15 Materiales cerámicos

Texto completo

(1)

15 – Materiales cerámicos

2016

Contenido

• Definiciones

• Clasificación

• Fabricación

– Sinterizado

• Aplicaciones

• Propiedades

2

(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 and Engineering; 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 así producidos (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)

(3)

Definiciones

% iónico se puede calcular como: {1-exp[(-0,25).(XA-XB)2]}.100

XAy XBson las electronegatividades de

los elementos en cuestión

Estructura básica de los silicatos: tetraedro SiO4-4

Definiciones

Ordenado  cristalino

(4)

Definiciones

Estructura de un vidrio silicato sódico  SiO2+ NaO2

El 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 <0,01 3,00 0,14 H 10 0,02 0,20 0,44 Ti 9 0,56 1,84 2,09 Mg 8 2,14 1,42 2,59 K 7 1,60 2,64 2,83 Na 6 1,48 1,94 3,63 Ca 5 0,68 1,92 5,00 Fe 4 0,77 6,47 8,13 Al 3 0,80 21,22 27,72 Si 2 91,97 62,55 46,60 O 1 % volumen % átomos % m/m Elemento Orden

(5)

¿Qué materiales cerámicos

reconoce en su vida diaria?

• Cemento

Clasificación

Composición

Estructura

Propiedades

Tipo de productos

Aplicación

(6)

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

(7)

Barbotina

Es 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)

(8)

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

(9)

Estructura

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

Propiedades

lozas, sanitarios base blanca mayólicas, revestimientos base rojo Con recubrimientos (esmaltes)

filtros para agua, cementos, hormigones blanco cerámicas rojas, ladrillos, bloques, tejas, macetas, refractarios rojo sin recubrimientos productos porosos Ejemplos Color Recubrimiento Porosidad

(10)

Propiedades

porcelana fina (vajilla) base blanca gres esmaltado base rojo Con recubrimientos (esmaltes) porcelanas técnicas, materiales refractarios blanco cerámicas gres, gres químico rojo sin recubrimientos productos no porosos Ejemplos Color Recubrimiento Porosidad

Tipo de producto

otros no incluidos en la lista anterior: semiconductores

Cerámicas 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 ejemplos Denominación

(11)

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

(12)

Aplicación

• Nuclear

– combustibles nucleares: UO2, PuO2

– Protección (vidrios con PbO, grafito, SiC, Al2O3)

• Biológica

– prótesis óseas y dentales; recubrimientos Al2O3

– huesos artificiales (biovidrios)

Ejemplos

25 25 50 Mezcla % ---15,0 H2O ---0,2 TiO2 8,1 ---K2O 3,6 ---0,2 Na2O ---0,2 MgO 0,8 0,3 0,2 CaO 0,1 0,4 0,8 Fe2O3 17,5 0,8 36,4 Al2O3 69,6 98,5 47,0 SiO2 Feldespato Cuarzo Caolín

(13)

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 termorre sistente

Ejemplos

---H2O ---TiO2 ---K2O C = CaO A = Al2O3 S = SiO2 F = Fe2O3 ---Na2O 9,4 otros 1,5 MgO 9,1 C4AF 63,5 CaO 10,8 C3A 2,8 Fe2O3 16,6 C2S 6,2 Al2O3 54,1 C3S 20,0 SiO2 Fases cristalinas Composición global

(14)

Ejemplos

HfO21,3; ZrO261,2 Refractario básico Refractarios ácidos Observaciones 0,3 0,2 ---TiO2 ---12,8 ---Cr2O3 ---Na2O + K2O ---70,9 ---MgO 0,2 1,2 0,3-5 CaO 0,3 8,6 0,3-3 Fe2O3 2,7 4,9 0,3-3 Al2O3 33,6 1,6 95-98 SiO2 circón Magnesia –cromo Sílice Refractarios  >1000 °C, %

Procesos de fabricación

Materias primas Mezcla Conformado en frío

Fusión Conformado en caliente

Sinterizado Tratamientos posteriores Terminado Producto final

(15)

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

Cerámica Sinterizado

en fase sólida

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

Refractarios electrofundidos Vítrea

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 Ejemplos Liga Tipo

Sinterizado

(16)

Sinterizado

http://ceramics.org/ceramic-tech-today/processing-1/mechanism-for-electric-field-effects-during-sintering Sinterizado de ZrO2estabilizada con Y2O3

1500°C 1250°C + campo eléctrico AC 60 Hz

(17)

Procesos de fabricación de ladrillos y tejas

Materias

primas

Cortadora Secado natural

Extrusora Mezcla y amasado Molienda Arcillas rojas Agua Horno de cocción 800 – 1000°C Deposito Tratamiento de materias primas Conformado Sinterizado Producto final

Procesos de fabricación de porcelanas y

lozas

(18)

Procesos de fabricación de porcelanas y

lozas

Materias primas Prensado Torneado Colado Mezcla y humectación Molienda caolín, cuarzo, feldespato Agua Horno de cocción 900 – 1250°C “bizcocho” Tratamiento de materias primas Conformado Sinterizado Filtro y prensa Amasado Secado

Procesos de fabricación de porcelanas y

lozas

Horno de cocción 900 – 1250°C “biscocho” Sinterizado Esmaltado Segunda cocción 1000-1100°C Decorado, aplicación y cocción 700-900°C Deposito Tratamiento posterior Producto final

(19)

Procesos de fabricación de productos de

vidrio

Procesos de fabricación de productos de

vidrio

Materias primas Colado, estirado, flotado Otros Soplado Prensado Molienda Minerales arena, caliza, feldespato, bórax Productos químicos Na2CO3 Horno de fusión 1400 – 1550°C Tratamiento de materias primas Conformado Fusión Casco de vidrio (reciclado) Mezcla Fibrado

(20)

Procesos de fabricación de productos de

vidrio

Colado, estirado, flotado (vidrio plano) Otros Soplado Prensado

(vidrio hueco) Conformado

Fibrado (fibras)

Deposito Recocido

corte, pulido, decorado, etc

Tratamiento posterior Producto final Templado térmico o químico Templado químico

Intercambio iónico de K por Na

K introduce tensiones de compresión en la red

Templado térmico

Enfriamiento brusco para introducir tensiones de compresión en la superficie

Procesos de fabricación de productos de

vidrio

(21)

Propiedades

• Eléctricas

• Mecánicas

• Térmicas

• Ópticas

• Biológicas

Densidad

• Depende de la porosidad de la pieza

• Valores de densidad en g/cm3a 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

(22)

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°C10-6°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 < 70K YxSrxCuO2 LaxBaxCuO2 Superconductor Conducción electrónica por ocupación parcial de bandas de conducción 10-2a 103 ambiente Fe3O4, B4C3, Ge, Si, C (grafito) Semiconductor

Conducción iónica por difusión de iones a través de la red 10-3a 10-5 300-1000°C β-Al2O3 β-AgI Electrolito sólido Mínima conducción superficial por H2O absorbida >108 ambiente Porcelana eléctrica vidrios silicatos Aislador Mecanismo de conducción resistividad, Ωcm Temperatura de uso, K Ejemplos Tipo de material

(23)

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 365 Alúmina 69 Vidrio de Pb (20% PbO) 9 Grafito, 20% porosidad 468 SiC (5% porosidad) 72 Vidrio común Si-Na-Ca 69 Porcelana 407 MoSi2(5% porosidad) 72 Vidrio de sílice 68 Vidrio borosilicato E Material E Material E Material

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?

(24)

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?

(25)

Referencias

• Mari, E; Los materiales cerámicos;

Editorial Alsina; 1998

• Mari, E; Los vidrios; Editorial Alsina; 1982

www.matweb.com

http://ceramics.org/

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...

Related subjects :