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Índice

Introducción............................................................................................................3

Material Cerámico..................................................................................................4

Cristales Cerámicos...............................................................................................5

Carbono..................................................................................................................6

Estructura cerámica de los silicatos.......................................................................7

Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas..........................8 - 9

Propiedades.........................................................................................................10

Cerámicos Avanzados..........................................................................................11

Conclusión............................................................................................................12

Glosario.........................................................................................................13 - 14

Introducción

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos, debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión y estabilidad relativamente altas en la mayoría de los medios más agresivos debido a la solidez de sus enlaces. Para la ingeniería se vuelven indispensables los materiales cerámicos dadas sus propiedades.

En general, los materiales cerámicos usados para las aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: los de usos tradicionales y específicos. Normalmente los tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato, ejemplos de éstos son los ladrillos y las tejas utilizadas en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles (específicas), por el contrario, están constituidas típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4), ejemplos de aplicación de éstas en la tecnología de punta, son el uso del carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de las turbinas de motores que funcionan a gas; y el óxido de aluminio en la base de soportes para circuitos integrados de los chips, en un módulo de conducción térmica.

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Material cerámico

Un material cerámico es un tipo de componente inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young también elevado, además presentan un modo de rotura frágil.

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc), por esta razón, en las cerámicas se realiza un tratamiento de sinterización, este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción es imposible de realizar debido a la porosidad, el módulo de Young, la elevada fragilidad y por poseer un enlace interatómico (iónico y/o covalente). Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero, la razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material; al comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

Su estructura puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes.

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Cristales cerámicos

Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan su estructura:

El valor de la carga eléctrica de los iones componentes. Los tamaños relativos de los cationes y aniones.

Con respecto a la primera, el cristal debe ser eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas (de los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes y aniones para que se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA. Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son generalmente menores que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada catión se rodeará de tantos aniones vecinos próximos como les sea posible. Los aniones también se rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos más próximos.

Las estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.

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Carbono

Es un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como en estado amorfo. Sin embargo hemos decidido nombrar este material puesto que el grafito (una de las formas polimórficas del carbono) se clasifica a veces como una cerámica; y también porque la estructura cristalina del diamante (otro polimorfo) es similar a la de la blenda (ZnS), un compuesto cerámico. El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Cada átomo de carbono está unido con otros cuatro átomos de carbono mediante enlaces totalmente covalentes. Se caracteriza por ser extremadamente duro (el material más duro conocido) y por su poca conductividad eléctrica.

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 es considerable y el deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

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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.

Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades. Las estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento Portland, ladrillos y aislantes eléctricos.

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Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas

Defectos atómicos puntuales

En los materiales cristalinos cerámicos los átomos existen como iones cargados, esto hace que la estructura de defectos debe cumplir las condiciones de electroneutralidad, por consiguiente los defectos en las cerámicas no ocurren de forma aislada; un tipo de defecto está formado por una vacante catódica y un catión intersticial, esto se denomina un defecto Frenkel, puede verse como un catión que abandona su posición normal y se mueve a una posición intersticial manteniendo su contribución de carga positiva, lo que asegura la neutralidad.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catiónica- vacante aniónica conocido como defecto Schottky, creado por la eliminación de un catión y un anión desde el interior de un cristal. El hecho de que para cada vacante aniónica exista una vacante catiónica asegura que la neutralidad de la carga del cristal se mantenga.

Estos dos defectos, por otra parte, no alteran las proporciones de aniones y cationes manteniendo la estequiometria en el material.

Impurezas en cerámicas

Los átomos de impurezas pueden formar soluciones sólidas en los materiales cerámicos tanto intersticiales como sustitucionales.

En el caso de las intersticiales, los radios iónicos de las impurezas deben ser pequeños en comparación con los del anión, una impureza sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en el comportamiento eléctrico. Para que en el estado sólido haya una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales, los tamaños iónicos y la carga deben ser casi iguales a los de los iones disolventes.

Dislocaciones

En algunos materiales cerámicos incluyendo el lif, el zafiro (Al2O3) y el MgO se observan dislocaciones. Sin embargo estas no se mueven con facilidad debido a un vector de Burguers grande a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamientos y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse a los de carga opuesta. Como consecuencia las grietas no se redondean por la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y su propagación continúa, eso es lo que hace de los cerámicos, materiales frágiles.

Defectos superficiales

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Los límites de grano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos; un cerámico con grano de tamaño fino tiene mayor resistencia que uno de grano más grueso, mientras que los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la expansión y a la contracción anisotrópica. Normalmente se produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas (en el caso de sinterizado).

Las superficies de las partículas que representan planos de uniones covalentes o iónicas rotas y no satisfechas, son reactivas. Distintas moléculas pueden ser absorbidas en la superficie para reducir la energía superficial, alterando su composición, sus propiedades y su conformabilidad.

Porosidad

En un material cerámico los poros pueden estar interconectados o bien, cerrados. La porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad, ésta se determina pesando el material cerámico cuando está seco (WD), cuando está suspendido en agua (WS) y después de que ha sido retirado del agua (WW).

La porosidad real incluye tanto poros interconectados como cerrados

B es la densidad en masa y c es la densidad real del cerámico.

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PROPIEDADES

Propiedades eléctricas de los cerámicos

Los materiales cerámicos se usan ampliamente en la industria eléctrica y electrónica. Principalmente como aislantes (dieléctricos) eléctricos o en capacitores; otra aplicación difundida es derivada de las propiedades piezoeléctricas de ciertos tipos de cerámicas.

Propiedades de los componentes dieléctricos

La unión iónica y covalente en materiales cerámicos restringe la movilidad de los iones y de los electrones (los cuales se comparten entre dos átomos o son cedidos de un átomo a otro) y esto determina que estos materiales sean buenos aislantes eléctricos

Comportamiento dieléctrico

Este tipo de material cerámico presenta una estructura bipolar (entidades de cargas (+) y (-) a nivel atómico o molecular separadas) por lo que en presencia de un campo eléctrico estos se orientan y es posible usarlos en capacitores.

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Cerámicos avanzados

Un extenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus únicas propiedades magnéticas, electrónicas y ópticas, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la detección de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prótesis y otros “componentes de repuesto para el ser humano”. En este grupo se incluyen los carburos, boruros, nitruros y óxidos; los más utilizados, se detallan a continuación:

La Alúmina (Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

El Nitruro De Aluminio (AIN): Proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta conductividad térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

El Carburo De Boro (B4C): Es muy duro y aún así extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas.

El Carburo De Silicio (SiC): Tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos a temperaturas extremas.

El Nitruro De Silicio (Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.

El Sialon: Se forma cuando el aluminio y el oxígeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansión térmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. Se utiliza en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.

El Boruro De Titanio (TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Además tiene excelente tenacidad. Al igual que el carburo de silicio y la alúmina son aplicaciones en la producción de blindajes.

La Urania (UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares.

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Conclusión

Los materiales cerámicos debido a sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánica, son de gran aplicación en muchos de los ámbitos industriales. Como pudimos apreciar permiten aumentar la eficiencia de diversos procesos y su campo de estudio aún está en crecimiento, como por ejemplo es el desarrollo del sistema de protección térmica para vehículos orbítales, como el trasbordador espacial. Dado que el trasbordador espacial ha de ser usado para al menos en 100 misiones, se hizo necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas. Alrededor del 70% de la superficie externa del vehículo orbital está protegida del calor por aproximadamente 24000 losetas individuales de cerámica hechas en un compuesto de fibra de sílice.

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Glosario

Ductilidad: Propiedad que presentan algunos materiales los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material.

Tenacidad: Es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. En mineralogía se entiende por la resistencia del material o mineral a ser roto.

Pedernal: Nombre común que se le da al Sílex (SiO2), que es un mineral de color negro perteneciente a las anhidras amorfas dentro del grupo de la sílice.

Feldespato: Son un grupo de minerales de estructura tridimensional, que contienen óxido de aluminio y sílice que corresponden en volumen a tanto como el 60 % de la corteza terrestre.

Módulo de Yung: Pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción

Sinterización: Es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.

Blenda: Es un mineral compuesto por sulfuro de zinc (ZnS). Su nombre deriva del alemán blenden (engañar), por su aspecto que se confunde con el de la galena.

Coplanaridad: Conjunto de puntos en el espacio que se encuentran en el mismo plano

Sílice: Nombre común del dióxido de silicio es un compuesto ordenado espacialmente en una red tridimensional, forma el cuarzo y sus variedades, además en un componente de la arena.

Intersticio: Espacio hueco entre los átomos de un sólido

Dislocación: Desde el ámbito de la ciencia de los materiales son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir, que afectan a una fila de puntos de la red de Bravais.

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Anisotrópico: Es la propiedad general de la materia según la cual cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas.

Permeabilidad: Facilidad con la cual pasan gases y otros fluidos a través del cerámico.

Piezoelectricidad: Es un 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 su superficie.

Sustrato: Es un sólido sobre el cual se aplica una capa de otra sustancia y que a la que se adhiere esta segunda sustancia. También es llamado oblea.

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