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Universidad Nacional de Colombia. Ríos. Práctica de laboratorio #3.

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Informe de laboratorio: Cerámicos Ríos Gómez, Yann Nicolás. {ynriosg}@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia

Resumen— En este informe de laboratorio se muestran y analizan los resultados de la práctica de cerámicos, la cual tuvo como objetivo observar los efectos del secado y curado en las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos. Índice de Términos— Cerámico, secado, curado, flexión. I.INTRODUCCIÓN Los materiales cerámicos tienen importantes características como: resistencia y dureza a alta temperatura, baja conductividad eléctrica y térmica, inertes a los productos químicos y presentan resistencia al desgaste y a la corrosión. La amplia variedad de aplicaciones para estos materiales se observa en elementos comunes como vajillas, aislantes eléctricos, bujías, y rodamientos de bolas. En este informe de laboratorio se describen algunas técnicas existentes para procesar cerámicos que fueron aplicadas en la práctica, con el fin de evaluar su efecto sobre las propiedades mecánicas del material. Los métodos empleados en los materiales cerámicos consisten en triturar la materia prima, darle forma mediante diversos medios, para luego realizar secado y cocción. II.  

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OBJETIVOS

Observar y analizar los efectos del secado y curado en una mezcla de arcilla y arena. Observar los resultados del porcentaje de contracción y pérdida de peso, después de secado, curado y absorción de agua para las probetas. Realizar y observar los resultados de ensayos de esfuerzo a rotura a flexión para las probetas. Plantear elaciones entre las propiedades en función del contenido de arena.

III.

MARCO TEORICO

Uno de los materiales más ampliamente utilizados es la arcilla. Se encuentra de forma natural en gran abundancia, y a menudo se utiliza extraído de la mina sin ningún aumento en su grado de calidad. Otra razón de su popularidad es la facilidad con que los productos de la arcilla pueden conformarse; cuando el agua y la arcilla se mezclan en las proporciones adecuadas se forma una masa plástica que puede moldearse fácilmente. La pieza conformada luego se seca para eliminar parte de la humedad y es cocida a temperaturas elevadas para aumentar su resistencia mecánica. Los productos basados en arcillas se pueden clasificar en dos grandes clases: los productos estructurales de arcilla y las porcelanas. Además de la arcilla, muchos de estos productos también contienen ingredientes no plásticos, los cuales influyen en los cambios que tienen lugar durante los procesos de secado y de cocción. Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente. Según el tipo de arcilla se tienen distintas características físicas, composiciones y estructuras químicas. Normalmente incluyen compuestos como óxidos de bario, calcio, sodio, potasio y hierro, y también algo de materia orgánica que se presenta como impurezas. Las estructuras cristalinas de los minerales de arcilla son relativamente complicadas, sin embargo, una característica común es una estructura en capas. Los minerales de arcilla que presentan mayor interés tienen la denominada estructura de la caolinita: [Al2(Si2O5)(OH)4]. Cuando se añade agua a la arcilla, las moléculas de agua encajan entre las capas y forman una película delgada alrededor de las partículas de arcilla. Las partículas son así libres de moverse unas respecto a otras, lo cual explica la plasticidad resultante de la mezcla arcilla-agua.

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En general, los materiales cerámicos usados en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales de ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos. Las materias primas extraídas de la mina tienen que pasar normalmente por una operación de molienda para reducir el tamaño de partícula; se realiza un tamizado u otro proceso para producir un polvo que tenga el tamaño de partícula deseado. En el caso de sistemas de varios componentes, los polvos deben ser mezclados perfectamente con agua e ingredientes como arena. La pieza conformada debe tener suficiente resistencia mecánica para permanecer intacta durante el proceso de secado y cocción. Efectos del secado en la mezcla de arcilla y arena: A medida que un cuerpo cerámico de arcilla se seca experimenta una contracción volumétrica. Durante los primeros instantes de secado las partículas de arcilla y arena están rodeadas por una fina película de agua. A medida que transcurre el tiempo de secado se elimina agua, lo cual causa el acercamiento de las partículas, poniendo manifiesto la contracción del material. Durante el secado, se debe controlar la velocidad de eliminación de agua cuidadosamente. El secado en la parte interna de un material cerámico se realiza por difusión de moléculas de agua hasta la superficie, donde ocurre la evaporación. Si la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de difusión, la superficie se secará y encogerá más rápidamente que la parte interior, con una alta probabilidad de formación de defectos. La velocidad de evaporación superficial debe ser, por lo menos, igual a la velocidad de difusión del agua; la velocidad de evaporación puede ser controlada mediante la temperatura, humedad y velocidad del flujo de aire.

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temperatura elevada en un ambiente controlado. Durante la cocción ocurre cierta contracción. La cocción proporciona a la pieza de cerámico su resistencia y dureza. Este mejoramiento de las propiedades se debe a:  el desarrollo de una fuerte unión entre las partículas complejas de óxido en el cerámico  la porosidad reducida. Las temperaturas de cocción oscilan entre 900 y 1400°C; temperaturas que dependen de la composición y de las propiedades que se desean en la pieza final. Durante esta operación de cocción, hay un aumento general de densidad, con disminución de las porosidades y un aumento de la resistencia mecánica. Cuando los materiales de arcilla son calentados a temperaturas elevadas, ocurren varias reacciones. Una de ellas es la vitrificación, donde se forma un vidrio líquido que fluye hacia los poros y llena su volumen parcialmente. El grado de vitrificación depende de la temperatura de y del tiempo de cocción. Esta fase fundida fluye alrededor de las partículas no fundidas y llena los poros gracias a las fuerzas de tensión superficial. Al enfriar, la fase fundida forma una matriz vítrea lo cual proporciona un cuerpo fuerte y denso. Así, la estructura final consiste en una fase vitrificada, partículas de cuarzo que no han reaccionado y se presenta porosidad.

IV.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se realizó primero la mezcla de arcilla con porcentajes de 0, 5, 10, 15 y 20% de peso en arena, para un total de aproximadamente 25 gramos de arcilla. Esta mezcla posteriormente se humecto al 6%, y se homogeneizo, asegurándose de obtener una mezcla uniforme y sin grumos.

Efectos del curado en la mezcla de arcilla y arena: La cocción o quemado (también conocida como sinterización) consiste en calentar la mezcla a una Ilustración 1: proceso de prensado

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Para el proceso de prensado en verde se depositó la mezcla homogeneizada en un molde cilíndrico de 40,1 mm de diámetro y 31,4 mm de altura, y se sometió a una presión de, con una prensa manual.

Ilustración 2: Compactado en verde

Posteriormente las probetas fueron depositadas en el horno, a un temperatura de secado de 110 °C, durante un tiempo de aproximadamente 48 horas.

Ilustración 3: probetas en el horno

Una vez fueron secadas las probetas, se cocieron a temperaturas entre 800 y 1100 °C, y se realizaron pruebas de absorción de agua y flexión a algunas de ellas. La prueba de absorción se realiza mediante inmersión en agua hirviendo durante 2 horas y 4 horas enfriando en el agua, con un mínimo de 5 cm de nivel de agua sobre probetas.

V.

RESULTADOS

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VIII. REFERENCIAS

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