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TEMA 7. MATERIALES CERÁMICOS
INDICE
1. Introducción
2. Materiales cerámicos no cristalinos (Vidrios)
3. Materiales cerámicos cristalinos
1. Propiedades mecánicas de los cerámicos
2. Aplicaciones de los cerámicos
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Compuestos constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos
mediante enlace iónico o iónico con carácter covalente óxidos, nitruros,
carburos
Elevada dureza, refractarios (alto punto de fusión), baja conductividad eléctrica y
térmica, alta estabilidad química y térmica, elevada resistencia a compresión, alta
resistencia a corrosión y desgaste
Inconveniente: Baja tenacidad a fractura (fragilidad)
Inertes y biocompatibles: aplicaciones en implantes y articulaciones
Aplicaciones: muy variadas, ladrillos, alfarería, loza, porcelana china, sanitarios,
cristales de ventana, materiales refractarios, imanes, aislantes eléctricos,
abrasivos.
INTRODUCCIÓN
¿¿ Qué es un cerámico ??
¿¿ Cuál es la diferencia entre CERÁMICO y METAL ??
CERÁMICO
Frágil
Alta Tª de fusión
Baja conductividad del calor y electricidad
METAL
Dúctil
Alta conductividad eléctrica y del calor
Puede ser magnético
INTRODUCCIÓN
CLASIFICACIÓN SEGÚN ESTRUCTURA
• CERÁMICAS CRISTALINOS
– Silicatos tradicionales (SiO2)
– Compuestos Oxídicos y No Oxídicos
• VIDRIOS
– Cerámicas No Cristalinas composiciones comparables a la de los
cristalinos
• Vidrios de silicato (SiO2)
• Vidrios no silicato
• VITROCERÁMICAS conformación como vidrios + cristalización controlada
INTRODUCCIÓN
1. CERÁMICOS TRADICIONALES
Productos arcillosos arcilla (Al2O3· SiO2·H2O), Sílice (SiO2) y feldespatos (K2O· Al2O3 6SiO2)
• Cerámica porosa (ladrillos, alfarería, loza)
• Cerámica compacta (porcelana, gres)
• Cerámica refractaria (porcelana para aislantes térmicos)
2. CERÁMICOS AVANZADOS
Materiales de altas prestaciones desarrollados con propiedades especificas, alto coste
• Cerámicas refractarias (SiC, Al2O3, ZrO2, BeO, MgO)
• Piezoeléctricos y ferroeléctricos: BaTiO3, SrTiO3
• Cerámicas abrasivas: nitruros y carburos (Si3N4, SiC)
• Cerámicas superconductoras (YBa2Cu3O7)
• Cerámicas biocompatibles: Hidroxiapatita Ca10(HPO4)6(OH)2
3. VIDRIOS: Estructura no cristalina o amorfa
• Silíceos: basados en sílice (SiO2, CaO, Al2O3, Na2O…)
• No silíceos (B2O3, P2O5…)
4. Cemento y hormigón
5. Rocas y minerales
CLASIFICACIÓN Y TIPOS
INTRODUCCIÓN
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INTRODUCCIÓN
Vidrios: basados en la sílice (SiO2) principales son el vidrio común y los vidrios
borosilicatos para aplicaciones a alta Tª
¿¿Vitrocerámicas??: productos de arcilla, se conforman en estado húmedo
(estado plástico), se secan y se cuecen fases cristalinas (la mayoría silicatos)
unidas por fase vítrea (SiO2)
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INTRODUCCIÓN
Cerámicas de altas prestaciones: Desarrollo de cerámicas con Kc más altos y
población de defectos más pequeños. Aplicaciones de ingeniería, herramientas de
corte…
Cemento y hormigón: cemento, mezcla de óxidos de calcio o cal (CaO), sílice
(SiO2) y alúmina (Al2O3) que fragua cuando se mezcla con agua
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Cerámicas naturales: rocas y minerales
Materiales compuestos: Cerámicos, rigidez y dureza se combinan con la
tenacidad de polímeros y metales
INTRODUCCIÓN
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Estructura cristalina
• Átomos dispuestos y unidos según
distribución regular y repetitiva en el espacio
• Ordenamiento de largo alcance
• Cerámicas iónicas y covalentes
Estructura amorfa
• Disposición de los átomos de forma irregular
y aleatoria
• Ordenación de corto alcance
• Carecen de ordenamiento a largo alcance
• Vidrio (silicatos)
ESTRUCTURA ATÓMICA
Esquema bidimensional de una red de sílice
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TEMA 7. MATERIALES CERÁMICOS
2. Materiales cerámicos no cristalinos: VIDRIOS
Estructura y composición de los vidrios
Tipos de Vidrios
Procesado de Vidrios
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Material cerámico amorfo que se fabrica a elevadas temperaturas
Composición: silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos CaO, Na2O,
K2O, Al2O3
Combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente y una excelente
resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes
Aplicaciones típicas: recipientes, ventanas, lentes, fibra de vidrio…
Tienen una estructura no cristalina o amorfa: átomos que los constituyen no
están colocados en un orden repetitivo de largo alcance como existe en un sólido
cristalino
Óxidos formadores de vidrio
Óxidos modificadores de vidrio
Óxidos intermedios
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
17
Vidrios de sílice: vidrios inorgánicos basados en la sílice: SiO2
Unidad fundamental: tetraedro SiO44-
Red en el espacio: cadenas de tetraedros de sílice SiO44-
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
ÓXIDOS FORMADORES DE RED
Óxidos que forman poliedros con bajos nº de coordinación
Cristobalita: tetraedros se encuentran
unidos compartiendo vértices en una
disposición regular que produce un orden
de largo alcance
Vidrio: tetraedros se retuercen sobre
sí mismos formando una red dispersa
sin orden de largo alcance ninguno
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Vidrios de Óxido de boro (B2O3)
También un óxido formador de vidrio
Forma subunidades triangulares planas (BO33-) con el átomo de boro ligeramente
fuera del plano de los átomos de oxígeno
Vidrios de borosilicato a los que se han adicionado óxidos alcalinos y
alcalinotérreos: triángulos de BO33- pueden pasar a tetraedros BO4
4-, en los que los
cationes alcalinos y alcalinotérreos proporcionan la neutralidad electrónica
necesaria
Aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, como los vidrios de
borosilicato y aluminoborosilicato
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
ÓXIDOS FORMADORES DE RED
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ÓXIDOS MODIFICADORES DE RED (fundentes)
Óxidos alcalinos (Na2O y K2O) y alcalinotérreos (CaO y MgO) que rompen la
estructura reticular del vidrio reduciendo su viscosidad (mejoran su conformado)
Efecto de óxido modificador (Na+) al
romper la continuidad de la sílice
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
Átomos de oxígeno de estos óxidos
alcalinos o alcalinotérreos, entran en la red
de la sílice, en los puntos de unión de los
tetraedros:
- Rompen el entramado
- Producen átomos de oxígeno con un
electrón libre que se combina con los iones
metálicos Na+
y K+
que quedan de forma
intersticial en la red
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ÓXIDOS INTERMEDIARIOS
Alúmina o circona: Al3+ o Zr2+ sustituyen al silicio en los tetraedros
Como valencia Al es +3 en lugar de +4: en el tetraedro, los cationes alcalinos deben
suministrar la carga eléctrica necesaria para producir la neutralidad
Óxido de plomo: óxido intermediario que se incorpora a algunos vidrios de sílice
Algunos de estos óxidos intermediarios actúan en ocasiones como modificadores de
red
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
Vidrio de red
modificado,
sodocálcico
Vidrio de óxido
intermedio,
alúmina-sílice
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CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
VIDRIO COMPOSICION /CARACTERISTICAS APLICACIONES
Vidrios de
sílice
fundida
(Sílice
vítrea)
sílice de alta pureza
Alta transmisión espectral y no se produce daño de
radiación que origina coloración en otros vidrios
Altas temperaturas de servicio
Caros y de difícil de procesar
Vidrio ideal para lunas
vehículos espaciales y
túneles aerodinámicos y
para sistemas ópticos
en dispositivos
espectrofotométricos
Vidrios
sodio-
cálcicos
Composición básica:71-73% SiO2,12-14% Na2O y 10
-12% de CaO
Na2O y el CaO disminuyen punto de fusión desde
1600°C a 730°C: facilidad de conformado
Adición 1-4% MgO para evitar desvitrificación y 0,5-
1,5% alúmina para aumentar su duración
Más corriente: alrededor del 90% de todoel vidrio que
se fabrica
vidrios planos,
ventanas, objetos
prensados y soplados,
productos ligeros para
los que no se precise
una elevada resistencia
química o al calor
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CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
VIDRIO COMPOSICION/CARACTERISTICAS APLICACIONES
Vidrios de
borosilicato
Red con poliedros triangulares de B2O33-y
tetraedros de SiO44-
B2O3 entra en la red de la sílice debilita su
estructura y reduce considerablemente el
punto de reblandecimiento del vidrio
Vidrios de borosilicato y Pyrex, se
usan para equipos de laboratorio,
tuberías, hornos y faros de
lámparas reflectoras
Vidrios al
plomo
Muy bajo punto de fusión y se utilizan
para soldar vidrios de cierre hermético
Vidrios de alto contenido en
plomo se utilizan en ventanas
para proteger de la radiación de
alta energía, carcasas de
lámparas fluorescentes y
lámparas de televisión
vidrios ópticos y decorativos
25
Sólido cristalino: tiene una temperatura definida de fusión
a la que el líquido se transforma en sólido (camino ABC)
disminución drástica del volumen con la temperatura
Vidrio: al disminuir la temperatura se hace más viscoso
(camino AD). Disminución gradual del volumen
Se transforma desde un estado plástico, blando y elástico
a un estado vítreo, quebradizo y rígido en un intervalo
reducido de temperaturas, donde la pendiente de la curva
volumen específico frente temperatura es marcadamente
decreciente
Tª donde hay cambio de pendiente: Temperatura de
transición vítrea (Tg)
T < Tg vidrio
T > Tg líquido subenfriado
PROCESADO DE VIDRIOS
Representación variación del volumen
específico frente a la temperatura
Comportamiento durante la solidificación vidrio es diferente a metales y materiales cristalinos
Tg = Tª transición vítrea
Tm =Tª fusión material cristalino
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
26
PROCESADO DE VIDRIOS
Tema 6: Materiales Cerámicos
Efecto de la Tª sobre la viscosidad de varios
tipos de vidrios cuya composición aparece
en la tabla de vidrios
Operaciones de conformado importancia de variación de viscosidad con Tª
Punto de fusión Tª para viscosidad:10 Pas,
Vidrio fluido (líquido)
Punto de trabajo Tª para viscosidad: 103 Pas
Facilidad de deformación
Punto de ablandamiento Tª para viscosidad:
4x106 Pas; Tª máxima manipulación del vidrio sin
producir alteraciones dimensionales apreciables
Punto de recocido Tª para viscosidad: 1012 Pas
difusión atómica es rápida eliminación de
tensiones residuales
Punto de deformación Tª a la cual viscosidad es
3x 1013 Pas; vidrio rígido se produce fractura
antes que deformación plástica
Operaciones de conformado intervalo entre Tª de
trabajo y ablandamiento
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
27
PROCESADO DE VIDRIOS
Mayoría vidrios comerciales: sílice-sosa-cal
Materias primas: sílice como arena de cuarzo común; Na2O como ceniza de sosa (Na2CO3) y
CaO como piedra caliza (CaCO3)
Materias primas se calientan a temperatura por encima de fusión
Importante eliminar porosidad durante el procesado: burbujas de aire en el fundido
Métodos: Prensado, Soplado, Estirado, conformado en láminas y conformado
en fibras
Prensado
Aplicación de presión en un molde de fundición
recubierto de grafito con forma deseada, molde
calentado para asegurar superficie lisa
Es necesario Recocido final
Artículos planos como lentes ópticas, lentes para
faros
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
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Soplado
A mano (objetos de arte); automatizado para botellas,
bombillas….
Masa de vidrio se coloca en una preforma temporal por
prensado mecánico en un molde.
Pieza se coloca en molde final de soplado y por presión de
aire inyectado adquiere la forma del contorno del molde
Artículos huecos como botellas, jarras, bombillas.
Estirado
Conformado de piezas largas como barras, tubos y fibras de
sección constante
Masa de vidrio fundido se hace pasar por unos rodillos
(laminación)
Recocido final
PROCESADO DE VIDRIOS
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
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Laminación de vidrio
Producción de vidrio para ventanas y vidrio plano
Las materias primas se funden en extremo del horno-tanque y fluyen hacia el otro extremo un
tiempo para eliminar las burbujas
Al final del horno pasa por rodillos, donde se controla la Tª para que el vidrio tenga la
viscosidad correcta
A continuación pasa la lámina de vidrio al horno de recocido donde se eliminan tensiones
residuales
La plancha de vidrio necesita acabado superficial esmerilado y pulido
PROCESADO DE VIDRIOS: EN LÁMINAS
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
30
Flotación de vidrio
Lámina de vidrio sale del horno de fusión y flota sobre superficie de un baño de Sn fundido
La lámina se enfría mientras se mueve a través del Sn fundido, bajo atmósfera controlada
químicamente
Cuando la superficie está suficientemente dura se saca del horno y se hace pasar a través de
rodillos lisos, para no dañar la superficie, a un horno de recocido, donde se eliminan
tensiones residuales
Se consigue una planitud y acabado superficial especular no es necesario esmerilado y
pulido
PROCESADO DE VIDRIOS: EN LÁMINAS
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
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Recocido
Calentamiento hasta punto de recocido y enfriamiento lento hasta Tª ambiente
Enfriamiento desde temperaturas elevadas en cerámico origina tensiones internas
controlar diferencias entre la velocidad de enfriamiento y contracción térmica entre zona
superficial e interior
Importancia en vidrios choque térmico
Temple
Calentamiento a Tª ablandamiento <Tª > Tg y enfriamiento en agua o baño de aceite
Tensiones residuales debido a la diferencia de enfriamiento entre superficie e interior
La superficie se enfría mas rápido y a Tª < punto de deformación adquiere rigidez, mientras el
interior todavía es plástico
El enfriamiento de zona interior da lugar a tensiones de tracción en interior y de compresión
en exterior
Aumento de resistencia del vidrio templado introduciendo tensiones de compresión
Utilización cristales de seguridad, en puertas, automóviles, lentes…
PROCESADO DE VIDRIOS: Tratamiento térmico de los vidrios
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
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Fabricación de fibra de vidrio
El vidrio se funde en un depósito con
resistencias de platino
Fluye por gravedad sobre placas
perforadas de Pt (204 agujeros)
Las fibras se enrollan en un tambor a
1000 m/min (hebra o strand)
El radio de las fibras (8-15 mm) se
controla por nivel del depósito,
viscosidad, la velocidad de giro, etc
Recubrimiento polimérico (size): protege,
une, lubrica, antiestático
PROCESADO DE VIDRIOS
CERAMICOS NO CRISTALINO: VIDRIOS
33
TEMA 6. MATERIALES CERÁMICOS
2. Materiales cerámicos cristalinos
Cerámicos cristalinos iónicos
Cerámicos cristalinos covalentes
Porcelanas y Cerámicas triaxiales: arcillas
Vitrocerámicas
Cementos
Cerámicas avanzadas
Procesado de Cerámicos
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Estructuras más complejas que materiales metálicos
Factores que determinan la estructura cristalina:
- Carga eléctrica neutralidad
- Tamaño de radio iónico rC < rA estructuras estables catión rodeado por el
mayor numero posible de aniones Nº de coordinación
- Nº de coordinación depende del valor crítico rC / rA
INESTABLE ESTABLE ESTABLE
Configuraciones estables e inestables de aniones y cationes
CERAMICOS CRISTALINOS
36
CLORURO SÓDICO (NaCl)
Nº coordinación (catión y anión) = 6 (octaedro)
0.414 < rc/ra > 0.732
Estructura cúbica centrada en las caras:
- ANIONES (Cl-): centros de cara y vértices
- CATIONES (Na+): centros arista y centro cubo
Posiciones aniones y cationes intercambiables
Cerámicos: NaCl, MgO, MnS, LiF y FeO
CERAMICOS CRISTALINOS IÓNICOS
ESTRUCTURAS TIPO AB: igual nº cationes que aniones
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ESTRUCTURA CLORURO DE CESIO (CsCl)
Nº coordinación (catión y anión) = 8 (cubo)
0.732 < rc/ra > 1
Estructura cúbica centrada en el cuerpo:
- ANIONES: vértices
- CATIONES: centro del cubo
Posiciones aniones y cationes intercambiables
CERAMICOS CRISTALINOS IÓNICOS
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ESTRUCTURA BLENDA (ZnS)
Nº coordinación (catión y anión) = 4 (tetraedro)
0.225 < r+ / r - > 0.414
Estructura cúbica:
- ANIONES: centros de cara y vértices
- CATIONES: huecos tetraédricos
Posiciones aniones y cationes intercambiables
Cerámicos con estructura ZnS: ZnS, ZnTe y SiC
CERAMICOS CRISTALINOS IÓNICOS
39
Resumen de estructuras cristalinas más comunes en materiales cerámicos
CERAMICOS CRISTALINOS IÓNICOS
40
SiO2 se combina con MgO, CaO o Al2O3
Cationes Ca2+, Mg2+ y Al3+ : compensan
cargas negativas y enlace iónico entre
tetraedros
Estructuras complejas, clasificación según
disposición de tetraedros (relación MO/SiO2)
Dímeros de Sílice: 2 tetraedros comparten
1O
Cadenas de silicatos: tetraedros comparten
2O y el otro se une por el catión metálico
Estructuras laminares: tetraedros comparten
3O
Sílice pura: tetraedros comparten 4 O
CERAMICOS CRISTALINOS COVALENTES
SILICATOS
41
SILICE (SiO2)
Red tridimensional átomos de O de cada tetraedro compartidos con tetraedros adyacentes
Estructura cristalina colocación regular de tetraedros
Tres formas polimórficas cuarzo, cristobalita y tridimita
Estructuras complicadas, abiertas, poco compactas baja densidad y alta temperatura
fusión (Ej: cuarzo 2,65 g/cm3)
VIDRIOS DE SILICE SiO2 amorfa
Razón radios Si+4 y O-2 es 0,29
Cationes Si+4 está rodeado de 4 aniones
O-2 en los vértices del tetraedro
Enlazando cuatro tetraedros en la
celdilla unidad
CERAMICOS CRISTALINOS COVALENTES
42
Estado metaestable del carbono a T y P ambiente
Estructura blenda: todos los átomos de C
Cada C unido covalentemente a 4 C
PROPIEDADES:
Muy elevada dureza
Alta conductividad térmica
Transparente al visible e IR
Alto índice de refracción
CERAMICOS CRISTALINOS COVALENTES
DIAMANTE
43
Más estable a T y P ambiente
Estructura por capas
En una capa cada C unido por enlace convalente a
3 C (hexagonal)
Entre capas, cada C unido por enlace van der Waals
a 1C
PROPIEDADES:
Excelentes propiedades lubricantes
Alta resistencia química en atmósfera no-oxidante
Alta conductividad térmica
Bajo coeficiente de dilatación térmico
Alta resistencia al choque térmico
Alta adsorción de gases
Fácil mecanización
CERAMICOS CRISTALINOS COVALENTES
GRAFITO
44
Cerámicas tradicionales constituidas 3 componentes básicos: arcilla, cuarzo (SiO2) y
feldespato potásico (K2O.Al2O3.6SiO2)
Tipos:
- Materiales con alta plasticidad: arcillas, lozas y porcelanas
- Materiales de mayor resistencia tanto mecánica como química: gres
- Materiales con alta resistencia al calor: materiales refractarios
Arcilla: compuesta principalmente silicato de aluminio hidratado (Al2O3.SiO2.H2O) con
pequeñas cantidades de óxidos TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O
PORCELANAS Y CERÁMICAS TRIAXIALES
Productos estructurales arcilla: más económicas y fácil de conformar, se utiliza para la
fabricación de ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas y como material de
solado, ladrillo, tuberías, tejas, losetas…
Porcelanas: productos cerámica fina y artículos sanitarios, mismos componentes aunque
con un control importante en su composición
Porcelana típica: 50% arcilla, 25% cuarzo y 25% feldespato
CERAMICOS CRISTALINOS
45
PORCELANAS Y CERÁMICAS TRIAXIALES
Composición química de algunas arcillas industriales
Tipo de pasta Caolín Arcilla plástica
Feldespato Sílex Otros
Porcelana dura 40 10 25 25
Artículos aislantes eléctricos 27 14 26 33
Sanitarios vítreos 30 20 34 18
Aislantes eléctricos 23 25 34 18
Tejas vítreas 26 30 32 12
Porcelana fina semivítrea 23 30 25 21
Porcelana inglesa 25 15 22
Loza hoteles 31 10 22 35 2CaCO3
Porcelana dental 5 95
Algunas composiciones químicas triaxiales en cerámica fina
CERAMICOS CRISTALINOS
46
Cerámicas refractarias
Soportan elevadas Tª sin fundir ni descomponerse e inertes a medios agresivos
Elevada pureza en sus materias primas así como un estricto control de procesado
PORCELANAS Y CERÁMICAS TRIAXIALES
Tipos:
Arcillas refractarias: aluminosilicatos con un 55 y 70% de Al2O3
Se moldean fácilmente y refractariedad aumenta con contenido de alúmina
Más caras que los ladrillos comunes: se utilizan para construcción de hornos
Refractarios ácidos:
Refractarios de sílice: alta refractariedad y elevadas propiedades mecánicas a Tª elevadas,
cercanas a su punto de fusión
Refractarios de alta alúmina: contenidos superiores 95% Al2O3 elevada refractariedad pero
muy caros
Refractarios básicos: ricos en oxido de magnesio calcinado
Refractarios especiales
CERAMICOS CRISTALINOS
48
VITROCERÁMICAS
Desvitrificación transformación mediante tratamiento a temperatura elevada de estado no
cristalino (amorfo) a estado cristalino
Proceso evitado en el vidrio vidrio policristalino no transparente y frágil por las tensiones
originadas en cambios de volumen
Control de transformación de desvitrificación material de grano muy pequeño libre de
tensiones residuales vitrocerámica
Se añade agente nucleante TiO2
Composición 40-70 % SiO2, 10-35 % Al2O3, 10-30 % MgO, 7-15% TiO2
Propiedades
•Bajo coeficiente de dilatación térmica no experimenta choque térmico
•Resistencia mecánica y conductividad térmica alta
•Facilidad de fabricación
Aplicaciones artículos de cocina para hornos, aisladores y sustratos de placas de circuitos
integrados
CERAMICOS CRISTALINOS
49
CEMENTOS
Cemento silicato tricálcico , silicato bicálcico, aluminato tricálcico, ferrito aluminato
tetracálcico y otros componentes secundarios (óxido de Ca, de Mg, de Na, de K, de S...)
Constituyente principal del hormigón. Producción en cantidades elevadas
En presencia de agua hidratación de los componentes formación de una red de
silicatos hidratados que aportan la resistencia mecánica fraguado y endurecimiento a Tª
ambiente
Endurecimiento por hidratación no por tratamiento térmico
Cemento Portland: Molienda y mezclado de arcilla y caliza que es calentada a 1400 ºC en
horno giratorio (calcinación) se obtiene el clinker
Clinker se tritura hasta obtener polvo muy fino que se mezcla con el yeso (CaSO4·2H2O)
Constituyentes; silicato tricalcico y silicato dicalcico que en el fraguado (reacción con agua)
da lugar al cemento
3 CaO·SiO2 + (x-1) H2O Ca2SiO4·xH2O + Ca(OH)2 + calor
CERAMICOS CRISTALINOS
50
Cerámicas técnicas, avanzadas o de ingeniería: constituidas principalmente de óxidos,
carburos o nitruros puros
Aplicaciones en motores de combustión debido a su resistencia a elevadas Tª y excelentes
resistencias a corrosión y desgaste
Más importantes : alúmina Al2O3, nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circona,
(ZrO2) combinados con algunos óxidos refractarios
CERAMICAS AVANZADAS
Tema 6: Materiales Cerámicos
Temperaturas de fusión y propiedades mecánicas
CERAMICOS CRISTALINOS
52
PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: ARCILLAS
Hidroplasticidad: minerales de arcilla al añadir
agua se vuelve plásticos, se pueden conformar.
Después se secan para eliminar agua y
tratamiento térmico para aumentar resistencia
Materia prima con tamaño de partícula adecuado
se mezcla con agua : Masa hidroplástica que
tiene plasticidad y flexibilidad adecuada para su
moldeo, secado y cocción sin fisuración
Técnica extrusión: masa cerámica se hace pasar
a través del orificio de matriz con geometría de la
sección deseada (similar a extrusión de metales)
Fabricación de ladrillos, tuberías, bloques
cerámicos y azulejos
Técnicas de conformado de cerámicas cristalinas. a)
compresión. b) compresión isostática, c) extrusión
Tema 6: Materiales Cerámicos
CONFORMACIÓN HIDROPLÁSTICA
CERAMICOS CRISTALINOS
53
PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: ARCILLAS
MOLDEO EN BARBOTINA (Slip casting)
Barbotina: suspensión de arcilla y/o otros
materiales plásticos en agua
Barbotina se vierte en un molde poroso de
yeso que absorbe el agua de la suspensión
hasta que pieza se hace sólida (a medida
que la pieza se seca se contrae y se
despega del molde)
Tema 6: Materiales Cerámicos
CERAMICOS CRISTALINOS
54
PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: ARCILLAS
Pieza que se obtiene de la barbotina o hidroplásticamente: alta porosidad y baja resistencia
SECADO
Eliminación de humedad que contiene la pieza conformada en barbotina o hidroplásticamente
se obtiene el “Cuerpo verde”
Critico la velocidad de difusión y evaporación del agua en la superficie
Secado uniforme control de Tª y humedad minimizar tensiones, distorsión y agrietamiento
Cambio de volumen en un cerámico
producida por la eliminación de
humedad durante el secado
Los cambios volumétricos cesan
cuando se elimina toda el agua entre
partículas
CERAMICOS CRISTALINOS
55
PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: ARCILLAS
COCCIÓN
Calentamiento en horno a Tª entre 900 y 1400 °C
Se aumenta densidad ( porosidad) y se aumenta resistencia mecánica
Tª función de composición y propiedades finales de la pieza
Ocurren distintas reacciones como la vitrificación
Vitrificación
Formación gradual de un líquido que fluye hacia los poros y llena en parte su volumen
Estructura final fase vitrificada, partículas de cuarzo que no reaccionan y algo de porosidad
Grado de vitrificación determina propiedades
Mayor temperatura mayor grado de vitrificación: mayor dureza y resistencia
Ej ladrillos de construcción Tª cocción ~ 900 °C
CERAMICOS CRISTALINOS
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PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: CERÁMICAS CRISTALINAS
PRENSADO DE POLVO Y SINTERIZADO
Masa de polvo + agua o ligante compactación mediante presión
Mezcla de diferentes tamaños de partículas en proporciones adecuadas
Ligante lubricar partículas de polvo
3 Procedimientos:
Prensado Uniaxial compactación de polvo en matriz metálica mediante presión aplicada en
una dirección. Producción alta y proceso barato. Es necesario una cocción final
Prensado Isostático polvo en un envoltorio de goma y se aplica presión mediante un fluido,
en todas direcciones. Formas complicadas. Proceso más lento y caro. Es necesario una
cocción final
Prensado en caliente prensado y tratamiento térmico simultáneo. Compactación de polvo
a Tª elevada. Se aumenta densidad sin crecimiento de grano. Proceso más caro.
CERAMICOS CRISTALINOS
57
PROCESADO DE LOS CERÁMICOS: CERÁMICAS CRISTALINAS
SINTERIZADO
Cocción de pieza compactada reducir porosidad y aumentar integridad mecánica
Tª sinterización < Tª fusión
Cambios microestructurales durante la cocción
de un polvo compactado. a) partículas
después del prensado, b) coalescencia de
partículas y formación de poros a medida que
se inicia la sinterización, c) cambio de tamaño
y forma de los poros según avanza la
sinterización
CERAMICOS CRISTALINOS
Etapas:
-Formación de cuellos en regiones de contacto entre partículas
-Formación de límite de grano dentro de cada cuello
-Intersticios poros (esféricos y tamaño )
Transporte de masa por difusión atómica desde zona de partículas a zona de cuello
59
Módulo de Elasticidad
Valor bien definido no depende del tiempo ni forma de aplicación de la carga
Módulos mayores que los de los metales: mayor rigidez enlaces iónicos y covalentes que
metálicos
Módulos específicos elevados (E/): son estructuras no compactas de átomos ligeros
Refuerzo en materiales compuestos porque aumentan rígidez
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
60
Resistencia y Dureza
Cerámicos: sólidos más duros, como abrasivos
Metales: aleados para aumentar dureza
Metales: enlace metálico bajo impedimento al movimiento de dislocaciones
Cerámicos: enlace iónico y covalente mayor impedimento al movimiento de dislocaciones,
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
61
Resistencia y Dureza
Metales puros: movimiento de la dislocación en es
intrínsecamente fácil, aunque aleados dan lugar a
soluciones sólidas o precipitados que dificultan el
movimiento
Cerámicos covalentes: movimiento de la dislocación
en es intrínsecamente difícil porque los enlaces
interatómicos deben romperse y formarse de nuevo
Cerámicos iónicos: movimiento dislocación es fácil en
algunos planos pero difícil en otros (repulsión entre
átomos de igual signo). Suelen predominar sistemas
difíciles
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
62
Varía enormemente con rangos desde valores muy bajos, menores de 0,69 MPa hasta
7000MPa para algunas fibras monocristalinas de Al2O3
Sin embargo, pocos cerámicos tienes cargas de rotura superiores a 172 MPa
Muestran grandes diferencias entre la resistencia a tracción y a compresión, siendo las de
compresión alrededor de 5 a 10 veces las de tracción
Resistencia
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
Frágiles: Tenacidad a la fractura es baja (especialmente a temperaturas bajas)
Metales: alta tenacidad debido a la plasticidad en el extremo de la grieta. Eª absorbida por la
zona plástica menor propagación de la grieta
Además está fragilidad se incrementa con las imperfecciones: fisuras, porosidad, inclusiones,
fases cristalinas, tamaño de grano grande…
Tenacidad: Resistencia a la fractura
63
Aumentar tenacidad a fractura: Materiales compuestos de matriz cerámica
Tema 6: Materiales Cerámicos
Tenacidad: Resistencia a la fractura
Materiales compuestos comportamiento pseudo-tenaz debido a la deflexión de las grietas en
la intercara
Material monolítico: grieta progresa en modo I
Material compuesto: la grieta se encuentra con la intercara y puede desviarse
Si la grieta prefiere desviarse por la
intercara, la Eª consumida es mayor
Comportamiento cuasi-tenaz
Grieta
Matriz Fibra
Comportamiento pseudo-tenaz
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
64
Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos
Tema 6: Materiales Cerámicos
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
65
Material
cerámico Propiedades y aplicaciones
Al2O3
Contenedor de metal fundido
A alta temperatura donde se requiere alta resistencia
Sustrato aislante para soporte de circuitos integrados
Aislante de bujías
Uso dental y médico
Alúmina dopada (láser)
AlN Aislamiento eléctrico, con conductividad térmica
B4C Blindaje nuclear
Aplicaciones que requieran dureza, poco peso, o resistencia a la abrasión
SiC
Excelente resistencia a la oxidación → recubrimiento de metales, materiales
compuestos de carbono y otros cerámicos
Refuerzo de materiales compuestos
Motores de automóvil
Turbinas de gas
Si3N4
Propiedades similares al SiC con peor resistencia a la oxidación y a altas
temperaturas
Motores de automóvil
Turbinas de gas
Tema 6: Materiales Cerámicos
APLICACIONES DE LOS CERÁMICOS
66
Material
cerámico Propiedades y aplicaciones
Sialón
Si6-zAlzOzN8-z
El sialón incrustado en matriz de Y2O3 consigue un cerámico ligero, de bajo
coeficiente de dilatación térmica, buena tenacidad a fractura y resistencia superior
a la mayoría de las cerámicas
Componentes de motor
Aplicaciones que requieran altas temperaturas y buenas propiedades al desgaste
TiB2
Buen conductor de la electricidad y del calor
Excelente tenacidad
Blindajes
UO2 Combustible de reactores nucleares
Tema 6: Materiales Cerámicos
APLICACIONES DE LOS CERÁMICOS
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