Universidad Autnoma de San Luis Potos

Facultad de Ingeniera

rea de Metalurgia y Materiales

Cermicos

Jos Hugo Gmez Zamarripa

Sergio Villanueva BravoQu es un material cermico?Un material cermico es un tipo de material inorgnico, no metlico, buen aislante y que adems tiene la propiedad de tener una temperatura de fusin y resistencia muy elevada.El trmino cermica se utilizaba en el pasado para referirse al arte de producir artculos mediante la tcnica de la alfarera. Las cermicas tradicionales son materiales dedicados en general a la construccin (arcillas, cemento, gres...) y a usos aplicados en el hogar y la industria (loza, porcelana...). En la actualidad se incluye dentro de los materiales cermicos a los xidos, carburos, nitruros, boruros, y compuestos de ellos. Mientras que las cermicas tradicionales tienen ms de 3 000 aos de antigedad, la existencia de los compuestos cermicos es mucho ms reciente, sin que en muchos casos supere los 30 aos. Pueden ser definidas tambin, como un compuesto slido que se obtiene por la aplicacin de calor y en ocasiones con la combinacin de calor y presin, comprimiendo por lo menos dos elementos con la condicin que uno de ellos es un no-metal o un elemento slido nometlico. El otro elemento(s) puede ser un metal(s) u otro elemento slido no-metlico.En general, se consideran nicamente como materiales cermicos aquellos que han sido producidos por el hombre de forma artificial.Estos ofrecen una sustancial rebaja en el peso frente a otros materiales como los metales y cubren un amplio espectro de usos tan dispares como componentes de vehculos espaciales o implantes dentalesAdems de estos encontramos otras caractersticas importantes de estos: Soluciones compuestas- elementos metlicos y no metlicos enlazados mediante uniones inicas y/o covalentes. Son duros y frgiles con baja tenacidad y ductilidad. Son buenos Aislantes elctricos y trmicos. Tienen altas temperaturas de fusin, alta resistencia al ataque qumico, bajo costo y presentan la facilidad de controlar su aspecto.Cmo se clasifican los cermicos? Los rasgos esenciales de la caracterizacin de un material cermico se enmarcan en la determinacin de la composicin qumica, fsica y las caractersticas estructuralesDentro de los materiales cermicos existe la siguiente clasificacin de estos: 1. Segn su composicin:GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caoln, etc.), los ms conocidos son la porcelana y la loza vidriada.GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitucin entra en gran proporcin, los silicatos magnsicos (talco), el ms representativo es la esteatita.GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cermicos con alta proporcin de compuestos de titanio (principalmente, xidos y silicatos). Los ms empleados son los que emplean el bixido de titanio como material bsico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.GRUPO IV. En este grupo estn incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatacin muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Estn constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita, etc.Segn su estructura:Cristalinos. Cuando estn constituidos por tomos perfectamente ordenados en el espacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, los materiales cermicos y algunos polmeros que poseen regularidad suficiente.Amorfos. Cuando solamente presentan una ordenacin espacial a corta distancia. Es el caso de los vidrios y de los polmeros vtreos.Algunas otras clasificaciones son:

Cmo se procesan?La mayora de los productos cermicos tradicionales y avanzados son manufacturados compactando polvos o partculas, en las formas adecuadas, que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partculas entre si. Las etapas bsicas para el procesado de cermicas por aglomeracin de partculas son:1) Preparacin del material; 2) conformacin o moldeado, y 3) tratamiento trmico de secado (no siempre se requiere) y coccin por calentamiento de la pieza de cermica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partculas enlazadas.Preparacin de materiales.La mayora de los productos cermicos estn fabricados por aglomeracin de partculas. Las materias primas para estos productos varan dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza cermica terminada. Las partculas y otros ingredientes, tales como aglutinantes y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en hmedo. Para productos cermicos que no necesitan tener propiedades muy "exigentes", tales como lacrillos comunes, tuberas para alcantarillados y otros productos arcillosos es una prctica comn mezclar los ingredientes con agua. Conformacin.La produccin de cermicos fabricados por aglomeracin de partculas puede conformarse mediante varios mtodos en condiciones secas, plsticas o liquidas. Los procesos de conformado en fro son predominantes en la industria cermica, aunque se usan tambin es un cierto grado los procesos de conformado en caliente. Compactacin, moldeo en barbotina y extrusin son los mtodos de modelado de cermicos que se utilizan ms comnmente.Compactacin: la materia prima cermica puede ser compactada en estado seco, plstico o hmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada.

Moldeo en barbotina: las formas cermicas se pueden moldear usando un proceso nico. Las principales etapas de este proceso son: 1) preparacin de un material cermico en polvo y de un lquido (generalmente arcilla y agua) en una suspensin estable llamada barbotina: 2) vertido de la barbotina en un molde poroso, generalmente fabricado de yeso, que permita la absorcin parcial de la porcin liquida de la barbotina en el molde, a medida que se elimina el lquido de la barbotina se forma una capa de material semiduro contra la superficie del molde: 3) cuando se ha formado un espesor de pared suficiente, se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad drenando o escurriendo el molde; 4) el material debe dejarse secar en el molde hasta que alcance la resistencia necesaria para ser manipulado y retirado del mismo y 5) finalmente hay que sinterizar la pieza para que consiga las propiedades y la microestructura deseadas.Extrusin: las secciones sencillas y las formas huecas de los materiales cermicos se pueden producir por extrusin de estos materiales en estado plstico a travs de una matriz de extrusin. Este mtodo es de aplicacin comn en la produccin de ladrillos refractarios, tuberas de alcantarillados, tejas, cermicas tcnicas, aislantes elctricos, etc. Las cermicas especiales de aplicacin tcnica casi siempre se fabrican utilizando un pistn de extrusin de alta presin de manera que puedan conseguirse tolerancias precisas.

Cules son sus usos?Las cermicas constituyen una industria multimillonaria. Las ventas a nivel mundial superan los 1x1012 dlares por ao Estos datos econmicos varan de ao en ao que son actualizados regularmente por la organizacin Ceramic Industry mediante una publicacin anual titulada Giants in Ceramics.La distribucin de ventas de la industria se muestra a continuacin:55% Vidrios17% Cermicas avanzadas10% Cermica blanca9% Esmalte de porcelana7% Refractarios2% Arcilla estructuralEl mercado de las cermicas est dominado por los vidrios. La aplicacin principal de los vidrios es en ventanas, la demanda mundial de vidrio plano es alrededor de 4x109 m2 Las cermicas avanzadas forman el segundo sector ms grande de la industria. Ms de la mitad de este sector es en cermicas para usos elctricos-electrnicos y embalajes cermicos:36% Capacitores/substratos/embalajes23% Otras elctrica/electrnicas cermicas13% Otros12% Porcelana elctrica8% Cermica de ingeniera8% Fibra pticaLos superconductores cermicos de alta-temperatura entran en la categora de cermicas avanzados y no representan un rea mayor del mercado. Ellos constituyen menos de 1% del mercado de las cermicas avanzadas. Se ha predicho el crecimiento significante debido al incremento de su uso en los filtros de microonda y resonadores, con la aplicacin particular en el rea de telfonos celulares,Las cermicas de ingeniera, incluyen los componentes resistentes al desgaste como los troqueles, boquillas, y rodamientos. Las biocermicas como son implantes de cermica, vitro-cermicas y coronas dentales abarcan aproximadamente el 20% de este mercado. Las coronas dentales son hechas de porcelanaLas ventas de cermicas blancas que incluyen artculos sanitarios (taza de bao, urinarios, lavamanos, etc.) y artculos de cocina (los platos, tazas, etc.), responden aproximadamente al 10% del mercado total para las cermicas.El segmento mayor del mercado de cermicas blancas responde aproximadamente al 40%, principalmente piso y azulejos.El esmalte de porcelana es la capa cermica aplicada a muchos artculos de acero como las estufas de la cocina, lavadoras y las secadoras. Los esmaltes de porcelana tienen las aplicaciones muy amplias como en el interior y el entrepao exterior en los edificiosMs de 50% de las cermicas refractarias se consume en la industria siderurgia.Los productos de arcillas estructurales incluyen los ladrillos, tuberas, alcantarillas, y recubrimiento de azulejos. stos son los artculos de mayor produccin y de bajo costo por unidad.

Qu propiedades tienen?PROPIEDADES MECNICAS:Los materiales cermicos son generalmente frgiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensin y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscpicas actan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados. Los cermicos son relativamente frgiles. La resistencia a la tensin observada en los cermicos vara mucho, en un intervalo que abarca desde valores muy bajos de menos de 100 psi (0,69 Mpa) hasta10000000 psi (7000 Mpa) para fibras cermicas.El mdulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del mdulo de elasticidad depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar sta. Estos materiales muestran deformaciones plsticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformacin ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformacin plstica, y tambin es muy lenta. Aun as, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cermicos.Tienen elevada resistencia a la compresin si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 C). Bajo cargas de compresin las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas detraccin o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura. Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cermicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante mtodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformacin de fase en circonia.Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecnicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas. Los materiales cermicos deberan ser ms resistentes que los materiales metlicos pero su fina estructura de sus enlaces evitan que haya deslizamientos, mecanismo base para una deformacin clsica.Los materiales cermicos al igual que los metales, tienen las mismas imperfecciones cristalinas (vacantes, tomos desacomodados, pequeas fisuras y grietas), todo eso tiende a concentrar esfuerzos y el material metlico falla por fractura.PROPIEDADES TRMICASLa mayora de los materiales cermicos tienen bajas conductividades trmicas debido a sus fuertes enlaces inico/covalentes. La diferencia de energa entre la banda de valencia y la banda de conduccin en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conduccin, por este hecho son buenos aislantes trmicos .Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalrgicas, qumicas cermicas y del vidrio.PROPIEDADES PTICASSe relacionan con la interrelacin entre un material y las radiaciones electromagnticas en forma de ondas o partculas de energa, conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener caractersticas que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interaccin produce una diversidad de efectos, como absorcin, transmisin, reflexin, refraccin y un comportamiento electrnico.ndices de refraccin varan entre 1.5 y 2.5. Velocidad de la luz considerablemente menor en el slido que el aire. Reflectividad : fraccin de luz reflejada en una entre cara. A medida que aumenta el ndice de refraccin, por lo tanto aumenta la cantidad de luz reflejada se reduce la entrada de luz en el material.Recubrimientos con esmaltes vtreos: Se desea alta reflectividad que da lugar a un alto brillo superficialPara las lentes oftalmolgicas este efecto produce una prdida de luz indeseable.PROPIEDADES ELCTRICAS AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones estn fuertemente ligados al ncleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el polister; en lo que integran una gran cantidad de materiales cermicos y materiales polmeros.CONDUCTORES: Son aquellos con gran nmero de electrones en la Banda de Conduccin, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad).Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fcilmente de la Banda de Valencia a la de Conduccin, si se les comunica energa exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cermicos.PROPIEDADES MAGNTICASNo suelen presentar propiedades magnticas, sin embargo podemos encontrar cermicas con propiedades magnticas de gran importancia como ferritas y granates. stas son las llamadas cermicas ferrimagnticas. En estas cermicas los diferentes iones tienen momentos magnticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magntico se produzca como resultado una imantacin neta.PROPIEDADES FSICAS- Pesan menos que los metales, pero ms que los polmeros.- Baja conductividad elctrica.- Baja conductividad trmica.- Baja expansin y fallas trmicas.RESISTENCIA A LA TEMPERATURA Esta propiedad se fundamenta en tres caractersticas de los materiales cermicos: elevado punto de fusin, bajo coeficiente de dilatacin y baja conductividad trmica. Su elevado punto de fusin supera el de todos los metales, si exceptuamos el Wolframio. Su bajo coeficiente de dilatacin los hace particularmente resistentes a los choques trmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparicin de grietas y su posterior rotura. Su baja conductividad trmica permite su empleo como aislantes.RESISTENCIA A LOS AGENTES QUMICOS La estructura atmica de los materiales cermicos es la responsable de su gran estabilidad qumica, que se manifiesta en su resistencia a la degradacin ambiental y a los agentes qumicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes qumicos a que vayan ser sometidos. La almina de elevada pureza se emplea en prtesis o implantes seos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosin, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.