- Enlace Iónico - Enlace Covalente - Van der Waals - Polimorfismo y Transformaciones - Estructura Vítrea

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1 TEMA 3. ESTRUCTURA ATÓMICA Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ENLACE Y ESTRUCTURA - Enlace Iónico - Enlace Covalente - Van der Waals - Polimorfismo y Transformaciones - Estructura Vítrea PROPIEDADES - Densidad y Tª fusión - Prop. Térmicas - Prop. Eléctricas - Prop. Mecánicas

2 Estructura de los Materiales Cerámicos Enlace iónico Un átomo donor y otro aceptor Unión metal - no metal NaCl: Na + - Cl - Estructura cristalina compacta, número de coordinación máximo, relación radio iones r (Mg +2 / O -2 ) = 0.51 Número de coordinación = 6 Estructura cristalina MgO (NaCl)

3 Estructura. Enlace Iónico El grado del carácter de enlace iónico se puede estimar mediante la escala de electronegatividad E Mg -E O = 2.3 F. iónica MgO: 0.75 E Si -E O = 1.7 F iónica SiO 2 : 0.50 E Si -E C = 0.3 F iónica SiC: < 0.1 Los iones monovalentes grupos IA (Li, Na, K ) y VIIA (F, Cl, ) ionicos casi puros. HV ; Tm La resistencia del enlace (HV, Tm..) aumenta con la carga (MgO, Al 2 O 3, ZrO 2 ) Atracción electrostática

4 Estructura. Enlace covalente Enlace Covalente Los átomos comparten electrones. Estructuras abiertas baja densidad y expansion térmica Los enlaces son direccionales, orbitales llenos El enlace de los átomos de carbón en el diamante es un buen ejemplo Resistencia y dureza elevadas Nitruros, carburos, boruros, siliciuros Los silicatos poseen enlaces combinadas Estructura del diamante

5 Estructura. Enlace covalente Enlace iónico 1.-Un átomo donor aceptor y otro 2.-Electronegatividades de los átomos muy diferentes 3.-Estructuras compactas 4.-Enlace no direccional 5.-La resistencia del enlace aumenta con la carga 6.-Conductividad baja eléctrica Enlace Covalente 1.-Compartición de electrones 2.-Electronegatividades similares 3.-Estructuras no compactas 4.-Enlace direccional 5.-Compuestos con resistencia y temperaturas de fusión altas 6.-A menudo poseen expansión térmica baja

6 Estructura. Fuerzas de Van der Waals Enlaces débiles que se producen entre estructuras en capas: arcillas, mica, grafito, nitruro de boro hexagonal Propiedades muy anisotrópicas Deslizamiento entre las capas FUERTE ANISOTROPIA

7 Estructura. Polimorfismo Los materiales cerámicos pueden tener composicion Idéntica y estructura cristalina muy diferente Ejemplos: ZrO 2 : monoclínico 1170º C 2370ºC tetragonal cúbico Si 3 N 4 Transición α β SiC Transición β α (cub) (hex) SiO 2 (gran cantidad de polimorfos) BN (hexagonal - cúbica) C (grafito - diamante) Transformación desplazativa o martensítica: ligeras alteraciones de la estructura cristalina. Ej.: ZrO 2 t m. Transformación reconstructiva: rotura de enlaces y formación de enlaces nuevos. Procesos de difusión. Ej.: Si 3 N 4 α β

8 Estructura. Polimorfismo Se puede inhibir (son lentas) Temperatura 1.6% V 0.3% V 0.8% V >3% V rapida Cuarzo, cristobalita: grietas en el ciclado térmico V

9 Estructura. Vidrios El vidrio se forma cuando la cerámica fundida se enfría muy rápido. Temperatura de transición vítrea (Tg) : Intersección entre las curvas de líquido superenfriado y el estado vítreo Para T<Tg el vidrio ya no se relaja. Depende de la velocidad de enfriamiento Algunos vidrios son metaestables y se reordenan si tienen suficiente movilidad cristalización (Tg<T<Tm). Cristalización: mas refractario, más resistente R1<R2<R3: velocidades de enfriamiento

10 Estructura. Vidrios Propiedades de los vidrios: Orden atómico a corto alcance Estructura y propiedades isótropas Transparentes Buenos aislantes eléctricos y térmicos Se ablandan antes de fundir (T>Tg). Pueden ser soplados Si, O, Na Sílice fundida (Tm = 1700ºC) Coeficiente de expansión térmico 0K -1. Elevada resistencia el choque térmico. La cristalización a cristobalita puede provocar su agrietamiento. ( V<0)

11 Estructura. Geles Sólidos no cristalinos producidos por reacción química. Fluidez a temperatura ambiente Reticulación Ej: gel de sílice (cemento) Etil-silicato + H 2 O = Si(OH) 4 (deshidratación) SiO 2. Otra opción:silicato de calcio + un acido, Ej: Al 2 O 3 + H 3 PO 4 = Al(H 2 PO 4 ) 3 Aplicación: CEMENTOS (reacción con H 2 O, sin H 2 O o precipitación)

12 Propiedades físicas. Densidad Existen diferentes formas de describir la densidad (g/cm 3 ) de un material. Crystallographic density: Densidad ideal, en función de su estructura cristalina libre de defectos.(specific gravity) Theoretical density: Utilizada para materiales multifásicos Bulk density: Medida de la densidad de un componente cerámico, incluyendo defectos, fases secundarias, porosidad Relative density: Porcentaje de la densidad teórica (%D.T) d t = wt% A + d A 100 wt% B d B + wt% C d C +...

13 Propiedades físicas. Densidad

14 Propiedades físicas. Densidad Técnicas para determinar la densidad Densidad del polvo Densidad teórica: picnómetro de He Densidad aparente (apparent density) Densidad de llenado (tap density) Bulk density muestra sinterizada Densidad geométrica: Para muestras de geometría sencilla Densidad por inmersión (Arquímedes). Diferencia de peso de la muestra en aire y en agua. Porosidad abierta-cerrada: D= Peso en aire (seco) W= Peso en aire (húmedo) S= Peso en agua (suspendido) V = W-S d P B A D = PT = 1 V d d W D = PC = 1 P V B t A

15 Propiedades físicas. Temperatura de fusión Relacionado con la energía del enlace, una de las características más importantes de muchas cerámicas es su elevada temperatura de fusión. Aplicaciones elevadas temperaturas Si3N4 no funde: se descompone

16 Propiedades térmicas. Calor específico Medida de la energía requerida para aumentar la temperatura de un material Aumenta con la temperatura hasta ~1000ºC (~6cal/g at ºC) Durante la transformación polimórfica se produce un cambio de cp Contribución e - + fonones

17 Propiedades térmicas. Coef. Expansión térmica El volumen del cristal aumenta con la temperatura ( vibración de los átomos). Está relacionado con la estructura cristalina del material Para estructuras compactas (iónico) alto nivel de expansión Para estructuras abiertas (covalente) menor nivel de expansión Coeficiente de expansión lineal: α = l l T 0 Estructuras vítreas. LAS

18 Propiedades térmicas. Coef. Expansión térmica Estructuras cúbicas: α es el mismo en todas direcciones Estructuras no cúbicas: anisotropía (c/a) Grafito: estructura en capas (covalente-van der Waals) Materiales policristalinos anisotrópicos pueden tener α prom. = 0 (LiAlSi 2 O 6 ) LAS (piezas resistentes al enfriamiento rápido) Estructuras vítreas (borosilicatos, sílice vítrea) bajo α. Historia térmica

19 Proceso de conducción del flujo de calor a través de un material bajo un gradiente térmico Depende de la cantidad de energía por unidad de volumen (c p ), la velocidad de los portadores (υ) y de la disipación (camino libre medio, λ) Portadores: Propiedades térmicas. Conductividad k c p νλ Metales: electrones, υ y λ elevados elevada conductividad térmica Cerámicos: fonones, radiación conductividad térmica media La conductividad térmica disminuye con la temperatura, λ disminuye (κ ~ 1/T) Estructuras simples y compuestos con elementos de numero atómico similar: κ elevada (C, anisotropía; BeO, SiC, B 4 C), su dispersión de red (scattering lattice) es pequeña INTERCAMBIADORES DE CALOR

20 Propiedades térmicas. Conductividad mecanizado 1 Z diferente Las estructuras complejas o con elementos de Z muy diferente poseen grandes dispersiones de red k Al 6 Si 2 O 13 (mullita), MgAl 2 O 4 (espinela) AISLANTES TÉRMICOS En vidrios, λ es independiente de T k aumenta (cp) La radiación aumenta con T materiales transparentes, porosos k

21 Propiedades Eléctricas Existe gran número de aplicaciones para las cerámicas donde sus propiedades eléctricas son importantes: CERAMICAS ELECTRONICAS U.S. Markets for Advanced Ceramic Components, ($Million) AAGR% Structural Ceramics Electronic Ceramics 4,520 6, Ceramic Coatings Chemical Processing and Environmental-Related Ceramics 1,331 1, Total 6,810 9, Aislantes: Al 2 O 3, MgO, Si 3 N 4. Semiconductores: SiC, B 4 C, ZnO, BaTiO 3, ZrO 2. Conductores: CrO 2, ReO 3, TiO, ZrO 2. Superconductores: YBa 2 Cu 3 O 7 (90 K); Tl m Ca n-1 Ba 2 Cu n O 2n+m+2 y Bi m Ca n-1 Sr 2 Cu n O 2n+m+2 ( K)

22 Propiedades Eléctricas: Clasificación