Ceramicas avanzadas

Embed Size (px)

Citation preview

Ing. Procesos Cermicos

Mayo de 2007Ingeniera en Materiales Instituto Tecnolgico de Chihuahua

DEFINICIN:Materiales no tradicionales fabricados a partir de materias primas puras mediante nuevos procesos que permiten la obtencin de productos con propiedades definidas tales como: mayor resistencia a los esfuerzos mecnicos, a las altas temperaturas, a la corrosin, entre otras.

Los cermicos avanzados estn diseados para optimizar las propiedades mecnicas. A fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparacin con la cermica tradicional, un control excepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Se utilizan tcnicas especiales para conformar estos materiales en productos tiles. Muchos de los cermicos ms avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su composicin, y se prensan para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sintetiza para que se desarrolle la microestructura y propiedades requeridas.

Conocimiento profundo requerido para el desarrollo de la cermica avanzada

Termodinmica

Equilibrio de fases

Desarrollo de la cermica avanzadas

Cintica Estructuras cristalinas de slidos inorgnicos

Los productos se obtienen a partir de procesos qumicos con reactivos de alta pureza o minerales naturales refinados como materia prima.

DIFERENCIAS DE CERAMICOS TRADICIONALES Vs AVANZADOSEstos difieren de los tradicionales en: * El tipo de materia prima empleada. * Tipo de proceso. * Pureza qumica * Tamao de partcula * Propiedades * Aplicaciones * Mtodos de conformado, sinterizado y acabado

Los materiales cermicos-Juegan un papel importantsimo en nuestra vida diaria -Se les encuentra en diversas formas -Casi todo lo que hacemos nos pone en contacto con ellos

Aislantes elctricos, partes de televisores, relojes, imanes, ingredientes de cosmticos, navajas, computadoras, impresoras, articulos deportivos, componentes electrnicos, etc.

Diversos tipos de materiales cermicos avanzados Mecanizado Laboratorio y coccin

Material de laboratorio y accesorios de coccion industriales, piezas y crisoles de Alumina, circonia,mullita, circon y cordierita

Mecanizado de alta pr esicin de cermica de todo tipo de materiales duros como diaman te,B4C, B N, Zafiro, S iC,Si3 N

Diamante, CBN, BorazonHerramientas e spe cia les de diamante

Fabricacin de com ponentes ce rmicos de Alumina, Alumina Circonia, Mullita, Circon, Titanato de Aluminio, a s como m ater iales compue stos.

Aplicaciones que requieran resistencia al desgaste por abrasin o al ataque qumicoEs un campo en donde las cermicas pueden proporcionar soluciones en condiciones extremas, la resistencia de las cermicas avanzadas es incluso Particularmente eficaz cuando se combinan abrasin y ataque qumico.

Las cermicas avanzadas proporcionan superficies con alto grado de pulido (microrugosidad baja hasta 0.01 Ra) con dureza elevada (menor a 9 escala de Mohs.), se logra as una gran resistencia a la abrasin evitando un exesivo desgaste de otros materiales y componentes

La Historia

Comienza en Francia en 1902 con la llegada de los rubes sintticos

ElectricidadGeneracin y almacenamiento y su relacin con los cermicos. Materiales aislantes.

Avances en la QumicaLos tomos como los bloques constructores de la materia. Relacin microestructura-propiedades y composicin qumica. Sntesis de materias primas artificiales

Elementos Clave

Gemas preciosasHornos de alta temperatura Automovil- buja Procesamiento de polvosabrasivos Almina productos de lab sellos, blindajes

monocristales lseres comunicaciones

Al2O3, ZrO2

CARACTERSTICASUtilizacin sofisticada. Procesos de fabricacin cada vez ms complejos, debido a la marcada relacin estructura-propiedades. Volmenes de fabricacin mucho ms pequeos; pero de materias primas de alta pureza, producidas a su vez por una industria qumica altamente

con alto valor agregado.

CLASIFICACINLos cermicos avanzados se pueden dividir en: 1.Cermicos estructurales o ingenieriles

2.Cermicos electrnicos y elctricos3.Recubrimientos cermicos

4.Cermicos ambientales y de procesamiento qumico.

PROPIEDADES ESPECIALES DE CERAMICAS AVANZADAS Alto grado de dureza. Constante dielctrica a la medida. Alto coeficiente piezoelctrico. Resistencias mecnicas a altas temperaturas. Conduccin rpida de iones. Bajo peso por volumen. Alta permeabilidad magntica. Transparencia ptica. Alto punto de fusin. Resistencia a la corrosin.

PRINCIPALES CERMICOS AVANZADOSALMINA (Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

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 del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

CARBURO DE BORO (B4C): Es muy duro y an as extraordinariamente ligero. Adems de su utilizacin como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasin, como parte en placas blindadas. LA URANIA (UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares.

CARBURO DE SILICIO (SiC): Tiene una resistencia a la oxidacin extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusin del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cermicos a temperaturas extremas.

NITRURO DE SILICIO (Si3N4):Los nuevos cermicos como el Nitruro de Silicio presentan alta resistencia mecnica, resistencia al choque trmico y elevados puntos de fusin. Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales. Industrias: aviacin, elctrica, mdica, petrolfera, martima, qumica, alimentos, aeroespacial, militar.

Turbinas de gas

(2500F, 10000 h)

Herramientas de corte (300 in3/min)

Balines y componentes para baleros

SIALN: Se forma cuando el aluminio y el oxgeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrgeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. El sialn puede encontrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.

BORURO DE TITANIO (TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Adems tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la almina, son aplicaciones en la produccin de blindajes.

NITRURO DE BORO

Entre sus propiedades, caben citarse: Excelente lubricacin y capacidad de desmoldeo, aislamiento elctrico, resistencia a altas temperaturas,excelente mecanizado,baja interaccin con materiales fundidos. Algunas aplicaciones del nitruro de boro son:Piezas de motores,turbinas de gas, herramientas de corte,rodillos, piezas anti-desgaste, etc.

LOS CERAMICOS AVANZADOS

ESTRUCTURALES

Las propiedades mecnicas de los cermicos derivan de la manera en la cual sus tomos estn enlazados

COMPRESION

FLEXION

Los cermicos son buenos en compresin

Pero no en flexin y tensinTENSION

Los cermicos son buenos en compresin, pero no en flexin y tensin

Dureza sorprendente y Estabilidad

La circonia (ZrO2) TTZ y sus derivados tienen tenacidades elevadas y dureza sorprendentes, se le ha llamado el cero cermico. USOSTijeras Navajas Botones Insertos para herramientas de corte Partes de bombas Herramientas para fabricacin de alambre Dados de extrusin Reemplazos de cadera

La circonia TTZ es resistente al desgaste y a la corrosin. Se deforma como los metales pero es menos frgil que los cermicos como el vidrio.

APLICACIONES MECNICAS Herramientas de corte (Al2O3, TiC, TiN, C-BN, WC) Materiales resistentes al desgaste (Al2O3, ZrO2, B4C, diamante) Materiales resistentes al calor (SiC, Al2O3, Si3N4) Sialn C, MoS2, BN, como lubricantes slidos.

FIBRAS CERMICAS Y COMPSITOS

Las fibras son 20 veces ms resistentes que un cermico en bulto. Vidrio, carburo de silicio, carbn, almina, etc.

Un Boeing 757 contiene ms de 3000 libras de un compsito resina-carbn. Mientras que un bombardero B2 contiene ms de 50000 libras.COMPOSITOS: Metal-cermico, polmero cermico, cermico-cermico

Concreto reforzado tuberas tanques de alamacenamiento skies botes fuselajes de avin raquetas partes de automviles aspas de helicpteros cohetes partes del Space Shuttle

LOS CERAMICOS AVANZADOS

FUNCIONALES

Propiedades pticas

Transparencia (refraccin) Color Fosforescencia Electroluminiscencia

De qu dependen ?

De la interaccin de los electrones con la radiacin electromagntica !

Aplicaciones pticas Anteojos protectores Lmparas de vapor de sodio Disparadores para cmaras Switches de transferencia para fibras Impresoras pticas

Aplicaciones pticasPrincipales Cermicos Funcionales (Pb, La) (Zr, Ti)O3, mejor conocido como PLZT Almina Magnesia Ytria

Fibras pticas Dos

Una revolucin en las comunicaciones

fibras pticas, ms delgadas que un cabello, pueden transmitir 625 000 llamadas al mismo tiempo. Estas son de vidrio. Un cuarto de libra de fibra ptica transmiten la misma informacin que dos y media toneladas de cobre. Las fibras pticas son tan fuertes que 1 cable de una pulgada de dimetro puede levantar 216 elefantes de 6 toneladas cada uno (130 000 tons). Desde 1976 se ha instalado una cantidad enormede fibra ptica en el mundo, suficiente para recorrer la distancia de la tierra a la luna 160 veces. Una fibra ptica puede reterner solo el 1% del impulso luminoso inicial por ms de 100 km.

Qu otras aplicaciones se derivan de las propiedades pticas de los cermicos ?Fosforescencia- el material brilla debido a la excitacin por luz u otro tipo de radiacin. Los electrones pasan a otro nivel de energa, pero regresan a su estado basal rapidamente.

Radar, sonar, lmparas

ElectroluminiscenciaProduccin de luz por presencia de un campo elctrico. Estos aparatos contienen una lmpara EL en forma de lminas y pelculas delgadas.

Paneles de automviles, celulares, diodos semiconductores emisores de luz.

LASER (rub)- Light Amplif. by Stimulated Emission. Monocromtico y coherente. Una de las ms importantes invenciones del siglo XX.

Fibras pticas, cortes, tratamientos trmicos, sistemas de gua, dispositivos de medicin, holografa, lectores de cdigos de barras, entretenimiento, lectores de CD, medicina.

Otras aplicaciones (interaccin cermico-radiacin electromagagnetica)Visin nocturna

Mapeo de TemperaturaMedicina

Vidrios fotocrmicos

Astronoma

En el futuro las fibras pticas combinadas con la electro-ptica dominarn las telecomunicaciones. Se utilizarn las fibras pticas y los lseres en muchas aplicaciones de rutina en medicina,especialmente en ciruga. La fotnica reemplazar a la electrnica.

Se comercializarn las computadoras cunticas.

Aplicaciones Elctricas y Electrnicas Materiales aislantes de la electricidad Materiales piezoelctricos Materiales pirroelctricos Materiales ferroelctricos o dielctricos Semiconductores Conductores inicos

Aplicaciones Elctricas y ElectrnicasPrincipales Cermicos Funcionales Almina (Al2O3) Carburo de Silicio (SiC) Titanato de Bario (BaTiO3) Sistemas de tatanato de plomo-zirconato de bario (PbTiO3-PbzrO3) xido de Zinc Almina beta Zirconia (ZrO2)

Los cermicos responden a la electricidad de diferentes maneras

Aislantes Elctricos Capacitores Resistores Semiconductores Conductores elctricos Superconductores Piezoelctricos Chips de silicio

Previenen el paso de la electricidad por un alambre. Almacenan electricidad y filtran seales elctricas. Permiten el paso de la electricidad con dificultad. Funcionan como puerta controlando el flujo de electricidad. Permiten el paso de electricidad. Permiten el paso de electricidad sin resistencia. Convierten la presin en electricidad. Son el cerebro de un microprocesador para circuito integrado de computadora y otros dispositivos electrnicos. Termistores Exhiben cambios en resistencia elctrica con el cambio en la temperatura. Varistores Exhiben cambios en resistencia elctrica con cambios de voltaje.

capacitores

aislantes

Al2O3, diamante BaTiO3, dielctricos superconductores

YBa2Cu3O7-x (Bi,PB)2Sr2Ca2Cu3Ox

CERMICOS PIEZOELECTRICOSPiezo(presin) electricidad- al aplicar presin an hablando o respirando el material produce un pulso elctrico y viceversa.

Detectar vibraciones como ondas sonoras. Aplicarles una corriente alterna (toma), para producir vibraciones. Aplicar una corriente directa (batera) obtiendo movimiento o cambio de forma Al aplicar un impulso elctrico se puede producir sonido o crear movimiento para medir el tiempo. Producir chispas elctricas por una presin controlada para quemar combustible. Remover vibraciones

Resonadores dielctricos

Materiales dielctricos

PRODUCTOS Y USOSFiltro cermico/discriminador

Filtros dielctricos de microondas

Micrfonos Altavoces Sonares Mapeo del piso del oceano Limpiadores ultrasnicos Motores y transformadores Sensores Balanceadores para llantas Relojes de cuarzo Alarmas Instrumentos musicales Tarjetas musicales Encendedores Equipos mdicos de imgenes

Transductores

Ceramic Filter

Los Cermicos y la Era Electrnica

Los cermicos revolucionaron la electrnica y nuestra vida diaria. El principal mercado para los cermicos est en la electrnica y se estima en ms de 15 trillones de dlares por ao.

Un circuito integrado contiene 16 millones de transistores, adems de aislantes, resistores, conductores y otros dispositivos electrnicos.

Los cermicos y los Circutos Integrados

Cmo se fabrican ? Cada dispositivo mide alrededor de 500 nm Se fabrican por capas sobre la superficie de un monocristal de slice Un chip puede contener hasta 20 capas Un edificio de 20 pisos con miles de cuartos Cada cuarto con intalaciones y equipos elctricos Todos conectados a la red de electricidad del edificio Otros circuito son las tuberas y los corredores y puertas Si se comprime este edificio al espesor de una ua sin dejar espacio alguno, se tendr un chip

Aplicaciones Magnticas Imanes de ferrita para ncleos magnticos de memoria

Aplicaciones MagnticasPrincipales Cermicos Funcionales Suaves Espinelas (NiFe2O4) Granates (Y3Fe5O12)

Duras Plumbita magntica (BaFe12O12)

CERMICOS MAGNTICOS

La historia moderna comenz en 1946 con el descubrimiento de las ferritas de bario por Phillips. Existen dos clases de cermicos magnticos duros y blandos. Sus aplicaciones son mltiples y su mercado es mayor que el de los cermicos electrnicos. Televisin, radio Telfonos, comunicaciones Sistemas de encedido electrnico Transformadores Disco de alta velocidad Cabezas de registro magntico Discos flexibles Motores elctricos Accesorios de potencia para autos Bocinas Aceleradores de partculas Sensores Actuadores

Aplicaciones Qumicas Sensores cermicos (sensores para gases y humedad) Catalizadores (como la zeolita)

Aplicaciones QumicasPrincipales Cermicos Funcionales SnO2 ZnO MgCr2O4 TiO3

MATS. CERMICOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

Produccin de energa, celdas de combustible de xido slido Compuestos de intercalacin, baterias recargables de ion-litio Sensores cermicos de gas, para monitorear O2, CO, NOx y emisiones de hidrocarburos. Perovskitas para membranas de gas Zeolitas y arcilla usadas en la refinacin del petrleo Soportes catalizadores de almina y xido de cerio empleados en automviles

APLICACIONES TRMICAS Refractarios estructurales (Al2O3) Radiador infrarrojo (cermica de ZrO2, TiO2) Substratos (BeO) Refractarios varios (SiC, Si3N4, -BN, C) Aislantes trmicos (C,SiC)

APLICACIONES NUCLEARES Combustibles nucleares (UO2, UO2PuO2, UC) Recubrimientos (C, SiC, B4C) Materiales para coraza (SiC, Al2O3, C, B4C) Moderador (BeO)

LOS CERMICOS Y LA MEDICINAReemplazo y reparacin Diagnstico Tratamiento/terapia

PRODUCTOS Y USOS Reparacin de dientes y quijadas Implantes Reparacin de hueso Implantes de odo medio Vlvulas del corazn Ojos artificiales Prtesis

MATERIALES Biovidrio Hidrohiapatita Circonia Almina Titania Biocementos

Elementos Clave y MaterialesPara que el implante sea exitoso se requiere que ste realice la misma funcin de la parte daada y tambin que sea biocompatible. Algunos cermicos y el vidrio son los ms biocompatibles, stos se conocen como biocermicos.

Entre los biocermicos ms utilizados se encuentra el biovidrio, la hidroxiapatita, almina y circonia.La porcelana dental es muy utilizada en implantes dentales. Otros cermicos son el coral (Pro Osteon) y compsitos reforzados con fibras.

Aplicaciones Biolgicas Aplicaciones ortopdicas para la reparacin o sustitucin de huesos y articulaciones Aplicaciones dentales para la reparacin o sustitucin de dientes

Frenos (Brackets) metlicos

Frenos (Brackets) cermicos

Reemplazo de cadera

Reemplazos del odo interno por biovidrio

LOS CERMICOS Y LA ENERGIA

Fibras de Vidrio- Aislantes trmicos Vidrios doble panel- Permite el paso de la luz pero no del calor. Lmparas de sodio alta presin. Autopistas, durables y mas luminosas. Tubo de arco de almina (sodio+mercurio). Temp. 2000C Almina = resist. temp. y corrosin, alta presin, transparente.

Intercambiadores de calor (SiC) Energa solar (SiO2) Plantas nucelares (oxido de uranio y plutonio)

CELDAS DE COMBUSTIBLEPlantas productoras de energa tienen baja eficiencia Electrones estn disponibles directamente por medio de una reaccin qumica. Son ms eficientes que las plantas que utilizan combustibles fsiles. (60% comparadas a 35%). Si se utiliza el calor generado-hasta 80% eficiencia.

Son mucho menos contaminantes.El electrolito es circonia dopada. El O2viaja por el electrolito. Se utiliza en un circuito y calor para generar iones oxgeno.

APLICACIONES DE ALTA TECNOLOGIAComponentes de Sist. Elect. Controles industriales Telecomunicaciones Industria militar y aeroespacial Equipos mdicos Bipers Celulares Computadoras Telescopio Espacial Hubble Fuentes de potencia Magnetoresistencia Colosal Efecto Hall Regitro magnetoptico Semiconductores Magnticos

Cermicos de Alta Tecnologa

Componentes de automotor (Kyocera)

El ideal de fabricar un motor hecho exclusivamente con componentes cermicos an no es una realidad, pero algunos motores contienen componentes cermicos como los rotores turbo, lmparas y termostatos de cermica resistente. Son ms resistentes al calor, permitiendo que el combustible se encienda a ms altas temperaturas. Esto conduce al incremento de la eficiencia en la combustin, rebajando el consumo, as como disminuyendo las emisiones contaminantes y ruidos.

Altavoces (Shinsei) Los altavoces hechos con cermicas piezoelctricas vibran cuando las pulsiones elctricas son remitidas a ellos. Se pueden hacer pequeos, delgados y ligeros, pero sern suficientemente potentes. Cuando estos dispositivos se implantan en paneles cuya superficie puede vibrar, como por ejemplo, cristal, o pared, se convierte en un altavoz. Estos han sido fotografiados al lado de lapiceros para que se vea los pequeos que pueden llegar a ser.

Desodorante textil antibacteriano (ShinShu Ceramics) Este material textil ha sido tejido con material cermico que posee un efecto foto catalizador. Este nuevo tipo de textil, llamado mairaifu, es integrado en toallas, calcetines o camisetas, debido a su poder antibacteriano y desodorante.

Dispositivo de diagnstico por ultrasonidos (Aloka) Este dispositivo, con propsitos de diagnstico, puede describir formas en el interior del cuerpo sin causar daos ni dolor. El dispositivo transmite ultrasonidos y recepciona ondas. La parte ms importante de este dispositivo es la prueba (foto en crculo) hecha con cientos de diminutas piezas piezoelctricas de cermica. La seal elctrica de las ondas reflejadas, capturadas por el dispositivo probador puede mostrar en detalle un feto chupndose un dedo.

Componentes de una turbina de gas (Nissan Motor) Los investigadores han hecho bastante camino en el desarrollo de los componentes cermicos para turbinas de gas utilizadas en la generacin de electricidad, o al menos en cuanto a los componentes expuestos a la combustin de gases a altas temperaturas. Si estos componentes aguantan tan altas temperaturas ser ventajoso usarlos las turbinas de gas normales son sometidas a temperaturas de unos 900 C, con una eficiencia energtica de slo el 20%, pero puede ser elevado al 40% aumentando la temperatura a 1.350 C. Los componentes cermicos son presentados en los cuadrados rojos.

Tasa de T (Kyocera) Esta tasa de t, gyokuji, est hecha con corindn cristalizado en polvo, sinterizado a ultra altas temperaturas en una bomba neumtica, limado con diamante en polvo y, posteriormente, decorado utilizando tcnicas de la cermica Satsuma. El aspecto es tradicional, aunque el mtodo es de cermica avanzada. Bello e irrompible.

Huevo desodorante antibacteriano (IT) Este huevo foto cataltico est hecho con un material cermico que tiene efectos foto catalticos y otro material cermico poroso. Los huevos se cuecen en horno, utilizando tcnicas tradicionales de la cermica Seto. Debido a su efecto antibacteriano y desodorante son muy tiles en el bao y la nevera.

Hueso artificial (Toshiba Ceramics) El componente principal del hueso natural es la hidroxiapatita, material que puede fabricarse artificialmente y ser procesado en un sustituto poroso de hueso llamado Neo hueso. El cuerpo humano acepta fcilmente la prtesis y con el tiempo se forma tejido alrededor de ello.

Azulejo Interior/Exterior (TOTO) Azulejos con material cermico, xido de titanio, pintados. Cuando la luz se refleja en los azulejos produce un efecto foto cataltico que esteriliza y desodoriza. Las manchas se quitan fcilmente, ya que el material favorece la solubilidad en agua. En la actualidad estos azulejos se utilizan para suelos y paredes de salas quirrgicas y como ladrillo vista en las fachadas de los edificios.

Objetos de oficina (Kyocera) La cermica es ms ligera que el metal, por lo que las tijeras de cermica son ms agradables de usar. Adems, se mantienen ms tiempo afiladas. Tambin las puntas de los bolgrafos en cermica duran ms y producen lneas ms finas, con una escritura ms suave.

Utensilios de cocina (Kyocera) Los cuchillos de cocina en cermica son muy populares por su capacidad anticorrosiva, afilados durante ms tiempo y no transmiten a los alimentos olor metlico. Tambin se fabrican cortadoras, peladoras y ralladores de cermica.