• Author / Uploaded
• Rojas S Edwin N

• Categories
• Silicato
• Carbono
• Óxido de aluminio
• Estructura cristalina
• Expansión térmica

Citation preview

El silicio y el oxigeno son el 75% de los elementos presentes en la corteza terrestres. Silicatos basados en SiO2

MATERIALES CERÁMICOS Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y /o covalentes.

XA y XB son las electronegatividades de los elementos presentes

Clasificación

Número de coordinación: Vecinos mas próximos que rodean al catión. Razón de radios: Rcatión/Ranión

lineal Triangulo equilátero Tetraedro

El catión esta cargado positivamente y es mas pequeño por que cede electrones, generalmente son metales. Los aniones son nos metales y están cargados negativamente.

Octaedro

Cubo

Algunas estructuras cristalinas de los cerámicos Para recordar: Las posiciones intersticiales son octaédricos y tetraédricos. En el sitio octaédrico hay seis iones próximos equidistantes desde el centro del hueco. Hay tres átomos o iones en cada plano. Generalmente se localizan en el centro de la celda unitaria y en los centros de las aristas del cubo. En el sitio tetraédrico hay cuatro iones más cercanos equidistantes desde el centro. Hay tres átomos o iones en un plano y uno individual en el plano adyacente. Se localizan en las posiciones ( ¼, ¼, ¼).

Estas estructuras cristalinas son compactas y se asemejan a la estructura FCC y BCC de los metales.

ESTRUCTURA TIPO AX

Cationes = Aniones Número de coordinación : 6 Dos celdas FCC, una compuesta por aniones y otra por cationes MgO, MnS, LiF, FeO,TiN, NbN, CrN, otros

ESTRUCTURA TIPO AX

Número de coordinación: 8 Los aniones están en los vértices del cubo El catión en el centro del cubo No es una estructura BCC porque intervienen dos iones diferentes

ESTRUCTURA TIPO AX

Los átomos de Zn llenan 4 posiciones tetraédricas en el interior. Número de coordinación: 4 ZnTe, SiC, otros.

Estructura cristalina del corindón Al2O3. Los iones de O2- ocupan las posiciones de la celda unidad hexagonal compacta . Los iones de aluminio AL3+ ocupan 2/3 de las posiciones intersticiales octaédricas.

ESTRUCTURA TIPO AmXp

Las cargas de los cationes y los aniones no son iguales. Número de coordinación: 8 Los iones F- se localizan en los vértices. Los iones de Ca están en los centros de los cubos, solo esta la mitad de sus átomos. HAY 4 BCC. ZrO2 cubica, UO2, ThO2, otros.

ESTRUCTURA TIPO AmBnXp

Hay dos cationes: Ba y Ti. BaTiO3, otros, SrZrO3, SrSnO3

planos de CuO2

ESTRUCTURA TIPO AmBnXp

ESPINE LA

Anión: 02-, S2-, Se2-, Te2A2+: Mg, Ca, Sr, Ba, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg ó Sn B3+:Al, Ga, In, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni ó Rh

Plano (100)

Ejemplo MgAl204: Los iones de O2- forman una red FCC, los iones de Mg2+ llenan los sitios tetraédricos y los Al3+ están en los sitios octaédricos. Existen también la espinela inversa, donde la mitad de los cationes B ocupan las posiciones tetraédricas y la otra mitad en las posiciones octaédricas y los cationes A ocupan únicamente posiciones octaédricas. Las cationes tienes coordinación tetraédrica y octaédrica 96 huecos: 24 son cationes 64 huecos tetraédricos: 8 ocupados por cationes 32 octaédricos : 16 cationes

CARBONO La estructura del diamante es muy similar a la blenda. Cada átomo de carbono se enlaza de forma covalente con otros 4 átomos de carbono.

Los átomos de carbono tienen una disposición hexagonal. En los planos, cada átomo comparte tres electrones con sus vecinos con enlaces covalentes y el otro electrón participa con un enlace de Van der Waals con el siguiente plano.

NANOTUBO Estructuras tubularesScuyo diámetro es del orden del nanómetro 1 nm = 1x10-9 m

Forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. SWNT: (Single-Walled Nanotubes) Cuando la cadena se uniera solo por la punta, solo tocándose MWNT: (Multi-walled Nanotubes) Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fullereno, y otros que no están cerrados.

Fullerenos: Es una estructura esférica hueca con 60 átomos de carbono. Los átomos se organizan en configuraciones hexagonales (20) y pentagonales (12). Tiene un diámetro de aprox. 0.710 nm.

Nanotubo de carbono: lamina individual de grafito, Estructura Hexagonal, en forma de un tubo y en los extremos hay dos hemifullerenos (pentagonos) . Diámetro de 1,4 nm (menor a 100 nm) y longitudes desde 1 um hasta los mm. Cada nanotubo tiene millones de átomos de carbono. Se cree que tengan una resistencias de 20 veces la del acero. Resistencia a la tensión de 50-200 GPa y modulo elástico de 1.3 TPa (Tetra 1012 o 103 GPa).

Diagramas de fase 1 eutéctico y 2 eutectoides Tres estructuras del ZrO2: Tetragonal, monoclínica y cúbica 1. La transformación de fase tetragonal a monoclinica a 1150°C presenta un cambio grande de volumen que produce grietas 2. Con 3-7 % de CaO se estabiliza la zirconia. A temperaturas sobre los 1000°C, se forma la fase cúbica y tetragonal. 3. Al enfriarse, es decir a temperatura ambiente, no se forma la fase Monoclinica: aparece la fase cubica y o tetragonal de la zirconia

También con Y2O3 y óxido de magnesio

Forma de cuchillo

Similar al diagrama Cu – Ni. El Al+3 sustituye al Cr+3 y viceversa, tienen la misma carga y radios similares (0.053 y 0.062 nm), tienen la misma estructura cristalina. Los dos óxidos tienen la misma estructura cristalina

Similar al plomo – magnesio Se observa la presencia de una espinela MgAl2O4 Hay dos eutécticos

Usado en refractarios, se forma un compuesto intermetalico mullita : 3 Al2O3 – 2SiO2 (arcilla) un eutéctico. Al2O3 y SiO2 no son solubles entre si.

CERÁMICAS FORMADAS POR SILICATOS Los silicatos son materiales formados principalmente de Silicio y Oxigeno. Cada ion de Oxigeno tiene un electrón para enlazar. Se usan combinaciones de:

El silicato mas sencillo es la sílice (SiO2). Los átomos de oxigeno en los vértices de un tetraedro son compartidos por los tetraedros vecinos. Existe: cuarzo, cristobalita y tridimita. Cada átomo de sílice esta rodeado por cuatro de oxigeno. Feldespatos: En esta red, algunos iones de Al3+ reemplazan los iones Si4+ produciendo una red con carga negativa neta. Esta carga negativa es compensada con iones alcalinos o alcalinotérreos , Na+, K+, Ca+ y Ba+ que se encajan en los intersticios.

SILICATOS SIMPLES

En los silicatos, uno dos o tres átomos de oxigeno son compartidos con otros tetraedros para formar otras estructuras.

SILICATOS LAMINARES Al2(Si2O5(OH)4

OHLas capas están neutralizadas eléctricament O2e

Enlaces débiles de Van der Waals

QUE SON LAS CERAMICAS TRADICIONALES ? Se componen de tres componentes básicos: 1. Arcilla: Al203.SiO2.H2O + TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, etc., 2. Sílice: SiO2 y 3. Feldespato: ej, K2O.Al2O3.6SiO2

Cerámicas cristalinas • Punto de fusión de los óxidos es muy alto. Dificultad para fundirlos y moldearlos como en los metales. Sílice(SiO2): Tf ≈ 1717°C • Necesidad de la sinterización o metalurgia de polvos.

Preparación de lotes y polvos Sílice

Arcillas

Plasticidad en presencia de agua

Fundamentales

Minerales con óxidos alcalinos

Cerámicas tradicionales

Materias primas Materiales refractarios

Óxidos, carburos, nitruros, …

Figura 1.1.2. Sílice en presencia de un óxido alcalino [1]

Cerámicas de ingeniería

Polvos de alta pureza preparados por medios químicos

QUE SON CERAMICAS DE INGENIERÍA

Son compuestos puros o casi puros: Óxidos, Nitruros, Carburos, etc.

Si, Al, O, N

Tamaños de partícula para polvos: 

Partículas finas de tamaños alrededor de 100nm: Piezas cerámicas de grano fino uniforme. Poca tendencia al crecimiento de grano. 30% de volumen en poros intersticiales.



Distribución de tamaños entre 20μm y 50nm: Menos del 5% de volumen en poros. Problema: Partículas grandes crecen en exceso, generando una microestructura no ideal.

Mejor un tamaño intermedio.

Obtención de polvos Molinos de bolas (más usado)

La velocidad crítica es en la cual las bolas no caen en cascada, sino ruedan en la superficie. Bolas de 1.27-5.08cm de diámetro.

Figura 1.1.3. Molino de bolas [8]

Molinos.doc

𝐿𝑚𝑎𝑥 = 1.5∅ 𝑣ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎 = 0.57𝑣𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 ± 0.8𝑣𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑉𝑏𝑜𝑙𝑎𝑠 = 40% ± 10% 42.3 𝑣𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 = en rpm [8] ∅

Otros trituradores

Figura 1.1.5. Triturador de quijadas [9] Figura 1.1.4. Molino de rodillos [9]

Figura 1.1.6. Triturador rotatorio [9]

Otros métodos para la síntesis de polvos:

Lixiviación

Uso de ácidos o alcálisis para disolver material.

Calcinación

Descomposición del material a altas temperaturas. Pueden ocurrir reacciones químicas. Ejemplo, BaTiO3 (BaCO3 + TiO2)

Obtención de cerámicos importantes

SiC a partir de Coque y Sílice calcinados

Alúmina a partir de Bauxita lixiviada con NaOH. Con Gibbsita se elimina el Na. Luego se calcina

ZrO2 a partir de ZrSiO4 y NaOH ZnO a partir de la oxidación del Zn fundido

Etc…

Conformado Proceso de vaciado de barbotina. 

Vaciado por drenado. Molde de yeso

Figura 1.1.7. Vaciado de barbotina por drenado [1]

Verter suspensión líquida de poca viscosidad

Al acumularse una capa de máximo 10mm se drena

Después de dejar secar un poco más, se extrae la pieza. Acabados.



Vaciado sólido.

Molde de yeso Figura 1.1.8. Vaciado sólido de barbotina[1]

• El proceso es parecido al colado de metales. • Los polvos en el medio acuoso (o no acuoso) deben formar una suspensión coloidal. Se controla su pH, la cantidad y tipo de dispersante y el tamaño y distribución de partículas de polvo.

1.1.2. Conformado 

Prensado en seco

Se consolidan polvos casi secos, mediante presiones muy altas (ejercidas por pistones generalmente hidráulicos), en la forma de matrices metálicas. Muy buena resistencia mecánica.

Herramientas de corte Ruedas de amolar Productos

Refractarios Aisladores Anillos de estancamiento Boquillas

Secado y cocción Secar la cerámica

Quemar los aglutinantes Beneficios

Quemar los pastificantes Realizar cambios estructurales

Densificar Vitrificar o ligar las partículas

Secado y cocción Tabla 1.1.1. Reacciones durante la cocción (cerámica a base de arcilla) [1]

Secado y cocción Tabla 1.1.1. (continuación)[1]

Secado y cocción 

Secado y quema:

Temperaturas entre los 400°C y 700°C

Se queman los aglutinantes y plastificantes introducidos

Se produce contracción en la pieza tratada

Se producen esfuerzos térmicos y de secado

Pueden producirse grietas y alabeo

 Debe secarse de manera uniforme.  Debe disminuirse la migración de aglutinantes.  Se deben elegir con cuidado los soportes para proporcionar un secado simétrico.

Secado y cocción

Figura 1.1.16. Etapas de vitrificación y densificación[1] Figura 1.1.18. Mecanismos de aumento de área en el cuello[1] Figura 1.1.17. SEM – Formación de cuello [1]

Secado y cocción La figura 1.1.19 muestra un cemet de WC-Co en el que los carburos se encuentran empotrados en el cobalto líquido solidificado (muy alta densidad) «La mayor marte de cerámicas de avanzada se producen por sinterización de fase líquida»[1]

Figura 1.1.19. SEM – Sinterización en fase líquida[1]

Sinterización mediante reacciones químicas

1.1.3. Secado y cocción Medición de la porosidad en un cerámico Wd = Peso del material seco Ws = Peso del material recién sumergido Ww = Peso del material después de secarse ρ = Densidad

REFRACTARIOS

PROPIEDADES TERMICAS CHOQUE TERMICO El choque térmico en los materiales están asociados a dos fenómenos como son : •La dilatación térmica: A medida que aumenta la temperatura hay mayor vibración y mayor distancia de átomos adyacentes por esto el material tiende a dilatarse . Dilatación lineal = α = dL / t dt

b. La conductividad térmica:

k=

dQ /dt A ( dt/dx)

Es la velocidad de transferencia de calor a través de un área por efecto de un gradiente de temperatura. Las fallas en los materiales por esta causa son de tensión por estar limitados o contenidos los materiales cerámicos de tal manera que se ve impedida su expansión, por ejemplo. :

Coeficiente de dilación térmica

Conductividad térmica

mm/mm °C x 10 6

J / s m k 1000°C

9

1.7

Sílice Vitrea

0.5

2.5

Mg O

13.5

7.1

Al2 O 3

8.8

6.3

Cuarzo Si O2 + Na 2 O

Grafito

63

Siendo el grafito el que tiene la mayor conductividad térmica y la sílice vítrea (estabilizada)la que presenta el menor coeficiente de expansión térmica. En las aplicaciones de cerámicos en las cuales estén combinados materiales cerámicos y sometidos a temperatura es importante hacer el análisis de expansión, por ejemplo, en recubrimiento que tengan menores coeficientes de dilatación (Si O2 = 0.5) a sus sustratos (Al2 O 3 = 8.8) los porcentajes de dilatación no serán los mismos y se presentan tensiones que requebrajaran el material. Además debemos tener en cuenta que el enfriamiento rápido de una pared genera tensión en la superficie. La superficie empuja al interior comprimiéndolo y el interior tira de la superficie traccionandola.

Algunas Propiedades

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Capacidad de un material para transferir calor

Gradiente de temperatura a través del medio conductor

Conductividad Densidad de térmica flujo de calor

Materiales cerámicos compactos y con módulos elásticos altos dan altos valores de K

Hay dispersión de los fonones (vibraciones de la red cristalina) por las imperfecciones de la red. La dispersión es mas efectiva cuando son materiales amorfos, dificultan la transferencia de los fonones. Los poros disminuyen la conductividad térmica.

PROPIEDADES MECANICAS

Algunas Propiedades

PROPIEDADES MECANICAS

Algunas Propiedades

Ensayo de flexión transversal, con carga de tres o cuatro puntos.

Algunas Propiedades

constantes

Algunas Propiedades

Módulo elástico del material sin poros

Algunas Propiedades

TENACIDAD Región fibrosa

Zona difusa Zona de espejo: etapa inicial de la propagación de la grieta

Cerámicas cristalinas - Hay pocos sistemas cristalinos. - Los iones de igual carga quedan situados a distancias muy pequeñas y hay repulsión. - Los enlaces covalentes son fuertes Alcanza la velocidad critica, la grieta cambia de dirección de propagación

VIDRIOS

Son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos: Transparencia, dureza y buena resistencia a la corrosión. Vidrios de silicatos

Recipient e Esmaltes

El SiO2 se enfría rápido para que los átomos no alcancen a recuperar un arreglo a largo alcance.

Cambio de velocidad con una distancia dy a las placas

El liquido que esta mas cerca a la fuerza, fluirá con mayor rapidez . Q n esta relacionado con el paso de un grupo de átomos a otra posición

En estructuras no cristalinas -Hay deformación por flujo plástico, similar a los líquidos: En respuesta a un esfuerzo de cizalladura, los átomos o iones se deslizan unos sobre otros mediante la separación y reconstrucción de en los enlaces. Este mecanismo no tiene una dirección de preferencia. La viscosidad se considera como la resistencia a deformación de un material no cristalino.

Clasificación de los óxidos - Generadores de red: Óxidos que se conectan con la red de tetraedros de SiO4- , ejemplo tetraedros de BO44- Modificadores de red: Rompen la continuidad de la red de la sílice, disminuyen la viscosidad para facilitar su conformado. Los iones metálicos pueden dar cierta cristalinidad. Tienden a romper la continuidad de la red de enlaces primarios, disminuye la densidad de enlaces primarios y con ello la temperatura de fusión. - Intermedios: Los cationes sustituyen al ion Si4 . Dan propiedades especiales a los vidrios, por ej. aumentan la T de fusión.

Alta temperatura de fusión

Resultados de las diferentes tomas de dureza:

1

Espesor Espesor martillado 6 mm 4 mm 606 639 625

2

613

616

642

3

616

603

616

4

613

600

622

5

625

619

600

promedio

614.16

615.4

621

Ensayo vickers a 500 gr. 200X

500X

800X

VITROCERÁMICAS

Combinan las propiedades de los cerámicos cristalinos y los vidrios, con grano fino. Se utiliza un tratamiento térmico para que cristalice el material vítreo. Produce una estructura con poca porosidad. Hay presencia de agentes nucleantes como el TiO2 Se puede cristalizar hasta el 90% del material. Tamaño de grano entre 0.1 y 1 micra. El vidrio resultante o residual se ubica o rellena los poros generando una estructura libre de poros. Se produce un material con una resistencia al impacto y al choque térmico superior a los cerámicos convencionales.

Algunas Propiedad es

INDICE DE REFRACCIÓN

Es relación de la velocidad de la luz en vacío c y la velocidad de la luz en el medio. Cuando mayor es el índice de refracción, más despacio viaja la luz. La luz que a traviesa en materiales transparentes presenta una disminución de la velocidad y la velocidad de propagación se desvía en la interfase. Estaría función de la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética. Permitividad eléctrica y permeabilidad magnética.

En general, entre mayor sea un átomo o ion, mayor será la polarización electrónica, menor la velocidad y mayor el índice de refracción.

El vidrio con oxido de plomo hasta 90% aumenta n hasta 2.1

Bibliografía [1] Mangonon, Pat L. Ciencia de materiales, selección y diseño. Primera edición, 2001. [2] Schey, John A. Procesos de Manufactura. Tercera edición, McGRAWHILL, 2002 [3] http://www.enghelberg.com/eng/pagina6.htm. Consultada el 19/03/2011 [4] http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/702386 Consultada el 20/03/2001 [5] http://www.turbocare.com/revestimientos_alabes.html Consultada el 20/03/3011 [6] http://www.thefabricator.com/ Consultada el 20/03/2011

Bibliografía [7]http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/ Consultada el 20/03/2011 [8] http://taninos.tripod.com/molinobolas.html Consultada el 20/03/2011 [9]Askeland, Donald. Ciencia e ingeniería de materiales. 4ta. Edición. [10]http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2002/M aterials/MAT3 Consultada el 21/03/2011 [11] http://cristalesdeleste.com.ar/ima/escaleras.jpg [12] http://www.taringa.net/posts/info/3501118/Fabricacion-delvidrio.html

Referencias Andrés Calle Andrés M. Rueda Aura M. Higuera Iván D. Cordero Jhoan Valencia Juanita Ordóñez Julio A. Gómez

234237 234558 234520 234501 234482 234544 234514