Materiales Cerámicos: Tipos, Propiedades y Aplicaciones

MATERIALES CERÁMICOS

1. Introducción y Clasificación

1.1 Introducción

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos (exentos de carbono) de estructura no metálica que pueden formarse de 2 maneras:

• Elemento metálico + Elemento metálico
• Elemento NO metálico + Elemento metálico

La unión de estos elementos, siempre mediante enlaces iónicos o covalentes, dotarán a las cerámicas de unas determinadas propiedades químicas (muy variables entre sí y en general, respecto a metales y polímeros).

1.2 Propiedades

• Propiedades mecánicas: duros y frágiles, poca tenacidad.
• Aislantes eléctricos y térmicos en general.
• Puntos de fusión elevados.
• Estables frente a la corrosión.
• El procesado afecta más a sus propiedades que en los metales o polímeros.

1.3 Clasificación

Podemos hacer una clasificación en función de la complejidad y uso de los materiales cerámicos:

2. Vidrios

Materiales cerámicos obtenidos a partir de compuestos inorgánicos, calentados hasta su fusión y enfriados hasta un estado rígido no cristalino (amorfo), cuyo elemento predominante es la sílice.

Presentan de esta forma, una condición análoga a la de su estado líquido (con posibilidades de transición entre estado líquido y vítreo), logrando una viscosidad tan elevada, que pueden considerarse rígidos a efectos prácticos.

Estos no solidifican a una temperatura bien definida, sino que van haciéndose más viscosos y siendo reducido su volumen lentamente con la reducción de temperatura.

La temperatura a la que se produce un cambio en la dependencia térmica del volumen es la Tg (temperatura de transición vítrea), y por debajo de la misma, el material se considera vidrio y por encima, primero líquido subenfriado y luego líquido.

1. El punto de fusión corresponde a la temperatura a la cual, la viscosidad es 10 Pa-s (100 P); el vidrio es suficientemente fluido para ser considerado como líquido.
2. El punto de trabajo representa la temperatura a la cual, la viscosidad es Pa-s ( P); el vidrio es fácilmente deformado a esta viscosidad.
3. El punto de ablandamiento, temperatura a la cual, la viscosidad es Pa-s ( P); es la temperatura máxima a la cual, una pieza de vidrio puede ser manipulada sin producir alteraciones dimensionales significativas.
4. El punto de recocido es la temperatura a la cual, la viscosidad es Pa-s ( P); a este temperatura, la difusión atómica es suficientemente rápida para que cualquier tensión residual pueda ser eliminada en aproximadamente 15 min.
5. El punto de deformación corresponde a la temperatura a la cual, la viscosidad alcanza valores de Pa-s ( P); para temperaturas por debajo del punto de deformación, la fractura ocurre antes que la deformación plástica. La temperatura de transición vítrea estará por encima del punto de deformación.

2.1 Vidrios Naturales

Aquellos que obtenemos directamente de la naturaleza. Existen diversos métodos de obtención de vidrios naturales:

• Enfriamiento de lavas volcánicas (Hawái, Japón, Islandia):
  • Obsidiana
  • Piedra pómez
• Aplicación de ondas de choque por impacto a meteoritos (Libia):
  • Tectitas
• Procesado de esqueletos de algunas esponjas de aguas profundas:
  • Monoharpis

2.2 Vidrios Artificiales

• Vidrios de Óxidos.
• Vidrios de Haluros.
• Vidrios de Calcógenos.
• Vidrios Metálicos.
• Vidrios Orgánicos.

2.2.1 Vidrios de Óxidos

1. Vidrios de un componente (óxido formador):

   SiO2: resistencia química (HF, OH-), transparente a UV, Cuarzo fundido o hidrólisis en fase vapor de SiCl4.

   B2O3: basado en BO3, no se conoce su estructura, higroscópico (sólo no usado industrialmente).

   P2O5: PO4 (O=PO3), hidrolizable (no usado sólo).

   GeO2: GeO4, más interés teórico.

2. Vidrios de varios óxidos formadores (fibra óptica):

   SiO2-TiO2 (coef. expansión casi 0, espejos telescopios), SiO2- B2O3, SiO2- P2O5, SiO2- GeO2.

   Estructura no resuelta (ej: Si-O-B-O-Si o microdominios).

3. Vidrios de óxidos formadores y otros óxidos:

   Óxidos Formadores:

   SiO2, B2O3 (15%)>

   +UV -IR

   Óxidos Modificadores:

   Na2O, Li2O, K2O, CaO, BaO

   Óxidos Intermedios:

   Al2O3, ZnO, CdO, PbO, TiO2, ZrO2

2.2.2 Vidrios de Haluros

Se conocen básicamente, desde 1975. BeF2 (SiO2) láseres de alta potencia para aplicaciones de fusión termonuclear; ZrF4 (50%) + BaF2 (30%) + otros (LnF3 AlF3) fibra óptica.

2.2.3 Vidrios de Calcógenos

Son combinaciones de elementos del grupo VI (S, Se, Te) con elementos del grupo IV (Si, Ge) y grupo V (P, Sb, Bi). Son vidrios que no contienen oxígeno y son interesantes por sus propiedades de transmisión óptica de IR o sus propiedades como interruptores eléctricos.

2.2.4 Vidrios Metálicos

Su descubrimiento es relativamente reciente y son metales que presentan una estructura amorfa que al ser obtenidos a partir de aleaciones fundidas por enfriamientos ultra-rápidos, presentan una gran variación de propiedades con respecto al resto de vidrios.

Aleaciones Metal-metaloide (M1, M2,…)80(m1, m2,…)20 (aprox.):

M= Au, Pd, Pt, Fe, Ni, Mn…

m= Si, Ge, P, C, B

Aleaciones metal-metal (M1)50(M2)50 (aprox.):

M1 suele ser de transición.

Mg65Cu35 Au55Cu45

Zr50Cu50 Ni60Nb40

Zr72Co28 Sn90Cu10

2.2.5 Vidrios Orgánicos

Se preparan a partir de compuestos representables por R⁺n Si (OR)_4ndonde R y R⁺ representan restos orgánicos (alquido, alcoxi) u otros grupos funcionales.

• Tipos:

– Glicerina – Polímeros

– Azúcares – Copolímeros

2.3 Procesado de Vidrios

El vidrio se produce calentando las materias primas, por encima de su temperatura de fusión y enfriándolas hasta un estado amorfo.

La mayoría de estos son de la variedad sílice-sosa-cal, aportándose la sílice en forma de arena de cuarzo común y la adición de ceniza de sosa y piedra caliza.

Existen 3 métodos de obtención de vidrios, que nos darán a su vez vidrios con propiedades variables:

• Vidrio laminar

  Consiste en la unión de varias láminas de vidrio mediante una película de polivinilo y resina, o simplemente, por la mezcla de sus ingredientes. Estas láminas confieren seguridad adicional ante roturas y una mayor flexibilidad. Se consiguen mediante 3 etapas.

  1. Laminado: mediante rodillos se lamina el vidrio bruto, obteniendo unas dimensiones de 3-15 mm de espesor, hasta 3,6 m de ancho con una eficacia de 0,5-5 m/minuto.

  Para un rendimiento mayor del laminado, se procede posteriormente a realizar un descostrado con hierro fundido, arena y agua, y un pulido con cuero y óxido de hierro.

  1. Estirado: Tiene como objetivo, reducir la sección vidrio mediante deformación plástica, empleando una matriz de un material metálico muy duro insertado en un bloque de acero. Pretende que la sección ronde entre los 1,4-6 mm con un rendimiento que varía entre los 25-140 m/h según el método.
  2. Flotación: Tiene como objetivo, la separación de especies minerales mediante la adhesión selectiva de partículas minerales a burbujas de aire, mediante un proceso físico químico en los tres estados (liq, sól, gas). La planaridad se consigue mediante el contacto de un baño de Sn y la tensión superficial. Los espesores rondan los 6,5 mm y su rendimiento es de 5 a 10 veces superior que en el estirado. Este proceso mejora significativamente la planitud y el acabado superficial del vidrio.
• Vidrio Conformado

  El vidrio conformado presenta gran resistencia a la compresión, a la flexión y al choque. Existen 3 métodos para su obtención:

  1. Prensado: Se fabrica empleando unas prensas de un material duro, para su posterior caldeo vítreo y vaciado en algún molde metálico.
  2. Soplado: Se inyecta aire dentro del material para la creación de burbujas en el fondo, con el fin de aumentar su resistencia.
  3. Centrifugado: Se realiza un proceso de colado, forzando al vidrio contra las paredes de un molde que gira a gran velocidad.
• Vidrio Templado

  Es aquel vidrio que mediante tratamientos térmicos, va aumentando su resistencia estructural a la fractura.

  El templado tiene como objetivo, el incremento intencionado de las tensiones superficiales para el aumento de su resistencia. Para ello, se aumenta la temperatura del vidrio más allá de su temperatura de transición vítrea (sin sobrepasar la temperatura de ablandamiento) y se enfría bruscamente hasta la temperatura ambiente, para conseguir grandes diferencias de velocidades de enfriamiento entre superficie e interior del material y así obtener tensiones residuales.

3. Cerámicos Cristalinos Tradicionales

Son aquellos materiales cerámicos cristalinos, constituidos por tres componentes básicos: arcilla, feldespato y sílice.

3.1 Arcilla (nAl2O3·mSiO2·xH2O)

Está constituida por agregados de silicatos de aluminio. Surge normalmente de la descomposición de rocas que contienen feldespato, como la caolinita, de pequeñas láminas rugosas de forma hexagonal con un diámetro aproximado de 1 mm y de grosor una media centésima de milímetro. Es estable hasta 600ºC. También encontramos:

– Metacaolinita à entre 600ºC y 1000ºC (estable) Al2O3·2SiO2

– Mullita à de 1000ºC en adelante es estable (3Al2O3.2SiO2) + 4SiO2

3.2 Feldespato (M2O·nAl2O3·mSiO2·xH2O) y Silicatos de Magnesio (nMgO·mSiO2·xH2O/Al2O3)

El feldespato se emplea como aditivo, que permite la formación de la fase liquida vítrea a menores temperaturas.

Vemos como presenta una reacción eutéctica a 1150ºC, formándose Leucita y líquido.

Por otro lado, los Silicatos de Magnesio tienen multitud de usos, tanto a nivel farmacéutico como cosmético.

3.3 Sílice (SiO2)

Se trata de uno de los componentes de la arena, que presenta normalmente estructuras tipo corindón o tridimita y que aparece naturalmente en varias formas polimórficas.

• Cuarzo: en fase β presenta estructura hexagonal y es estable hasta los 867ºC. Puede obtenerse fase α del cuarzo mediante una rápida variación de temperatura hasta 573ºC, que presenta estructura rómbica.
• Tridimita: en fase β presenta estructura hexagonal y es estable entre 867ºC y 1470ºC. Puede obtenerse fase α del cuarzo mediante una rápida variación de temperatura de entre 120ºC y 260ºC, que presenta estructura rómbica.
• Cristobalita: se trata de la fase cubica a altas temperaturas del sílice, su fase β es estable entre 1470ºC y 1713ºC, y puede obtenerse fase α del cuarzo mediante una rápida variación de temperatura de entre 200ºC y 280ºC, de la cual, no se sabe la estructura.

3.4 Cementos

Aquí se clasifican varios inorgánicos: cemento, yesos y caliza, muy económica y empleada normalmente en construcción.

3.5 Refractarios

Capaces de soportar grandes temperaturas sin fundirse ni descomponerse, gran resistencia a medios agresivos y buenos aislantes térmicos. Por ejemplo: ladrillos.

3.6 Procesado de Cerámicos Tradicionales

Ya vimos de forma más específica, el proceso de conformado de los vidrios. Vamos a dar una visión más general al procesado cerámico.

• 1ª etapa: Síntesis y preparación del material.

  Por trituración, hemos obtenido polvo del material a tratar, el cual, trataremos mediante proceso de mezcla, compactación, trituración, pulverización y de secado a base de añadir aditivos.

• 2ª etapa: Formación de arcilla húmeda y posterior tratamiento.

  En esta etapa, obtendremos formas más útiles de arcilla mediante dos procesos:

  1. Moldeado: tratamiento con arcilla húmeda, mediante proceso de presión isostática uniaxial, extrusión mediante tubos móviles, de rotación y de moldeo mediante moldes porosos para la obtención de la pieza en bruto.
  2. Fundición: la fundición suele realizarse en barbotina de manera compacta. El proceso consiste en verter la arcilla húmeda en un molde donde el agua sea absorbida para obtener la pieza en bruto.
• 3ª etapa: Consolidación térmica en un objeto denso.

  Vamos a consolidar la pieza anteriormente obtenida, mediante tres procesos:

  1. Secado: Mediante hornos, se procede al secado de posibles restos de agua.
  2. Sinterizado: Un tratamiento térmico en una temperatura inferior que la de fusión para incrementar la fuerza y resistencia de la pieza, creando enlaces fuertes entre partícula.
  3. Vitrificado: Es necesario feldespato. Elimina los poros restantes de la sinterización. Se calienta y se funde el feldespato y ese líquido rellena los poros, luego se vitrifica.

4. Cerámicos Avanzados (de Ingeniería)

Aquellos destinados a aplicaciones tecnológicas a escalas menores, dedicados en general a campos en ingeniería. Constituidos normalmente por compuestos puros (o casi) con propiedades increíblemente superiores a las tradicionales, aunque de mayor coste tanto por la obtención de los materiales brutos como de su optimización.

4.1 Alúmina

Inicialmente usada como refractario de alta pureza, resistente a altas temperaturas. Hoy en día, se usa en aplicaciones eléctricas, aunque en circuitos electrónicos se sustituye por AlN con 10 veces mejor conductividad térmica y coef. De expansión similar al del Si.

Propiedades: (todas buenas excepto anisotropía)

• Buen módulo de Young (380-400 GPa)
• Presenta diferentes propiedades mecánicas a lo largo de sus diferentes direcciones (anisotrópico)
• Buena dureza 16-18 GPa
• Buena tenacidad 3,5-4,5 MPs m^1/2
• Buena resistencia 300-500 MPa
• Buen tamaño de grano (se reducen con la presión)
• – Buen coeficiente de expansión térmica y conductividad térmica (8W/mK)

4.2 Nitruro de Silicio

1. Es junto al SiC, el de mayor uso industrial.
2. El Si3N4 se disocia significativamente a temperaturas por encima de los 1.800 °C
3. Para promover el sinterizado, se utilizan varias cantidades de aditivos de óxidos.
4. Por ejemplo, se puede producir nitruro de silicio por compactación en caliente usando de un 1 a un 5 % de MgO.
5. Se han desarrollado cuatro procesos principales para el nitruro de silicio: proceso por reacción de unión (RBSN), proceso de compactación en caliente de nitruro de silicio (HPSN), proceso de nitruro de silicio sinterizado (SSN) y proceso de nitruro de silicio de compactación isostática en caliente (HIP-SN).

Propiedades: (todas buenas excepto módulo elástico)

• Excelente resistencia a variaciones bruscas de temperatura.
• Buena conductividad térmica.
• Problemas con el modulo elástico.
• Buena resistencia.
• Buena densidad.

4.3 Carburo de Silicio

Usado como abrasivo o empleado en LED’s o para fibras, de estructura cubica tipo blenda (β) o hexaédrica tipo Wurtzite (α). Ambas estables hasta 1800ºC.

Propiedades:

• Alta dureza.
• Alta resistencia a la oxidación.
• Estructura cristalina similar al diamante.
• Es difícil de sintetizar por su enlace 100% covalente.

4.4 Vitrocerámicas

Material vítreo en un 10% y cristalino en el 90% restante. De composición similar al vidrio y de propiedades cercanas a las cerámicas, se emplean en cocinas, para vajillas, circuitos impresos, cambiadores de calor, etc.

Propiedades:

Las vitrocerámicas combinan algunas características de los materiales cerámicos y de los vidrios dando lugar a un conjunto muy interesante de propiedades;

• Alta resistencia mecánica.
• Alto punto de fusión.
• Alta conductividad térmica.
• Gran facilidad de fabricación.
• Buenos conductores térmicos pero bajo coeficiente de expansión térmica.
• Baja conductividad eléctrica.