MATERIALES CERAMICOS.

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1 MATERIALES CERAMICOS

2 Los materiales industriales pueden clasificarse en tres grupos principales, como puede verse en el cuadro 1.1, que son los siguientes: materiales inorgánicos, orgánicos y compuestos. A su vez cada grupo principal puede subdividirse en otros grupos, por ejemplo, el grupo de los materiales inorgánicos se divide en materiales metálicos y materiales no metálicos o cerámicos, los cuales a su vez pueden subdividirse en otros grupos . NOSOTROS VAMOS A PONER NUESTRA ATENCIÓN EN LOS MATERIALES CERÁMICOS, LOS CUALES CUBREN UN AMPLIO RANGO DE MATERIALES Y QUE SE PUEDEN CLASIFICAR EN TRADICIONALES Y AVANZADOS (O TECNICOS, O FINOS, O MODERNOS, O ESPECIALES, O NUEVOS, O INGENIERILES, ETC.). SE TRATARA DE DAR UNA VISIÓN DE LOS PRINCIPIOS CIENTÍFICOS Y DE LA TECNOLOGÍA QUE TIENEN RELACIÓN CON EL PROCESADO DE MATERIALES CERÁMICOS A PARTIR DE MATERIAS PRIMAS PULVERULENTAS CON EL FIN DE OBTENER UN PRODUCTO FINAL QUE CUMPLA DETERMINADAS PROPIEDADES.

3 Cuadro 1.1 MATERIALES INDUSTRIALES

4 TAMAÑO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD, COMPOSICION, ESTRUCTURA Y COSTE.
La tecnología del procesado cerámico se usa para producir productos comerciales que son muy diversos en cuanto a: TAMAÑO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD, COMPOSICION, ESTRUCTURA Y COSTE. LAS FUNCIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS SON MUY DEPENDIENTES DE SU COMPOSICIÓN QUÍMICA, ESTRUCTURA ATÓMICA (ENLACE Y ESTRUCTURA CRISTALINA) Y MICROESTRUCTURA (NATURALEZA, CANTIDAD Y DISTRIBUCION DE LAS FASES PRESENTES EN LA CERAMICA: CRISTALINA, VITREA Y POROSIDAD), LAS CUALES DETERMINAN SUS PROPIEDADES. PROPIEDADES INTRINSECAS→DETERMINADAS POR AL ESTRUCTURA A ESCALA ATOMICA No son susceptibles de un cambio significativo por modificación de la microestructura Punto de fusión, Módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, si el material es frágil, magnético, ferroelectrico o semiconductor, etc. PROPIEDADES QUE DEPENDEN SIGNIFICATIVAMENTE DE LA MICROESTRUCTURA (Propiedades críticas para aplicaciones ingenieriles) Resistencia mecánica, constante dieléctrica, conductividad eléctrica, etc.)

5 -SILICATOS: CAOLINITA Al2Si2O5(OH)4, MULLITA Al6Si2O13
LAS COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS VARIAN AMPLIAMENTE Y ASÍ SE TIENEN CERAMICAS OXÍDICAS Y NO OXIDICAS. QUIMICAMENTE, CON EXCEPCION DEL CARBONO, LOS MATERIALES CERAMICOS SON COMPUESTOS INORGANICOS NO METALICOS -SILICATOS: CAOLINITA Al2Si2O5(OH)4, MULLITA Al6Si2O13 -OXIDOS SIMPLES: ALUMINA Al2O3, CIRCONIA ZrO2 -OXIDOS COMPUESTOS (A PARTE DE LOS SILICATOS): TITANATO DE BARIO, BaTiO3 SUPERCONDUCTOR, YBa2Cu3O6+ (0 ≤  ≤ 1) CARBUROS: SiC, B4C NITRUROS: Si3N4, BN -BORUROS: DIBORURO DE TITANIO, TiB2 -SILICIUROS: DISILICIURO DE MOLIBDENO, MoSi2

6 HOY EN DÍA LA COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS GRANOS, FASES PRESENTES EN LOS LÍMITES DE GRANOS Y DISTRIBUCIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS POROS SE CONTROLA DE FORMA CUIDADOSA CON EL FIN DE LOGRAR UNA MAYOR FIABILIDAD Y RENDIMIENTO DE LOS PRODUCTOS EN EL DESARROLLO Y PRODUCCIÓN DE LAS CERÁMICAS AVANZADAS SE REQUIERE UN EXTRAORDINARIO CONTROL DE LOS MATERIALES DE PARTIDA Y DE LAS OPERACIONES DE PROCESADO CON EL FIN DE MINIMIZAR LOS DEFECTOS MICROESTRUCTURALES.

7 Pequeños cristales o granos
Limites de granos Comparación entre las microestructuras de una alúmina densa convencional con una densidad igual al 98 % de la teórica y una alúmina transparente opticamente con una densidad igual al 99.9 % de la teórica.

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11 DEFINICION CERAMICOS. SEGÚN LA BRITISH CERAMIC SOCIETY (1979) UNA CERÁMICA ES UN MATERIAL SINTÉTICO, SÓLIDO, QUE NO ES NI METÁLIGO NI ORGÁNICO, Y EN CUYA ELABORACIÓN ES NECESARIO UTILIZAR TRATAMIENTOS TÉRMICOS A ALTAS TEMPERATURAS. AUTORES RUSOS, LOS DEFINEN COMO MATERIALES POLICRISTALINOS CONSOLIDADOS BASADOS EN LOS COMPUESTOS DE LOS GRUPOS III-VI DE LOS METALOIDES UNO CON OTRO Y/O CON METALES, EN CUYA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN SE INCLUYEM FENÓMENOS DE TRANSPORTE DE MASA DE LOS CUALES RESULTA LA UNIÓN. INCLUYEN ÓXIDOS, NITRUROS Y CARBUROS DE Si, Al, Ti Y Zr. KINGERY DEFINE LA CERÁMICA COMO EL ARTE Y LA CIENCIA DE FABRICAR Y USAR MATERIALES SÓLIDOS, QUE ESTAN COMPUESTOS EN SU MAYOR PARTE (COMPONENTE ESENCIAL) POR MATERIALES NO METÁLICOS. LA DEFINICIÓN MÁS AMPLIAMENTE ACEPTADA ES QUE SON AQUELLOS PRODUCTOS (PIEZAS, COMPONENTES, DISPOSITIVOS, ETC.) CONSTITUIDOS POR COMPUESTOS INORGÁNICOS, NO METÁLICOS, CUYA CARACTERISTICA FUNDAMENTAL ES QUE SON CONSOLIDADOS MEDIANTE TRATAMIENTOS TÉRMICOS A ALTAS TEMPERATURAS.

12 DEFINICION CERAMICOS AVANZADOS

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17 LADRILLOS Y TEJAS. TIPO DE PASTA: SENCILLO, CONSTITUIDO POR UNA O VARIAS ARCILLAS CALCÁREO-FERRUGINOSAS. CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO: MÁS O MENOS POROSO, CON COLOR VARIABLE, DESDE EL AMARILLO HASTA EL ROJO INTENSO. TIPOS DE PRODUCTO: LADRILLO MACIZO O HUECO, TEJAS, BOVEDILLAS, CELOSÍAS, ETC.

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25 PROPIEDADES EN CONTRASTE CON AQUELLAS PROPIEDADES QUE DEPENDEN DE LOS ENLACES INTERATÓMICOS Y, POR TANTO, SON INTRINSECAS AL MATERIAL, TALES COMO POR EJEMPLO EL PUNTO DE FUSIÓN, LA DUREZA Y LA EXPANSIÓN TÉRMICA, TENEMOS QUE LA RESISTENCIA MECÁNICA, ASÍ COMO LAS PROPIEDADES ELÉCTRICAS O MAGNÉTICAS, VARÍAN NOTABLEMENTE CON SU MICROESTRUCTURA (TEXTURA) ENTENDIENDO POR TAL LA NATURALEZA FISICO - ­QUIMICA, TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FASES QUE CONSTITUYEN EL MATERIAL. LA TEXTURA REPRESENTA, PUES, UNA CARACTERÍSTICA IMPORTANTE EN LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS, QUE UNE EL PROCESO DE FABRICACIÓN Y LAS PROPIEDADES. LAS MATERIAS PRIMAS, EL MODO EN QUE ELLAS SON CONFORMADAS Y PROCESO SEGUIDO EN SU TRATAMIENTO TERMICO, AFECTAN A LA TEXTURA DEL MATERIAL FINAL Y, POR TANTO, A SUS PROPIEDADES. ADEMÁS EN LAS PROPIEDADES TAMBIÉN INFLUYEN FACTORES EXTERNOS, TALES COMO LA TEMPERATURA, EL AMBIENTE DE TRABAJO, ETC.

26 Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas.

27 Si se tienen en cuenta los argumentos clásicos, expuestos ya por Griffith en 1920, todo material fallará por fractura frágil según la expresión:

28 Tabla 1.1.- Valores de diversas propiedades para materiales cerámicos usuales.

29 Propiedades que interesan son las termomecánicas (HORNOS, etc
Propiedades que interesan son las termomecánicas (HORNOS, etc.) que incluyen: refractariedad importante (Tuso > 1000 ºC), buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, resistencia a la abrasión, resistencia al choque térmico y gran estabilidad química (resistencia al ataque químico). En la figura puede verse la resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en función de la temperatura. Puede observarse que los materiales cerámicos y los materiales compuestos de matriz cerámica (CMCs) son los únicos que se pueden utilizar a temperaturas superiores a los 1400 °C.

30 Resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en función de la temperatura.

31 LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZADOS PUEDEN DEFINIRSE POR LAS TRES CARACTERISTICAS SIGUIENTES:
1.- PARA SU FABRICACIÓN SE USAN MATERIA PRIMAS DE ALTA PUREZA (99.99 %), CON COMPOSICIÓN QUÍMICA Y PROPIEDADES MORFOLOGICAS CONTROLADAS. GRANULOMETRÍA SUBMICRÓNICA (MENOR DE LA MICRA) .2.-EL PROCESADO ESTA SUJETO A UN CONTROL PRECISO, TANTO EN EL CONFORMADO COMO EN LA COCCIÓN (SINTERIZACIÓN). 3.-LOS PRODUCTOS TIENEN UNA MICROESTRUCTURA BIEN CONTROLADA, QUE ASEGURA SU ALTA FIABILIDAD O RESPUESTA A LA UTILIZACIÓN PARA LA CUAL HA SIDO DISEÑADA.

32 CLASIFICACION DE LOS LOS MATERIALES CERÁMICOS
LOS MATERIALES CERÁMICOS POR SUS APLICACIONES SE PUEDEN DIVIDIR EN DOS GRANDES GRUPOS : 1.- CERÁMICAS TÉCNICAS O ESTRUCTURALES (PARA APLICACIONES ESTRUCTURALES. SON REQUERIDOS, FUNDAMENTALMENTE, POR SUS PROPIEDADES MECANICAS) 2.- CERÁMICAS ELÉCTRICAS O ELECTROCERÁMICAS. EN FUNCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN: I.- CERÁMICAS OXÍDICAS (BLANCAS). II.- CERÁMICAS NO OXÍDICAS (NEGRAS)

33 Principales materias primas para la fabricación de cerámicas avanzadas.
Si6-zAlzN8-zOz (0<z<4) DISILICIURO DE MOLIBDENO MoSi2

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36 Productos obtenidos por procesamiento cerámico de polvos.

37 Árbol genealógico de la familia cerámica

38 Funciones, propiedades y aplicaciones de las ceramicas avanzadas

39 Clasificación de los materiales cerámicos tomando como criterio su función.

40 APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION

41 APLICACIONES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS AVANZAZADOS CLASIFICADAS POR FUNCION

42 LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS PUEDEN COMPRENDERSE MEJOR, POR COMPARACIÓN CON LOS METALES. ASÍ POR EJEMPLO, EN LA TABLA 1.5 LA ALÚMINA SE RELACIONA CON EL ALUMINIO. ESTE TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIÓN BAJA, UNA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ELEVADA Y ES BLANDO, MIENTRAS QUE LA ALÚMINA TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSIÓN MUY ALTA, UNA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA BAJA Y ES DURA. EN GENERAL, LOS MATERIALES CERÁMICOS TIENEN MEJORES CARACTERÍSTICAS EN DUREZA, RESISTENCIA A ALTA TEMPERATURA Y RESISTENCIA A LA CORROSIÓN, PERO TIENEN DESVENTAJAS COMO POR EJEMPLO, QUE SON FRÁGILES Y QUE AUN PRESENTA DIFICULTADES EL FABRICARLOS CON ALTA REPRODUCTIBILIDAD. SIN EMBARGO, ESTAS DESVENTAJAS PUEDEN SER SUPERADAS, EN ALGUNA MEDIDA, MEDIANTE UNA ADECUADA ELECCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Y MODIFICANDO CONVENIENTEMENTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN.

43 Propiedades de las cerámicas técnicas que sustentan su uso en motores.

44 Aplicaciones de las cerámicas estructurales en el campo de los motores.

45 1.- RAZONES PURAMENTE ESTRATÉGICAS.
TRES RAZONES FUNDAMENTALES PUEDEN SER ESGRIMIDAS PARA JUSTIFICAR LA CRECIENTE IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS. 1.- RAZONES PURAMENTE ESTRATÉGICAS. Dependencia del mundo occidental en metales considerados estratégicos.

46 CASO DEL CROMO. ES EL ADITIVO MÁS AMPLIAMENTE UTILIZADO PARA ENDURECER, INCREMENTAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE Y A LA CORROSIÓN DE UNA GRAN VARIEDAD DE ALEACIONES METÁLICAS. TAMBIÉN ES UTILIZADO COMO ADITIVO QUE INCREMENTA LA RESISTENCIA MECÁNICA A LA DEFORMACIÓN Y A LA OXIDACIÓN DE MUCHAS ALEACIONES METÁLICAS A ALTAS TEMPERATURAS. SE USA EN LOS ACEROS INOXIDABLES, EN LAS ALEACIONES PARA HERRAMIENTAS Y EN LAS SUPERALEACIONES. SIN EMBARGO LA PRÁCTICA TOTALIDAD DE LOS DEPÓSITOS MUNDIALES DE ESTE MINERAL SE ENCUENTRAN CONCENTRADOS EN SÓLO SIETE PAÍSES: CUBA, FILIPINAS, TRANSVAAL, TURQUÍA, USSR, RODESIA E INDIA.

47 2.- ECONOMICA. El consumo energético para producir un material cerámico es, en general, aproximadamente el 50 % del consumo requerido para producir un metal o un componente metálico. Por otro lado, la mayoría de los materiales cerámicos están constituidos por elementos ampliamente existentes en la corteza terrestre y, generalmente, bastante bien distribuidos. El silicio y el aluminio, dos los componentes más representativos de los materiales cerámicos, son los elementos más abundantes de la corteza terrestre e incluso el circonio, constituyente fundamental de gran parte de los materiales cerámicos avanzados, abunda más que metales tan comunes como el cobre, el plomo o el cinc.

48 -MAYOR RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN - MÁS BAJA DENSIDAD
3.- VENTAJAS QUE LOS MATERIALES CERÁMICOS PRESENTAN, INTRÍNSECAS A SU NATURALEZA, EN CUANTO A SUS PROPIEDADES: -MAYOR DUREZA -MAYOR RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN - MÁS BAJA DENSIDAD - MENOR CONDUCTIVIDAD TÉRMICA - MAYOR RESISTENCIA AL ATAQUE QUÍMICO - MAYOR RESISTENCIA A TEMPERATURAS ELEVADAS.

49 INCONVENIENTES MATERIALES CERAMICOS
SON FUNDAMENTALMENTE DOS: 1.- SU REPRODUCIBILIDAD 2.- SU FRAGILIDAD, CONDICIÓN INHERENTE A SU NATURALEZA - LA REPRODUCIBILIDAD SE PUEDE MEJORAR MEDIANTE UN PROCESADO ADECUADO, CON OBJETO DE LOGRAR MICROESTRUCTURAS CONTROLADAS CON TAMAÑOS DE DEFECTOS LO MÁS PEQUEÑOS POSIBLES Y - LA FRAGILIDAD, TRATANDO DE INCREMENTAR, CON MECANISMOS DE REFORZAMIENTO ADECUADOS, LA ENERGÍA REQUERIDA PARA QUE UNA GRIETA SE PROPAGUE EN EL MATERIAL.

50 LAS SUCESIVAS ETAPAS DEL PROCESO, SE INICIAN EN LOS MATERIALES DE PARTIDA, FORMACIÓN DE SISTEMAS PARTICULADOS, CONFORMADO, SECADO Y COCCIÓN, Y CONFIGURAN LA FABRICACIÓN Y TIENEN QUE VER CON ASPECTOS DE INGENIERÍA TALES COMO EQUIPOS, MÁQUINAS, MOLDES, ETC. LAS ETAPAS PARALELAS DONDE SE ENMARCA EL COMPORTAMIENTO O RESPUESTA DEL MATERIAL AL SER EXPUESTO A LAS DIFERENTES ETAPAS DE LA FABRICACIÓN ES LO QUE CONSTITUYE LOS FUNDAMENTOS DEL PROCESADO CERÁMICO DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL MATERIAL. ESTA CORRELACIÓN PUEDE AYUDAR A ELIMINAR LA CONFUSIÓN EXISTENTE ENTRE EL PROCESADO CERÁMICO CONTEMPLADO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA TECNOLOGÍA O INGENIERÍA O DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA CIENCIA DE LOS MATERIALES. EN RESUMEN, LA FABRICACIÓN CERÁMICA ENFATIZA LOS ASPECTOS INGENIERILES DEL PROCESO Y EL "PROCESADO" ENFATIZA LOS ASPECTOS CIENTÍFICOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES AL SER SOMETIDOS A LAS DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN.

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53 Efecto domino en el procesamiento cerámico.

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