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15 – Materiales cerámicos
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Contenido
• Definiciones• Clasificación• Fabricación
– Sinterizado
• Aplicaciones• Propiedades
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Definiciones
• Cerámico: compuesto de elementos metálicos y no metálicos, para los cuales las interacciones entre átomos son predominantemente iónicos (Callister, W; Fundamentals of Materials Science and Engineering; 2000)
• Cerámica, co:
– Dicho de un material no metálico: fabricado por sinterización
– Arte de fabricar vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana (www.rae.es)
• Cerámica: termino general aplicado al arte o técnica de producir objetos mediante un proceso cerámico, o a los objetos así producidos (es decir objetos cerámicos) (ASTM C 242:1993)
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Definiciones
• Objetos cerámicos: son aquellos que presentan un cuerpo vitrificado o no, de estructura parcial o totalmente cristalina o bien vítrea, producidos esencialmente en base a sustancias inorgánicas no metálicas, y conformados a partir de una masa fundida que solidifica por enfriamiento, o bien conformados y, simultáneamente o subsiguientemente, endurecidos por la acción del calor. (ASTM C 242:1993)
• Procesos cerámicos: incluyen la producción de objetos o recubrimientos a partir de materiales esencialmente inorgánicos no metálicos; dichos objetos o recubrimientos se hacen permanentes y adecuados para propósitos utilitarios o decorativos mediante la acción del calor, a temperaturas los suficientemente elevadas como para provocar sinterizado, reacciones en el estado sólido, liga entre partículas, o bien conversión parcial o total al estado vítreo (ASTM C 242:1993)
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Definiciones
% iónico se puede calcular como:{1-exp[(-0,25).(XA-XB)2]}.100XA y XB son las electronegatividades de los elementos en cuestión
Estructura básica de los silicatos: tetraedro SiO4
-4
Definiciones
Ordenado � cristalinocuarzo, cristobalita, tridimita
Desordenado � amorfo
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Definiciones
Estructura de un vidrio silicato sódico � SiO2 + NaO2El Na+ puede reemplazarse por K+, Ca2+, B3+, Ba+, Pb+, Al3+, Zn+, Mg+. Todos en forma de óxidos. Estos iones son modificadores de red.
Los vidrios son materiales sólidos que se obtienen por enfriamiento rápido de una masa fundida, impidiendo su cristalización
Los materiales que comúnmente llamamos “vidrio” son vidrios constituidos por óxidos, principalmente silicatos. Pero hay otros elementos formadores de red (además del Si): B, P, Ge
Abundancia de elementos en la corteza terrestre
Orden Elemento % m/m % átomos % volumen
1 O 46,60 62,55 91,97
2 Si 27,72 21,22 0,80
3 Al 8,13 6,47 0,77
4 Fe 5,00 1,92 0,68
5 Ca 3,63 1,94 1,48
6 Na 2,83 2,64 1,60
7 K 2,59 1,42 2,14
8 Mg 2,09 1,84 0,56
9 Ti 0,44 0,20 0,02
10 H 0,14 3,00 <0,01
El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m
Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998
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Fe en la Tierra
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Espesor de las capasCorteza ~ 50 kmManto ~ 2 900 kmNúcleo ~ 3 400 km
Morgan, J. and Ander, E.; Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury; Proc. Nati. Acad. Sci. USA Vol. 77 (12); pp. 6973-6977; Dec. 1980
¿Qué materiales cerámicos reconoce en su vida diaria?
• Cemento
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Clasificación
― Composición― Estructura― Propiedades― Tipo de productos― Aplicación
Composición
• Óxidos– silicatos � sílice
• cristalina: – cuarzo (trigonal), – cristobalita (tetragonal)– tridimita (triclínico)
• amorfa (mal llamado “cuarzo fundido”)– silicatos parcialmente sustituidos � aluminosilicatos �
cerámicas tradicionales– No silicatos puros � Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO, BeO, Cr2O3,
UO2, GeO2, WO3
– No silicatos parcialmente sustituidos � NiFe2O4 (ferritas), CaSO4 (yeso)
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Composición
• Caolinita � típica arcilla
Soluble en agua
BarbotinaEs una suspensión coloidal diluida donde la interacción entre las partículas es despreciable
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Composición
• No óxidos– monoelementos: C, S– binarios
• carburos � SiC, WC, B4C3
• boruros � ZrB4
• nitruros � BN, AlN, Si3N4
• siliciuros � MoSi2• calcogenuros � incluye S• halogenuros � F, Cl, Br o I + otro elemento
– ternarios � los anteriores parcialmente sustituidos por otros elementos o mezclas de óxidos y no óxidos como el refractario SiAlON (Al2O3 + Si3N4)
Estructura
― Cristalinos―Monocristalinos―Policristalinos � los más comunes
― No cristalinos � amorfos � vidrios
Muchos materiales cerámicos pueden considerarse como materiales compuestos ya que están constituidos por fases vítreas y cristalinas, como las porcelanas.
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Estructuras
fase vítrea (ligante)
fase cristalina
porosidad intragranular
porosidad intergranular
fase cristalina
borde de grano
Estructura
http://www.metallographic.com/Procedures/SIALON%20ceramic.htm
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Propiedades
Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos
productos porosos
sin recubrimientos
rojo
cerámicas rojas, ladrillos, bloques, tejas, macetas, refractarios
blancofiltros para agua, cementos, hormigones
Con recubrimientos (esmaltes)
base rojomayólicas, revestimientos
base blancalozas, sanitarios
Propiedades
Porosidad Recubrimiento Color Ejemplos
productos no porosos
sin recubrimientos
rojocerámicas gres, gres químico
blanco
porcelanas técnicas, materiales refractarios
Con recubrimientos (esmaltes)
base rojogres esmaltado
base blancaporcelana fina (vajilla)
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Tipo de productoDenominación Definición general y ejemplos
Cerámica roja productos de arcillas cocidas, generalmente porosos: ladrillos, tejas, bloques, revestimientos
Cerámica blanca caolín-feldespato-cuarzo: lozas, porcelanas, sanitarios, usos técnicos
Refractarios sílico-aluminosos, alta alúmina, básicos, electrofundidos,
Vidrios productos amorfos, generalmente translúcidos: vidrios planos, envases, fibras, esmaltes
Cementos Presentan características aglomerantes y adhesivas al ser mezclados con agua: cemento portland, yeso, cales, cementos aluminosos
Abrasivos Alta dureza, para cortar y pulir: esmeril, carburo de silicio, diamante, carburos metálicos
Cerámicas especiales otros no incluidos en la lista anterior: semiconductores
Aplicación
• Eléctrica y electrónica – aislantes: porcelanas, Al2O3
– ferroeléctricos: BaTiO3 (capacitores)– Piezoeléctricos: BaTiO3 (transductores, osciladores)– Semiconductores (óxidos de metales de transición): termistores,
varistores– Superconductores– Conductores iónicos
• Magnéticas– ferritas (XO)m(Fe2O3)n, donde X puede ser Cd, Co, Cu, Ni, Fe, Mg, Zn
• Ópticas– lentes, prismas (vidrios): oftalmología, instrumental óptico– filtros ópticos– translucidos (Al2O3, vidrios)– láser de estado sólido: vidrios de Nd2O3, Y2O3 + ThO2
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Aplicación
• Química– sensores de gases (ZrO2, SnO2): alarmas, detectores– sensores de humedad (MgCrO4): hornos de microondas– soporte de catalizadores– electrodos (grafito, titanatos): industria química
• Térmica– aislación térmica (refractarios): hornos– transmisión térmica (SiO2, SnO2, TiO2):calefactores
• Mecánica– elementos estructurales (cerámica roja): construcción– cementos, hormigones– Abrasivos (Al2O3, diamante, TiC, WC): corte, pulido, desbaste
Aplicación
• Nuclear– combustibles nucleares: UO2, PuO2
– Protección (vidrios con PbO, grafito, SiC, Al2O3)
• Biológica– prótesis óseas y dentales; recubrimientos Al2O3
– huesos artificiales (biovidrios)
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Ejemplos
Materia prima para una porcelana común %
Caolín Cuarzo Feldespato
SiO2 47,0 98,5 69,6
Al2O3 36,4 0,8 17,5
Fe2O3 0,8 0,4 0,1
CaO 0,2 0,3 0,8
MgO 0,2 --- ---
Na2O 0,2 --- 3,6
K2O --- --- 8,1
TiO2 0,2 --- ---
H2O 15,0 --- ---
Mezcla % 50 25 25
EjemplosMateria prima para vidrios silicato, %
común de ventana
botella verde
fibra de vidrio
(tipo E)
termorresistente
vidrios ITO (táctil
capacitivo)
anti-radiación
gama
SiO2 72-75 67,4 54,5 81,0 70-73 ---
Al2O3 0,8 5,9 14,5 2,5 1-2 ---
Fe2O3 --- 1,5 --- --- 0,08-0,14 ---
CaO + MgO 9-14 10,0 22,0 --- 7-12 ---
B2O3 --- 0,1 8,5 12,0 1-5 ---
Na2O 13-15 11,9 0,5 4,5 --- ---
K2O --- 1,7 --- --- 13-15 ---
Otros --- 0,8 MnO --- --- In2O3 –SnO2
59,2 PbO2
21,2 WO3
16,7 P2O5
1,6 CdO
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Ejemplos
Composición del cemento portland, %
Composición global Fases cristalinas
SiO2 20,0 C3S 54,1
Al2O3 6,2 C2S 16,6
Fe2O3 2,8 C3A 10,8
CaO 63,5 C4AF 9,1
MgO 1,5 otros 9,4
Na2O --- C = CaOA = Al2O3
S = SiO2
F = Fe2O3
K2O ---
TiO2 ---
H2O ---
Ejemplos
Refractarios � >1000 °C, %
Sílice Magnesia –cromo circón
SiO2 95-98 1,6 33,6
Al2O3 0,3-3 4,9 2,7
Fe2O3 0,3-3 8,6 0,3
CaO 0,3-5 1,2 0,2
MgO --- 70,9 ---
Na2O + K2O --- --- ---
Cr2O3 --- 12,8 ---
TiO2 --- 0,2 0,3
Observaciones Refractarios ácidos
Refractario básico HfO2 1,3; ZrO2 61,2
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Procesos de fabricación
Materias primas
Mezcla
Conformado en frío
FusiónConformado en caliente
Sinterizado
Tratamientos posteriores
Terminado
Producto final
Sinterizado
• Conglomerar un material pulverulento sin llegar a la fusión, eventualmente con la ayuda de sustancias “ligantes” (ver cold sintering).
• El material pulverulento puede ser metálico (pulvimetalurgia) o cerámico
Tipo Liga Ejemplos
Sinterizado con fase líquida
QuímicaCementos, yesos, cales (liga hidráulica)Refractarios (liga fosfática)Abrasivos (resina orgánica, ver “cold sintering”)
Metálica Placas de corte (cermets) � 0,5-2% metal (Co, Ni, Fe)
VítreaPorcelanas, productos de loza, cerámicas blancas y rojas, gresRefractarios electrofundidos
Sinterizado en fase sólida
CerámicaAlúmina pura (99,5%)Cerámicas no oxídicas (carburos, nitruros, boruros)Grafito
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Sinterizado
Sinterizado
http://ceramics.org/ceramic-tech-today/processing-1/mechanism-for-electric-field-effects-during-sintering
Sinterizado de ZrO2 estabilizada con Y2O3
1500 °C 1250 °C + campo eléctrico AC 60 Hz
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Procesos de fabricación de ladrillos y tejas
Procesos de fabricación de ladrillos y tejasMaterias primas
CortadoraSecado natural
Extrusora
Mezcla y amasado
MoliendaArcillas rojas
Agua
Horno de cocción 800 – 1000 °C
Deposito
Tratamiento de materias primas
Conformado
Sinterizado
Producto final
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Procesos de fabricación de porcelanas y lozas
Procesos de fabricación de porcelanas y lozas
Materias primas
Prensado TorneadoColado
Mezcla y humectación
Moliendacaolín, cuarzo,
feldespato
Agua
Horno de cocción 900 – 1250 °C
“bizcocho”
Tratamiento de materias primas
Conformado
Sinterizado
Filtro y prensa
Amasado
Secado
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Procesos de fabricación de porcelanas y lozas
Horno de cocción 900 – 1250 °C
“biscocho”Sinterizado
Esmaltado
Segunda cocción1000-1100 °C
Decorado, aplicación y cocción 700-
900 °C
Deposito
Tratamiento posterior
Producto final
Procesos de fabricación de productos de vidrio
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Procesos de fabricación de productos de vidrio
Materias primas
Colado, estirado, flotado
OtrosSopladoPrensado
Molienda
Mineralesarena, caliza, feldespato, bórax
Productos químicosNa2CO3
Horno de fusión1400 – 1550 °C
Tratamiento de materias primas
Conformado
Fusión
Casco de vidrio
(reciclado)
Mezcla
Fibrado
Procesos de fabricación de productos de vidrio
Colado, estirado, flotado(vidrio plano)
OtrosSopladoPrensado
(vidrio hueco)Conformado
Fibrado(fibras)
Deposito
Recocido
corte, pulido, decorado, etc
Tratamiento posterior
Producto final
Templado térmico o químico
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Templado químicoIntercambio iónico de K por NaK introduce tensiones de compresión en la red
Templado térmicoEnfriamiento brusco para introducir tensiones de compresión en la superficie
Procesos de fabricación de productos de vidrio
Propiedades
• Eléctricas• Mecánicas• Térmicas• Ópticas• Biológicas
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Densidad
• Depende de la porosidad de la pieza• Valores de densidad en g/cm3 a 20 °C para porosidad cero
– SiO2 – tridimita 2,26– C – grafito 2,27– SiO2 – cristobalita 2,32– Vidrios Si-Na-Ca 2,40 a 2,50– SiO2 – cuarzo 2,65– Vidrios de plomo 2,80 a 6,20– Si3N4 3,44– C – diamante 3,51– Al2O3 – corindon 3,97– ZrO2 – baddeelyta 5,83– UO2 – rómbico 10,96
Dilatación• Importante en la resistencia de tensiones mecánicas de origen térmico en
materiales con baja conductividad• Los vidrios termorresistentes se definen como aquellos con coeficiente de
dilatación lineal menor a 5.10-6 °C-1
• Coeficiente de dilatación lineal α0-1000 °C 10-6 °C-1
– SiO2 (amorfo) 0,5– Vidrio borosilicato 3,4 a 3,8– ZrSiO4 (circón) 4,2– SiC 4,7– Refractarios Al-Si 5 a 6– Porcelana 6 a 6,5– TiC 7,4– Al2O3 (corindón) 8,8– Vidrios Si-Na-Ca 9 a 9,5– MgO 13,5– SiO2 (cuarzo) 18,9 alfa 20-500 °C (www.matweb.com)– AISI 304 18,3 alfa 0-500 °C (www.matweb.com)– acero al carbono 13 alfa 0-500 °C (www.matweb.com)– aluminio 1100 25 alfa 0-300 °C (www.matweb.com)
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Propiedades eléctricas
Tipo de material Ejemplos Temperatura de uso, K
resistividad, Ω cm
Mecanismo de conducción
Aislador Porcelana eléctricavidrios silicatos
ambiente >108 Mínima conducción superficial por H2O absorbida
Electrolito sólido β-Al2O3β-AgI
300-1000 °C 10-3 a 10-5 Conducción iónica por difusión de iones a través de la red
Semiconductor Fe3O4, B4C3, Ge, Si, C (grafito)
ambiente 10-2 a 103 Conducción electrónica por ocupación parcial de bandas de conducción
Superconductor YxSrxCuO2
LaxBaxCuO2
< 70K < 10-5 Conducción electrónica, mecanismo desconocido
Propiedades mecánicas
• Los materiales cerámicos son frágiles a temperatura ambiente, en el caso de vidrios debe decirse a temperaturas por debajo de su temperatura de transformación (Tg)– T > Tg � viscoplástico– T < Tg � viscoelástico
• La resistencia a la tracción depende fuertemente del estado superficial• La tenacidad depende de las imperfecciones en su interior• Módulos de Young, GPa
Material E Material E Material E Material E
Grafito, 20% porosidad
9 Vidrio de Pb (20% PbO)
69 Refractario 65% Al2O3
104 Alúmina 365
Vidrio borosilicato
68 Vidrio de sílice
72 Zr2O 152 MoSi2 (5% porosidad)
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Porcelana 69 Vidrio común Si-Na-Ca
72 MgO (5% porosidad)
210 SiC (5% porosidad)
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Preguntas
1. Defina material cerámico.2. Defina vidrio. De ejemplos de vidrios no cerámicos.3. ¿Cuál es la materia prima principal de los materiales que
comúnmente llamamos “vidrios”?4. ¿Qué diferencia hay entre el templado térmico y el templado
químico de un vidrio?5. ¿Para qué se utilizan los vidrios de plomo?6. ¿Qué tipo de producto es un vidrio flotado?7. ¿Qué característica principal tiene los vidrios al boro?8. ¿Qué es la barbotina?9. ¿Cuáles son las fases cristalinas más comunes del SiO2?10. ¿En qué consiste el proceso de sinterizado?11. ¿Cómo se clasifican los procesos de sinterizado?12. ¿Qué es el sinterizado en frío?
Preguntas
13. Desde el punto de vista de la composición, ¿qué clase de materiales son las arcillas?
14. ¿Cuál es la estructura de las ferritas? ¿Cuál es su uso?15. ¿Qué es la pulvimetalurgia?16. ¿Qué es un cermet?17. ¿Qué clase de material cerámico es la “vidia”, típica herramienta
en procesos de mecanizo con arranque de viruta?18. ¿Cuáles son los componentes principales del cemento portland?19. Describa genéricamente el proceso de fabricación de un vidrio
templado.20. ¿Qué función cumple el sodio en un vidrio silicato?21. ¿Qué determina que un refractario sea ácido o básico?22. ¿Qué significa que un material sea refractario?
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Preguntas
23. ¿Cuál es la diferencia entre el proceso de fabricación de un plato de vidrio y uno de porcelana?
24. ¿Qué es la temperatura de transformación Tg de los vidrios? ¿De qué depende?
25. ¿Por qué no se utiliza el ensayo de tracción para caracterizar a los materiales cerámicos? ¿Qué ensayo suele utilizarse?
26. ¿Qué tipo de producto cerámico en su proceso de fabricación incluye una etapa de fusión?
Referencias
• Mari, E; Los materiales cerámicos; Editorial Alsina; 1998
• Mari, E; Los vidrios; Editorial Alsina; 1982• www.matweb.com• http://ceramics.org/• http://www.vasa.com.ar