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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA. UNIDAD ZACATENCOINGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICAQUIMICA BASICATRABAJO: CERAMICOS GRUPO: 1CV4 INTEGRANTES:CABAAS NUEZ LUIS ANGELGARCIA CRUZ DANIEL ALEJANDROORTIZ RAMOS JESUSROMERO BARCO JORGEPROFESORA: HILDA MARGARITA ALFARO LOPEZFECHA: 10/01/16
Estructura qumica de los cermicos Los materiales cermicos son inorgnicos, materiales no metlicos que constan de elementos metlicos y no metlicos enlazados entre si, principalmente por enlaces inicos y/o enlace covalentes. La composicin qumica de los materiales cermicos varia considerablemente, desde los compuestos simples hasta mezclas de muchas fases complejas enlazadas. La mayora de los materiales cermicos tienen una estructura altamente cristalina, en la que una unidad tridimensional, llamado una celda unidad, se repite por todo el material. Por ejemplo, oxido de magnesio cristaliza en la estructura de sal de roca. En esta estructura, Mg 2+ iones alternan con O 2- iones a lo largo de cada eje perpendicular.
Los cermicos por lo general tienen una combinacin de enlaces mas fuertes llamado inico (se produce entre un metal y no metal e implica la atraccin de cargas opuestas cuando los electrones se transfieren desde el metal al no metal); y covalente (se produce entre dos no metales y consiste en el intercambio de tomos). La fuerza de un enlace inico depende del tamao de la caga y en el radio de cada ion. Cuanto mayor es el numero de electrones que se comparte, es mayor la fuerza de atraccin, o mas fuerte es el enlace covalente. Estos tipos de enlaces resultan en un alto modulo de elasticidad y dureza, puntos de fusin altos, baja expansin trmica, y buena resistencia qumica. Por otro lado, los cermicos tambin son duros y quebradizos (a menos que el material se endurezca por refuerzos u otros medios), lo que conduce a la fractura.
En general, los metales tienen enlaces mas dbiles que los cermicos, lo que permite que los electrones se muevan libremente entre los tomos. Piense en una caja que contiene canicas rodeadas de agua. Las canicas se pueden desplazar a cualquier lugar dentro de la caja y el agua les seguir, siempre rodeando a las canicas. Este tipo de enlace da como resultado a la propiedad llamada ductilidad, donde el metal se puede doblar fcilmente sin romperse, permitiendo que se pueda hacer alambre. La libre circulacin de los electrones tambin explica por que los metales tienden a ser conductores de la electricidad y el calor. Los plsticos o polmeros de tipo orgnico se componen de largas cadenas de molculas que, o bien se enredan o mandaron a temperatura ambiente. Debido a que las fuerzas (conocidas como fuerzas de Van Der Waals) entre las molculas son muy dbiles los polmeros muy elsticos (como una banda de goma), se puede fundir fcilmente, y tienen baja resistencia. Al igual que los cermicos, los polmeros tienen una buena resistencia qumica, elctrica y propiedades de aislamiento trmico. Estos tambin son quebradizos a bajas temperaturas.
2. Clasificacin de los cermicos
Silicatos: Muchos materiales cermicos contienen estructuras del tipo silicato. Las arcillas, feldespatos y micas son productos naturales de este tipo. Las estructuras tipo silicato tienen especial importancia en los materiales como el vidrio, cemento, porcelanas aislantes y ladrillos de tierra cosida, estn constituidas por una unidad bsica fundamental en la que el silicio esta unido covalentemente a cuatro oxgenos dando lugar a una unidad tetradrica.Cermicos xidos: Son cermicos cristalinos en los que predomina el enlace inico. Ejemplos tpicos de este tipo de cermicos son los refractarios de almina, de magnesia, la circonia, la circonia principalmente estabilizada, etc.
3. Propiedades de los cermicosTemperatura de fusin: Relacionado con la energa del enlace, una de las caractersticas ms importantes de muchas cermicas es su elevada temperatura de fusin.Aplicaciones elevadas temperaturas
Propiedades qumicas:Los materiales cermicos son materiales inorgnicos no metlicos, constituidos por elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces inicos y/o covalentes. Las composiciones qumicas de los materiales cermicos varan considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. Las propiedades de los materiales cermicos tambin varan mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cermicos son tpicamente duros y frgiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cermicos se comportan usualmente como buenos aislantes elctricos y trmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusin relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayora de los medios ms agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Propiedades trmicas:La mayora de los materiales cermicos tienen bajas conductividades trmicas debido a sus fuertes enlaces inico-covalentes; y son buenos aislantes trmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios materiales que resisten la accin de ambientes calientes tanto lquidos como gaseosos. Los refractarios se utilizan en las industrias metalrgicas, qumicas, cermicas y del vidrio.Calor especfico:Medida de la energa requerida para aumentar la temperatura de un material. Aumenta con la temperatura hasta ~1000C (~6cal/gatC)
Caracteristica corriente tensin de hasta descomposicin de tpicos materiales dielctricos.Rigidez dielctrica depende de:Geometra de la muestraForma y disposicin de electrodosModo de estrs (AC, DC o pulsada) Condicin ambientalHomogeneidad de material
La cermica electrnica es un termino genrico que describe una clase de los materiales inorgnicos, no metlicos utilizados en la industria de electrnica. Aunque las cermicas electrnicas o electro cermicas, incluyendo, los cristales amorfos y los singulares pertenecen generalmente a los solidos inorgnicos policristalinos, abarcando a los cristales orientados de forma aleatoria (granos) enlazados ntimamente. Esta orientacin al azar de las cermicas isotpicas en todas las direcciones. El carcter isotpico se puede modificar durante la operacin de la sintetizacion en las altas temperaturas o al enfriarse en un campo magntico o elctrico.Las caractersticas de las electroceramicas se relacionan con su microestructura de cermica, el tamao y la forma del grano, orientacin y limites o bordes del grano. La cermica electrnica se combina a menudo con los metales y los polmeros para resolver los requisitos de un amplio espectro de los usos, las computadoras, las telecomunicaciones, los sensores (qv) y los actuadores de alta tecnologa . En lnea general, el mercado electrnico de la cermica se puede dividir en seis porciones iguales.
4. Uso y aplicaciones de los cermicos en la ingeniera en comunicaciones y electrnica
Algunas aplicaciones de cermicos son:MATERIALES REFRACTARIOS Y AISLANTES.Para los hornos y para las cucharas se emplean recubrimientos ya sean de ladrillo o monolticos. Para manejar metales lquidos y escoria esencial distinguir entre refractarios cidos, neutros y bsicos . las caractersticas de estos ladrillos son la resistencia a la escoria. Resistencia a los efectos de temperatura y capacidad aislante.Los ladrillos cidos son menos costosos, pero en muchos hornos se emplean escorias para refinar el metal .El ladrillo aislante contiene mucho espacio poroso y en consecuencia, no es tan resistente a la escoria como el recubrimiento interior del recipiente.---INDUSTRIAL O DOMESTICA.
Los cermicos como Materiales aislantes:Los aisladores de cermica elctricos se utilizan en aplicaciones que requieren un componente rgido no conductor y / o la fuente para la disipacin de calor, Aunque todas las formulaciones de cermica pueden ser utilizadas en aplicaciones elctricas, la esteatita y la almina son la opcin mas comn debido a sus excelentes propiedades elctricas, Los aisladores elctricos suelen tener recubrimientos aplicados incluyendo vidrio, recubrimiento de tefln y metalizado. La metalizacin de aisladores elctricos de cermica es una practica comn para facilitar la instalacin en paneles de control y tableros elctricos a travs de soldadura. Los aisladores elctricos de cermica son los mas utilizados para proporcionar puentes no conductores entre los componentes electrnicos, sin embargo, tambin se instalan en los tableros de control y cajas como un disipador de calor.
EsteatitaLa esteatita, como la cordierita, es un silicato de aluminio y magnesio. Ambos materiales suelen utilizarse en aplicaciones de ingeniera trmicas, pero la esteatita tambin se usa especialmente en aplicaciones elctricas debido a sus buenas propiedades elctricas.Las propiedades de la esteatita se pueden variar para producir grados adaptados especficamente para alto o bajo voltaje, o aplicaciones de baja prdida. Se puede prensar fcilmente para crear componentes como enchufes, conectores y fusibles. Presenta una baja contraccin cuando se cuece, as que puede producir componentes con buenas tolerancias de manera rentable.CordieritaEs un mineral comn en rocas metamrficas de contacto y regional pelticas de grado medio y alto. Es comn como porfiroblastos en hornfels de zonas metamrficas de contacto. En rocas de zonas con metamorfismo regional puede formar porfiroblastos o granos anhedrales junto a cuarzo y feldespatos. Puede estar asociada a estaurolita, andalucita, sillimanita, cianita, cloritoide, clorita, moscovita y biotita. Es tambin comn en ciertas rocas metamrficas mficas junto a antofilita y algunas veces granate. Se encuentra frecuentemente en granito, pegmatita, garbos, andesita y rocas volcnicas relacionadas.
AluminaEs el oxido de aluminio (Al2O3). Junto con la slice, es el ingrediente ms importante en la constitucin de las arcillas y los barnices, impartindoles resistencia y aumentando su temperatura de maduracin.El oxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindn, y de esmeril. Ciertas piedras preciosas, como el rub, el zafiro, son formas de alumina coloreadas por indicios de xidos de metales pesados; se pueden fabricar piedras artificiales por fusin en la llama oxhdrica. La alumina Al2O3 se halla tambin en forma de xidos hidratados que son los componentes de la Bauxita y de la laterita (esta consta principalmente de hidrxidos aluminico y ferrico, slice y menores proporciones de otros xidos).El oxido de aluminio fundido y vuelto a cristalizar es idntico en sus propiedades qumicas y fsicas al corindn natural. Solo le superan en dureza al diamante y algunas sustancias sintticas, concretamente el carborundo o carburo de silicio. Tanto el corindn natural impuro (esmeril), como el corindn artificial puro (alundo) se utilizan como abrasivos. A temperatura ordinaria, el oxido de aluminio es insoluble en todos los reactivos qumicos comunes.ZirconiaEl zirconio (ZrSiO4) es un mineral del grupo de los silicatos y fue descubierto en 1789 por el qumico alemn M. H. Klaproth.El dixido de zirconio (ZrO2) o zirconia es un compuesto del elemento zirconio que aparece en la naturaleza y desde hace 10-15 aos se utiliza en odontologa. Se estabiliza parcialmente con itrio y se enriquece con aluminio. De ah deriva propiedades positivas como su alta Resistencia a al flexin (>1400 MPa*), dureza (1200 HV*) y un mdulo de Weibull de 15,84*
Los cermicos como materiales Semiconductores:Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termistores principalmente. Diodos: Al unir un semiconductor N con otro P se produce un fenmeno de difusin de cargas en la zona de contacto, que crea una barrera de potencial que impide a los dems electrones de la zona N saturar los restantes huecos positivos de la zona. Si unimos un generador como se indica en la figura los electrones libres de la zona N son repelidos por el polo negativo y los huecos de la zona P por el polo positivo, hacia la regin de transicin, que atraviesan. La corriente pasa. No ocurrira esto si la conexin se hubiera hecho con la polaridad invertida. El dispositivo es un diodo semiconductor y acta como rectificador de corriente.
Semiconductores intrnsecos:Un material semiconductor hecho slo de un nico tipo de tomo, se denomina semiconductor intrnseco.Los ms empleados histricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo ste ltimo el ms empleado (por ser mucho ms abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).Cada tomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su rbita externa (electrones de valencia), que comparte con los tomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada tomo posee 8 electrones en su capa ms externa., formando una red cristalina, en la que la unin entre los electrones y sus tomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fcilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante.
Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energa, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conduccin elctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energa calorfica para librarse del enlace covalente y moverse a travs de la red cristalina, convirtindose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial elctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrn libre abandona el tomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocara una carga positiva.
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores.La conduccin elctrica a travs de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes elctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos prximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (ctodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado nodo (hay que considerar que por el conductor exterior slo circulan los electrones que dan lugar a la corriente elctrica; los huecos slo existen en el seno del cristal semiconductor).
Cuando, n es el numero de electrones en la banda de conduccin (1) n=Nce x p[- Eg 2KT]
Cuando, p es el numero de agujeros en la banda de valencia (2) p= Nve x p[-Eg 2KT]
La densidad de estados para la conduccin y la banda de valencia se dan, respectivamente: (3) Nc= 2[2m * ekTh2]32 y (4) Nv= 2[2 m * hkTh]32
Donde, m*e y m*h son las masas de los electrones y los huecos. Tomando en consideracin que m*e=m*h podemos indicar que la masa de los electrones en la banda de valencia es la misma que la masa que la misma de los electrones en la banda de conduccin. Esto se denota como:
(5) nyo= pyo Entonces (6) nyo= (NcNv) 1/3e x p [- Eg/2 K T]
As la conductividad intrnseca esta dada por: (7) ya= qny0(e+h)
Debido a la gran Eg que los semiconductores tienen su conductividad intrnseca suele ser baja. Las caractersticas intrnsecas en los semiconductores se utilizan en los microscopios electrnicos de transmisin (TEM) y microscopios electrnicos de barrido (SEM)
Semiconductores extrnsecos:Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificacin (llamado dopaje), consistente en introducir tomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominar semiconductor extrnseco. Segn la impureza (llamada dopante) distinguimos:
Semiconductor tipo P : se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina stos tomos presentarn undefecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. As, al material tipo P tambin se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).
Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fsforo (P), el Arsnico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se movern fcilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina tambin donador de electrones.
Cermica PiezoelctricaLas cermicas piezoelctricas pertenecen al grupo que de mayor flexibilidad de formato y de propiedades, siendo ellas ampliamente utilizadas en la fabricacin de equipos industriales, especficamente en sistemas de limpieza, equipos de soldadura por ultrasonido, para ensayos no destructivos y equipos para monitorear vibraciones. El elemento activo en la mayora de los dispositivos y transductores ultrasnicos es un elemento piezoelctrico que puede pertenecer a uno de estos grupos:cristales de cuarzo, hidrosolubles, monocristales, semiconductores piezoelctricos, cermicas piezoelctricas, polmeros y compuestos piezoelctricos.
Funcionamiento:Las cermicas piezoelctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en aisladores elctricos, ellas estn constituidas por innumerables cristales ferroelectricos microscpicos llegando a denominarse como policristalinos. Particularmente en las cermicas del tipo PZT, esos pequeos cristales poseen estructuras cristalinas tipo perovskita, pudiendo presentar simetra tetragonal, rombodrica o cubica simples, teniendo temperatura critica conocida como temperatura de Curie, la estructura perovsikita presentara la simetra tetragonal donde el centro de simetra de las cargas negativas, dando origen a un dipolo elctrico. La existencia de este dipolo provoca que la estructura cristalina se deforme en presencia de un campo elctrico y genere un desplazamiento elctrico cuando es sometida a una deformacin mecnica, caracterizado el efecto piezoelctrico inverso y directo respectivamente. La deformacin mecnica o la variacin del dipolo elctrico de la estructura cristalina de la cermica no necesariamente implican efectos macroscpicos, ya que los dipolos se organizan en dominios, que a su vez se distribuyen aleatoriamente en el material policristalino. Para que ocurran manifestaciones macroscpicas es necesario una orientacin preferencial, de estos dominios, conocida como polarizacin, inclusive esta polarizacin se desvanece con el tiempo y el uso, inutilizando el material para la transformacin de energa elctrica en mecnica.
FerroelectricidadLa capacidad de ciertos materiales para retener informacin en su estructura cristalina, sin necesidad de estar conectados a una fuente de energa, como pilas o corriente elctrica, es llamada ferroelectricidad. La informacin es almacenada gracias a la polarizacin elctrica que poseen, que puede ser activada exactamente por un voltaje y aun cuando este sea retirado, la polarizacin persiste.Estos materiales generalmente cermicos, son llamados ferroelectricos y su uso masivo esta en las memorias porttiles o pendrives. Tambin los encontramos en micrfonos encendidos piezoelctricos y condensadores de alta eficiencia. Hoy estn siendo explorados en la fabricacin de memorias no- voltiles de alta densidad para la computacin aeroespacial, pues presentan adems alta resistencia a la radiacin.
Los ferroelectricos estn emergiendo como materiales claves para fabricar memorias no voltiles, se destaca especialmente la aplicacin masiva en dispositivos mviles, tal como el pendrive. Los materiales ferroelectricos poseen dos estados bases termodinmicamente equivalentes, los cuales poseen polarizacin inica opuesta que puede ser cambiada de un estado al otro de un campo elctrico de un campo elctrico externo.Se sabe que la ferroelectricidad es un fenmeno cooperativo de dipolos interactuantes, la cual es detectada a travs de mediciones elctricas. La medicin elctrica clave a un material ferroelectrico es la obtencin de su curva de histresis.
La mayora de los ferroelectricos estn en estado solido, son materiales tipo cermico. Pero hay excepciones, se han encontrado ferroelectricidad en sistemas biolgicos.
5. ConclusionesLos materiales cermicos desempean una funcin determinante en una amplia gama de tecnologa relacionadas con la electrnica, el magnetismo, la ptica y la energa. Muchos materiales cermicos avanzados tienen un importante papel al aislamiento trmico y propiedades a altas temperaturas. Las aplicaciones de los materiales cermicos comprenden desde tarjetas de crdito, capsulas para chips pticas que permiten las comunicaciones y vidrios con energa y seguridad eficientes. Los materiales tradicionales cermicos funciones como refractarios para el procesamiento de metales y en aplicaciones de consumo.Los cermicos son materiales inorgnicos con una elevada dureza y un alto punto de fusin. Incluyendo los materiales cermicos mono cristalinos y los poli cristalinos, asi como los vidrios cermicos. Entre los materiales cermicos comunes se encuentran los aislantes elctricos y trmicos de buena estabilidad qumica y satisfactoria resistencia a la compresin.