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Technical Documents - Documentos Técnicos: Compuestos Cerámicos. Estructura. Propiedades. Aplicaciones.

En general los materiales metálicos y no metálicos no son adecuados para ciertas aplicaciones de ingeniería, por ejemplo,

(a) un aislante eléctrico que se va a utilizar a altas temperaturas;

(b) losetas para piso que deben resistir derrames, ralladuras y abrasión;

(c) un molde para hornear transparente;

(d) un pequeño cojinete de bolas ligero, rígido, duro y que resista altas temperaturas;

(e) las superficies del módulo del transbordador espacial, fabricados de aluminio, cuando su temperatura exterior alcanza los 1450°C (2650°F) al despegar y al reingresar a la atmósfera terrestre.

Pronto nos damos cuenta que necesitamos materiales con propiedades como resistencia a alta temperatura, dureza, que sean inertes a los productos químicos, a los alimentos y al entorno; que tengan resistencia al desgaste y a la corrosión, y baja conductividad eléctrica y térmica. Los materiales que se describen a continuación en general tienen estas propiedades deseables.

Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. El término cerámicos (de las palabras griegas keramos que significa arcilla del alfarero y keramikos que significa productos de arcilla), se refiere tanto al material como al producto cerámico mismo. Dado el gran número de combinaciones posibles de elementos, existe hoy en día una gran variedad de cerámicos disponibles para una amplia gama de aplicaciones de consumo e industriales.

El primer uso de la cerámica lo encontrarnos en la alfarería y en los tabiques, desde antes de 4000 a.C. Los cerámicos han sido utilizados durante muchos años en las bujías de los motores de automóviles, como un aislante eléctrico y para la resistencia a altas temperaturas. Se han hecho cada vez más importante en materiales para herramientas y troqueles, en motores térmicos y en componentes automotrices, como son recubrimientos para puertos de escape, pistones recubiertos y camisas para cilindro.

Los cerámicos se pueden dividir en dos clases generales:

a. tradicionales, como son las vajillas, tejas, losetas cerámicas, tubos de atarjea, alfarería, piedras abrasivas, y

b. cerámicos industriales, también conocidos como cerámicos de ingeniería, de alta tecnología o cerámicos finos, como los componentes para turbinas, automóviles, usos aeroespaciales, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos, prótesis y herramientas de corte.

La estructura de los cerámicos .

La estructura de los cristales cerámicos, que contienen varios átomos de tamaños diferentes, es de las más complejas de todas las estructuras de los materiales. Los enlaces entre estos átomos son por lo general covalentes (compartiendo electrones, de ahí que se trate de enlaces fuertes) o iónicos (enlaces primarios entre iones de carga opuesta, también un enlace fuerte). Estos enlaces son mucho más fuertes que los enlaces metálicos. En consecuencia las propiedades como son la dureza o la resistencia térmica y eléctrica, son significativamente más elevadas en los cerámicos que en los metales .

Los cerámicos están disponibles como un monocristal en forma policristalina, es decir, con muchos granos. El tamaño del grano tiene una influencia principal en la resistencia y en las propiedades de los cerámicos. Mientras más fino sea el tamaño del grano (de ahí el término cerámicos finos), más elevada será la resistencia y la tenacidad.

Materias primas

Entre los materiales más antiguos como materia prima para la elaboración de cerámicos, está la arcilla, que tiene una estructura en forma de hoja de grano fino. El ejemplo más común es el caolín (por Kao-ling, una colina en China). Es una arcilla blanca, formada por silicato de aluminio con capas alternas débilmente enlazadas de iones de silicio y de aluminio. Cuando a la caolinita se le agrega agua, ésta se fija a las capas (absorción), haciéndolas resbaladizas, y le imparte a la arcilla su suavidad conocida y sus propiedades plásticas (hidroplasticidad) que la hacen moldeable.

Otras materias primas de importancia para los cerámicos que se encuentran en la naturaleza son el pe dernal (una roca formada por sílice de grano muy fino, Si02 ) y el feldespato (un grupo de minerales cristalinos formados por silicatos de aluminio más potasio, calcio o sodio). En su estado natural, estas materias primas por lo general contienen impurezas de varios tipos, que deben ser eliminadas antes de cualquier procesamiento posterior de los materiales en productos útiles de un desempeño confiable. Las materias primas altamente refinadas producen cerámicos de propiedades mejoradas.

Cerámicos a base de óxidos

Existen dos tipos principales de cerámicos a base de óxidos: la alúmina y la zirconia.

 Tipos y características generales de los cerárnicos

Tipos Características generales

Cerámicos a base de óxidos

Alúmina

Elevada dureza, resistencia moderada; cerárrúca de uso más frecuente; herramientas de corte, abrasivos, aislamiento eléctrico y térmico.
Zirconio Alta resistencia y tenacidad; dilatación térinica parecida a la del hierro fundido; adecuada para componentes de motor térmicos.

Carburos

Carburo de tungsteno

La dureza, resistencia y resistencia al desgaste de penden del contenido de aglutinante de cobalto; de uso común para troqueles y herramientas de corte.
Carburo de titanio No tan tenaz como el carburo de tungsteno; utiliza como aglutinante el níquel y el molibdeno; usadoen herramientas de corte.
Carburo de silicio Alta resistencia y resistencia al desgaste a elevadas temperaturas; usado para motores térmicos y como abrasivo.

Nitruros

Nitruro de boro cúbico

Segunda substancia más dura conocida, después del diamante, usado como abrasivo y herramientas de corte.
Nitruro de titanio De color oro; usado como recubrimiento por su baja característica de fricción.
Nitruro de silicio Elevada resistencia a la termofluencia y al choque térmico; usado en motores térmicos.
Sialon Formado por nitruros de silicio y otros óxidos y carburos; usado en herramientas de corte
Cermets Formado por óxidos, carburos y nitruros; usado en aplicaciones de altas temperaturas.
Sílice Resistencia a la alta temperatura; el cuarzo exhibe un efecto piezoeléctrico; los silicatos que contienen varios óxidos se usan en aplicaciones no estructurales a alta temperatura.
Vidrios Contienen por lo menos 50 por ciento de silica; estructuras amorfas; disponibles varios tipos con una gama de propiedades mecánicas y físicas.
Vitrocerámicos Tienen un elevado componente cristalino en su estructura; buena resistencia al choque térmico y resistentes.
Grafito Forma cristalina del carbono; elevada conductividad eléctrica y térmica; buena resistencia al choque térmico.
Diamante Substancia más dura conocida; disponible como un monocristal o en forma policristalina: usado; como herramientas de corte y abrasivos y en dados para el estirado fino de alambres.

Alúmina. También conocida como corindón o su forma impura usada como esmeril, la alúmina (óxido de aluminio, Al203) es el cerámico a base de oxido de uso más amplio, ya sea en su forma pura o como materia prima para mezclarse con otros óxidos. Tiene una elevada dureza y una resistencia moderada. Aunque la alúmina existe en la naturaleza, contiene cantidades desconocidas de impurezas y posee propiedades no uniformes. Como resultado su comportamiento no es confiable. Hoy en día, el óxido de aluminio, el carburo de silicio y muchas otros cerámicos se manufacturan casi totalmente de manera sintética de modo que se puede controlar su calidad.

Fabricado por primera vez en 1893, el óxido de aluminio sintético se obtiene por la fusión de la bauxita fundida (un mineral de óxido de aluminio que es la fuente principal de este metal), limaduras de hierro y coque en hornos eléctricos. El producto enfriado se tritura y después se clasifica por tamaño, haciendo pasar las partículas a través de mallas estándar. Las piezas hechas de óxido de aluminio se comprimen en frío y se sinterizan (cerámicos blancos). Sus propiedades se mejoran mediante adiciones menores de otros cerámicos, como el óxido de titanio y el carburo de titanio.

Las estructuras que contienen alúmina y otros óxidos se conocen como mulita y espinel; se usan como materiales refractarios para aplicaciones de alta temperatura. Las propiedades mecánicas y físicas de la alúmina son particularmente adecuadas en aplicaciones como aislantes eléctricos y térmicos y en herramientas de corte y en abrasivos.

Zirconia. La zirconia (óxido de zirconio, Zr02, de color blanco) tiene buena tenacidad, resistencia al choque térmico, al desgaste y a la corrosión, baja conductividad térmica y bajo coeficiente de fricción. La zi rconia parcialmente estabilizada (PSZ, por sus siglas en inglés) tiene alta resistencia y tenacidad y más confiabilidad en su rendimiento que la zirconia. Se obtiene dopando la zirconia con óxidos de calcio, itrio o magnesio.

Este proceso forma un material con partículas finas de zirconia tetragonal en una red cúbica. Las aplicaciones típicas incluyen dados para la extrusión en caliente de los metales y las perlas de zirconia usadas como medio de esmerilado y de dispersión para recubrimientos para usos aeroespaciales, anticorrosivos, pinturas automotrices, y para impresiones finas y brillantes en empaques flexibles para alimentos.

Otras características importantes del PSZ son su coeficiente de dilatación térmica (sólo 20% por debajo de la del hierro) y su conductividad térmica (alrededor de un tercio de los otros cerámicos). En vista de estas propiedades el PSZ es muy adecuado para componentes de motores térmicos, como por ejemplo camisas de cilindro y bujes para válvulas, a fin de mantener intacto el ensamble del motor de hierro fundido. Los nuevos desarrollos para mejorar aún más las propiedades de PSZ incluye la Arconia endurecida por transformación (TTZ, por sus siglas en inglés), que tiene una tenacidad más elevada en razón a las fases tenaces dispersas en la matriz cerámica.

Otros cerámicos

Otros cerámicos de importancia se pueden clasificar como sigue.

Carburos. Los ejemplos típicos de los carburos son los del tungsteno (WC) y del titanio (TiC), que se utilizan como herramientas de corte y materiales para dados y troqueles, y el del silicio (SiC), utilizado como abrasivo (especialmente en piedras de esmeril ).

a. El carburo de tungsteno está formado de partículas de carburo de tungsteno con cobalto como aglutinante. La cantidad de aglutinante tiene una influencia importante en las propiedades del material. La tenacidad se incrementa con el contenido de cobalto, en tanto que la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste se reducen.

b. El carburo de titanio utiliza el níquel y el molibdeno como aglutinantes y no es tan tenaz como el carburo de tungsteno.

c. El carburo de silicio tiene una buena resistencia al desgaste, al choque térmico y la corrosión. Tiene un coeficiente de fricción bajo, y conserva la resistencia mecánica a temperaturas elevadas. Es adecuado para componentes de alta temperatura en motores térmicos y también se utiliza como abrasivo. Producido por primera vez en 1891, el carburo de silicio sintético se manufactura a partir de la arena de sílice, el coque y pequeñas cantidades de cloruro de sodio y aserrín. El proceso es similar al de la fabricación del óxido de aluminio sintético.

Nitruros. Otra clase importante de cerámicas es la de los nitruros, particularmente el nitruro de boro cúbico (CBN), el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de silicio (Si3N4).

a. El nitruro de boro cúbico, la segunda sustancia más dura conocida (después del diamante), tiene aplicaciones especiales, como por ejemplo, en herramientas de corte y como abrasivo en piedras de esmeril. No existe en la naturaleza; se fabricó sintéticamente por primera vez en los años 1970, utilizando técnicas similares a las de la manufactura del diamante sintético.

b. El nitruro de titanio se utiliza ampliamente como recubrimiento para herramientas de corte. Mejora la vida de la herramienta en virtud de sus características de fricción baja.

c. El nitruro de silicio tiene una elevada resistencia a la termofluencia a temperaturas elevadas, una dilatación térmica baja y una conductividad térmica alta; en consecuencia, es resistente al choque térmico. Es adecuado para aplicaciones estructurales a alta temperatura, como en componentes de motores de automóvil, turbinas de gas, rodillos de seguidores de leva, cojinetes, toberas de chorro de arena y en componentes de la industria del papel.

Sialon. El sialon está formado de nitruro de silicio con varias adiciones de óxido de aluminio, óxido de itrio y carburo de titanio. La palabra sialon se deriva de silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno. Tiene una resistencia más elevada y una resistencia al choque térmico más alta que la del nitruro de silicio; hasta ahora, se ha venido utilizando principalmente como material para herramientas de corte .

Cermets. Los cermets son combinaciones: una fase cerámica unida con una fase metálica. Introducido en la década de 1960 y también llamado cerámicas negras o cerámicas prensadas en caliente, combinan la resistencia a la oxidación a alta temperatura de las cerámicas con la tenacidad, resistencia al choque térmico y ductilidad de los metales. Una aplicación de los cermets se encuentra en las herramientas de corte, con una composición de 70% de óxido de aluminio y 30% de carburo de titanio.

Otros cermets contienen varios óxidos, carburos y nitruros. Han sido desarrollados para aplicaciones de alta temperatura, como por ejemplo las toberas para los motores a reacción y los frenos para aeronaves. Se pueden considerar los cermets como materiales compositos, y se pueden utilizar en varias combinaciones de cerámicas y de metales aglutinados mediante técnicas de metalurgia de los polvos .

Sílice

Abundante en la naturaleza, el sílice es un material polimórfico, esto es, puede tener diferentes estructuras cristalinas. La estructura cúbica se encuentra en los tabiques refractarios que se utilizan para aplicaciones de hornos de alta temperatura. La mayor parte de los vidrios contienen más de 50% de sílice. La forma más común del sílice es el cuarzo, que es un cristal hexagonal, duro y abrasivo. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de comunicaciones como un cristal oscilador de frecuencia fija, dado que exhibe el efecto piezoeléctrico .

Los silicatos son los productos de la reacción del sílice con los óxidos de aluminio, magnesio, calcio, potasio, sodio y hierro. Los ejemplos son la arcilla, el asbesto, la mica y los vidrios de silicatos. El silicato de aluminio y litio tiene una dilatación térmica y conductividad térmica muy bajas y una resistencia al choque térmico buena. Sin embargo, tiene una resistencia mecánica muy baja y una vida a la fatiga muy corta. Por que sólo es adecuado para aplicaciones no estructurales, como convertidores catalíticos, regeneradores y componentes de intercambiadores de calor.

Cerámicos y compuestos nanofase

A fin de mejorar la ductilidad y las propiedades de manufactura de los cerámicos, se ha reducido el tamaño de las partículas en los cerámicos utilizando varias técnicas como es la condensación de gas. Conocidos como cerámicos nanofase, estos materiales están formados de agrupamientos atómicos que contienen unos cuantos miles de átomos. En estos cerámicos es importante el control del tamaño de las partículas, su distribución y contaminación.

Los cerámicos nanofase exhiben ductilidad a temperaturas significativamente inferiores a las de los cerámicos convencionales. Son más resistentes y más fáciles de fabricar y de maquinar, con menos defectos. Se encuentran aplicaciones en la industria automotriz (válvulas, brazos de balancín, rotores de turbocargador y camisas de cilindro) y componentes de motores a reacción.

Las partículas nanocristalinas de segunda fase (del orden de 100 nm o menos) y sus fibras también se utilizan como refuerzo en materiales compositos. Mejoran propiedades como la resistencia a la tensión y la resistencia a la termofluencia .

Propiedades generales y aplicaciones de los cerámicos.

En comparación con los metales, los cerámicos tienen las siguientes características relativas: fragilidad, alta resistencia mecánica y dureza a temperaturas elevadas, módulo de elasticidad elevado y tenacidad, densidad, dilatación térmica y conductividad térmica y eléctrica bajas. Sin embargo, en vista de la amplia diversidad de composiciones de material cerámico y de tamaños de grano, las propiedades mecánicas y físicas de los cerámicos varían significativamente. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de los cerámicos se puede modificar de mala a buena (este cambio es el principio subyacente a los semiconductores).

En vista de su sensibilidad a los defectos y a las fallas, así como a las grietas superficiales e internas, a la presencia de diferentes tipos y niveles de impurezas y debido a métodos diferentes de manufactura, las cerámicas pueden tener una amplia gama de propiedades.

Aplicaciones de los cerámicos .

Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. Se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y electrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistencia dieléctrica alta (voltaje requerido para la ruptura eléctrica por unidad de espesor), y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para bocinas. Un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y sanitarios.

La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su resistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posibles gracias al uso de componentes cerámicos significan una combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones de los automóviles. Actualmente, los motores de combustión interna poseen una eficiencia aproximada de 30%, pero con el uso de componentes cerámicos el rendimiento de operación puede mejorar en por lo menos un 30%.

Una cantidad apreciable de investigación se ha llevado a cabo en el desarrollo de materiales y técnicas para un motor térmico totalmente de cerámico capaz de operar a temperaturas hasta de 1000°C (1830°F). El desarrollo de un motor de ese tipo ha sido, sin embargo, más lento de lo esperado debido a problemas tales como la ineficiencia, carencia de la tenacidad suficiente, dificultad con los rodamientos de lubricación y componentes sujetos a altas temperaturas, una necesidad aún no satisfecha de técnicas de evaluación no destructivas confiables, y una carencia de capacidad de los cerámicos estructurales (como son el nitruro y el carburo de silicio) para su producción económica en su forma casi final, en comparación con la necesidad de procesos de maquinado y de acabado demandados para la precisión dimensional del motor.

En consecuencia no se espera lograr motores totalmente de cerámico hasta el próximo siglo. Los cerámicos que se están utilizando con éxito, especialmente en componentes de motor automotriz de turbina de gas (como los rotores), son de nitruro de silicio, carburo de silicio o de zirconia parcialmente estabilizada.

Otra aplicación es el recubrimiento de metal con cerámico; se puede hacer con la finalidad de reducir el desgaste, impedir la corrosión o proporcionar una barrera térmica. Las tejas del transbordador espacial, por ejemplo, están hechas de fibras de sílice con una estructura celular abierta formada de 5% de sílice. El resto de la estructura de la teja es aire, por lo que la teja no solamente es muy ligera, sino también es una barrera térmica excelente. Las tejas (34000 en cada transbordador) están unidas a la cubierta de aluminio del transbordador espacial con varias capas de adhesivos a base de siliconas. La temperatura de la cubierta del transbordador alcanza 1400°C (2550°F), debido al calor por fricción del contacto con la atmósfera.

Otras propiedades atractivas de los cerámicos son su baja densidad y su elevado módulo elástico. Permiten que el peso del motor se reduzca y, en otras aplicaciones permite que las fuerzas de inercia generadas por las partes en movimiento sean menores. Los turbocargadores cerámicos, por ejemplo, son aproximadamente 40% más ligeros que los convencionales. Los componentes de alta velocidad de las máquinas herramientas también son candidatos para los cerámicos. Además, el elevado módulo elástico de los cerámicos los hace atractivos para mejorar la rigidez y al mismo tiempo, reducir el peso de las máquinas.

Biocerámicos. Debido a su resistencia mecánica y biocompatibilidad, se utilizan los cerámicos como biomateriales (biocerámicos) para reemplazar articulaciones en el cuerpo humano, como prótesis y en trabajo dental. Además los implantes cerámicos se pueden hacer porosos; el hueso puede crecer en la estructura porosa (igual que con los implantes de titanio poroso) y desarrollar una fuerte unión, con una elevada estructural entre las partes. Los biocerámicos de uso común son el óxido de aluminio, el nitruro de varios compuestos de sílice.

 

 

 

 

 

 
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