Cerámicos y Polimeros UCASAL para Alumnos.ppt

ceramicos y polimeros

1. Cerámicos
Al igual que con los metales, el número de diferentes tipos de cerámicos
es muy grande. Pero no hay necesidad de recordar a todos ellos: los
cerámicos genéricos están enumerados en la diapositiva siguiente y usted
debe recordarlos. Éstos encarnan las características más importantes,
mientras que otros pueden ser entendidos en términos de las mismas.
A pesar de sus propiedades difieren ampliamente, todos ellos tienen una
característica en común: son intrínsecamente frágiles, y esto es lo que
dicta la forma en que pueden ser utilizados.
Ellos son, potencialmente o de hecho, baratos. La mayoría de los
cerámicos son compuestos de oxígeno, carbono o nitrógeno con metales
como el aluminio o el silicio, los cinco se encuentran entre los elementos
más abundantes en la corteza terrestre. Los gastos de fabricación pueden
ser altos, pero los ingredientes son casi tan barato como el polvo: el polvo,
después de todo, es un cerámico.

2. Tipos de cerámicos:
1.Vidrios, hechos la mayoría de SiO2 (Temperatura de
Glass)
2.Cerámicas vítreas, o productos de arcillas (tazas,
sanitarios, tejas, ladrillos, etc).
3.Cemento y concreto
4.Rocas y minerales (incluido el hielo)
5.Cerámicas de alta perfomance
Fases cristalinas que se elaboran en forma pástica
con agua, y luego se secan y se hornean pormado
una película vitrosa basada en SiO2.
Mezcla de cal CaO),silica (SiO2) y alumina (Al2O3)
Concreto: Cemento más arena y piedras.

3. Vidrios
Los vidrios son utilizados en grandes cantidades: el tonelaje anual no está muy por debajo de la del aluminio. Hasta el 80% de la superficie de un edificio
de oficinas moderno puede ser de vidrio, y de vidrio se utiliza en como portante de cargas en las ventanas de los autos, en distintos tipos de
contenedores, en las campanas de buceo y equipos de vacío. Todos los vidrios importantes se basan en sílice (SiO2). Dos de ellos son de interés
primordial: la ventana de vidrio común, y los vidrios de borosilicato resistentes a la temperatura.
Cerámicas vítreas
Los alfareros han sido siempre miembros respetados de la sociedad desde la antigüedad. Sus productos han sobrevivido a los estragos del tiempo
mejor que cualquier otro; la cerámica de una época o civilización a menudo da la imagen más clara de su estado de desarrollo y sus costumbres. La
alfarería moderna, por ej., porcelana, azulejos y ladrillos estructurales y refractarios, se realizan mediante procedimientos que, aunque automatizado,
difieren muy poco de las de hace 2000 años. Todos están hechos a partir de arcillas, que se forman en el estado plástico húmedo y seguidamente se
seca y cuecen. Después de la cocción, su estructura metalográfica (no es que sean metales, pero así se llama a la estructura vista al microscopio) se
componen de fases cristalinas, principalmente silicatos, que se mantienen unidos por una fase vítrea de base, como siempre, hecha en sílice (SiO2). La
fase vítrea se forma y se derrite cuando la arcilla se cuece, y se extiende alrededor de la superficie inerte pero resistente de las fases cristalinas,
uniendo tod el conjunto.
Cerámicas de ingeniería de alto rendimiento
El diamante, por supuesto, es la cerámica de ingeniería por excelencia. Es desde hace muchos años, se ha utilizado para herramientas de corte,
moldes, taladros de roca y como un abrasivo. Pero es caro. La resistencia de una cerámica está determinada en gran medida por dos características: su
tenacidad y la distribución y tamaño de las microfisuras que contiene. Se están desarrollando una nueva clase de cerámica de alta resistencia
totalmente densos que combinan una tenacidad más alta con una distribución mucho más estrecha de microfisuras más pequeñas, dando propiedades
que los hacen competitivos con los metales, cermets, incluso con el diamante, para el corte de las herramientas, matrices, implantes y piezas de motor.
Y, al menos potencialmente, son baratos.
Cemento y concreto
El cemento y el concreto se utilizan en la construcción de una escala enorme, sólo igualada por el acero estructural, el ladrillo y la madera. El cemento
es una mezcla de una combinación de cal (CaO), sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), que fija cuando se mezcla con agua. El hormigón es arena y piedras
(agregado) unidas por un cemento.
Cerámicas naturales
La piedra es el más antiguo de todos los materiales de construcción y el más duradero. Las pirámides tienen 5000 años de antigüedad, y el Partenón
2200. La piedra utilizada como portadora de carga se comporta como cualquier otra de cerámica, y los criterios utilizados en el diseño con la piedra son
los mismos. Sin embargo, hay una cerámica natural que es única: el hielo. Se forma hielo en la superficie de la Tierra en enormes volúmenes; la capa de
hielo antártica, por ejemplo, es de hasta 3 km de espesor y casi 3000 kilómetros a través, algo así como 1.013 m3 de cerámica pura. Las propiedades
mecánicas del hielo son de primordial importancia en algunas áreas de la ingeniería, sobre todo cuando se trata de romper el hielo, estudiar la
resistencia de carreteras en el hielo y la construcción de plataformas petrolíferas en el Ártico.
Composites cerámicos
La gran rigidez y la dureza de la cerámica a veces se pueden combinar con la dureza de polímeros o metales para fabricar materiales compuestos.
Plástico reforzado con vidrio y fibra de carbono son algunos ejemplos: las fibras de vidrio o de carbono se endurecen el polímero más dúctil, pero si falla
una fibra, la grieta sale hacia afuera de la fibra pero se frena en el polímero dúctil sin la propagación a través de toda la sección. Los cermets son otro
ejemplo: las partículas de carburo de tungsteno duro unidas por cobalto metálico, o también la grava unida por alquitrán para dar una superficie de alta
resistencia en las rutas. El hueso es un compuestos natural de cerámica: las partículas de hidroxiapatita (la cerámica) unidos entre sí por colágeno (un
polímero). Materiales compuestos cerámica-cerámica sintéticos (como las fibras de vidrio en el cemento, o fibras de carburo o silicio) están actualmente
en desarrollo y puede tener importantes aplicaciones de alta temperatura.

5. Most commonly the production method leaves small holes: sintered products, for instance,
generally contain angular pores on the scale of the powder (or grain) size. Thermal stresses
caused by cooling or thermal cycling can generate small cracks. Even if there are no processing
or thermal cracks, corrosion (often by water) or abrasion (by dust) is sufficient to create
cracks in the surface of any ceramic. And if they do not form any other way, cracks appear
during the loading of a brittle solid, nucleated by the elastic anisotropy of the grains, or by easy
slip on a single slip system.

6. Enlaces muy resistentes por localización de
electrones..
Repulsión electrostática de los iones acompañada
de una baja cantidad de sistemas de deslizamiento
(por complejidad de las estructuras)
¿Qué dificulta el desplazamiento de las dislocaciones?
M
a
y
o
r e
s
p
a
c
i a
d
o
i n
t e
r a
t ó
m
i c
o
1) Tensiones en la red:
•Elementos solubles
•Gran cantidad de dislocaciones
2) Precipitados (como la Fe3C en el Ac)
3) Un tamaño de grano muy chico
4) Un tamaño de grano excesivamente grande
Most ceramics are intrinsically hard; ionic or covalent bonds present an enormous
lattice resistance to the motion of a dislocation. Take the covalent bond first. The
covalent bond is localised; the electrons which form the bond are concentrated in
the region between the bonded atoms; they behave like little elastic struts joining
the atoms. When a dislocation moves through the structure it must break and
reform.

7. Tracción
Compresión: las fisuras se propagan
paralelas a la dirección de la compresión
y, luego, se frenan al no “observar” más
tensión
Problema:
Los cerámicos están llenos de defectos, de
poros (20%), de fisuras provocados
principalmente por tensiones entre las
diferentes fases que los componen (y no
siendo plásticas…)
The reason for this is explained the figue. Cracks in
compression propagate stably, and twist out of their
original orientation to propagate parallel to the
compression axis. Fracture is not caused by the rapid
unstable propagation of one crack, but the
slow extension of many cracks to form a crushed
zone. It is not the size of the largest
crack (am) that counts, but that of the average a

8. The microstructure of ceramics
Crystalline ceramics form polycrystalline microstructures, very like those of metals. Each grain is a more or less
perfect crystal, meeting its neighbours at grain boundaries. The structure of ceramic grain boundaries is obviously
more complicated than those in metals: ions with the same sign of charge must still avoid each other and, as far as
possible, valency requirements must be met in the boundary, just as they are within the grains. But none of this is
visible at the microstructural level, which for a pure, dense ceramic, looks just like that of a metal. Many ceramics
are not fully dense. Porosities as high as 20% are a common feature of the microstructure. The pores weaken the
material, though if they are well rounded, the stress concentration they induce is small. More damaging are cracks;
they are much harder to see, but they are nonetheless present in most ceramics, left by processing, or nucleated by
differences in thermal expansion or modulus between grains or phases. Recent developments in ceramic processing
aim to reduce the size and number of these cracks and pores, giving ceramic bodies with tensile strengths as high as
those of high-strength steel.

9. Polímeros
•Termoplásticos
•Termoresistentes
•Elastómeros
•Polímeros naturales (Celulosa, proteínas….)
Although their properties differ widely, all polymers are made up of long molecules
with a covalently bonded backbone of carbon atoms. These long molecules are bonded
together by weak Van der Waals and hydrogen (“secondary”) bonds, or by these plus
covalent cross-links. The melting point of the weak bonds is low, not far from room
temperature. So we use these materials at a high fraction of the melting point of the
weak bonds (though not of the much stronger covalent backbone).

12. Temperatura de Glass

15. Many of the most floppy polymers have half-melted in this way at room temperature. The temperature at which this happens is called
the glass temperature, TG, for the polymer. Some polymers, which have no cross-links, melt completely at temperatures above TG,
becoming viscous liquids. Others, containing cross-links, become leathery (like PVC) or rubbery (as polystyrene butadiene does).
Some typical values for TG are: polymethylmethacrylate (PMMA, or perspex), 100°C; polystyrene (PS), 90°C; polyethylene (low-density
form), -20°C; natural rubber, -40°C. To summarise, above TG, the polymer is leathery, rubbery or molten; below, it is a true solid with a
modulus of at least 2GNm
-2
. This behaviour is shown in Fig. 6.2 which also shows how the stiffness of polymers increases as the
covalent cross-link density increases, towards the value for diamond (which is simply a polymer with 100% of its bonds cross-linked, Fig.
4.7). Stiff polymers, then, are possible; the stiffest now available have moduli comparable with that of aluminium
Temperatura de transición vítrea (Glass temperature)

17. Copuestos (composites)
Carburo de W + matriz metálica (Co)
Widia