materiales ceramicos

Leccin 8. Materiales Cermicos

INTRODUCCIN NATURALEZA DEL ENLACE Y ESTRUCTURA CRISTALINA

DE CERMICOS SENCILLOS ESTRUCTURA DE SILICATOS

Unidad bsica estructural de las estructuras de silicatos Estructuras aisladas, en cadena y en anillo de los silicatos Estructuras laminares de silicatos Redes de silicatos

Slice Feldespatos


CERMICOS TRADICIONALES y DE INGENIERA Cermicos tradicionales

Porcelana Esteatita Fosterita Cordierita

Cermicos de ingeniera Almina (Al2O3). Nitruro de silicio (Si3N4) Carburo de silicio (SiC) Zirconia (ZrO2)

PROPIEDADES ELCTRICAS DE LOS CERMICOS. Propiedades bsicas de los dielctricos (aislantes) Materiales aislantes cermicos Materiales cermicos para condensadores


PROPIEDADES ELCTRICAS DE LOS CERMICOS. Semiconductores cermicos Cermicos ferroelctricos Efecto piroelctrico Efecto piezoelctrico

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS CERMICOS Generalidades Tenacidad de materiales cermicos Fallo por fatiga en los cermicos Materiales abrasivos cermicos

PROPIEDADES TRMICAS DE LOS CERMICOS Materiales refractarios cermicos

Refractarios cidos Refractarios bsicos


VIDRIOS Definicin de vidrio Temperatura de transicin vtrea Estructura de los vidrios

xidos formadores de vidrios xidos modificadores de vidrios xidos intermediarios en vidrios

Composicin de los vidrios Vidrios sodo-clcicos Vidrios de borosilicato Vidrios al plomo

Deformacin viscosa de vidrios Punto de trabajo Punto de reblandecimiento Punto de recocido

Vidrio templado Vidrio reforzado qumicamente Fibra ptica

CERMICAS VTREAS


Algunas cermicas son tan resistentes que un cable de 1 pulgada (2.54 cm) de dimetro puede levantar 50 automviles

Se ha instalado suficiente cable de fibra ptica como para ir y volver a la luna 160 veces

Se producen al da ms de 3 millones de bujas Los sistemas de control cermicos de emisiones en los automviles han

eliminado 1.500 millones de toneladas de contaminacin entre 1975-2000 Cada ao se fragua en la Tierra una tonelada de cemento por persona Algunas cermicas conducen la electricidad mejor que los metales El diamante, el rub y la circonia son materiales cermicos Microesferas de vidrio ms pequeas que un pelo proporcionan un prometedor

tratamiento del cncer de hgado Se producen suficientes baldosas cermicas al ao como para pavimentar un

camino de 100 m de ancho alrededor de la tierra Los aislantes de fibra de vidrio cermica han conseguido ahorrar

25.000.000.000.000.000.000 J en calefaccin

DATOS A TENER EN CUENTA


Los materiales cermicos son materiales inorgnicos no metlicos, constituidos por elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces inicos y/o covalentes.

Las composiciones qumicas de los materiales cermicos varan considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

Las propiedades de los materiales cermicos tambin varan mucho debido a diferencias en los enlaces. Los materiales cermicos son tpicamente duros y frgiles con baja tenacidad

y ductilidad.

Los materiales cermicos se comportan usualmente como buenos aislantes elctricos y trmicos debido a la ausencia de electrones conductores.

Poseen temperaturas de fusin relativamente altas y una estabilidad qumica relativamente alta en medios muy agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

Los materiales cermicos son indispensables para muchos de los diseos en ingeniera.

INTRODUCCIN


Los materiales cermicos usados para aplicaciones en ingeniera pueden clasificarse en dos grupos: materiales cermicos tradicionales

constituidos por tres componentes bsicos: caoln, slice y feldespato Para la fabricacin de ladrillos y tejas utilizados en la construccin y

las porcelanas de uso en la industria elctrica

materiales cermicos de uso especfico en ingeniera estn constituidos, tpicamente, por compuestos puros o casi puros

xido de aluminio (Al2O3) carburo de silicio (SiC) nitruro de silicio (Si3N4) zirconia (ZrO2)

INTRODUCCIN


ENLACE Y ESTRUCTURA

89110.7Si CSiC70301.2Si NSi3 N4

49511.7Si OSiO2

37632.0Al OAl2O3

27732.3Mg OMgO

% Covalente% inicoElectronegatividadEnlaceCompuesto

Variacin del porcentaje de enlace inico en algunos materiales cermicos


Unidad bsica estructural de los silicatos

Muchos materiales cermicos contienen estructuras de silicatos con tomos de silicio y oxgeno (iones) enlazados entre s en varias distribuciones.

Tambin un gran nmero de formaciones naturales de tipo mineral: arcillas, feldespatos y micas son silicatos

El conjunto bsico de construccin de los silicatos es el tetraedro (SiO44-)

El enlace de Si-O en la estructura (SiO44-) es aproximadamente 50% covalente y 50 % inico.

La coordinacin tetradrica del (SiO44-) satisface los requerimientos direccionales del enlace covalente y de la relacin de radios del enlace inico.

Debido al alto poder polarizante del Si4+, se crean grandes fuerzas de enlace dentro del tetraedro (SiO44-) y las unidades de (SiO44-) se encuentran normalmente unidas vrtice con vrtice

O2-

O2-O2- O2-

Si4+


Estructuras aisladas, en cadena y en anillo de los silicatos

[SiO3]2-

[Mg2+;Fe2+]2

O2-

O2-O2- O2-

Si4+

Olivino

Enstatita

MgSiO3

Berilo

[Be3Al2(SiO3)6]


Estructuras laminares de silicatos

(Si2O5)2-

[Al2(OH)4]2+

Caoln



El mineral caolinita consta de pequeas lminas planas rugosas de forma hexagonal con un tamao medio de alrededor de 0,7 mm de dimetro y 0,05 mm de grosor



Mg3(OH)24+

Talco

(Si2O5)2-

(Si2O5)2-


Redes de silicatos

cuarzo inferior, por debajo de 573C; cuarzo superior, entre 573 y 867C; tridimita superior, entre 867 y 1.470C; cristobalita superior, entre 1.470 y 1.710C; por encima de 1.710 C la slice es lquida.


Feldespatos


Composiciones ideales de silicatos


La caolinita, Al2O3.2SiO2.2H2O a 600C pierde agua y se forma meta-kaolinita:Al2O3.2SiO2

A 1000C se produce la descomposicin de la meta-kaolinita3(Al2O3.2SiO2) = (3Al2O3.2SiO2) + 4SiO2

SiO2 Al2O3% Al2O3

20 40 60 80

2200

2000

1800

1600

1400

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

(

C

) Mullita

SiO2+LMullita + L

SiO2+Mullita

Al2O3+Mullita

1595

1830Al2O3+L

Diagrama de fases SiO2-Al2O3. Adaptado de F.J. Klug and R.H. Doremus, "Alumina Silica PhaseDiagram in the MulliteRegion", J. AmericanCeramic Society 70(10), p. 758, 1987.)


El feldespato K2O.Al2O3.6SiO2 es un aditivo que permite la formacin de fase lquida (vtrea) a menor temperatura, lo que adems permite la vitrificacin de la pieza sinterizada (mejor acabado)

El feldespato tiene una reaccin eutctica a 1150C formndose leucita(K2O.Al2O3.4SiO2) y lquido. Mejor an, en presencia de SiO2 forma lquido a 990C.

990 C

1150 C

S

i

O

2

+

L

SiO2

L

Leucita+L

Leucita+FeldespatoF+L

Leucita F


PROCESADO DE LOS CERMICOS

Preparacin de materiales La mayora de los productos estn fabricados por aglomeracin de

partculas. Las materias primas para estos productos varan dependiendo de las

propiedades requeridas por la pieza de cermica terminada. Las partculas y otros ingredientes: tales como cimentadores y lubricantes,

pueden ser mezclados en seco o en hmedo. Para productos cermicos que no necesitan tener propiedades muy

crticas, tales como ladrillos, tuberas para alcantarillado y otros productos arcillosos, es comn mezclar los ingredientes con agua.

Para otros materiales cermicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos.

Tcnicas de conformado Tratamientos trmicos


Prensado

Compactacin isosttica

Moldeo en barbotina

Extrusin

Tcnicas de conformado


Tratamientos trmicos

Secado y eliminacin del aglutinante. El propsito del secado de cermicos es eliminar agua del cuerpo cermico plstico antes de ser sometidas a altas temperaturas.

Sinterizacin. es el proceso por el que se consigue que pequeas partculas de un material se mantengan unidas por difusin en estado slido


Vitrificacin. Algunos de los productos cermicos tales como la porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrnicos contienen una fase vtrea.

El feldespato es el aditivo que permite la formacin de fase lquida a ms baja temperatura (vtrea), lo que permite la vitrificacin de la pieza sinterizada (mejor acabado)

990 C

1150 C

S

i

O

2

+

L

SiO2

L

Leucita+L

Leucita+FeldespatoF+L

Leucita F

Tratamientos trmicos


Las porcelanas comerciales tienen composiciones que combinan estos tres compuestos: arcilla, slice y feldespatos

K2O.Al2O3.SiO2

Como ya hemos visto el feldespato tiene una reaccin peritctica a 1150C formndose leucita (K2O.Al2O3.4SiO2) y lquido. Ms fcilmente, en presencia de SiO2 por formacin de un eutctico a 990 C.

Cermicos tradicionales

Composiciones qumicas de algunas arcillas

12.30.890.380.190.211.520.9051.732.0Arcilla plstica de Ky

11.40.720.450.200.141.500.7454.030.9Arcilla Plstica de Ten

13.90.010.010.030.011.301.6854.537.4Caolin

H2OK2ONa2OMgOCaOTiO2Fe2O3

SiO2Al2O3

Perdida por

ignicinPorcentaje en peso de los xidos principalesTipo de arcilla


SiO2 20 40 60 80

1800

1600

1400

1200

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

(

C

)

SiO2+L2

MgO

SiO2+MgSiO3MgSiO3+Mg2SiO4

Mg2SiO4+MgO

L2 +Mg2SiO4

MgO+L2

L1+L2 L2

L1

1543 1577

1850

1890

% molar



La fosterita tiene por frmula qumica Mg2SiO4 y no posee iones alcalinos en fase vtrea, por lo que tiene mayor resistividad y menor prdida elctrica, cuando se incrementa la temperatura, que los aislantes de esteatita.

Mg2SiO4 MgSiO3 SiO2

1577 1543Forsterita+Enstatita

Enstatita+Cristobalita

Cristobalita+ Lquido

Lquido+Forsterita

Enst

ati

ta+

Lquid

o



Cermicos de ingeniera

Punto de fusin, C

Compuesto cermico

Punto de fusin, C

Compuesto cermico

1605Dixido de titanio2500Carburo de silicio

1900Nitruro de silicio2798xido de magnesio

1715Dixido de silicio2850Carburo de wolframio

2050xido de aluminio3120Carburo de titanio

2450Carburo de boro4150Carburo de hafnio


La almina se desarroll originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilizacin a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho ms variadas

Almina (Al2O3)


Nitruro de silicio (Si3N4)

Los materiales cermicos con base de nitruro tienen una combinacin muy til de propiedades mecnicas ingenieriles, como resistencia razonable, resistencia al impacto y propiedades refractarias

El Si3N4 se disocia significativamente a temperaturas por encima de los 1.800 C

Para promover el sinterizado, se utilizan varias cantidades de aditivos de xidos. Por ejemplo, se puede producir nitruro de silicio por compactacin en caliente usando de un 1 a un 5 % de MgO

Se han desarrollado cuatro procesos principales para el nitruro de silicio: proceso por reaccin de unin (RBSN), proceso de compactacin en caliente de nitruro de silicio (HPSN), proceso de nitruro de silicio sinterizado (SSN) y proceso de nitruro de silicio de compactacin isostticaen caliente (HIP-SN).


Carburo de silicio (SiC)

Los cermicos de altas prestaciones del tipo carburo de silicio tienen propiedades muy importantes, alta dureza, son inertes qumicamente, tienen buena resistencia a la abrasin y a la oxidacin a altas temperaturas.

Silicio sinterizado por reaccin (enlazado), se infiltra un polvo compacto de SiC y carbono (grafito) con silicio fundido que reacciona con el carbono para formar SiC, uniendo los granos originales de SiC.

El SiC se puede sinterizar usando polvo de SiC alfa de calidad adecuada sin aplicacin de presin externa si se aaden ayudas al sinterizado (B)


Combinando ZrO2 con otros xidos refractarios, tales como CaO, MgOe Y2O3 la estructura cbica se puede estabilizar a temperatura ambiente y se han encontrado algunas aplicaciones.

Combinando ZrO2 con el 9% de MgO y tratamientos trmicos especiales, se puede producir una zirconia parcialmente estabilizada (PSZ)

Zirconia (ZrO2)


Propiedades elctricas

Las caractersticas elctricas de los materiales cermicos son muy variadas:

Aislantes (ej. dielectricos en condensadores)

Semiconductores (ej. Termistores)

Ferroelectricos (ej. Piezoelectricos, piroelectricos, conductores superinicos, etc)

Superconductores (aplicaciones de sus pp magnticas)


Propiedades elctricas: Aislantes

Existen tres propiedades importantes comunes a todos los dielctricos o aislantes: la constante dielctrica la rigidez dielctrica el factor de prdida


Semiconductores cermicos: Semiconductores

Termistor, o resistencia sensible trmicamente, que se usa para medir y controlar la temperatura. Nos interesa el coeficiente detemperatura negativo (NTC)

Los materiales semiconductores cermicos ms usados para termistores NTC son los xidos sinterizados de Mn, Ni, Fe, Co y Cu

Magnetita, Fe3O4, por tener una resistividad relativamente baja, del orden de 10-5 .m

El Fe3O4 tiene una estructura de espinela inversa con una composicin de FeO . Fe2O3


Fe3+ (Fe2+.Fe3+)O4

Semiconductores cermicos.


Ferroelectricidad

22

33

44

5

5

6

16

Polarizacin

Campoelctrico r-r

Pr

-Pr

1

Ciclo de histresis ferroelctrico tpico. Polarizacin de los dominios en funcin del campo (E) aplicado


Los materiales piezoelctricos son los que generan una respuesta elctrica al aplicarles presin mecnica. La palabra deriva etimolgicamente del griego piezo que significa presin. Estos materiales son transductores ya que convierten la energa elctrica en mecnica y viceversa.

efectopiezoelctrico inverso

efecto piezoelctrico directo

Ferroelectricidad

MATERIALES PIEZOELECTRICOS


PROPIEDADES MECNICAS DE LOS CERMICOS


aYKIC =

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS CERMICOS

KIC: MPa.m1/2Y = Cte. Adimensionala = grieta mayor (m)


PROPIEDADES TRMICAS DE LOS CERMICOS

Refractarios


VIDRIOS

materiales ceramicos

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