Clasificación de los cerámicos

Cerámicos tradicionalesLos cerámicos tradicionales están hechos de tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla consta principalmente de silicatos de aluminio hidratados (Al2O3 · SiO2 ·H2O) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O.

La arcilla de la cerámica tradicional permite la fácil manipulación del material antes de su endurecimiento firme y constituye el principal componente del material. La sílice (SiO2), también llamada sílex o cuarzo, tiene una alta temperatura de fusión y es un componente refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato de potasa (potasio), cuya composición básica es K2O· Al2O3 · 6SiO2, tiene una baja temperatura de fusión y forma un vidrio cuando la mezcla de cerámica se cuece. Esto hace que los componentes refractarios se unan entre sí.Composición química de algunas arcillas:

Los productos estructurales de arcilla, como ladrillos de construcción, tubos de drenaje, tejas y azulejos, están hechas de arcilla natural que contiene los tres

componentes básicos. Los productos de loza whiteware, como porcelana eléctrica, para vajillas y artefactos sanitarios, están hechos de componentes de arcilla, sílice

y feldespato, cuya composición se controla

Se usa el término triaxial porque en su composición hay tres materiales principales.

Los cambios que se presentan en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el cocimiento no se conocen por completo debido a su complejidad. La siguiente tabla es un resumen aproximado de lo que ocurre posiblemente durante la cocción de un cuerpo de whiteware.

Los intervalos típicos de composición de diferentes tipos de whiteware se ilustran en el diagrama de fases ternario sílice-leucita-mullita de la siguiente figura. Los intervalos de composición de algunas whitewares se indican con las áreas encerradas en círculos.

La siguiente figura es una micrografía electrónica de la microestructura de la porcelana de un aislador eléctrico. Como se observa en esta micrografía, la estructura es muy heterogénea.Grandes gránulos de cuarzo están rodeados por un cerco de solución de vidrio con un alto contenido de sílice. Se encuentran también agujas de mullita que cruzan residuos de feldespato y mezclas finas de mullita y vidrio.Las porcelanas triaxiales son adecuadas como aisladores para 60 ciclos, pero a altas frecuencias las pérdidas dieléctricas son demasiado grandes. Las grandes cantidades de álcalis que se derivan del feldespato y se usan como fundente aumentan la conductividad eléctrica y las pérdidas dieléctricas de las porcelanas triaxiales.

Cerámicos de ingeniería

En contraste con los cerámicos tradicionales que se basan principalmente en arcilla, las cerámicas de ingeniería o técnicas son principalmente compuestos puros o casi puros, de óxidos, carburos o nitruros sobre todo. Algunas cerámicas de ingeniería importantes son alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO2) combinados con otros óxidos refractarios.

Propiedades mecánicas de materiales cerámicos de ingeniería

Alúmina (Al2O3)La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas, y en la actualidad tiene una amplia aplicación. Un ejemplo clásico de la aplicación de la alúmina es como material aislante para bujías de encendido.El óxido de aluminio se impurifica comúnmente con óxido de magnesio, comprimido en frío y sinterizado, lo que produce el tipo de microestructura que se ilustra en la siguiente figura:

La alúmina se usa comúnmente en aplicaciones eléctricas de alta calidad donde se requiere una baja pérdida dieléctrica y alta resistividad.

Nitruro de silicio (Si3N4)De todos los cerámicos de ingeniería, el nitruro de silicio tiene probablemente la combinación más útil de propiedades para ingeniería. El Si3N4 se disocia significativamente a temperaturas por arriba de 1 800°C y, en consecuencia, no se puede sinterizar directamente. El Si3N4 se puede procesar por una reacción de enlace en la que el polvo compactado de silicio es nitrurado en un flujo de gas nitrógeno. Este proceso produce un Si3N4 microporoso de resistencia moderada. El Si3N4 no poroso de mayor resistencia se elabora mediante prensado en caliente con 1 a 5% de MgO. El Si3N4 se estudia para ser usado en partes de máquinas avanzadas

Carburo de silicio (SiC)

El carburo de silicio es un carburo refractario duro que tiene una notable resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Aunque no es un óxido, el SiC a altas temperaturas forma una película de SiO2 que protege al cuerpo principal del material. El SiC puede ser sinterizado a 2 100°C con 0.5 a 1% B como auxiliar del proceso. El SiC se usa comúnmente como reforzamiento fibroso para materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica.

Circonia (ZrO2)

La circonia pura es polimórfica y se transforma de la estructura tetragonal en la monoclínica a unos 1 170°C acompañada de una expansión de volumen y, p or tanto, está sujeta al agrietamiento. Sin embargo, combinando la ZrO2 con otros óxidos refractarios como CaO,MgO y Y2O3, se puede estabilizar la estructura cúbica a temperatura ambiente y se le han encontrado algunas aplicaciones. Combinando el ZrO2 con 9% MgO y usando tratamientos térmicos especiales, se puede producir circonia parcialmente estabilizada (PSZ) con una tenacidad a la fractura especialmente alta, lo que ha conducido a aplicaciones cerámicas recientes.

Clasificación de lo cerámicos por su estructura

Cerámicos iónicos

Formadas por un metal + un no metal: unión por atracción electrostática entre+ y -.

Ejemplos:- HALITA: NaCl.- ALUMINA: Al2O3. (Cerámica estructural, usada para corte, abrasivo, refractario)- ZIRCONA: ZrO2. (Cerámica ingenieril, usada como superficie anti desgaste).- MAGNESIA: MgO. (Cerámica ingenieril, usada en hornos como refractario, punto de fusión > 2000 ºC)

Cerámicos covalentes Formadas por dos no metales: unión por uso compartido de electrones entre átomos vecinos. Ejemplos: - SILICE: SiO2 - DIAMANTE: C - SILICIO: Si - GRAFITO: C - CARBURO DE SILICIO: SiC.(cerámica estructural muy dura, equivale a sustituir la en la estructura del diamante la mitad de los carbonos por silicio). - Si3N4: (cerámica usada como cojinete en motores).

Sílice y silicatos (abundantes y baratos). La unidad básica es la que resulta si sustituimos los C en el diamante portetraedros de SiO4. Ejemplos: - Monómeros. - Dímeros. - Estructuras de cadena. - Estructuras laminares. (Arcillas capas de silicato lubricadas por capas de agua). - Redes tridimensionales. (Sílice pura). Aleaciones cerámicas Las cerámicas al igual que los metales forman aleaciones unas con otras. En las aleaciones de metales se busca aumentar: - límite elástico. - la resistencia a la fatiga - ó la resistencia a la corrosión. - En las aleaciones cerámicas se busca: - Mejorar tenacidad. - Conseguir densificación total.

Cerámicos cristalinos Forman microestructuras policristalinas. En la microestructura veremos: granos, bordes de grano, poros anclados entre granos, microgrietas. - Los niveles de porosidad pueden llegar al 20 %.

- Los poros y las microgrietas debilitan el material, sobretodo éstas últimas.

Vidrios cerámicos -Se caracterizan por su ordenación atómica en cortas distancias. - Método de obtención de una cerámica vítrea. Temperatura de transición vítrea.

- Consecuencias de la estructura abierta de los vidrios: - Modificadores: átomos de diferentes especies que rompen la continuidad de la red de la estructura abierta de los vidrios. - Formadores: átomos de diferentes especies que contribuyen a la formación de la red de la estructura abierta de los vidrios.

Métodos de conformado del vidrio a partir del estado fundido: - Soplado. - Centrifugado. - Moldeo a presión.

El parámetro a controlar es la viscosidad.

Cerámicos vítreos Una cerámica vítrea es por definición una cerámica parcialmente cristalina, de grano muy fino y que se obtiene por calentamiento de un vidrio cerámico susceptible de experimentar una cristalización controlada. No todos los vidrios cerámicos pueden experimentar cristalización parcial por tratamiento térmico. Las cerámicas vítreas tienen como mínimo el 50 % cristalizado pudiendo llegar al 90 % de su volumen. Las propiedades dependerán de sus fases vítrea y cristalina así como de sus fracciones en volumen. Las propiedades mecánicas son superiores a las del vidrio de procedencia. Se pueden obtener por dos vías: 1º conformar el vidrio de partida por métodos sencillos. 2º proceder a la desvitrificación del vidrio conformado. o 1º Conformado de polvos en estado vítreo. 2º Desvitrificación simultanea a la sinterización.

Clasificación de lo cerámicos por su aplicación.

También se clasifican en 2 grupos: 1.- cerámicas técnicas o estructurales (para aplicaciones estructurales. son requeridos, fundamentalmente, por sus propiedades mecánicas)2.- cerámicas funcionales.En función de las materias primas utilizadas se pueden clasificar en: - cerámicas oxídicas (blancas).- cerámicas no oxídicas (negras)

Clasificación según su composición

GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio(principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados solos que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita,Termisol, Calodur, Morganita, etc.

Clasificación según su tipo de estructura

Cristalinos

Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente

Amorfos

Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia. Es el caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.

http://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2012/02/2012-t2-capitulo-7-materiales-ceramicos.pdf

Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales - William F. Smith y Javad Hashemi cuarta Edición