Materiales Ceramicos

Aplicaciones de materiales cerámicos

Existen muchas formas distintas de clasificar los materiales cerámicos una de ellas es definirlos con base en la clase de sus componentes químicos (por ejemplo: óxidos, carburos, nitruros, sulfuros, fluoruros, etc.). Otra forma es clasificar los materiales según su función principal.

Los materiales cerámicos se utilizan en una amplia gama de tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricos en capacitores, sensores, abrasivos, medios de grabación magnética etc.

Los cerámicos también pueden aparecer en la naturaleza en forma de óxidos o como materiales naturales; el cuerpo humano tiene la capacidad de fabricar hidroxiapatita un material que se encuentra en los huesos y en los dientes. También se utilizan como recubrimientos

A continuación las aplicaciones de los materiales cerámicos de más amplio uso:

• Alúmina (Al2O3): se utiliza para contener metales fundidos o en las aplicaciones donde el material debe operar a altas temperaturas, pero donde también se requiere una elevada resistencia. Una aplicación clásica es en los aisladores de las bujías.

• El diamante (C): es el material más duro que existe en la naturaleza. Los diamantes industriales se utilizan como abrasivos para pulverizar y pulir o herramientas de corte. También es utilizado por supuesto para joyería.

• La sílice (SiO2): es posiblemente el material cerámico de más uso; es el ingrediente esencial de los vidrios y de muchos otros materiales. Los materiales basados en la sílice se usan en aislantes térmicos, refractarios, abrasivos, como compuestos reforzados con fibras, cristales para laboratorios, etc.

• El carburo de silicio (SiC): tiene una extraordinaria resistencia a la oxidación a temperaturas incluso por arriba del punto de fusión del acero. El SiC se usa con frecuencia como recubrimiento para metales, materiales compuestos de carbono-carbono y otros materiales cerámicos, para protegerlos a esas temperaturas extremas. El carburo de silicio es semi conductor y muy buen candidato para dispositivos electrónicos a altas temperaturas.

• El nitruro de silicio (Si3N4): tiene propiedades parecidas a las del SiC, aunque su resistencia a la oxidación y a la altas temperaturas es un poco menor. Tanto el Si3N4 como el SiC son posibles candidatos para componentes para motores de automóvil y turbinas de gas, ya que permiten temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias en el combustible con menos peso que los metales y las aleaciones tradicionales.

• El dióxido de titanio (TiO2): se utiliza para la fabricación de materiales cerámicos electrónicos como el BaTiO3; sin embargo su uso más extenso es en forma de pigmento blanco para la fabricación de pinturas y blanquear la leche.

• La zirconio (ZrO2): se usa para fabricar muchos otros materiales cerámicos como el zirconio. También se usa para fabricar sensores del gas oxigeno utilizados en los automóviles y para medir el oxígeno disuelto en los aceros líquidos.

Propiedades de materiales cerámicos

Las propiedades de algunos materiales ceramicos estructurales se encuentran en la siguiente tabla

Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonio.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

Sintetizado y procesamiento de polvos cerámicos

Las características de los polvos cerámicos como materias primas tienen un importante efecto en el proceso como por ejemplo la consolidación de los polvos en un cuerpo verde y el sinterizado para producir la microestructura diseñada. En la tabla 1.7 se establece un resumen de las principales características que deben presentar los polvos cerámicos.

Como resultado la síntesis de los polvos es muy importante para la fabricación de las cerámicas. En la práctica la selección del método de preparación del polvo dependerá del costo de producción y la capacidad del método para lograr un cierto nivel de las características deseadas. Por la conveniencia de los investigadores se dividen estos métodos en dos categorías: los métodos mecánicos y los métodos químicos.

La síntesis de los polvos por métodos químicos es un área de procesamiento de las cerámicas que ha recibido un alto grado de atención sufriendo considerables cambios en los últimos 25 años [12] y se esperan nuevos desarrollos en este área en el futuro.

Existe una variedad de métodos para la síntesis de los polvos cerámicos que se encuentran divididos en dos grandes grupos: métodos mecánicos y métodos químicos, los métodos mecánicos son generalmente usados para la preparación de cerámicas tradicionales a partir de materias primas de origen natural, pero en los últimos años se reportan importantes investigaciones de cerámicas avanzadas y de materiales biocerámicos mediante el molido de alta velocidad.

Los métodos químicos son generalmente usados para la preparación de polvos para las cerámicas avanzadas a partir de materias primas sintéticas o de origen natural, algunos de estos métodos combinan en su primera parte un molido como parte del proceso. El molido usualmente es necesario para destruir la presencia de aglomerados y la producción de determinadas características físicas como son el tamaño promedio de partícula y el promedio de distribución de partícula. La preparación de polvos por esta vía es un área del procesamiento de las cerámicas que ha tenido recientes e importantes resultados. En la tabla 1.8 se muestra un resumen de los métodos más utilizados de la obtención de polvos cerámicos.

Tabla 1.8 Métodos para la obtención de polvos cerámicos

Método de preparación de polvos Ventajas Desventajas

Mecánica

• Trituración Muy barata, fácil aplicación Pureza limitada, Limitada homogeneidad, tamaño de grano largo

• Síntesis mecano química Tamaña de partícula fino, bueno para los monóxidos y una vía de baja temperatura Pureza limitada, limitada homogeneidad

Química

• Reacción en estado sólido

Reacción de descomposición entre sólidos Bajo costo, equipamiento sencillo Aglomeración de los polvos, homogeneidad limitada para polvos multicomponentes

• Reacción en estado liquido

Precipitación o coprecipitación; vaporización de solventes (spray seco, spray pirolisis); vía gel (sol-gel, gel citrato, nitrato de glicerina) Alta pureza, tamaño de partículas pequeños, control de la composición, homogeneidad química Muy cara, aglomeración de los polvos es un problema común, poco uso para los monóxido

Reacción de líquidos no acuosa Alta pureza, tamaño de partículas pequeños Limitado para los monóxidos

• Reacción en fase vapor

Reacción sólido-gas Barata para largos tamaños de partículas Baja pureza, caro para polvos finos

Reacción liquido-gas Alta pureza, tamaño de partícula pequeño Cara, aplicación limitada

Reacción entre gases Alta pureza, tamaño de partícula pequeño, barato para los óxidos Cara para los monóxidos, la aglomeración de los polvos es un problema común

Fuente: elaboración propia

Procesamiento de los materiales cerámicos

La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y avanzados son manufacturados compactando polvos o partículas, en las formas adecuadas, que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son: 1) preparación del material; 2) conformación o moldeado, y 3) tratamiento térmico de secado (no siempre se requiere) y cocción por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

Preparación de materiales.

La mayoría de los productos

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