Introducción a los Materiales Cerámicos

Los cerámicos son materiales inorgánicos de carácter no metálico, caracterizados por sus enlaces covalentes (que aportan direccionalidad) e iónicos (con repulsión de cargas). Presentan un alto módulo elástico, densidad moderada, bajo coeficiente de dilatación, y una notable resistencia química y térmica. Es importante destacar que la resistencia a tracción de los cerámicos disminuye exponencialmente con la fracción volumétrica de poros.

Tipos Principales de Cerámicos

• Tradicionales (de cocción): Incluyen materiales triaxiales (compuestos por arcilla para hidroplasticidad, feldespato como fundente y cuarzo como refractario), lozas, porcelanas y refractarios.
• Vidrios: Materiales amorfos basados en redes de silicatos.
• Cementos y Hormigón: Conglomerados hidráulicos esenciales en la construcción.
• De Ingeniería o Tecnológicos: Compuestos de alta pureza diseñados para aplicaciones específicas.
• Funcionales: Utilizados en condensadores, semiconductores cerámicos y materiales piezoeléctricos, entre otros.

Cerámicas Cristalinas: Estructura y Propiedades

Cerámicas Iónicas

Ejemplos notables son las Perovskitas como el BaTiO₃ y el SrTiO₃. Su red se deriva de una estructura cúbica simple, donde el Ba²⁺ se sitúa en los vértices, el Ti⁴⁺ en el centro y el O^2- en las caras. Estos materiales son valorados como transductores debido a sus propiedades eléctricas especiales, generando impulsos eléctricos por deformación de la red. Además, se utilizan como refractarios, abrasivos y aislantes eléctricos.

Cerámicas Covalentes

En estas cerámicas, todos los átomos de oxígeno de cada tetraedro son compartidos con tetraedros adyacentes, formando estructuras ordenadas (como el cuarzo, la cristobalita y la tridimita) o estructuras desordenadas (como los vidrios).

El Sistema Sílice (SiO₂)-Alúmina (Al₂O₃)

Este sistema es de gran importancia, ya que sus componentes son los principales constituyentes de los materiales refractarios, conocidos por su resistencia a altas temperaturas y al choque térmico.

Cerámicas de Ingeniería: Compuestos Avanzados

Las cerámicas de ingeniería están constituidas por compuestos puros o casi puros, como óxidos, carburos y nitruros, a menudo combinados con otros óxidos refractarios.

Alúmina (Al₂O₃)

• Alta resistencia a temperaturas elevadas (refractario).
• Aplicaciones eléctricas debido a su alta resistividad.

Nitruro de Silicio (Si₃N₄)

• Excelente resistencia al impacto.
• Material refractario.
• Utilizado en herramientas de corte, rodillos antifricción y cojinetes de bolas.

Carburo de Silicio (SiC)

• Alta resistencia al desgaste, ideal para cojinetes de bolas y troqueles de extrusión.
• Resistencia a la oxidación a altas temperaturas (inerte), con aplicaciones en procesos químicos (válvulas, toberas).

Zirconia (ZrO₂)

• Presenta polimorfismo.
• La Zirconia Parcialmente Estabilizada (PSZ) es una cerámica de alta tenacidad.

Zirconia Parcialmente Estabilizada (PSZ)

En la PSZ, pequeñas partículas de ZrO₂ se dispersan dentro del material. La adición de pequeñas cantidades de CaO, MgO, Y₂O₃ o CeO permite retener la estructura tetragonal metaestable a temperatura ambiente. El incremento de tensiones que se origina en la punta de una fisura induce una transformación a la fase monoclínica, lo que provoca un aumento de volumen y una compresión en la fisura, deteniendo así su avance y confiriendo una mayor tenacidad al material.

Procesamiento de Cerámicas: De Polvo a Producto Final

Los productos cerámicos, tanto tradicionales como técnicos, se manufacturan compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentadas a altas temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el proceso de aglomeración de partículas cerámicas son:

1. Preparación del Material

La mayoría de los productos cerámicos se fabrican por aglomeración de partículas. Las materias primas varían según las propiedades requeridas para la pieza terminada. Las partículas y otros constituyentes, como aglutinantes y lubricantes, pueden mezclarse en seco o en húmedo.

• Para productos cerámicos con propiedades menos críticas (ej. ladrillos comunes, tuberías de alcantarillado), la mezcla de ingredientes con agua es una práctica común.
• Para materiales cerámicos más avanzados, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos específicos.

Las fases de preparación incluyen la preparación de polvos, el formado de barro húmedo, el secado y la cocción.

2. Moldeado o Conformado

Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante diversos métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Aunque los procesos de conformado en frío son predominantes, los procesos de modelado en caliente también se utilizan con frecuencia.

Técnicas de Conformado Comunes:

• Vaciado deslizante: Utilizado para jarrones y piezas huecas.
• Prensado: Ideal para cerámicas de piso.
• Torneado manual y ligero: Empleado en vasijas y platos.
• Prensado en seco: Para productos refractarios.
• Compactación isostática: Usado en la fabricación de ladrillos.
• Extrusión: Para tuberías en general.

Vidrios y Vitrocerámicas

Vidrios

Los vidrios son compuestos que, al enfriarse desde el estado líquido, solidifican sin cristalizar, formando una estructura amorfa. Se componen de:

• Óxidos formadores: Como SiO₂, B₂O₃, V₂O₃, GeO₂, que constituyen la red vítrea.
• Óxidos modificadores: Como Na₂O, Y₂O₃, MgO, CaO, PbO₂, que rompen la red y reducen la viscosidad.
• Óxidos intermedios: Como PbO₂, Al₂O₃, BeO, CaO, TiO₂, que confieren características especiales.

Tipos de Vidrios

• Vidrios de Cuarzo:
  • Resistentes al choque térmico.
  • Difíciles de fabricar.
  • Aplicaciones en lunas de vehículos especiales y óptica.
• Vidrios Sodo-Cálcicos (Vidrio Corriente):
  • Fáciles de fabricar.
  • Utilizados en láminas de vidrio, ventanas, recipientes y bombillas eléctricas.
• Vidrios con Plomo:
  • Fácilmente fundibles con buenas propiedades eléctricas.
  • Protegen de la radiación de alta energía.
  • Empleados en carcasas de fluorescentes y cristal decorativo.
• Vidrios Borosilicatos (Pyrex):
  • Baja expansión térmica.
  • Buena resistencia al choque térmico.
  • Alta estabilidad química, ideal para la industria química.

Vitrocerámicas

Las vitrocerámicas son materiales con propiedades combinadas de vidrios y cerámicas cristalinas, destacando por:

• Buena resistencia mecánica y tenacidad.
• Bajo coeficiente de expansión térmica.
• Alta resistencia al choque térmico.
• Alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas.
• Anisotropía de la conductividad térmica: baja conductividad en el plano y muy alta en la dirección perpendicular.

Cementos y Hormigón

Cementos

El cemento es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente molido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua mediante reacciones de hidratación. Una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad, siendo fundamental en la construcción.

Hormigón

El hormigón es una mezcla de cemento, áridos granulares, agua y aire ocluido. Se caracteriza por:

• Facilidad para ser colocado in situ.
• Adquiere resistencia a temperatura ambiente.
• Material durable y resistente al fuego.
• Fácil de reparar.
• Materias primas fáciles de encontrar.

Desventajas del Hormigón:

• Baja resistencia a tracción.
• Inestabilidad dimensional.
• Peligro de formación de grietas en periodos de congelación y descongelación.

Propiedades del Hormigón Fresco:

• Docilidad: Capacidad del hormigón fresco de deformarse (fluidez). Se mide en el ensayo del cono de Abrams.
• Homogeneidad: Cualidad de distribución uniforme de todos los componentes del hormigón en toda la masa, evitando la segregación o decantación. Se mide por la masa específica de porciones de hormigón fresco separadas entre sí.
• Masa Específica: Es la relación entre la masa del hormigón fresco. La densidad del hormigón fresco compactado es una medida del grado de eficacia del método de compactación empleado.

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