Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos

Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos (no contienen carbono) de alto punto de fusión.

En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades específicamente dieléctricas. Todos los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia tienen una resistencia excepcional al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en fuerte concentración, excepción hecha del ácido fluorhídrico.

Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente:

• Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.)

• Silicatos magnésicos (talco)

A estos componentes fundamentales se añaden otros muchos constituyentes secundarios, entre ellos: el cuarzo, el feldespato, la alúmina, el carburo silícico, etc.

CLASIFICACIÓN DEL OS MATERIALES CERÁMICOS

Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámico:

• Materiales compactos.

• Materiales porosos.

Una segunda clasificación es según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos, que se definen a continuación.

GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.

GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.

GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.

GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.

GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita,etc.

En nuestra explicación utilizaremos preferentemente la clasificación anterior.

PORCELANA ELECTROTÉCNICA

La porcelana electrotécnica es el más importante de los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia. Los materiales básicos que la constituyen, son los siguientes:

• el caolín o tierra de porcelana cuya composición corresponde a la siguiente fórmula:

Al2 O3 - 2 Si O2 - 2 H2 O

• el cuarzo u óxido de silicio de fórmula:

Si O2

• el feldespato, nombre genérico de un grupo de minerales petrogenétcos o formadores de rocas. Todos los feldespatos son silicatos anhídros de aluminio, con potasio, sodio y calcio. Su fórmula es la siguiente:

K2 O - Al2 O3 - 6 Si O2

Los tres componentes citados se mezclan bien y se amasan con agua, quitando las impurezas. El agua se elimina mediante filtros-prensa. Antes de la cocción se le da la forma debida, mediante tres procedimientos distintos:

• Moldeo por prensado. Se denomina también porcelana preparada por vía seca y se obtiene por moldeado, a presión, en moldes de acero, estando la porcelana reducida a polvo y ligeramente humedecida; con moldes apropiados pueden obtenerse piezas de forma muy variadas.

Con este procedimiento se consiguen piezas de dimensiones muy precisas.

• Moldeo a torno, utilizado principalmente para aplicaciones en alta tensión: aisladores de apoyo y de cadena, pasamuros, pasatapas, etc. Se denomina también porcelana preparada por vía húmeda. Se elabora en formas y tamaños convenientes.

• Moldeo por colada es decir, porcelanas preparadas por fusión.

Antes de su moldeado, la pasta se divide en bloques que corresponden aproximadamente al tamaño de la pieza terminada.

Después de moldeadas, se secan las piezas y luego se cuecen, esmaltándolas después. El esmalte está constituido de la siguiente forma:

79,1 % de óxido silícico (Si O2)

13,4 % de óxido de aluminio (Al2 O3)

4 % de óxido de calcio (Ca O)

1,2% de óxido de magnesio (Mg O)

1,4% de óxido de potasio (K2 O)

Después del esmaltadas, se procede a la cocción definitiva, con lo que se forma un nuevo silicato, denominado silimanita, y cuya fórmula es:

Al2 O3 - Si O2

La composición aproximada de la porcelana electrotécnica para usos generales, es la siguiente:

50 % de caolín

25 % de cuarzo

25 % de feldespato

Esta porcelana, tiene unas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio. Si se quieren fabricar porcelanas especiales en las que predominen una o más de estas propiedades, deben modificarse las proporciones de los componentes básicos según se expresa en la figura 1: el aumento de contenido de caolín aumenta la resistencia térmica de porcelana. De acuerdo con la figura 1 pueden obtenerse porcelanas de elevadas propiedades eléctricas y térmicas o eléctricas y mecánicas, pero no materiales con elevadas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas, simultáneamente. Por ejemplo una porcelana con la siguiente composición:

55 % de caolín

12 % de cuarzo

33 % de feldespato

FIGURA 1

Las propiedades generales de la porcelana electrotécnica son:

• Excelentes características dieléctricas.

• Gran resistencia mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.

• Impermeable al agua y a los gases

• Inatacable por los álcalis y ácidos concentrados, excepto el ácido fluorhídrico.

• Soporta perfectamente grandes cambios de temperatura y sus temperaturas máximas de servicio son muy elevadas.

Estas propiedades varían según la composición de la porcelana, tal como hemos visto anteriormente (ver figura 1). A continuación, se estudian los factores más importantes que influyen sobre las propiedades de este material.

FIGURA 2

FIGURA 3

FIGURA 4

FIGURA 5

La resistencia mecánica disminuye con la sección. En las figuras 2 a 5 se muestran, respectivamente, las resistencias a la tracción, a la compresión, a la flexión y a la torsión de probetas macizas y lisas de porcelana dura cuidadosamente esmaltadas.

La rigidez dieléctrica de la porcelana es elevada (de 34 a 38 KV/mm). Su valor depende, esencialmente, de estos tres factores;

• Composición de la porcelana.

• Espesor aislante.

• Temperatura de funcionamiento.

En la figura 6 pueden apreciarse las tensiones de perforación en función del espesor de la capa aislante, la rigidez dieléctrica calculada de acuerdo con estos datos, es de 27 KV/mm.

FIGURAS 6 Y 7

También la resistencia de volumen depende mucho de la temperatura, tal como puede deducirse del examen de la figura 7.

Por otro lado, y tal cono se expresa en la figura 8, cuando la temperatura de servicio sobrepasa de los 70o C, la porcelana experimenta una gran disminución en su resistencia a la perforación eléctrica, independientemente del tipo de corriente (alterna, continua o pulsatoria).

FIGURA 8

FIGURA 9

FIGURA 10

Finalmente, y en lo que se refiere al factor de pérdidas dieléctricas, se puede decir que el espesor del aislamiento influye muy poco sobre su valor (figura 9), mientras que, por el contrario, aumenta notablemente con la temperatura, tal como puede apreciarse en la figura 10.

A continuación se exponen en una tabla las características más interesantes de los tres tipos de porcelana electrotécnica, es decir, por vía seca, por vía húmeda y por colada. Los datos expuestos en dicha tabla representan valores promedio y se han obtenido con probetas especiales preparadas al efecto; estos datos son variables y dependen de la composición, tamaño, procedimiento de fabricación, etc. por lo que solamente tienen un valor orientativo.

CARACTERÍSTICAS DE LA PORCELANA ELECTROTÉCNICA

Procedimiento de preparación

Características Por vía seca Por vía húmeda Por colada

Estructura Compacta Compacta Compacta

Porosidad - 0 0

Absorción de agua en 24h., en % 0 ... 0,5 0 0

Peso especifico en gr/cm3 2,3 ... 2,5 2,3 ... 2,5 2,3 ... 2,5

Resistencia a la tracción, en Kg/cm2 (con esmaltado) 100 ...140 300 - 500 -

Resistencia a la tracción, en Kg/cm2 (sin esmaltado ) 70 ... 140 240 ... 300 -

Resistencia a la comprensión en Kg/cm2 (con esmaltado) 3000 ... 4000 4000 ... 5500 4000 ... 5500

Resistencia a la comprensión en Kg/cm2 (sin esmaltado) 3000 ... 3500 4000 ... 4500 4000 ... 4500

Resistencia a la flexión en Kg/cm2(con esmaltado) 600 ... 700 900 ... 1000 900 ... 1000

Resistencia a la flexión en Kg/cm2(sin esmaltado) 300 ... 600 400 ... 800 400 ... 800

Temperatura de reblandecimiento, en 0C " 1500 " 1500 " 1500

Temperatura máxima de servicio,

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