Propiedades de los Materiales Cerámicos

Transcripción

1 Propiedades de los Materiales Cerámicos

2 PROPIEDADES FÍSICAS Muchas de las aplicaciones de cerámicos se basan en propiedades físicas y térmicas. Por ejemplo los ladrillos de protección de una nave espacial requieren: Peso ultra-ligero Resistencia a altas temperaturas Resistencia al choque térmico Baja conducción del calor Térmicas Físicas Mecánicas

3 Propiedades Físicas Densidad (ρ) es la medida de la masa (m) por unidad de volumen (V) de un material y se reporta en unidades tales como g/cm 3, lb/pulg 3. ρ=m/v Diferentes factores afectan la densidad: Tamaño y peso atómico de los elementos Empaquetamiento de los átomos Cantidad de porosidad en la microestructura

4 El término DENSIDAD puede ser utilizado de formas diversas, cada una con diferente significado por lo que al hablar de densidad es NECESARIO especificar de que tipo de densidad se esta hablando. 1. DENSIDAD CRISTALOGRÁFICA 2. DENSIDAD DE BULTO 3. DENSIDAD TEÓRICA

5 1. Densidad Cristalográfica Es la densidad ideal de una estructura cristalina específica calculada a partir de la composición química y de la distancia interplanar (espaciamiento atómico) obtenido por Difracción de Rayos X. Se calcula dividiendo la masa de una celda unitaria del material por el volumen de la celda unitaria. Masa Celda=(# de átomos por celda unitaria)(peso atómico) No.de Avogadro (6.022x10 23 atomos/mol)

6 Peso Atómico A la densidad cristalográfica también se le conoce como: Peso específico Densidad de rayos X Densidad verdadera Empaquetamiento Densidad Cristalográfica Temperatura

7 2. Densidad de Bulto La densidad de bulto incluye la porosidad del material, defectos de red y fases presentes. Muchos de los cerámicos contienen más de una Muchos de los cerámicos contienen más de una fase cristalina y muchas veces fases no cristalinas, cada una de las cuales tiene densidad diferente. Debido a que por la presencia de fases y porosidad, la densidad cristalográfica no caracteriza adecuadamente un material, se utiliza el término de DENSIDAD DE BULTO.

8 DB= masa volumen de bulto Volumen de bulto=volumen de los sólidos + Volumen de la porosidad Existen diversas técnicas para medir la densidad de bulto: A) La más simple consiste en calcular el volumen de la pieza y dividir el peso entre este valor.

9 B) En piezas complejas se utiliza el principio de Arquímedes. La diferencia en peso de la muestra en aire comparado a su peso suspendido en agua nos permite calcular su volumen. Las piezas sin porosidad abierta pueden sumergirse directamente en agua, pero si contienen porosidad abierta hervirse de acuerdo a la norma ASTM C373. La Norma ASTM C373 permite mediciones de la densidad de bulto, porosidad abierta, absorción de agua y gravedad específica aparente, así como la medición indirecta de la porosidad.

10 B) NORMA ASTM C373: 1. Medir del peso en seco (D) 2. Hervir la muestra en agua por 5 h y dejarla enfriar por 24 h. 3. Medir el peso húmedo suspendido en agua (S) 4. Medir el peso húmedo (W) 5. Aplicar las siguientes ecuaciones: Volumen exterior(v)=w-s Densidad de Bulto (DB)=D/V Porosidad aparente (PA)=(W-D)/V Gravedad específica aparente (T)=D/(D-S) Absorción de agua (A)=(W-D)/D

11 La gravedad específica aparente puede compararse con la gravedad específica verdadera para estimar la cantidad de porosidad cerrada. C) Otra técnica utilizada para medir la densidad C) Otra técnica utilizada para medir la densidad de bulto es mediante la inmersión de la muestra en líquidos pesados calibrados y observar si flotan o no. Generalmente se utiliza en piezas muy pequeñas que no contienen porosidad abierta.

12 3. Densidad teórica Si fuera factible la producción de un material cerámico conteniendo diversas fases sin porosidad abierta o cerrada, ese cerámico tendría la densidad máxima de bulto alcanzable. A esta densidad máxima se le conoce como DENSIDAD TEÓRICA. Si un material contiene el 10% de porosidad, su densidad teórica es del 90%.

13 La densidad teórica puede calcularse si se conoce la densidad cristalográfica de cada fase sólida en la microestructura. DT= (Fracc. Vol. A)(ρρ Crist. A) + (Fracc. Vol. B)(ρ Crist. B) +... La densidad teórica también puede calcularse por picnometría.

14 Picnometría: La muestra es pulverizada en partículas muy pequeñas que no contienen porosidad cerrada y el polvo resultante se coloca en un volumen conocido (Bote picnómetro previamente pesado). Posteriormente se añade líquido al bote que es calentado y las burbujas de aire son removidas de tal forma que solo el líquido y las partículas están presentes. El bote se pesa nuevamente y la diferencia en peso da el volumen de líquido, este volumen sustraído al volumen total da el volumen en sólidos. La densidad teórica se calcula como el peso del sólido dividida por el volumen de sólidos.

15 Gravedad Específica Es la densidad de un sólido o un líquido dividido por la densidad del agua a 4 o C. SG= densidad del material densidad del agua (4 o C) ES ADIMENSIONAL Cuál es la densidad del agua a 4 o C y a 25 o C?

16 Densidad del agua a varias temperaturas. Columna horizontal (en rojo) representa valores enteros de temperatura en o C y la columna vertical (azul) son valores decimales de temperatura en o C.

17 Porosidad Abierta Parámetro muy importante a evaluar ya que tiene una influencia muy fuerte en las propiedades de un cerámico. La Porosidad Abierta puede... Reducir la resistencia Permitir la permeabilidad de gases y líquidos Alterar las características eléctricas Comprometer el comportamiento óptico

18 Técnicas para medir la porosidad 1. Porosímetro de mercurio 2. Picnometría de Helio 3. Análisis de imágenes 4. Absorción de agua (Principio de Arquímedes, ASTMC373)

19 Porosímetro de Mercurio La muestra se coloca en un recipiente impermeable. Se genera vacío y se llena con un volumen conocido de mercurio. Se aplica presión al mercurio en intervalos En cada intervalo de P se mide el volúmen de mercurio y de la muestra. A baja P solo poros grandes se llenan. A presiones altas los poros pequeños se empiezan a llenar. El grado de intrusión depende de: P=(4γcosθ) d P es la presión, d es el diámetro del poro, θ es el ángulo de contacto y γ es la tensión superficial del mercurio. Para la mayoría de los cerámicos θ es igual a 140 o Los nuevos programas computacionales dan valores del tamaño del poro contra presión, área superficial contra presion, volumen y distancia de la superficie de área de contacto contra el radio del poro y la distribución de la porosidad.

20 Picnometría de Helio Un picnómetro opera detectando los cambios que resultan del desplazamiento de un gas en un sólido. Una cierta cantidad de gas se expande a una presión determinada en una cámara vacía y se mide la presión resultante para trazar una línea base. Entonces la muestra se coloca en la cámara, a la misma presión el gas es expandido y la presión resultante se vuelve a medir. El cambio de presión combinado con el volumen conocido de la cámara con la muestra permiten determinar el volumen resultante por la ley de los gases. Muestras muy limpias y gases de alta pureza se requieren.

21 Técnica Observaciones Picnometría de Helio Análisis de Imágenes No hace diferencia entre porosidad abierta y cerrada. Morfología del poro. No hace distinción entre porosidad abierta y cerrada. Absorción de agua El error es muy grande Porosímetro de Mercurio Resuelve poros abiertos. Ciega a la porosidad cerrada. Solo mide poros pequeños. Error más bajo.

22 Fusión Cada material tiene diferente punto de fusión y pueden fundir congruentemente o incongruentemente. Además algunos se subliman y otos se descomponen. La fusión y sublimación están determinadas por la resistencia del enlace atómico. Materiales con enlaces primarios muy fuertes y enlaces estructurales tienden a tener altos puntos de fusión.

23 Fusión Los metales alcalinos con enlaces débiles y los cerámicos iónicos monovalentes tienen bajos puntos de fusión. Los metales de transición con enlaces más fuertes tienen puntos de fusión más altos. Los cerámicos iónicos multivalentes con el incremento de su comportamiento covalente también se observa el incremento en la temperatura de fusión. Los cerámicos con enlaces covalentes fuertes tienen altos puntos de fusión o disociación. Metales con enlaces fuertes (W, Ta, Mo) tienen temperaturas de fusión muy elevadas.

24 Ejercicios Cuál es la densidad teórica de una herramienta de corte con matriz de alúmina y 35% vol de TiC? Asuma que el TiC tiene una densidad teórica de 4.93 g/cm 3 y Al 2 O 3 de 3.99 g/cm 3. Una barra de pruebas de Si 3 N 4 tiene 3 mm de alto, 4mm de ancho y 40 mm de largo y pesa 1.34 g. Cuál es su densidad de bulto? Cómo la calcularías si fuera una pieza de dimensiones irregulares? Explique el procedimiento. Un bloque prensado en caliente de carburo de boro pesa g y tiene 6 cm de longitud, 4 de ancho y 5 de largo. Asumiendo que su densidad teórica es de 2.51 g/cm 3, Cuál es el porcentaje de porosidad de la pieza?