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historia y comprensión de materiales ceramicos
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16/05/2015
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Materiales CerámicosHUGO SÁNCHEZ
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Definición- Inorgánicos.
- Generalmente cristalinos.
- Constituidos por elementos metálicos y no metálicos.
- Enlaces iónicos ó covalentes.
- Obtenidos a partir de polvos y posterior proceso de sinterizacióna elevadas temperaturas.
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Propiedades- Alta dureza.
- Alta resistencia a compresión.
- Baja conductividad térmica y eléctrica (si bien existen cerámicas superconductoras).
- Elevada estabilidad química con la temperatura.
- “Ligeros”.
- Puntos débiles: fragilidad y escasa fiabilidad.
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ClasificaciónPOR SU ORIGEN
- CERÁMICAS NATURALES.
- CERÁMICAS TRANSFORMADAS.
- CERÁMICAS SINTÉTICAS.
POR SU CAMPO DE APLICACIÓN
- VIDRIOS.
- ARCILLA COCIDA.
- ABRASIVOS.
- REFRACTARIOS.
- CEMENTOS.
- CERÁMICAS AVANZADAS.
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Estructura- ESTRUCTURA ATÓMICA:
◦ - CRISTALINA.◦ - AMORFA O VÍTREA.
- LOS POROS COMO PARTE DE LA ESTRUCTURA.
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Clasificación por su Estructura- CERÁMICAS IONICAS.
- CERÁMICAS COVALENTES.
- SÍLICE Y SILICATOS.
- ALEACIONES CERÁMICAS.
- CERÁMICAS CRISTALINAS.- VIDRIOS CERÁMICOS.- CERÁMICAS VÍTREAS.
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Cerámicas IónicasFormadas por un metal + un no metal: unión por atracción electrostática entre + Y -.
HALITA: NaCl.
ALUMINA: Al2O3. (cerámica estructural, usada para
corte, abrasivo, refractario,...)
ZIRCONA: ZrO2. (cerámica ingenieril, usada como
superficie antidesgaste).
MAGNESIA: MgO. (cerámica ingenieril, usada en
hornos como refractario, punto de fusión > 2000 ºC).
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Cerámicas CovalentesFormadas por dos NO METALES: unión por uso compartido de electrones entre átomos vecinos.
SILICE: SiO2
DIAMANTE: C
SILICIO: Si
GRAFITO: C
CARBURO DE SILICIO: SiC.(cerámica estructural
muy dura, equivale a sustituir la en la estructura del
diamante la mitad de los carbonos por silicio).
Si3N4: (cerámica usada como cojinete en motores).
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Sílices y SilicatosAbundantes y baratos.
La unidad básica es la que resulta si sustituimos los C en el diamante por tetraedros de SiO4.
Monómeros.
Dímeros.
Estructuras de cadena.
Estructuras laminares. (arcillas
capas de silicato lubricadas por capas de agua).
Redes tridimensionales. (sílice pura).
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Aleaciones Cerámicas
En las aleaciones de metales se busca aumentar:◦ - límite elástico.◦ - la resistencia a la fatiga◦ - ó la resistencia a la corrosión.
En las aleaciones cerámicas se busca:◦ - Mejorar tenacidad.◦ - Conseguir densificación total.
Las cerámicas al igual que los metales forman aleaciones unas con otras.
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Cerámicas Cristalinas- Forman microestructuras policristalinas.
- En la microestructura veremos: granos, bordes de grano, poros anclados entre granos, microgrietas.
- Los niveles de porosidad pueden llegar al 20 %.
- Los poros y las microgrietasdebilitan el material, sobretodo
éstas últimas.
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Vidrios CerámicosSe caracterizan por su ordenación atómica en cortas distancias.
Método de obtención de una cerámica vítrea. temperatura de transición vítrea.
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- Consecuencias de la estructura abierta de los vidrios:
Modificadores: átomos de diferentes especies que rompen la continuidad de la red de la estructura abierta de los vidrios.
Formadores: átomos de diferentes especies que contribuyen a la formación de la red de la estructura abierta de los vidrios.
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Estructura atómica de a) sílice cristalina, b) sílice vítrea y c) vidrio sódico de sílice.
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Conformado del VidrioSoplado.
Centrifugado.
Moldeo a presión.
el parámetro a controlar es la viscosidad.
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Cerámicas VitreasUna cerámica vítrea es por definición una cerámica parcialmente cristalina, de grano muy fino yque se obtiene por calentamiento de un vidrio cerámico susceptible de experimentar unacristalizacióncontrolada.
No todos los vidrios cerámicos pueden experimentar cristalización parcial por tratamientotérmico.
Las cerámicas vítreas tienen como mínimo el 50 % cristalizado pudiendo llegar al 90 % de suvolumen.
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Las propiedades dependerán de sus fases vítrea y cristalina así como de sus fraccionesen volumen.
Las propiedades mecánicas son superiores a las del vidrio de procedencia.
Se pueden obtener por dos vías:
1º conformar el vidrio de partida por métodos sencillos.2º proceder a la desvitrificación del vidrio conformado.
o
1º Conformado de polvos en estado vítreo.2º Desvitrificación simultanea a la sinterización.
Esta última vía es la que proporciona mejores propiedades mecánicas.
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Clasificación de los materiales cerámicos en base a su aplicación:
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Videos Cerámicos o Cerámicas Vítreas
Obtención por:◦ Soplado.◦ Centrifugado.◦ Moldeo a presión.
Tratamientos de recocido para disminuir su fragilidad.
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Tratamientos de temple sobre el vidrio plano: se somete al vidrio a temperaturassuperiores a las de transición vítrea pero inferiores a la de fusión, al enfriarrápidamente se crean en el material a nivel superficial tensiones de compresión quemejoran sus propiedades.
Vitrocerámicas: se elaboran como un vidrio y posteriormente un tratamiento dedesvitrificación logrando una transformación del vidrio en cristal del 50 %, mejorando:
- Propiedades mecánicas.- Resistencia al choque térmico.- Disminución del coeficiente de dilatación térmica.
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Arcillas Cocidas- Constituidospor aluminosilicatos.
- Poseen en su red agua enlazada químicamente.
- Abundan otros elementos y estructuras.
Fabricación:
- (hidroplásticos) lo que favorece su conformadopor extrusión, prensadoo laminado.
- Se les adiciona arena de sílice por su bajo coste y alta dureza.
- Se les adiciona feldespatopara reducir la temperatura de cocción.
En su fabricación al aumentar la temperatura se promueve la aparición de una fase líquida queal enfriar une los granos.
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Abrasivos RefractariosABRASIVOS: Se destinan al corte o desgaste de materiales. Son SiC, alumina, etc,que se aglomeran en una fase metálica, cerámica, polimérica, ...
(muelas, lijas, discos de corte)
REFRACTARIOS: Se destinan a aplicaciones que requieran altas temperaturas sinfundir, ni reaccionar químicamente con materiales con los que estén en contactoy siendo también aislantes térmicos.
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CementosDefinición según la norma UNE 80301:
“Son conglomerados hidráulicos, esto es materiales artificiales de naturalezainorgánica y minerales que finamente molidos y convenientemente amasadoscon agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones dehidrólisis e hidratación de sus constituyentes dando lugar a productoshidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto al aire como bajo elagua.”
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Cerámica AvanzadaSe caracterizanpor:
- Elevadaresistenciaante solicitacionesde tipo térmico, mecánico y químico.
- Baja densidad.
- Alta resistencia al desgaste.
- En general elevada resistividadeléctrica.
En contraste también hay cerámicos de elevada conductividad térmica, iónica, ferromagnetismo,piezoelectricidad, ... y cerámicas con transparencia óptica.
Su utilización actual, sobretodopor funciones eléctricas y magnéticas.
Sus limitaciones: la fiabilidad, la dificultad de diseño y el coste.
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Estructura
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Cerámicos AX
A: MetalX: No Metal
# Coord: 6
Dos redes FCC interpenetrantes
e.g.NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO
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AX
# CoordL 8
X en los vértices de un cubo y A en el centro, o al revés.
e.g.CsCl, CsI
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Tipo Zn blenda
# Coord: 4
A en los vértices y Centros de cara de cada cubo y X en los sitios tetrahédricos
e.g.ZnS, ZnTe, SiC
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Cerámicos AmXp
# Coord: 6
A en vértices del cubo y X alternadamente en los centros
e.g.UO2, PuO2, ThO2
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Cerámicos AnBmXp
# Coord: 12(A) y B(6)
A en vértices, B en el centro y X en los centros de las caras del cubo
e.g.BaTiO3, PbTiO3
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Cerámicos ABX3
Perovskita sistema cristalino ortorrómbico(pseudocúbico)
# Coord: 12(A) y B(6)
A en vértices, B en el centro y X en los centros de las caras del cubo
e.g.BaTiO3, PbTiO3
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Cerámicos AB2X4
# Coord: 4(A) y B(6)
Los iones X forman red FCC, los iones A se ubican en los sitios tetraédricos y los B en los Octaédricos
e.g.MgAl2O4, FeAl2O4, , ,NiFe2O4
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Tetraedros SiO2
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Tetraedros SiO2
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YBa2Cu3O7
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Yttrium stabilized zirconia
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SiC
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Fe2O3
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Comportamiento Mecánico
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Comportamiento mecánico de los materialescerámicosPropiedades:
◦ Refractariedad.◦ Comportamiento electrónico y magnético.◦ Elevada resistencia a altas temperaturas.◦ Elevados valores de dureza.◦ Excelentes propiedades tribológicas.◦ Químicamente inertes.◦ Tenacidad <-> Fragilidad
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Comportamiento mecánico de los materialescerámicosExtrema sensibilidad a la distribución y concentración de tensiones.
Complejidad para la medida de sus propiedades mecánicas.
La Fragilidad de las cerámicas a temperatura ambiente radica en la naturalezaiónica o fuertemente covalente de sus enlaces y a falta de un número suficientede posibilidades de movimiento de dislocaciones que les confieran plasticidad.
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Medida de la dureza en los materialescerámicosEs una de las medidas más útiles de todas las que se realizan para estudiar el comportamiento mecánico de estos materiales.
Ventajas en la ejecución de la medida:◦ Ejecución muy simple.◦ Probetas pequeñas.
Durezas más usuales en materiales cerámicos:◦ Dureza al rayado (dureza Mohs).◦ Dureza a la penetración (escalas Knoopo Vickers).
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Escalas de Dureza.Material Escala Mohs Knoop (Kg/mm2)
Talco (Mg3Si4O10)(OH)2 1 20
Sal (NaCl) 2 35Calcita (CaCO3) 3 135
Fluorita (CaF2) 4 180
Apatito (Ca5P3O12F) 5 450
Feldespato(KAlSi3O8) 6 600Cuarzo(SiO2) 7 1000
Topacio (SiAl2F2O4) 8 1500
Corindón (Al2O3) 9 2000
Carburo de Ti (TiC) +9 2800Carburo de Boro(B4C) +9 3500
Diamante ( C ) 10 7000-8000UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 55
TracciónEl ensayo convencional directo es difícil de ejecutar y caro, debido a la naturaleza frágil de lascerámicas monolíticas y su alta sensibilidad a la concentraciónde tensiones.
(Las probetas rompenpor las mordazas, es decir por donde son agarradas).
Un desalineamiento de milésimas de centímetro provoca tensiones que originan desviacionessuperiores al 10 %).
En consecuencia se ha optado por métodos alternativos de ensayo, como es el ensayo de flexiónbien sea de 3 o 4 puntos.
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Ensayo de FlexiónLa flexión crea un gradiente de tensiones y solo una pequeña parte de la misma se encuentraexpuesta a elevadas tensiones de tracción.
Estas probetas son muy sensibles en los bordes y a los daños por mecanizado, de ahí que lasdispersiones y desviaciones experimentales se mantengan, no obstante como beneficio se tienela facilidad de montaje y ejecución del ensayo.
Últimamente se están desarrollando la ejecución de tracciones directas con rotulas,reduciéndoselas tensiones en las mordazas al 1 % y reduciéndose la dispersión.
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s r= 1.7xs TS. s c = 15xs TS.
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Procesado de Materiales Cerámicos
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Técnicas de ObtenciónLa totalidad de los materiales cerámicos se obtiene mediante técnicas propiasde la metalurgia de polvos.
Principales fases de fabricación de un material cerámico:◦ - Fabricación de los polvos.◦ - Procesado de los polvos.◦ - Conformado.◦ - Sinterizado.
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HIP Hot Isostatic Pressing, HIP
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Slipcasting
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Esquema ilustrando el proceso de colada hueca o drenante (drain casting).(a).- Llenado del molde con la suspensión(b).- El molde succiona el liquido de la suspensión próxima a su pared consolidándola.(c).- Se retira el exceso de suspensión dejando una pieza hueca(d).- La pieza se retira después de un secado parcial.
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Defectos típicos en el procesado de unmaterial cerámicoFABRICACIÓN DE POLVOS
Distribución inadecuada de tamaños
Tamaño medio de partícula inadecuado
Forma de partícula no uniforme
Partículas no equiáxicas
Heterogeneidad de composición
Impurezas incontroladas
Partículas extrañas
Partículas de excesivo tamaño
Aglomerados duros
COMPACTO EN VERDE
Grietas
Huecos
Insuficiente densidad
Poros
Densidad heterogénea
Distribución heterogénea de aditivos
Segregaciones
Inclusiones orgánicas
Texturas Presencia de ligantes
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Defectos típicos en el procesado de unmaterial cerámicoACONDICIONAMIENTO DE POLVOSDistribución de tamaños de aglomeradosinadecuados.
Aglomeradosduros
Aglomeradoshuecos
Heterogeneidad de densidad en aglomerados.
Aglomeradosporosos
Viscosidad inadecuada
Heterogeneidad en la distribución de aditivos.
Insuficiente fase inerte en suspensión
Inclusionesorgánicas
PIEZAS SINTERIZADAS
Grietas
Poros
Huecos
Granos Huesos
Crecimiento exagerado del grano
Distribución inadecuada del tamaño de grano.
Zonas de diferente tamaño de grano
Segundas fases (Si,C libres, etc.)
Inclusiones Rugosidad superficial
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Cerámica
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Cemento
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Ladrillo
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Carbono Amorfo Vs Diamante
J. Robertson, Adv. Phys. 35 (1986) 317 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 80
Carbono Amorfo Vs Diamante
http://quimicadidaticainterativa.blogspot.com/http://jazminpalaciosg108.blogspot.com/2012/03/alotropos-del-carbono.html
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Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 82
Carbono Amorfo
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Amorphous_Carbon.pngC&T Conocimientos http://cienciatecnologia.conocimientos.com.ve/2009_12_26_archive.html
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Carbono Amorfo
Diamond-like carbon (DLC) es una fase meta estable del carbono presente en estructura amorfa,sus propiedadesse verán significativamente afectadopor la fracción de enlaces Sp3
Si % Sp3>80% ta-C Si % Sp3<80% a-C
Modificado de Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 84
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Diagrama de fase ternario de aleaciones amorfas de carbono-hidrógeno
W. Jacob, W. Moller, Appl. Phys, Lett. 63 (1993) 1771 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 85
Comparativa de Propiedades
Diamond-like amorphous Carbon - J. Robertson UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 86
Diamond-like carbon present status Y.Lifshitz UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 87
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Compuesto de SiC/Si3N4
Interés
Si3N4
CVD, PECVD, LPCVD, Pulverización catódica reactiva y no reactiva
SiC
LAD, CVD, PECVD, Pulverización catódica reactiva y no reactiva
El SiC y Si3N4 son materiales interesantes por propiedades como su estabilidad a altas temperaturas(resistencia al choque térmico), ser químicamente inertes, durezas elevadas, buena resistencia a lacorrosión y al desgaste, así como buenaspropiedades dieléctricas.
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SiC
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SiC/Si3N4
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Propiedades
SiC Si3N4 Si3N4/SiC
Densidad g/cm3 2,7 2,4 2,69
Módulo Elástico Gpa 500 220 80
Coef Dilatación 10-6/°C 3,9 3,3 2,7
Máx Temperatura de trabajo °C 1500 1350 1580
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