Ceramicos

Materiales y estructuras de los Cerámicos con sus propiedades físicas y químicas

1. Materiales Cerámicos

2. Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos (óxidos, nitruros, carburos, etc.) vinculados químicamente, que incluyen minerales de arcilla, cementos y vidrios. Se trata de materiales/minerales que pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mixtura de ambos; son aislantes térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos, son más resistentes que los metales y los polímeros. Presentan enlaces iónicos o covalentes aunque el predominante es el iónico Tienen amplias propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión.

3. Clasificación de los cerámicos Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas finas. Materiales cerámicos porosos o gruesos. 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 rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. 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

4. Loza inglesa : Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex , yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajilla y objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases:  Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte. 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)

5. Materiales cerámicos impermeables o finos:  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 1.300 °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 silico-alunminato 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.).

6. Otras clasificaciones Por estructura

7. 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.

8. No cristalinos Estructura no cristalina. 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. La mayor parte de los vidrios que se comercializan son silicatos.

9. ENLACES EN CERAMICOS El tipo de enlace predominante es el iónico Este tipo de enlace se da entre elementos cuyas electronegatividades sean diferentes. La fuerza que mantiene y da estabilidad a este enlace es de tipo electrostática siendo así los compuestos enlazados parte positiva y negativa, catión y anión. Los cationes se mantiene unidos a los aniones y la fuerza de el enlaza será proporcional a la diferencia en electronegatividades. En este enlace se puede considerar que un átomo, el electropositivo, da sus electrones de valencia y el otro, átomo electronegativo, gana dichos electrones para así completar el octeto. Analizando esto conforme a los orbitales atómicos veremos que los electrones se encontraran con mayor probabilidad en cargados hacia el átomo mas electronegativo y con una pequeña distribución en el átomo electropositivo

10. Los cerámicos también presentan enlaces covalentes Este tipo de se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos. Dos átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al menos un electrón, los electrones compartidos se considera de los dos átomos. En Este enlace todos los elementos busca configuraciones mas estables como las de los gases nobles, esto compartiendo electrones para completas su octeto.

11. Estructuras químicas en los cerámicos

12. Estructuras cerámicas iónicos

13. Cabe mencionar que la estructura cristalina de los cerámicos es más compleja que la de los metales

14. Estructura del corindón Es similar a una estructura hexagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta estructura como son: Cr2O3 y Fe2O3.

15. Estructura de espinel Tiene una celda unitaria cúbica , en cada uno de sus cubos menores hay iones de oxigeno, hay 4 intersticiales octaédricos y 8 sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan 3. En los espineles inversos, el ión bivalente y la mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos.

16. perovskita

17. Estructura Perovskite Se encuentra en varios cerámicos eléctricos . En este tipo de celdas están 3 tipos de iones, que son iones de bario, iones de oxigeno y iones de titanio. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores.

18. Estructuras cerámicas covalentes

19. Estructuras cerámicas de silicatos Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones. También un número de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre. En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan junto 4 átomos de oxígeno, creando así una estructura retraédrica , esta es la unidad estructural fundamental del sílice, de las arcillas y de silicatos vítreos. Los compuestos de silicatos forman una serie de soluciones sólidas conocidas como olivinos y ortosilicatos Estructuras de anillo y de cadena: se forman cuando dos vértices del tetraedro se comparten con otros grupos tetraédricos. Hay una amplia cantidad de materiales cerámicos que tienen estructura de metasilicato . Estructuras laminares: cuando la relación O, Si resulta en la fórmula Si2O3, los tetraedros se combinan para formar estructuras laminares, en una formación ideal, 3 átomos de oxígeno formando un patrón hexagonal. La caolinita que es una arcilla común esta compuesta por láminas de silicato enlazadas iónicamente a una hoja compuesta por ciertos grupos, las arcillas son componentes importantes de muchos cerámicos.

20. La estructura de los silicatos cristalinos. Algunos materiales cerámicos contienen enlaces covalentes. Un ejemplo es la forma cristobalita del SiO , o sílice, que es una materia prima importante para los productos cerámicos (figura), La disposición de los átomos en la celda unitaria proporciona la coordinación adecuada, equilibra la carga y, además, asegura que no se viole la direccionalidad de los enlaces covalentes.

21. Grafito El grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de van der waals entre las capas. Como consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la separación interplanar es considerable y el deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

22. Impacto ambiental de los Cerámicos

23. El ámbito de actividad "Cerámica fina y de construcción" comprende los ramos industriales siguientes: Cerámica de construcción: Ladrillos, tejas, gres, arcilla expandida, azulejos y baldosas, material refractario Cerámica fina: Productos de alfarería, loza, gres fino, porcelana, electroporcelana , loza sanitaria, muelas y cuerpos abrasivos

24. La mayor parte de las empresas de la industria de cerámica de construcción y fina están ubicadas en las inmediaciones de yacimientos de arcilla. Así como el tamaño de las instalaciones cerámicas puede variar mucho, su producción diaria fluctúa entre varios kilogramos en cerámica técnica, 10 a 50 t/día normalmente en cerámica fina y, como máximo, 450 t/día en la industria del ladrillo. Dado que muchas empresas operan en sectores de producción variados, la producción total de las fábricas es a menudo mayor que la producción diaria típica para un producto determinado. Cerámica técnica.

25. Las industrias de cerámica fina y de construcción utilizan como materia prima básica todo tipo de arcillas y caolines, así como chamota (arcilla cocida), feldespatos y arenas. La industria de materiales refractarios y de abrasivos y la cerámica técnica utilizan, además, otros muchos óxidos resistentes a altas temperaturas o a la abrasión, por ejemplo, corindón (Al2O3), óxido de circonio (ZrO2) o carburo de silicio ( SiC ). Las empresas tienden cada vez más a utilizar no sólo sus propias materias primas, cercanas a la empresa, sino también a comprarlas ya preparadas, sobre todo para productos refractarios, abrasivos y cerámica técnica, así como las materias primas necesarias para el vidriado y fritado.

26. En la obtención, preparación y modelado de productos cerámicos apenas se originan gases de escape. Una excepción es la expulsión de la humedad en la torre de pulverización, por ejemplo en la fabricación de baldosas, y en las instalaciones de molienda en seco durante la preparación de la arcilla, donde siempre se desprende vapor de agua inocuo. Durante el proceso de vidriado es preciso impedir que los vapores producidos, que a veces contienen metales pesados y otras sustancias tóxicas, pasen al medio ambiente o sean inhalados por los operarios. Por tanto, sólo deben autorizarse instalaciones de vidriado que dispongan de los dispositivos necesarios de aspiración y de tratamiento de aguas residuales. Los operarios que realizan trabajos de servicio o reparación necesarios en este sector, han de protegerse utilizando filtros de respiración. Durante el secado de los productos vidriados se desprende vapor de agua en principio inocuo. La contaminación por gas de combustión durante la cochura depende tanto de la emisión del producto a cocer como del tipo de combustible utilizado. Aquí se desprenden a veces componentes volátiles de la pasta y del combustible.

27. El polvo constituye un riesgo latente, sobre todo para los obreros de las fábricas de cerámica fina y de construcción. El polvo fino de cuarzo puede provocar afecciones silicóticas . En función de las condiciones geológicas y meteorológicas, durante la extracción de las materias primas puede producirse en las minas una carga de polvo, que es posible reducir por riego y con métodos de explotación y transporte específicos.

28. Mientras que en el medio húmedo de los procesos plásticos no se produce apenas polvo, en la preparación, modelado y secado se adoptan numerosas medidas, entre ellas la limpieza continua de las plantas, el hormigonado y a veces barnizado de los suelos, captaciones de polvo eficaces, lijado en húmedo de la porcelana y productos sanitarios, a fin de limitar en lo posible el desprendimiento de polvo. Durante la cocción no se produce generalmente más que una pequeña contaminación de polvo. En la actualidad se incorporan frecuentemente filtros secos a los hornos y, con menor frecuencia, equipos de separación en húmedo. Los equipos de absorción en seco pueden contaminar con polvo. Por ello, cuando se utilizan estos equipos hay que procurar que la cantidad de polvo máxima en el gas de combustión no sobrepase los 50 mg/Nm³. Las condiciones de funcionamiento de estos equipos requiere un mantenimiento periódico.

29. A fin de no superar los valores vigentes, el agua brotada en la zona de la mina debe pasar por tanques de reposo, si fuera necesario añadiendo agentes de sedimentación. El agua superficial surgida en el recinto de la mina ha de evacuarse por separado. El consumo de agua fresca es reducido en las fábricas de cerámica modernas, ya que el agua requerida para el proceso pasa al circuito interno. Una parte del agua utilizada se desprende como vapor de agua durante la preparación de los granulados en la torre de rociado, o durante el secado de los productos. Las aguas residuales resultantes contienen arcilla, fundentes y otras materias primas cerámicas, que se precipitan y retornan al proceso a través del circuito interno. El agua sanitaria producida en las fábricas de cerámica fina y de construcción debe ser conducida y eliminada por separado. Contaminación en el Agua

30. Actualmente se utilizan con frecuencia las minas de arcilla; una vez finalizada la extracción, dada su relativamente escasa permeabilidad al agua, para el almacenamiento de productos de desecho de todo tipo. El deterioro del suelo por erosiones y acumulaciones de agua no puede evitarse en las minas antiguas, pues normalmente en la época de explotación la conducción de agua no se hacía de acuerdo con las normas actuales de protección ecológica. Contaminación en el Suelo El escombro de las fábricas de cerámica apenas contamina el suelo, puesto que las piezas rotas durante la producción se vuelven a utilizar en la propia fabricación o en otras fábricas de cerámica, y sólo con una gestión irracional del trabajo pueden originarse escombreras. La excepción son pequeñas cantidades de yeso que resultan de la fabricación de porcelana, artefactos sanitarios y tejas, que han de ponerse correctamente .

31. Impacto económico La invención de la cerámica se produjo durante el neolítico, cuando se hicieron necesarios recipientes para almacenar el excedente de las cosechas producido por la práctica de la agricultura. En un principio esta cerámica se modelaba a mano, con técnicas como el pellizco, el  colombín  o la placa (de ahí las irregularidades de su superficie), y tan solo se dejaba secar al sol en los países cálidos y cerca de los fuegos tribales en los de zonas frías. Más adelante comenzó a decorarse con motivos geométricos mediante incisiones en la pasta seca, cada vez más compleja, perfecta y bella elaboración determinó, junto con la aplicación de cocción, la aparición de un nuevo oficio: el del alfarero. Su uso inicial fue, fundamentalmente, la elaboración de recipientes empleados para contener alimentos o bebidas. Más adelante se utilizó para modelar figurillas de posible carácter simbólico, mágico, religioso o funerario. También se empleó como material de construcción en forma de ladrillo, teja, baldosa o azulejo, conformando muros o revistiendo paramentos. La técnica del vidriado le proporcionó gran atractivo, se utilizó también en escultura. Actualmente también se emplea como aislante eléctrico y térmico en hornos, motores y en blindaje.

32. En pocos años se ha pasado de producir cerámica para el uso cotidiano en la casa a la cerámica decorativa cada día con menos identidad.   La universalización de la industria y la estandarización de la cultura han empobrecido la cerámica majorera.   Dentro del sistema económico y cultural en que estamos inmersos, la cerámica se ha adaptado a la demanda de los visitantes, piezas pequeñas y precios pequeños. Una cerámica para el turismo masivo, una cerámica dependiente del turismo.