Ceramicos Y Vidrios

CERÁMICOS Y VIDRIOS

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a las diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores. Normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad química relativamente alta en muchos más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades, los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería.

En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden

clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico de ingeniería.

ESTRUCTURA CRISTALINA DEL CERÁMICO

Los cerámicos y los vidrios son materiales sólidos no metálicos e inorgánicos constituidos por elementos metálicos tales como el silicato o el boro y no metálicos tales como el oxígeno, carbón o nitrógeno enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

Los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, así mismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños de ingeniería. Los cerámicos son predominantemente de estructura cristalina a diferencia del vidrio que tiene una estructura no cristalina amorfa. Muchos vidrios se forman por un proceso de someter a altas temperaturas una muestra de arena de cuarzo (SiO2) para luego enfriarla rápidamente obteniendo un material claro no cristalino denominado sílice tendido o vidrio. En contraste los cerámicos no se obtienen por un proceso de fundición, sino por la unión de partículas finas que constituyen un sólido. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería.

PROCESADO DE LOS CERÁMICOS

La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados

compactando polvos o partículas en matrices que se calientan posteriormente a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son: 1) preparación del material; 2) moldeado o colada; 3) tratamiento térmico de secado (que normalmente no se requiere) y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

PREPARACIÓN DE MATERIALES. La mayoría de los productos están fabricados por

aglomeración de partículas (hay dos excepciones importantes: los productos de vidrio y el moldeo de hormigón). Las materias primas para estos productos varían dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy “críticas”, tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, es una práctica común mezclar los ingredientes con agua. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos. Algunas veces se combinan ambos procesos –húmedo y seco- . Por ejemplo, para producir un tipo de cerámicos con gran proporción de alúmina (Al2O3) que sea buen aislante, las partículas de materia prima se mezclan con agua y junto con un cimentador de cera para formar una suspensión que posteriormente se atomiza y seca para formar pequeñas partículas esféricas.

TÉCNICAS DE CONFORMADO

Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan más comúnmente.

PRENSADO. La materia prima cerámica puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada. Hay dos excepciones importantes: los productos de vidrio y el moldeo de hormigón.

EXTRUSIÓN. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se pueden producir por extrusión de los materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la fabricación de por ej.: ladrillos refractarios, tubos de alcantarillado, cerámicas técnicas, y aislantes. Los recursos más utilizados son las máquinas de extrusión tipo tornillo sin fin, accionado por un motor.

Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo alta presiones, de manera de obtener tolerancias precisas.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos.

SECADO Y ELIMINACIÓN DEL AGLUTINANTE. El propósito del secado es eliminar el

agua del cuerpo cerámico plástico antes de someterlo a altas temperaturas. Generalmente esto se lleva a cabo a menos de 100°C, y puede demorar más de 24 hs. La mayoría de los cimentadores orgánicos pueden extraerse de las piezas cerámicas por calentamiento en un rango de 200°C a 300°C, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir temperaturas superiores.

SINTERIZACIÓN. Es el proceso mediante el cual se logra que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión en estado sólido. En los cerámicos este tratamiento se basa en la transformación de un producto poroso y compacto en otro denso y coherente. Este método se utiliza para producir formas cerámicas de alúmina, berilio, ferritas y titanatos. En el proceso de sinterizado las partículas coalescen por difusión en estado sólido, a temperaturas muy altas, pero por debajo del punto de fusión. Aquí, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas, a fin de que resulten químicamente unidas.

Mientras las partículas aumentan de tamaño con el tiempo de sinterización, la porosidad decrece. Finalmente al cabo del proceso, se obtiene un tamaño de grano en equilibrio.

VITRIFICACIÓN. Algunos cerámicos como la porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase cristalina. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado vitrificación, por medio del cual la fase cristalina se licúa y rellena los poros del material. Esta fase cristalina líquida puede reaccionar con alguno de los sólidos restantes del material refractario.

Bajo enfriamiento, la fase liquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido.

CERÁMICOS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA

CERÁMICOS TRADICIONALES. Los cerámicos tradicionales están constituidos por tres tipos básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de Al hidratados ( Al2O3. Si O2 . H20) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O.Las arcillas dentro de los materiales cerámicos tradicionales se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituyen el cuerpo principal del material. La sílice (Si O2, también llamada Silex o Cuarzo, funde a altas temperaturas y es el material refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato potásico, que tiene la composición básica K2O . Al2O3 .6SiO2, funde a bajas temperaturas, y se transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a alta temperatura y une los componentes refractarios.

CERÁMICOS DE INGENIERÍA. En contraste con los cerámicos tradicionales, que se basan principalmente en la arcilla, los cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos por compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos carburos o nitruros.

ALÚMINA (Al2O3). La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho más variadas. Un ejemplo clásico de la utilización de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías. El óxido de aluminio se dopa con óxido de Mg, se prensa en frío y se sinteriza. La alúmina se emplea frecuentemente para aplicaciones eléctricas de buena

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