Ceramicos

Cerámicos

Objetivo Reconocer la importancia que tienen los cerámicos en ICA a partir del conocimiento de sus propiedades físico – químicas.

Concepto de cerámico

Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. El término cerámicos (de las palabras griegas keramos que significa arcilla del alfarero y keramikos que significa productos de arcilla), se refiere tanto al material como al producto cerámico mismo. Dado el gran número de combinaciones posibles de elementos, existe hoy en día una gran variedad de cerámicos disponibles para una amplia gama de aplicaciones de consumo e industriales.

El primer uso de la cerámica lo encontrarnos en la alfarería y en los tabiques, desde antes de 4000 a.C. Los cerámicos han sido utilizados durante muchos años en las bujías de los motores de automóviles, como un aislante eléctrico y para la resistencia a altas temperaturas. Se han hecho cada vez más importante en materiales para herramientas y troqueles, en motores térmicos y en componentes automotrices, como son recubrimientos para puertos de escape, pistones recubiertos y camisas para cilindro.

Estructura química

Enlace en Cerámicos

Porcentaje de carácter iónico y covalente del enlace para algunos materiales cerámicos

Empaquetamiento de iones en estructura iónicas

Estructura iónica: Empaquetamiento de aniones y cationes en posiciones de red e intersticios. Los iones tienden a empaquetarse densamente para disminuir la energía total.

Factores que determinan empaquetamiento:

Rcatión/Ranión

Electroneutralidad

Índice de coordinación. Cuanto mayor es el índice de coordinación mayor es la estabilidad

Compartición de poliedros (compartir vértices antes que aristas o caras)

Posiciones intersticiales en redes compactas

Huecos tetraédricos

Huecos octaédricos

Principales Estructuras Cristalinas

Estructura cristalina tipo NaCl

Estructura cristalina tipo CsCl

Estructura cristalina tipo blenda (ZnS)

Estructura cristalina tipo fluorita (CaF2)

Estructura cristalina tipo Antifluorita (Li2O)

Estructura cristalina tipo Corindón (Al2O3)

Estructura cristalina tipo Espinela (MgAl2O4)

Estructura cristalina tipo Perovskita (CaTiO3)

Cerámicas Covalentes

Diamante

Todos los átomos con hibridación sp3

Grafito

Todos los átomos con hibridación sp2

Si3N4

El Si hibridación sp3, origina Tetraedros SiN4

El N hibridación sp2. Estructura abierta

Estructura de los silicatos

Unidad básica estructural:

• Si está en coordinación tetraédrica

• Tipo de enlace: 50% iónico-50% covalente

• rcatión/ranión= 0.29, origina estructructura estable con una coordinación tetraédrica

• Los tetraedros están unidos por los vértices.

Estructuras

Estructuras de silicatos aislados.

Estructuras de silicatos En cadena. Los tetraedros están unidos por dos oxígenos.

Estructuras de silicatos En planos. Los tetraedros están unidos por tres oxígenos de un mismo plano.

Estructuras tridimensionales (Sílice). Los tetraedros están unidos por los cuatro oxígenos del tetraedro. Cuarzo

Feldespatos

Estructura similar a la Sílice, se reemplaza el silicio por aluminio, se compensa la carga negativa con cationes volumnosos Na+, K+, Ca2+, Ba2+, en las posiciones intersticiales.

Es el componente principal de cerámica tradicionales

Vidrios

Producto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido sin experimentar cristalización

Son sustancias no cristalinas: ausencia de orden a larga distancia

Propiedades especiales:

Transparencia

Dureza

Resistencia a la corrosión Aplicaciones:

Construcción

Automoción

Industria química,...

Comportamiento del vídrio frente a solidificación:

Tipos de Vidrio

Vidrios Sodo-cálcicos.

Son alrededor del 90% de los vidrios fabricados

71.73% SiO3; 12-14% Na2O; 10-12% CaO

Disminuyen la temperatura de transición vítrea de 1600 a 730ºC

Vidrios Borosilicatos

Al sustituir óxidos alcalinos por óxido de boro origina vidrios de baja expansión

Aumenta la temperatura de transición vítrea

Se denominan vidrio Pyrex

Uso: Hornos, vitrocerámicas, material de laboratorio, etc…

Vidrios al plomo

Funden fácilmente y se utilizan para soldar otros vidrios

Pueden proteger de la radiación

Clasificación

• Materiales cerámicos tradicionales:

1. Arcilla

2. Sílice

3. Feldespato

• Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería:

4. Oxido de aluminio

5. Carburo de silicio

6. Nitruro de silicio

Materiales cerámicos tradicionales

Arcilla

Actualmente se conoce que los minerales arcillosos son numerosos y difieren entre sí por su forma, estructura, apilamiento de las capas y por la simetría de la red que forman entre sí. Estas redes estructurales no son perfectas, generalmente presentan huecos por falta de iones o por sustitución de unos iones por otros que distorsionan la estructura y generan diferencias entre familias.

Es bueno tener presente que en los depósitos naturales siempre coexisten varias clases de minerales arcillosos simples e interestratificados acompañados de óxidos de hierro o de titanio, de arenas, piritas, yeso, caliza, feldespatos y otros minerales; por lo tanto, cuando se afronta el estudio de un depósito arcilloso no se debe limitar a los minerales que están en mayor proporción, porque,

Aún cuando en general las propiedades de los materiales se ven influidas notablemente por los constituyentes mayoritarios, los menores pueden representar un papel importante.

Sílice

La sílice (SiO2) en forma de cuarzo. Constituye el mineral más abundante en la naturaleza, de cristalización más perfecta y de gran pureza. Es el principal constituyente de las arenas. Los cristales de cuarzo cambian su estructura cristalina a 573ºC produciendo cambios de volumen lo cual afecta el producto cerámico (ver figura No.4). Por eso debe programarse una menor velocidad de calentamiento entre 500 y 600ºC cuando se efectúa el proceso cerámico para que la pasta que los contiene no sufra rupturas por esa situación.

Las partículas de sílice no presentan plasticidad y por eso son usadas comúnmente como anti plástico.

Los feldespatos

Son aluminosilicatos constituidos por redes tridimensionales de tetraedros de sílice en los cuales parte del silicio se encuentra sustituido por aluminio, lo que origina una deficiencia de carga que se ve compensada con iones potasio, sodio y calcio y ocasionalmente con bario o estroncio. Químicamente los feldespatos se dividen en tres grupos así:

Potásicos = ortoclasa y microclina; la composición de la ortoclasa es: K2O Al2O3 6SiO2.

Calcosódicos = albita y anortita; la composición de la albita es: Na Al Si3O8

Bóricos = Celsiana e hialofana; BaO Al2O3 2SiO2

Estos minerales presentan alguna plasticidad pero muy baja, por eso se pueden considerar antiplásticos o desgrasantes, además como funden o sinterizan a las temperaturas comunes en el proceso cerámico se usan principalmente como fundentes.

Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería:

Oxido de aluminio

La Alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el ingrediente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración.

El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón y de esmeril.

El carburo de silicio CSi

Carborundo, es un carburo refractario, PF = 2500 ºC, (αl=4.7) duro, con resistencia a la oxidación excepcional a elevadas temperaturas, ya que se forma una capa de SiO2 que protege el cuerpo principal del material. Se puede sintetizar a 2100 ºC con ≈ 5 % 100 de B. El SiC se utiliza con frecuencia como refuerzo fibroso para materiales compuestos de matrices metálica y cerámica. El SiC tiene alta conductividad térmica y buenas propiedades resistentes. Su resistencia a la corrosión y a la abrasión es extraordinaria, como asimismo a la oxidación, la mayor de los carburos. La película protectora, que se forma superficialmente, es penetrable a altas temperaturas. Para utilizarlo como calefactor se calcinan las barras de SiC en atmósfera reductora, añadiéndole, en la mayoría de los casos, silicio metálico. El niafrax® (A) y el cristalón® (N) se han desarrollado para cohetes, basados en CSi-N4Si2.

El SiC (unido al nitruro de silicio forma el niafrax) resiste a la oxidación a temperaturas de 1500 ºC, ya que se forma en la superficie una capa vítrea de SiO2. Se utiliza principalmente como abrasivo, refractario,

...