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MATERIALES CERÁMICOS

Willan Monar 2018_A Créditos Ing. V. Sotomayor

Cuadro 1.1 MATERIALES INDUSTRIALES

La tecnología del procesado cerámico se usa para producir productos comerciales que son muy diversos en cuanto a: TAMAÑO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD, COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y COSTE. LAS FUNCIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS SON MUY DEPENDIENTES DE SU COMPOSICIÓN QUÍMICA, ESTRUCTURA ATÓMICA (ENLACE Y

ESTRUCTURA CRISTALINA) Y MICROESTRUCTURA (NATURALEZA, CANTIDAD Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FASES PRESENTES EN LA CERÁMICA: CRISTALINA, VÍTREA Y POROSIDAD), LAS CUALES DETERMINAN SUS PROPIEDADES. PROPIEDADES INTRINSECAS→DETERMINADAS POR AL ESTRUCTURA A ESCALA ATÓMICA No son susceptibles de un cambio significativo por modificación de la microestructura Punto de fusión, Módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, si el material es frágil, magnético, ferro eléctrico o semiconductor, etc. PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE DE LA MICROESTRUCTURA (Propiedades críticas para aplicaciones ingenieriles) Resistencia mecánica, constante dieléctrica, conductividad eléctrica, etc.)

LAS COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS VARÍAN AMPLIAMENTE Y ASÍ SE TIENEN CERÁMICAS OXÍDICAS Y NO OXÍDICAS.

QUÍMICAMENTE, CON EXCEPCIÓN DEL CARBONO, LOS MATERIALES CERÁMICOS SON COMPUESTOS INORGÁNICOS NO METÁLICOS OXÍDICAS -SILICATOS: CAOLINITA Al2Si2O5(OH)4, MULLITA Al6Si2O13 -ÓXIDOS SIMPLES: ALÚMINA Al2O3, CIRCONIA ZrO2 -ÓXIDOS COMPUESTOS (A PARTE DE LOS SILICATOS): TITANATO DE BARIO, BaTiO3 SUPERCONDUCTOR, YBa2Cu3O6+ (0 ≤  ≤ 1) NO OXÍDICAS -CARBUROS: SiC, B4C -NITRUROS: Si3N4, BN -BORUROS: DIBORURO DE TITANIO, TiB2 -SILICIUROS: DISILICIURO DE MOLIBDENO, MoSi2

SE CONTROLA DE FORMA CUIDADOSA: LA COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS GRANOS, FASES PRESENTES EN LOS LÍMITES DE GRANOS Y DISTRIBUCIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS POROS CON EL FIN DE LOGRAR UNA MAYOR FIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE LOS PRODUCTOS EN EL DESARROLLO Y PRODUCCIÓN DE LAS CERÁMICAS AVANZADAS SE REQUIERE UN EXTRAORDINARIO CONTROL DE LOS MATERIALES DE PARTIDA Y DE LAS OPERACIONES DE PROCESADO CON EL FIN DE MINIMIZAR LOS DEFECTOS MICROESTRUCTURALES.

CERÁMICOS • Se pueden clasificar de acuerdo a sus compuestos químicos – Óxidos – Carburos – Nitruros – Sulfuros – Fluoruos

• Se pueden clasificar de acuerdo a su principal función

CERÁMICOS • ALUMINA – Al2O3 – Se utiliza para contener metales fundidos o en aplicaciones donde el material deba trabajar en altas T˚ y que tenga alta resistencia mecánica. – Se utiliza también como un sustrato de baja de contante dieléctrica para empaques electrónicos que trabajan con chips de Si. – Aplicación típica: aislamiento de bujías – Aplicaciones especiales: dentales y médicas – Partículas de alúmina: apoyo en catalizadores

CERÁMICOS • Diamante: –C – El material natural + duro – Diamantes industriales: aplicaciones abrasivas – Recubrimientos de tipo diamante para resistencia a la abrasión en aplicaciones como herramientas de corte. – Aplicaciones en joyería.

CERÁMICOS • Sílice – SiO2 – Componente esencial en vidrios y cerámicas vítreas. – Materiales basados en sílice se aplican en aislamiento térmico, componentes refractarios, abrasivos, compuestos con refuerzos de fibras. – Partículas finas de sílice se aplican en neumáticos, pinturas

CERÁMICOS • Carburo de Silicio – SiC – Provee excelente resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas, incluso superiores a la de fundición del acero – Se aplica frecuentemente como un recubrimiento para metales, compuestos carbón-carbón y otros cerámicos para alcanzar protección a T˚ extremas – Abrasivo para desbaste. – Refuerzo particulado o en forma de fibras para compuestos de matriz metálica o cerámica – Aplicado en la fabricación de elementos en hornos de fundición.

CERÁMICOS • Nitruro de Silicio – Si3N4 – Propiedades similares a las del SiC, aunque su resistencia a la oxidación y resistencia a elevadas T˚ son menores. – = que con el SiC, son candidatos para componentes en motores de automóviles y turbinas de gas • T˚s de operación + altas • > eficiencia de combustible • < peso q´ con metales y aleaciones tradicionales

CERÁMICOS • DIÓXIDO DE TITANIO – TiO2 Titania – Se utiliza para fabricar cerámicos electrónicos – Su aplicación principal es como pigmento blanco en pinturas – Titania se utiliza en ciertas cerámicas vítreas como agente nucleante – Partículas finas de TiO2 se utilizan en lociones bronceadoras o protectores solares pues proveen protección contra rayos ultravioleta.

CERÁMICOS • ZIRCONIA – ZrO2 – Se utiliza p´ fabricar sensores de óxigeno en automóviles y para medir el oxígeno disuelto en aceros fundidos. – Se utiliza como aditivo en varias cerámicas electrónicas y refractarias. – Su estructura cristalina permite que sea aplicada en joyería.

DEFINICIÓN CERAMICOS. SEGÚN LA BRITISH CERAMIC SOCIETY (1979) 1 CERÁMICA ES 1 MATERIAL SINTÉTICO, SÓLIDO, Q´ NO ES NI METÁLIGO NI ORGÁNICO, Y EN CUYA ELABORACIÓN ES NECESARIO UTILIZAR TT A ALTAS T˚.

Los RUSOS, LOS DEFINEN COMO MATERIALES POLI CRISTALINOS CONSOLIDADOS BASADOS EN LOS COMPUESTOS DE LOS GRUPOS III-VI DE LOS METALOIDES 1 CON OTRO Y/O CON METALES, EN CUYA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN SE INCLUYEN FENÓMENOS DE TRANSPORTE DE MASA DE LOS CUALES RESULTA LA UNIÓN. INCLUYEN ÓXIDOS, NITRUROS Y CARBUROS DE Si, Al, Ti Y Zr. KINGERY DEFINE LA CERÁMICA COMO EL ARTE Y LA CIENCIA DE FABRICAR Y USAR MATERIALES SÓLIDOS, QUE ESTÁN COMPUESTOS EN SU MAYOR PARTE (COMPONENTE ESENCIAL) X MATERIALES NO METÁLICOS. LA DEFINICIÓN MÁS AMPLIAMENTE ACEPTADA ES QUE SON AQUELLOS PRODUCTOS (PIEZAS, COMPONENTES, DISPOSITIVOS, ETC.) CONSTITUIDOS POR COMPUESTOS INORGÁNICOS, NO METÁLICOS, CUYA CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL ES QUE SON CONSOLIDADOS MEDIANTE TT A ALTAS T˚.

La base de datos de cerámica estructural NIST WWW (WebSCD)

La base de datos de cerámica estructural NIST WWW (WebSCD) proporciona datos de propiedades de materiales evaluados para una amplia gama de cerámicas avanzadas conocidas diversamente como cerámicas estructurales, cerámicas de ingeniería y cerámicas finas. Estos materiales tienden a tener bajas densidades de masa y altas resistencias y tienden a ser resistentes a la corrosión. Estas características forman la base para las aplicaciones de estos materiales en intercambiadores de calor de alta temperatura y de bajo consumo, diseños avanzados de motores, cojinetes, piezas resistentes al desgaste y sustratos electrónicos estables y envases electrónicos.

La gama de materiales cubre las principales series de compuestos derivados de las familias químicas de óxido de cerámica, carburo, nitruro, boruro y oxinitruro. Los materiales se describen por especificación e información de caracterización que incluye detalles de procesamiento y composiciones químicas. Las características físicas tales como la densidad y la estructura cristalina se dan en tablas numéricas. Todos los valores medidos son evaluados y respaldados por descripciones de los métodos de medición, procedimientos y condiciones. En todos los casos, las fuentes de los datos están completamente documentadas.

=gres

Tiles=azulejos plaster= yeso

LADRILLOS Y TEJAS.

TIPO DE PASTA: SENCILLO, CONSTITUIDO POR UNA O VARIAS ARCILLAS CALCÁREO-FERRUGINOSAS. CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO: MÁS O MENOS POROSO, CON COLOR VARIABLE, DESDE EL AMARILLO HASTA EL ROJO INTENSO. TIPOS DE PRODUCTO: LADRILLO MACIZO O HUECO, TEJAS, BOVEDILLAS, CELOSÍAS, ETC.

CERÁMICOS:PROPIEDADES

PROCESADO DE CERÁMICOS

Laminado, mezcla, sint. polvos

Sint. Polvos, fundición

Sinterizado o cocción

Molienda,revestimiento

Different techniques for processing of advanced ceramics.

LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZADOS PUEDEN DEFINIRSE POR LAS 3 CARACTERISTICAS SIGUIENTES: 1.- PARA SU FABRICACIÓN SE USAN MATERIAS PRIMAS DE ALTA PUREZA (99.99 %), CON COMPOSICIÓN QUÍMICA Y PROPIEDADES MORFOLOGICAS CONTROLADAS, GRANULOMETRÍA SUBMICRÓNICA (MENOR DE LA MICRA) 2.-EL PROCESADO ESTA SUJETO A UN CONTROL PRECISO, TANTO EN EL CONFORMADO COMO EN LA COCCIÓN (SINTERIZACIÓN). .

3.-LOS PRODUCTOS TIENEN UNA MICROESTRUCTURA BIEN CONTROLADA, QUE ASEGURA SU ALTA FIABILIDAD O RESPUESTA A LA UTILIZACIÓN PARA LA CUAL HA SIDO DISEÑADA.

CLASIFICACIÓN LOS CERÁMICOS X SUS APLICACIONES SE PUEDEN DIVIDIR EN 2 GRANDES GRUPOS : 1.- CERÁMICAS TÉCNICAS O ESTRUCTURALES (PARA APLICACIONES ESTRUCTURALES. SON REQUERIDOS, FUNDAMENTALMENTE, POR SUS PROPIEDADES MECANICAS) 2.- CERÁMICAS ELÉCTRICAS O ELECTROCERÁMICAS.

EN FUNCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN: I.- CERÁMICAS OXÍDICAS (BLANCAS). II.- CERÁMICAS NO OXÍDICAS (NEGRAS)

Productos obtenidos por procesamiento cerámico de polvos.

APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION

APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION

EN GENERAL, LOS MATERIALES CERÁMICOS TIENEN - MEJORES CARACTERÍSTICAS EN DUREZA - RESISTENCIA A ALTA T° - RESISTENCIA A LA CORROSIÓN PERO TIENEN DESVENTAJAS COMO x EJ., - SON FRÁGILES - Aún hay DIFICULTADES EL FABRICARLOS CON ALTA REPRODUCTIBILIDAD. SIN EMBARGO, ESTAS DESVENTAJAS PUEDEN SER SUPERADAS, EN ALGUNA MEDIDA, MEDIANTE 1 ADECUADA ELECCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Y MODIFICANDO CONVENIENTEMENTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN.

Propiedades de las cerámicas técnicas que sustentan su uso en ingeniería

INCONVENIENTES MATERIALES CERAMICOS SON FUNDAMENTALMENTE 2: 1.- SU REPRODUCIBILIDAD 2.- SU FRAGILIDAD, CONDICIÓN INHERENTE A SU NATURALEZA - LA REPRODUCIBILIDAD SE PUEDE MEJORAR MEDIANTE UN PROCESADO ADECUADO, CON OBJETO DE LOGRAR MICROESTRUCTURAS CONTROLADAS CON TAMAÑOS DE DEFECTOS LO + PEQUEÑOS POSIBLES Y - LA FRAGILIDAD, TRATANDO DE INCREMENTAR, CON MECANISMOS DE REFORZAMIENTO ADECUADOS, LA ENERGÍA REQUERIDA PARA QUE UNA GRIETA SE PROPAGUE EN EL MATERIAL.

LAS SUCESIVAS ETAPAS DEL PROCESO - SE INICIAN EN LOS MATERIALES DE PARTIDA - FORMACIÓN DE SISTEMAS PARTICULADOS - CONFORMADO, SECADO Y COCCIÓN CONFIGURAN LA FABRICACIÓN Y TIENEN QUE VER CON ASPECTOS DE INGENIERÍA TALES COMO EQUIPOS, MÁQUINAS, MOLDES, ETC. LAS ETAPAS PARALELAS DONDE SE ENMARCA EL COMPORTAMIENTO O RESPUESTA DEL MATERIAL AL SER EXPUESTO A LAS DIFERENTES ETAPAS DE LA FABRICACIÓN ES LO QUE CONSTITUYE LOS FUNDAMENTOS DEL PROCESADO CERÁMICO DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL MATERIAL. ESTA CORRELACIÓN PUEDE AYUDAR A ELIMINAR LA CONFUSIÓN EXISTENTE ENTRE EL PROCESADO CERÁMICO CONTEMPLADO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA TECNOLOGÍA O INGENIERÍA O DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES. EN RESUMEN, LA FABRICACIÓN CERÁMICA ENFATIZA LOS ASPECTOS INGENIERILES DEL PROCESO Y EL "PROCESADO" ENFATIZA LOS ASPECTOS CIENTÍFICOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES AL SER SOMETIDOS A LAS DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN.

Efecto domino en el procesamiento cerámico.