Materiales Compuestos

11.5 CERÁMICAS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA

11.5.1 Cerámicas tradicionales

Las cerámicas tradicionales están hechas de tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla consta principalmente de silicatos de aluminio hidratados (Al2O3 • SiO2 • H2O) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O. En la tabla 11 . 4 se muestran las composiciones químicas de varias arcillas industriales. La arcilla de la cerámica tradicional permite la fácil manipulación del material antes de su endurecimiento firme y constituye el principal componente del material. La sílice (SiO2), también llamada sílex o cuarzo, tiene una alta temperatura de fusión y es un componente refractario de las cerámicas tradicionales. El feldespato de potasa (potasio), cuya composición básica es K2O • Al2O3 • 6SiO2, tiene una baja temperatura de fusión y forma un vidrio cuando la mezcla de cerámica se cuece. Esto hace que los componentes refractarios se unan entre sí.

Los productos estructurales de arcilla, como ladrillos de construcción, tubos de drenaje, loseta de drenaje, tejas y azulejos, están hechas de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos. Los productos de loza whiteware, como porcelana eléctrica, para vajillas y artefactos sanitarios, están hechos de componentes de arcilla, sílice y feldespato, cuya composición se controla. En la tabla 11 . 5 se muestra la composición química de algunas lozas whiteware triaxiales. Se usa el término triaxial porque en su composición hay tres materiales principales. Los intervalos típicos de composición de diferentes tipos de whiteware se ilustran en el diagrama de fases ternario sílice-leucita-mullita de la figura 11 . 34. Los intervalos de composición de algunas whitewares se indican con las áreas encerradas en círculos.

Los cambios que se presentan en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el cocimiento no se conocen por completo debido a su complejidad. La tabla 11 . 6 es un resumen aproximado de lo que ocurre posiblemente durante la cocción de un cuerpo de whiteware. La figura 11 . 35 es una micrografía electrónica de la microestructura de la porcelana de un aislador eléctrico. Como se observa en esta micrografía, la estructura es muy heterogénea. Grandes gránulos de cuarzo están rodeados por un cerco de solución de vidrio con un alto contenido de sílice. Se encuentran también agujas de mullita que cruzan residuos de feldespato y mezclas finas de mullita y vidrio. Las porcelanas triaxiales son adecuadas como aisladores para 60 ciclos, pero a altas frecuencias las pérdidas dieléctricas son demasiado grandes. Las grandes cantidades de álcalis que se derivan del feldespato y se usan como fundente aumentan la conductividad eléctrica y las pérdidas dieléctricas de las porcelanas triaxiales.

Figura 11.34

Áreas de las composiciones de whiteware triaxial mostradas en el diagrama de equilibrio de fases de sílice-leucita-mullita.

11.5.2 Cerámicas de ingeniería

En contraste con las cerámicas tradicionales que se basan principalmente en arcilla, las cerámicas de ingeniería o técnicas son principalmente compuestos puros o casi puros, de óxidos, carburos o nitruros sobre todo. Algunas cerámicas de ingeniería importantes son alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO2) combinados con otros óxidos refractarios. Las temperaturas de fusión de algunas cerámicas de ingeniería se muestran en la tabla 11 . 1, y las propiedades mecánicas de algunos de estos materiales aparecen en la tabla 11 . 7. A continuación se ofrece una breve descripción de varias propiedades, procesos y aplicaciones de algunas cerámicas de ingeniería importantes.

Alúmina (Al2O3)

La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas, y en la actualidad tiene una amplia aplicación. Un ejemplo clásico de la aplicación de la alúmina es como material aislante para bujías de encendido ( figura 11 . 28). El óxido de aluminio se impurifica comúnmente con óxido de magnesio, comprimido en frío y sinterizado, lo que produce el tipo de microestructura que se ilustra en la figura 11 . 36. Obsérvese la uniformidad de la estructura del grano de alúmina comparado con la microestructura de la porcelana eléctrica de la figura 11 . 35. La alúmina se usa comúnmente en aplicaciones eléctricas de alta calidad donde se requiere una baja pérdida dieléctrica y alta resistividad.

Microestructura de óxido de aluminio pulverizado sinterizado, impurificado con óxido de magnesio. La temperatura de sinterización fue de 1 700°C. La microestructura está casi libre de porosidad y sólo hay unos cuantos poros dentro de los granos.

Nitruro de silicio (Si3N4)

De todas las cerámicas de ingeniería, el nitruro de silicio tiene probablemente la combinación más útil de propiedades para ingeniería. El Si3N4 se disocia significativamente a temperaturas por arriba de 1 800°C y, en consecuencia, no se puede sint erizar directamente. El Si3N4 se puede procesar

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