Materiales cerámicos. Introducción a la Ciencia de Materiales. M. Bizarro

Transcripción

1 Materiales cerámicos Introducción a la Ciencia de Materiales M. Bizarro

2 Materiales cerámicos Son compuestos inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente iónico ó predominantemente iónico con algún carácter covalente. Iones metálicos Cationes: carga + Iones no metálicos Aniones: carga - Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos, por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.

3 Enlace Cerámico Enlace: -- Principalmente iónico, un poco covalente. -- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en electronegatividad. Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño CaF 2 : grande SiC: pequeño

4 Estructuras cristalinas de cerámicos NaCl (Cloruro de sodio) ZnS (blenda de zinc) BaTiO 3 Perovskita

5 Densidad teórica de cerámicos La densidad se calcula de manera similar que en los metales, pero con una Ecuación modificada: Donde n = es el número de unidades en la fórmula dentro de la celda unitaria (esto es El número de iones en la fórmula química. Ej.: BaTiO 3 1 ion de bario, 1 ion de titanio y 3 iones de oxígeno. SAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmula SA A = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula V C = volumen de la celda unitaria N A = número de Avogadro, x10 23 unidades por mol.

6 Ejemplo Calcule la densidad teórica del cloruro de sodio. A Na = g/mol A Cl = g/mol r Na+ =102 nm r Cl- = nm NaCl tiene estructura FCC n =4 r =2.14 g/cm 3

7 Impurezas en cerámicos Como los materiales cerámicos contienen al menos dos tipos de iones, se generan defectos de cata tipo de ion. Defectos de Frenkel: Involucra una vacancia de catión y un catión intersticial. Defecto de Schottky: Es un par vacancia de catión - vacancia de anión

8 Dependencia de T El número de defectos de Frenkel y de Schottky dependen de la temperatura. Q fr es la energía requerida para la formación de cada defecto Frenkel, N es el número total de sitios de la red El número 2 es porque dos defectos (un catión faltante y un catión intersticial) se asocian con cada defecto Frenkel. Q s es la energía de formación de un defecto Schottky.

9 Ejemplo Calcule en número de defectos de Schottky por metro cúbico en el cloruro de potasio a 500ºC. La energía requerida para formar cada defecto es de 2.6 ev, la densidad del KCl (a 500ºC) es g/cm 3. = 1.58 x sitios de red /m 3. Ns=5.3 x defectos /m 3.

10 Diagramas de fase de cerámicos Son similares a los de metales Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el oxígeno Diagrama MgO-Al 2 O 3

11 Propiedades mecánicas Son inferiores a las de los metales Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía. A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a carga de tracción. La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada. El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica.

12 Propiedades mecánicas La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La tenacidad de fractura (K Ic ) en deformaciones planas se define como: Donde: K Ic Y -Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la probeta y de la grieta, es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien la mitad de la longitud de una grieta interna. La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material. a K ic en cerámicos ~ 10 MPa/m 2 < metales

13 Medición del módulo elástico Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura) --Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles. Sección transversal d R b rect. circ. F L/2 L/2 Determinación del módulo elástico, E: F x pend. = F d Comportamiento lineal-elástico d E = F d L 3 4 bd 3 = F d Sección transversal rectangular d = punto medio de deflección L 3 12 R 4 Sección transversal circular

14 Medición del esfuerzo Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente Sección transversal b d R rectangular circular F L/2 L/2 Punto de tensión máxima d = punto medio de deflección Resistencia a la flexión: F f rf F x 1.5F f L bd 2 rectangular F f L R 3 circular Valores típicos: Material rf (MPa) E(GPa) Nitruro de Si Carburo de Si Óxido de Al vidrio (soda) d fs d

15 Influencia de la porosidad Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores en forma de polvo. Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas. La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo siempre queda porosidad remanente. La porosidad deteriora las propiedades mecánicas La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica de porosidad P: 2 E E 11.9P 0. P 0 9 Donde E 0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.

16 Influencia de la porosidad La porosidad deteriora la resistencia a la flexión 1. Los poros reducen el área de la sección transversal a través de la cual se aplica la carga. 2. Actúan como concentradores de esfuerzos (el esfuerzo se amplifica por un factor de 2). La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción volumétrica de porosidad (P): rf 0 exp np 0 y n son constantes experimentales

17 Ejercicio El módulo de elasticidad para la espinela (MgAl 2 O 4 ) que tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa. (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no poroso (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad del 15%. E E 0 1.9P P 2 E E 0 E E 11.9P 0.9P 0 1.9P P 2 = 264 GPa = 194 GPa

18 Ejercicio 2 Se realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela (MgAl 2 O 4 ) que tiene una sección transversal rectangular de altura d=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo es de 25 mm. Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de 350N. El punto de máxima deflexión Dy ocurre en el centro de la muestra y está descrita por Dy 3 FL 48EI donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal. Calcule Dy a una carga de 310 N. fl =101 MPa Dy=9.4x10-3 mm donde I 3 bd 12

19 Clasificacion de materiales cerámicos Vidrios Productos de arcilla Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas avanzadas vidrios vitrocerá -micos Productos estructurales de arcilla -óptica - compuestos -porcelanas reforzados - contenedores -ladrillos porcelanas Arcilla refractaria sílice básico especial -ladrillos Para alta T (hornos) -lijas - corte - pulido -compuestos - estructurales máquinas - rotores - válvulass - bearings -sensores Propiedades: -- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos. -- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia. Aplicaciones: -- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de carga. Fabricación -- algunos vidrios se moldean fácilmente -- otras cerámicas no pueden moldearse.

20 Aplicación: Refractarios Se necesitan materiales para hornos de alta temperatura. Por ejemplo el sistema Silica (SiO 2 ) - Alúmina (Al 2 O 3 ) El diagrama de fase muestra: mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos T( C) 2000 Liquid (L) 3Al 2 O 3-2SiO 2 mullita alumina + L 1800 cristobalita + L mullite + L mullita + cristobalita alumina + mullita Composition (wt% alumina)

21 Aplicación: Moldes huecos Moldes huecos (dados): Necesita propiedades de resistencia al desgaste A o die die A d fuerza de tracción Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission. superficie del molde: -- partículas de 4 mm de diamante policristalino que se sinterizan en un substrato cementado de carburo de tungsteno. -- el diamante policristalino ayuda a controlar la fractura y da dureza uniforme en todas direcciones. Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

22 Aplicación: Sensores Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2 Principio: produce difusión de iones para una respuesta rápida. Proceso: Se agregan impurezas de Ca al ZrO2: -- aumenta las vacancias de O aumenta la tasa de difusión de O 2- Operación: -- se produce una diferencia de voltaje cuando los iones de O 2- se difunden de la parte externa de la superficie del sensor hacia el gas de referencia. Gas con un mayor contenido de oxígeno Ca 2+ + Una impureza de Ca 2+ remueve un ion de Zr 4+ y un ion de O 2 - sensor O 2- difusión Diferencia de voltaje producido - Gas de referencia con contenido de oxígeno fijo

23 Vidrios Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos (CaO, Na 2 O, K 2 O y Al 2 O 3 ). No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso de forma continua. La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen específico vs. T) se denomina temperatura de transición vítrea Tg. Cuarzo (SiO 2 cristalino) Vidrio (amorfo) Na + Si 4+ O 2 - -Prensado Métodos de fabricación de vidrios -Soplado -Estirado -Formación de fibras

24 Métodos de fabricación de vidrios Prensado: Molde de la preforma Masa de vidrio operación de prensado Para fabricación de piezas con paredes gruesas como placas o platos. Se aplica presión en un molde de fundición recubierto con grafito. Soplado: Preforma suspendida Molde acabado aire comprimido Producción de jarros, botellas y bombillas de luz. Preforma temporal por prensado mecánico en un molde. La pieza se coloca en el molde final y es forzado a adquirir la forma del molde por la presión de aire inyectado.

25 Estirado: Métodos de fabricación de vidrios Lámina de vidrio Rodillo de cambio direc. Rodillo de conformado Apantallamiento térmico enfriado por agua Para láminas, barras, tubos y fibras con sección constante. Quemador Vidrio fundido Fiber drawing: wind up El vidrio fundido está en una cámara caliente. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio a través de pequeños orificios en la base de la cámara.

26 Tratamientos térmicos del vidrio Recocido: --remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos. Templado: --introduce tensiones residuales superficiales de compresión para aumentar la resistencia. --suprime el crecimiento de grietas en la superficie. before cooling hot surface cooling cooler hot cooler further cooled compression tension compression --Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.

27 Productos de arcilla Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente. Productos estructurales de arcilla Ladrillos de construcción Baldosas Tuberías de aguas residuales Porcelanas Porcelana Productos de alfarería Vajillas Porcelana fina Artículos sanitarios Propiedades -Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua -Funde en un amplio intervalo de temperaturas

28 Técnicas de conformado de arcillas 2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina. Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado Las partículas se mezclan con agua --Conformación hidroplástica: Extrusión de una masa espesa a través del orificio de una matriz que tiene la geometría de la sección deseada. force A o container ram bille t container die holder extrusion die A d --Moldeo en barbotina: Es la suspensión de arcilla y otros materiales no plásticos en agua. Se vierte en molde El molde absorbe el agua Pieza terminada Se vierte en molde Se drena el molde pieza terminada Componente sólido secado y calcinado del componente Componente hueco