materiales inorganicos

MATERIALES INORGANICOS

Integrantes:Jorge Luis Alazán TapiaAndrés González Herrera Luis Miguel Acevedo Camargo

Introducción

Las cerámicas son compuestos inorgánicos y no metálicos, de carbono, oxígeno, nitrógeno, boro y silicio, unidos de forma iónica.

Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros Óxidos, principalmente CaO, Na20, K20, y Al2O3, los cuales influyen en las propiedades del vidrio.

Diferencias Las diferencias entre los vidrios y las cerámicas

radican en sus estructuras cristalinas.

• Las cerámicas son cristalinas, presentan orden de largo alcance, son cristalinas y tienen estructura cristalina.

• Los vidrios, tienen sólo orden de corto alcance, son amorfos y carecen de estructura cristalina.

Cerámicas Debido a las uniones iónicas y covalentes, las

cerámicas tienen puntos de fusión relativamente altos, grandes módulos elásticos, gran dureza y resistencia mecánica y escasa conductividad eléctrica y térmica, y son muy frágiles.

Se dividen en:• Cerámicas Tradicionales• Cerámicas Avanzadas

Cerámicas Tradicionales

• Las cerámicas tradicionales son las que proceden y se elaboran de arcilla o minerales no arcillosos, principalmente óxidos.

Cerámicas tradicionales

• Al2O3-SiO2-K2O: aislantes eléctricos

• Al2O3-SiO2-MgO:elementos calefactores

• Alfarería: ladrillos, tejas

• Refractarios

• Porcelanas

• Arcillas

Cerámicas Avanzadas

• También llamadas Cerámicas Técnicas o de Ingeniería , se sintetizan por lo común con una gran pureza

• En consecuencia presentan mejores propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión o propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas que las cerámicas tradicionales.

Cerámicas AvanzadasAlgunas de estas cerámicas son:• cerámicas magneticas, ferroelectricas, • nitruros (AIN, ZINC, SiALON, y BN), • cerámicas superconductoras.• cerámicas piezoeléctricas • Carburos(SiC y BC) • boruros

Estructura cerámicas

El enlace atómico en los materiales cerámicos es parcialmente o totalmente iónico, muchas estructuras cristalinas de los materiales cerámicos pueden ser pensadas como compuestas de iones eléctricamente cargados en lugar de átomos.

Estructuras cristalinas

La estructura cristalina depende de la razón de los radios iónicos y de la conservación de la neutralidad eléctrica.

Estos radios iónicos determinan el empaquetamiento de los iones positivos y negativos, con la que se consigue la máxima atracción electrostática entre los iones.

Para esto que esto ocurra, normalmente los cationes están rodeados de aniones y viceversa.

Empaquetamiento de iones

En general el empaquetamiento de iones sigue las reglas de Pauling:

1. El NC(numero de coordinación) esta determinado por la razón del radio del catión al anión.

2. Una estructura iónica será tanto más estable cuanto mayor sea la neutralización de cargas de los aniones y cationes.

3. La estabilidad de una estructura cristalina será menos estable cuanto mayor sea el numero de aristas y caras de poliedros de coordinación compartidas.

Reglas de Pauling4. Los PCC(Poliedro de coordinación) que se forman

en torno a cationes de NC(numero de coordinación) pequeño y que tienen mucha carga tienden a estar enlazados por los vértices.

5. El numero de componentes distintos de una estructura tiende a ser pequeño. Esto obedece a la dificultad para empaquetar de manera eficiente iones y PCC(Poliedro de coordinación) de diferente tamaño en una sola estructura.

Radios iónicos para aniones y cationes

Estructuras cristalinas

• La mayor parte de las cerámicas de óxidos tienen estructuras cristalinas con base en iones oxígeno, con empaque casi compacto.

Las dos estructuras de empaque compacto son la CC (Cubica centrada en caras) y la HC (hexagonal compacta).

Estructura De Empaque Compacto

• Si los iones oxígeno(aniones) ocupan los sitios de la red CC y HC, están disponibles 2 sitios intersticiales donde los cationes pueden ubicarse en las estructuras

• Las “T” y las “O” indican los sitios Tetraédricos y Octaédricos en las redes tanto CC Y HC

Sitios Tetraédricos y Octaédricos

• Los nombres de los sitios provienen del echo que , si los cationes se sitúan en ellos,

• los PCC(poliedro de coordinación del catión) son un Octaedro y un Tetraedro.

Sitios Tetraédricos y Octaédricos

• El numero de coordinación de los cationes en el sitio Octaédrico es de seis, y el tetraédrico de cuatro.

Imperfecciones de la estructura

• Al igual que los metales, las estructuras cerámicas reales contienen defectos de sustitución, iones intersticiales y defectos de Frenkely de Schottky.

• Hay dislocaciones en las estructuras cerámicas , estas dislocaciones son inertemente más difíciles de desplazar a causa de los enlaces iónicos localizados o covalentes que es necesario romper y después de nuevo cuando la dislocación atraviesa la estructura.


• propiedades mecánicas se ve eclipsada por los defectos macroscópicos mas grandes que se producen durante la elaboración y la manipulación de las cerámicas.

• La elaboración de casi todas las cerámicas implica la consolidación de partículas que se compactan inicialmente a bajas temperaturas y se calientan (cuecen) a altas temperaturas para unir las partículas entre si


• El proceso de consolidación (sinterización) no densifica totalmente la pieza cerámica al 100% en consecuencia invariablemente queda porosidades dentro de la pieza.

• La cantidad, tamaño, distribución y continuidad de estos vacios o porosidades determinan las propiedades mecánicas del material cerámico.

Diagrama de Faces de las Cerámicas

• Los diagramas de faces son mucho mas complicados que los diagramas de fases binarios metálicos aunque son mas complejos ,los diagramas de fases cerámicos también muestran las mismas características que los metales presentan cuando se alean o se mesclan.

• Estos fenómenos es la fluidificación en virtud de la cual se puede fundir un solido a una temperatura mas baja o un liquido de gran viscosidad se torna menos viscoso y mas fluido.


• Este es el diagrama idóneo para utilizarse en la producción de vidrios ordinarios. Este diagrama sugiere así mismo que la sílice puede degradarse fácilmente cuando un álcali o acido básico (acido de sodio) esta presente en el liquido como las escorias.


• Por ejemplo vemos en la figura 14-6 que el oxido de sodio y la sílice son totalmente insolubles el uno en la otra, pero reaccionan y forman los compuestos estequiométricos .

Elaboración de Cerámicas

• Los óxidos nunca se funden para moldearlos como se ase con los metales.

• para crear piedras o formas de cerámica se inducen a las partículas a unirse unas con otras.

• El proceso se denomina sintonización o metalurgia de polvo

Elaboración de Cerámicas

• Preparación de lotes y polvos

• Conformado

• Secado y cocción

• Formado y acabado de superficies

• Propiedades de las cerámicas estructurales

• Porosidad o contenido de huecos

• Resistencia ala tensión uniáxial.

Preparación de lotes y polvos

• Las materias primas para la manufactura de cerámicas deben de estar en forma de polvo antes de prepararlas para el conformado y la mezcla.

• En el caso de las cerámicas tradicionales para obtener los materiales, se suele beneficiar minerales con el propósito de eliminar las impurezas indeseadas para después pulverizarlos y homogeneizar su tamaño haciendo los pasar por cedazos o tamices.

Conformado

Resistencia a la compresión uniáxica

Tradicionalmente las cerámicas se han utilizado mas en condiciones de compresión porque su resistencia a la compresión es varias veces mayor que su resistencia uniáxica.

Modulo de elasticidad

• Como se vio en el capitulo 11. fue el comportamiento de flexión de un material depende del modulo de elasticidad.

• En la cerámica, la porosidad reduce la capacidad para resistir la deformación por efecto de una carga porque el modulo efectivo del material disminuye con la porosidad.

Vidrios

• Los vidrios difieren de los cerámicos en el hecho de que no presentan un orden de largo alcance (estructura cristalina) y por lo tanto son materiales amorfos.

• Los vidrios mas utilizados son de sosa-cal-silicato, en lo que aprovecha la abundancia de arena de silícea o cuarzosa como materia prima.

Formación y tratamiento primario del vidrio

• Se comienza por la formación de vidrio a partir de sílice.

• Ya reseñamos los diversos alotropo de la sílice cristalina y señalamos que el alotropo que existe ala temperatura mas alta antes de que la sílice se funda es la cristobalita cubica.

Cristobalita cubica

14.3.1a Manufactura de recipientes

• En la producción de recipientes se utiliza una maquina alimentadora de masa

14.3.1a Manufactura de recipientes

• Las operaciones de manufactura automática de recipientes.

14.3.1b Vidrio plano: laminas y placas

• Este concite en hacer flotar el vidrio fundido encima de un baño de estaño derretido.

1.4.3.1c Tubos

• En este proceso, se permite que el vidrio fundido fluya fuera de un tanque y recubra el mandril refractario giratorio.

1.4.3.1d Fibras de vidrio

• La masa derretida fluye directamente a través de una boquilla con muchos orificios formadores, y se enfría rápidamente conforme alas corrientes de material fundido salen por los orificios.

14.3.2 Silicatos y estructuras de vitrales

• La estructura de los vitrales también determina las propiedades de estos materiales.

• El componente básico de los silicatos es el tetraedro de (SiO4)4- con el ion silicio en el centro de cuadro iones oxigeno dispuestos de forma simétricas.

14.3.2 Silicatos y estructuras de vitrales

• 14.3.2a Estructura unisulares.

• 14.3.2b Estructura de grupos aislados.

• 14.3.2c Estructura en cadena.

• 14.3.2d Estructura laminares.

• 14.3.2e Estructura de armazón o reticulares.

• 14.3.2f Estructura vítreas o amorfas.

14.3.3 Propiedades físicas y químicas

• Estas son las propiedades que están determinadas por el enlazamiento y la disposición de los átomos en el material y se conocen como propiedades insensibles ala microescructura.

14.3.3a Viscosidad: temperaturas de fusión y de transición vítrea

• El propósito primordial de los aditivos que se incorporan a los formadores de vidrio es mejorar su procesabilidad y su formabilidad.

14.3.4 Propiedades mecánicas

• La resistencia de los vidrios también depende del tamaño de las imperfecciones macroscópicas del volumen del material, de las condiciones ambientales y de la tenacidad de la fractura como en el caso de los cerámicos.

14.4.2 OTRO TRATAMIENTOS SECUCURIOS

Al igual que en el tratamiento de metales, pueden quedar esfuerzos residuales después del tratamiento del vidrio, los cuales pueden ser perjudiciales si su carácter es de tensión.

• La placa o lámina de vidrio que se produce por el método de vidrio flotado esta en la condición de recocida, lo que significa que el vidrio no tiene esfuerzos residuales.

• Los vidrios de seguridad pueden ser laminados o templados. Del 45% del vidrio flotado que se utilizó 1989 para elaborar vidrios de seguridad, alrededor del 42% era laminado, y el 58%, templado.

14.4.2a PROCESO TEMPLADO

• El proceso templado consiste en calentar el vidrio a un intervalo de revenido, para después templar, enfriar rápidamente la superficie. Los perfiles de temperatura de la superficie y del plano medio de la placa o lámina durante las etapas de calentamiento y de enfriamiento rápido como se muestra en la figura.

14.4.2b INTERCAMBIO DE IONES

• También por intercambio de iones se puede crear una capa superficial de compresión. Esto se conoce como templado químico, endurecimiento químico o “rellenado”.

•Las paredes de intercambio iónico que más se utilizan son el ion sodio 8 (Na+) por el ion de litio (Li+), y el ion potasio (K+) por el ion sodio (Na+).

14.5 DISEÑO Y SELECCIÓN DE CERÁMICAS Y VIDRIOS

14.5.1 Metodología de diseño

•Las cerámicas y los vidrios son materiales frágiles y, por tanto, la metodología de diseño para ambos es la misma.

•Las tres técnicas generales de diseño disponibles son: diseño empírico, diseño determinista y diseño probalístico.

14.5.2 SELECCIÓN DE CERÁMICAS ESTRUCTURALES

• El procedimiento de selección de un material cerámico estructural para elaborar un componente implica la consideración de la combinación óptima de propiedades, que incluye la resistencia mecánica, la capacidad de operación a la temperatura máxima, el módulo de Young, el coeficiente de expansión térmica, la resistencia al choque térmico, la manufacturabilidad y el costo.

14.5.3 DELECCION DE REFRACTARIOS

• Los refractarios son los materiales cerámicos capaces de soportar altas temperaturas y de conservar sus propiedades físicas y mecánicas a esas temperaturas.

• Los refractarios se clasifican como productos arcillosos o no arcillosos, y como refractarios ácidos o básicos.

RESUMEN

• Las cerámicas son compuestos de carbono, oxígeno, nitrógeno, boro y silicio, unidos de forma iónica o covalente, de punto de fusión alto, muy duros y resistentes y frágiles.

• Se forma vidrios cuando el líquido no cristaliza a la temperatura de fusión durante el enfrentamiento. Los vidrios más comunes son los silicatos, cuya base es la sílice.

• Las cerámicas vítreas se componen de partículas o granos de cerámica muy finos en un vidrio residual.

• Los vidrios se someten a los procesos de recocido, templado e intercambio de iones.

• En el diseño con cerámicas y vidrios se emplean métodos de diseño probalistíco con base, fundamentalmente, en la estadística de Weibull que se emplea para determinar la resistencia a la tensión probable de las cerámicas.

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