MATERIALES NO METALICOS

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 oxígeno.

• 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 oxígeno.

• 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.

La figura muestra las diferentes estructuras que conforman los cerámicos complejos.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

El número de materiales cerámicos diferentes es muy elevado, pero todos ellos tienen una serie de características en común:

• Son materiales duros y frágiles

• Son muy resistentes al desgaste, por eso, se usan para fabricar herramientas de corte.

• Son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión.

• Son inertes y biocompatibles, de ahí que sean muy útiles en la fabricación de prótesis y articulaciones en medicina.

• Poseen puntos de fusión altos, motivo por el cual resisten temperaturas más elevadas que los metales.

• Son económicos, debido a que la materia prima de la que están compuestos es muy barata, aunque su proceso de fabricación resulte elevado y recuperan sus dimensiones originales al ceder éste.

• Tienen muy alta adherencia y baja dureza.

PROPIEDADES

Propiedades Mecánicas

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 enlace), este hecho supone una gran limitación en su número de aplicaciones. 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 ferromagnéticas. 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 hecho 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.

Fallas mecánicas en los materiales cerámicos.

Los cerámicos son frágiles por imperfecciones como grietas, porosidad e inclusiones extrañas, se intensifica la fractura frágil que es una falla mecánica, los defectos varían en tamaño, forma y orientación.

La fractura frágil es cualquier grieta o imperfección que limita la capacidad de un cerámico a resistir un esfuerzo.

La fractura frágil tiene un tratamiento estadístico. Existen métodos para mejorar la tenacidad que resultan en una mayor resistencia a la fractura y en esfuerzos mayores, un método es el de rodear las partículas frágiles con un material motriz más suave y tenaz.

Deformación de los cerámicos a altas temperaturas.

Flujo viscoso del vidrio: a temperaturas altas se convierte en un mecanismo importante de deformación, ocurre en los vidrio y cerámicos que contienen una mezcla de fases vítrea y cristalina.

Termofluencia en los cerámicos: los cerámicos tienen buena resistencia a la termofluencia, esta ocurre como resultado del deslizamiento de los bordes de grano, lo que reduce la resistencia a ésta. Las causas de que se reduzca la termofluencia son: tamaño de grano, porosidad, impurezas y temperatura.

CLASIFICACIÓN

El siguiente cuadro muestra la subclasificación de los materiales cerámicos:

ARCILLA

Las arcillas se encuentran fácilmente en la naturaleza y en añadir agua se transforman en una masa plástica con mucha elasticidad. Destacan dos tipos diferentes:

a) Las estructuradas: utilizada en la fabricación de ladrillos y materiales similares para la construcción.

b) Las porcelanas: son las que se usan para la fabricación de sanitarios, baldosas, etc.

CEMENTO

El cemento más usado hoy en día es el Cemento Portland. Éste y los demás materiales de este tipo son mezclados con agua dando lugar a una masa plástica. El Portland está compuesto, también, de sulfato de calcio hidratado.

El cemento se produce en un horno giratorio a más de 1500 ˚C de una mezcla de arcilla y piedra calcaría.

REFRACTARIOS

Este tipo de cerámica tiene muchas aplicaciones industriales gracias a sus propiedades: soportan altas temperaturas sin alterarse, no reaccionan químicamente con los elementos y proporcionan un gran aislamiento térmico. Los refractarios están formados por alúmina, silicio y magnesio.

VIDRIOS

Los vidrios son materiales cerámicos formados por la fusión de silicio con otros óxidos y que tienen una estructura de sólido amorfo. A temperatura ambiente, estos materiales pueden ser considerados líquidos de una gran viscosidad, con una gran trasparencia, fragilidad y dureza.

ABRASIVOS

Todos los materiales los cuales son duros, resistentes al desgaste o refractarios y por lo tanto sirven para la manipulación de otros materiales en la industria.

OTROS MATERIALES CERÁMICOS

Recubrimientos: los productos cerámicos se usan como recubrimientos protectores de otros materiales, los recubrimientos comerciales son los vidriados y los esmaltados.

Fibras: a partir de los cerámicos se producen fibras utilizada como refuerzo de materiales, para ser tejidas en tela, etc.

PROCESO DE OBTENCIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

Los materiales cerámicos tradicionales están fabricados con materias primas de yacimientos naturales, con o sin proceso de beneficiación para eliminar impurezas a fin de aumentar su pureza, tales como los materiales arcillosos. Sus características más importantes son: El conformado puede ser manual y el proceso de cocción se realiza en hornos tradicionales (horno túnel, hornos ascendentes, etc.).

Los materiales cerámicos avanzados están fabricados con materias primas artificiales que han sufrido un importante procesado químico para conseguir una pureza alta y una mejora de sus características físicas. Sus características más importantes son:

El proceso de conformado se realiza con equipos sofisticados, que incluyen la utilización de alta temperatura y presión. La microestructura es de grano fino y se tiene que resolver o estudiar por medio de la microscopía electrónica. La densidad llega a alcanzar valores del orden del 99 o 100 % de la densidad teórica del material.

El nivel de los defectos en un material cerámico avanzado es del orden de las micras. Así, los materiales cerámicos avanzados o los nuevos materiales cerámicos son aquellos productos de los cuales se espera que, dependiendo de las materias primas y composiciones utilizadas, posean: excelentes propiedades mecánicas bajo condiciones extremas de tensión, altas resistencias al desgaste o excelentes propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas o bien excepcional resistencia a altas temperaturas y ambientes corrosivos

APLICACIONES

Por sus propiedades eléctricas son útiles como capacitadores piezoeléctricos, termistores, sustratos de circuitos integrados, aisladores,

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