la cerámica avanzada
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GANOZA OBESO BRYAN-UNT/2015 P á g i n a 1 | 3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES
LA CERA MICA AVANZADA El apasionante desarrollo que ha sufrido la cerámica en las últimas décadas ha estado
conducido más por la “necesidad” que por el “azar”.
La histórica crisis del petróleo acabó con el sueño dorado de la energía barata e hizo que los
procesos productivos cambiaran drásticamente para disminuir los consumos energéticos.
Para ello, los techos de temperatura han de ser elevados por encima del de las aleaciones y
superaleaciones metálicas, haciendo que los materiales cerámicos tengan que desempeñar
un papel mucho más activo y a veces crítico en las nuevas tecnologías.
Aun siendo los materiales cerámicos los primeros que aparecen en la historia del hombre,
muy por delante de los metales, el nivel en que se encuentra su desarrollo a principios de los
setenta puede ser calificado de muy rudimentario.
Por ello, podemos afirmar que lo que hoy entendemos por cerámica estructural tiene su
origen no hace más de treinta años. Es, por tanto, un campo muy reciente de investigación y
desarrollo. Para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos hubo que
empezar por disminuir el tamaño de sus defectos críticos mediante un cambio dramático en
el procesamiento de los sistemas particulados de partida. A tal efecto merge una nueva
ciencia, la ciencia del procesamiento cerámico, que tiene su origen en un famoso meeting
cuyas contribuciones recoge el libro Ceramics before firing, editado por Onoda y Hench en
1978.
La segunda gran limitación de los materiales cerámicos estriba en su intrínseca fragilidad.
Los materiales cerámicos son susceptibles de rotura catastrófica. Cuando un jarrón de
porcelana impacta en su caída se inician grietas que se propagan a una velocidad próxima a
la del sonido fracturando el jarrón en múltiples trozos que a su vez generan superficies
frescas de fractura. La energía del impacto se ha invertido en la creación de nuevas
superficies. Si el jarrón hubiera sido metálico se habrían producido sólo abolladuras, es decir,
la energía del impacto se habría consumido en forma de deformación plástica.
En este contexto, el descubrimiento en 1975 por Garvie et al. de los mecanismos de
reforzamiento de matrices cerámicas mediante la incorporación de elementos
microestructurales no lineales (p.e. partículas de ZrO2 parcialmente estabilizada que pueden
sufrir una transformación de fases de naturaleza martensítica, similar a la que se produce en
los aceros templados) abrió una avenida de investigación que ha dado frutos espectaculares.
Aquellas propiedades inherentes a los materiales cerámicos que los distingue de los metales
y los plásticos, como son su elevada estabilidad química (son altamente resistentes tanto a
los ácidos como a las bases), su dureza y su refractariedad, se potencian decididamente si se
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disminuye su fragilidad y abre el camino de la cerámica hacia aplicaciones estructurales de
elevada responsabilidad, impensables antes de este acontecimiento científico.
En la actualidad está claramente establecido que las propiedades mecánicas de un material
cerámico están íntimamente relacionadas con aspectos de su microestructura. Propiedades
tales como módulo de rotura ( f), tenacidad (K1c), resistencia a la fatiga y resistencia a la
deformación en caliente están dictadas por entidades microestructurales dispersas, tales
como segundas fases (partículas metálicas, nanopartículas, micro fibras, micro plaquetas,
etc.).
En el caso concreto de los materiales cerámicos con una fase dispersa de circonia sus
propiedades mecánicas (el módulo de rotura está relacionado con el tamaño crítico de
defecto, c, mediante la expresión: f=Cte.KIc.c-1/2), se incrementaron de manera
espectacular, pasando de unos valores máximos para la alúmina de 500MPa en el año 1970
hasta los 2500MPa para los materiales compuestos alúmina-circonia parcialmente
estabilizada con itria (YTZP) obtenidos a finales de los años ochenta. Estos valores de
resistencia mecánica claramente compiten con los correspondientes a los mejores aceros del
mercado. Ello ha sido debido a dos factores fundamentales, a) el refinamiento de la
microestructura a niveles submicrométricos (disminución del defecto crítico c), y b) el
aumento de la tenacidad K1c como consecuencia de la transformación martensítica de las
partículas submicrométricas de circonia localizadas en el entorno de las grietas.
Como consecuencia de esta revolución en la actualidad los materiales basados en circonia
parcialmente estabilizada (Y-TZP, Mg-TZP, alúmina/Y-TZP, mullita/Y-TZP) están
plenamente introducidos en el mercado y se utilizan en aplicaciones estructurales de gran
responsabilidad (boquillas para la extrusión de metales, para la industria textil, bombas y
válvulas para ser usadas en ambientes corrosivos, etc.).
Otra importante familia de materiales cerámicos estructurales que se ha desarrollado en los
últimos veinte años son los basados en nitruro de silicio. Este tipo de materiales (carburos,
boruros y nitruros) como consecuencia de su enlace covalente poseen elevados módulos
elásticos y elevada dureza. Particularmente el nitruro de silicio se obtiene mediante
sinterización bajo presión a muy elevada temperatura (>1.800ºC) con una microestructura
compuesta por granos elongados monocristalinos de -Si3N4 >10 m, que le sirven de
auto reforzamiento, embebidos en una delgada película vítrea. Este material está
particularmente indicado para aplicaciones estructurales a elevada temperatura así como en
cojinetes y en herramientas de corte por su elevada dureza.
En la actualidad, como consecuencia del extraordinario progreso que han experimentado las
nuevas tecnologías (biotecnología, robótica, aeroespacial, defensa, etc.), la fuerza
conductora que inspiró los grandes desarrollos de nuevos materiales a finales del siglo XX
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ha pasado de ser “una solución en busca del problema” a “un problema en busca de una
solución satisfactoria”. En este nuevo escenario la investigación y la sociedad están
obligadas a establecer sinergias y sólidas vías de comunicación que propicien la búsqueda
de estas requeridas soluciones satisfactorias.