Materiales Ceramicos

Una introducción en los Materiales Cerámicos

1. Una Introducción en los Materiales Cerámicos

2. Estructura de las cerámicas

3. Propiedades mecánicas y térmicas de las cerámicas

4. Procesos de fabricación de las cerámicas

5. Síntesis de los polvos cerámicos

6. Caracterización de los materiales cerámicos

7. Procesamiento de los materiales cerámicos

8. Características de los materiales cerámicos sinterizados

9. Conclusiones

10. Bibliografía

1.Una Introducción en los Materiales Cerámicos

Generalidades

Son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos, sin embargo, esta definición engloba a las rocas y a muchos minerales que se encuentran en la naturaleza que no son considerados como cerámicos.

Pueden ser definidas también, como un compuesto sólido que se obtiene por la aplicación de calor y en ocasiones con la combinación de calor y presión, comprimiendo por lo menos dos elementos con la condición que uno de ellos es un no-metal o un elemento sólido no–metálico. El otro elemento(s) puede ser un metal(s) u otro elemento sólido no-metálico.

Un concepto un tanto simple fue dada por Kingery, quien señala que “una cerámica es un sólido inorgánico no-metálico”. En otras palabras lo que no es un metal, un semiconductor o un polímero, es una cerámica.

En general, se consideran únicamente como materiales cerámicos aquellos que han sido producidos por el hombre de forma artificial. Etimológicamente, cerámica es un término que viene del griego keramos, cuyo significado puede traducirse como hacer alfarería.

Uno de los usos que más auge está experimentando actualmente es el empleo de materiales cerámicos como componentes estructurales. Las cerámicas estructurales son aquellas en las que la mejora de las propiedades se ha centrado en los aspectos mecánicos. Estos usos requieren materiales con alta resistencia en diversas condiciones ambientales, capaces de soportar elevadas temperaturas y resistentes a la corrosión y oxidación.

Los materiales cerámicos ofrecen una sustancial rebaja en el peso frente a otros materiales como los metales y cubren un amplio espectro de usos tan dispares como componentes de vehículos espaciales o implantes dentales.

Tipos de cerámicas y sus aplicaciones

Usando la definición dada en el epígrafe anterior se puede observar la larga lista de materiales cerámicos. Las aplicaciones para estos materiales es muy diversa, desde los ladrillos y azulejos a los componentes electrónicos y magnéticos. Estas aplicaciones usa la amplia gama de propiedades exhibida por las cerámicas. Algunas de estas propiedades se pueden observar en la Tabla 1.1 con ejemplos de cerámicas específicas y aplicaciones. Las funciones de los productos cerámicos van a depender de su la composición química y la microstructura que a van determinar sus propiedades. El elemento principal del diseño en la ciencia e ingeniería de materiales es la relación mutua entre la estructura y las propiedades.

Adicionalmente se puede encontrar que se pueden dividir las cerámicas de acuerdo con sus propiedades y aplicaciones y que es común la clasificación de ellas en tradicionales o avanzadas. Las cerámicas tradicionales incluyen los artículos del gran volumen como son los ladrillos, azulejos, la taza de baño y alfarería. Las cerámicas avanzadas incluyen los materiales más nuevos como el receptor láser, las cerámicas piezoeléctricas, las cerámicas para las memorias de acceso aleatorio (DRAMs), etc. frecuentemente producidas en pequeñas cantidades con los precios más altos.

Otras características que separan estas categorías. Las cerámicas tradicionales son normalmente basadas en la arcilla y sílice.

Existe la tendencia a vincular las cerámicas tradicionales con la baja tecnología, sin embargo a menudo se usan técnicas avanzadas de fabricación. La competición entre productores ha causado que el procesamiento sea más eficaz y que disminuyan los costos. Complejas herramientas y maquinarias se usan a menudo y se acoplan con mando asistido por computadora. Los cerámicos avanzados también son llamados "especiales", "técnicos" o "ingenieros" las cerámicas. Ellos exhiben propiedades mecánicas superiores, alta resistencia a la corrosión y propiedades eléctricas, ópticas, y/o magnéticas. Mientras las cerámicas tradicionales basadas en arcilla se han usado hace mas de 25 000 años, las cerámicas avanzadas han sido desarrolladas generalmente dentro de los últimos 100 años. La figura 1.1 muestra una comparación entre las cerámicas tradicionales y avanzadas referidas a las materias primas usadas, el proceso de obtención y moldeo y los métodos usaron para la caracterización.

2.Estructura de las cerámicas

Los materiales cerámicos suelen estar compuestos por al menos dos elementos unidos formando óxidos, carburos, nitruros o boruros, mediante enlaces iónicos o covalentes, dependiendo del tipo de cerámico. Por otra parte, suelen formar microestructuras cristalinas en los que cada grano es un cristal aproximadamente perfecto, pero con una estructura mucho más complicada que en los metales. La estructura cristalina de cada grano, orientado de forma diferente, puede producir un incremento de resistencia a la propagación de defectos a través del material.

La forma más usual en la que se fabrican estos materiales es en forma monolítica, aunque también se encuentran en forma de compuestos de dos o más componentes. El procesado de estos cerámicos se puede hacer de múltiples formas, partiendo de polvos, a veces añadiendo alguna pequeña cantidad de un aglutinante, y finalmente comprimiéndolos casi siempre a altas temperaturas. Con un buen procesado se llega a obtener una porosidad prácticamente nula. Los materiales cerámicos tienen usualmente tras el proceso de fabricación una microestructura fina consistente en pequeños granos cristalinos de unas pocas micras de tamaño. En la Tabla 1.3 se muestra el tamaño de grano típico de algunos materiales cerámicos.

3.Propiedades mecánicas y térmicas de las cerámicas

El comportamiento de estos materiales a temperatura ambiente es prácticamente elástico y lineal hasta su rotura, presentando una gran rigidez con un módulo de elasticidad alto, que llega a duplicar en algunos casos al del acero. Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta pueden aparecer deformaciones plásticas considerables, y el módulo de elasticidad presenta una cierta dependencia con la temperatura. En los materiales cerámicos el módulo de elasticidad no depende significativamente de la velocidad de deformación. La relación entre la deformación transversal y longitudinal, dada por el coeficiente de Poisson es baja, sobre todo en los carburos y menor aún en los boruros. En la Figura 1.3 se muestran los valores del coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad para algunas cerámicas.

Las resistencias a compresión y tracción uniaxiales son las propiedades que normalmente se utilizan para caracterizar la resistencia mecánica del material. Los materiales cerámicos tienen, en general, una elevada resistencia a compresión uniaxial por lo que se utilizan principalmente bajo cargas de compresión.

Este comportamiento es consecuencia de la dificultad de movimiento de las dislocaciones por las estructuras cerámicas, incluso a elevadas temperaturas. La Tabla 1.4 recoge el valor de la resistencia a compresión de algunos de los materiales cerámicos más conocidos.

La tabla 1.5 muestra alguna de las propiedades de materiales cerámicos de uso común donde se puede apreciar el alto punto de fusión característica que le permite aplicaciones en lugares sometidos a altas temperaturas donde materiales tradicionales no resistirían.

Por ejemplo el carburo de silicio (SiC) tiene una extraordinaria resistencia a la oxidación a temperaturas incluso por arriba del punto de fusión del acero. Se utiliza con frecuencia como recubrimiento para los metales, como abrasivos en las muelas rectificadoras y como un particulado y refuerzo fibroso tanto en matrices metálicas como en matrices de compuestos cerámicos, se utiliza también para elemento calefactor para horno. Es semiconductor y muy buen candidato para dispositivos electrónicos a altas temperaturas.

4.Procesos de fabricación de las cerámicas

Según Rahaman, las cerámicas pueden ser fabricadas por diversos métodos, los cuales se remontan a los orígenes de la civilización. El objetivo de la producción normalmente es obtener un producto sólido con una determinada forma como pueden ser películas, fibras o monolitos con una microestructura específica. Se puede observar en la tabla 1.6 que los métodos de fabricación se pueden dividir en tres grupos fundamentales.

Esta división está determinada fundamentalmente por el estado en que se pueden encontrar los materiales de partida en fase gaseosa, una fase líquida, o una fase sólida.

Es importante además conocer las relaciones entre la composición

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