MATERIALES CERAMICOS

TITULACIÓN- 2008

• Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes.

• Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

• Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces.

• En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.

• Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

• Los enlaces que existen entre los átomos son mixtos: iónicos y covalentes.

• Las cargas iónicas mantienen unidos los átomos del material y los enlaces covalentes, con su componente direccional, restringen el movimiento de los átomos.

• Son este tipo de enlaces híbridos iónicos-covalentes, los que distinguen principalmente estos materiales de los metales o de los polímeros orgánicos.

• En los materiales cerámicos los átomos se disponen en agrupaciones, llamadas celdas unitarias, que se repiten periódicamente a través del material, formando cristales.

Estructuras cerámicas: a) cristalinas, b) vítreas.

• Cristales Cerámicos (AX):• Los compuestos cerámicos más simples para el estudio inicial, poseen igual número de átomos metálicos y no metálicos.

• Pueden ser iónicos, como el MgO, en donde se han transferido dos electrones de los átomos metálicos a los no metálicos y han producido cationes (Mg2+) y aniones (O2-).

• Los compuestos AX pueden también ser covalentes y comparten en alto grado sus electrones de valencia.

• El rasgo característico de los compuestos AX es que los átomos A tienen sólo átomos X como vecinos inmediatos, y los átomos X tienen sólo átomos A como primeros vecinos.

• Así, los átomos (o iones) A y X están altamente ordenados.

• Los prototipos son: 1.- El Cs Cl con, NC = 8. 2.- El Na Cl con, NC = 6. 3.- El Zn S con, NC = 4.

•Cristales Cerámicos (AmXp)• No todos los compuestos binarios tienen igual número de átomos (o iones) A y X, para ilustrar este punto consideraremos la estructura CaF2 y la estructura Al2O3.

• La fluorita (CaF2) es la estructura básica para el UO2, que se utiliza en elementos de combustible nuclear y proporciona el patrón para uno de los polimorfos de ZrO2, el cual es un útil óxido de alta temperatura.

• El corindón, Al2O3, es una de las cerámicas más ampliamente utilizada para propósitos técnicos.

• Ya hablamos del Al2O3 en una bujía.

•Estructuras tipo AmBnXp. • Aunque la presencia de tres tipos de átomos se presta a una complejidad adicional, varios compuestos AmBnXp tienen suficiente interés para merecer nuestra atención.

• El primero entre ellos BaTiO3, el prototipo de los materiales cerámicos usados como pastillas para fonógrafos, por encima de 120°C, el BaTiO3, tiene una celda unitaria, cubica con iones Ba2+ en los vértices, iones O2- en los centros de las caras, y un ion Ti4+ en el centro de la celda.

• Los imanes no metálicos pueden ser también compuestos AmBnXp siempre el más común una ferroespinela (llamada con frecuencia ferrita) con composición MFe2O4, en donde M son cationes bivalentes con radios de 0.75 + 0.1 Å.

PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS

• Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí, las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son:

• (1) preparación del material, (2) moldeado o fundido; (3) tratamiento térmico por secado (que normalmente no es requerido) y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperatura suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS

• La resistencia a la tensión observada en materiales cerámicos varía enormemente con rangos que van desde valores muy bajos, menores de 100 psi (0.69 MPa) hasta 106 psi (7 x 103 MPa) para las fibras (whiskers) de cerámica tales como Al2O3 preparadas bajo condiciones cuidadosamente controladas.

• Los materiales cerámicos también exhiben grandes diferencias entre las resistencias a la tensión y a la compresión, siendo las resistencias a la compresión, normalmente alrededor de 5 y 10 veces más altas que las tensoras.

• Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones, iónico-covalentes.

• Por ejemplo, la arcilla plastificante es un material cerámicos blando y fácilmente deformable debido a las fuerzas de enlaces secundarios débiles entre las capas de los átomos unidos fuertemente por enlaces iónico-covalente.

• La falta de plasticidad en las cerámicas cristalinas es debida a sus enlaces iónicos y covalentes.

• Cuando los cristales covalentes son tensionados en considerable amplitud muestran una fractura quebradiza debida a la separación de las uniones de pares de electrones, sin que éstas se vuelvan a formar.

• Los cerámicos enlazados covalentemente son por ello frágiles tanto en los estados monocristalinos como policristalinos.

• Los monocristales de sólidos enlazados iónicamente, tales como el óxido de magnesio y el cloruro de sodio muestran una deformación plástica considerable bajo fuerzas compresoras a temperatura ambiente.

• Sin embargo, los cerámicos iónicos policristalinos son frágiles, formándose las grietas en las fronteras entre los granos.

•Factores que afectan a la resistencia de los materiales cerámicos.

• El fallo mecánico de los materiales cerámicos se da principalmente por defectos estructurales.

• Las causas principales de la fractura en cerámicos policristalinos han de buscarse en las grietas superficiales producidas durante los procesos de acabado superficial, poros (porosidad), inclusiones y granos grandes producidos durante el procesamiento.

• Tenacidad de materiales cerámicos • Los materiales cerámicos, debido a su combinación de enlaces iónicos-covalentes, tienen inherentemente una baja tenacidad.

• Un gran esfuerzo investigador ha sido llevado a cabo en los últimos años para mejorar la tenacidad de los materiales cerámicos.

• Usando procesos tales como la presión en caliente de cerámicos con aditivos y reacciones de aglutinación, se han conseguido cerámicos con una mayor tenacidad.

 

APLICACIONES• Aislamiento cerámico de losetas para el vehículo orbital del transbordador espacial 

• Dado que el transbordador espacial ha de ser usado para al menos 100 misiones, se hizo necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas.

• Alrededor del 70% de la superficie externa del vehículo orbital está protegida del calor por aproximadamente 24 000 losetas individuales de cerámica hechas de un compuesto de fibra de sílice.

• En forma de losetas como aislante superficial reutilizable para resistir altas temperaturas (HRSI).

• La densidad del material HRSI es de sólo 4 kg/pi3 (9 lb/pie3) mientras su capacidad para resistir temperaturas altas es de 1260°C (2300°F).

 

•Materiales abrasivos cerámicos • La gran dureza de algunos materiales cerámicos les hace susceptibles de ser usados como abrasivos para cortar, afilar y pulir otros materiales de menor dureza.

• La alúmina fundida (óxido de aluminio) y el carburo de silicio son dos de los abrasivos cerámicos más comúnmente usados industrialmente.

• Las partículas cerámicas deben ser duras y con extremos cortantes afilados.

• Combinando óxido de circonio con óxido de aluminio, se ha llegado al descubrimiento de mejores abrasivos, que tienen una mayor resistencia, dureza y calidad de corte que los óxidos de aluminio solos. 

• PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS CERÁMICOSEn general la mayoría tiene bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónicos covalentes y son buenos aislantes térmicos.

• Debido a su alta resistencia al calentamiento, son usados como refractarios, materiales que resisten la acción de ambientes calientes, líquidos y gaseosos.

• Los refractarios se utilizan en las industrias metalúrgicas, químicas, cerámicas y del vidrio.

• Recubrimientos cerámicos para mejorar la resistencia al desgaste y a la abrasión.

• En general, los procesos de adhesividad termoquímica producen recubrimientos cerámicos que mejoran no solamente la resistencia al desgaste y a la abrasión.

• Sino también, a la corrosión y a altas temperaturas de la mayoría de los substratos inorgánicos (material al que se le hace el recubrimiento).

• Este proceso puede aplicarse a la mayoría de los metales.

• Cerámicas reforzadas. • Aptas para utilizarse en herramientas de corte, componentes de motores térmicos y para componentes de procesos industriales en los que se hallan presentes desgastes, ambientes corrosivos y altas temperaturas.

• Estas cerámicas se obtienen adicionando fibras largas o cortas para que bloqueen el crecimiento de grietas, aumentando su tenacidad.

• Cerámicas reforzadas. • Aptas para utilizarse en herramientas de corte, componentes de motores térmicos y para componentes de procesos industriales en los que se hallan presentes desgastes, ambientes corrosivos y altas temperaturas.

• Estas cerámicas se obtienen adicionando fibras largas o cortas para que bloqueen el crecimiento de grietas, aumentando su tenacidad.

• Compuesto cerámico electroconductor resistente al calor.

• Se ha desarrollado con el objeto de reemplazar las aleaciones metálicas en sus aplicaciones como elementos de calor (resistencias ohmicas), pueden soportar 30.000 ciclos, desde la temperatura ambiente hasta 1.200 ºC, con un promedio de velocidad de crecimiento de la temperatura de 1.000 ºC / sg.

• con menos del 3% de variación de la resistencia eléctrica.

• Materiales cerámicos con nuevas estructuras.

• Actualmente se están desarrollando una nueva clase de cerámicas estructurales de baja densidad, con alta porosidad y de malla continua que originan una amplia área superficial.

• Estos materiales pueden utilizarse como filtros de alta temperatura para aleaciones fundidas y líquidos corrosivos.

• EFECTO FERROELÉCTRICO.• Los grupos de celdas unitarias dentro de un grano de estos materiales cerámicos, están organizados en dominios aún antes de que se aplique un campo eléctrico.

• En las celdas unitarias de un dominio, los iones Ti4+ están orientados en la misma dirección.

• Cuando se aplica el campo eléctrico aumenta el número de dominios que estén orientados hacia la placa negativa en detrimento de lo demás.

• De manera que cuando reducimos a cero el campo eléctrico queda todavía en el material una carga debido al alineamiento del dominio.

• Se produce un ciclo e hísterisis, queda una polarización remanente, estos materiales se denominan ferroeléctricos.

• EFECTO PIEZOELÉCTRICO• Cuando a un material formado con la distribución de dominios indicada, se le aplica una presión, los extremos se cargan, o viceversa, si se aplica un campo eléctrico el cristal cambia de longitud.

• Si se aplica un voltaje alterno, el cristal se contrae y alarga alternativamente, emitiendo una onda sonora.

• El fenómeno de aparición de unas cargas por efecto mecánico se denomina piezoelectricidad.

• SENSORES A BASE DE CIRCONIA• También se han fabricado sensores, fundados en principio parecidos, a base de circonia estabilizada con calcio o ytrio.

• Los defectos de la red provocados por los estabilizadores calcio o ytrio, pueden conducir iones oxígeno de una vacante a otra en la red atómica.

• La movilidad de estos iones produce una corriente eléctrica en el material.

• Se alcanza un nivel de saturación cuando el oxígeno va llenando los huecos. Midiendo este nivel de saturación, se puede determinar inmediatamente la cantidad de oxigeno.

•  Los sensores de oxígeno construidos con este material pueden ser mucho más pequeños que los convencionales.

• Los materiales cerámicos en medicina• Uno de los campos donde se van imponiendo los materiales cerámicos es en el reemplazamiento y reparación de huesos y dientes.

• La alúmina ha adquirido un gran interés en la ciencia ortopédica y en la odontología.

• Implantes moldeados por inyección de este material han sido utilizados con éxito para reemplazar dientes desde hace varios años.

• Son biocompatibles, pueden ser expuestos a los rayos X, no son tóxicos, de apariencia idéntica a los dientes, menos costosos que los metales preciosos, fáciles de moldear, no son atacados por los medios corrosivos, no irritan los tejidos vivos que entran en contacto con ellos, pueden enlazar incluso químicamente con los huesos.

TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

 • DOPADO • Consiste en introducir en la estructura de un material cerámico otros compuestos, de manera que tengan lugar las modificaciones estructurales oportunas para mejorar sus características.

• Dopando la zirconia con magnesia (MgO) se forma un material que contiene cristales monoclinicos en una red cúbica.

• En el interior de esta red hay también finas partículas de zirconia tetragonal que actúa absorbiendo los choques cuando está sujeta a impactos, abrasión o se produce un craqueo.

•  •  

• SINTERIZADO Y COMPACTACIÓN ISOSTÁTICA EN CALIENTE.

• Además del dopado descrito anteriormente, para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos son muy importantes los sistemas de transformación aplicados.

• A continuación indicaremos brevemente dos de ellos:

• sinterizado y compactación isostática en caliente.

• Sinterizado en dos etapas:• Un sinterizado en dos etapas usando temperaturas de 1.900-2.000o y presiones en atmósfera de nitrógeno de 2 a 10 Mpa, aplicado sobre Si3N4 con aditivos a base de Y2O3, Y2O3 + Al2O3 y BeSiN2, han permitido aumentar la densidad relativa del nitruro de silicio del 93% a más del 98%,sometida a este proceso, soporta tensiones de 290Mpa a 1.200º durante más de 10.000 horas.

• Estas propiedades se atribuyen a la presencia de pequeñas cantidades de una fase vítrea altamente viscosa en los límites de grano del beta-Si3N4, que minimiza el crecimiento de las grietas antes de la fractura.

•  

• Sinterizado-Dopado• Otra técnica de sinterizado ha aplicado conjuntamente el sinterizado y el dopado con magnesia o ytria, sobre nitruros de silicio.

• Se han aplicado temperaturas entre 1.600 - 1.8000 y presiones de 1 a 5 GPa.

• El polvo inicial contiene un 36% de fase alfa, pero después de consolidado, al aplicarle el proceso, contiene 88% de fase beta.

• La dureza Vickers del material baja de 3.000 a 1.750 kgs/mm2 al aumentar la temperatura de 25 a 1.200º.

• Estos valores superan en un 50% a los obtenidos utilizando sólo el sinterizado de nitruro de silicio.

• Sintetizado-Sinterizado• Se han aplicado técnicas en las que se utiliza conjuntamente una síntesis y un sinterizado.

• Esta técnica se ha aplicado sobre carburos de silicio y boruros de titanio.

• Se utilizan presiones de 2.000 a 3.000 atmósferas.

• Aplicada a los boruros de titanio, se obtienen unos sinterizados de tamaño de partícula 5 micrómetros, con una dureza Knoop de 2.000 kgs/mm2 y una densidad del 95%.

• Aplicada a los carburos de silicio, se obtiene un sinterizado de densidad 92% y dureza Knoop de 2.300 kgs/mm2.

• COMPACTACIÓN ISOSTÁTICA EN CALIENTE:• El método de compactación isostática en caliente reduce la porosidad, aumenta la resistencia a la tracción y es muy efectivo en la eliminación de tensiones internas.

• Se ha aplicado con éxito sobre SiC y Si3N4.• Una aplicación interesante es la encapsulación de gases en moldes cerámicos herméticos.

• Se han desarrollado nuevos procesos que combinan el sinterizado y la compactación isostática en caliente en un único ciclo térmico.

ESTUDIOS EN CERAMICAS Y NUEVAS PROPIEDADES

• Material compuesto (sandwich). • Buscando un procedimiento de reducción del peso de las cerámicas sin sacrificar su resistencia, se está investigando sobre un material compuesto (sandwich) constituido por un núcleo de alúmina porosa y dos "placas" de alúmina densificada (compacta).

• Las aplicaciones del material "sandwich" de alúmina serían:

• Aeronáutica, aislador de la radiación de alta frecuencia, implantaciones dentales y óseas, duras exteriormente y porosas interiormente, cerámicas muy porosas como filtros.

• Cerámica para alta temperatura. • Cerámica tenaz transformada que resulta lo suficientemente estable a elevadas temperaturas, para aplicarse en el desarrollo y construcción de cilindros para motores Diesel ligero, camisas de cilindros, cabezas de pistón, turbinas de gas adiabáticas y recuperadores e intercambiadores de calor.

• Una cerámica que busca estas características ha sido ensayada a 1200 ºC durante 300 horas sin mostrar degradación alguna, y al parecer podría mantenerse a la misma temperatura durante 600 horas.

• Cerámicas superplásticas. • Al igual que ciertas aleaciones metálicas, ciertas cerámicas pueden conformarse y forjarse.

• Se obtienen productos prácticamente sin defectos, de elevada densidad y con buenos acabados superficiales, aumentando especialmente la resistencia a la fatiga del material.

• Así, en todos los sentidos las piezas obtenidas son más resistentes que las obtenidas por fusión.

• Esta técnica es adecuada para la obtención de piezas como discos de turbinas de gas, cojinetes, válvulas, herramientas de corte.

• Procesos de adherencia cerámica - metal. • Cada vez resulta más interesante la obtención de recubrimientos, capas protectoras que permitan mejorar las propiedades del material base (substrato).

• Lo esencial en el proceso sea cual sea el método empleado (sistemas de metalización, soldaduras, deposiciones de vapor químico o físico, etc.) es poder conseguir superficies de contacto completamente lisas, sin poros, perfectamente adherentes y compatibles.

• Recientemente se ha comprobado que se pueden obtener prácticamente entre cualquier cerámica y cualquier metal, utilizando sistemas de metalización.

• Lo que realmente diferencia este proceso del convencional es que la capa metálica se adhiere al substrato fuertemente gracias a la cohesión atómica.

• Cerámicas conductoras estables para altas temperaturas en células de combustible.

• cerámicos constituidos por carbonatos fundidos, que se piensan comercializar para la producción de las interesantes "células de combustible" (sistema de generación masiva de electricidad a partir de combustibles fósiles, por un nuevo concepto electroquímico que evita el paso térmico intermedio de los sistemas convencionales).

• Hasta el presente, la vida de los carbonatos es de unas 20.000 horas de operación y se busca ampliarla hasta 40.000 horas de funcionamiento para que el sistema sea rentable.

• Cerámicas con conductividades metálicas.

• Se está experimentando una cerámica con base de titanio (TiO2) con una conductividad eléctrica aproximada a la de un metal, y que podría utilizarse en aplicaciones electroquímicas.

• Esta cerámica resisten bien a las altas temperaturas y a la corrosión química y electrolítica.

• Puede fundirse, extruirse y ser moldeado por inyección.

• Obtención de carburo de silicio (SiC) esponjoso con porosidad del 97%.

• Recientemente se ha experimentado esta esponja que resiste altas temperaturas e impacto.

• Las aplicaciones previstas son, en los conos de misiles, motores de explosión, escudos de reentrada de las aeronaves en la atmósfera, etc.

• Dicha porosidad convierte al material resultante en un producto ligero.

• Su temperatura máxima de utilización continua alcanza los 2200 ºC.

• Vidrios transparentes a la radiación infrarroja.

• La necesidad de estos vidrios para sensores y ventanas para detección térmica, utilización de láseres industriales y médicos, etc.

• Ha generado un gran esfuerzo de desarrollo sobre una variedad de materiales fluoruros, antimonio, selenio, diferentes a los usados actualmente.

• Vidrios de bajo punto de fusión. • Se están poniendo a punto para utilizarlos en cierres herméticos con plásticos, metales ligeros y madera.

• Pueden utilizarse también en el encapsulado de circuitos integrados, sin posibilidad de averías y resistentes a la humedad.

• Las temperaturas de transición de estos vidrios serían de 75 a 150 ºC.

• Sus propiedades barrera son mejores que las de los polímeros utilizados para estas aplicaciones.

• Desarrollo de nuevos sensores. • Estos pueden cambiar sus propiedades eléctricas cuando se exponen a ciertos productos químicos, líquidos o gaseosos.

• Podrían, por ejemplo, detectar la presencia de metano, lo cual puede mejorar la seguridad en los hogares.

• Inclusive un solo artificio cerámico puede servir como sensor de temperatura, presión, luz y calor además de ciertos agentes químicos, que acoplándolo a un microprocesador permitiría controlar las máquinas en el hogar, los transportes y las fábricas.

• Motores piezoeléctricos. • Por conversión en movimiento traslacional o rotacional de la pieza cerámica cuando se expone a un campo eléctrico.

• Estos motores son compactos, ligeros y simples, ya que no requieren cables para dirigir el campo.

• Pueden detenerse y comenzar sin deslizamiento, proporcionando además un par elevado a bajas velocidades permitiendo mover lenta y precisamente altas cargas.

• La masa a mover se coloca sobre un riel fijo de cerámica piezoeléctrica.

• La aplicación de voltaje de alta frecuencia sobre el riel produce "rizos" en su superficie, capaces de dirigir la masa hacia adelante o hacia atrás sobre el riel.