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Materiales cerámicos
Introducción a la
Ciencia de Materiales M. Bizarro
Materiales cerámicos
• Son compuestos inorgánicos formados por
elementos metálicos y no metálicos cuyos
enlaces interatómicos pueden ser de carácter
totalmente iónico ó predominantemente iónico
con algún carácter covalente.
– Iones metálicos Cationes: carga +
– Iones no metálicos Aniones: carga -
Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos,
por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.
• Enlace: -- Principalmente iónico, un poco covalente.
-- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en
electronegatividad.
• Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño
Enlace Cerámico
SiC: pequeño
CaF2: grande
Estructuras cristalinas de
cerámicos
ZnS
(blenda de zinc)
NaCl (Cloruro
de sodio)
BaTiO3
Perovskita
Densidad teórica de cerámicos
La densidad se calcula de manera similar que en los metales, pero con una
Ecuación modificada:
Donde
n’ = es el número de unidades en la fórmula dentro de la celda unitaria (esto es
El número de iones en la fórmula química.
Ej.: BaTiO3 1 ion de bario, 1 ion de titanio y 3 iones de oxígeno.
SAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmula
SAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula
VC= volumen de la celda unitaria
NA = número de Avogadro, 6.022 x1023 unidades por mol.
Ejemplo • Calcule la densidad teórica del cloruro de sodio.
NaCl tiene estructura FCC n’ =4
A Na = 22.99 g/mol
A Cl = 35.45 g/mol
rNa+ =102 nm
rCl- = 0.181 nm
r =2.14 g/cm3
Impurezas en cerámicos
• Como los materiales cerámicos contienen al menos dos
tipos de iones, se generan defectos de cata tipo de ion.
• Defectos de Frenkel: Involucra una vacancia de catión y
un catión intersticial.
• Defecto de Schottky: Es un par vacancia de catión -
vacancia de anión
Dependencia de T
• El número de defectos de Frenkel y de Schottky
dependen de la temperatura.
Qfr es la energía requerida para la formación de cada defecto Frenkel,
N es el número total de sitios de la red
El número 2 es porque dos defectos (un catión faltante y un catión intersticial)
se asocian con cada defecto Frenkel.
Qs es la energía de formación de un defecto Schottky.
Ejemplo • Calcule en número de defectos de Schottky por metro
cúbico en el cloruro de potasio a 500ºC. La energía
requerida para formar cada defecto es de 2.6 eV, la
densidad del KCl (a 500ºC) es 1.955 g/cm3.
= 1.58 x 1028 sitios de red /m3.
Ns=5.3 x 1019 defectos /m3.
Diagramas de fase de cerámicos
Diagrama MgO-Al2O3
•Son similares a los de metales
•Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el
oxígeno
Propiedades mecánicas
• Son inferiores a las de los metales
• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma
frágil con muy poca absorción de energía.
• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a carga de tracción.
• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.
• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de
determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de
alta densidad atómica.
• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta
está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La
tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:
aYK Ic Donde:
-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la
probeta y de la grieta,
es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien
la mitad de la longitud de una grieta interna.
Propiedades mecánicas
La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la
derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en
deformaciones planas del material.
Kic en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales
• Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura) --Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles.
Medición del módulo elástico
F L/2 L/2
d = punto medio de deflección
Sección transversal
R
b
d
rect. circ.
• Determinación del módulo elástico, E:
Comportamiento lineal-elástico
F x
d
F
d pend. =
E = F
d
L 3
4 bd 3 =
F
d
L 3
12 R 4
Sección
transversal
rectangular
Sección
transversal
circular
• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente
Medición del esfuerzo
F L/2 L/2
d = punto medio
de deflección
Sección transversal
R
b
d
rectangular circular
Punto de tensión máxima
• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:
Nitruro de Si
Carburo de Si
Óxido de Al
vidrio (soda)
250-1000
100-820
275-700
69
304
345
393
69
Material rf (MPa) E(GPa)
x F
Ff
d fs d
rectangular
rf 1.5Ff L
bd 2
Ff L
R3 circular
Influencia de la porosidad
• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores en forma de polvo.
• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas.
• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo siempre queda porosidad remanente.
• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas
La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica
de porosidad P:
2
0 9.09.11 PPEE
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.
La porosidad
deteriora la
resistencia a
la flexión
1. Los poros reducen el
área de la sección
transversal a través de
la cual se aplica la
carga.
2. Actúan como
concentradores de
esfuerzos (el esfuerzo
se amplifica por un
factor de 2).
La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción
volumétrica de porosidad (P):
nPrf exp0
Influencia de la porosidad
0 y n son constantes experimentales
Ejercicio
El módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que
tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.
• (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no
poroso
• (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad
del 15%.
2
0 9.09.11 PPEE
209.09.11 PP
EE
= 264 GPa
2
0 9.09.11 PPEE = 194 GPa
Ejercicio 2 Se realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela
(MgAl2O4) que tiene una sección transversal rectangular de altura d=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo es de 25 mm.
• Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de 350N.
El punto de máxima deflexión Dy ocurre en el centro de la muestra y está descrita por
donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal.
• Calcule Dy a una carga de 310 N.
EI
FLy
48
3
D12
3bdI donde
fl=101 MPa
Dy=9.4x10-3 mm
Propiedades:
-- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos.
-- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia.
Aplicaciones:
-- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de
carga.
Fabricación
-- algunos vidrios se moldean fácilmente
-- otras cerámicas no pueden moldearse.
Vidrios Productos
de arcilla
Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas
avanzadas
-porcelanas
-óptica
- compuestos
reforzados
- contenedores -ladrillos
-ladrillos
Para alta T
(hornos)
-lijas
- corte
- pulido
-compuestos
- estructurales
máquinas
- rotores
- válvulass - bearings
-sensores
Clasificacion de materiales cerámicos
vidrios vitrocerá
-micos
Productos
estructurales
de arcilla
porcelanas
Arcilla
refractaria
sílice básico
especial
Se necesitan materiales para hornos de alta temperatura.
• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) •
El diagrama de fase muestra: mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos.
Aplicación: Refractarios
Composition (wt% alumina)
T(°C)
1400
1600
1800
2000
2200
20 40 60 80 100 0
alumina +
mullita
mullite + L
mullita Liquid
(L)
mullita + cristobalita
cristobalita + L
alumina + L
3Al2O3-2SiO2
fuerza de tracción
A o A d die
die
• Moldes huecos (dados): Necesita propiedades de resistencia al desgaste
• superficie del molde: -- partículas de 4 mm de diamante policristalino
que se sinterizan en un substrato cementado
de carburo de tungsteno.
-- el diamante policristalino ayuda a controlar
la fractura y da dureza uniforme en todas
direcciones.
Courtesy Martin Deakins, GE
Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
Courtesy Martin Deakins, GE
Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
Aplicación: Moldes huecos
• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2 • Principio: produce difusión de iones para
una respuesta rápida.
Aplicación: Sensores
Una impureza de Ca 2+
remueve un ion de Zr 4+
y un ion de
O 2 -
Ca 2+
• Proceso: Se agregan impurezas de Ca al ZrO2: -- aumenta las vacancias de O2-
-- aumenta la tasa de difusión de O2-
Gas de referencia con contenido de oxígeno
fijo
O 2-
difusión
Gas con un mayor contenido de oxígeno
- + Diferencia de voltaje producido
sensor • Operación: -- se produce una diferencia de voltaje cuando los iones
de O2- se difunden de la
parte externa de la superficie
del sensor hacia el gas de
referencia.
Vidrios • Los vidrios son silicatos no cristalinos
que contienen otros óxidos (CaO, Na2O, K2O y Al2O3).
• No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso de forma continua.
• La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen específico vs. T) se denomina temperatura de transición vítrea Tg.
Métodos de
fabricación
de vidrios
-Prensado
-Soplado
-Estirado
-Formación de fibras
Cuarzo
(SiO2 cristalino)
Si 4+ Na +
O 2 -
Vidrio
(amorfo)
Métodos de fabricación de vidrios
Masa de vidrio
Molde de la preforma
operación de prensado
• Soplado:
Preforma suspendida
Molde
acabado
comprimido aire
• Prensado: Para fabricación de piezas
con paredes gruesas como
placas o platos.
Se aplica presión en un
molde de fundición
recubierto con grafito.
Producción de jarros,
botellas y bombillas de luz.
Preforma temporal por
prensado mecánico en un
molde. La pieza se coloca en
el molde final y es forzado a
adquirir la forma del molde
por la presión de aire
inyectado.
• Fiber drawing:
wind up
Métodos de fabricación de vidrios
• Estirado:
Para láminas, barras,
tubos y fibras con
sección constante.
Quemador Vidrio fundido
Lámina de vidrio Rodillo de
cambio direc.
Rodillo de
conformado
Apantallamiento térmico enfriado por
agua
El vidrio fundido está en una
cámara caliente. Las fibras se
forman haciendo pasar el vidrio
a través de pequeños orificios
en la base de la cámara.
• Recocido: --remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.
• Templado: --introduce tensiones residuales superficiales de compresión para
aumentar la resistencia.
--suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
Tratamientos térmicos del vidrio
further cooled
tension
compression
compression
before cooling
hot
surface cooling
hot
cooler
cooler
--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
Productos de arcilla
Productos estructurales de arcilla
Porcelanas
Ladrillos de construcción
Baldosas
Tuberías de aguas residuales
Porcelana
Productos de alfarería
Vajillas
Porcelana fina
Artículos sanitarios
Propiedades
-Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua
-Funde en un amplio intervalo de temperaturas
Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y
sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente.
• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado
• Las partículas se mezclan con agua
• secado y calcinado del componente
ram bille
t container
container
force die holder
die
A o
A d extrusion
--Conformación hidroplástica: Extrusión de una masa espesa a través
del orificio de una matriz que tiene la
geometría de la sección deseada.
Técnicas de conformado de arcillas
Componente sólido
--Moldeo en barbotina:
Es la suspensión
de arcilla y otros
materiales no
plásticos en
agua.
Componente hueco
Se vierte
en molde
Se drena
el molde “pieza
terminada”
Se vierte en molde
El molde absorbe el agua
Pieza
terminada
2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.