otras que involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.