MATERIALES CERAMICOS

GRETHEL BOWIE FORBES

MARTA OCAMPO

YANDRA PINO ROPERO

RAMON GUERRERO

ALBERTO BLANCO BANQUEZ

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBEFACULTAD DE INGENIERIA

CIENCIA DE LOS MATERIALESBARRRANQUILLA, MAYO 2015-1.

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TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción.………………………………………………………….……….2

2. Concepto ……………………………….…………………..………..………..3

3. Propiedades Generales .………………………….………………..…..……4

4. Propiedades Especificas ………………………………………….………..5

4.1. Propiedades Mecánicas …………………………………….…………5

4.2. Propiedades Eléctricas ……………………………………………..…7

4.3. Propiedades Magnéticas ………………………………………….…..8

4.4. Propiedades Térmicas …………………………………………….…..8

5. Tipos ………….…………………….……………………………….…….…...9

6. Clasificación ….……………………………………………………………..11

7. Aplicaciones ……….………………………………………………………..14

BIBLIOGRAFÍA

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1. INTRODUCCIÓN

Los materiales cerámicos han sido usados desde la antigüedad, son los materiales

de uso en construcción más usados y antiguos del mundo debido a la abundancia

de terrenos con estas propiedades a lo largo del planeta.

Elementos como ladrillos, tabiques, adobes fueron usados para las construcciones

más antiguas de la civilización.

Actualmente, los diversos métodos de producción han permitido crear cerámicas

avanzadas o estructurales, materiales de muy diversas características, incluyendo

aquellas con buena conductividad eléctrica o con mejores propiedades mecánicas,

que las usadas en la antigüedad por lo que el uso de estos va más allá que el de

la edificación.

Estos materiales cuentan con gran aplicación en alfarería, construcción, utensilios

de cocina, dispositivos eléctricos, entre otros.

Esta gran versatilidad de aplicaciones se debe a que poseen propiedades muy

características que no pueden ser obtenidas con ningún otro material.

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2. CONCEPTO.

Los materiales cerámicos, son una variada gama de materiales inorgánicos

policristalinos, generalmente obtenidos con materias primas de gran pureza,

partículas submicromicas, grandes presiones de conformado y altas temperaturas

de sinterizacion, que dan lugar a cuerpos casi totalmente densificados es decir con

ausencia de poros, grietas y defectos internos, que les confieren altas

prestaciones técnicas como las altas resistencias mecánicas, térmicas, a la

abrasión y al ataque químico.

Definiendo esto materiales de otra forma más sencilla, podemos decir que son

materiales solidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento

térmico. Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla

junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello

mezclado y cocido en un horno sucesivas veces.

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3. PROPIEDADES GENERALES.

Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no

oxidables.

Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y

como puntas cortantes de herramientas.

Gran resistencia a altas temperaturas, con gran poder de aislamiento

térmico  y, también, eléctrico.

Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los

agentes atmosféricos.

Alta resistencia a casi todos los agentes químicos.

Pueden fabricarse en formas con dimensiones determinadas Los materiales

cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos.

Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca

elasticidad.

4. PROPIEDADES ESPECÍFICAS.

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4.1. PROPIEDADES MECANICAS.

Como un tipo de material, las cerámicas son relativamente frágiles. La resistencia

a la tensión observada en los materiales cerámicos varía mucho, en un intervalo

que abarca desde valores muy bajos de menos de 100 psi (0.69 MPa) hasta

aproximadamente 106 psi (7 × 103 MPa) para triquitas (fibra cerámica refractaria

formada por monocristales) como Al2O3 preparadas bajo cuidadosas condiciones

controladas. Sin embargo, como un tipo de material, algunas cerámicas tienen

resistencias a la tensión superiores a 25 000 psi (172 MPa). También hay grandes

diferencias entre las resistencias a la tensión y a la compresión de los materiales

cerámicos, siendo las resistencias a la compresión generalmente de unas cinco a

10 veces más altas que las resistencias a la tensión. Además, muchos materiales

cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus enlaces

iónicos-covalentes. Sin embargo, hay muchas excepciones a estas

generalizaciones. Por ejemplo, la arcilla plastificada es un material cerámico

blando y fácilmente deformable a causa de sus fuerzas de enlaces secundarios

débiles entre las capas de átomos enlazados fuertemente en forma iónica y

covalente.

Factores que afectan la resistencia de los materiales cerámicos

La falla mecánica de los materiales cerámicos se presenta principalmente por

defectos estructurales. Las principales fuentes de fractura en policristales

cerámicos son las grietas superficiales producidas durante el acabado superficial,

los huecos (porosidad), las inclusiones y los granos grandes que se forman

durante el procesamiento.

Los poros en los materiales cerámicos frágiles son regiones donde se concentra el

esfuerzo y cuando dicho esfuerzo sobre un poro alcanza un valor crítico, se forma

una grieta y se propaga porque en estos materiales no hay grandes procesos de

absorción de energía como los que ocurren en los metales dúctiles durante la

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deformación. Por tanto, una vez que la grieta empieza a propagarse, continúa

creciendo hasta que se presenta la fractura. Los poros son también perjudiciales

para la resistencia de los materiales cerámicos ya que reducen el área transversal

sobre la cual se aplica la carga y, por consiguiente, el esfuerzo que puede soportar

un material es menor. Así pues, la fracción en volumen y tamaño de los poros en

los materiales cerámicos son factores importantes que afectan su resistencia.

Los defectos en las cerámicas procesadas también pueden ser críticos en la

determinación de la resistencia a la fractura de un material cerámico. Un defecto

grande puede ser el principal factor que afecte la resistencia de una cerámica. En

los materiales cerámicos totalmente densos que no tienen grandes porosidades, el

tamaño del defecto generalmente se relaciona con el tamaño del grano. En

cerámicas libres de porosidad, la resistencia de un material cerámico puro es

función de su tamaño de grano, pues las cerámicas cuyo tamaño de grano es más

fino tienen defectos más pequeños en los límites del grano y, por consiguiente,

son más resistentes que las de grano grande.

Así, la resistencia de un material cerámico policristalino está determinada por

múltiples factores, entre los cuales la composición química, la microestructura y la

condición de la superficie son los principales. La temperatura y el medio ambiente

también son importantes así como el tipo de esfuerzo y la forma en que se aplica.

Sin embargo, la falla de la mayoría de los materiales cerámicos a temperatura

ambiente se origina generalmente en el defecto más grande.

Tenacidad de los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos, debido a su combinación de enlace iónico y covalente,

tienen una baja tenacidad inherente. En años pasados se han llevado a cabo

múltiples investigaciones para mejorar la tenacidad de los materiales cerámicos.

Mediante el uso de ciertos procesos, como cerámicas prensadas en caliente con

aditivos y reacciones de enlace, se han producido Cerámicas de ingeniería con

mejor tenacidad.

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Falla por fatiga de cerámicos.

La falla por fatiga en metales se presenta bajo esfuerzos cíclicos repetidos por la

nucleación y la formación de grietas en un área endurecida por deformación

plástica de una muestra. Debido al enlace iónico-covalente de los átomos en un

material cerámico, hay una ausencia de plasticidad en las cerámicas durante el

esfuerzo cíclico. En consecuencia, la fractura por fatiga es rara en las cerámicas.

Materiales abrasivos cerámicos.

La alta dureza de algunos materiales cerámicos los hace útiles como materiales

abrasivos para cortar, pulverizar y pulir otros materiales de menor dureza. La

alúmina fundida (óxido de aluminio) y el carburo de silicio son dos de los abrasivos

cerámicos manufacturados que se usan más a menudo. Productos abrasivos,

como hojas y discos, se producen por medio de enlace para unir partículas

cerámicas individuales. Los materiales de unión incluyen cerámicas tratadas

térmicamente, resinas orgánicas y cauchos. Las partículas de cerámica deben ser

duras con bordes cortantes filosos. Además, el producto abrasivo debe tener cierta

cantidad de porosidad para proporcionar canales por los que fluya el aire o el

líquido a través de la estructura. Los granos del óxido de aluminio son más

resistentes que los del carburo de silicio, pero no tan duros. Por esa razón el

carburo de silicio se usa normalmente para los materiales más duros.

4.2. PROPIEDADES ELECTRICAS.

Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia

dieléctrica y baja constate dieléctrica.

Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de

polarizarse.

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4.3. PROPIEDADES MAGNETICAS.

No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar

cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y

granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferrimagnéticas. En estas cerámicas

los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al

aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta.

4.4. PROPIEDADES TERMICAS.

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas

debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la

banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado

grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de

conducción, por este hecho son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta

resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son

utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.

5. TIPOS DE MATERIALES CERAMICOS.

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Un material cerámico puede ser definido como cualquier material cristalino

inorgánico, compuesto de un metal y un no metal. Es sólido e inerte. Los

materiales cerámicos son frágiles, dura, resistente a la compresión, débil en el

corte y la tensión. Ellos resisten la erosión química que se produce en un ambiente

ácido o cáustico. En muchos casos resistir la erosión a partir del ácido y las bases

que se le aplica. Cerámica en general pueden soportar temperaturas muy altas,

como las temperaturas que van desde 1000 a 1600 C. C Las excepciones incluyen

materiales inorgánicos que no tienen oxígeno, tales como carburo de silicio. De

vidrio, por definición, no es un material cerámico, ya que es un sólido amorfo. Sin

embargo, el vidrio implica varios pasos del proceso de cerámica y sus propiedades

mecánicas se comportan de manera similar a los materiales cerámicos.

Materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales de arcilla, tales como

caolinita, materiales más recientes incluyen óxido de aluminio, más comúnmente

conocido como alúmina. Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican

como cerámica avanzada, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno.

Ambos se valoran por su resistencia a la abrasión, y por lo tanto son útiles en

aplicaciones tales como las placas de desgaste de equipos de trituración en las

operaciones mineras. Cerámica avanzada también se utilizan en la medicina, la

industria eléctrica y electrónica.

Cerámicas cristalinas.

Materiales cerámicos cristalinos no son modificables a una gran gama de

procesamiento. Los métodos para tratar con ellos tienden a caer en una de dos

categorías - supeditar la cerámica en la forma deseada, por reacción in situ, o por

"formar" polvos en la forma deseada, y después de sinterización para formar un

cuerpo sólido. Técnicas de formación de cerámica incluyen la formación con la

mano, el deslizamiento de fundición, moldeo en cinta, moldeo por inyección,

prensado en seco, y otras variaciones. Unos pocos métodos utilizan un híbrido

entre los dos enfoques de butohing y pukiying.

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Cerámicas no cristalinas.

Cerámicas no cristalinas, siendo los vidrios, tienden a ser formado a partir de

masas fundidas. El vidrio se forma cuando sea totalmente fundido, por colada, o

cuando en un estado de viscosidad caramelo-como, por métodos tales como

soplado a un molde. Si más tarde de calor-tratamientos causan este vidrio para

convertirse en parte cristalino, el material resultante se conoce como un vidrio-

cerámica.

6. CLASIFICACION.

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El producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la

temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:

Materiales cerámicos porosos.

No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena.

Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases,

líquidos y grasas. Los más importantes:

Arcilla cocida. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que

la componen. La temperatura de cocción es de entre 700 a 1.000 °C. Si una

vez cocida se recubre con óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se

denomina loza estannífera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones,

cazuelas, etc.

Loza italiana. Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con

arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de

cocción varía entre 1.050 a 1.070 °C.

Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante

lavado el óxido de hierro y se le añade sílex (25-35%), yeso, feldespato

(bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura

de la pasta.

Refractarios.

Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones

grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre

los 1.300 y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente

para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que

pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales

son:

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1. Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el interior de

hornos.

2. Electro cerámicas, Con las que en la actualidad se están llevando a cabo

investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc.,

con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden

obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana

fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del

Challenger en el aterrizaje.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables.

Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica

completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos

impermeables y más duros. Los más destacados:

Gres cerámico común, Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas

a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos.

Gres cerámico fino, Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo

óxidos metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto

de rebajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos

1.300 °C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los

objetos de sal marina. La sal reacciona con laarcilla y forma una fina capa

de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado

característico.

Porcelana, Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín,

a la que se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o

sílex). Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2

a 4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto se

considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a una

temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y otra a más alta temperatura

pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el

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hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas de reactores,

aislantes en transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen dos

tipos:

Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1.000 °C, se sacan se les aplica

esmalte y se vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1.250

°C o más.

Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000º C, a continuación se sacan, se

esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se

decoran se realiza esta operación y luego se vuelven a introducir en el

horno a unos 800 °C.

Materiales refractarios.

Según la norma Europea DIN 51060/ISO/R 836, considera resistente al calor

aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de 1,500°C; y

refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de temperatura de

1,500°C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece a un

temperatura mínima de 1,800;°C.

Y en general un material refractario es aquel que tiene una aplicación a

temperatura por arriba de los 600°C. Los materiales cerámicos son

incandescentes si se le aplican 30W.

7. APLICACIONES.

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Una importante aplicación de los cerámicos avanzados en la aeronáutica

son las losetas cerámicas del transbordador espacial. Las losetas

cerámicas están fabricadas con carburo de silicio por la capacidad de este

material para actuar como escudo térmico y volver rápidamente a

temperaturas normales al retirarse la fuente de calor. Estos materiales

cerámicos protegen térmicamente la estructura interna del transbordador

durante el lanzamiento y su regreso a la atmósfera terrestre.

Imagen 1.  Las losetas térmicas tradicionales.

Otra aplicación de los cerámicos avanzados que apunta a la versatilidad,

importancia y crecimiento futuro de esta clase de materiales es su empleo

como material para herramientas de corte. Por ejemplo, el nitruro de silicio,

que tiene alta resistencia al choque térmico y resistencia a la fractura, es un

excelente material para herramientas de corte.

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Imagen 2. Herramienta de corte Helioctofeed, con nitruro de sicilicio.

Fabricación de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al

calor.

Imagen 3. Cerámica artesanal.

Fabricación de materiales de construcción (ladrillos, cemento, azulejos,

baldosas, etc.), por su dureza y baja conductividad térmica y eléctrica.

Imagen 4. Ladrillo cerámico.

Aislantes en aparatos electrónicos.

Imagen 4. Condensadores cerámicos.

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Materiales refractarios, por su punto de fusión tan elevado.

Sirven para pulir o afilar otros materiales de menor dureza debido a su gran

dureza. Ejemplos: alúmina fundida y carburo de silicio.

Vidrios cerámicos.

Imagen 5. Vidrios cerámicos resistentes al calor.

BIBLIOGRAFIA.

[1] William F. Smith, Javad Hashemi. (2004). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (4th ed.) [Online]. 3(21). McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S. A. DE C.V.

[2] William D Castiller, Jr, Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales I, EDITORAL REVERTE.

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[3] Tecnología ESO, Materiales Cerámicos: propiedades, clasificación y obtención, 07 de febrero de 2013, Disponible en internet en: <http://pelandintecno.blogspot.com/2013/02/materiales-ceramicos-propiedades.html#sthash.Rj9vOlPZ.dpuf>.

[4] Eduardo A. Mari, Los Materiales Cerámicos aplicaciones funcionales, estructurales y artísticas, LIBRERÍA Y EDITORIAL ALSINA.

[5] Francisco Gálvez Díaz-Rubio Ingeniero Aeronáutica, Universidad Politécnica De Madrid, Escuela Técnica Superior De Ingenieros Aeronáuticos, Caracterización Mecánica De Materiales Cerámicos Avanzados A Altas Velocidades De formación, Tesis Doctoral,1999. Disponible en internet en: < http://oa.upm.es/90/1/Tesis-FGalvez.pdf >.