15 Materiales cerámicos

15 Materiales cerámicos 2016 Definiciones Clasificación Fabricación Sinterizado Aplicaciones Propiedades Contenido 2

Definiciones Cerámico: compuesto de elementos metálicos y no metálicos, para los cuales las interacciones entre átomos son predominantemente iónicos (Callister, W; Fundamentals of Materials Science and Engineering; 2000) Cerámica, co: Dicho de un material no metálico: fabricado por sinterización Arte de fabricar vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana (www.rae.es) Cerámica: termino general aplicado al arte o técnica de producir objetos mediante un proceso cerámico, o a los objetos así producidos (es decir objetos cerámicos) (ASTM C 242:1993) 3 Definiciones Objetos cerámicos: son aquellos que presentan un cuerpo vitrificado o no, de estructura parcial o totalmente cristalina o bien vítrea, producidos esencialmente en base a sustancias inorgánicas no metálicas, y conformados a partir de una masa fundida que solidifica por enfriamiento, o bien conformados y, simultáneamente o subsiguientemente, endurecidos por la acción del calor. (ASTM C 242:1993) Procesos cerámicos: incluyen la producción de objetos o recubrimientos a partir de materiales esencialmente inorgánicos no metálicos; dichos objetos o recubrimientos se hacen permanentes y adecuados para propósitos utilitarios o decorativos mediante la acción del calor, a temperaturas los suficientemente elevadas como para provocar sinterizado, reacciones en el estado sólido, liga entre partículas, o bien conversión parcial o total al estado vítreo (ASTM C 242:1993) 4

Definiciones % iónico se puede calcular como: {1-exp[(-0,25).(X A -X B ) 2 ]}.100 X A y X B son las electronegatividades de los elementos en cuestión Estructura básica de los silicatos: tetraedro SiO 4-4 Definiciones Ordenado cristalino cuarzo, cristobalita, tridimita Desordenado amorfo

Definiciones Los vidrios son materiales sólidos que se obtienen por enfriamiento rápido de una masa fundida, impidiendo su cristalización Los materiales que comúnmente llamamos vidrio son vidrios constituidos por óxidos, principalmente silicatos. Pero hay otros elementos formadores de red (además del Si): B, P, Ge Estructura de un vidrio silicato sódico SiO 2 + NaO 2 El Na + puede reemplazarse por K +, Ca 2+, B 3+, Ba +, Pb +, Al 3+, Zn +, Mg +. Todos en forma de óxidos. Estos iones son modificadores de red. Abundancia de elementos en la corteza terrestre Orden Elemento % m/m % átomos % volumen 1 O 46,60 62,55 91,97 2 Si 27,72 21,22 0,80 3 Al 8,13 6,47 0,77 4 Fe 5,00 1,92 0,68 5 Ca 3,63 1,94 1,48 6 Na 2,83 2,64 1,60 7 K 2,59 1,42 2,14 8 Mg 2,09 1,84 0,56 9 Ti 0,44 0,20 0,02 10 H 0,14 3,00 <0,01 El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998

Cemento Qué materiales cerámicos reconoce en su vida diaria? Composición Estructura Propiedades Tipo de productos Aplicación Clasificación

Composición Óxidos silicatos sílice cristalina: cuarzo (trigonal), cristobalita (tetragonal) tridimita (triclínico) amorfa (mal llamado cuarzo fundido ) silicatos parcialmente sustituidos aluminosilicatos cerámicas tradicionales No silicatos puros Al 2, MgO, ZrO 2, TiO 2, BaO, BeO, Cr 2, UO 2, GeO 2, W No silicatos parcialmente sustituidos NiFe 2 O 4 (ferritas), CaSO 4 (yeso) Composición Caolinita típica arcilla Soluble en agua

Barbotina Es una suspensión coloidal diluida donde la interacción entre las partículas es despreciable Composición No óxidos monoelementos: C, S binarios carburos SiC, WC, B 4 C 3 boruros ZrB 4 nitruros BN, AlN, Si 3 N 4 siliciuros MoSi 2 calcogenuros incluye S halogenuros F, Cl, Br o I + otro elemento ternarios los anteriores parcialmente sustituidos por otros elementos o mezclas de óxidos y no óxidos como el refractario SiAlON (Al 2 + Si 3 N 4 )

Estructura Cristalinos Monocristalinos Policristalinos los más comunes No cristalinos amorfos vidrios Muchos materiales cerámicos pueden considerarse como materiales compuestos ya que están constituidos por fases vítreas y cristalinas, como las porcelanas. Estructuras fase vítrea (ligante) fase cristalina porosidad intragranular fase cristalina borde de grano porosidad intergranular

Estructura http://www.metallographic.com/procedures/si ALON%20ceramic.htm Propiedades Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos productos porosos sin recubrimientos Con recubrimientos (esmaltes) rojo blanco base rojo base blanca cerámicas rojas, ladrillos, bloques, tejas, macetas, refractarios filtros para agua, cementos, hormigones mayólicas, revestimientos lozas, sanitarios

Propiedades Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos rojo cerámicas gres, gres químico productos no porosos sin recubrimientos Con recubrimientos (esmaltes) blanco base rojo base blanca porcelanas técnicas, materiales refractarios gres esmaltado porcelana fina (vajilla) Tipo de producto Denominación Cerámica roja Cerámica blanca Refractarios Vidrios Cementos Abrasivos Cerámicas especiales Definición general y ejemplos productos de arcillas cocidas, generalmente porosos: ladrillos, tejas, bloques, revestimientos caolín-feldespato-cuarzo: lozas, porcelanas, sanitarios, usos técnicos sílico-aluminosos, alta alúmina, básicos, electrofundidos, productos amorfos, generalmente translúcidos: vidrios planos, envases, fibras, esmaltes Presentan características aglomerantes y adhesivas al ser mezclados con agua: cemento portland, yeso, cales, cementos aluminosos Alta dureza, para cortar y pulir: esmeril, carburo de silicio, diamante, carburos metálicos otros no incluidos en la lista anterior: semiconductores

Aplicación Eléctrica y electrónica aislantes: porcelanas, Al 2 ferroeléctricos: BaTi (capacitores) Piezoeléctricos: BaTi (transductores, osciladores) Semiconductores (óxidos de metales de transición): termistores, varistores Superconductores Conductores iónicos Magnéticas ferritas (XO) m (Fe 2 ) n, donde X puede ser Cd, Co, Cu, Ni, Fe, Mg, Zn Ópticas lentes, prismas (vidrios): oftalmología, instrumental óptico filtros ópticos translucidos (Al 2, vidrios) láser de estado sólido: vidrios de Nd 2, Y 2 + ThO 2 Aplicación Química sensores de gases (ZrO 2, SnO 2 ): alarmas, detectores sensores de humedad (MgCrO 4 ): hornos de microondas soporte de catalizadores electrodos (grafito, titanatos): industria química Térmica aislación térmica (refractarios): hornos transmisión térmica (SiO 2, SnO 2, TiO 2 ):calefactores Mecánica elementos estructurales (cerámica roja): construcción cementos, hormigones Abrasivos (Al 2, diamante, TiC, WC): corte, pulido, desbaste

Aplicación Nuclear combustibles nucleares: UO 2, PuO 2 Protección (vidrios con PbO, grafito, SiC, Al 2 ) Biológica prótesis óseas y dentales; recubrimientos Al 2 huesos artificiales (biovidrios) Ejemplos Materia prima para una porcelana común % Caolín Cuarzo Feldespato SiO 2 47,0 98,5 69,6 Al 2 36,4 0,8 17,5 Fe 2 0,8 0,4 0,1 CaO 0,2 0,3 0,8 MgO 0,2 Na 2 O 0,2 3,6 K 2 O 8,1 TiO 2 0,2 H 2 O 15,0 Mezcla % 50 25 25

Ejemplos Materia prima para vidrios silicato, % SiO 2 Al 2 Fe 2 CaO + MgO B 2 Na 2 O K 2 O Otros común de ventana 72-75 0,8 9-14 13-15 botella verde 67,4 5,9 1,5 10,0 0,1 11,9 1,7 0,8 MnO fibra de vidrio (tipo E) 54,5 14,5 22,0 8,5 0,5 termorre sistente 81,0 2,5 12,0 4,5 vidrios ITO (táctil capacitivo) 70-73 1-2 0,08-0,14 7-12 1-5 13-15 In 2 SnO 2 antiradiación gama 59,2 PbO 2 21,2 W 16,7 P 2 O 5 1,6 CdO Ejemplos SiO 2 20,0 C3S 54,1 Al 2 6,2 C2S 16,6 Fe 2 2,8 C3A 10,8 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 H 2 O Composición global Composición del cemento portland, % 63,5 1,5 C4AF otros C = CaO A = Al 2 S = SiO 2 F = Fe 2 Fases cristalinas 9,1 9,4

Ejemplos SiO 2 95-98 1,6 33,6 Al 2 0,3-3 4,9 2,7 Fe 2 0,3-3 8,6 0,3 CaO MgO Na 2 O + K 2 O Cr 2 12,8 TiO 2 0,2 0,3 Observaciones Refractarios >1000 C, % Sílice 0,3-5 Refractarios ácidos Magnesia cromo 1,2 70,9 Refractario básico circón 0,2 HfO 2 1,3; ZrO 2 61,2 Procesos de fabricación Materias primas Mezcla Conformado en frío Fusión Sinterizado Conformado en caliente Tratamientos posteriores Terminado Producto final

Sinterizado Conglomerar un material pulverulento sin llegar a la fusión, eventualmente con la ayuda de sustancias ligantes (ver cold sintering). El material pulverulento puede ser metálico (pulvimetalurgia) o cerámico Tipo Sinterizado con fase líquida Sinterizado en fase sólida Liga Química Metálica Vítrea Cerámica Ejemplos Cementos, yesos, cales (liga hidráulica) Refractarios (liga fosfática) Abrasivos (resina orgánica, ver cold sintering ) Placas de corte (cermets) 0,5-2% metal (Co, Ni, Fe) Porcelanas, productos de loza, cerámicas blancas y rojas, gres Refractarios electrofundidos Alúmina pura (99,5%) Cerámicas no oxídicas (carburos, nitruros, boruros) Grafito Sinterizado

Sinterizado 1500 C 1250 C + campo eléctrico AC 60 Hz Sinterizado de ZrO2 estabilizada con Y2O3 http://ceramics.org/ceramic-tech-today/processing-1/mechanism-for-electric-field-effects-during-sintering Procesos de fabricación de ladrillos y tejas

Procesos de fabricación de ladrillos y tejas Materias primas Arcillas rojas Agua Molienda Mezcla y amasado Tratamiento de materias primas Extrusora Cortadora Secado natural Conformado Horno de cocción 800 1000 C Sinterizado Deposito Producto final Procesos de fabricación de porcelanas y lozas

Procesos de fabricación de porcelanas y lozas Materias primas caolín, cuarzo, feldespato Agua Molienda Mezcla y humectación Filtro y prensa Amasado Tratamiento de materias primas Colado Prensado Torneado Conformado Secado Horno de cocción 900 1250 C bizcocho Sinterizado Procesos de fabricación de porcelanas y lozas Horno de cocción 900 1250 C biscocho Sinterizado Esmaltado Segunda cocción 1000-1100 C Decorado, aplicación y cocción 700-900 C Tratamiento posterior Deposito Producto final

Procesos de fabricación de productos de vidrio Procesos de fabricación de productos de vidrio Materias primas Minerales arena, caliza, feldespato, bórax Productos químicos Na 2 C Casco de vidrio (reciclado) Tratamiento de materias primas Molienda Mezcla Horno de fusión 1400 1550 C Fusión Soplado Prensado Colado, estirado, flotado Fibrado Otros Conformado

Procesos de fabricación de productos de vidrio Soplado Prensado (vidrio hueco) Colado, estirado, flotado (vidrio plano) Fibrado (fibras) Otros Conformado Templado térmico o químico Recocido corte, pulido, decorado, etc Tratamiento posterior Deposito Producto final Procesos de fabricación de productos de vidrio Templado químico Intercambio iónico de K por Na K introduce tensiones de compresión en la red Templado térmico Enfriamiento brusco para introducir tensiones de compresión en la superficie

Propiedades Eléctricas Mecánicas Térmicas Ópticas Biológicas Densidad Depende de la porosidad de la pieza Valores de densidad en g/cm 3 a 20 C para porosidad cero SiO 2 tridimita 2,26 C grafito 2,27 SiO 2 cristobalita 2,32 Vidrios Si-Na-Ca 2,40 a 2,50 SiO 2 cuarzo 2,65 Vidrios de plomo 2,80 a 6,20 Si 3 N 4 3,44 C diamante 3,51 Al 2 corindon 3,97 ZrO 2 baddeelyta 5,83 UO 2 rómbico 10,96

Dilatación Importante en la resistencia de tensiones mecánicas de origen térmico en materiales con baja conductividad Los vidrios termorresistentes se definen como aquellos con coeficiente de dilatación lineal menor a 5.10-6 C -1 Coeficiente de dilatación lineal α 0-1000 C 10-6 C -1 SiO 2 (amorfo) 0,5 Vidrio borosilicato 3,4 a 3,8 ZrSiO 4 (circón) 4,2 SiC 4,7 Refractarios Al-Si 5 a 6 Porcelana 6 a 6,5 TiC 7,4 Al 2 (corindón) 8,8 Vidrios Si-Na-Ca 9 a 9,5 MgO 13,5 SiO 2 (cuarzo) 18,9 alfa 20-500 C (www.matweb.com) AISI 304 18,3 alfa 0-500 C (www.matweb.com) acero al carbono 13 alfa 0-500 C (www.matweb.com) aluminio 1100 25 alfa 0-300 C (www.matweb.com) Propiedades eléctricas Tipo de material Ejemplos Temperatura de uso, K resistividad, Ω cm Mecanismo de conducción Aislador Porcelana eléctrica vidrios silicatos ambiente >10 8 Mínima conducción superficial por H 2 O absorbida Electrolito sólido β-al2o3 β-agi 300-1000 C 10-3 a 10-5 Conducción iónica por difusión de iones a través de la red Semiconductor Superconductor Fe 3 O 4, B 4 C 3, Ge, Si, C (grafito) Y x Sr x CuO 2 La x Ba x CuO 2 ambiente < 70K 10-2 a 10 3 < 10-5 Conducción electrónica por ocupación parcial de bandas de conducción Conducción electrónica, mecanismo desconocido

Propiedades mecánicas Los materiales cerámicos son frágiles a temperatura ambiente, en el caso de vidrios debe decirse a temperaturas por debajo de su temperatura de transformación (Tg) T > Tg viscoplástico T < Tg viscoelástico La resistencia a la tracción depende fuertemente del estado superficial La tenacidad depende de las imperfecciones en su interior Módulos de Young, GPa Material E Material E Material E Material E Grafito, 20% porosidad 9 Vidrio de Pb (20% PbO) 69 Refractario 65% Al 2 104 Alúmina 365 Vidrio borosilicato 68 Vidrio de sílice 72 Zr 2 O 152 MoSi 2 (5% porosidad) 407 Porcelana 69 Vidrio común Si-Na-Ca 72 MgO (5% porosidad) 210 SiC (5% porosidad) 468 Preguntas 1. Defina material cerámico. 2. Defina vidrio. De ejemplos de vidrios no cerámicos. 3. Cuál es la materia prima principal de los materiales que comúnmente llamamos vidrios? 4. Qué diferencia hay entre el templado térmico y el templado químico de un vidrio? 5. Para qué se utilizan los vidrios de plomo? 6. Qué tipo de producto es un vidrio flotado? 7. Qué característica principal tiene los vidrios al boro? 8. Qué es la barbotina? 9. Cuáles son las fases cristalinas más comunes del SiO 2? 10. En qué consiste el proceso de sinterizado? 11. Cómo se clasifican los procesos de sinterizado? 12. Qué es el sinterizado en frío?

Preguntas 13. Desde el punto de vista de la composición, qué clase de materiales son las arcillas? 14. Cuál es la estructura de las ferritas? Cuál es su uso? 15. Qué es la pulvimetalurgia? 16. Qué es un cermet? 17. Qué clase de material cerámico es la vidia, típica herramienta en procesos de mecanizo con arranque de viruta? 18. Cuáles son los componentes principales del cemento portland? 19. Describa genéricamente el proceso de fabricación de un vidrio templado. 20. Qué función cumple el sodio en un vidrio silicato? 21. Qué determina que un refractario sea ácido o básico? 22. Qué significa que un material sea refractario? Preguntas 23. Cuál es la diferencia entre el proceso de fabricación de un plato de vidrio y uno de porcelana? 24. Qué es la temperatura de transformación Tg de los vidrios? De qué depende? 25. Por qué no se utiliza el ensayo de tracción para caracterizar a los materiales cerámicos? Qué ensayo suele utilizarse?

Referencias Mari, E; Los materiales cerámicos; Editorial Alsina; 1998 Mari, E; Los vidrios; Editorial Alsina; 1982 www.matweb.com http://ceramics.org/ http://www.vasa.com.ar