Estructura y propiedades de los materiales CERÁMICOS

Presentación sobre materiales cerámicos, para la materia de estructura y propiedades de los materiales

1. CERAMICOS Materiales para la ingeniería. INSTITUTO POLITÉCNICO NACACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas

2. Introducción Los materiales cerámicos tienen una gran variedad de aplicaciones. Como son: Alfarería. Fabricación de materiales para la construcción (ladrillos, azulejos, loza, etc.). Aplicaciones a elevadas temperaturas. Materiales refractarios. Aplicaciones eléctricas y electrónicas como materiales aislantes. Substratos semiconductores. Imanes, materiales ferro eléctricos o piezoeléctricos.

3. Son materiales que conjugando sus propiedades permiten su aplicación industrial por su elevada tenacidad. ¿Qué es un material cerámico? Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales. La palabra cerámica proviene del griego keramos , que significa arcilla de vasijas o trastos hechos de barro cocido.

4. Cerámicos como materiales para la ingeniería. La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales.

5. Las propiedades generales que hacen a los materiales cerámicos útiles para los productos de ingeniería son: La alta dureza. Características buenas de aislamiento térmico y eléctrico. Estabilidad química y temperaturas de fusión elevadas. Algunos cerámicos son traslúcidos como el vidrio para ventanas. También son frágiles y virtualmente no poseen ductilidad, lo que causa problemas tanto en su procesamiento como en su desempeño.

6. Importancia tecnológica y comercial de los cerámicos. La importancia tecnológica y comercial de los materiales cerámicos queda demostrada por la variedad de productos y aplicaciones que se basan en esa clase de materiales. La lista incluye los siguientes: Productos de arcilla para la construcción, tales como ladrillos, tubos de arcilla y mosaicos para la construcción. Cerámicos refractarios, capaces de utilizarse en aplicaciones de alta temperatura tales como muros de hornos, crisoles y moldes. Cemento para concreto, se emplea para la construcción y carreteras (el concreto es un material compuesto, pero sus componentes son materiales cerámicos). Productos de línea blanca, incluyen vajillas, cerámica de gres, porcelana china, fina y otros artículos de mesa, con base en mezclas de arcilla y otros minerales.

7. Vidrio, se utiliza en botellas, anteojos, lentes, cubiertas para ventanas y focos. Fibras de vidrio, para lana aislante térmica, plásticos reforzados (fibra de vidrio) y líneas de comunicación de fibras ópticas. Abrasivos, tales como óxido de aluminio y carburo de silicio. Herramientas para cortar materiales, que incluyen carburo de tungsteno, óxido de aluminio y nitruro de boro cúbico. Aislantes cerámicos, que se emplean en aplicaciones tales como componentes de transmisión eléctrica, encendedores y sustratos de chips para la microelectrónica. Cerámicos magnéticos, por ejemplo, en memorias de computadora. Combustibles nucleares, con base en óxido de uranio (UO2). Biocerámicas , incluyen materiales que se usan para hacer dientes y huesos artificiales.

8. Propiedades de los cerámicos. Propiedades Mecánicas. Duros. Frágiles. “Ligeros” Alta resistencia a comprensión. Deformables a elevadas temperaturas. Propiedades Eléctricas. Tienen baja constante eléctrica. Malos conductores. Propiedades Térmicas. Bajas conductividades térmicas Expansiones térmicas relativamente altas. Son susceptibles en especial a fallas de ese tipo.

9. las propiedades mecánicas básicas de los cerámicos. Los materiales cerámicos son rígidos y frágiles, muestran un comportamiento esfuerzo-deformación caracterizado como perfectamente elástico. Como se ve en la tabla 7.2, los módulos de dureza y elasticidad de muchos materiales cerámicos nuevos son mayores que los de los metales.

10. Clasificación de los cerámicos. Para fines de organización, los materiales cerámicos se clasifican en tres tipos básicos: Cerámicos tradicionales, silicatos que se emplean en productos de arcilla tales como vasijas y ladrillos, abrasivos comunes y cemento; Nuevos cerámicos, creados recientemente con base en materiales que no son silicatos, tales como óxidos y carburos, y que por lo general poseen propiedades mecánicas o físicas que los hacen superiores o únicos si se les compara con los cerámicos tradicionales; Vidrios, con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su estructura no cristalina. Además de los tres tipos básicos, se tienen vidrio-cerámicos , vidrios que han sido transformados en una estructura cristalina grande por medio del tratamiento térmico.

11. 1. CERÁMICOS TRADICIONALES Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Los productos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos), cemento y abrasivos naturales tales como la alúmina. Estos productos, y los procesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a miles de años,

12. Materias primas Los silicatos minerales, tales como las arcillas de distintas composiciones, y el sílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en la naturaleza, y constituyen las materias primas principales de los materiales cerámicos tradicionales. Estos compuestos sólidos cristalinos se formaron y mezclaron en la corteza terrestre a lo largo de millones de años, por medio de procesos geológicos complejos, Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua.

13. Materias primas Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua.

14. Dos principales grupos TRADICIONALES AVANZADOS

15. CERÁMICOS TRADICIONALES ARCILLA REFRACTARIOS LINEA BLANCA ABRASIVOS HERRAMIENTAS AISLANTES

16. CERÁMICOS TRADICIONALES ARCILLA Naturales, versátiles y duraderos. se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura elevada

17. USOS Ladrillos Tubos de arcilla Mosaicos para la construcción  Utilizadas en la manufactura de cementos, como fuente de alúmina y sílice

18. CERÁMICOS TRADICIONALES REFRACTARIOS Resistencia a bajas y altas temperaturas, además de su densidad elevada, aislamiento térmico y resistencia a la reacción química Refractarios fire clay (hornos, asadores) Refractarios con alto %  alumina (chimeneas y ejes de altos hornos) Ladrillos de silica (industria vidriera) Refractarios de zirconia

19. USOS Como muros de hornos Crisoles Moldes.

20. LINEA BLANCA CERÁMICOS TRADICIONALES Capacidad de aislar la temperatura y fragilidad superficie translúcida

21. USOS Vajillas Cerámica de gres Porcelana china fina Artículos de mesa

22. CERÁMICOS TRADICIONALES ABRASIVOS   Materiales duros y fuertes utilizados para desgastar otros materiales menos resistentes óxido de aluminio carburo de silicio

23. PIEDRAS ABRASIVAS LOS MATERIALES CERÁMICOS TRADICIONALES PARA PIEDRAS DE ESMERIL Y PAPEL LIJA SON LA ALUMINA Y CARBURO DE SILICIO LAS PARTICULAS ABRASIVAS SE DISTRIBUYEN EN LA PIEDRA USANDO UN MATERIAL AGLUTINANTE COMO EL SHELLAC

24. CERÁMICOS TRADICIONALES HERRAMIENTAS Dureza.  Baja fricción.  Resistencia al desgaste.  Resistente a los ciclos/impactos térmicos.  Resistencia eléctrica. carburo de tungsteno óxido de aluminio nitruro de boro cúbico

25. USOS Recubrimientos en herramientas para un incremento de la resistencia a la corrosión, al desgaste y a la abrasión, con un cambio dimensional mínimo. Componentes en contacto con el hilo que requieren una elevada resistencia al desgaste Bombas expuestas a productos petroquímicos Componentes de extrusión de las tuberías de PVC 

26. CERÁMICOS TRADICIONALES AISLANTES Elevada constante dieléctrica  almacenamiento de energía en condensadores. Aplicaciones en aparatos electrónicos. En transductores los cerámicos sirven para detectar una diferencia de potencial producida por una distensión mecánica.

27. CERAMICOS AVANZADOS ÓXIDOS NO ÓXIDOS ALÚMINA CIRCONIA CARBUROS NITRUROS BORUROS

28. CERAMICOS AVANZADOS ALÚMINA CIRCONIA Baja conductividad, alta resistencia eléctrica, uniforme expansión térmica, alta resistencia a la ruptura.

29. USOS Campo de investigación  Obtención de biomateriales útiles en la fabricación y la fijación de implantes óseos y dentales. prótesis de oído, dedos y cadera

30. CERAMICOS AVANZADOS CARBUROS Dureza y resistencia al desgaste en herramientas de corte y resistencia a la oxidación Cada carburo debe combinarse con un aglutinante metálico Los carburos cerámicos incluyen Carburos de silicio Tungsteno (WC) Titanio ( TiC ) Tantalio ( TaC ) Cromo (Cr3C2)

31. USOS Componentes resistentes al desgaste de diversa maquinaria. Rodamientos Componentes de turbinas de gas que operan a alta temperatura Resistencias de hornos semiconductores Industria de protección y armamento

32. NITRUROS CERAMICOS AVANZADOS Ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte, resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción Silicio (Si3N4) Boro (BN) Titanio ( TiN )

33. USOS Cilindros y rodillos en bombas de diésel de alta presión Válvulas de bola Industria del papel (componentes que trabajan en condiciones muy abrasivas, ácidas) Industria metalúrgica : rodillos de doblado, de compresión y de trefilado en la industrial del Cu

34. BORUROS CERAMICOS AVANZADOS Di borato de Titanio Boruro de itrio Boruro de lantano Conductividad eléctrica elevada Alta resistencia mecánica a la flexión Fácil oxidación

35. Vidrio Definición es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado vítreo.

36. Vidrio de sílice Por lo general los productos están formados de 50% a 75% de sílice El mejor formador de vidrio es el SiO 2 (silicato). Posee un coeficiente de expansión térmica muy bajo (Manipulable) -Ablandamiento aproximadamente a los 730°C. -Dureza de 470 HK. -Resistencia a la compresión. Oscila entre 800-100 MPa ( megapascal ) -Elasticidad del vidrio. Posee una resistencia a la elasticidad de 70.000 MPa . -Resistencia a la flexión 45 MPa .

37. Se observa que: La adición de sosa caustica puede reducir la temperatura de fusión de sílice

38. Secuencia del procesado del vidrio *El vidrio puede ser reciclado y puede ahorrar 100 litros de combustible por cada tonelada de vidrio

39. Preparación y fundición El sílice proviene del cuarzo de la arena natural Lavado: quita las impurezas Clasificarse: agrupar los granos según su tamaño Hornos para fundir vidrio hornos de vasija tanques superficiales hornos de tanque continuo hornos eléctricos La temperaturas de fundición del vidrio son de 1500 °C a 1600°C. Tarda de 28 a 48 horas

40. Procesos de conformación Procesos discretos Procesos continuos Procesos para la producción de fibras Giro de piezas en forma de embudo Prensado de una pieza plana de vidrio.

41. Secuencia de conformación por medio de soplar y soplar Secuencia de formado de prensado y soplado

42. Rolado de vidrio plano Proceso de flotación para producir hojas de vidrio.

43. tirado de tubos de vidrio con el proceso Danner Obtención de fibras de vidrio continuas.

44. Tratamiento térmico Recocido involucra calentar el vidrio a temperatura elevada y mantenerlo así durante cierto periodo Vidrio templado vidrio que se recalienta hasta casi su temperatura de reblandecimiento y luego se enfría rápidamente en aire para introducir esfuerzos de compresión cerca de su superficie. Acabado: esmerilado, pulido y corte

45. PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS

46. Preparación de las materias primas: Su consistencia determinará la facilidad para formar el material y la calidad del producto final. Las materias primas se encuentran en la naturaleza como terrones rocosos y esos se reducirán a polvo. Las técnicas para reducir el tamaño de las partículas aportan varias formas de energía mecánica como son impacto, compresión y frotamiento Requieren que el material inicial tenga forma pasta plástica de una compuesta de finos polvos cerámicos mezclados con agua.

47. Pulverización: Se distinguen dos tipos generales de operaciones de pulverización: Triturado y molienda. Triturado: Ruptura de grandes trozos provenientes de la mina en tamaños más pequeños. Se requieren de varias etapas ejemplo triturado primario y secundario. El triturado se realiza por compresión contra superficies rígidas o por impacto de éstas con movimiento restringido

48. Molinos de martillos: Trituradores de quijadas: Trituradores giratorios: Trituradores de rodillos:

49. Molienda: Reducir piezas pequeñas después del triturado a polvos finos. Molino de balines Molino de rodillos Molino de impacto

50. La pasta requerida consiste en polvos que se mezclan con agua, la arcilla es el ingrediente principal de la pasta. Los ingredientes de la pasta cerámica se pueden dividir en: Arcilla: Que proporciona la consistencia y plasticidad. Materias primas no plásticas: Como alúmina y sílice (no se enogen durante el secado y el cocido). Otros ingredientes: Tales como fundentes, que promueven la sinterización del material cerámico. Y agentes humectantes.

51. Proceso de formado: Al disminuir el contenido de agua es necesario aumentar la presión sobre la pasta para producir un flujo similar. Los procesos se dividen en base al contenido de agua que tiene la pasta. Con cerca del 50% de agua, la mezcla es una pasta aguada que fluye como líquido.

52. Fundición o vaciado deslizante (25 a 40% de agua): Se vacía una suspensión de polvos cerámicos en agua, llamada pasta líquida, dentro de un molde poroso de yeso. Donde el agua de la mezcla es absorbida por el yeso de forma gradual y se forma una capa de arcilla firme en la superficie del molde. El vaciado drenado: El molde se invierte para drenar el exceso de pasta líquida, después de que se formó la capa semisólida, dejando una parte hueca en el molde, se abre después y se remueve la parte; se hacen jarras de té, vasos, objetos de arte).

53. Secado: Debido a que cuando se contrae la pieza (debido a que el agua se evapora) puede generar grietas. En el secado, el agua empieza a disminuir y el volumen disminuye. La velocidad de secado es rápida y constante debido a que el agua de la superficie se evapora y el agua interior emigra. La humedad se reduce hasta que los granos cerámicos han quedado en contacto y ocurre poca o ninguna contracción.

54. Cocimiento (sintetizado): La pieza fresca carece de dureza y de resistencia. Es un proceso de tratamiento térmico que sintetiza al material cerámico y se realiza en un horno cerámico. Se desarrollan uniones entre los granos cerámicos y se reduce la porosidad. Ocurre una nueva contracción en el material.

55. La secuencia de manifactura para las nuevas cerámicas se puede resumir: Preparación de materiales iniciales. Formado Sinterizado Acabado Algunos detalles cambian con respecto a los cerámicos tradicionales. Procesamiento de cerámicas nuevas:

56. Formado: Prensado caliente: (Similar al prensado en seco). Sólo que se lleva a temperaturas elevadas. Prensado isostático: Presión hidrostática para compactar los polvos cerámicos en todas las direcciones, evitando la falta de uniformidad. Procesos de bisturí: Para hacer láminas delgadas de material cerámico. Moldeo por inyección de polvos. Las partículas cerámicas se mezclan con un polímero termoestable que actúa como portador y que proporciona las características apropiadas de flujo de temperatura de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta en la cavidad de un molde. Sólo se abre el molde y se retira la pieza.

57. Acabado: Algunas veces requiere de acabado. Incrementar la precisión de la dimensión Mejorar el acabado de la superficie Hacer cambios menores en la forma de la pieza Involucran generalmente esmerilado y otros procesos abrasivos. Se necesita herramienta de diamante para cortar los materiales endurecidos.   Sinterizado: Unir los granos individuales en una masa sólida Incrementar la densidad Reducir o eliminar la porosidad.

58. conclusiones Los materiales cerámicos tienen propiedades especiales que los hacen atractivos para los diseñadores. Los materiales cerámicos son más resistente en compresión que a la tensión (por lo tanto deben de usarse más para este tipo de carga). Las cerámicas son frágiles no son dúctiles. Para su proceso los materiales cerámicos deben de evitarse hacer con canales o muescas, debido a que pueden ayudar a que el material falle. Se debe evitar las roscas en las piezas cerámicas, debido a que pueden ocasionar concentración de esfuerzos y esto hacer que falle. Los materiales cerámicos son muy importantes para la ingeniería, debido a su fragilidad y que pueden ser aún más resistentes que algunos metales o materiales dúctiles, es importante también delimitar el uso de éstos para su fabricación