MATERIALES CERÁMICOS
Resumen
Los materiales cerámicos son
materiales inorgánicos compuestos por elementos metálicos y no metálicos
vinculados químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mixtura
de ambos.
Poseen una alta dureza y resistencia al
calentamiento, pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan
principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad, alta
resistencia al calor y al desgaste,
poca fricción y buenas propiedades aislantes.
Los materiales cerámicos son baratos, pero su
procesado hasta producto terminado es
normalmente lento y laborioso. Además, la mayoría de estos materiales se daña
fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad.
Históricamente, los cerámicos se cuentan
entre los materiales más antiguos hechos por el Hombre. Si bien su invención data del Neolítico, el
primer pueblo que desarrolló técnicas para elaborar la cerámica fue el Chino, pasando el conocimiento a Japón, la India, Medio Oriente, Egipto, Grecia y finalmente Europa. Estas civilizaciones, en contraposición a las culturas
prehistóricas que simplemente dejaban secar las piezas de cerámicas al sol o
junto a una fogata, fueron desarrollando métodos de cocción en hornos, lo que
mejoró las prestaciones del material y sus bondades estéticas. (1)
Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de
als materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos
de materiales cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas
finas.
Materiales
cerámicos porosos o gruesos. No han sufrido vitrificación, es decir,
no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del
horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente
permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:
·
Arcilla cocida: de color rojiza
debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción
es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco
(óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican:
baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.
·
Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre
amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente.
La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas
baratas, adornos, tiestos....
·
Loza inglesa: Fabricada de arcilla
arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido
silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para
mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajillay objetos de
decoración.La cocción se realiza en dos fases:
1.
Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y
se recubre con esmalte.
2.
Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura
·
Refractarios: Se fabrican a partir
de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La
cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos
muy lentos para evitar agrietamientos ytensiones internas. Se obtienen
productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones
más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas
en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación....
Materiales
cerámicos impermeables o finos: en los que se somenten a temperaturas
suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo.
Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son:
·
Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias,
sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y
paredes.
·
Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas
conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato)
para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300
°C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de
sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de
silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado
característico. Se emplea para vajillas, azulejos...
·
Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura,
caolín,mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex).
Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y
1.300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo
llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de
cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores,
aislantes en transformadores, etc.).
Estructura
Puede ser cristalina, no cristalina, o una
mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a
las más complejas mezclas de fases. Su
abundancia en la naturaleza y las
diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte
en materiales sumamente importantes.
Según su estructura, los cerámicos
pueden clasificarse en dos grandes grupos, los cristalinos o
cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. A su vez, los cristalinos pueden ser
monocristalinos o policristalinos.
Cuadro
1. Clasificación de los cerámicos según su estructura.
Los que presentan
estructura policristalina o no cristalina pueden a su vez ser monofásicos o
polifásicos.
Las cerámicas cristalinas
pueden clasificarse en tres grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad
estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los
materiales refractarios. Los cerámicos de óxido sin silicatos son
compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO.
Las cerámicas sin óxidos, como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como
material para elementos calefactores de horno, así como material abrasivo.
Cuadro
2. Cerámicas cristalinas.
Estructura
no cristalina. Los átomos se acomodan
en conjuntos irregulares y aleatorios. Los sólidos no cristalinos con
una composición comparable a la de las cerámicas cristalinas se
denominan vidrios. La mayor parte de los vidrios que se comercializan son
silicatos.
Hay dos características de los iones que componen los
materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina:
·
Los
tamaños relativos de los cationes y aniones.
Con respecto a la primera, el cristal debe ser
eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas (de
los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes
y aniones para que se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el
tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA. Puesto que los
elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son
generalmente menores que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada
catión de rodeará de tantos aniones vecinos más próximos como le sea posible. Los
aniones también se rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos
más próximos.
Las estructuras cristalinas se vuelven más estables
mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.
Carbono
El carbono es un elemento que existe en
varias formas polimórficas, así como en estado amorfo. Este grupo de materiales no cae dentro de
ninguna de las clases tradicionales en que se clasifican los materiales:
metales, cerámicas y polímeros. Sin embargo hemos decidido nombrar estos
materiales puesto que el grafito (una de las formas polimórficas) se clasifica
a veces como una cerámica; y también porque la estructura cristalina del
diamante (otro polimorfo) es similar a la de la blenda ( ZnS), un compuesto
cerámico.
Diamante
El diamante es un polimorfo meta estable de carbono a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cada átomo de carbono está unido con otros
cuatro átomos de carbono mediante enlaces totalmente covalentes.
Se caracteriza por ser extremadamente duro (el material
más duro conocido) y por su poca conductividad eléctrica
Grafito
El
grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta
por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada
átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el
cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de van der waals
entre las capas. Como consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la
separación interplanar es considerable y el deslizamiento entre planos fácil.
Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena
estabilidad química a temperaturas elevadas.
Propiedades
eléctricas de los cerámicos: Los materiales cerámicos se usan ampliamente
en la industria eléctrica
y electrónica. Principalmente como
aislantes (dieléctricos) eléctricos o en capacitores.
Otra aplicación difundida es derivada de las
propiedades piezoeléctricas de ciertos tipos de cerámicas.
Propiedades
de los componentes dieléctricos: La unión iónica y covalente en materiales
cerámicos restringe la movilidad de los iones y de los electrones (los cales se
comporten entre dos átomos o son cedidos de un átomo a otro) y esto determina
que estos materiales sean buenos aislantes eléctricos
Existen 3 propiedades básicas de los
componentes dieléctricos.
Constante dieléctrica Ruptura dieléctrica
Factores de perdida
Comportamiento
dieléctrico: Este tipo de material cerámico presenta una estructura bipolar
(entidades de cargas (+) y (-) a nivel atómico o molecular separadas) por lo en
presencia de un campo eléctrico estos se
orientan y es posible usarlos en capacitores.
El efecto de la constante dieléctrica se
manifiesta en la capacidad total de un condensador eléctrico o capacitor.
Cuando entre los conductores cargados o paredes que lo forman se inserta un
material dieléctrico diferente del aire la capacidad
de almacenamiento de la carga del
condensador aumenta. De hecho la relación entre la capacidad
inicial Ci y la final Cf vienen dada por la constante
eléctrica:
La alta constante dieléctrica de ciertos
tipos de cerámicos permite la miniaturización de capacitores.
Propiedades mecánicas de los cerámicos:
Considerando a los cerámicos como una
clase de material, podemos decir que estos son relativamente frágiles, en estos
la resistencia a la tracción (o tensión) que soportan los materiales cerámicos
varía enormemente pero en ningún caso soporta los 172 Mpa
Mientras que la resistencia a la
compresión es de 5 a 10 veces superior.
Por lo general los materiales cerámicos
son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones iónico –
covalentes.
Mecanismos para la deformación en
cerámicos:
Con enlaces covalentes entre capas de átomos: en esta situación cuando el material es
sometido a una tracción lo suficientemente alta se separan las uniones de pares
de electrones sin que se vuelvan a formar luego y se produce una fractura
quebradiza.
Es por eso que los cerámicos enlazados
covalententemente son frágiles tango para estructuras monocristalinas como policristalinas.
Con enlace Iónico:
Monocristalinos: muestran deformación plástica bajo fuerzas compresoras a
temperatura ambiente. Ej.: oxido de magnesio y cloruro de sodio (sin embargo
los cerámicos policristalinos son los más usados en la industria); en estos los
deslizamientos se producen sobre las filas. De planos {110} donde los iones son
de igual carga.
Cerámicos tradicionales y cerámicos de
ingeniería
Otra clasificación de los cerámicos los
divide en cerámicos tradicionales y de ingeniería.
Cerámicos tradicionales. Los cerámicos tradicionales son silicoaluminados derivados de
materias primas minerales. Se constituyen de tres componentes básicos: la arcilla (SiO2Al2O3OH),
sílice o silex (SiO2, arena) y feldespato (SiAlO2K o SiAlO2Na).
La arcilla, a su vez, está
compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados con pequeñas cantidades de otros óxidos. Antes que el
material endurezca por el fuego, las arcillas se pueden trabajar, y constituyen
el cuerpo principal del material. Por su lado, el sílice (SiO2,
silex, arena o cuarzo) funde a altas temperaturas y constituye el componente
refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato potásico funde
a baja temperatura, transformándose en vidrio, formando una fase líquida que
une los componentes refractarios y facilita la sinterización.
Las aplicaciones estructurales de
la arcilla, como los ladrillos para la construcción, las tuberías de desagüe,
las tejas y las losetas para pisos, están fabricadas a partir de "arcillas
brutas" o naturales, las cuales contienen los tres componentes básicos.
Cerámicos de ingeniería. Las cerámicas técnicas o de ingeniería son fabricados con
compuestos sintéticos puros o casi puros; principalmente óxidos, carburos,
nitruros. Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina (Al2O3) en industrias microelectrónicas, nitruro de silicio (Si3N4) se usa para herramientas de corte como el torno, carburo de silicio (SiC) se utiliza como abrasivos y circonia (ZrO2)
combinados con algunos otros óxidos refractarios, para recubrimiento de las
superaleaciones de los álabes de las turbinas.
Procesamiento de cerámicos
tradicionales
Las etapas básicas para el procesado de
cerámicos son tres:
1. Preparación del material
2. Moldeado (en seco o en húmedo)
3. Tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la
pieza de cerámica.
Conformado, procesamiento de materiales
cerámicos
Los materiales cerámicos tiene dos
propiedades que son determinantes de sus métodos de conformado y procesado.
Poseen un alto punto de fusión y casi nula deformación térmica hasta a altas
temperaturas. Estos factores hacen que la fusión de los cerámicos para
conformarlos y trabajarlos como líquidos sea inviable. Es por ello que se le da
forma al polvo o mezcla de polvo, agua y aditivos sin previa cocción y luego se
produce la liga cerámica por calentamiento. (2)
El esquema de la figura muestra los
distintos tipos de materiales cerámicos:
Sin duda alguna, la industria cerámica
es la industria más antigua de la humanidad. Se entiende por material cerámico
el producto de diversas materias primas, especialmente arcillas, que se
fabrican en forma de polvo o pasta (para poder darles forma de una manera
sencilla) y que al someterlo a cocción sufre procesos físico-químicos por los
que adquiere consistencia pétrea. Dicho de otro modo, más sencillo, son
materiales solidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento
térmico. Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la
arcilla o el caolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes,
desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces. (3)
Bibliografía
1. Paralieu ,
Gastón. Estudio avanzado de ingeniería industrial. Enero :
01, 2009.
2. Monografías. [En línea] 01 de Abril de 2009. [Citado
el: 09 de Mayo de 2016.]
http://www.monografias.com/trabajos-pdf5/materiales-ceramicos/materiales-ceramicos2.shtml.
3. Landín, Pedro. Blogspot. [En línea] 07 de Febrero de
2013. [Citado el: 09 de Mayo de 2016.]
http://pelandintecno.blogspot.com/2013/02/materiales-ceramicos-propiedades.html.
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