Cerámicas y pulvimetalurgia

Algunas cerámicas tradicionales…

Y algunas cerámicas avanzadas Monocristales para sustratos y láseres Ferritas Pastilla de UO2 Piezas de alúmina Monocristales para sustratos y láseres Fibras cerámicas

Piezas fabricadas por pulvimetalurgia engranajes partes de maquinas de coser cojinetes autolubricados piezas de un motor diesel

Comenzamos con el material en polvo Hidruro de Ti Bi1.8Pb0.4Sr2Ca2.2Cu3O10.5 Cu en polvo

Formas posibles para las partículas de polvo

¿Cómo pegamos las partículas de polvo entre si ¿Cómo pegamos las partículas de polvo entre si? Mediante el proceso de Sinterizado por Reacción de estado Sólido

Pasos para sinterizar una pieza: ¿Porqué sinterizan las partículas? Para minimizar la energía superficial ¿Qué factores promueven el sinterizado? tamaño de partícula (mayor área superficial) temperatura (mayor difusión) Pasos para sinterizar una pieza: Consolidamos la pieza verde Disminuimos la porosidad al pegar las partículas de polvo entre sí La pieza se achica (densifica) Se forman granos al unirse las partículas de polvo

Etapas del sinterizado: 1- formación de cuellos 2- cambios en la geometría y encogimiento del compacto 3- poros aislados y eliminación de la porosidad

Evolución del sinterizado de esferitas de Cu (T  1000 ºC)

Alúmina (Al2O3) sinterizada

Parámetros de sinterizado 1- tamaño de partícula de partida 2- velocidad de calentamiento 3- tiempo de sinterizado 4- temperatura de sinterizado 5- atmósfera del horno

Métodos físicos de preparaión de polvos: Molienda gruesa

Molino de mandíbulas

Trituradora cónica

Molino de martillos

Molienda fina

Molienda mecánica Molino de bolas (Ball mill)

Molino de bolas tradicional                                                                                                                         

Molino de atrición (Attritor mill)

Molino planetario ¡a = 95g!

Molino vibratorio: rotura por vibración de alta frecuencia

Molino Jet

Posibles tamaños de partícula que se pueden lograr con los distinto molinos: Molino de mandíbulas hasta 5 mm Trituradora cónica hasta 5 mm Molino de martillo hasta 0.1 mm Molino vibratorio 1 a 50 m Molino jet 0.5 a 50 m Molino de bolas 0.5 a 10 m Molino de atrición 0.1 a 5 m Molino planetario < 0.1 m

Métodos químicos para preparación de polvos

Sol-gel

Spray pirolisis

Preparación de metales en polvo Trituración de metal sólido Precipitación Descomposición térmica Reducción de estado sólido Electrólisis Atomización

Atomización con gas inerte Partículas esféricas Atomización con gas inerte

Partículas irregulares Atomización con agua

Conformado

Mezclado de los polvos precursores con aditivos formadores de poros materiales porosos binder o ligante facilita prensado plastificantes y surfactantes tensión superficial dispersantes y antifloculantes barbotinas lubricantes reducen fricción

Conformado del cuerpo verde

Prensado Uniaxial

Proceso por el que se logra el compactado en frio

Prensado en caliente (Hot pressing)

Prensado isostático (wet bag) P ~ 20 Mpa-1 GPa

Prensado isostático (dry bag)

Hot Isostatic Pressing: hiping T ~ 2000ºC P ~ 30-100 MPa

Extrusión

Extrusora

Extrusión de: (A) Varilla (B) Tubo

Extrusión de polvos Para proteger al material de la oxidación y del lubricante, por ejemplo Al en polvo

Moldeo por inyección (Injection molding)

Slip casting

Laminado de polvos por PIT (Powder In Tube)

Propiedades mecánicas de materiales porosos Clasificamos las propiedades en tres categorías: 1) Independientes de la porosidad: T, parámetro de red, Tf 2) Dependientes de la cantidad de poros: , capacidad calorífica 3) Dependientes de la cantidad, morfología y distribución de poros: propiedades mecánicas, conductividad térmica

Falla que produce la rotura Falla de mayor tamaño Falla que produce la rotura

Propagación de grietas Intergranular NAl Transgranular

Tomemos como ejemplo de material poroso una tiza Tomemos como ejemplo de material poroso una tiza. Al escribir en el pizarrón, 3 de cada 10 tizas se rompen si no la cortamos antes de escribir. O sea, la tiza tiene una probabilidad de falla Pf = 0.3. Si tomamos una muestra con grietas del orden de 1 mm, la resistencia a la fractura en un ensayo de compresión nos da TS = 15 MPa. Esto no representa la tenacidad a la fractura del material en si y por ello hablamos de la probabilidad de que tenga esa tenacidad a la fractura. Weibull desarrollo en 1939 una manera de tratar estos casos. Se define una probabilidad de supervivencia PS(V0) como la fracción de muestras idénticas de volumen V0 que sobreviven a un ensayo mecánico hasta una carga . En el caso de la tiza, PS(V0) = 1-Pf = 0.7.

Distribución acumulativa de Weibull: probabilidad de que la variable sea menor o igual a un determinado valor.

Significado del parámetro m m grande material confiable (cerámicas tenaces con m = 10-40) m chico mucha dispersión (cerámicas frágiles con m = 1-10)