MATERIALES CERAMICOS

MATERIALES EMPLEADOS EN PROCESOS INDUSTRIALES

MATERIALES CERÁMICOS

Los materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánicos o soluciones complejas, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes; con gran aplicación en alfarería, construcción, utensilios de cocina, dispositivos eléctricos...

Esta gran versatilidad de aplicaciones se debe a que poseen propiedades muy características que no pueden ser obtenidas con ningún otro material.

TIPO DE SUSTANCIA

            Son compuestos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos.

            Su enlace puede ser iónico o covalente.

            Presenta estructura cristalina.

ESTRUCTURA CRISTALINA

                Un gran número de materiales cerámicos poseen estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita (CaF₂). Sin embargo la mayoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas y variadas. Entre estas estructuras podríamos destacar las más importantes como son:

• Estructura perovskita (CaTiO₃). Ejemplo: BaTiO₃, en la cual los iones de bario y oxigeno forman una celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ión titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a seis iones oxigeno.
• Estructura del corindón (Al₂O₃). Es similar a una estructura hexagonal compacta; sin embargo, a cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno.
• Estructura de espinela (MgAl₂O₄). Donde los iones oxigeno forman un retículo cúbico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular.
• Estructura de grafito. Tiene una estructura hexagonal compacta.

PROPIEDADES

• PROPIEDADES MECÁNICAS enlace), este echo supone una gran limitación en su número de aplicaciones

Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del s. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.

Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes de grano.

• PROPIEDADES MAGNÉTICAS

No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferrimagnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta.

• PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y baja constate dieléctrica.

Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de polarizarse.

• PROPIEDADES TÉRMICAS

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este echo son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.

CLASIFICACIÓN

·         Materiales cerámicos tradicionales:

1.    Arcilla

2.    Sílice

3.    Feldespato

·         Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería:

1.    Oxido de aluminio

2.    Carburo de silicio

3.    Nitruro de silicio

APLICACIONES

• Fabricación de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al calor.
• Losetas térmicas (trasbordadores espaciales), por su baja conductividad térmica.
• Fabricación de materiales de construcción (ladrillos, cemento, azulejos, baldosas, etc.), por su dureza y baja conductividad térmica y eléctrica.
• Aislantes en aparatos electrónicos.
• Materiales refractarios, por su punto de fusión tan elevado.
• Sirven para pulir o afilar otros materiales de menor dureza debido a su gran dureza. Ejemplos: alúmina fundida y carburo de silicio.
• Vidrio.

Vidrio

El vidrio es un material duro, frágil y transparente que ordinariamente se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC de arena de sílice (SiO2), carbonato sódico (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

   El sustantivo "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto debido a que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho

Fabricación del vidrio

Ø  El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como sílice; fundentes, como los álcalis; y estabilizantes, como la cal.

Ø   Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta

Ø  por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo.

Ø  el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian alternadamente: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras que el otro proporciona el calor acumulado al aire de combustión.

Ø  . En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1200 a 1800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación, mediante moldes (por ejemplo de arena) o por otro método

Tipos de vidrio

Ø  Vidrio plano. Este vidrio plano producido en grandes planchas (de hasta 6 m x 3,5 m), en espesores que van desde 2 mm hasta 25 mm es a su vez materia prima para diferentes manufacturas.

Ø  Vidrios de acristalamiento en construcciones: acristalamientos sencillos, vidrio aislante y vidrios con tratamientos de superficie para darles diferentes capacidades de absorción y reflexión de la luz.

Ø   Vidrios para acristalamiento de vehículos.

Ø  Vidrio decorativo (mesas, espejos, etc.).

Ø  Vidrio hueco. frascos, tarros, botellas y otras aplicaciones artísticas o decorativas

Vidrio color

      El vidrio dicroico (dichroic) se define como la propiedad de tener más de un color los cuales se reflejan dependiendo del ángulo de incidencia de la luz sobre su superficie. El vidrio dicroico vino de la industria exploratoria del espacio. En el proceso para la fabricación del vidrio dicroico se utiliza una cámara de vacío en donde el vidrio ya en placas y en caliente, se reviste con múltiples capas de óxidos metálicos que son vaporizados sobre el mismo. Se emplean óxidos de metales como titanio, silicon o magnesio, que se depositan en la superficie del vidrio a más de 150 ºC en un horno de vacío.

Vidrio reciclaje

El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía de alrededor del 30% con respecto al vidrio nuevo

Cerámica

   La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos que se forman por acción del calor.

Ejemplos de materiales cerámicos

Ø  Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.

Ø  Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.

Ø  Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario.

Ø  Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.

Ø  Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.

Ø  Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas.

Ø  Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.

Ø  Ladrillos, utilizados en construcción

Ø  Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares

Ø  Óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.

Propiedades mecánicas de la cerámica

Ø       Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos.

Ø      Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 ºC).

Ø       Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Ø       Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

Propiedades eléctricas

Ø  La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad .

Ø  Una sub-categoría del comportamiento aislante es el dieléctrico.

Ø  Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas muestran superconductividad

Propiedades térmicas

Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes.

    

    Termo fluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial.

    Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura.

Otras aplicaciones de la cerámica

Hace un par de décadas atrás, Toyota investigó la producción de un motor cerámico el cual puede funcionar a temperaturas superiores a 3300 °C. Los motores cerámicos no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de combustible.

Vitro-cerámica

       Son sistemas de cocción en los que hay un cristal entre la fuente de calor y el recipiente que se quiere calentar. La llegada de la vitro cerámica ha supuesto toda una renovación en la cocina,  posee indicadores de calor que advierten de que las placas todavía permanecen calientes, lo que permite un ahorro de energía.

Ø  De gas

Ø  Eléctricas

Ø  De inducción