CERAMICOS QUIMICA INFORME

Facultad de Ingeniería QUÍMICA GENERAL Grupo : B Día: Lunes Horario: 12:20 – 13:50 EXPOSICIÓN MATERIALES CERÁMICOS Est

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Facultad de Ingeniería QUÍMICA GENERAL

Grupo : B Día: Lunes Horario: 12:20 – 13:50

EXPOSICIÓN MATERIALES CERÁMICOS Estudiantes:

Augusto Alvarez, Emily Ross, Flavia Montenegro, Gustavo Gareca. Docente: German Jordan

Fecha de entrega: Santa Cruz, 11 de junio del 2018

RESUMEN. – Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos compuestos por elementos metálicos y no metálicos vinculados químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mixtura de ambos. Poseen una alta dureza y resistencia al calentamiento, pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y buenas propiedades aislantes. Los materiales cerámicos son baratos, pero su procesado hasta producto terminado es normalmente lento y laborioso. Además, la mayoría de estos materiales se daña fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad. PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS. – 

Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables.



Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.



Gran resistencia a altas temperaturas, con gran poder de aislamiento térmico y también, eléctrico.



Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos.



Alta resistencia a casi todos los agentes químicos.



Una característica fundamental es que pueden fabricarse en formas con dimensiones determinadas



Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad.



Alta resistencia a compresión.



“Ligeros”.

CALIFICACIÓN POR SU ORIGEN: 

Cerámicas Naturales.



Cerámicas Transformadas.



Cerámicas sintéticas.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SU NATURALEZA Y TRATAMIENTO: Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de los materiales primos y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales: 

Materiales cerámicos porosos o gruesos:

Son aquellos que no han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes: 

Arcilla Cocida. – De color rojizo, su temperatura de cocción es de unos 800°C. Con ella se fabrican baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.



Loza italiana. – Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas baratas, adornos, tiestos

. 

Loza inglesa. – Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido sílex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea

para objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases:

1. Se cuece a unos 1100°C tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte. 2. Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura.

 Refractarios. - Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos y tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación).



MATERALES CERÁMICOS IMPERMEABLES O FINOS. – Son aquellos en los que se someten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son: 

Gres Cerámico común. – Obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1300°C. Es muy empleado en pavimentos y paredes.

 Gres Cerámico fino. - Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea para vajillas, azulejos.



Porcelana. – obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín, mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).

PROCESADO DE MATERIALES CERÁMICOS. – Las etapas básicas en la fabricación de productos cerámicos son: 

Extracción. - obtención de la arcilla, en las canteras, llamadas barrenos, que además de ser a cielo abierto, suelen situarse en las inmediaciones de la fábrica de arcilla.



Preparación. - Consiste en la molienda primero y la mezcla de las diferentes materias primas que componen el material. La composición variará en función de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos.



Conformación. -los métodos de modelado de cerámica que se utilizan más comúnmente. o

Prensado. - La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados 8Ver vídeo como se fabrican los azulejos más abajo).

o

Prensado en seco. - este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación

uniaxial

simultanea

y

conformación

de

la los

polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas o

Extrusión. - Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. (Ver vídeo como se fabrican los ladrillos más abajo).



Secado. - Las piezas recién moldeadas se romperían si se sometieran inmediatamente al proceso de cocción, por lo que es necesario someterlas a una etapa de secado con el propósito es eliminar el agua antes de ser sometida a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24h. para un trozo de cerámica grande.



Cocción. - al cocer las arcillas a alta temperatura se producen una serie de reacciones que desembocan en una consistencia pétrea y una durabilidad adecuada para el fin para el que se destinan. Como se ha dicho antes la temperatura dependerá del tipo de material.

CALIFICACIÓN SEGÚN SU ESTRUCTURA. – Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes. Según su estructura, los cerámicos pueden

clasificarse

en

dos

grandes grupos, los cristalinos o cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. A su vez, los cristalinos pueden

ser

monocristalinos

o

policristalinos. Cerámicos cristalinos. – Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales refractarios. Los cerámicos de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las cerámicas sin óxidos, como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como material para elementos calefactores de horno, así como material abrasivo.

Cristales cerámicos

Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: 

El valor de la carga eléctrica de los iones componentes.



Los tamaños relativos de los cationes y aniones.

Con respecto a la primera, el cristal debe ser eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas (de los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes y aniones para que se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA . Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son generalmente menores que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada catión de rodeará de tantos aniones vecinos más próximos como le sea posible. Los aniones también se rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos más próximos. Las estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.

Cerámicos de estructura no cristalino (vidrios). – Los átomos se acomodan en conjuntos irregulares y aleatorios. Los sólidos no cristalinos con una composición comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas. Defectos atómicos puntuales: En los materiales cristalinos cerámicos los átomos existen como iones cargados. Esto hace que la estructura de defectos debe cumplir las condiciones de electroneutralidad. Por consiguiente, los defectos en las cerámicas no ocurren de forma aislada. Un tipo de defecto está formado por una vacante catiónica y3un catión intersticial. Esto se denomina un defecto Frenkel. Puede verse como un catión que abandona su posición normal y se mueve a una posición intersticial manteniendo su contribución de carga positiva, lo que asegura la neutralidad.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catiónica- vacante aniónica conocido como defecto Schottky, creado por la eliminación de un catión y un anión desde el interior de un cristal. El hecho de que para cada vacante aniónica exista una vacante catiónica asegura que la neutralidad de la carga del cristal se mantenga. Estos dos defectos, por otra parte, no alteran las proporciones de aniones y cationes manteniendo la estequiometría en el material. Impurezas en cerámicas: Los átomos de impurezas pueden formar soluciones sólidas en los materiales cerámicos tanto intersticiales como sustitucionales En el caso de las intersticiales, los radios iónicos de las impurezas deben ser pequeños en comparación con los del anión. Una impureza sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en el comportamiento eléctrico. Para que en el estado sólido haya una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales, los tamaños iónicos y la carga deben ser casi iguales a los de los iones disolventes. Si una impureza tiene una carga distinta a la del ion al cual sustituye red como los anteriormente descriptos. Dislocaciones En algunos materiales cerámicos incluyendo el Fluoruro de Litio(LiF), el zafiro (Al2O3) y el MgO se observan dislocaciones. Sin embargo estas no se mueven con facilidad debido a un vector de Burguers grande a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamientos y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse a los de carga opuesta. Como consecuencia las grietas no se redondean por la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y su propagación continúa. Eso es lo que hace de los cerámicos, materiales frágiles. Defectos superficiales Los límites de grano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. Un cerámico con grano de tamaño fino tiene mayor resistencia que uno de grano más grueso. Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la expansión y a la contracción anisotrópica, Normalmente se produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas (en el caso de sinterizado).

Las superficies de las partículas que representan planos de uniones covalentes o iónicas rotas y no satisfechas, son reactivas. Distintas moléculas pueden ser absorbidas en la superficie para reducir la energía superficial, alterando su composición, sus propiedades y su conformabilidad. Porosidad En un material cerámico los poros pueden estar interconectados o bien, cerrados. La porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad (facilidad con la cual pasan gases y otros fluidos a través del cerámico). Se determina pesando el material cerámico seco (WD) después de vuelve a pesar cuando está suspendido en agua (WS) y después de que ha sido retirado el agua (WW).

B es la densidad. Y ç es la densidad real del cerámico

Ejemplos de materiales cerámicos Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo. Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos de microondas, en abrasivos y como material refractario. Óxido de cinc (ZnO), semiconductor. Magnetita (Fe3O4), es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas. Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. Ladrillos, utilizados en construcción.

PROPIEDADES. Propiedades eléctricas de los cerámicos: Los materiales cerámicos se usan ampliamente en la industria eléctrica y electrónica. Principalmente como aislantes (dieléctricos) eléctricos o en capacitores.

Otra aplicación difundida es derivada de las propiedades piezoeléctricas de ciertos tipos de cerámicas. Propiedades de los componentes dieléctricos: La unión iónica y covalente en materiales cerámicos restringe la movilidad de los iones y de los electrones (los cales se comporten entre dos átomos o son cedidos de un átomo a otro) y esto determina que estos materiales sean buenos aislantes eléctricos Existen 3 propiedades básicas de los componentes dieléctricos.   

Constante dieléctrica Ruptura dieléctrica Factores de perdida

Propiedades térmicas de los cerámicos: En general la mayoría de los materiales cerámicos tiene baja conductividad térmica debido a sus fuertes enlaces iónicos covalentes y son buenos aislantes térmicos.

Conductividad térmica: La conducción térmica es un fenómeno por el cual el calor se transporte de una región de alta temperatura del material a otra de baja temperatura. La conductividad térmica caracteriza la capacidad de un material de transferir calor Los materiales que no poseen electrones libres son aislantes térmicos y solo existe transporte de calor por vibraciones de la red. El vidrio y otras cerámicas amorfas tienen conductividades menores que las cerámicas cristalinas por su estructura atómica altamente desordenada e irregular. Esfuerzos térmicos o tensiones: Las tensiones térmicas son tensiones inducidas en un cuerpo como resultado de cambios en la Temperatura.

Las tensiones resultantes de la expansión y contracción térmicas confinadas puede producir fracturas y agrietamiento, lo cual se da por lo general en los procesos de secado. Dureza: La gran dureza de los cerámicos se debe a sus fuertes enlaces covalentes y es una de sus principales características. A razón de esto suelen ser usados como abrasivos (ej. carburo de silicio, SiC) para pulir otros materiales.