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RESUMEN

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos compuestos por elementos metálicos y no metálicos vinculados químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mixtura de ambos.

Poseen una alta dureza y resistencia al calentamiento, pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y buenas propiedades aislantes.

Los materiales cerámicos son baratos, pero su procesado hasta producto terminado es normalmente lento y laborioso. Además, la mayoría de estos materiales se daña fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad.

Introducción

Históricamente, los cerámicos se cuentan entre los materiales más antiguos hechos por el Hombre. Si bien su invención data del Neolítico, el primer pueblo que desarrolló técnicas para elaborar la cerámica fue el Chino, pasando el conocimiento a Japón, la India, Medio Oriente, Egipto, Grecia y finalmente Europa. Estas civilizaciones, en contraposición a las culturas prehistóricas que simplemente dejaban secar las piezas de cerámicas al sol o junto a una fogata, fueron desarrollando métodos de cocción en hornos, lo que mejoró las prestaciones del material y sus bondades estéticas.

Clasificación

Estructura

Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes.

Según su estructura, los cerámicos pueden clasificarse en dos grandes grupos, los cristalinos o cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. A su vez, los cristalinos pueden ser monocristalinos o policristalinos. (ver Cuadro 1)

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Cuadro 1. Clasificación de los cerámicos según su estructura.

Los que presentan estructura policristalina o no cristalina pueden a su vez ser monofásicos o polifásicos.

Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales refractarios. Los cerámicos de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las cerámicas sin óxidos, como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como material para elementos calefactores de horno, así como material abrasivo.

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Cuadro 2. Cerámicas cristalinas.

Estructura no cristalina. Los átomos se acomodan en conjuntos irregulares y aleatorios. Los sólidos no cristalinos con una composición comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. La mayor parte de los vidrios que se comercializan son silicatos.

Estructura

Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes.

Cristales cerámicos

Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina:

v El valor de la carga eléctrica de los iones componentes.

v Los tamaños relativos de los cationes y aniones.

Con respecto a la primera, el cristal debe ser eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas ( de los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes y aniones para que se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA . Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son generalmente menores que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada catión de rodeará de tantos aniones vecinos más próximos como le sea posible. Los aniones también se rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos más próximos.

Las estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.

Carbono

El carbono es un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como en estado amorfo. Este grupo de materiales no cae dentro de ninguna de las clases tradicionales en que se clasifican los materiales: metales, cerámicas y polímeros. Sin embargo hemos decidido nombrar estos materiales puesto que el grafito (una de las formas polimórficas) se clasifica a veces como una cerámica; y también porque la estructura cristalina del diamante (otro polimorfo) es similar a la de la blenda ( ZnS), un compuesto cerámico.

Diamante

El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cada átomo de carbono está unido con otros cuatro átomos de carbono mediante enlaces totalmente covalentes.

Se caracteriza por ser extremadamente duro (el material más duro conocido) y por su poca conductividad eléctrica

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Grafito

El grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de van der waals entre las capas. Como consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la separación interplanar es considerable y el deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

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Estructuras cerámicas de silicatos

Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones. También un número de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre.

Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades especiales. Las estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento Portland, ladrillos y aislantes eléctricos.

Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas

Defectos atómicos puntuales

En los materiales cristalinos cerámicos los átomos existen como iones cargados. Esto hace que la estructura de defectos debe cumplir las condiciones de electroneutralidad . Por consiguiente los defectos en las cerámicas no ocurren de forma aislada. Un tipo de defecto está formado por una vacante catiónica y3un catión intersticial. Esto se denomina un defecto Frenkel. Puede verse como un catión que abandona su posición normal y se mueve a una posición intersticial manteniendo su contribución de carga positiva, lo que asegura la neutralidad.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catiónica- vacante aniónica conocido como defecto Schottky, creado por la eliminación de un catión y un anión desde el interior de un cristal. El hecho de que para cada vacante aniónica exista una vacante catiónica asegura que la neutralidad de la carga del cristal se mantenga.

Estos dos defectos, por otra parte, no alteran las proporciones de aniones y cationes manteniendo la estequiometría en el material.

Impurezas en cerámicas

Los átomos de impurezas pueden formar soluciones sólidas en los materiales cerámicos tanto intersticiales como sustitucionales

En el caso de las intersticiales, los radios iónicos de las impurezas deben ser pequeños en comparación con los del anión. Una impureza sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en el comportamiento eléctrico. Para que en el estado sólido haya una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales, los tamaños iónicos y la carga deben ser casi iguales a los de los inoes disolventes. Si una impureza tiene una carga distinta a la del ión al cual sustituye red como los anteriormente descriptos.

Dislocaciones

En algunos materiales cerámicos incluyendo el lif, el zafiro (Al2O3) y el MgO se observan dislocaciones. Sin embargo estas no se mueven con facilidad debido a un vector de Burguers grande a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamientos y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse a los de carga opuesta. Como consecuencia las grietas no se redondean por la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y su propagación continúa. Eso es lo que hace de los cerámicos, materiales frágiles.

Defectos superficiales

Los límites de grano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. Un cerámico con grano de tamaño fino tiene mayor resistencia que uno de grano más grueso. Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la expansión y a la contracción anisotrópica, Normalmente se produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas (en el caso de sinterizado).

Las superficies de las partículas que representan planos de uniones covalentes

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