materiales cerÁmicos - materias.fi.uba.armaterias.fi.uba.ar/7201/ceramicos-i.pdf · materiales...

Materiales Industriales I Fac. de Ingeniería - UBA

MATERIALES CERÁMICOS


MATERIALES CERAMICOS

• Soluciones compuestas- elementos metálicos y no metálicos enlazados mediante uniones iónicas y/o covalentes.

• Son duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.

• Son buenos Aislantes eléctricos y térmicos.

• Tienen altas temperaturas de fusión, alta resistencia al ataque químico, bajo costo y presentan la facilidad de controlar su aspecto.


• Productos de arcilla: Productos estructurales de arcilla, Porcelanas.

• Vidrios• Cerámicos de uso Ingenieril:

– Oxido de Aluminio (Al2O3),– Carburo de Silicio,– Refractarios ,– Cementos, – Abrasivos,– Cerámicas



Elementos en los Cerámicos


• Alta temperatura de fusión• Baja densidad• Rigidez, dureza, resistencia estructural• Resistencia a la corrosión• Buenos aislantes térmicos y eléctricos

Propiedades destacables de los materiales cerámicos


CERAMICOS vs METALES

BuenaMalaAltas temperaturas

MalaBuenaChoque térmicoAlto.-Similar valorAltoDilatación linealMalaBuenaTransm. calor

MalaBuenaTransm. electricidad

Cristalina o vítreaCristalinaEstructura

Mayor BuenaMalaDureza

Casi nulaBuenaTenacidad

AltísimaBuenaSensib.defectos superf

Casi nuloBuenaTracciónCasi nuloAltoAlargamiento de rotura

Menor- BuenaBuenaCompresión

CERAMICOSMETALES


MicaMineral constituído por silicatos de alúmina, hierro, calcio,magnesio y minerales alcalinos complejos de potasio y aluminio.Se presenta en forma de láminas flexibles, elásticas y muy brillantes.Ejemplo -Muscovita: KAl2(Si3AlO10)(OH)2

Aplicaciones: Aislante de máquinas de alta tensión y potencia, turbogeneradores, motores eléctricos, y algunos tipos de condensadores.

Otros usos: Transistores - Superficies y Mosaicos - CauchoPintura para exteriores -Pinturas de Aluminio- Selladores


AsbestosUnidad básica: SiO3‐2.Son silicatos, minerales filamentosos, formados por fibras largas y delgadas, flexibles, fácilmente separables, aislantes del calor, la electricidad y del sonido; y resistentes a la acción del fuego. Usos : ropa resistente al fuego, mantas contra incendios, chapas aislantes (cartones), hilos aislantes.Las fibras se usan también en las zapatas de frenos y para la producción de fibrocemento, caños, chapas, tanques, etc.


Talco - Mg3(OH)2(Si2O5)2

• Mineral de color blanco a gris verdoso.• Pertenece al grupo de los silicatos. • En la escala de Mohs se toma como patrón de la menor dureza

posible, asignándosele convencionalmente el valor 1 .• En forma de polvo se utiliza como relleno en la fabricación de papel

y cartulina, para lacas y pinturas, en la industria cerámica, como aditivo de gomas y plásticos.

• Por su resistencia a elevadas temperaturas se utiliza en la fabricación de materiales termo-resistentes.

• También es la base de muchos polvos en la cosmética.


Silicato de Aluminio hidratado natural con sodio o calcio Del tipo: Na2O.Al2O3.nSiO2.xH2O

Resina Artificial intercambiadora de iones

• Alto grado de hidratación.• Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado.• Propiedades de intercambio del catión.• Habilidad de absorber gases y vapores.• Se utilizan como tamices moleculares:

materiales que pueden absorber selectivamente moléculas enbase a su tamaño.

Zeolitas


SILICIO Estructura

Tetraedros SiO42-

fusionados compartiendo vértices en una disposición regular


Estructura Vitrea

• Estructuras vítreas :se unen los tetraedros de sílice , para producir una estructura reticular.

. cristalina (a), y vítrea (b) de silicato.


Vidrios comerciales-Composición y características.

Resistencia al horno4.5 TiO22.5 Li2O

1870Ceramicavítrea

Alta densidad e indice de refraccion-Optica

37 PbO8 K2O

154Optico

Aislaciones-Resinas

4 MgO10151655Fibra vidrio

Laboratorio.Altas temperatura132.53.581PIREX

Resiste Shock Termico y buena resist. quimica

596Silica96%

AplicOtrosB2O3Al2O3CaONa2OSiO2


VIDRIOS SÍLICO-SÓDICO-CÁLCICOS

Son los más utilizados en la construcción.Composición

Sílice, un vitrificante introducido en forma de arena (70 a 72%).Sodio, un fundente en forma de carbonato y sulfato (aprox. 14%).Cal, un estabilizante en forma de caliza (alrededor 10%).Diversos óxidos, como de aluminio y magnesio -mejoran las propiedades físicas del vidrio - su resistencia a la acción de los agentes atmosféricos (alrededor 5%).


Vidrio de Borosilicato (PIREX) ) (80% SiO2 - 12% B2O3 -4%AI2O3)

Se sustituyen óxidos alcalinos por B2O3 en la red vítrea.Vidrios de mas baja expansión. Cuando el boro entra en la red de sílice debilita la estructura y reduce el pto de reblandecimiento. El uso del B2O3, en lugar del sodio y la cal, reduce el coeficiente de expansión de 9.0x10-6, para el vidrio de sodio y cal, a 3.5x10-6, para un vidrio típico de borosilicato.La resistencia de estos vidrios a los choques térmicos es muy superior. La reducción de la cantidad de alcalinos presente mejora la inercia química de dicho vidrio. Pyrex es una marca comercial. Usos: instrumentos de laboratorio, utensilios de cocina, tuberías para productos químicos y sellos metálicos de baja dilatación.


Vidrios de Alúmino - Silicato (55% de SiO2 - 20% de AI2O3 - Cant. Pequ. de B2O3, MgO y CaO)

Los contenidos elevados de alúmina y dióxido de silicio producen un vidrio de punto elevado de fusión. Mejor resistencia a las temperaturas elevadas que el de sodio y cal. El coeficiente de expansión es la mitad . Se utiliza para tubos de combustión, utensilios de cocina y aplicaciones similares


VIDRIOS AL PLOMO

El óxido de plomo es normalmente un modificador de la red de la sílice.Son de baja fusión y se utilizan para cristales decorativos-Son usados como protección a la radiación de alta energía y encuentra aplicación

para ventanas de radiación, carcasas de lámparas fluorescentes y lámparas de televisión.

Por sus altos índices de refracción, los vidrios al plomo se emplean para algunos vidrios ópticos y para algunos vidrios decorativos.

VIDRIOS DE BOTELLADe composición parecida a la del vidrio común, pero con cierto porcentaje de

óxido de hierro.VIDRIOS DE CRISTALCon adición de plomo o bario – Les confiere elevado brillo, mucho peso y

sonido metálico, y el óptico de transparencia, inalterabilidad, homogeneidad e isotropía

Uso en la fabricación de lentes, prismas, espejos.


VIDRIOS TEMPLADOS

Templado térmico: consiste en calentar el vidrio hasta una temperatura próxima a la de reblandecimiento.

Luego se enfría bruscamente, haciendo incidir sobre su superficie aire a una presión controlada.

Superficie sometida a fuerzas de compresión, y el interior se somete a fuerzas de tracción.

Las intensidades de estas tensiones varían de acuerdo con el gradiente térmico que se estableció en el momento de su enfriamiento.

Los vidrios templados presentan un aumento de la resistencia mecánica.

Con los vidrios templados decorados se puede dar a las superficies exteriores de los edificios una gran variedad de terminaciones, y cambiar las propiedades foto-energéticas del vidrio.


Temple del vidrio


PROCESO DE CONFORMACION – LAMINADO

En el horno de recocido (lehr) , se eliminan los esfuerzos residuales. Para el vidrio ordinario de ventanas el material laminado es utilizable en su forma original, pero para la plancha de vidrio se necesita esmerilado y pulimento.


Prensado y Soplado

Se utiliza mucho para fabricar recipientes.Se alimenta un molde con un pedazo y se lo presiona. Luego se quita la parte inferior del molde, sustituyéndolo por un molde con la forma final. La operación de soplado le da el contorno deseado. El vidrio parcialmente formado se conoce como parisón.


Fibra de Vidrio

Re-fusión de bolas de vidrio que fluyen a través de una plancha calentada de platino con orificios por los cuales salen filamentos. Se ejerce la tracción rotando el tubo de enrollamiento a velocidades de hasta 61 m/seg). Luego se clasifica el material por grosores para separarlo, y se le aplica lubricante a las fibras a medida que se van enrollando.


Al medir la expansión térmica de un vidrio, se encuentran dos respuestas mecánicas únicas. Primero: Rompimiento en la curva de expansión a la temperatura Tg.

El coef.de expansión térmica por debajo de Tg es comparable al de un sólido cristalinode la misma composición.

El coef de expansión térmica por arriba de Tg es comparable con el de un líquido. Como resultado, Tg se conoce como :Temperatura de transición vítrea.

La deformación elástica abajo de Tg

y la deformación viscosa (como líquido) arriba de Tg.

Por arriba de Tg abrupta caída en la curva de los datos a la temperatura Ts. (temperatura de reblandecimiento)el material llega a ser tan fluido que no puede soportar por más tiempo el peso de la sonda de monitoreo de la longitud (una pequeña barra refractaria)

Viscosidad y temperaturas de transición, fusión


Volumen específico vs temperatura.Materiales cristalinos y no cristalinos.


IMPORTANCIA TECNOLOGICA DEL VIDRIO

Aplicación en campos de la alta tecnología:SEMICONDUCTORES

• Silice usada como aislante en los transistores

• Usos: Computadoras (45%)-Calculadoras-Equipos de comunicación(13%)-Industrias manufactureras (12%) Automóviles (5%)

FIBRA OPTICAVidrio de altísima pureza utilizado en telecomunicaciones


FIBRA OPTICA

• Núcleo: Vidrio de altísima pureza con alto índice de refracción para la luz que se transmite en su interior.

• Una capa de vidrio con menor refracción “clad” que protege en núcleo y un polímero externo “chaqueta” para protección mecánica.

• La capa clad tiene algunos átomos de Germanio que contiene mas electrones externos 32 vs 14 del Si . Esto disminuye la velocidad de la luz en el núcleo e incrementa el índice de refracción.

• Como el índice de refracción en el núcleo es mayor que en el clad la luz logra una reflexión absoluta en el núcleo.

•Este fenómeno de reflexión total así como la alta pureza del cristal le permite a la luz viajar largas distancias sin perder su intensidad.


Se fabrican de tal modo que satisfagan las especificaciones, según el uso a que se destinan. Clasificación: Según la resistencia a la compresión, la absorción de agua y la resistencia a la refrigeración y el deshielo. A medida que se incrementa la temperatura de cocido, aumenta la resistencia, disminuye la porosidad y los ladrillos adquieren una coloración más oscura.

CLASIFICACIÓN :De fachada: son más oscuros, densos y fuertes que los comunes, debido a las temperaturas más elevadas de cocción a que se someten. No absorben tanta agua como los comunes, son más resistentes y, por lo tanto, se utilizan en las fachadas de los edificios.Pueden resistir cerca de 6000 lb/plg2 de compresiónComún: absorbe, aproximadamente, un quince por ciento de agua por peso, mientras que los ladrillos de fachada, absorben menos de un diez por ciento. Tienen una resistencia a la compresión de aproximadamente, 4000 Ib/plg2

Ladrillos


Lozas• La loza de barro: se hace de arcilla (caolín, por ejemplo), aunque en algunos casos

están presentes sílice (SiO2) y feldespato.Se la somete al fuego a baja temperatura, comparada con la de otros productos de este grupo. Ello produce una fractura terrosa relativamente porosa.

• La loza semivitrea: Calidades más finas -Se fabrican empleando mezclas de arcilla-sílice-feldespato, (triaxiales) por la presencia de estos tres ingredientes. La temperatura de cocido es mayor, dando por resultado la formación de vidrio, menor porosidad y mayor resistencia. Todos los grados pueden ser no vidriados o cubiertos con un material separado que forme una superficie vidriosa, lo cual da una superficie lustrosa.

• La loza de piedra: difiere de la loza de barro en que se emplea una mayor temperatura de cocido, lo cual produce una porosidad menor del 5% comparado con el 5 al 20% de la loza de barro. Por lo general la composición se controla más cuidadosamente que en la loza de barro y el producto no lustroso tiene el acabado mate de la piedra fina.

• Excelente material para la loza de hornear tanques para sustancias químicas y serpentinas. En la práctica no lo atacan la mayoría de los ácidos pero lo corroen los álcalis.


La loza china: se obtiene cociendo la mezcla triaxial a alta temperatura para obtener un objeto traslúcido.Es traslúcido porque una gran parte de la mezcla de cristales de cuarzo, arcilla y feldespato se ha convertido en vidrio claro. La temperatura de cocido es menor que para la porcelana "dura" porque una pequeña cantidad de CaO está presente como fundente.

La "porcelana inglesa": Contiene cerca de un 45% de ceniza de hueso (de huesos de ganado), 25% de arcilla y el resto feldespato y cuarzo. El fosfato de calcio de los huesos produce un material con menor punto de fusión y el grupo fosfato sustituye en parte la sílice como formadora de vidrio.

Porcelana china "Beleek": muy conocida, se fabrica añadiendo vidrio como fundente a la mezcla original, que proporciona gran traslucidez al producto terminado.

Porcelana: es la que se cuece a las más altas temperaturas del grupo. La no utilización de fundentes y las temperaturas más altas dancomo resultado un producto denso y muy duro.

Lozas


Ladrillos refractarios• Materiales que resisten la compresión a temperaturas elevadas . • Contienen caolinita (esencialmente AI2O2 . 2SiO2 . 2H2O), como

ingrediente principal, con un mínimo de substancias productoras de vidrio.

• Se fabrica a partir de arcilla precocida con el fin de obtener un producto dimensionalmente estable.

• La resistencia es baja; pero no tienen como fin el soportar cargas estructurales.

• Su función principal: confinar las llamas y las temperaturas elevadas del aire, para proteger a los miembros estructurales de dichas temperaturas excesivas.

• Los ladrillos refractarios se unen con cantidades mínimas de mortero, hecho mediante la mezcla de arcilla refractaria molida con agua.

• Las temperaturas de servicio crece con el precio:Ácidos - Básicos - Neutros

Su temperatura de ablandamiento es de cerca de 1650°C.


Diagrama Silico-Alumina


Refractarios Ácidos (Silicicos – Silicicos Aluminosos –Zircón)

El dióxido de silicio es el ingrediente principal.Son ácidos, no reaccionan con otras substancias ácidas y se utilizan en los fondos de los hornos en que se encuentran escorias ácidas. El dióxido de silicio se obtiene del cuarzo o la arenisca arcillosa.

Tienden a sufrir una dilatación ligera y permanente, después de una exposición prolongada a las temperaturas elevadas. Se utilizan materiales combustibles de relleno, tales como bandas de carbón, en las juntas de expansión, para acomodarse a dicha dilatación.

Se utiliza como material de recubrimiento para los convertidores de hogar abierto para la fabricación del acero.


Refractarios Básicos (Dolomita – Magnesita)

MgO Ingrediente principal.La magnesia se obtiene calcinando (calentando hasta el punto de la descomposición) la magnesita (MgCO3).

Se necesitan temperaturas de 1650°C para obtener un producto estable. También se obtiene magnesia del agua del mar. Después de cocida, la magnesia se muele y se mezcla con óxido férrico, arcilla, alúmina u óxido de cromo. Las paredes de los hornos básicos de hogar abierto se recubren con ladrillos de magnesia.

Los fondos básicos de hogar abierto se cubren con magnesita o dolomita (MgCO3 . CaCO3).Los recubrimientos resisten a las reacciones con las composiciones básicas de las escorias.


Refractarios Neutros(Carburo de silicio- Cromita-Carbón y Grafito)

Cr2O3, - Ingrediente principal. Cantidades más pequeñas de dióxido de silicio, óxido férrico y magnesia forman un enlace en los productos refractarios neutros.Los productos de alto contenido de alúmina se consideran, a veces, como refractarios neutros.

El carburo de silicio, que se obtiene mediante la fusión del dióxido de silicio con el carbón de coke, en un horno eléctrico, y el grafito, se clasifican también como refractarios neutros, resistentes a la acción de las escorias. El grafito, unido a la arcilla, se utiliza en grandes cantidades para el recubrimiento de hornos o altos hornos.


Selección de Refractarios

• Refractarios ácidos > uso en presencia de escorias ácidas > precio bajo ($ 1)

• Refractarios básicos > uso en presencia de escorias básicas > precio medio ($ 4)

• Refractarios neutros > uso en presencia de escorias ácidas y básicas > precio muy alto ($ 10)


La Cal

Piedra caliza (CaCO3) - Contiene cantidades variables de (MgCO3) hasta un 30% aproximadamente, es la materia prima para la producción de cal. Con frecuencia se encuentran el SiO2, la Al2O3 y FeO, en pequeñas cantidades.El Carbonato de magnesio, es beneficioso porque hace descender las temperaturas de calcificación. El dióxido de silicio es una impureza perjudicial, ya que reacciona con la cal (CaO), para formar silicatos.

Método de Fabricación:Calcinación: luego de machacar piedra caliza hasta obtener un tamaño uniforme, se calienta en hornos a temperaturas aproximadas a los 1100°C (Cocido), Se obtiene Cal viva + MagnesiaApagamiento: La cal viva se hidrata, mezclándola en cantidades apropiadas de agua.Endurecimiento: Se realiza mediante la reacción de partículas de cal apagada (Ca(OH)2) con el CO2 del aire.Usos:

Se consume en forma apagada como ingrediente de mortero o yeso. El mortero mas importante es el cal-cemento (1p de cemento, 2p de cal y 6p de arena + agua para darle la plasticidad requerida)


Yeso

Materia prima: yeso pétreo, CaSO4 . 2H2O. Contiene impurezas ( SiO2, Al2O3 y CaCO3).Método de Fabricación:Calcinación: se aplasta (triturado) y se calienta.Endurecimiento: El sulfato de calcio (CaSO4) es peculiar, porque su hidrato

es menos soluble en agua que su semihidrato.Si se mezcla el semihidrato con agua, reacciona lentamente, para producir la

precipitación de agujas de dihidrato.La formación de una capa entrelazada de cristales de dihidrato es la que

produce el endurecimiento del yeso . La elevación de la temperatura de la masa plástica hace que sea fijada con

mayor rapidez, sin embargo generalmente no se desea acelerar el endurecimiento sino retrasarlo, para lo cual se agregan engrudosanimales o retardadores. El endurecimiento va acompañado de expansión y producción de calor.

Usos:Yeso de acabados, placas, enyesados, cartones de yeso, Moldes para metales,

Empleos odontológicos, etc.


Cemento Portland

Elaboración• Las materias primas: Caliza (CaCO3), Sílice (SiO2), Alúmina (Al2O3) y

Oxido de Hierro (Fe2O3) son molidas y mezcladas en proporciones adecuadas, posteriormente se mantienen en un horno a 1400-1650°C, convirtiéndose en cemento endurecido (Clinker)

• Se enfría y pulveriza y finalmente se le agrega una pequeña cantidad de yeso París para controlar el tiempo de preparación del Hormigón.

Componentes• El Cemento Portland consta de cuatro componentes prioritarios:• Silicato Tricálcico C3S 55%• Silicato Dicálcico C2S 20%• Aluminato Tricálcico C3A 12%• Aluminoferrita de Tetracalcio C4AF 9%


Cemento Portland


Hormigón (Concreto de Portland)Compuesto de naturaleza cerámica formado por un material tosco (agregado) encajado en una matriz dura de una pasta de cemento (aglutinante)( cemento portland )y agua.Es económico, tiene dureza, resiste al fuego, presenta la posibilidad de ser fabricado en el sitio. Desventajas: escasa resistencia a la tracción, baja ductilidad y algo de contracción.

Composición:Cemento Portland 7-15%Agua 14-21%Aire 0,5-8%Agregado Fino 24-30%Agregado Grueso 31-51%

Cuando se usa en estructuras que pueden someterse a tracción se usan barras deacero en cantidad suficiente para resistirlos esfuerzos (HORMIGON ARMADO)

Recien preparado –consistencia fluídaFraguado; Proceso químico hasta alcanzar la consistencia pétrea (Fuertemente exotérmico)


Fibrocemento• Cemento + 15% de asbesto. • Ventajas: ser estanco (aísla), ignífugo (no inflamable), es

perforable. • Usos: Techos para lugares expuestos a agentes químicos y

corrosivos, en frenos (debido a que posee un buen coeficiente defricción) y embrague de los autos (para evitar que patine).

Lana Mineral• Se obtiene de la escoria del alto horno (Silicato y Aluminato) y

posee muy buenas propiedades aislantes. –Aislaciones de cañerías y equipos que trabajan a altas temperaturas.


Aislación del Taxi Espacial

• Cerca del 70% de la superficie externa es protegida porunas 24000 bloques ceramicos.

• Material: Silica fiber compound.• Densidad 4kg/ft3 y soporta temperaturas de hasta 12600C.

Courtesy of NASA

materiales cerÁmicos - materias.fi.uba.armaterias.fi.uba.ar/7201/ceramicos-i.pdf · materiales...

Documents