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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

UNIDAD 2

MATERIALES CERÁMICOS 1

Unidad 2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 2.1. Materiales ferrosos 2.2. Materiales no ferrosos 2.3. Polímeros 2.4. Cerámicos 2.5. Compuestos 2

Clasificación y aplicación de los materiales cerámicos Un material cerámico es un material inorgánico que consiste en un metal o semimetal y uno o más no metales (Silicio, Carbono, Nitrógeno, Azufre). El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura. 3

DEFINICIÓN Cerámicos: Son compuestos químicos inorgánicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Están formados por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces químicos: a. completamente iónico; b. iónico; y/o, c. covalente. Pueden ser cristalinos y no cristalinos (amorfos) y pueden ser producidos por una gran variedad de técnicas de manufactura.

Clasificación y aplicación de los materiales cerámicos • Ejemplos: • Sílice u óxido de silicio (SiO2), componente principal del vidrio. • Alúmina u óxido de aluminio (Al2O3) que se usa en aplicaciones que van desde abrasivos hasta huesos artificiales. • Compuestos más complejos como silicato de aluminio hidratado (Al2Si2O5(OH)4) o caolinita, ingrediente principal de los productos de arcilla. 5

Clasificación y aplicación de los materiales cerámicos • La importancia de los cerámicos en ingeniería se deriva de su abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales.

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Características y propiedades de los cerámicos • Tienen enlaces covalentes, iónicos, o covalentes y iónicos, que son más fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a la dureza y a la rigidez altas pero ductilidad baja de los materiales cerámicos.

Óxido de aluminio Óxido de calcio

Grafito y diamante 8

Características y propiedades de los cerámicos • Debido a la presencia de electrones estrechamente empacados en las moléculas, los materiales cerámicos son malos conductores eléctricos y de calor por lo que usualmente son buenos aislantes térmicos y eléctricos. • Debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces, normalmente tienen altas temperaturas de fusión y alta estabilidad química en los ambientes más hostiles. En algunos casos, algunas cerámica se descomponen en lugar de fundirse.

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Características y Propiedades

Alta Dureza, pero frágiles

Alto Punto de Fusión

Baja Conductividad Eléctrica y Térmica

Elevada Resistencia a la Compresión

Estabilidad Química y Térmica

Propiedades Ópticas (Silicatos)

Propiedades Mecánicas • Son rígidos • Son frágiles • Su resistencia a la tensión y tenacidad es bastante baja • Fallan por fractura quebradiza.

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Propiedades físicas • Coeficiente de expansión térmica bajos (menor que el de los metales) • Temperaturas de fusión altas • La mayoría se descompone en lugar de fundirse • Presentan choque térmico • Conductividad eléctrica menor que la de los metales • Alta resistencia al calor y al desgaste • Buenas propiedades aislantes • Baja o nula ductilidad, se dañan fácilmente por el impacto 12

Propiedades de los cerámicos • Pueden ser cristalinos o amorfos. Por lo general son cristalinos. Los cerámicos amorfos más importantes son los vidrios. • Sus estructuras cristalinas son más complejas que las de la mayoría de los metales, debido a que el tamaño de los átomos de los materiales cerámicos son significativamente distintos y a la carga de los iones, lo que tiende a forzar un arreglo físico más complicado de los átomos de la molécula y en la estructura cristalina resultante. Además muchos materiales cerámicos están formados por más de dos elementos distintos que resulta en una complejidad mayor de la estructura molecular. 13

Productos y aplicaciones

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Productos y aplicaciones

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CLASIFICACIÓN POR APLICACIÓN EN INDUSTRIA

(Porcelana)

(Arcilla Refractara)

Productos y aplicaciones

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Aplicaciones de Cerámicos

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Clasificación de los cerámicos

Clasificación de los materiales cerámicos por su aplicación en la industria

1. Cerámicos tradicionales 2. Cerámicos avanzados o nuevos 3. Vidrios

• Se basan en silicatos, sílice y óxidos minerales • Materiales creados en forma sintética, controlando propiedades y estructura del Cerámico • Compuesto inorgánico no metálico que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar

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Clasificación de los materiales cerámicos

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Cerámicos Tradicionales • Se basan en Silicatos, sílice y óxidos minerales Productos principales:  Barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos, mosaicos) Cemento Abrasivos naturales como la alúmina (Al2O3 ) 21

Cerámicos Tradicionales • Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos tradicionales. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se mezcla con agua. Además de la plasticidad que adquiere cuando se mezcla con agua, una segunda característica de la arcilla que la hace muy útil, es que se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. 22

CERÁMICOS TRADICIONALES

Productos de arcilla, sílice, feldespatos. Cerámica Porosa Arcilla • Ladrillos • Alfarería • Loza • Al2O3·SiO2·H2O

Cerámica Compacta - Sílice • Porcelana, • Gres • SiO2

Cerámica Refractaria - Feldespatos • Porcelana para aislantes térmicos • K2O·Al2O3·6SiO2

Procesamientos complejos de producción. Bajo costo de producción.

CERÁMICOS TRADICIONALES

Sanitarios

Porcelana

Ladrillo

Cemento

Azulejo

Macetas

Pisos

Cerámicos Tradicionales

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Cerámicos Avanzados • Cerámicos avanzados: Materiales creados de forma sintética, controlando propiedades y estructura del cerámico por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento. • Combinan las características y las ventajas de la cerámica tradicional (inercia química, capacidad de soportar altas temperaturas y dureza) con la capacidad de soportar una tensión mecánica significativa. 26

Cerámicos Avanzados • Características: • Se realizan generalmente para ser completamente densos y para tener tolerancias dimensionales ajustadas. • Soportan niveles más altos de tensión mecánica y térmica que los cerámicos tradicionales. • Los polvos, las composiciones, el procesado y la microestructura que resulta se deben controlar cuidadosamente para proporcionar los niveles requeridos del funcionamiento. 27

Cerámicos Avanzados • • • • • • • • •

Ejemplos: Si3N4 SiC Zirconia (ZrO2) Al2O3 TiB2 AlN Oxinitrato de aluminio de silicio, SiAlON Otros carburos o nitruros 28

Cerámicos avanzados • Diferencias de los cerámicos tradicionales y avanzados en términos de: • Materias Primas • Proceso de Conformado • Tratamiento Térmico • Productos Finales • Estructura 29

Cerámicos avanzados

1.

2. 3.

• Para su fabricación se usan materias primas de alta pureza (99.99%), con composición química y propiedades morfológicas controladas.

• El procesado está sujeto a un control preciso, tanto en el conformado como en el tratamiento térmico.

• Los productos tienen una microestructura bien controlada, que asegura su alta fiabilidad.

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Cerámicos avanzados

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Cerámicos Avanzados • Cerámicos avanzados: Son más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales. Incluyen: 1. Óxidos 2. Carburos 3. Nitruros, y, 4. Boruros 32

Cerámicos Avanzados 1. Óxidos cerámicos • Existen dos tipos de cerámicos a base de óxidos: alúmina (Al2O3) y zirconia (ZrO2) • Se producen mediante un horno eléctrico • Se controla el tamaño de partículas e impurezas • Se mezclan otros ingredientes cerámicos • Presentan buena dureza, baja conductividad térmica y resistencia a la corrosión • EJEMPLOS: Abrasivos, biocerámicos, aislantes eléctricos, ladrillos refractarios, aislantes de bujías 33

Cerámicos Avanzados 2. Carburos • Presentan dureza y resistencia al desgaste en herramientas de corte y otras propiedades que requieren esas propiedades • Se producen mediante el método de carburación • Los más importantes son:     

Carburo de tungsteno (WC) Carburo de titanio (TiC) Carburo de tantalio (TaC) Carburo de cromo (Cr3C2) Carburo de silicio (SiC) 34

Cerámicos Avanzados 2. Carburos El Carburo de silicio (SiC) se usa en aplicaciones tales como: • Recubrimiento para metales • Abrasivos en ruedas rectificadoras • Semiconductor; es una buena opción para dispositivos electrónicos a altas temperaturas.

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Cerámicos avanzados • Carburo de silicio (SiC): • Provee una resistencia sobresaliente a la oxidación a temperaturas altas, incluso por arriba del punto de fusión del acero. Se usa con frecuencia como un recubrimiento para metales, materiales compuestos carbono-carbono y otras cerámicas de protección a esas temperaturas extremas. A temperaturas altas forma una película de SiO2 que protege al cuerpo principal del material. • Se usa como abrasivo en ruedas rectificadoras. • Se usa como material de refuerzo (como fibras y partículas) en materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica. • Fabricación de elementos de calentamiento para hornos. • Por ser un semiconductor, es muy buena opción para dispositivos electrónicos a altas temperaturas. 36

Cerámicos Avanzados 3. Nitruros • Nitruros importantes: Nitruro de silicio (Si3N4), Nitruro de boro (BN) y Nitruro de Titanio(TiN) • Son duros, frágiles y funden a temperaturas altas • Se oxidan a temperaturas elevadas • Se producen por calentamiento extremo de sus componentes • Se usan en herramientas de corte • Se usan como aislantes eléctricos, a excepción del TiN que es un conductor. 37

Cerámicos Avanzados Algunas aplicaciones: • Nitruro de silicio (Si3N4): Turbina de gas; motores de cohetes; crisoles para fundir • Nitruro de boro (BN): Herramientas de corte, esmeriles • Nitruro de Titanio(TiN): Recubrimiento de superficies de herramientas de corte.

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Cerámicos avanzados • Nitruro de silicio (Si3N4): • Tiene propiedades similares al SiC, aunque su resistencia a la oxidación a altas temperaturas es un poco menor. • Es una opción probable para motores de automóviles y para turbinas de gas, permitiendo temperaturas mayores y eficiencias mejores de combustible con un peso menor que los metales y aleaciones tradicionales. 39

Cerámicos avanzados • Alúmina (Al2O3): • Material aislante para bujías de encendido. • Aplicaciones eléctricas de alta calidad donde se requiere una baja pérdida dieléctrica y alta resistividad, por ejemplo, encapsulamiento electrónico de los chips de silicio. • Aplicaciones únicas de uso médico y dental. • Fabricación de láseres en donde se emplea alúmina dopada con cromo. • En forma de partículas finas se usa como soporte catalítico. 40

Cerámicos avanzados • Zirconia (ZrO2): • Se usa para fabricar muchas otras cerámicas como el zircón. • Fabricación de sensores de gas oxígeno que se usan en la industria automotriz para medir el oxígeno disuelto en los aceros fundidos. • Se usa como aditivo un material refractario en muchas cerámicas electrónicas. • Fabricación de joyería. 41

Cerámicos avanzados • • • • • •

Zirconato de magnesio Se usa como barrera o aislante térmico Resiste erosión de partículas alta temperatura Resiste materiales fundidos como cobre, aluminio, zinc Aplicaciones: Recubrimiento de moldes, lingoteras y crisoles; conos de misiles; placas de aislación; pistones de motores diésel de combustión.Recubrimiento de caños de escape o admisión en motores de combustión.

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CERÁMICOS AVANZADOS

Pizoeléctricos y

Ferroeléctricos

Abrasivos

Electroópticos

Refractarios

Superconductores

Pizoelectricidad: Fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en la superficie.

Clasificación y aplicaciones de materiales cerámicos • Los materiales cerámicos amorfos o no cristalinos más importantes son los vidrios. • Pueden ser transparentes, translucidos u opacos; sus colores varían según los compuestos usados en su fabricación. • Son malos conductores del calor y electricidad, por lo que se pueden usar como aislantes.

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Vidrios Vidrio: Es un compuesto inorgánico no metálico que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar (los átomos se acomodan en conjuntos irregulares y aleatorios). Como material sólido está en estado vítreo.

• El ingrediente principal es el Sílice (SiO2), en proporciones que van del 50% al 75 %).

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Vidrio: Enfriamiento repentino 46 del SiO2

Vidrios

• La mayor parte de vidrios consiste en sílice fundido (SiO2), en proporciones que van del 50% al 75 %). Si se agregan otros materiales cerámicos vítreos tales como óxido de aluminio, boro, calcio y magnesio, se obtienen variaciones en sus propiedades y colores.

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Vidrios

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VIDRIOS

Objetos Domésticos

Parabrisas

Anteojos

Joyas

Ventanas

Biocompatibles

ESTRUCTURA La mayoría de los materiales cerámicos son compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente iónico, o bien de carácter predominantemente iónico con algún carácter covalente.

Estructura • Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos o amorfos.

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Estructuras cristalinas • Para materiales cerámicos con enlace predominantemente iónico, la estructura cristalina está formada por iones en lugar de átomos neutros • La cantidad de aniones y cationes dependerá de la carga de los mismos y la proporción necesaria para que la carga neta del cristal sea cero (el cristal debe de ser eléctricamente neutro) 52

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

El valor de la Carga Eléctrica de los iones componentes.

Tamaños relativos de los cationes y aniones.

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ESTRUCTURA CRISTALINA

Carga

Radios

• El cristal debe ser eléctricamente neutro, es decir, todas las cargas positivas de los cationes deben ser equilibradas por un número igual de cargas negativas de los aniones.

• Depende del tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones. • Puesto que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones.

Estructuras cristalinas Los materiales cerámicos más comunes tienen el mismo número de cationes que de aniones: A= Catión X = Anión Ejemplos: • MgO • CaO • MnS • ZnS 55

Estructuras cristalinas Los materiales cerámicos también pueden tener diferente el número de cationes que de aniones : A= Catión X = Anión Ejemplos: • K2 O • CaF2 • CaTiO3

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Estructuras cristalinas

Fluorita (CaF2)

Coridón (Al2O3)

Perouskita (CaTiO3)

Espinela (MgAl2O4) 57

Estructuras cristalinas Estructuras Cristalinas

Tipo AX

Tipo AmXp

Del Cloruro Sódico

Tipo AmBnXp

Fluorita

De los Silicatos Cristalinos

Perouskita (CaTiO3)

Compuestos de Silicatos

Del Cloruro de Cesio

Corindón

De anillo y de cadena

Del Sulfuro de Cinc

Espinel

Laminares

Grafito

Sílice 58

Estructuras cristalinas

Perouskita (CaTiO3) 59

Estructuras cristalinas

Estructuras Tipo AX - Estructura del cloruro sódico.

Cerámicos que adoptan este tipo estructural: haluros alcalinos (excepto Cs y Tl), MgO, CaO, FeO, NiO, MnS, LiF, MnO, HfN.

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Estructuras cristalinas Estructuras Tipo AX-Estructura del cloruro de cesio

 Cerámicos que adoptan este tipo estructural: CsBr, TlCl, TlBr, aleaciones CuZn, AlNi.

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Estructuras cristalinas Estructuras Tipo AX – Estructura del sulfuro de cinc (ZnS, blenda)

Cerámicos que adoptan este tipo estructural: BeO, CdS, HgS, ZnTe y SiC.

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Estructuras cristalinas Estructuras Tipo AmXp – Estructura de la fluorita CaF2

Cerámicos que adoptan este tipo estructural: CeO2, ZrO2, HfO2, CO2, UO2, PuO2 y ThO2.

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Estructuras cristalinas Estructuras Tipo AmBnXp – Estructura de la Perouskita (CaTiO3)

Cerámicos que adoptan este tipo estructural: CaTiO3, SrTiO3, PbZrO3, KNbO3, LiNbO3.

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Estructuras cristalinas Estructuras Tipo AmBnXp – Estructura de la Perouskita (CaTiO3)

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Estructuras cristalinas • Grafito: Es una de las formas cristalinas del carbono. Aunque es un elemento y no un compuesto, se le considera un material cerámico. • Tiene una estructura hexagonal por capas

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Fibra de carbono • Fibra de carbono: Es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono.​ Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. • La principal aplicación es la fabricación de materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termostable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.

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Fibra de carbono • La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo : las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia. 68

Fibra de carbono •

•

La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial , pero al bajar de precio, se ha extendido a otros campos donde tiene muchas aplicaciones: Principalmente la industria del transporte y el deporte de alta competición. En la industria aeronáutica y automovilística , al igual que en barcos y bicicletas , donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pescar.

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Vidrios de sílice • Vidrio: Compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar. Su componente principal es el sílice (SiO2).

• Un vidrio es un material sólido que se ha endurecido y vuelto rígido sin cristalizar. Es un material cerámico que como material sólido está en estado vítreo.

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Vidrios de sílice • Las estructuras vítreas se producen al unirse los tetraedros de sílice u otros grupos iónicos, para producir una estructura reticular no cristalina, pero sólida.

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Vidrios de sílice

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Adición del compuestos • Se pueden agregar compuestos de calcio, sodio o boro para modificar las propiedades delos vidrios. • Vidrio Sodio-silicato • Vidrio Boro-silicato • Vidrio Calcio-silicato

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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Las propiedades mecánicas están determinadas por superficies, incluyendo bordes de grano, superficies de partícula y poros.

MECÁNICAS

MAGNÉTICAS

ELÉCTRICAS

TÉRMICAS

PROPIEDADES MECÁNICAS Duros y frágiles a Tamb debido a su enlace iónico/covalente. Son deformables a elevadas T, ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes de grano. A temperatura ambiente, tanto las cerámicas cristalinas como las no cristalinas casi siempre se rompen antes de que ocurra alguna deformación plástica en respuesta a cualquier carga de tracción.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferromagnéticas (MO . Fe2O3, en donde M es la forma bivalente de un ion metálico como el Zn, el Ni, o el Mg, entre otros. Ejemplo, magnetita (FeO.Fe2O3)

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

PROPIEDADES ELÉCTRICAS Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y baja constante dieléctrica. Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de polarizarse.

PROPIEDADES TÉRMICAS La mayoría tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. Debido a su alta resistencia a calor son usados como refractarios.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS Resistencia a agentes químicos, Estabilidad dimensional Transparentes Buenos aislantes eléctricos y térmicos Se ablandan antes de fundir Pueden ser soplados

APLICACIONES AERONAUTICAS TÉRMICAS • Barrera Térmica (Zirconato de Magnesio) • MCrAlY

LUBRICANTES • Sellos de Grafito

Aislante térmico, estabilidad química, dimensional • Fibra de vidrio de borosilicato, las más comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio.

PROCESO DE OBTENCIÓN Pasos para el proceso de obtención de cerámicos tradicionales: 1. Preparación de materias primas a partir de polvos sueltos (colección de partículas finas). 2. Formado de material húmedo (arcilla y agua) 3. Secado (arcilla seca) 4. Cocimiento (sinterizado) (arcilla seca)

En los puntos 1, 2 y 3 la pieza no está completamente procesada. Carece de dureza y resistencia por lo que se debe cocer para lograr dureza y resistencia en el producto final.

PROCESO DE OBTENCIÓN