MATERIALES NO METÁLICOS Ing. Enrique De La Cruz Sosa
MATERIALES CERÁMICOS Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos que pueden tener una estructura cristalina o no (se incluyen al vidrio y unos cuantos materiales más con estructuras amorfas) constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Los materiales cerámicos adoptan diversas formas químicas que incluyen silicatos (sílice, SiO2, con óxidos metálicos), óxidos (oxígeno, O-2, y metales), carburos (carbono, C-4, y metales) y aluminatos (Al2O3 con óxidos metálicos), como ejemplos comunes de materiales cerámicos podemos mencionar las ollas de barro, la porcelana, el cemento, las tejas y los tabiques refractarios empleados en hornos y los aislantes de las bujías.
¿Qué ventajas les son características?
Normalmente son duros, y estables a temperaturas muy altas, Son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste, No se deforman fácilmente cuando se someten a esfuerzos y son menos densos que los metales empleados en aplicaciones de alta temperatura, algunos materiales cerámicos se usan en proyectiles, aviones y vehículos espaciales, pues pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes metálicos a los cuales sustituyen.
¿Qué desventajas ofrecen?
El empleo de los materiales cerámicos como materiales de ingeniería ha estado muy limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. En tanto que un componente metálico podría sufrir una mella si se le golpea, una pieza cerámica por lo general se hace pedazos porque los enlaces impiden que los átomos se deslicen unos sobre otros. Los componentes cerámicos son muy difíciles de fabricar sin defectos. De hecho, los elevados costos de fabricación y la incierta confiabilidad de los componentes son barreras que deberán vencerse antes que los materiales cerámicos se utilicen más ampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. Es por ello que la atención en años recientes se ha enfocado al procesamiento de los materiales cerámicos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cerámicos delgados sobre materiales convencionales.
¿Cómo se les suele clasificar? 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. Materiales cerámicos tradicionales: Normalmente están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato, son ejemplos de estos cerámicos tradicionales, los ladrillos y tejas, utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. La materia prima utilizada es la arcilla; roca sedimentaria compuesta por minerales arcillosos y no arcillosos: cuarzo, SiO2, feldespato, Si3O8KAl, y Mica, (SiO4)3H2Al3 mezclados a veces con impurezas de gran proporción (materias orgánicas, óxidos e hidróxidos de Fe, Mn, Ti, sales de Ca y Mg, etc.). Básicamente desde el punto de vista químico la arcilla es un silicato de alúmina hidratado, SiO2.Al2O3.2H2O. Estructuralmente la arcilla se caracteriza por la fineza de sus elementos, pero puede encontrarse mezclada en variadas proporciones con partículas más gruesa. Materiales cerámicos ingenieriles: Están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Entre los ejemplos de aplicación de estas cerámicas en las tecnología de punta, son el carburo de silicio para las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica. Algunos compuestos cerámicos con estructuras cristalinas relativamente sencillas están recogidos en la siguiente tabla con sus respectivos puntos de fusión. No olvidar que: A mayor Tf
↦ mayor estabilidad, y que…
Para compuestos binarios… A mayor ΔEN ↦ mayor % carácter iónico Temperaturas de fusión de algunos cerámicos ingenieriles Compuesto cerámico
Tf (°C)
Compuesto cerámico
Tf (°C)
Carburo de afnio, HfC
4150
Carburo de boro, B4C
2450
Carburo de titanio, TiC
3120
Oxido de aluminio, Al2O3
2050
Carburo de wolframio, WC
2850
Nitruro de silicio, Si3N4
1900
Óxido de magnesio, MgO
2798
Dióxido de silicio, SiO2
1715
Carburo de silicio, SiC
2500
Dióxido de titanio, TiO2
1605
La ΔEN en la unión Ca – F es (4,0 – 1,0) = 3,0 mientras que en la unión Si – C es (2,5 – 1,8) = 0,7. Podemos decir entonces que en la fluorita, CaF2, el % de carácter iónico es mayor que el carburo de silicio, SiC. Ejemplos de materiales cerámicos que son productos… De barro: ladrillos, losetas, etc. De loza: porcelanas, vajillas, cerámicas. De vidrio: ventanas, envases, etc. Refractarios: paredes de hornos, crisoles y moldes De fibra de vidrio: lanas de aislamiento Abrasivos: Al2O3, SiC Para herramientas de corte: WC Según su microestructura, se les puede clasificar como: cerámicos cristalinos, no cristalinos o vidrosy vitro cerámicos. Cerámicos cristalinos: Se obtienen a partir de la sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una granm resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractrarios. Cerámicos no cristalinos: Se obtienen de la silice, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de criatalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningun modo preestablecidos. Vitrocerámicos: Fabricados a partir de silicatos de Al, Li y Mg en un proceso de enfriamiento también rápido. Quimicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confiere mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.
Los materiales cerámicos presentan una gran disparidad en sus propiedades, por consiguiente estos materiales se usan en aplicaciones distintas, y en ese sentido se complementan unos a otros. Los materiales cerámicos pueden clasificarse por sus aplicaciones, en los siguientes grupos: a) Vidrios b) Productos estructurales de arcilla c) Refractarios d) Abrasivos e) Cementos A continuación, se muestra diversos productos cerámicos cada uno de los cuales tienen como constituyentes bases a la sílice, la arcilla y el feldespato. Podemos deducir, por ejemplo, que la porcelana dental presenta mayor porcentaje de feldespato que de los otros dos constituyentes bases.
a) Vidrios Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos, principalmente CaO, Na 2O. K2O, Al2O3, etc. Tienen aplicaciones importantes en la fabricación de ventanas, lentes y fibras de vidrio. Un vidrio típico está formado por aproximadamente 70% en peso de SiO2 y el resto es principalmente Na2O (sosa) y CaO (cal). La mayoría de los vidrios inorgánicos pueden transformarse desde un estado no cristalino a un estado cristalino mediante el tratamiento térmico a temperatura elevada apropiada. Este proceso se denomina cristalización o desvitrificación, el material resultante es un material poli cristalino de grano fino que se denomina vitrocerámica. La formación de estos pequeños granos vitrocerámicos es una transformación de fase, que incluye las etapas de nucleación y crecimiento.
b) Productos estructurales de arcilla Tienen la gran ventaja de poder conformarse fácilmente cuando el agua y la arcilla se mezclan en proporciones adecuadas. La pieza formada es secada para eliminar parte de la humedad y luego cocida a temperaturas elevadas para aumentar su resistencia mecánica. Los productos de arcilla incluyen a los ladrillos de construcción, baldosas y tuberías de aguas residuales. c) Cerámicas refractarias Son mezclas de arcilla refractaria de alta pureza, alúmina y sílice, soportan hasta 1587°C, se utilizan principalmente en hornos industriales, ttienen como propiedad sobresaliente el poder soportar altas temperaturas sin fundir o descomponerse y la capacidad de permanecer inertes, sin reaccionar frente a medios agresivos, así como la capacidad de producir aislamiento térmico. Son los ladrillos, los materiales refractarios más comunes que se emplean en el revestimiento de las paredes de los hornos. Tenemos: Refractarios de Sílice. Esto materiales tienen capacidad de carga a temperaturas elevadas. Comúnmente se usan en techos abovedados de los hornos de producción de acero y vidrio, soportan hasta 1650°C. Refractarios Básicos. Son refractarios ricos en magnesia, también pueden contener calcio, cromo y hierro. Son especialmente resistentes por escorias, y encuentra un uso extenso en algunos altos hornos para la producción de acero. d) Cerámicas abrasivas Las cerámicas abrasivas se usan para desgastar, desbastar o cortar otros materiales que necesariamente son más suaves. Por consiguiente, el primer requisito de este grupo de materiales es su dureza o resistencia al desgaste. Además, es esencial un alto grado de tenacidad para asegurar que las partículas abrasivas no se fracturen fácilmente, por otra parte, tienen que tener alguna refractividad. Los diamantes tanto naturales como sintéticos, se utilizan como abrasivos; sin embargo, son relativamente caros. Las cerámicas abrasivas más comunes son carburo de silicio, SiC, carburo de tungsteno, WC, óxido de aluminio, Al2O3, y arena sílice, SiO2. Generalmente las partículas abrasivas están unidas por medio de cerámica vítrea o de una resina orgánica.
¿Qué operaciones básicas se llevan a cabo generalmente en la fabricación de productos cerámicos? La arcilla y demás materias primas han de pasar por una serie de procesos, tales como:
Tamizado: para eliminar las partículas más gruesas no correspondientes a la fracción arcillosa. Lavado: para eliminar otras impurezas. Molido: para disgregar las arcillas y triturar los desengrasantes. Mezclado y amasado: para conseguir toda la homogeneización de la materia prima y agua. Raspado laminado: para permitir una mayor homogeneización de la pasta.
Propiedades mecánicas: Los cerámicos se caracterizan por soportar elevadas presiones sin llegar a fracturarse, es decir que presentan elevada resistencia a la compresión.
Podemos observar que la resistencia a la compresión es para los cerámicos su principal ventaja, estos tienen elevada resistencia a la compresión a diferencia de la muy baja resistencia a la tracción, por el mismo hecho que son frágiles. Así mismo podemos deducir que el mayor contenido de alúmina, Al2O3, permite el incremento de la resistencia a la comprensión tracción. En la siguiente gráfica σ-ε se muestra claramente la rigidez de los cerámicos y vidrios, que presentan prácticamente insignificante deformación al ser estirados por tracción, por otro lado el Al2O3 resulta tener mayor resistencia que el vidrio. Las cerámicas casi siempre se fracturan antes de que se presente una deformación plástica. El proceso de fractura frágil consiste en la formación y propagación de grietas en la sección transversal de material, en una dirección perpendicular a la carga aplicada. Estos concentradores de esfuerzos pueden ser diminutas grietas superficiales o grietas interiores. La resistencia a la fractura medida en los materiales cerámicos es sustancialmente menor que la estimada por la teoría sobre la fuerza de los enlaces interatómicos. Esto se explica por la existencia de defectos muy pequeños en el material y que actúan como concentradores de esfuerzos. La resistencia a la fractura medida en los materiales cerámicos es sustancialmente menor que la estimada por la teoría sobre la fuerza de los enlaces interatómicos. Esto se explica por la existencia de defectos muy pequeños en el material y que actúan como concentradores de esfuerzos. En algunas circunstancias, la fractura de los materiales cerámicos ocurre por una lenta propagación de las grietas; cuando los esfuerzos son de naturaleza estática y los esfuerzos son menores que el crítico. Este fenómeno se denomina fatiga estática o fractura retardada. El comportamiento esfuerzo-deformación de las cerámicas frágiles no se evalúa con un ensayo de tracción por tres razones: Es difícil preparar probetas de cerámica frágil. Es difícil sujetar las probetas sin fracturarlos. Las probetas se fracturan con solo 0.1% de deformación aproximadamente. Por lo tanto, con mucha frecuencia se emplea un ensayo de flexión transversal que es más adecuado. Respecto a la deformación plástica, las cerámicas cristalinas se deforman por dislocaciones al igual que en los metales, siendo raro ver una deformación plástica a temperatura ambiente; en las cerámicas amorfas la deformación ocurre por deformación por flujo viscoso, siendo la velocidad de deformación proporcional al esfuerzo aplicado. Respecto a la influencia de la porosidad, ésta influye negativamente en la resistencia mecánica. Respecto a la dureza, la dureza de los cerámicos es alta, es por ello que se le utiliza por su acción abrasiva o de desbaste.