producciÓn de materiales cerÁmicos vs la...

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DEPARTAMENTO DE MATERIALES LABORATORIO DE CERÁMICA

PRODUCCIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS VS LA INGENIERÍA

MECÁNICA

Dr. Rafael A. Uribe rafael.uribe@epn.edu.ec / ruribe32@gmail.com

Julio 2015

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CONTENIDO

PRODUCTOS CERÁMICOS - APLICACIONES

Estructura-Procesamiento-Propiedades

PRESENTACIÓN – EPN-FIM

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICAS

REFERENCIAS

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

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PRESENTACIÓN

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MisiónContribuir en el desarrollo y progreso del país a través de la generación ytransferencia de conocimientos científicos y tecnológicos, innovacióntecnología y la educación del talento humano, líderes e innovadores en elcampo de la Ingeniería Mecánica, capacitados para competirglobalmente, y respetuosos con el medio ambiente.VisiónLa Facultad de Ingeniería Mecánica mantendrá el liderazgo nacional através de la docencia, la investigación y la innovación e interacción con elmedio, formando profesionales que respondan creativa y eficazmente alas condiciones y desafíos que plantea la inserción del Ecuador en elorden mundial.

EPNFacultad de Ingeniería

Mecánica

PRESENTACIÓN

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El Ingeniero Mecánico está en capacidad de:

• Laborar en las siguientes áreas: producción, instalaciones, diseño desistemas y equipos mecánicos, supervisión de proyectos e instalaciones,manufactura, fabricación metal-mecánica, conformado de materiales nometálicos, calidad, investigación aplicada y desarrollo tecnológico, así comomantenimiento y administración.

• Colaborar en plantas de conversión de energía, empresas e instituciones delsector público o privado, cuyo objetivo sea el uso racional de energía y losprocesos de manufactura.

• Otras áreas laborales se ubican en las industrias petroleras, de generación deenergía eléctrica, minera, siderúrgica, agroindustrial, de alimentación ysalud, así como en los servicios de transporte.

• También es posible el ejercicio independiente de la profesión; la formaciónde su propia empresa; el trabajo en centros de investigación y eninstituciones de educación superior.

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

55

17

10

9

7 2

VENTA MUNDIAL INDUSTRIA CERÁMICA

VIDRIOS AVANZADAS BLANCA ESMALTE REFRACTARIOS ARCILLAS

5

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

PROCESOS ARTESANALES PROCESOS AUTOMATIZADOS

IND

UST

RIA

EN

EL

ECU

AD

OR

6

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

Diagrama descriptivo general de fabricación de productos de arcilla roja.Fuente: http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/369102/369102_ee.htm (marzo 2011).

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MERCADO DE LAS CERÁMICAS

8

0 5 10 15 20 25 30 35

Vidrios planos

Iluminación

Contenedores

Fibra de vidrios

Tubos de TV, CRTs

Utensilios

Técnico/laboratorio

Otros

Mercado Global del Vidrio

MERCADO DE LAS CERÁMICAS Cerámicas de IngenieríaCerámicas Estructurales

9

HIDROXIAPATITA

BIOCERÁMICAS

VITROCERÁMICAS

( 20% MERCADO )

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

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Cerámicas Blancas

Cerámica Plana(Pisos-Azulejos)

Artículos Sanitarios (taza de baño, urinarios, lavamanos, otros)

Artículos de Cocina (Platos, tazas, utilitarios)

( 20% MERCADO )

( 70% MERCADO )

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

El esmalte de porcelana es la capa cerámica aplicada a muchos

artículos de metal (acero) como las estufas de la cocina, lavadoras y

secadoras, entre otros.

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Esmaltes de Porcelana

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

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50% de las cerámicas refractarias se consumen en la industria siderurgia. Los mayores productores de acero

China, Japón, USA

Refractarios

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

Fuente: http://www.alfareria-venezuela.com/

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Piezas de Arcillas Cocida

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

Materiales

Nitruro de Silicio (Si3N4)

Carburo de Silicio (SiC)

Zirconia (ZrO2)

Carburo del Boro (B4C)

Alúmina (Al2O3)

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VIDRIO vs CERÁMICAS AVANZADAS

[Problemas]

APLICACIONES

Aplicaciones →

Herramientas de corte

Componentes y partes de uso

Intercambiadores de calor

Propiedades

Alta dureza

Baja densidad

Resistencia mecánica a altas temperaturas

Resistencia al desgaste

Resistencia de corrosión e inercia química

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

Problemas a resolver para diversificar aplicación Cerámicas Avanzadas:

Reducir el costo del producto final. Mejorar la fiabilidad. Mejorar la reproducibilidad.

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Capacidad mundial de producción de cerámicas abrasivas

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

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Producción de cerámicas abrasivas – Carburo de Silicio

MERCADO DE LAS CERÁMICAS

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Retos en el Ecuador

2014 - 45% MERCADO → 2015 – 65% MERCADO

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura

• Los materiales cerámicos → óxidos, carburos, nitruros o boruros

→ enlaces iónicos o covalentes

• Microestructuras cristalinas → cada grano es un cristal

perfecto: orientado de forma diferente, puede producir un

incremento de resistencia a la propagación de defectos a través

del material.

• Se fabrican en forma monolítica, aunque también se encuentran

en forma de compuestos de dos o más componentes.

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INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura

• Procesado cerámico partiendo de polvos, con o sin aglutinante.

Comprimiéndolos casi siempre a altas temperaturas.

• Pureza puede llegar a ser muy elevada, encontrándose por ejemplo,

alúminas desde el 85% al 99.9%.

• Tras el proceso de fabricación poseen una microestructura fina consistente

en pequeños granos cristalinos de unas pocas micras de tamaño.

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Tamaño de grano y estructura cristalina de materiales cerámicos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura

• Durante el proceso, los pequeños granos se orientan de forma aleatoria.

Esta distribución al azar hace que a escala macroscópica, las propiedades

mecánicas que presentan sean isotrópicas.

• El proceso de compactación y prensado de polvos puede dar lugar a cierta

porosidad en el producto final.

• La densidad aparente es prácticamente igual a su densidad teórica. Sin

embargo, no debe olvidarse que la existencia de un pequeño defecto

aislado puede resultar fundamental en el comportamiento final de la pieza.

• La sinterización de polvos compactados puede ser usado para la producción

de vidrios y de cerámicas policristalinas.

20

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura

Pasos del proceso: Consolidación de una masa de partículas finas (polvos) en

forma porosa, polvos compactados en forma de un cuerpo específico (cuerpo

verde), el cual cuando es quemado o sinterizado para producir un producto denso.

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Producción de cerámicas policristalinas

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades

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Relaciones esenciales materiales cerámicos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades

• A temperatura ambiente es prácticamente elástico y lineal hasta su rotura, gran rigidez y módulo E alto

• A medida que la temperatura aumenta pueden aparecer deformaciones plásticas considerables, y el módulo E

presenta una cierta dependencia con la temperatura.

• El módulo E no depende significativamente de la velocidad de deformación. La relación entre la deformación

transversal y longitudinal, dada por el coeficiente de Poisson es baja, sobre todo en los carburos y en los boruros.

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Módulo de elasticidad y Coeficiente de Poisson de cerámicas

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades

La limitación principal de los materiales cerámicos en aplicaciones estructurales es

su fragilidad, consecuencia de la escasa capacidad de los materiales cerámicos para

deformarse plásticamente y para soportar cargas cuando existen defectos en el

interior del material. Poseen una baja tenacidad de fractura y una marcada

diferencia entre la resistencia a tracción y la resistencia a compresión.

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Resistencia a la compresión y la tracción de materiales cerámicos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades

Aplicaciones en lugares sometidos a altas temperaturas donde materiales tradicionales

no resistirían.

Por ejemplo el SiC: Extraordinaria resistencia a la oxidación a altas temperaturas

Recubrimiento para metales, abrasivos en las muelas rectificadoras , particulado y

refuerzo fibroso en matrices metálicas o de compuestos cerámicos, elemento calefactor

para horno. Es semiconductor y muy buen candidato para dispositivos electrónicos a

altas temperaturas.

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Propiedades de materiales cerámicos policristalinos de uso común

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

El objetivo de la producción es obtener un producto sólido con una determinada forma como pueden ser películas, fibras o monolitos con una microestructura específica.

Esta división está determinada fundamentalmente por el estado en que se pueden encontrar los materiales de partida en fase gaseosa, una fase líquida, o una fase sólida.

26

Métodos de fabricación de materiales cerámicos policristalinos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

27

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

La fabricación de un cuerpo cerámico involucra un determinado número de pasos de

procesamiento:

• Reacciones en fase gaseosa

Deposición de vapor química, oxidación metálica directa y reacción de enlace.

• Reacciones en fase liquida:

Proceso sol-gel y pirolisis polimérica.

• Reacciones a partir de polvos:

Fundición continua y sinterización de polvos compactados

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INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

La síntesis de los polvos es muy importante para la fabricación de las cerámicas.

El método de preparación del polvo dependerá del costo de producción y la capacidad del método para lograr un cierto nivel de las características deseadas. Métodos mecánicos y métodos químicos.

La síntesis de los polvos por métodos químicos es un área de procesamiento de las cerámicas que ha sufrido considerables cambios en los últimos 25 años y se esperan nuevos desarrollos en esta área en el futuro.

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Principales características de los polvos cerámicos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

Tabla 1.8 Métodos para la obtención de polvos cerámicos

Método de preparación de polvos Ventajas Desventajas

MECÁNICA

Trituración Muy barata, fácil aplicación

Pureza limitada, Limitada

homogeneidad, tamaño de

grano largo

Síntesis mecano química

Tamaña de partícula fino,

bueno para los monóxidos y

una vía de baja temperatura

Pureza limitada, limitada

homogeneidad

QUÍMICA

Reacción en estado sólido

Reacción de descomposición entre

sólidos

Bajo costo, equipamiento

sencillo

Aglomeración de los polvos,

homogeneidad limitada para

polvos multicomponentes

Reacción en estado liquido

Precipitación o coprecipitación;

vaporización de solventes (spray

seco, spray pirolisis); vía gel (sol-gel,

gel citrato, nitrato de glicerina)

Alta pureza, tamaño de

partículas pequeños, control

de la composición,

homogeneidad química

Muy cara, aglomeración de

los polvos es un problema

común, poco uso para los

monóxido

Reacción de líquidos no acuosa Alta pureza, tamaño de

partículas pequeños Limitado para los monóxidos

Reacción en fase vapor

Reacción sólido-gas Barata para largos tamaños

de partículas

Baja pureza, caro para

polvos finos

Reacción liquido-gas Alta pureza, tamaño de

partícula pequeño Cara, aplicación limitada

Reacción entre gases

Alta pureza, tamaño de

partícula pequeño, barato

para los óxidos

Cara para los monóxidos, la

aglomeración de los polvos

es un problema común

Fuente: elaboración propia

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Métodos de síntesis de polvos cerámicos

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Elaboración de Aisladores Eléctricos. Lab. Cer. EPN

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Torres dosificación y mezclado

Alimentación controlada de M.P. - Pesaje - Mezclado

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Mesas rodilleras automatizadas

Transporte mediante rodillos Giros-desvíos-elevaciones

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Secaderos continuos – placas radiantes

Transmisión de calor por radiaciónPlacas radiantes incandescentes

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Robots de brazo articulado

Sistemas de alimentación y descarga

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Robots de brazo articulado

INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos

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Robots de brazo articulado

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

La caracterización es una parte esencial de toda investigación en el campo de las cerámicas

y puede enmarcarse en los aspectos siguientes:

Composición química y homogeneidad física de la muestra.

Determinación de las impurezas que pueden afectar las propiedades.

Determinación estructural revelando la cristalinidad, es decir determinando el sistema

cristalino, la celda unidad y si fuese necesario precisar las coordenadas atómicas.

Naturaleza y concentración de los defectos que influyen en las propiedades.

39

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

40

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

41

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

42

Curvas meb

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

43

d (0.5)

d (0.5)

d (0.5) d (0.5)

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

44

EVALUACIÓN MINERALÓGICA

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

45

ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

46

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

47

RESISTENCIA MECÁNICA

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES

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Las “Advanced Ceramics” en equipos, componentes e Ingeniería Mecánicadebido a su alta resistencia al desgaste, la temperatura y la corrosión lashacen una alternativa segura frente a otros materiales. En aplicacionesindustriales aumentan la capacidad de vida y el rendimiento operativo delas máquinas y sistemas..

Los materiales convencionales a menudo fallan a la hora de avanzar ymejorar las aplicaciones industriales o equipos, sistemas y procesos deingeniería mecánica, porque son incapaces de satisfacer las necesidadescambiantes de estas industrias. Aquí es donde la cerámica técnica entran enjuego..

El uso de materiales cerámicos de corte, insertos en el mecanizado de metal permite una alta fiabilidad de los procesos y la fabricación eficiente.

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES

50

En la actualidad se desarrollan numerosos materiales y componentes denominados cerámicas especiales que se pueden adaptar de forma óptima para satisfacer y resolver los requerimientos específicos del cliente y problemas en los equipos, sistemas y diseños de Ingeniería Mecánica

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES

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La Cerámica Técnica puede dividirse en cuatro grupos principales de materiales:

La cerámica de silicato que son el tipo más antiguo de los materiales cerámicos para aplicaciones técnicas y están hechos principalmente de materias primas naturales en conjunción con alúmina (óxido de aluminio, silicato de aluminio).

Las cerámicas de óxido contiene materiales que consisten principalmente de óxidos metálicos tales como óxido de aluminio, óxido de circonio, titanato de aluminio o cerámica de dispersión.

Las cerámicas no óxido representan un grupo de materiales compuesto por materiales cerámicos a base de compuestos de carbono, de nitrógeno y de silicio tales como carburo de silicio, nitruro de silicio y nitruro de aluminio.

Las Piezo-cerámica (también conocidos como cerámica funcional) representan un grupo de materiales utilizados para convertir los parámetros mecánicos en los parámetros eléctricos o, a la inversa, para convertir las señales eléctricas en movimiento mecánico o vibración.

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES

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Al2TiO5: material con una Excelente Resistencia a los Impactos TérmicosLa característica fundamental del titanato de aluminio es su excelente resistencia al choque térmico. Los componentes hechos con este material pueden resistir incluso los más severos cambios de temperatura de varios cientos de grados sin sufrir daño alguno, si bien tienen poca resistencia mecánica.

PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES

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Nitrito de Silicona-Alúmina, son

una clase especial de materiales

refractarios de alta temperatura,

con alta resistencia al choque

térmico y una resistencia

excepcional a la corrosión por

humectación o fundidos de

metales no ferrosos. Un uso típico

es con el manejo de aluminio

fundido o en la industria química.

También tienen alta resistencia al

desgaste, baja expansión térmica

y buena resistencia a la oxidación

hasta por encima de ~ 1000 ° C.

REFERENCIAS

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2. Barsoum, M.W., Fundamentals of Ceramics, ed. B.C.a.M.J. Goringe. 2003, London: The Institute of Physics. 603.

3. Kingery, W.D., H.K. Bowen, and D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics. 2nd Edition ed. 1976: John Wiley & Sons. 1056.

4. Carter, C.B. and M.G. Norton, CERAMICS MATERIALS Science and Engineering. 2007: Springer. 848.

5. Ferber, M.K. and V.J. Tennery, Structural aplications for technical, engineering, and advanced ceramics". Engineered Materials Handbook, Ceramic

and Glasses. Vol. 4. 1991: ASM International.

6. Rahaman, M.N., Ceramic processing and sintering. 2 ed, ed. C. Press. 2003, New York: Marcel Dekker, Inc. 875.

7. Stinton, D.P., T.M. Besmann, and R.A. Lowder, Advanced ceramics by chemical vapor deposition techniques. American Ceramic Society Bulletin,

1988. 67(2): p. 350.

8. WASHBURN, M.E. and W.S. COBLENZ, Reaction-formed ceramics. American Ceramic Society Bulletin, 1988. 67(2): p. 356-363.

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1998. 244(1): p. 11-21.

10. Jingyan, H. and P. Clive, Oxidation of SiC powders for the preparation of SiC/mullite/alumina nanocomposites. Journal of Materials Science, 2008.

43(12): p. 4031-4041.

11. Uribe, R. Tesis Doctoral: “ Desarrollo de materiales estructurales de alúmina - titanato de aluminio con alta resistencia al choque térmico”.

Universidad Autónoma de Madrid. España. 2001

12. Uribe, R. y Baudín, C. Influence of a dispersion of aluminium titanate particles of controlled size on the thermal shock resistance of alumina. J. Am.

Ceram. Soc., Vol. 86, 2003, 846–850.

13. Uribe, R. y Baudín, C. Medida de propiedades mecánicas y térmicas en Pseudobrukitas del tipo Al2TiO5: Parte I: determinación del módulo de

elasticidad. Rev. LatinAm. Met. Mat., Vol. 23, 2003, 73-81.

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