INDICE.
1. INTRODUCCION
2. MATERIALES CERÁMICOS Y VITREOS. CONCEPTO
3. PROPIEDADES DE LOS M. CERÁMICOS Y VITREOS
4. FORMAS COMERCIALES.
5. CLASIFICACIÓN Y APLICACIONES
5.1 Productos Cerámicos tradicionales
5.2 Productos de cerámicas modernas
5.2.1 Cerámica refractaria
5.2.2 Cerámica avanzada
5.2.3 Cerámica tenaz
5.2.4 Cerámicas estructurales
5.2.5 Cerámicas funcionales o de usos electrónicos.
5.3 Vidrios
5.3.1 Vidrios silicios
5.3.2 Vidrio sódico-cálcicos
6. CONCLUSIÓN
1. INTRODUCCIÓN
En su amplio sentido se comprende bajo esta denominación un grupo de materiales preparados originariamente por moldeo y cocción de la arcilla.
Su aparición se remonta al periodo mesolítico usándose para la fabricación de ladrillos y recipientes. Ese uso sigue siendo muy común en la actualidad si bien el desarrollo de la tecnología ha traído la distinción entre materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos funcionales o para la ingeniería. Es más, existen necesidades técnicas donde las propiedades del material han de ser tan específicas que sólo pueden ser suplidas por estos materiales, siendo los aceros o los polímeros inservibles en general.
2. MATERIALES CERÁMICOS Y VITREOS.
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente por enlaces iónicos y/o covalentes. La cantidad de enlace iónico o covalente entre átomos es importante porque determinará en alguna medida qué tipo de estructura cristalina se formará en el compuesto cerámico.
Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente pues estos estarán formados desde compuestos sencillos como la alúmina (Al3O2) a mezclas de muchas fases complejas entrelazadas.
Una parte de los materiales vítreos se les incluye dentro de los materiales cerámicos, los llamados cerámicos vítreos; Los vidrios inorgánicos son sólidos en los que los átomos de sus componentes elementales forman una estructura altamente desordenada (aunque no totalmente amorfa), por ello se les denomina cerámicos no cristalinos.
Los vidrios carecen de un punto de fusión claramente definido, donde coexisten dos fases, la líquida y la sólida-vítrea simultáneamente. Esta transición se produce a una Tª dependiente de la velocidad de calentamiento o enfriamiento, definiéndose la llamada Tª de transición vítrea. TG
Por debajo de esta Tª los vidrios adquieren una movilidad reducida, dificultándose el que la masa se deforme y fluya. Esta viscosidad, está íntimamente ligada con la Tª y es una característica muy importante en su conformado.
Por debajo de la TG , las deformaciones son elásticas y viscosas verificándose la fragilidad propia de los vidrios.
3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS
En cuanto a las propiedades de los materiales cerámicos podemos decir, de forma general, que poseen:
1) Alto punto de fusión. Debido a la alta energía necesaria para la formación de sus enlaces, los cerámicos funden a muy altas temperaturas (Carburos de Ti y W, funden por encima de los 2500ºC). Esta propiedad es esencial para conservar su resistencia mecánica a elevadas temperaturas.
2) Pequeño coeficiente de dilatación y pequeña tensión de vapor, lo que les conferirá a las piezas cerámicas la capacidad de mantener sus dimensiones trabajando en condiciones de muy alta temperatura.
3) Alta dureza; compuestos como carburos de silicio (carborundum), carburos de W, oxido de aluminio…etc. poseen muy altas durezas (por encima de 1200HV) por lo que son utilizados como herramientas de corte y materiales abrasivos.
4) Alta resistencia química. A su estabilidad dimensional se le une también una excelente estabilidad química, resistiendo al ataque de gases degradantes (muy comunes a altas temperaturas de trabajo).
5) Baja conductividad calorífica. Dicha propiedad puede ser aprovechada para su uso como aislantes térmicos, si bien para otras aplicaciones representa un problema pues les confiere una escasa resistencia a los cambios bruscos de temperatura (choque térmico).
6) Alta fragilidad y Baja resiliencia. Como en la mayoría de los materiales, una gran dureza suele conllevar una fragilidad notable. Los cerámicos por lo general son muy poco dúctiles y frágiles en frío. Este será el principal inconveniente en su uso y su conformación.
Los vidrios por su parte tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión. Además son muy malos conductores eléctricos por lo que se usarán como aislantes eléctricos.
4. FORMAS COMERCIALES
Las formas comerciales en las que podemos encontrar los cerámicos en la industria dependerá lógicamente de su proceso de conformado. Dejando a un lado los vidrios, los materiales cerámicos poseen muy poca maleabilidad, tanto en frío como en caliente por lo que no pueden ser conformados, a priori, por deformación plástica. Tampoco podrán ser mecanizados pues son muy frágiles y poco elásticos. ¿Cómo se conforman entonces? Para ello será necesario mezclar las partículas cerámicas junto con plastificantes. Cualquiera que sea el tipo de cerámica, su fabricación comprende las cuatro fases siguientes:
1. Preparación, donde se trituran las materias primas, se fraccionan y se mezclan los distintos componentes junto con adición de agua, aglutinantes y desecadores.
2. Conformación, es decir, el proceso de dar forma definitiva al material, en general según formatos normalizados. Se suele realizar en prensas automáticas.
3. Desecación, Se trata en ella de liberar a la pieza conformada del agua y los demás líquidos que se adicionan en la primera fase.
4. Cocción. El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que la fabricación y propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina cocción.
En este proceso no sólo es importante la Tª que se alcanza (1300ºC-1700ºC), si no también, y de modo muy especial, el modo de alcanzarla y el de enfriamiento. De esta forma se consigue una especie de sinterización dotando a las piezas de uniformidad estructural y solidez.
Además de por su composición, las diferencias entre las distintas clases de cerámicos radican en su procesado (principalmente en su Tª máxima de cocción).
El procesado del vidrio difiere completamente. Por encima de la TG los vidrios son muy maleables y dúctiles siendo aptos para la conformación por deformación, según:
· Laminación, consiguiendo vidrios planos de diferentes espesores.
· Soplado y Colado por rotación, obteniendo formas huecas con la forma deseada.
· Estirado, para la producción de filamentos y fibras de gran longitud…etc.
5. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Y APLICACIONES
Dependiendo de la bibliografía consultada encontraremos infinidad de clasificaciones de los materiales cerámicos si bien los autores coinciden en realizar una primera división entre materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en la ingeniería.
5.1 Productos cerámicos tradicionales
Los cerámicos tradicionales están constituidos por tres elementos básicos: arcilla, feldespato y sílice.
La arcilla es la componente fundamental; está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratado junto con pequeñas cantidades de óxidos de Ti, Fe, Ca…etc. Los altos contenidos de arcilla mejoran la conformabilidad. El feldespato reduce la Tª de horneado o cocido y finalmente la sílice actúa como partícula endurecedora a la vez que le confiere propiedades refractarias.
Dentro de la cerámica denominada tradicional se fabrican ladrillos, baldosas, losetas…produciéndose una vitrificación muy débil pues su cocción se realiza a bajas temperaturas.
Mejorando la arcilla de la composición y aumentando la Tª de cocción iremos consiguiendo progresivamente mayores vitrificaciones, menores porosidades y mayores durezas. De esta forma se obtienen la Loza, el GRES o la Porcelana.
Las propiedades de estas cerámicas cumplen con su cometido en sus principales usos que son el campo de la construcción, los usos ornamentales, aisladores eléctricos…etc.
5.2 Productos de cerámicas modernas
Bajo este nombre se conocen aquellos materiales cerámicos que no siendo vidrios ni tampoco materiales cerámicos tradicionales se usan en la en la industria con muy diversos fines. Dentro de este amplio grupo encontramos:
5.2.1 Cerámica refractaria
Las industrias donde se llevan a cabo procesos a muy altas temperaturas requieren materiales capaces de mantener su resistencia mecánica, a la vez que no sean atacados químicamente cuando se trabaja en dichas condiciones.
A estos materiales se les denomina refractarios. En general pueden citarse tres requisitos específicos de ellos: su resistencia a altas Temperaturas (estabilidad física), resistencia en atmósferas agresivas (estabilidad química) y reducido coeficiente de dilatación (estabilidad dimensional).
Los refractarios industriales se dividen comúnmente en ácidos y básicos. Los primeros se basan mayoritariamente en óxidos de silicio y de alúmina mientras que los básicos (más caros) en Oxidos de Magnesio, CaO y Cr2O3.
Como comentamos ambas clases de refractarios se usan en forma de ladrillos, losetas y elementos constructivos en general en hornos, hogares de quemadores, reactores químicos…etc.
5.2.2 Cerámica avanzada
Se aplica el calificativo de avanzada a la cerámica desarrollada en los últimos decenios para satisfacer las necesidades de materiales de altas prestaciones de todo tipo, que no quedaban cubiertas ni por las aleaciones metálicas ni por los polímeros orgánicos.
Estas prestaciones son tales como altísima dureza, resistencia cambios de temperatura, bajas conductividad eléctrica y térmica…etc. Todas estas propiedades resultan en ocasiones desaprovechables a causa de la dificultad de su producción y sobretodo de su FRAGILIDAD.
Como materiales cerámicos avanzados cabe destacar a el Oxido de Aluminio (alúmina), carburos de boro y silicio (carborumdun), nitruro de boro, todos ellos utilizados como elementos de corte en herramientas, elementos abrasivos…etc.
5.2.3 Cerámica tenaz
Como decimos la fragilidad es un problema inherente a los productos cerámicos. Las causas de la fragilidad son dos principalmente: la existencia de defectos o discontinuidades donde se concentran las tensiones así como intensos gradientes térmicos que originan tensiones extraordinarias.
Debido a este problema se acuña el término de cerámica tenaz a aquellos materiales donde se minimiza este defecto eliminando defectos de la superficie mediante un prensado en caliente o adicionando partículas o fibras que frenen el crecimiento de las grietas.
5.2.4 Cerámicas estructurales
Se incluyen aquí las herramientas y elementos de máquinas en los que forman parte esencial piezas cerámicas de altas prestaciones mecánicas y/o térmicas tales como por ejemplo hileras de extrusión o trefilado, cuchillas, cojinetes, prótesis, cabezas de pistones, cámaras de precombustión…etc.
Por su naturaleza pueden ser oxídicas, de color blanco o no oxídicas (a base de nitruros de silicio, de aluminio o de boro, con o sin partículas de refuerzo de carborumdun o alúmina) son de color oscuro.
5.2.5 Cerámicas funcionales o cerámicas electrónicas
Las propiedades eléctricas y magnéticas de algunas cerámicas, que disponen de determinadas estructuras cristalinas, encuentran una gran aplicación en el campo de la electrónica y electrotecnia, en las que desempeñan funciones específicas, por lo que constituyen un sector independiente en la industria cerámica.
Entre las cerámicas funcionales o electrónicas podemos distinguir entre las siguientes clases según sus propiedades y fines:
Þ Ferromagnéticas
Þ Ferroeléctricas
Þ Piezoeléctricas
Þ Dieléctricas
Þ Semiconductores
Las especiales características físicas y químicas de estos cerámicos están basados en los enlaces interatómicos en su estructura. Así, por introducción de átomos extraños en la estructura tridimensional es posible modificar a voluntad las propiedades ópticas o electrónicas.
El avance espectacular de la electrónica en las últimas décadas hubiese sido inimaginable si el desarrollo de este tipo de materiales.
5.3 Vidrios
5.3.1 Vidrios Silicios
Los vidrios de Sílice pura o cuarzo reúnen unas propiedades excepcionales: magnifica transparencia, resistencia mecánica y al choque térmico, resistencia al ataque químico, mínima conductividad eléctrica…etc. Sin embargo su alta temperatura de fusión y la elevada viscosidad que presentan estos vidrios, les obliga ser trabajados por encima de los 2000º C por lo que son excesivamente caros para su uso en aplicaciones donde no se requieren grandes prestaciones, como son las habituales de la industria de la construcción, automovilística…etc.
5.3.2 Vidrios sódico-cálcicos
La adición de sosa (Na2O) al oxido de silicio proporciona vidrios que funden a temperaturas inferiores a los 1000ºC y que además no son tan viscosos como los exclusivamente silicios, por lo que se trabajan con mucha mayor facilidad. También se le añaden oxido de calcio para aumentar su solubilidad.
El uso de estos vidrios encuentra aplicaciones en muchos sectores de la industria tales como la construcción, vidriado de vehículos, lámparas, industria química, contenedores alimenticios (botellas, jarras, envases), aislamientos eléctricos…etc.
En otras ocasiones se utilizan óxidos de boro u óxidos de plomo como fundentes y estabilizadores respectivamente. Se obtienen así propiedades diversas (resistencia química o térmica) en función del fin buscado.
6. CONCLUSIÓN
Finalizaremos la exposición, mediante un ejemplo curioso que puede ilustrar las características generales de los materiales cerámicos.
Hace un par de décadas, Toyota investigó la producción de un motor cerámico el cual podía funcionar a temperaturas superiores a 3300 °C. Los motores cerámicos no requerían sistemas de ventilación y por lo tanto permitían una mayor eficiencia en el uso de combustible, hasta un 40% mayor.
A pesar de todas estas propiedades deseables, tales motores nunca llegaron a comercializarse ¿Por qué? Pues porque la manufactura de las partes cerámicas era muy dificultosa y además las imperfecciones en la cerámica conducían a quiebras y roturas.