Materiales Cerámicos 1 TEMA 7 MATERIALES CERÁMICOS

Transcripción

1 Materiales Cerámicos 1 TEMA 7 MATERIALES CERÁMICOS Clasificación y Propiedades. Procesado de cerámicas. Arcillas: Cerámicas estructurales y porcelanas. Vidrios. Refractarios. Cementos. Abrasivos. Zeolitas. Materiales avanzados. Propiedades mecánicas: fractura frágil, comportamiento tensióndeformación, mecanismos de deformación plástica, otras consideraciones (influencia de la porosidad, dureza, fluencia en caliente). Los materiales cerámicos son compuestos químicos, más o menos complejos, que contienen en general una combinación de elementos metálicos y no metálicos, conectados entre sí por enlaces iónicos o covalentes. Considerando la etimología de la palabra cerámica ( keramikos = cosa quemada) puede deducirse otra de sus características generales: adquieren sus propiedades después de un tratamiento térmico a elevadas temperaturas. En cuanto a sus aplicaciones, van desde la fabricación de ladrillos y tejas hasta los imanes permanentes de los dispositivos electrónicos, los láseres, o las losetas que recubren los ingenios espaciales. Clasificación y Propiedades La clasificación de los materiales cerámicos puede hacerse atendiendo a diversos parámetros. As, pueden dividirse entre materiales iónicos y materiales covalentes, aunque no es una clasificación muy útil por la dificultad de discernir a qué grupo pertenecen muchos de los compuestos. También pueden dividirse entre cerámicas tradicionales y cerámicas avanzadas. Se considerarían cerámicas tradicionales a las derivadas de las arcillas: porcelanas, ladrillos, baldosas, así como los vidrios y los refractarios, mientras que las cerámicas avanzadas serían las descubiertas en los últimos 50 años. En la actualidad, suelen clasificarse en los siguientes grupos: Materiales estructurales de las arcillas, porcelanas, vidrios, refractarios, cementos, abrasivos y cerámicas avanzadas. Dentro de este último grupo se incluirían también materiales eléctricos, magnéticos y ópticos que veremos en temas posteriores. En cualquier caso, dada la gran variedad de compuestos y aplicaciones, cualquier intento de clasificación estricta es inútil, dado que siempre quedan materiales que no pueden ser ubicados claramente en ninguno de los grupos. Así, las zeolitas son materiales arcillosos conocidos hace mucho tiempo, pero por sus aplicaciones actuales deberían ser incluidas claramente en el grupo de los materiales avanzados. Debido a la presencia de enlaces iónicos y covalentes, podría decirse en general de los materiales cerámicos que son duros y quebradizos, tienen altos puntos de fusión, son malos conductores térmicos y eléctricos, presentan buena estabilidad química y térmica, y resisten bien la compresión. Sin embargo, es un grupo de materiales muy heterogéneo, así algunos son buenos conductores térmicos (mejores que los metales) y a la vez aislantes, como las vitrocerámicas o el AlNi, otros son semiconductores e incluso superconductores (YBaCuO), otros son más resistentes a la fractura que los aceros endurecidos, caso del SiC, etc. La mayor limitación para la aplicación de los materiales cerámicos se encuentra muchas veces en sus propiedades mecánicas. Especialmente inconveniente es su tendencia a la

2 Materiales Cerámicos 2 fractura frágil, esto es a la formación y propagación de fisuras en dirección perpendicular a la fuerza de tracción aplicada, aunque sí resisten aceptablemente las fuerzas de compresión. Por estos motivos, a temperatura ambiente, la mayoría de los materiales cerámicos experimentan fracturas antes de llegar a deformarse, especialmente si además presentan numerosos poros. El origen de esta mala respuesta mecánica está precisamente en la presencia de defectos estructurales, como poros y grietas, generadas en la preparación del material. Al no haber procesos internos que puedan absorber energía, como por ejemplo la propagación de las dislocaciones en los metales, la propagación de las grietas es muy rápida. Por el contrario, los materiales más duros conocidos son cerámicos. Procesado de Cerámicas El método más habitualmente empleado en la preparación de materiales cerámicos consiste básicamente en dos etapas. En una primera, el material de partida, polvo o partículas, es compactado en una matriz con la forma requerida. La segunda etapa consiste en el calentamiento a elevadas temperaturas para conseguir que las partículas enlacen entre sí. Los materiales de partida empleados dependen lógicamente de las propiedades requeridas para la pieza a fabricar, pero en general se tratará de una aglomeración de diferentes partículas. Estas, y otros aditivos necesarios en cada caso, como los aglutinantes o lubricantes, deben ser en primer lugar mezclados, proceso que puede llevarse a cabo en seco o más frecuentemente en húmedo. El medio de mezcla es el agua para la mayoría de los materiales preparados, aunque en casos particulares pueden utilizarse otros medios, como la cera en las cerámicas de alto contenido en alúmina. Para el conformado de los materiales normalmente se utilizan procesos generalmente en frío, como el prensado, el moldeo en barbotina y la extrusión. El prensado consiste en la compactación bajo presión de las materias primas pulverizadas, a las que normalmente se añaden pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos y lubricantes orgánicos. La mezcla adecuada de partículas de diferentes tamaños permite reducir al máximo los espacios intergranulares, en tanto que el medio húmedo facilita la distribución de las partículas disminuyendo el rozamiento. Además, y a diferencia de lo que ocurre en la metalurgia en polvo, no se producen deformaciones plásticas en las partículas. Fundamentalmente, se aplican tres diferentes procesos de prensado: el prensado en seco o uniaxial, el prensado isostático (generalmente hidrostático) y el prensado en caliente. En las dos primeras, después del prensado, las piezas son sinterizadas para que adquieran la dureza y textura requeridas. En el prensado en seco, el polvo es compactado en una matriz metálica aplicando presión en una sola dirección. Es un método sencillo y barato, que permite producir rápidamente una gran variedad de piezas sencillas, aunque con poca uniformidad y escasa precisión. Se emplea básicamente en la producción de refractarios y dieléctricos. En el prensado isostático, el material cerámico se coloca en un recipiente flexible y hermético (generalmente de caucho, aunque puede ser de oro para procesos delicados), que se coloca dentro de un medio líquido (agua, aceite) sometido a presión. La compactación es uniforme en todas las direcciones y la pieza toma la forma del molde. Es más preciso que el prensado en seco y permite preparar formas más complicadas, pero es más lento y caro. Se utiliza para fabricar herramientas de carbono, crisoles, envolturas, aislantes de bujías, etc. Finalmente, el prensado en caliente, que puede ser

3 Materiales Cerámicos 3 uniaxial o isostático, permite obtener piezas con densidad y propiedades mecánicas optimizadas al combinar la presión con los tratamientos térmicos. Se utiliza fundalmentalmente cuando interesa una densidad alta, pero con pequeños tamaños de grano y por tanto interesa realizar la sinterización. Es un método lento y caro, pues deben calentarse simultáneamente el molde y la pieza, y además la vida de los moldes suele ser corta. Figura 1.- Prensados uniaxial e isostático. El moldeo en barbotina, o fundición por revestimiento, se emplea fundamentalmente en el conformado de materiales cerámicos preparados a partir de arcillas. La preparación de la barbotina, suspensión de la arcilla pulverizada en agua, es el primer paso. A continuación la barbotina se vierte en un molde poroso (yeso) que absorbe el agua de la suspensión. A medida que se elimina el agua, se va formando una capa de materia en las paredes del molde. El grosor de la capa formada depende del tiempo transcurrido, pudiéndose continuar con el proceso hasta que la pieza sea del todo compacta. Si no se desea esto basta con invertir el molde y escurrir el exceso de la suspensión. Una vez que la pieza se ha secado en el interior del molde, se desmonta éste y finalmente se procede a someter la pieza a tratamiento térmico. Este proceso se utiliza habitualmente para preparar piezas de paredes delgadas con espesor constante. Es un proceso barato para obtener piezas pequeñas. Para casos especiales suelen aplicarse variaciones de este método que consisten en la aplicación de presión o vacío sobre la muestra. Un aspecto fundamental a tener en cuenta en el moldeo en barbotina es la importancia de las propiedades de la suspensión. Se precisa que ésta tenga una densidad elevada, pero que al mismo tiempo sea muy fluida, para lo cual puede recurrirse a diferentes aditivos según el tipo de arcilla. También es necesaria una velocidad de moldeo elevada, que la pieza formada no presente burbujas y que no se contraiga demasiado al secarse. El molde también es importante, aunque normalmente se utilizan los de yeso por su bajo coste, fácil elaboración y posibilidad de ser reutilizado. Mediante el moldeo en barbotina se obtienen las clásicas figuras decorativas, las piezas de laboratorio y también la cerámica sanitaria.

4 Materiales Cerámicos 4 Figura 2.- Moldeado en barbotina. La extrusión (conformado hidroplástico) de los materiales en estado plástico es el método mediante el cual se obtienen secciones transversales sencillas y formas huecas com las tejas, ladrillos, tuberías de alcantarillado, dieléctricos, etc. En general se utilizan máquinas del tipo hélice-vacío, que fuerzan al material cerámico plástico (arcilla y agua, por ejemplo) a pasar a través de un troquel de acero con la forma adecuada. Para cerámicas especiales de precisión se utilizan pistones de extrusión con la forma adecuada. Para cerámicas especiales de precisión se utilizan pistones de extrusión bajo presión que permiten controlar mejor los tamaños y compactados de las piezas. Figura 3.- Máquina de extrusión de hélice-vacio. Una vez conformado el material, es necesario someterlo a un tratamiento térmico que le dará la resistencia necesaria. Éste es una parte fundamental del procesado, durante el mismo pueden aparecer importantes defectos (grietas, poros, distorsiones) que obliguen a desechar la pieza producida. Los tratamientos térmicos normalmente incluyen 2 etapas: secado y cocido o vitrificado, aunque en algunos materiales se precisa también un sinterizado.

5 Materiales Cerámicos 5 El secado tiene por objeto la eliminación del agua o cualquier otra sustancia que se haya utilizado como aglutinante o lubricante. Normalmente la eliminación del agua se hace a temperaturas inferiores a 100 C y se precisa de menos de 24 horas. Para los aglutinantes orgánicos es necesario llevar a cabo calentamientos a temperaturas de C, e incluso más en el caso de que tengamos residuos de hidrocarburos. Durante el secado se produce una contracción de la pieza. La eliminación de las moléculas de agua que rodean los granos provoca la disminución de la distancia entre partículas y la consiguiente contracción. Por este motivo, la velocidad de secado debe ser convenientemente controlada. Las moléculas de agua se evaporan en la superficie del material. Por tanto, el secado de la parte interna depende de la velocidad a la que esas moléculas difundan hasta la superficie. Si la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de difusión, la superficie externa se secará y contraerá antes que el interior, provocando la deformación de la pieza o su agrietamiento. Para controlar esa velocidad de secado y tratar de igualarla a la de difusión (optimizando la velocidad del proceso) se debe controlar la temperatura, y humedad (flujo de aire) del medio de secado. Evidentemente, también será preciso tener en cuenta el espesor de la pieza, el contenido en agua que ha quedado después del conformado (se trata de conseguir que sea mínimo) y el tamaño de los granos (cuanto más pequeños, más agua permanece retenida). Después de secado, el material cerámico, que en este estado se denomina cuerpo verde, es cocido a temperaturas que oscilan normalmente entre los 900 y los 1400 C, dependiendo de la composición y las propiedades requeridas en el producto final. Mediante este proceso se reduce la porosidad y aumenta la resistencia mecánica de las piezas preparadas. En el caso de los materiales arcillosos, la cocción da lugar al proceso llamado vitrificación, mediante el cual se forma un vidrio líquido que rellena los poros. El grado con que se produce este fenómeno depende de la composición del material y de la temperatura de cocción. La adición de agentes fundentes, como los feldespatos (aluminosilicatos de sodio, potasio y calcio), con temperaturas de fusión inferiores a las del resto de los componentes, permite la aparición de una fase líquida que rellena los poros. Al enfriarse, este fundido da lugar a una fase vítrea que refuerza y compacta la cerámica uniendo las partículas no fundidas entre sí. Figura 4.- Diferentes etapas en el secado y cocido de un material cerámico. El grado de vitrificación alcanzado aumenta con la temperatura de cocción. Así los ladrillos de construcción se calientan sólo hasta 900 C y son relativamente porosos. Por el contrario, las porcelanas son cocidas a temperaturas muy superiores y se hayan mucho más vitrificadas. Obviamente, cuanto mayor es el grado de vitrificación mayor es la densidad y resistencia de los materiales obtenidos, no obstante nunca debe recurrirse a una vitrificación completa pues el material perdería su forma. Si se suele

6 Materiales Cerámicos 6 recurrir a un tratamiento total de vitrificación en superficie (esmaltado), pero a partir de un barniz añadido después del secado de la pieza. El sinterizado es habitual en materiales cerámicos de importancia tecnológica y en muchas ocasiones absolutamente necesario para transformar el producto inicial, porosos y poco resistente, en un material compacto y coherente. Materiales como la alúmina, ampliamente utilizados, deben ser sinterizados a temperaturas muy elevadas (1600 C) dadas sus altas temperaturas de fusión (2050 C). Es de destacar que las propiedades y el precio del material, dependen fuertemente del proceso de sinterizado efectuado. La porosidad disminuye con el tiempo y temperatura de sinterizado, el tamaño de grano aumenta, disminuyendo la reactividad pero aumentando la fragilidad. Arcillas Las arcillas han sido uno de los materiales más ampliamente utilizados desde tiempos prehistóricos, y junto a la sílice (silex) y los feldespatos, han formado los llamados cerámicos tradicionales. Su gran utilización se basa en su gran abundancia natural, su bajo coste, la facilidad con que puede ser conformada y la posibilidad de que puedan ser empleadas directamente, sin necesidad de ningún tipo de refinado. En general, los cerámicos fabricados con arcillas se clasifican en dos grandes grupos: cerámicos estructurales y porcelanas (materiales blancos). Entre los productos estructurales podemos citar los ladrillos de construcción, baldosas, tuberías de agua residuales, etc., y entre las porcelanas tenemos las cerámicas sanitarias, aislantes eléctricos, vajillas, productos de alfarería, empastes dentales, etc. Entre las propiedades más importantes de las arcillas se encuentran su hidroplasticidad (se hacen plásticas al combinarse con el agua), y el intervalo amplio de temperatura de fusión que presentan. Esta última propiedad les permite fundirse parcialmente durante los tratamientos térmicos manteniendo la forma deseada. Las arcillas están compuestas fundamentalmente por aluminosilicatos hidratados (Al 2 O 3.SiO 2.H 2 O), con pequeños contenidos en óxidos metálicos (TiO 2, Fe 2 O 3, MgO, CaO, Na 2 O, K 2 O, etc.) e incluso de materia orgánica. Sus estructuras cristalinas son generalmente complejas, aunque tienen como característica común la presencia de capas. La mayoría de los materiales arcillosos utilizados tienen la estructura de la caolinita [Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 ]. Cuando se añade agua a un compuesto con esta estructura, las moléculas de la misma se intercalan entre las capas y confieren una extraordinaria plasticidad al compuesto resultante, al facilitar los deslizamientos de las capas entre sí.

7 Materiales Cerámicos 7 Figura 5.- Esquema de la estructura de la caolinita. Los minerales arcillosos habitualmente empleados contienen no sólo arcilla, sino también los otros dos tipos de elementos habituales en los cerámicos tradicionales: la sílice y los feldespatos. Estos son materiales no plásticos, pero fundamentales para las propiedades de los productos finales. La sílice suele estar en forma de silex (cuarzo finamente dividido) y es el componente refractario de los cerámicos tradicionales por su alta temperatura de fusión. Por su bajo precio y su carácter inerte se utiliza también como material de relleno. Los feldespatos, siendo el potásico el más habitual (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ), por sus bajas temperaturas de fusión actúan como agentes fundentes. Se transforman en vidrio y cohesionan las productos refractarios con las arcillas. Cuando se fabrican cerámicas estructurales comunes, se emplean arcillas naturales con los contenidos intrínsecos de arcillas, sílice y feldespatos. Sin embargo, para aplicaciones más específicas, y en general para la fabricación de porcelanas se combinan diferentes minerales para obtener las proporciones deseadas de cada componente. Así, por ejemplo las porcelanas habituales contienen un 50% de arcilla, un 25% de cuarzo y un 25% de feldespato, en tanto que la porcelana utilizada en empastes contiene hasta un 95% de feldespato y nada de cuarzo. Vidrios Los vidrios se definen como materiales cerámicos obtenidos a partir de compuestos inorgánicos calentados hasta su fusión y enfriados hasta una condición rígida sin cristalización. Entre sus propiedades destacan su excelente resistencia a la corrosión, su carácter aislante eléctrico, su capacidad para proporcionar cierres herméticos y su transparencia óptica y relativa dureza a temperatura ambiente. Sumando esto a su facilidad de fabricación, se explican sus múltiples aplicaciones en ingeniería e industria: construcción, automóviles, electrónica, química, etc. A diferencia de los sólidos cristalinos, los vidrios no solidifican a una temperatura bien definida. Los vidrios van haciéndose más viscosos a medida que disminuye la temperatura y va reduciéndose su volumen paulatinamente, sin producirse el descenso brusco de volumen que caracteriza la solidificación de un cristal. No obstante, si existe una temperatura a la que se produce un cambio en la dependencia térmica del volumen, conocida como temperatura de transición vítrea (T g ), por debajo de la cual el comportamiento es similar al de cualquier sólido. Hay que tener en cuenta además que esta temperatura no depende sólo de la composición de los vidrios, sino también de la velocidad de enfriamiento, y aumenta con ésta.

8 Materiales Cerámicos 8 Figura 6.- Comparación entre los comportamientos térmicos de los vidrios y los cristales. La mayoría de los vidrios están constituidos básicamente por sílice, en la que los tetraedros SiO 4 unidos por sus vértices forman una red dispersa sin orden de largo alcance. El óxido de boro, B 2 O 3, es por si mismo un formador de vidrio, con redes constituidas por triángulos BO 3 y tetraedros BO 4, pero generalmente se utiliza como aditivo en los vidrios de sílice. Otros óxidos como el CaO, MgO, Na 2 O y K 2 O, se añaden con el objetivo de romper el entramado silicatado de manera que reducen la viscosidad del vidrio y facilitan su modelado. Finalmente, otros óxidos, como el Al 2 O 3 o el PbO, se añaden para que una vez incorporados a la red silicatada modifiquen las propiedades del vidrio, fundamentalmente aumentando o disminuyendo la temperatura de fusión. Los vidrios de sílice fundida o cuarzo (>99.5% de SiO 2 ) son los de composición más simple, tienen una alta resistencia térmica (1000 ºC) y tansmiten muy bien las radiaciones sin ser afectados por ellas. Se utilizan en sistemas ópticos y vehículos espaciales, pero son muy caros y difíciles de procesar. Los vidrios sodo-cálcicos son los más habituales, constituyendo más del 90% del vidrio producido. Contienen porcentajes importantes de Na 2 O (12-14 %) y CaO (10-12 %) que disminuyen la temperatura de fusión hasta los 700 C favoreciendo su procesado. Para aumentar su ductilidad se añaden también pequeñas cantidades de alúmina y magnesia. Es el vidrio de las ventanas, vasos, bombillas, etc. Los vidrios de borosilicato contienen cantidades importantes de óxido de boro. La presencia de boros tri-coordinados en las redes silicatadas disminuyen sensiblemente las temperaturas de fusión, pero mantienen una alta dureza y resistencia al choque térmico. El más conocido de estos vidrios es el Pirex, que contiene un 81% de sílice y un 13% de óxido de boro, además de óxido de sodio y alúmina en menores proporciones. Más resistente es el Vycor que contiene un 96% de sílice y sólo un 4% de B 2 O 3. Los vidrios al plomo presentan bajas temperaturas de fusión y se emplean para sellar mediante soldadura, para decoración y especialmente para pantallas protectoras frente a las radiaciones (pantallas de TV, lámparas fluorescentes, etc.). La composición del vidrio, y por tanto su viscosidad, tiene gran importancia a la hora de su conformado. Por encima de la temperatura de transición vítrea, el vidrio mantiene su forma, puede ser deformado si se aplica la suficiente tensión. Evidentemente, cuanto

9 Materiales Cerámicos 9 mayor es la temperatura menor es la viscosidad y más fácilmente puede moldearse el vidrio. El conformado del vidrio debe realizarse entre los llamados punto de trabajo (10 4 P) y punto de ablandamiento (4x10 4 P), temperaturas entre las que el modelado del vidrios se realiza con facilidad pero mantiene la forma que se le confiere. Los puntos de ablandamiento difieren mucho en función de la composición del vidrio, así está situado en los 700 ºC para los vidrios sodo-cálcicos y en 1550 ºC para el Vycor. Figura 7.- Evolución de la viscosidad en diferentes vidrios. El primer paso en la preparación de un vidrio es el calentamiento de las materias primas por encima de la temperatura de fusión (100 P). Para los vidrios comunes esas materias primas son habitualmente la arena de cuarzo común, la ceniza de sosa (Na 2 CO 3 ) y la piedra caliza (CaCO 3 ). Una vez ajustada la viscosidad para lograr un buen mezclado sin presencia de burbujas, que darían lugar a poros, se pueden emplear diferentes métodos para dar la forma deseada al producto: prensado, soplado, estirado y conformado en fibras. El prensado se utiliza para fabricar elementos de paredes gruesas, como vasos y platos. El vidrio fundido es depositado en un molde de fundición recubierto de grafito y sometido a presión por un vástago con la forma adecuada. El soplado de vidrio, es manual para piezas decorativas o automático para botellas, bombillas, etc. se lleva a cabo inyectando aire a presión que fuerza a que una preforma preparada por prensado adquiera la forma definitiva de un molde. Figura 8.- Prensado y solplado de vidrios.

10 Materiales Cerámicos 10 El estirado se utiliza para obtener piezas largas de espesor constante, fundamentalmente láminas y tubos. Generalmente se utiliza un proceso mediante el cual el vidrio fundido se desplaza flotando sobre la superficie de un baño de estaño fundido. Para la obtención de fibras se puede utilizar un estirado en moldes con poros del diámetro requerido. Figura 9.- Proceso de estirado por flotación. El enfriamiento de los vidrios, como el de cualquier otro material cerámico, puede originar tensiones internas que debilitan el material y pueden hacerlo proclive a la fractura. Estas tensiones provienen fundamentalmente de la diferencia de la velocidad de enfriamiento en la superficie y en el interior. Para evitarlas se trata de que los enfriamientos sean lo más lentos posibles. Sin embargo, una vez las tensiones han sido introducidas también es posible reducirlas mediante un recocido. El vidrio se caliente hasta el punto de recocido (10 13 P) y después se enfría lentamente. Por el contrario en ocasiones se introducen de forma intencionada tensiones en superficie para aumentar la resistencia del vidrio. El procedimiento se conoce como templado del vidrio y básicamente consiste en calentar el vidrio ligeramente por debajo de la temperatura de ablandamiento, para después enfríalo muy rápidamente con un chorro de aire. La superficie se enfría muy rápidamente y para cuando el interior se enfría por debajo de la temperatura de deformación la superficie ya está rígida. De esta manera, al contraerse el material interior trata de atraer la superficie hacia dentro, apareciendo tensiones radiales. De esta manera la resistencia de la superficie se incrementa hasta cuatro veces frente a la del vidrio recocido, eso sí una vez iniciada la primera grieta la fractura será total y se extenderá por todo el cristal. Este tipo de tratamiento es el que llevan los vidrios de seguridad de los parabrisas de los coches, las lentes y las puertas de cristal de seguridad. Figura 10.- Esquema de un vidrio templado. Cuando los tratamientos térmicos se realizan a temperaturas muy elevadas muchos de los vidrios inorgánicos cristalizan en mayor o menor medida. A este proceso se le llama desvitrificación, y normalmente trata de ser evitado pues el material suele perder su

11 Materiales Cerámicos 11 transparencia y se vuelve más frágil. Pero en algunos materiales, esa desvitrificación puede ser controlada para obtener un material de grano muy fino, sin tensiones y con una gran resistencia mecánica, muy resistente al choque térmico (coeficiente de dilatación térmica muy bajo) y con una alta conductividad térmica. A estos materiales se les conoce como cerámicas vítreas, o más comúnmente como vitrocerámicas. Son materiales con un alto contenidoo en sílice (70 %) y alúmina (18 %), a los que se añade un agente nucleante como el TiO 2 o el Li 2 O para favorecer la cristalización. Además de en las cocinas, las vitrocerámicas se utilizan para revestir hornos y como substratos en los circuitos integrados. Refractarios La mayoría de los compuestos cerámicos presentan bajas conductividades térmicas, debido a sus fuertes enlaces iónicos o covalentes, lo que les convierte en buenos aislantes térmicos. Además presentan normalmente puntos de fusión elevados, y son generalmente inertes, incluso en caliente, a la acción de medios agresivos. Por estos motivos, muchos materiales cerámicos se utilizan habitualmente como refractarios, esto es materiales para aislamiento, en las industrias metalúrgicas, químicas, eléctrica y del vidrio, entre otras. La mayoría de los refractarios industriales se preparan a partir de mezclas de compuestos cerámicos. Los materiales puros, como el MgO o el Al 2 O 3 resultan demasiado caros y difíciles de conformar, a pesar de sus excelentes propiedades refractarias. Según su composición los materiales preparados tendrán diferentes propiedades que les harán más adecuados para unas u otras aplicaciones. Pero también la densidad y porosidad del material procesado es de gran importancia. Así, los materiales densos y con baja porosidad tienen buena resistencia mecánica y, al impedir la penetración de líquidos y gases, resisten muy bien a la corrosión y erosión. Pero por el contrario, al disminuir la porosidad también disminuye su capacidad de aislamiento térmico. Por tanto, es necesario mantener un equilibrio entre ambas propiedades. Los refractarios cerámicos industriales habitualmente utilizados en industria se clasificacn de acuerdo a su composición en refractarios ácidos (basados en SiO 2 y el Al 2 O 3 ), básicos (MgO, CaO), neutros (Cr 2 O 3 ) y especiales. Dentro de los primeros se distingue entre refractarios de sílice, los de arcilla y los de alta alúmina, según el contendido en este último componente. Los refractarios de sílice se caracterizan por su alta refractariedad, alta resistencia mecánica y rigidez estructural a temperaturas muy elevadas. Se utilizan en el revestimiento de hornos de aceros y vidrio y reactores químicos que trabajan a temperaturas de más de 1650 ºC. Para estas aplicaciones, debe evitarse drásticamente la posible presencia de alúmina, pues disminuye fuertemente la temperatura de fusión del material al formarse un eutéctico (con un 7.7 % en peso de Al 2 O 3 ).

12 Materiales Cerámicos 12 Figura 11.- Diagrama de fases SiO 2 -Al 2 O 3. Los refractarios de arcilla se obtienen por combinación de sílice y alúmina (25-45 %), y soportan temperaturas de hasta 1587 ºC. Se utilizan en revestimientos de hornos de fundición de aluminio, altos hornos, hornos de cemento, incineradoras, etc. Las fases presentes en el material son la cristaobalita (SiO 2 ) y la mullita (3CaO.2SiO 2 ). Pueden llegar a presentar pequeñas cantidades de fase líquida sin que las propiedades del refractario se resientan. Estos compuestos se forman por cocción de arcillas con diferentes tamaños de grano. Las partículas más pequeñas funden dando lugar a una fase vítrea que cohesiona las partículas más grandes y aumenta la resistencia del material. Aún así, su resistencia es generalmente baja y no pueden ser utilizados si deben soportar cargas, pero son muy baratos. Los refractarios de alta alúmina contienen de 50 a 99 % de alúmina, soportan mejor la temperatura que los de arcilla y son más resistentes mecánicamente, pero son mucho más caros. Se utilizan en revestimientos de hornos y reactores de alta temperatura (fosfatos, carbón negro, coque, oro, etc.). Los refractarios básicos están formados básicamente por periclasa o magnesia (MgO) y cal (CaO), aunque también pueden presentar pequeños porcentajes de cromo y hierro. Tienen altas densidades, altas temperaturas de fusión y excelente resistencia a los ataques químicos de las escorias básicas (con CaO y MgO) que se producen en la fabricación de aceros, pero son muy caros. Se utilizan habitualmente en acerías que afinan el acero con oxígeno. Los refractarios neutros están formados por Cr 2 O 3 y Cr 2 O 3.MgO, y se utilizan para separar refractarios ácidos y básicos e impedir que se ataquen entre sí. Los refractarios especiales son habitualmente óxidos de alta pureza y poca porosidad. Además de la alúmina, sílice y magnesio, son importantes los de zirconio (ZrO 2 y ZrO 2.SiO 2 ) y berilio (BeO). También el grafito es un material refractario usado ampliamente, especialmente para trabajos en ausencia de oxígeno (se oxida por encima de los 800 ºC). Otros carburos, como los de Ti y Zr (TiC, ZrC), tienen el mismo

13 Materiales Cerámicos 13 problema y su uso debe reducirse a atmósferas reductoras a pesar de su elevada temperatura de fusión. El carburo de silicio (SiC) también es oxidado fácilmente, pero se protege con una película de sílice que impide su posterior oxidación hasta los 1500 ºC, por lo que se utiliza habitualmente en la fabricación de resistencias eléctricas para calefactores, revestimiento de hornos y fabricación de crisoles. Cementos Los cementos son materiales inorgánicos que se caracterizan porque al ser mezclados con agua dan lugar a una pasta que endurece con mayor o menor rapidez según su composición. Este grupo de materiales es en realidad muy amplio e incluye diferentes silicatos (cementos), sulfuros (yesos), carbonatos (calizas) y alumino-fosfatos. Es importante destacar que el proceso por el cual se produce la cementación es mediante la formación de enlaces químicos y transcurre a temperatura ambiente. El cemento no se endurece por calcinación, sino al contrario, por hidratación (cementos hidráulicos) y/o carbonatación (caso de las calizas). El cemento utilizado en mayores cantidades es el llamado cemento Portland. Las materias primas de este cemento son la sílice (SiO 2 ), cal (CaO), alúmina (Al 2 O 3 ) y óxido de hierro (Fe 2 O 3 ). Distintas combinaciones de estos materiales dan lugar a los diferentes tipos de cementos Pórtland, con diferentes propiedades (tipos I a V). La mezcla molida de los materiales de partida se calienta en un horno rotatorio a temperaturas de ºC, en un proceso que suele denominarse calcinación. Este proceso da lugar a una mezcla endurecida por reacción química, que se denomina clinker. Una vez frío el clinker se tritura hasta ser pulverizado y finalmente se le añade yeso (CaSO 4.2H 2 O) para retrasar el fraguado. Durante el proceso de calcinación se forman diferentes compuestos químicos, entre los que son mayoritarios el silicato tricálcico (3CaO.SiO 2 ) y el silicato dicálcico (2CaO.SiO 2 ), pero también son de gran importancia el aluminato tricálcico (3CaO.Al 2 O 3 ) y la aluminoferrita de tetracalcio (4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ). El fraguado (pérdida de plasticidad) y endurecimiento final de los cementos se basa en las reacciones de estos componentes con el agua, reacciones que son muy complejas y que ni siquiera en la actualidad son totalmente conocidas (especialmente porque también depende de la cantidad de agua disponible). En general, se considera que los silicatos cálcicos reaccionan con el agua para dar el disilicato tricálcico trihidratado (3CaO.2SiO 2.3H 2 O), que se forma en partículas muy pequeñas y da lugar a un gel coloidal, y tanbién hidróxido cálcico, que es cristalino. 2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + 3Ca(OH) 2 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + Ca(OH) 2 El silicato tricálcico endurece rápidamente (por completo en 2 días), y es el responsable de la resistencia inicial del cemento Pórtland. Por el contrario, el silicato dicálcico reacciona más lentamente y causa el endurecimiento que se produce después de la primera semana.

14 Materiales Cerámicos 14 Figura 12.- Resistencia de los componentes del cemento en función del tiempo de curado. Por su parte, el aluminato tricálcico se hidrata muy rápidamente, pero liberando mucho calor, se utiliza en los cementos que precisan de una alta resistencia prematura, pero no una gran durabilidad pues resiste mal el efecto de los sulfatos y el agua. Finalmente, el papel de la aluminoferrita de calcio estriba en que disminuye la temperatura necesaria para obtener el clinker y aumenta su resistencia a la corrosión, aunque disminuye la velocidad de fraguado. La elección de un tipo de cemento u otro depende fundamentalmente de la velocidad de fraguado que se necesite, el incremento de temperatura que pueda soportar la estructura formada, la resistencia mecánica necesaria y la corrosión por agua o sulfatos que vaya a tener que soportar. Figura 13.- Composiciones y aplicaciones de los cementos Pórtland. Abrasivos Los cerámicos abrasivos son aquellos que se utilizan para cortar, afilar o desgastar otros materiales más blandos. Entre las propiedades que deben presentar están una alta dureza, tenacidad importante para evita su fractura y un cierto carácter refractario dado que en los procesos de fricción pueden generarse temperaturas elevadas.

15 Materiales Cerámicos 15 Uno de los mejores abrasivos es evidentemente el diamante, sin embargo aún son en general demasiado caros para muchos procesos, a pesar de que la producción de microcristales sintéticos de diamantes es cada vez más común. Por ello, las cerámicas abrasivas más habituales son los carburos de silicio y wolframio, la alúmina y la arena de sílice. Entre los abrasivos comerciales más utilizados se encuentran las mezclas de Al 2 O 3 (60-75 %) y ZrO 2 (25-40 %), así como Borazon (BN) que es casi tan duro como el diamante y resiste mejor el calor. La forma en que se aplican los abrasivos depende de su finalidad. Los papeles de lija utilizados para pulir metales, vidrios, madera o cerámicas, se preparan depositando polvo de los abrasivos sobre un papel. Mediante cerámicas vítreas o resinas orgánicas, estos polvos también se adhieren a las muelas de desbaste. Es preciso siempre que el producto final tenga una cierta porosidad para que el aire o el líquido de refrigeración pase a través de la estructura y esta no se caliente más de lo debido. Para discos de desbaste y pulido se utilizan habitualmente partículas de mayor tamaño de grano que se colocan en suspensión de aceite o agua. Zeolitas Las zeolitas son un grupo de compuestos, muchos de ellos naturales (minerales), cuya característica común es que desprenden agua al ser calentados (griego: zeo = hervir; lito = piedra). Estos materiales se aplican en la actualidad en campos como la catálisis, intercambio iónico y absorción. Las zeolitas se caracterizan por presentar estructuras muy abiertas, con cavidades y canales, que pueden incorporar pequeñas moléculas orgánicas o inorgánicas. Habitualmente las unidades estructurales son tetraedros TO 4, siendo T principalmente silicio, aluminio y fósforo, aunque también pueden estar presentes el cinc, berilio, germanio y galio. Las más comunes son los aluminisilicatos (más de 40 minerales diferentes y cientos de fases artificiales), cuya estructura puede considerarse como un derivado de la sílice, en la cual parte de los tetraedros SiO 4 han sido sustituidos por tetraedros AlO 4, al tiempo que para mantener la electroneutralidad de la estructura se incorporan pequeños cationes mono- o divalentes (normalmente hidratados). Su fórmula por tanto podría describirse como: {(M n+ ) x/n (mh 2 O)}{(AlO 2 ) x (SiO 2 ) 1-x } Las últimas especies forman el entramado estructural y las primeras ocupan las cavidades. Cuando la zeolita es deshidratada, lo cual puede hacerse fácilmente por calentamiento a vacío sin que la estructura se rompa, los cationes se aproximan a los tetraedros y el espacio libre resultante puede ser ocupado por otras pequeñas moléculas que son absorbidas. En este tipo de materiales se presentan una gran variedad de estructuras, sin embargo todas ellas tienen algunos aspectos comunes. Así los tetraedros se unen siempre entre sí formando anillos de cuatro, seis u ocho miembros, los cuales a su vez se conectan entre sí para formar en entramado tridimensional.

16 Materiales Cerámicos 16 Figura 14.- Esquema de los componentes de una zeolita y los anillos formados por los tetraedros. Según el tamaño de los poros, se podrán absorber especies de menor o mayor volumen, lo que permite la utilización de estos materiales en la separación y/o extracción de algunas moléculas de pequeño tamaño, como oxígeno, agua, metano, etc. Particularmente utilizada es tendencia a absorber agua, que se aplica habitualmente para desecar gases y disolventes. Esta propiedad se basa en el carácter hidrófilo de los cationes compensadores que ocupan las cavidades, y puede controlarse variando la concentración de estas especies. Así, las zeolitas con mayor proporción de tetraedros silicato tienen mayor tendencia a absorber moléculas apolares, en tanto que aquellas con más aluminio absorben mejor agua y moléculas polares. Figura 15.- Representación esquemática de la estructura de la sodalita y de la zeolita A. Por otra parte, las interacciones entre los iones compensadores y el entramado zeolítico es débil, de manera que pueden ser fácilmente intercambiados a temperatura ambiente. Esta propiedad es muy utilizada para suavizar aguas (eliminar iones alcalinotérreos). Con este objeto, los detergentes emplean en la actualidad zeolitas en lugar de los fosfatos tradicionalmente empleados, con la ventaja de que presentan menos problemas medioambientales. Na-zeolita A + ½ Ca 2+ (aq) Ca 0.5 -zeolita A + Na + (aq)

17 Materiales Cerámicos 17 Tratando las zeolitas con iones amonio y después calentándolas hasta unos 500 C se obtienen las zeolitas ácidas (H-zeolitas), que son de gran importancia por sus aplicaciones como catalizadores industriales. Na-zeloita A + NH 4 + (aq) NH 4 -zeoloita A H-zeolita A Estos compuestos presentan una actividad catalítica semejante a la de los ácidos más fuertes, con la ventaja añadida de que presentan una gran selectividad determinada por el tamaño de las cavidades y canales. Esta selectividad no es sólo para los reactivos, sino también para los productos, lo que es de gran importancia poerque permite atrapar algunos productos de reacción indeseables. En muchas ocasiones, la zeolita no es en si misma el catalizador sino que éste se soporta sobre ella para aprovechar las ventajas de su alta selectividad, caso de los catalizadores de platino empleados en los automóviles. Materiales Avanzados Aunque en cuanto a cantidad las cerámicas anteriormente citadas constituyen más del 90 % de los materiales de este tipo producidos, en los últimos años se han desarrollado gran cantidad de nuevos materiales cerámicos con interesantes propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas que son ampliamente utilizados. Además de los materiales más específicos, que estudiaremos en próximos capítulos, existen otros con aplicaciones más extendidas, que se caracterizan generalmente por su alta resistencia mecánica y térmica, además de otras propiedades interesantes en cada caso. La primera diferencia evidente entre los cerámicos tradicionales y los avanzados, es que estos últimos son generalmente compuestos puros (o quasi puros), frente a mezclas como las arcillas o los vidrios. Describimos a continuación las propiedades más interesantes de algunas de las cerámicas avanzadas más comunes. Alúmina (Al 2 O 3 ): Utilizada inicialmente para la fabricación de crisoles, su alta resistencia térmica y mecánica, además de su carácter aislante, permiten su utilización como substrato en circuitos integrados, implantes ortopédicos y empastes, bujías, tubos para hornos, etc. Por otra parte, dopada con cromo es un láser frecuentemente utilizado. Nitruro de aluminio (AlN): Es un buen aislante eléctrico y al mismo tiempo tiene una alta conductividad térmica. Compite con la alúmina en su utilización como substrato para circuitos integrados, porque el calor desprendido por los circuitos se disipa muy rápidamente, lo que evita la fractura de la base. Carburo de silicio (SiC): Presenta una extraordinaria resistencia a la oxidación a muy elevadas temperaturas, por lo que suele utilizarse para recubrir los aceros, así como para reforzar composites de matriz cerámica o metálica. Nitruro de silico (Si 3 N 4 ): Sus propiedades son parecidas a las del carburo de silicio, aunque su resietencia es algo menor y su preparación es muy costosa. Sin embargo se está estudiando mucho en la actualidad porque la combinación de sus propiedades es óptima para muchas aplicaciones industriales. En especial se investiga la fabricación de motores de combustión que trabajarían a altas temperaturas, serían menos pesados, no

18 Materiales Cerámicos 18 necesitarían refrigeración y serían más resistentes a la corrosión y al desgaste que los convencionales. Circonia (ZrO 2 ): Combinada com MgO presenta una tenacidad muy elevada que impide la propagación de grietas. Se utiliza para mejorar las propiedades de otros cerámicos. Carburo de boro (B 4 C): Es extremadamente duro y al mismo tiempo muy ligero. Se utiliza en la protección contra radiaciones nucleares y en genral como revestimiento para evitar la corrosión. Sin embargo, su dureza disminuye drásticamente con la temperatura. Propiedades Mecánicas Los materiales cerámicos tienen aplicabilidad limitada debido a sus propiedades mecánicas, las cuales en muchos aspectos son inferiores a las de los metales. La principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía. La fractura frágil de las cerámicas A temperatura ambiente, tanto las cerámicas cristalinas como las no cristalinas casi siempre se rompen antes de que ocurra alguna deformación plástica en respuesta a cualquier carga de tracción. Los temas de fractura frágil y de mecánica de la fractura, también están relacionados con la fractura de los materiales cerámicos y se repasarán brevemente en este contexto. El proceso de fractura frágil consiste en la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en una dirección perpendicular a la carga aplicada. El crecimiento de grietas normalmente ocurre a través de los granos (es decir, transgranular) y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje o descohesión), los cuales son de alta densidad atómica. La resistencia a la fractura medida en los materiales cerámicos es sustancialmente menor que la predicha por la teoría basada en las fuerzas de enlace entre átomos. Esto puede explicarse por la presencia de pequeños defectos en el material, los cuales actúan como concentradores de la tensión, es decir, lugares en los cuales la magnitud de la tensión aplicada es amplificada. El grado de amplificación de la tensión depende de la longitud de la grieta y del radio de curvatura de su punta, siendo mayor para defectos largos y puntiagudos. Estos concentradores de la tensión pueden se fisuras muy superficiales o internas (microfisuras), poros internos y puntos triples entre varios granos, los cuales son virtualmente imposibles de eliminar o controlar. Por ejemplo, incluso la humedad y la contaminación atmosférica pueden introducir fisuras superficiales en fibras de vidrio acabadas de estirar; estas fisuras afectan negativamente a la resistencia. Una concentración de tensiones en la punta de un defecto puede originar una grieta que puede propagarse hasta la fractura.

19 Materiales Cerámicos 19 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 en deformaciones planas, se define según la expresión K lc = Yσ(πa) 1/2 (1) donde Y es un parámetro sin dimensiones y es una función tanto de la geometría de la probeta como de la grieta, σ 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 ecuación 1 sea menor que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material. Los valores de tenacidad de fractura en deformaciones planas de los materiales cerámicos son menores que las de los metales; típicamente son inferiores a 10 MPa/m 2. En algunas circunstancias, la fractura de los materiales cerámicos ocurre por propagación lenta de grietas, cuando la tensión es estática, y el segundo miembro de la ecuación 1 es menor que K lc. Este fenómeno se denomina fatiga estática, o bien fractura retardada; la utilización del término fatiga es engañoso en cuanto que la fractura ocurre en ausencia de tensiones cíclicas. Se ha observado que este tipo de fractura es especialmente sensible al medio, sobre todo cuando existe humedad en la atmósfera. Con respecto al mecanismo, probablemente ocurre un proceso de corrosión bajo tensión en la punta de la grieta; o sea, la combinación de una tensión aplicada y la disolución del material conduce a un aguzamiento y extensión de la grieta hasta que, finalmente, una grieta crece hasta un tamaño tal que se propaga. Además, la duración de la aplicación de la tensión que precede a la fractura disminuye al aumentar la tensión. Por tanto, cuando se especifica la resistencia a la fractura estática, el tiempo de aplicación de la carga también debe ser estipulado. Los vidrios de silicato son especialmente susceptibles a este tipo de fractura, que también ha sido observada en otros materiales cerámicos tales como porcelana, cemento Portland, cerámica de alto contenido en alúmina, titanato de bario y nitruro de silicio. Generalmente, existe considerable variación y dispersión en la resistencia a la fractura de probetas de un material cerámico frágil. Una distribución de las resistencias a la tracción del cemento Pórtland de muestra en Figura 16. Este fenómeno puede explicarse por la dependencia de la resistencia a la fractura con la probabilidad de que existan defectos capaces de iniciar una grieta. Esta probabilidad varía de probeta a probeta del mismo material y depende de la técnica de fabricación y de cualquier tratamiento subsiguiente. El tamaño de la probeta, o sea, su volumen, también influye en la resistencia a la fractura; cuanto mayor es la probeta, mayor es la probabilidad de que exista un defecto mayor, y menor es la resistencia la fractura.

20 Materiales Cerámicos 20 Figura 16.- Distribución de frecuencias de resistencia a la fractura observadas en el cemento Portland. En el caso de esfuerzos de compresión, no existe amplificación de esfuerzos de tracción asociados con los defectos existentes. Por esta razón, los materiales cerámicos frágiles presentan resistencias a compresión mucho mayores que a tracción, y se utilizan generalmente cuando las condiciones de carga son de compresión. Además, la resistencia a la fractura de una cerámica frágil puede ser enormemente aumentada por medio de cargas residuales de compresión en la superficie. Una manera de conseguirlo es por temple térmico. Se han desarrollado varia teorías estadísticas que, junto con datos experimentales, se utilizan para determinar el riesgo de fractura de un determinado material. Sin embargo, debido a la dispersión de las medidas de resistencia a la tracción de los materiales cerámicos frágiles, generalmente no se utilizan valores medios ni factores de seguridad para propósitos de diseño. Comportamiento tensión-deformación Módulo de rotura El comportamiento tensión-deformación de las cerámicas frágiles usualmente no se describe mediante el ensayo de tracción, por dos razones. En primer lugar, es difícil preparar y ensayar probetas de tracción con la geometría requerida; en segundo lugar, existe una diferencia significativa entre los resultados obtenidos a partir de ensayos conducidos bajo cargas de tracción y de compresión. Por consiguiente, frecuentemente se emplea un ensayo de flexión, en el cual una probeta en forma de barra con sección rectangular o circular es flexionada usando una técnica de tres o cuatro puntos de aplicación de la carga; el esquema de aplicación de carga por tres puntos se ilustra en la Figura 17. En el punto de aplicación de la carga, la superficie superior está sometida a un estado de compresión, mientras la superficie inferior está sometida a tracción. La

21 Materiales Cerámicos 21 tensión se calcula a partir del espesor de la probeta, el momento de flexión y el momento de inercia de la sección; estos parámetros están indicados en la Figura 17 para secciones rectangulares y circulares. Figura 17.- Esquema del sistema de flexión por tres puntos para medir el comportamiento esfuerzodeformación y módulo de rotura en cerámicas frágiles, incluyendo las expresiones para el cálculo de la tensión en probetas de secciones rectangular y circular. La tensión máxima, o tensión a la fractura en este ensayo de flexión, se denomina módulo de rotura, o resistencia a la flexión, un parámetro mecánico importante para las cerámicas frágiles. En el caso de una sección rectangular, el módulo de rotura σ mr es igual a σ mr = 3F f L/2bd 2 (2a) donde F f es la carga de fractura, L es la distancia entre puntos de apoyo; los otros parámetros se indican en la Figura Cuando la sección es circular, entonces σ mr = 3F f L/πR 3 (2b) siendo R el radio de la probeta. Los valores característicos del módulo de rotura para varios materiales cerámicos están tabulados en la Tabla 1. Puesto que durante la flexión una probeta está sometida tanto a esfuerzos de tracción como de compresión, la magnitud de su módulo de rotura es mayor que la resistencia a la tracción. Además, σ mr dependerá del tamaño de la probeta; tal como se explicó en la sección precedente, al aumentar el volumen de la probeta (bajo carga) aumenta la severidad de los defectos y, por consiguiente, el módulo de rotura disminuye.

22 Materiales Cerámicos 22 Tabla 1.- Módulo de rotura (resistencia a la flexión) y módulos de rotura para ocho materiales cerámicos frágiles. Comportamiento elástico El comportamiento elástico tensión-deformación de los materiales cerámicos ensayados a flexión es similar al comportamiento de los metales en ensayos de tracción: existe una relación lineal entre la tensión y la deformación. En la Figura 18 se compara el comportamiento tensión-deformación a la fractura del óxido de aluminio (alúmina) y el vidrio. De nuevo la pendiente en la región elástica es el módulo de elasticidad; la gama de módulos de elasticidad en los materiales cerámicos está comprendido entre 7x10 4 y 50x10 4 MPa, y es ligeramente mayor que para los metales. En la Tabla 1 se indican los valores para varios materiales cerámicos.

23 Materiales Cerámicos 23 Figura 18.- Comportamiento típico tensión deformación hasta la fractura del óxido de aluminio y del vidrio. Mecanismos de deformación plástica Aunque a temperatura ambiente la mayoría de los materiales cerámicos experimentan fractura antes del comienzo de la deformación plástica, es importante hacer una exploaración breve de los posibles mecanismos. Puesto que la deformación plástica es diferente para cerámicas cristalinas y para cerámicas no cristalinas, se discute cada caso por separado. Cerámicas cristalinas En los materiales cerámicos, la deformación plástica tiene lugar por el movimiento de dislocaciones, tal como ocurre en los metales. Una razón de la dureza y fragilidad de estos materiales es la dificultad del deslizamiento (o sea, del movimiento de las dislocaciones). Existen pocos sistemas de deslizamiento (planos cristalográficos y direcciones en estos planos) a lo largo de los cuales las dislocaciones pueden moverse. Esto es una consecuencia de la naturaleza de los iones, que están eléctricamente cargados. En el deslizamiento según algunas direcciones, iones de igual carga queda situados a distancias muy próximas unos de otros, por lo que, debido a la repulsión electrostática, este modo de deslizamiento es muy restringido. Esto no es un problema en metales, puesto que todos los átomos son eléctricamente neutros.

24 Materiales Cerámicos 24 Cerámicas no cristalinas La deformación plástica en el caso de las cerámicas no cristalinas no ocurre por movimiento de dislocaciones porque no existe estructura atómica regular. Estos materiales se deforman más bien por flujo viscoso, la misma manera como se deforman los líquidos; la velocidad de deformación es proporcional a la tensión aplicada. En respuesta a una cizalladura aplicada, los átomos o iones deslizan unos sobre otros mediante rotura y reformación de los enlaces interatómicos. Sin embargo, no existe una manera o dirección predefinida en que esto ocurre, como sucede con las dislocaciones. El flujo viscoso a escala macroscópica se muestra en la Figura 19. Figura 19.- Representación del flujo vítreo en respuesta a una tensión de cizalladura aplicada. La propiedad característica del flujo viscoso, la viscosidad, es una medida de la resistencia a la deformación de los materiales no cristalinos. En el flujo viscoso de un líquido, que se origina a partir de las cizalladuras impuestas por dos placas planas y paralelas, la viscosidad η es el cociente entre la cizalladura aplicada τ y el cambio en la velocidad dv con la distancia dy en una dirección perpendicular a las placas, o bien Este esquema se representa en la Figura 19. η= [τ/(dv/dy)]= (F/A)/(dv/dy) (3) Las unidades de viscosidad son poises (P) y pascal-segundos (Pa-s); 1P= dina-s/cm 2, y 1Pa-s= 1 N-s/m 2. La conversión de un sistema de unidades al otro se realiza mediante 10Pa= 1P-s Los líquidos tienen viscosidades relativamente bajas; por ejemplo, la viscosidad del agua temperatura ambiente es de alrededor 10-3 Pa-s. Por el contrario, los vidrios tienen viscosidades muy elevadas a temperatura ambiente, lo cual es debido al fuerte enlace interatómico. A medida que aumenta la temperatura, la magnitud del enlace disminuye; el movimiento deslizante, o flujo, de átomos o iones es facilitado y, por consiguiente, se produce una disminución en la viscosidad.

25 Materiales Cerámicos 25 Otras consideraciones mecánicas Influencia de la porosidad En algunas técnicas de fabricación de cerámicas el material precursor esta en forma de polvo. Al compactar o conformar estas partículas de polvo para obtener la forma deseada, entre dichas partículas se forman poros, es decir, espacios vacíos. Durante el tratamiento térmico siguiente, mucha de esta porosidad es eliminada; sin embargo, a menudo ocurre que este proceso de eliminación de poros es incompleto y permanece alguna porosidad permanente. Cualquier porosidad residual tendrá un efecto negativo en las propiedades elásticas y en la resistencia. Por ejemplo, se ha observado que la magnitud del módulo de elasticidad E disminuye con la fracción de volumen de porosidad de acuerdo con E= E 0 (1-1.9P + 0.9P 2 ) (4) donde E 0 es el módulo de elasticidad del material no poroso. La influencia de la fracción de volumen de porosidad sobre el módulo de elasticidad para el óxido de aluminio se muestra en la Figura 20; la gráfica representada en la figura es la curva de la ecuación 4. Figura 20.- Influencia de la porosidad en el módulo de eleasticidad del óxido de aluminio a temperatura ambiente. La curva dibujada es la correspondiente a la ecuación La porosidad es desfavorable para la resistencia a la fractura (o módulo de rotura) por dos razones: (1) los poros reducen el área de la sección a través de la cual se aplica la carga, y (2) también actúan como concentradores de tensión: en el caso de un poro esférico la tensión es amplificada en un factor 2. La influencia de la porosidad en la resistencia es mucho más dramática; por ejemplo, no es raro que un 10% de porosidad disminuya el módulo de rotura en un 50% del valor medio para el material no poroso. El grado de influencia del volumen de poros sobre la resistencia a la rotura se demuestra en la Figura 21, de nuevo para el óxido de aluminio. Experimentalmente, se ha demostrado que el módulo de rotura disminuye exponencialmente con la fracción de volumen de poros (P) como σ mr = σ 0 exp(-np) (5)

26 Materiales Cerámicos 26 En esta expresión σ 0 y n son constantes experimentales. Figura 21.- Influencia de la porosidad en el módulo de rotura del óxido de aluminio a temperatura ambiente. Dureza Una propiedad mecánica beneficiosa de las cerámicas es su dureza, la cual es a menudo utilizada cuando se requiere una acción abrasiva o de desbaste; de hecho los materiales más duros conocidos son las cerámicas. Un listado de algunas cerámicas según su dureza de Knoop se presenta en la Tabla 2. Sólo las cerámicas que tienen durezas Knoop de alrededor de 1000 o mayores son utilizadas por sus características abrasivas. Tabla 2.- Dureza de Knoop aproximada de siete materiales cerámicos.

27 Materiales Cerámicos 27 Fluencia en caliente A menudo los materiales cerámicos experimentan deformación por fluencia al ser expuestos a tensiones (usualmente de compresión) a temperaturas elevadas. En general, el comportamiento tiempo-deformación para la fluencia de las cerámicas es similar al de los metales; sin embargo, la deformación por fluencia en cerámicas ocurre a temperaturas más altas. En los materiales cerámicos se realizan ensayos de fluencia a compresión a temperaturas elevadas para determinar la deformación por fluencia en función de la temperatura y del grado de tensión.