Material Cerámico.
Un material cerámico es un
tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la
propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Así
mismo, su módulo de Yong (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un
ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad).
Todas
estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir
y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.).
Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización.
Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden
ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un elevado
módulo de Yong (fragilidad elevada) y al tener un enlace iónico covalente, es
imposible de realizar.
Existen
materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede
llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada
por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al
comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del
colapso de los poros.
Propiedades de los materiales cerámicos.
Estas propiedades pueden cubrir un amplio
intervalo de necesidades:
- PROPIEDADES
MECÁNICAS:
Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su
enlace iónico/covalente (al aplicarles
una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del
enlace), este echo supone una gran limitación en su número de
aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de
imperfecciones.
Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas
temperaturas se permite el deslizamiento de bordes de grano.
- PROPIEDADES
MAGNÉTICAS:
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.
- PROPIEDADES
ELÉCTRICAS:
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.
- PROPIEDADES
TÉRMICAS:
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.
Combinación de los elementos que constituyen un material cerámico.
Los componentes de los materiales cerámicos son fases
cristalinas y vítreas, y ellos están formados por compuestos inorgánicos
constituidos por elementos metálicos y no metálicos, su enlace puede ser iónico
o covalente, presenta una estructura cristalina.
Las estructuras que presentan los materiales cerámicos
son muy complicadas y variadas; entre ellas se pueden destacar las siguientes:
- Estructura
perovskita (CaTiO3). Ejemplo: BaTiO3, en la cual los iones de bario y
oxigeno forman una celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones
bario en los vértices de la celda unidad, y los iones oxido en el centro
de las caras, el ión titanio se situará en el centro de la celda unidad
coordinado a seis iones oxigeno.
- Estructura
del corindón (Al2O3). Es similar a una estructura hexagonal compacta; sin embargo, a
cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno.
- Estructura
de espinela (MgAl2O4). Donde los iones oxigeno forman un retículo cúbico centrado en
las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u
octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular.
- Estructura
de grafito.
Tiene una estructura hexagonal
compacta.
- Estructura no cristalina. Se obtienen a partir de la sílice pero, en este caso el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización.
Procesos para la elaboración de un material cerámico.
Las etapas básicas para la fabricación
de un material cerámico son las siguientes:
1.-Preparación
de las arcillas:
Las arcillas suelen extraerse en
canteras a cielo abierto y por medios mecánicos. Quiere esto decir que se
encuentran mezcladas con otros elementos y que para su utilización se debe
proceder a su preparación, que puede realizarse por dos procesos:
a)
Vía
húmeda: Una vez triturada la tierra arcillosa, se deslíe en agua para conseguir
separar raíces, piedras, etc. Las materias pesadas se depositan en el fondo y
las más ligeras en la superficie, obteniéndose una masa arcillosa que se
almacena en unos fosos de sedimentación.
b)
Vía
seca: Por medio de unos molinos, se reduce la arcilla en polvo, y se
mezcla posteriormente en unos amasadores.
2.-Amasado
y moldeo de las pastas:
Antiguamente se procedía al amasado
extendiendo la arcilla sobre una era y sometiéndola a un pisado continuo de
caballerías o personas. Actualmente se realiza a través de
amasadoras-mezcladoras de rulos o de cilindros de diferentes clases, a las
cuales se les añade el agua necesaria mientras se amasa, obteniéndose las
pastas.
El moldeo
Es la operación de dar una forma determinada
al elemento elaborado. Hay que tener en cuenta la contracción lineal que experimentan
las pastas en la desecación y cocción (disminución de volumen debido a la
pérdida de agua). El moldeo puede realizarse a mano y a máquina.
a)
A mano: La consistencia de las
pastas debe ser muy blanda, para adaptarse al molde que la contiene. El molde
se llama gradilla.
b)
A maquina: se utilizan 3 sistemas:
-
Con
máquina de hilera o galletera: Es el sistema más utilizado, también
denominado extrusión. El proceso consiste en empujar la masa a través de una
boquilla con la forma de la pieza que se esté fabricando. Este empuje se puede
llevar a cabo mediante tornillos sin fin (el sistema más empleado) o pistones.
La máquina que realiza la extrusión se llama extrusora o galletera.
-
Prensa
de moldeo: Consiste en colocar la masa entre dos moldes y ejercer presión con
una prensa. Este sistema por prensado se emplea en la fabricación de ladrillos
cuando se necesita una apariencia impecable y en la fabricación de tejas.
Para fabricar tejas, se
prepara primero por extrusión una “galleta” o lámina plana a la que
posteriormente se da la forma cónica característica por prensado. La
consistencia requerida de la pasta para este proceso es seca o seca-plástica.
-
Moldeo
por colado: Consiste en verter una pasta muy fina y fluida (barbotina),
en un molde. Va bien para piezas de loza y porcelana.
3.-Desecación
y cocción de los productos moldeados:
Los productos cerámicos, obtenidos por
cualquiera de los métodos de moldeo, deben someterse a una desecación para
eliminar el agua del amasado.
Si se introduce una pieza de arcilla
al horno, se romperá debido a la rápida perdida del agua del amasado, por el
calor. Conviene que el agua del amasado se reduzca antes de la cocción.
Antiguamente se hacía al aire libre, hoy se realiza a través de secadores
construidos alrededor de un horno o en galerías por las que circula el aire
caliente.
Una vez terminada la operación del
secado, los productos cerámicos pasan a la operación de cocción, que les
conferirá propiedades pétreas. Las temperaturas alcanzadas varían en función
del tipo de arcilla y tratamiento recibido (1000 -1500 C ). Existen
diferentes tipos de hornos:
-
Hornos intermitentes: Estos tipos de hornos
son muy variados, compuestos generalmente por dos o tres cámaras superpuestas y
comunicadas por un conjunto de conductos.
-
Hornos continuos: Pertenecen entre otros,
el horno Hoffman y el túnel, basados en la circulación de aire caliente por
diversas galerías.
4.-Esmaltado
Consiste en recubrir las piezas
cerámicas con una capa de material vítreo para mejorar su aspecto, impermeabilidad
y resistencia al desgaste.
Se aplica en azulejos, aparatos
sanitarios y en infinidad de cerámica decorativa.
El esmalte se consolida en alta
temperatura, aunque se aplica frío antes de hornear. Se hace una vez para
ahorrar energía y precio.
Clasificación de los materiales cerámicos.
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 con la arena. Su
fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases,
líquidos y grasas. Los más importantes:
- Arcillas
cocidas: De color rojizo debido al óxido de hierro de las
arcillas que la componen. La temperatura de cocción es de entre
- Loza italiana: Se fabrica
con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo
recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción varía entre
- Loza inglesa: Fabricada
de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido de hierro
y se le añade silex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión
de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. La cocción se
realiza en dos fases:
1) Cocido entre
1.200 y 1.300 °C.
2) Se extrae del
horno y se cubre de esmalte. El resultado es análogo a las porcelanas, pero no
es impermeable.
- 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:
a) Ladrillos refractarios, que deben
soportar altas temperaturas en el interior de hornos.
b) Electrocerámicas: 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.
- Materiales
cerámicos permeables y semipermeables:
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 esta a punto de
finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina. La sal
reacciona con la arcilla 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
- 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
- Materiales
Refractarios: 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
- Materiales
cerámicos aplicados en
En general, los materiales cerámicos
usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos:
- Materiales
cerámicos tradicionales: están
constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y
feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas
utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas
eléctricas de uso en la industria eléctrica.
- Las cerámicas ingenieriles: están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica.
Aplicaciones de los materiales cerámicos.
- Fabricación
de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al calor.
- Losetas
térmicas (trasbordadores
espaciales), por su baja conductividad térmica.
- Fabricación
de materiales de construcción (ladrillos,
cemento, azulejos, baldosas, etc.), por su dureza y baja
conductividad térmica y eléctrica.
- Aislantes
en aparatos electrónicos.
- 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.
- Vidrio.
Los productos de cerámicas técnicas se
utilizan para una amplia variedad de tecnologías:
Aeroespacial: Materiales ligeros de
alta resistencia mecánica y de alta temperatura para
Motores,
aviones, revestimientos de lanzadera espacial,...etc.
Automatismo: Sensores, componentes
de alta temperatura.
Biomédica: Huesos, dientes,
materiales de implante.
Óptica/Fotónica: Fibras ópticas,
amplificadores láser, lentes,..etc.
Electrónica: Condensadores, sustratos
de circuito integrado, aislantes,..etc.
Energía: Celdas de combustible
sólidas, combustible.
No hay comentarios:
Publicar un comentario