CERAMICAS AVANZADAS

INTRODUCCIÓN

 Cerámicas Avanzadas

 1. ¿Qué son las cerámicas avanzadas?

Son aquellos materiales que combinan las características y las ventajas de la cerámica tradicional, por ejemplo inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de soportar una tensión mecánica significativa.

Como toda cerámica, están formados por compuestos inorgánicos y no metálicos; además, a menudo son mezclas de varios componentes y/o materiales de fase múltiple que tienen estructuras cristalinas complejas.

Estos materiales se realizan generalmente para ser completamente densos y para tener tolerancias dimensionales ajustadas. Además de ser diseñados soportar niveles substancialmente más altos de la tensión mecánica y térmica, hay otras características importantes que hacen a la cerámica estructural avanzada diferente de las cerámicas tradicionales. Los polvos, las composiciones, el procesado, y micro estructura que resulta se deben controlar cuidadosamente para proporcionar los niveles requeridos del funcionamiento. Por lo tanto, la cerámica estructural avanzada es más costosa que cerámica tradicional.

Características físicas

La cerámica estructural avanzada posee una combinación de capacidades a alta temperatura, alta fuerza, tolerancia a la dureza o a defecto, alta dureza, resistencia mecánica a las altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, resistencia a la abrasión, y durabilidad a largo plazo.

En la Figura 1. Se muestra la tensión y las gamas de uso de temperaturas para SiC, Si3N4 y ZrO2. La cerámica de zirconia, que se utiliza bajo condiciones de la alta tensión y temperaturas moderadamente altas (hasta 600 ºC), tiene la fuerza más alta a baja temperatura. Aunque la dureza a baja temperatura del nitruro de silicio es menor que para la zirconia, el nitruro de silicio mantiene sus características hasta 1200 ºC. El carburo del silicio es algo más débil que el nitruro de silicio sobre todo el rango de temperaturas, pero mantiene buena dureza y resistencia a la abrasión a las temperaturas más altas (1500 ºC).

Figura 1.1

Las cerámicas avanzadas se dividen en dos grupos:

Oxídicas: Al2O3, ZrO2, MgO… No oxídicas: Si3N4, SiC, TiB2…

 2.Ejemplos

2.1 Si3N4(Nitruro de Silicio)

Propiedades de cerámicas basadas en nitruro de silicio

Propiedades que lo hacen atractivo como cerámica estructural

Elevada resistencia mecánica a altas temperaturas 

Buena resistencia al choque térmico 

Buena resistencia a la oxidación 

Baja densidad Aplicaciones

Rotores de turbinas Cámaras de pre-combustión Herramientas de corte

SiC (Carburo de Silicio)

 Propiedades de cerámicas basadas en carburo de silicio

Propiedades que lo hacen atractivo como cerámica estructural Elevada resistencia mecánica a altas temperaturas  Buena resistencia al choque térmico  Buena resistencia a la oxidación, corrosión y abrasión  Baja densidad 

2.2.3 Aplicaciones

Sellos mecánicos Intercambiadores de calor, elementos calefactores Turbinas de gas, turbocargadores

Al2O3(Alúmina)

Polimorfos α y β, estructura cristalina hexagonal

Propiedades de la Alúmina

Propiedades que lo hacen atractivo como cerámica estructural Elevada resistencia al desgaste Cualidades ópticas Alta resistividad Baja densidad

2.3.3 Aplicaciones

Sellos, revestimientos, abrasivo, boquillas de toberas 

Sustratos de circuitos electrónicos, dispositivos de guías y detección

  Aislantes eléctricos, enchufes, interruptores…

  Biomedicina

ZrO2(Zirconia)

2.4.1 Tipos de Zirconias1.Zirconia Cúbica2.Zirconia parcialmente Estabilizada3.Zirconia tetragonal policristalina

Mecanismos para mejorar la tenacidad de la Zirconia

Reducción de energía asociada al frente de una grieta por emplearse parte de ella en inducirla transformación

ΔV ->tensiones compresivas sobre el frente de grieta --> frenado o detención Formación de microgrietas --> ramificación de la grieta Transformación superficial por pulido – rectificado --> superficie a compresión

2.4.3 Propiedades que lo hacen atractivo como cerámica estructural

Tenacidad elevada Dureza alta Resistencia al desgaste Baja conductividad térmica Buena resistencia al choque térmico Aislante eléctrico Resistencia a la corrosión en ácidos y alcális Módulo de elasticidad parecido al acero Coeficiente de expansión térmica parecido al acero

2.4.4 Aplicaciones Componentes de bombas hidráulicas Motores cerámicos Componentes de consumo Prótesis

 

2.5 MgAl2O4(Espinela)

2.5.1 Diversas coloracionesLos colores y tonalidades bajo los que se presenta la espinela han dado lugar a diferentesvariedades:

Gahnoespinela. Variedad de un atractivo color azul debido a la presencia de hierro, zinc y,con menor frecuencia, cobalto.

Pleonasto. El contenido en hierro de esta variedad le confiere un color negro a verdeoscuro. También es conocida como ceilanita, por el nombre de la isla de Ceilán (actual SriLanka), donde existen importantes yacimientos.

Espinela roja. Es la variedad de color rojo intenso, relacionado con la presencia de cromo,que se puede intercambiar con aluminio.

 2.5.2 Presencia y aspect

La espinela se forma en rocas metamórficas, como los mármoles, y en rocas ígneas, como losgranitos, aunque también es fácil hallarla en depósitos aluviales, entre piedras y arenasarrastradas por los ríos. Estos depósitos se llaman placeres de gemas.Es una piedra transparente, fluorescente a los rayos ultravioleta y que existe en todos loscolores, si bien la tonalidad más apreciada es el rojo intenso semejante al del rubí.

2.5.3 Propiedades

Piedra mágica que ahuyentaba la melancolía, la espinela roja ha sido considerada durante muchotiempo uncarbunco, nombre que se daba a las piedras preciosas que, como el rubí, se suponíaque en la oscuridad brillaban como un carbón encendido.

Antiguamente la espinela se empleaba con frecuencia en las prácticas de magia en sustitucióndel rubí, por considerarse que ambas piedras compartían las mismas vibraciones energéticas positivas.

Asimismo, la espinela se solía emplear para montarla en joyas nobiliarias y eclesiásticas, enlugar del rubí (en muchos casos con buena fe, porque no se hacía distinción entre ambas piedras).

2.5.4 Aplicaciones

La espinela, que se extrae sobre todo para ser usada en joyería, se utiliza como piedra de tallamontada en sortijas, pulseras, pendientes o collares. Los ejemplares que no sirven como gemasse destinan, gracias a la dureza de esta piedra, a la fabricación de mecanismos de relojería,depolvos abrasivos y de cerámicas superelásticas (capaces de estirarse hasta el doble de su tamaño original, sin cambiar sus propiedades físicas), mediante el proceso de deformación plástica.

2.5.5 Deformación plástica de la espinela

Lo fundamental en el proceso de forjado de la espinela es la obtención de una solución, sobresaturada, de finísimos granos de la cerámica en cuestión por lo que, éstos no pueden formar microgrietas en los bordes de los granos cuando se le aplica un esfuerzo al elemento cerámico. Por otra parte, los granos más grandes únicamente pueden aliviar las tensiones por el agrietamiento en la superficie de contacto. Los planos de granos muy finos tienden a deslizarse bajo pequeños esfuerzos continuos, lo que hace el proceso más viable económicamente; elevadas tensiones continuadas podrían romper las matrices forjadas. En los ensayos, la espinela se deforma bajo tensiones elevadas con velocidades de deformación de 10-5 a 10-3 Sg-l y temperaturas entre 1450 °C y 1612 °C. Además, se vuelve dúctil para bajas velocidades de deformación (bajas velocidades de aplicación de la tensión) y elevadas temperaturas, especialmente a temperaturas próximas a la de fusión. Aunque se obtienen alargamientos varias veces superiores a la longitud primitiva de la probeta, la forma y tamaño de los cristales permanece equiaxial e igual. La forja super plástica de la espinela ha sido ya ensayada para tratar de mejorar su fiabilidad a causa de los fallos por defectos estructurales.

2.5.6 Espinelas célebres

Existen espinelas que ocupan un lugar de honor en la historia. La más famosa es una piedra deun rojo intenso que adorna la corona de Catalina II de Rusia. Le siguen dos magníficas espinelasque en su día se engarzaron como rubíes en la Corona imperial británica: el Rubí Príncipe Negro, de 170 quilates, y el Rubí Timur , de 352 quilates, que lleva grabados los nombres devarios emperadores mongoles

B4C (Carburo de Boro)

2.6.1 Características

Algunas de sus principales características son las siguientes: Extremadamente duro Dureza de 9.3 en la escala de los Mohs Es el quinto material más duro Masa molar: 55.255g/mol Tiene aspecto de polvo negro Densidad: 2.52g/cm3 Punto de fusión: 2350ºC Punto de ebullición: > 3500ºC Es insoluble en agua Posee un corte transversal con alta absorción de neutrones

2.6.2 Aplicaciones

El carburo de boro se adecúa bien a distintas aplicaciones industriales, como: Abrasivos para lapeado y corte ultrasónico Antioxidante en mezclas refractarias de aglomerado con carbón Blindajes Aplicaciones nucleares, tales como barras de control de reactores y protección para

absorción de neutrones Piezas de desgaste como las toberas soplantes, hileras de estirado, matrices de

formado pulvimetalúrgicas y de cerámica, guías de roscas Material usado en tanques, armaduras, chalecos a pruebas de balas…

 2.7 TiC (Carburo de Titanio)

2.7.1 CaracterísticasAlgunas de sus principales características son las siguientes:

Es extremadamente refractario Tiene el aspecto del polvo negro Su estructura cristalina es cúbica Masa molar: 59.89g/mol Densidad: 4.93 g/cm 3   Punto de fusión: 3160 ºC Extremadamente duro Es muy brillante Conductor de la corriente eléctrica Es estable frente a los ácidos.

2.7.2 Aplicaciones Fabricación de discos de cierras y brocas A veces se utiliza como protector de calor para el reingreso atmosférico de las

lanzaderas espaciales y de vehículos similares También se utiliza para pulir Está presente en relojes Fabricación de engranajes, ejes y piñones

Las cerámicas son materiales sólidos que no son ni metales ni polímeros aunque pueden tener elementos metálicos y orgánicos como constituyentes o aditivos. Las cerámicas se pueden presentar en forma amorfa, vítrea, monocristalina, policristalina o combinaciones de algunas de ellas. Estos materiales tienen dos características importantes: por un lado, su capacidad de resistir al calor y por otro, su resistencia al ataque químico, que son debidas sustancialmente a la fortaleza del enlace entre sus átomos.

“Estos materiales no metálicos ni poliméricos son duros, resisten el calor y el ataque químico y adquieren propiedades eléctricas especiales. La investigación busca ahora la solución de su principal defecto: la tendencia que muestran a romperse.”H. Kent Bowen

Las cerámicas avanzadas son aquellos materiales que combinan las características y las ventajas de la cerámica tradicional (por ejemplo inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza), con la capacidad de soportar una tensión mecánica significativa.

Estos materiales suelen ser densos y soportar niveles substancialmente más altos de la tensión mecánica y térmica.

Los polvos, las composiciones, el procesado, y microestructura se deben controlar para proporcionar los niveles requeridos para el uso que necesitemos en ese momento. Por lo tanto, la cerámica estructural avanzada es más costosa que cerámica tradicional.

¿Cuáles son los que se denominan actualmente materiales cerámicos avanzados o nuevos materiales cerámicos? Las figuras 1.1 y 1.2 muestras las diferencias entre los materiales cerámicos tradicionales y los avanzados en términos de materias primas, proceso de conformado, proceso de cocción, productos finales y estructura.

Con excepciones, y éstas referidas a los materiales cerámicos no oxídicos, hay que tener presente que los nuevos materiales cerámicos avanzados está constituidos por los mismos elementos que los materiales cerámicos tradicionales, luego desde ese punto de vista no son nuevos materiales, sino que son nuevos productos que teniendo una constitución mineralógica análoga a los cerámicos tradicionales, presentan, sin embargo, unas propiedades muy superiores a las de estos últimos. Entonces, cabe preguntarse a que se debe esa diferencia tan acusada en cuanto a sus propiedades.

Figura 1.1.- Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas.

Figura 1.2.- Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas.En particular, las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas, así como la combinación de estas propiedades únicas de las cerámicas han sido explotadas en muchas aplicaciones; pueden ser utilizadas en motores de combustión interna y en turbinas, como placas para blindajes, en el empaquetamiento electrónico, como herramientas de corte, así como en la conversión, almacenamiento y generación de energía.

CARACTERISTICAS FISICAS

La cerámica estructural avanzada posee una combinación de capacidades:

- A alta temperatura

- Alta fuerza

- Tolerancia a la dureza o a defecto

- Alta dureza

- Resistencia mecánica a las altas temperaturas

- Resistencia al desgaste

- Resistencia a la corrosión

- Resistencia al choque térmico

- Resistencia al abrasión

- Durabilidad a largo plazo.

TIPOS DE CERAMICAS AVANZADAS

Las cerámicas avanzadas se dividen en dos grupos:

1. Oxídicas: zirconia (ZrO2); alúmina (Al2O3) ………..

2. No oxídicas: nitruro de silicio (Si3N4); carburo del silicio (SiC) …….

Nitruro de Silicio

Propiedades :

- Elevada resistencia mecánica a altas temperaturas

- Buena resistencia al choque térmico

- Buena resistencia a la oxidación

- Baja densidad

Aplicaciones :

- Rotores turbinas

- Cámaras de pre-combustion

- Herramientas de corte

Carburo de Silicio

Propiedades :

- Elevada resistencia mecánica a altas temperaturas

- Buena resistencia al choque térmico

- Buena resistencia a la oxidación, corrosión y abrasión

- Baja densidad

Aplicaciones :

- Sellos mecánicos

- Intercambiadores de calor, elementos calefactores

- Turbinas de gas, turbocargadores

Alúmina

Propiedades:

- Elevada resistencia al desgaste

- Cualidades ópticas

- Alta resistividad

- Baja densidad

Aplicaiones:

- Sellos, revestimientos, abrasivo, boquillas de toberas

- Sustratos de circuitos electrónicos, dispositivos de guias y detección.

- Aislantes eléctricos, enchufes, interruptores…

- Biomedicina

Zirconia

Tipos :

- Zirconia cubica

- Zirconia parcialmente estabilizada

- Zirconia tetragonal policristalina

Propiedades :

- Tenacidad elevada

- Dureza alta

- Resistencia al desgaste

- Baja conductividad térmica

- Buena resistencia al choque térmico

- Aislante eléctrico

- Resistencia a la corrosión en ácidos y álcalis

- Modulo de elasticidad parecido al acero

- Coeficiente de expansión térmica parecido al acero

Aplicaciones:

- Componentes de bombas hidráulicas

- Motores cerámicos

- Componentes de consumo

- Prótesis