Contenido - Ciencia de los Materiales · PDF filefibra de vidrio (tipo E) 59,2 PbO 2 21,2 WO 3 ... Alúmina pura (99,5%) ... compresión en la superficie Procesos de fabricación de

15 – Materiales cerámicos

2016

Contenido

• Definiciones• Clasificación• Fabricación

– Sinterizado

• Aplicaciones• Propiedades

2

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 andEngineering; 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 asíproducidos (es decir objetos cerámicos) (ASTM C 242:1993)

3

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)

4

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

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

El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m

<0,013,000,14H10

0,020,200,44Ti9

0,561,842,09Mg8

2,141,422,59K7

1,602,642,83Na6

1,481,943,63Ca5

0,681,925,00Fe4

0,776,478,13Al3

0,8021,2227,72Si2

91,9762,5546,60O1

% volumen% átomos% m/mElementoOrden

Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998

¿Qué materiales cerámicos reconoce en su vida diaria?

• Cemento

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)

Composición

• Caolinita típica arcilla

Soluble en agua

BarbotinaEs una suspensión coloidal diluida donde la interacción entre las partículas es despreciable

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.

Estructuras

fase vítrea (ligante)

fase cristalina

porosidad intragranular

porosidad intergranular

fase cristalina

borde de grano

Estructura

http://www.metallographic.com/Procedures/SIALON%20ceramic.htm

Propiedades

lozas, sanitariosbase blanca

mayólicas, revestimientosbase rojo

Con recubrimientos (esmaltes)

filtros para agua, cementos, hormigones

blanco

cerámicas rojas, ladrillos, bloques, tejas, macetas, refractarios

rojo

sin recubrimientos

productos porosos

EjemplosColorRecubrimientoPorosidad

Propiedades

porcelana fina (vajilla)base blanca

gres esmaltadobase rojo

Con recubrimientos (esmaltes)

porcelanas técnicas, materiales refractarios

blanco

cerámicas gres, gres químicorojo

sin recubrimientos

productos no porosos

EjemplosColorRecubrimientoPorosidad

Tipo de producto

otros no incluidos en la lista anterior: semiconductoresCerámicas especiales

Alta dureza, para cortar y pulir: esmeril, carburo de silicio, diamante, carburos metálicos

Abrasivos

Presentan características aglomerantes y adhesivas al ser mezclados con agua: cemento portland, yeso, cales, cementos aluminosos

Cementos

productos amorfos, generalmente translúcidos: vidrios planos, envases, fibras, esmaltes

Vidrios

sílico-aluminosos, alta alúmina, básicos, electrofundidos,

Refractarios

caolín-feldespato-cuarzo: lozas, porcelanas, sanitarios, usos técnicos

Cerámica blanca

productos de arcillas cocidas, generalmente porosos: ladrillos, tejas, bloques, revestimientos

Cerámica roja

Definición general y ejemplosDenominación

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

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)

Ejemplos

252550Mezcla %

------15,0H2O

------0,2TiO2

8,1------K2O

3,6---0,2Na2O

------0,2MgO

0,80,30,2CaO

0,10,40,8Fe2O3

17,50,836,4Al2O3

69,698,547,0SiO2

FeldespatoCuarzoCaolín

Materia prima para una porcelana común %

Ejemplos

In2O3 –SnO2

13-15

---

1-5

7-12

0,08-0,14

1-2

70-73

vidrios ITO (táctil

capacitivo)

Otros

K2O

Na2O

B2O3

CaO + MgO

Fe2O3

Al2O3

SiO2

Materia prima para vidrios silicato, %

---

---

13-15

---

9-14

---

0,8

72-75

común de ventana

0,8 MnO

1,7

11,9

0,1

10,0

1,5

5,9

67,4

botella verde

---

---

0,5

8,5

22,0

---

14,5

54,5

fibra de vidrio

(tipo E)

59,2 PbO2

21,2 WO3

16,7 P2O5

1,6 CdO

---

---

---

---

---

---

---

anti-radiación

gama

---

---

4,5

12,0

---

---

2,5

81,0

termorresistente

Ejemplos

---H2O

---TiO2

---K2O

C = CaOA = Al2O3

S = SiO2

F = Fe2O3

---Na2O

9,4otros1,5MgO

9,1C4AF63,5CaO

10,8C3A2,8Fe2O3

16,6C2S6,2Al2O3

54,1C3S20,0SiO2

Fases cristalinasComposición global

Composición del cemento portland, %

Ejemplos

HfO2 1,3; ZrO2 61,2

Refractario básicoRefractarios ácidos

Observaciones

0,30,2---TiO2

---12,8---Cr2O3

---------Na2O + K2O

---70,9---MgO

0,21,20,3-5CaO

0,38,60,3-3Fe2O3

2,74,90,3-3Al2O3

33,61,695-98SiO2

circónMagnesia –cromoSílice

Refractarios >1000 °C, %

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

Alúmina pura (99,5%)Cerámicas no oxídicas (carburos, nitruros, boruros)Grafito

CerámicaSinterizado en fase sólida

Porcelanas, productos de loza, cerámicas blancas y rojas, gres

Refractarios electrofundidosVítrea

Placas de corte (cermets) 0,5-2% metal (Co, Ni, Fe)Metálica

Cementos, yesos, cales (liga hidráulica)Refractarios (liga fosfática)Abrasivos (resina orgánica, ver “cold sintering”)

Química

Sinterizado con fase líquida

EjemplosLigaTipo

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

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

Procesos de fabricación de porcelanas y lozas


Materias primas

Prensado TorneadoColado

Mezcla y humectación

Moliendacaolín, cuarzo,

feldespato

Agua


“bizcocho”


Conformado

Sinterizado

Filtro y prensa

Amasado

Secado



“biscocho”Sinterizado

Esmaltado

Segunda cocción

1000-1100°C

Decorado, aplicación y cocción 700-

900°C

Deposito

Tratamiento posterior

Producto final

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


Conformado

Fusión

Casco de vidrio

(reciclado)

Mezcla

Fibrado


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

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


Propiedades

• Eléctricas• Mecánicas• Térmicas• Ópticas• Biológicas

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)

Propiedades eléctricas

Conducción electrónica, mecanismo desconocido

< 10-5< 70KYxSrxCuO2

LaxBaxCuO2

Superconductor

Conducción electrónica por ocupación parcial de bandas de conducción

10-2 a 103ambienteFe3O4, B4C3, Ge, Si, C (grafito)

Semiconductor

Conducción iónica por difusión de iones a través de la red

10-3 a 10-5300-1000°Cβ-Al2O3

β-AgI

Electrolito sólido

Mínima conducción superficial por H2O absorbida

>108ambientePorcelana eléctricavidrios silicatos

Aislador

Mecanismo de conducción

resistividad, Ω cm

Temperatura de uso, K

EjemplosTipo de material

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

210

152

104

E

MgO (5% porosidad)

Zr2O

Refractario 65% Al2O3

Material

365Alúmina69Vidrio de Pb(20% PbO)

9Grafito, 20% porosidad

468SiC (5% porosidad)

72Vidrio común Si-Na-Ca

69Porcelana

407MoSi2 (5% porosidad)

72Vidrio de sílice

68Vidrio borosilicato

EMaterialEMaterialEMaterial

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?

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?

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

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