estructura de los ceramicos

8/7/2019 estructura de los ceramicos

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NDICE_______________

INTRODUCCIN 6

LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES CERMICOS 8

CERMICOS CRISTALINOS 8

ESTRUCTURA DEL CLORURO SDICO 9

ESTRUCTURA DEL CLORURO DE CESIO 9

ESTRUCTURA DEL SULFURO DE ZINC 10

ESTRUCTURA DE LA FLUORITA 10

ESTRUCTURA PEROVSKITE 10 ESTRUCTURA DE ESPINEL 11

GRAFITO 11

IMPERFECCIONES DE LAS ESTRUCTURAS CERMICAS 12

DEFECTOS ATMICOS PUNTUALES 12

IMPUREZAS EN CERMICOS 12

DISLOCACIONES 13

DEFECTOS SUPERFICIALES 13

PROPIEDADES MECNICAS 14

FALLAS MECNICAS EN LOS CERMICOS 14

FRACTURA FRGIL 14

TRATAMIENTO ESTADSTICO DE LA FRACTURA FRGIL 14

MTODOS PARA MEJORAR LA TENACIDAD 15

DEFORMACIN DE LOS CERMICOS A ALTAS TEMPERATURAS 15

FLUJO VISCOSO DEL VDREO 16

TERMOFLUENCIA EN LOS CERMICOS 16

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS PRODUCTOS DE ARCILLA 18

TCNICAS DE CONFORMADO DE ARCILLAS 18

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SECADO Y HORNEADO DE PRODUCTOS DE ARCILLA 18

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERMICOS AVANZADOS 19

MATERIALES Y APLICACIONES AVANZADAS 20

MATERIALES REFRACTARIOS 21

REFRACTARIOS CIDOS 21

REFRACTARIOS BSICOS 21

REFRACTARIOS NEUTROS 21

REFRACTARIOS ESPECIALES 21

OTROS MATERIALES CERMICOS Y SUS APLICACIONES 22

CEMENTOS 22

RECUBRIMIENTOS 22

FIBRAS 22

SUPERCONDUCTIVIDAD 23

VIDRIOS 24

MATERIA PRIMA 24

ESTRUCTURA DEL VIDRIO 25

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS 26

APLICACIONES DE LOS VIDRIOS 28

BIBLIOGRAFA 30

INTRODUCCIN

Las cermicas y los vidrios representan algunos de los materiales para ingeniera ms antiguos y durables anteel ambiente. Tambin son los materiales que han desarrollado avances para la industria aeroespacial y

electrnica.

El trmino cermica proviene de la palabra griega keramikos, que significa cosa quemada, indicando de estamanera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan despus de un tratamientotrmico a alta temperatura que se denomina coccin.

Son compuestos qumicos o soluciones complejas, que contienen elementos metlicos y no metlicos. Porejemplo la almina (Al2O3) es un cermico que tiene tomos metlicos (aluminio) y no metlico (oxgeno).Los materiales cermicos tienen una amplia gama de propiedades mecnicas y fsicas. Debido a sus enlacesinicos o covalentes, los materiales cermicos por lo general son duros, frgiles, con un alto punto de fusin,

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tiene baja conductividad elctrica y trmica, buena estabilidad qumica y trmica y elevada resistencia a lacompresin. Aunque la mayora de los productos cermicos son buenos aislantes elctricos y trmicos, el SiCy el AlN tienen conductividad trmica parecida a las de los metales. Los productos cermicos como el FeO yel ZnO, son semiconductores y, adems, han sido descubiertos materiales superconductores como elYBa2Cu3O7x.

Una tecnologa moderna de rpido crecimiento es la de los materiales cermicos avanzados, tambin llamadosmateriales cermicos estructurales. Estos fueron utilizados por primera vez en 1971 para aplicaciones a alta

temperatura en tuberas de gas que funcionaban a 2506C. En la fabricacin de estas piezas se utilizaronnitruro de silicio y carburo de silicio.

La materia base para la fabricacin de los productos cermicos es la arcilla en sus mltiples variedades; sta,al amasarla con agua, adquiere caractersticas de plasticidad y por ello puede adoptar la forma deseada.

Los materiales cermicos de arcilla utilizados en la construccin se clasifican en ladrillos para pared, parapavimentacin (suelos) y para cubiertas. Los materiales de ingeniera se pueden dividir en tres categorasprincipales: cermicas cristalinas, vidrios y cermicas de vidrio.

Los cermicos incluyen los silicatos tradicionales y los muchos compuestos de xidos y sin xidos

ampliamente usados tanto en la tecnologa tradicional como en la avanzada, las arcillas y refractarios hacenparte de este grupo.

Arcillas: Las arcillas comunes se utilizan en la fabricacin de ladrillos para la construccin deedificios y ladrillos refractarios. Estas arcillas comunes estn formadas por almina y slice en diversaproporciones, con la presencia de otras impurezas, tales como xido frrico (el cual le da color rojo),xido de manganeso, potasa, magnesio y cal. El caoln (arcilla blanca formada principalmente poralmina y slice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, de porcelana fina, de otras porcelanas, deproductos de papel y de ladrillos refractarios.

Refractarios: Un material refractario puede soportar altas temperaturas sin desintegrarse (astillarse ofundirse). El ladrillo refractario que se utiliza en los hornos es un ejemplo muy comn, y sin losrefractarios, no sera posible la moderna industria del acero. Los materiales refractarios puedencolocarse o conformarse como ladrillos, lo cual se hace cuando se utiliza arcilla refractaria u otromaterial como mortero para unir los ladrillos refractarios.

El grafito es un material refractario excelente ya que no puede astillarse (o sea, no se pueden separar pedazospor el choque trmico) debido a su alta conductividad trmica. La mayora de los refractarios tales como losladrillos refractarios pueden soportar temperaturas levemente mayores a 1647 C antes de desintegrarse. Elgrafito tiende a oxidarse en presencia de aire y puede utilizarse hasta 3316 C.

El carburo de silicio abrasivo tambin puede utilizarse como refractario para altas temperaturas, pero esbastante caro para utilizarse en este sentido. Los ladrillos refractarios que contienen grandes cantidades de

xido de cromo se conocen como refractarios de cromita y son muy apropiados para usarlas a altastemperaturas en hornos de fusin de acero. El ladrillo de magnesita, compuesto predominante por xido demagnesio, se usa tambin con este propsito. Los ladrillos refractarios aislantes se fabrican con arcillarefractaria comn, pero para darles porosidad, la arcilla se combina con aserrn o con coque, material que sequema cuando el ladrillo se calcina.

LAS ESTRUCTURAS DE LOS MATERIALES

CERAMICOS

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Estructuras de los cermicos cristalinos:

Existen dos caractersticas que componen los materiales cermicos cristalinos que determinan la estructuracristalina: el valor de la carga elctrica de los iones componentes y los tamaos relativos de los cationes yaniones.

El cristal debe ser elctricamente neutro, o sea todas las cargas positivas de las cationes deben ser equilibradaspor un nmero igual de cargas negativas de los aniones.

Los tamaos de los radios inicos de los cationes y aniones, rc y rA respectivamente. Puesto que loselementos metlicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que losaniones, por tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad.

Las estructuras estables de los materiales cermicos se forman cuando los aniones que rodean un catin estntodos en contacto con el catin tal como se ilustra en la figura:

Configuraciones estables e inestables de la coordinacin entre aniones y cationes

Estructura del Cloruro Sdico

Un gran nmero de materiales cermicos, incluyendo el CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el HfNposeen la estructura del cloruro de sodio, esta estructura es del tipo AX posee un nmero de coordinacintanto para los cationes y los aniones de 6, por consiguiente, el cociente del radio del catin y del anin estacomprendido entre 0,414 y 0,732.

Estructura cristalina del Cloruro de Cesio

El nmero de coordinacin es 8 para ambos tipos de iones. El intercambio de las posiciones de los ionespositivos y negativos reduce la misma escritura. Esta no es una estructura cbica centrada en el cuerpo puestoque distintos tipos de iones ocupan los puntos de la red

Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc

La estructura de la blenda de la blenda de zinc es tpica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tieneestructura cristalina del tipo AX, en la cual el nmero de coordinacin es 4; o sea, todos los iones estn concoordinacin tetradrica. Se denomina estructura de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al nombredado al mineral de sulfuro de zinc.

Estructura cristalina de la Fluorita

El CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el ZrO2, el PuO2, y el HfO2, tienen la estructura de la florita, estoscompuestos se destacan por la frmula qumica AmXp, donde m y/o p son diferentes de 1. El cociente de

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radios inicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual, segn la tabla 1, corresponde a un nmero decoordinacin de 8.

Estructura Perovskite

Se encuentra en varios cermicos elctricos importantes, como el BaTiO3, y el SrTiO3. En este tipo de celdaestn presentes tres clases de iones. Si en las esquinas de un cubo estn los iones de bario, los iones deoxgeno llenarn los sitios centrados en las caras y los iones de titanio ocuparn los sitios centrados en el

cuerpo. La distorsin de la celda unitaria produce una seal elctrica, lo que permite que ciertos titanatossirvan como transductores.

Estructura de espinel

La estructura del espinel tpica del MgAl2O4, tiene una celda unitaria que se puede visualizar como unaformacin de ocho cubos ms pequeos. En cada uno de estos cubos menores se localizan iones de oxgeno enlas posiciones normales de una red cbica centrada en las caras. Dentro de los cubos pequeos hay cuatrositios intersticiales octadricos y ocho sitios intersticiales tetradricos, de los cuales los cationes ocupan tres.En espinel normal los iones bivalentes (como el ma2+) ocupan sitios tetradricos y los triviales (como elAl3+), los octadricos. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones triviales se localizan

en los sitios octadricos. Esta estructura la tiene muchos cermicos elctricos y magnticos importantes,incluyendo el Fe3O4.

Grafito

Al grafito, una de las formas cristalinas del carbono, alguna veces se le considera material cermico, aunque elcarbono es un elemento y no una combinacin de tomos metlicos y no metlicos. El grafito tiene unaestructura hexagonal por capas y se utiliza como material refractario, como lubricante y como fibra.

IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS

CERAMICAS

Defectos atmicos puntuales.

En los compuestos cermicos pueden existir defectos atmicos que involucran a los tomos disolventes. Talcomo ocurre en los metales, pueden existir tanto vacantes inicas como iones intersticiales; sin embargo,puesto que los materiales cermicos contiene iones de dos tipos, pueden existir defectos con cada tipo deiones. Por ejemplo, en el NaCl pueden existir tomos intersticiales y vacantes de Na y tomos intersticiales yvacantes de Cl.

Un tipo de defecto est formado por una vacante catdica y un catin intersticial, esto se denomina un defectode Frenkel.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catinicavacante aninica conocidocomo defecto de Schottky. Este efecto debe visualizarse como el creado por la eliminacin de un catin y unanin desde el interior del cristal y colocando a ambos en una superficie externa.

Impurezas en cermicas.

Puesto que hay tanto cationes como aniones, una impureza sustituir al tomo disolvente que sea ms similaren comportamiento elctrico; si el tomo de impureza forma normalmente un catin en un material cermico,lo ms probable es que sustituya al catin disolvente. Por ejemplo, en el cloruro sdico, las impurezas inicas

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Ca2+ y O2 sustituirn probablemente a los iones Na+ y Cl, respectivamente.

Para que en el estado slido haya una solubilidad apreciable de los tomos de impurezas sustitucionales, lostamaos inicos u la carga deben ser casi iguales a los de los iones disolventes.

Si una impureza inica tiene una carga distinta de la del ion disolvente al cual sustituye, el cristal debecompensar esta diferencia de carga de manera que la electroneutralidad del slido se mantenga. Una manerade conseguirlo es mediante la formacin de defectos puntuales de la red: vacantes inicas o iones intersticiales

de ambos tipos.

Dislocaciones.

En algunos materiales cermicos, incluyendo el LiF, el Zafiro (Al2O3), y el MgO se observan dislocaciones.Sin embargo, stas no se mueven con facilidad por los siguientes factores que influyen:

Debido a un vector de Burgers grande, a la presencia de relativamente pocos sistemas dedeslizamiento, y a la necesidad de romper enlaces inicos fuertes para despus obligar a los iones adeslizarse frente a los de carga opuesta.

Debido a que no ocurre deslizamiento las grietas no se redondean por la deformacin del material que

se encuentra en la punta de la grieta y, en consecuencia, su propagacin contina. El materialcermico es frgil.

Aunque las dislocaciones se mueven con mayor facilidad a temperaturas elevadas, es ms probable que ocurradeformacin mediante mecanismos como el deslizamiento de bordes de grano y el flujo viscoso de las fasesvtreas.

Defectos superficiales.

Los cermicos con un grano de tamao fino tienen mayor resistencia que los cermicos de grano ms grueso.Los granos ms finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la altaexpansin y la contraccin anisotrpica. Normalmente, se produce un tamao de grano fino utilizando desdeel principio materias primas cermicas de partculas ms finas.

PROPIEDADES MECANICAS

Fallas mecnicas en los materiales cermicos.

Los materiales cermicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frgiles, particularmente atemperaturas bajas. El problema con la fractura frgil de los materiales cermicos se intensifica por lapresencia de imperfecciones como pequeas grietas, porosidad, inclusiones extraas, fases cristalinas o untamao grande, que tpicamente se introduce en el proceso de manufactura.

Fractura frgil.

Cualquier grieta o imperfeccin limita la capacidad de un producto cermico para resistir un esfuerzo atensin. Esto es debido a que una grieta concentra y amplifica el esfuerzo aplicado (defecto de Griffith).

Cuando se aplica un esfuerzo a tensin ; el esfuerzo real en el extremo de la grieta es:

Para grieta muy delgadas (r pequea) o para grietas largas (a grande) la relacin REAL/se hace grande y elesfuerzo se amplifica. Si el esfuerzo amplificado excede el lmite elstico, la grieta crece y finalmente causa lafractura, an cuando el esfuerzo real aplicado sea pequeo.

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Un esfuerzo aplicado genera una deformacin elstica, relacionada con el mdulo de elasticidad E delmaterial. Cuando se propaga una grieta se libera sta energa de deformacin, reduciendo la energa general.

Los defectos resultan de mxima importancia cuando actan esfuerzos de tensin sobre el material. Losesfuerzos a la compresin tienden a cerrar las grietas en vez de abrirlas: en consecuencia, a menudo loscermicos tienen excelente resistencia a la compresin.

Tratamiento estadstico de la fractura frgil.

Debido a que las propiedades de los materiales cermicos dependen en forma crtica del tamao y geometrade los defectos siempre existentes, hay una dispersin considerable de los valores de resistencia, determinadosa partir de ensayos de tensin, de flexin o a fatiga. Los componentes cermicos producidos a partir demateriales idnticos, con mtodos de produccin idnticos, fallan a distintas cargas aplicadas. A fin de disearcomponentes estructurales utilizando cermicos, debe tomarse en cuenta la probabilidad de que exista undefecto que pueda causar ruptura bajo cualquier esfuerzo. La distribucin de Werbull y el mdulo de Weibullproporcionan un tratamiento estadstico para disear piezas de materiales cermicos.

La distribucin de Weibull describe la fraccin de las muestras que fallan a distintos esfuerzos aplicados. Unapequea fraccin de stas contiene defectos lo suficientemente grandes para causar fractura a esfuerzos bajos;

la mayor parte de las muestras fallan con un esfuerzo intermedio y unas cuantas contiene slo defectospequeos y no fallan hasta que se les aplican grandes esfuerzos.

Cuando el esfuerzo aplicado es alto, existe alta probabilidad de que cualquier muestra falle. Conforme sereduce el esfuerzo, tambin se reduce la probabilidad de que las muestras fallen.

Mtodos para mejorar la tenacidad.

Un mtodos tradicional para mejorar la tenacidad consiste en rodear las partculas frgiles del cermico conun material matriz ms suave y tenaz.

Otra alternativa es crear compuestos de matriz cermica (CMC) introduciendo fibras o aglomeradoscermicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta propagarse en la matriz, encuentra la interfase entrematriz y fibra cermica; la interfase ayuda a bloquear la propagacin de la grieta.

Ciertos materiales cermicos se pueden endurecer por transformacin. En la circonia, por ejemplo, se puedeabsorber la energa de una grieta mediante una fase metaestable presente en la estructura original. Estaabsorcin de la energa de la grieta, por la cual efectivamente se reduce su crecimiento, permitiendo que lafase metaestable se transforme en una forma ms estable y al mismo tiempo ayuda a cerrar la grieta.

El procesamiento del producto cermico debe ser tambin crtico para poder mejorar la tenacidad. Lastcnicas de procesamiento que producen cermicos con un grano excepcionalmente fino, de alta pureza ycompletamente densos, mejoran la resistencia y la tenacidad.

Deformacin de los cermicos a altas temperaturas.

En los cermicos las dislocaciones no se mueven a bajas temperaturas y no se observa deformacin plsticasignificativa. A temperaturas ms altas, el flujo viscoso y el deslizamiento de bordes de grano se convierten enmecanismos importantes de deformacin. El flujo viscoso ocurre en los vidrios y en los cermicos quecontienen una mezcla de fases vtrea y cristalina: el deslizamiento de bordes de grano ocurre en cermicos queprincipalmente son cristalinos.

Flujo viscoso del vidrio.

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Un vidrio se deforma por flujo viscoso si la temperatura es suficientemente alta. La aplicacin de un esfuerzocortante hace que un lquido fluya a una velocidad que vara con la posicin.

En el vidrio, los grupos de tomos como las islas, anillos o cadenas de silicatos, se mueven ano al lado delotro en respuesta al esfuerzo, permitiendo la deformacin. Sin embargo, la deformacin entre estos grupos detomos ofrece resistencia al esfuerzo cortante aplicado. A altas temperaturas, digamos por encima de latemperatura de fusin del vidrio, la resistencia es muy baja y el vidrio lquido se puede variar; esto es, sedeforma y fluye bajo su propio peso. La viscosidad de un vidrio lquido es tpicamente menor a 500 poises;

ms viscoso que el agua, pero an capaz de fluir con facilidad.

La viscosidad del vidrio depende de la temperatura.

Conforme se reduce la temperatura, se incrementa la viscosidad y el vidrio se hace ms difcil de deformar.

Termofluencia en los cermicos

Los cermicos cristalinos tienen buena resistencia a la termofluencia, por sus altos puntos de fusin y suelevada energa de activacin para la difusin.

La termofluencia en los cermicos cristalinos frecuentemente ocurre como resultado del deslizamiento de losbordes de grano. Conforme los granos se deslizan uno sobre otro, se pueden iniciar las grietas y finalmentecausar la falla.

Varios factores facilitan el deslizamiento de los bordes de grano y, en consecuencia, reducen la resistencia a latermofluencia:

Tamao de grano: Los tamaos e grano ms pequeos incrementan la tasa de termofluencia.Porosidad: Al incrementar la porosidad en el cermico, se reduce su seccin transversal y aumenta elesfuerzo que acta sobre el producto cermico para una carga dada; los poros tambin facilitan eldeslizamiento de los bordes de grano. En consecuencia la tasa de termofluencia se incrementa.

Impurezas: Diversas impurezas pueden provocar la formacin de fases en los bordes de grano, permitiendotermofluencia debido al flujo viscoso.

Temperatura: Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes de grano, incrementan la velocidadde difusin y promueven la formacin de fases vtreas.

en los vidrios de silicatos, la mejor resistencia a la termofluencia se obtiene para el slice puro; conforme sevan agregando xidos modificadores como el MgO. El SrO y el PbO, se reduce la viscosidad y por lo tantola resistencia a la termofluencia.

Al calentarse el cermico, el flujo viscoso de la fase vtrea promueve el deslizamiento de bordes de grano yreduce la resistencia a la termofluencia y a la temperatura. Si se permite que una fase cristalina precipitedentro de una fase vtrea, la viscosidad de la fase vtrea se incrementa mejorando la resistencia a latermofluencia.

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE PRODUCTOS DE ARCILLA

Los productos de arcilla forman un grupo de cermicos tradicionales que se utilizan para la produccin detubos, ladrillos, artefactos de cocina y otros productos comunes, la arcilla como la caolinita, y el agua sirvencomo aglutinante inicial para los polvos cermicos, el feldespato [(K, Na)2O. Al2O3. 6SiO2] sirven comoagentes fundentes (formadores de vidrio) durante el tratamiento trmico posterior.

Tcnicas de conformado para productos de arcilla

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Los polvos, las arcillas, el fundente y el agua se mezclan y se les da forma. Mezclas secas o semisecas secomprimen en formas verdes (sin hornear) con suficiente resistencia para poder ser manejadas.

A mayores contenidos de humedad, los polvos son ms plsticos o conformables. A stas mezclas plsticas seles puede aplicar procesos de conformado hidroplstico, incluyendo extrusin, recortado y conformado amano, los lodos cermicos pueden inyectarse en moldes cuando contienen grandes cantidades de plastificantesorgnicos en vez de agua.

Despus del conformado, los cuerpos cermicos, es decir, los cuerpos verdes, siguen siendo dbiles, contienenagua y otros lubricantes y son porosos, por tanto, se requiere de un secado y horneado posterior.

Secado y horneado de productos de arcilla

Durante el secado, la humedad excesiva se elimina y ocurren grandes cambios dimensionales. Inicialmente, elagua existente entre las plaquetas de arcilla o agua interparticular se evapora y es la causa de la mayor parte dela concentracin. Despus ocurrir un cambio dimensional relativamente pequeo cuando se evapore el aguarestante entre los poros. Para conseguir un secado uniforme de toda la pieza, se controla cuidadosamente latemperatura y la humedad, minimizando as esfuerzos, distorsin y agrietamiento.

La rigidez y la resistencia de una pieza cermica se obtiene durante su horneado. A temperaturas ms elevadasde horneado, con ms vitrificacin y menos porosidad se produce la loza ptrea o gres. Esta loza, utilizadapara las tuberas de drenaje de aguas negras, contiene una porosidad de slo 2 a 4 por ciento. La porcelananecesita temperaturas de horneado todava superiores para obtener una completa vitrificacin casi sinporosidades.

PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERMICOS AVANZADOS

Los cermicos estructurales avanzados estn diseados para optimizar las propiedades mecnicas atemperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparacin con la cermicatradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Se utilizantcnicas especiales para conformar estos materiales en productos tiles.

Muchos de los cermicos ms avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante paramejorar su composicin, y se prensan para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sintetiza para que sedesarrolle la microestructura y propiedades requeridas.

En algunos casos, particularmente en cermicos avanzados, el conformado por compactacin de polvos seefecta a altas temperaturas, mediante prensas calientes o por compresin isosttica en caliente. En esteproceso los polvos se llevan en recipientes metlicos o de vidrio; entonces se calientan y compactansimultneamente en un recipiente de gas inerte a presin.

Una diferencia entre los cermicos avanzados y los metales tpicos es que, una vez terminado el sinterizado y

fabricado el componente cermico, su microestructura queda fija.

Este proceso se utiliza para producir y consolidar polvos cermicos excepcionalmente finos. Se prepara unasolucin coloidal lquida, que contenga iones metlicos disueltos. Las reacciones de hidrlisis forman unasolucin organometlica o sol, compuesta por cadenas tipo polimrica, con iones metlicos y oxgeno. De lassolucin se forman partculas de xido amorfo, las cuales producen un gel rgido. El gel es secado y horneadopara el sinterizado y la compactacin de la pieza terminada de cermica.

El proceso sol gel se puede utilizar en la produccin de UO2 para combustible de reactores nucleares, enestructuras perovskitas como el titanato de bario para dispositivos electrnicos, en almina de grano ultrafino

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para aplicaciones estructurales de alta resistencia y en una amplia variedad de otros productos cermicos.

Materiales y aplicaciones avanzadas

Los cermicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los xidos. Generalmente estosmateriales se seleccionan tanto por sus propiedades mecnicas como fsicas a altas temperaturas.

Un extenso grupo de cermicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus nicas

propiedades magnticas, electrnicas y pticas, su buena resistencia a la corrosin a alta temperatura, sucapacidad de servir como sensores en la deteccin de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivosde prtesis y otros componentes de repuesto para el ser humano.La Almina(Al2O3): Se utiliza para contenermetal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

El Nitruro De Aluminio(AIN): Proporciona un buen aislante elctrico, pero tiene alta conductividad trmica.Dado que su coeficiente de expansin trmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado delAl2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

El Carburo De Boro(B4C): Es muy duro y an as extraordinariamente ligero. Adems de su utilizacincomo blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasin, como

parte en placas blindadas.

El Carburo De Silicio(SiC): tiene una resistencia a la oxidacin extraordinaria a temperatura incluso porencima del punto de fusin del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, paracompuestos de carbono y otros cermicos a temperaturas extremas.

El Nitruro De Silicio(Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina degas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menorpeso que los metales y aleaciones tradicionales.

El Sialn: Se forma cuando el aluminio y el oxgeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrgeno en elnitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a lafractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. El sialnpuede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altastemperaturas y condiciones severas de desgaste.

El Boruro De Titanio(TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Adems tiene excelentetenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la almina, son aplicaciones en la produccin deblindajes.

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

MATERIALES REFRACTARIOS

Son componentes importantes del equipo utilizado en la produccin, refinacin y manejo de metales y vidrios.Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno. Los refractariostpicos estn compuestos por diversas partculas gruesas de xido aglutinadas con un material refractario msfino. Este segundo material se funde al hornearse y proporciona la unin. En algunos casos, los ladrillosrefractarios contienen aprox. de 20 a 25% de porosidad aparente, a fin de conseguir un mejor aislamientotrmico.

Los refractarios se dividen en tres grupos: cidos, bsicos y neutros con base en su comportamiento qumico.

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Refractarios cidos: Incluyen las arcilla de slice, de almina y refractarios de arcilla. El slice puro a vecesse utiliza para contener metal derretido. Los refractarios de arcilla por lo general son relativamente dbiles,pero poco costosos. Contenidos de almina por arriba de aprox. 50% constituyen los refractarios de altaalmina.

Refractarios Bsicos: Varios refractarios se basan en el MgO(magnesia o periclasa) El MgO puro tiene unpunto de fusin alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo seencuentran en los procesos de fabricacin de acero. Tpicamente, los refractarios bsicos son ms costosos

que los refractarios cidos.

Refractarios Neutros: Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separarrefractarios cidos de los bsicos, impidiendo que uno ataque al otro.

Refractarios Especiales: El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias,particularmente cuando no hay oxgeno fcilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen lacirconia (ZrO2), el circn (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros.

OTROS MATERIALES CERMICOS Y SUS APLICACIONES

Cementos:

En un proceso conocido como cementacin, las materias primas cermicas se unen utilizando un aglutinanteque no requiere horneado o sinterizado. Una reaccin qumica convierte una resina lquida en un slido queune las partculas. En el caso del silicato de sodio, la introduccin de gas CO2 acta como catalizador paradeshidratar la solucin de silicato de sodio y convertirla en un material vtreo.

La reaccin de cementacin ms comn e importante ocurre en el cemento Prtland, utilizado para producir elconcreto.

Recubrimientos:

Con frecuencia los productos cermicos se utilizan como recubrimientos protectores de otros materiales. Losrecubrimientos comerciales comunes incluyen los vidriados y los esmaltados. Los vidriados se aplican sobrela superficie de un material cermico para sellar un cuerpo de arcilla permeable, para dar proteccin y decorar,o para fines especiales. Los esmaltados se aplican sobre superficies metlicas. Los esmaltados y vidriados sonproductos de arcilla que se vitrifican fcilmente durante el horneado.

Mediante la adicin de otros minerales se pueden producir en los vidriados y esmaltados colores especiales.

Uno de los problemas que tienen los vidriados y los esmaltados son las grietas o cuarteduras superficiales queocurren cuando el vidriado tiene un coeficiente de expansin trmica distinto al del material subyacente.

Para materiales cermicos avanzados y para materiales de operacin a alta temperatura se utilizanrecubrimientos de SiC para mejorar su resistencia a la oxidacin. A las superaleaciones base nquel se lespuede aplicar recubrimientos de circonia, como barreras trmicas que protejen al metal contra la fusin ocontra reacciones adversas.

Fibras

A partir de materiales cermicos se producen fibras para diversos usos como esfuerzo de materialescompuestos, para ser tejidas en telas o para uso en sistemas de fibras pticas. Las fibras de vidrio deborosilicato, las ms comunes, proporcionan resistencia y rigidez a la fibra de vidrio. Tambin se pueden

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producir fibras con una diversidad de materiales cermicos, incluyendo almina, carburo de silicio y carburode boro.

Superconductividad:

Fenmeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente elctrica. Lossuperconductores tambin presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los camposmagnticos. La superconductividad slo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crtica Tc y

un campo magntico crtico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor ms elevado deTc que se conoca era de 23,2 K (249,95 C), en determinados compuestos de niobiogermanio. Paraalcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio lquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad detemperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una mquina con elementos superconductores,por lo que no se consideraba prctico el funcionamiento a gran escala de estas mquinas. Sin embargo, en1986, los descubrimientos llevados a cabo en varias universidades y centros de investigacin comenzaron acambiar radicalmente la situacin. Se descubri que algunos compuestos cermicos de xidos metlicos quecontenan lantnidos eran superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usarnitrgeno lquido como refrigerante. Como el nitrgeno lquido, cuya temperatura es de 77 K (196 C),enfra con una eficacia 20 veces mayor que el helio lquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicacionespotenciales empezaron a parecer econmicamente viables. En 1987 se revel que la frmula de uno de estos

compuestos superconductores, con una Tc de 94 K (179 C), era (Y0,6Ba0,4)2CuO4. Desde entonces se hademostrado que los lantnidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubri un xido de cobrey taliobariocalcio con una Tc de 125 K (148 C).

VIDRIOS

El vidrio es un liquido sobreenfriado y se encuentra en un estado metaestable, osea puede pasar a un estado demenor energa, solo si pasa por un estado de mayor energa. El vidrio fundido se enfra lentamente, para evitarsu cristalizacin, es un material cermico obtenido a partir de materiales inorgnicos a altas temperaturas, sedistingue de otras cermicas en que sus constituyentes son calentados hasta fusin y despus enfriados hastaun estado rgido sin cristalizacin.

En un vidrio las molculas cambian su orientacin de una manera aleatoria en todo el slido, es decir suestructura es amorfa.

Solo se conocen tres componentes minerales binarios, que pueden pasar del estado fundido a la temperaturaambiente sin cristalizar; Slice, (SiO2), Anhdrido Brico (B2O3 ) y Anhdrido Fosforico ( B 2 O 5 ).

Materia Prima:

Las materias usadas para fabricar vidrio son:

Vitrificantes: tales como La slice, con punto de fusin 1.720 C.Fundentes: Los mas usados son el Sulfato de Sodio y el Carbonato Sodico, son fcilmente atacableslos vidrios formados por vitrificantes y fundentes.

Estabilizantes: Se aaden para obtener vidrios mas estables y menos atacables. Los mas usados son:Carbonato Calcico, Carbonato de Megnesio, Oxido de Bario(Barita), Oxido de Aluminio(Alumina),Oxido de Plomo y Oxido de Cinc.

Accesorias: Pueden ser afinantes , decolorantes, opalescentes o colorantes.

ESTRUCTURA DEL VIDRIO

xidos formadores de vidrio: Muchos vidrios inorgnicos estn basados en el oxido de silicio, (SiO2), como

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formador de vidrio. La subunidad fundamental en los vidrios de slice es el tetraedro SiO4 en donde untomo (ion) de silicio (Si4 +) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro tomos de oxigeno. En lavariedad de Slice cristobalita, por ejemplo, los tetraedros SiO4 se encuentran unidos compartiendo vrtices enuna disposicin regular produciendo un orden de largo alcance, en un vidrio corriente de slice los tetraedrosestn unidos por sus vrtices formando una red dispersa sin orden de largo alcance.

El oxido de boro B2 O3, es tambin un oxido formador de vidrio y por si mismo forma subunidades que sontringulos planos con el tomo de boroligeramente fuera de plano de los tomos de oxigeno. Sin embargo. En

los vidrios de borosilicato a los que se han adicionado xidos alcalinos y alcalinoterreos, los tringulos deoxido BO3 Pueden pasar a tetraedros BO4 , en los que los cationes alcalinos y alcalinoterreos proporcionanla electroneutralidad necesaria. El oxido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrioscomerciales, con vidrios de borosilicato y aluminoborosilicato.

PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de ingeniera. La combinacinde transparencia y dureza a temperatura ambiente con suficiente fuerza y una excelente resistencia a lacorrosin en la mayora de los ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingenieratales como construccin y vidriado de vehculos. En la industria elctrica el vidrio es esencial para varios tipos

de lmparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad para suministrar un cierre hermtico.

En la industria electrnica los tubos electrnicos tambin requieren el cierre hermtico proporcionado por elvidrio, con sus propiedades aislantes para entrada de conectores. La alta resistencia qumica del vidrio lo hacemuy til para los aparatos de laboratorio y recubrimientos resistentes a la corrosin, conducciones yrecipientes en la industria qumica.

Temperatura de transicin vtrea:

El comportamiento frente a la solidificacin de un vidrio es diferente del de un cristal, un liquido que formaun slido cristalino bajo solidificacin (p. ej., un metal puro) normalmente cristalizar en su punto de fusincon una disminucin significativa de su volumen especifico, por el contrario un liquido que forma un vidriobajo enfriamiento no cristaliza el liquido se vuelve mas viscoso a medida que su temperatura va disminuyendoy se transforma desde un estado plstico blando y elstico a un estado vidrioso, quebradizo y rgido en unmargen reducido de temperaturas.

Mtodos de conformado del vidrio:

Los productos de vidrio se fabrican calentando primero el vidrio a una temperatura alta para producir unliquido viscoso que seguidamente se moldea, contorna o lamina en la forma deseada.

Conformado en hojas y laminas: Se fabrica mediante el proceso de flotado, en el cual una tira devidrio sale del horno de fusin y flota sobre la superficie de un bao de estao fundido, la lmina de

vidrio es enfriada mientras se mueve a travs del estao fundido y bajo una atmsfera controladaqumicamente cuando su superficie esta suficientemente dura, la lmina de vidrio se saca del hornosin ser marcada mediante rodillos y pasa a travs de un largo horno de recocido llamado Lehr, dondese eliminan las tensiones residuales.

Conformado por soplado, prensado y moldeado del vidrio: Artculos huecos como botellas, jarras, yenvolturas de tubos luminosos se fabrican soplando aire para ajustar el vidrio fundido dentro de losmoldes. Artculos planos como lentes pticas y lentes para faros se fabrican prensando con un mboloen el molde que contiene vidrio fundido. Muchos artculos pueden fabricarse moldeando el cristaldentro de un molde abierto. Un gran espejo de telescopio en cristal. Artculos con forma de embudocomo tubos de televisor se fabrican mediante moldeado centrfugo. Los trozos de vidrio fundido

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desde el alimentador se arrojan en un molde rotativo que origina que el vidrio fluya hacia arriba paraformar un muro de vidrio de espesor de aproximadamente uniforme.

Conformado por vidrio templado: Este tipo es reforzado enfriando rpidamente con aire la superficiede vidrio despus de que ste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. Lasuperficie del vidrio se enfra primero y se contrae, mientras el interior esta caliente y se reajusta a loscambios dimensionales con pocas tensiones, cuando el interior se enfra y contrae, la superficie yaesta rgida, con lo que se crean fuerzas de tensin en el interior del vidrio y fuerzas de compresin en

las superficies, este tratamiento de templado aumenta la resistencia del vidrio porque las fuerzas detensin aplicadas deben sobrepasar las fuerzas de compresin de la superficie antes que se produzca lafractura. El vidrio templado tiene una mayor resistencia a los impactos que el vidrio recocido y esalrededor de cuatro veces mas fuerte. Las ventanas de los automviles y el vidrio de seguridad parapuertas son artculos que han sido templados trmicamente.

Conformado por vidrio reforzado qumicamente: La resistencia de un vidrio puede incrementarsemediante tratamientos qumicos especiales. Por ejemplo, si un vidrio de aluminosilicato de sodio sesumerge en un bao de nitrato de potasio a una temperatura de aproximadamente 50C por debajo desu punto de tensin (" 500C) durante 6 a 10 h, los iones ms pequeos de sodio, junto a la superficiedel vidrio son reemplazados por iones potasio ms grandes. La introduccin de los iones potasio ms

grandes en la superficie del vidrio produce fuerzas compresivas en la superficie y las correspondientesfuerzas de tensin en su centro. Este proceso de templado qumico puede ser usado en las seccionestransversales ms delgadas que puedan templarse trmicamente ya que la capa compresiva es muyfina, el vidrio qumicamente reforzado se usa para aeronaves supersnicas y para lentes oftlmicas.

APLICACIONES DE LOS VIDRIOS

VIDRIOS OBSERVACIONES

Slice (fundida)Difcil de fundir y fabricar , pero til hastatemperaturas de 1000C. Muy baja expansin y altaresistencia al choque trmico.

Slice 96% Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves deborosilicato; se calienta para consolidar los poros.

Sodaclcica: lminas de vidrioFcilmente fabricable. Usado ampliamente en unavariedad de aplicaciones; cristalera, para ventanas,contenedores y bombillas elctricas.

Silicato de PlomoFunde fcil y es fabricable, con buenas propiedadeselctricas.

Alto contenido en plomo

El alto contenido en plomo absorbe los rayos X; elalto ndice de retraccin es til en lentes acromticas.

Vidrio para cristal decorativo.

Aplicaciones pticas y vidrios de mesa.

Ventanas de radiacin y lmparas de televisin.

Borosilicato: baja expansin Baja expansin, buena resistencia al choque trmico yestabilidad qumica. Utilizando ampliamente en laindustria qumica.

Para utensilios de cocina, instrumentos de laboratorio,grandes espejos de telescopios, hornos y lmparas

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reflectoras.

Baja prdida elctrica Bajas prdidas dielctricas.

Aluminoborosilicato: aparatos estndarContenidos altos en alumina y bajos en xido bricomejoran la durabilidad qumica.

Bajo alcali (Vidrios E)Usado ampliamente para fibras en compuestos deresina de vidrio.

Aluminosilicato Resistencia a altas temperaturas, baja expansin.

Cermica vtrea

Cermica cristalina fabricada por desvitrificacin delvidrio.

Fcil fabricacin, buenas propiedades. Diferentesvidrios y catalizadores.

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estructura de los ceramicos

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