PRODUCCIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS VS LA...
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DEPARTAMENTO DE MATERIALES LABORATORIO DE CERÁMICA
PRODUCCIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS VS LA INGENIERÍA
MECÁNICA
Dr. Rafael A. Uribe [email protected] / [email protected]
Julio 2015
1
CONTENIDO
PRODUCTOS CERÁMICOS - APLICACIONES
Estructura-Procesamiento-Propiedades
PRESENTACIÓN – EPN-FIM
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICAS
REFERENCIAS
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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PRESENTACIÓN
3
MisiónContribuir en el desarrollo y progreso del país a través de la generación ytransferencia de conocimientos científicos y tecnológicos, innovacióntecnología y la educación del talento humano, líderes e innovadores en elcampo de la Ingeniería Mecánica, capacitados para competirglobalmente, y respetuosos con el medio ambiente.VisiónLa Facultad de Ingeniería Mecánica mantendrá el liderazgo nacional através de la docencia, la investigación y la innovación e interacción con elmedio, formando profesionales que respondan creativa y eficazmente alas condiciones y desafíos que plantea la inserción del Ecuador en elorden mundial.
EPNFacultad de Ingeniería
Mecánica
PRESENTACIÓN
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El Ingeniero Mecánico está en capacidad de:
• Laborar en las siguientes áreas: producción, instalaciones, diseño desistemas y equipos mecánicos, supervisión de proyectos e instalaciones,manufactura, fabricación metal-mecánica, conformado de materiales nometálicos, calidad, investigación aplicada y desarrollo tecnológico, así comomantenimiento y administración.
• Colaborar en plantas de conversión de energía, empresas e instituciones delsector público o privado, cuyo objetivo sea el uso racional de energía y losprocesos de manufactura.
• Otras áreas laborales se ubican en las industrias petroleras, de generación deenergía eléctrica, minera, siderúrgica, agroindustrial, de alimentación ysalud, así como en los servicios de transporte.
• También es posible el ejercicio independiente de la profesión; la formaciónde su propia empresa; el trabajo en centros de investigación y eninstituciones de educación superior.
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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10
9
7 2
VENTA MUNDIAL INDUSTRIA CERÁMICA
VIDRIOS AVANZADAS BLANCA ESMALTE REFRACTARIOS ARCILLAS
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MERCADO DE LAS CERÁMICAS
PROCESOS ARTESANALES PROCESOS AUTOMATIZADOS
IND
UST
RIA
EN
EL
ECU
AD
OR
6
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
Diagrama descriptivo general de fabricación de productos de arcilla roja.Fuente: http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/369102/369102_ee.htm (marzo 2011).
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MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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0 5 10 15 20 25 30 35
Vidrios planos
Iluminación
Contenedores
Fibra de vidrios
Tubos de TV, CRTs
Utensilios
Técnico/laboratorio
Otros
Mercado Global del Vidrio
MERCADO DE LAS CERÁMICAS Cerámicas de IngenieríaCerámicas Estructurales
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HIDROXIAPATITA
BIOCERÁMICAS
VITROCERÁMICAS
( 20% MERCADO )
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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Cerámicas Blancas
Cerámica Plana(Pisos-Azulejos)
Artículos Sanitarios (taza de baño, urinarios, lavamanos, otros)
Artículos de Cocina (Platos, tazas, utilitarios)
( 20% MERCADO )
( 70% MERCADO )
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
El esmalte de porcelana es la capa cerámica aplicada a muchos
artículos de metal (acero) como las estufas de la cocina, lavadoras y
secadoras, entre otros.
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Esmaltes de Porcelana
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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50% de las cerámicas refractarias se consumen en la industria siderurgia. Los mayores productores de acero
China, Japón, USA
Refractarios
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
Fuente: http://www.alfareria-venezuela.com/
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Piezas de Arcillas Cocida
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
Materiales
Nitruro de Silicio (Si3N4)
Carburo de Silicio (SiC)
Zirconia (ZrO2)
Carburo del Boro (B4C)
Alúmina (Al2O3)
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VIDRIO vs CERÁMICAS AVANZADAS
[Problemas]
APLICACIONES
Aplicaciones →
Herramientas de corte
Componentes y partes de uso
Intercambiadores de calor
Propiedades
Alta dureza
Baja densidad
Resistencia mecánica a altas temperaturas
Resistencia al desgaste
Resistencia de corrosión e inercia química
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
Problemas a resolver para diversificar aplicación Cerámicas Avanzadas:
Reducir el costo del producto final. Mejorar la fiabilidad. Mejorar la reproducibilidad.
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Capacidad mundial de producción de cerámicas abrasivas
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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Producción de cerámicas abrasivas – Carburo de Silicio
MERCADO DE LAS CERÁMICAS
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Retos en el Ecuador
2014 - 45% MERCADO → 2015 – 65% MERCADO
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura
• Los materiales cerámicos → óxidos, carburos, nitruros o boruros
→ enlaces iónicos o covalentes
• Microestructuras cristalinas → cada grano es un cristal
perfecto: orientado de forma diferente, puede producir un
incremento de resistencia a la propagación de defectos a través
del material.
• Se fabrican en forma monolítica, aunque también se encuentran
en forma de compuestos de dos o más componentes.
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INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura
• Procesado cerámico partiendo de polvos, con o sin aglutinante.
Comprimiéndolos casi siempre a altas temperaturas.
• Pureza puede llegar a ser muy elevada, encontrándose por ejemplo,
alúminas desde el 85% al 99.9%.
• Tras el proceso de fabricación poseen una microestructura fina consistente
en pequeños granos cristalinos de unas pocas micras de tamaño.
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Tamaño de grano y estructura cristalina de materiales cerámicos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura
• Durante el proceso, los pequeños granos se orientan de forma aleatoria.
Esta distribución al azar hace que a escala macroscópica, las propiedades
mecánicas que presentan sean isotrópicas.
• El proceso de compactación y prensado de polvos puede dar lugar a cierta
porosidad en el producto final.
• La densidad aparente es prácticamente igual a su densidad teórica. Sin
embargo, no debe olvidarse que la existencia de un pequeño defecto
aislado puede resultar fundamental en el comportamiento final de la pieza.
• La sinterización de polvos compactados puede ser usado para la producción
de vidrios y de cerámicas policristalinas.
20
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASEstructura
Pasos del proceso: Consolidación de una masa de partículas finas (polvos) en
forma porosa, polvos compactados en forma de un cuerpo específico (cuerpo
verde), el cual cuando es quemado o sinterizado para producir un producto denso.
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Producción de cerámicas policristalinas
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades
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Relaciones esenciales materiales cerámicos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades
• A temperatura ambiente es prácticamente elástico y lineal hasta su rotura, gran rigidez y módulo E alto
• A medida que la temperatura aumenta pueden aparecer deformaciones plásticas considerables, y el módulo E
presenta una cierta dependencia con la temperatura.
• El módulo E no depende significativamente de la velocidad de deformación. La relación entre la deformación
transversal y longitudinal, dada por el coeficiente de Poisson es baja, sobre todo en los carburos y en los boruros.
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Módulo de elasticidad y Coeficiente de Poisson de cerámicas
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades
La limitación principal de los materiales cerámicos en aplicaciones estructurales es
su fragilidad, consecuencia de la escasa capacidad de los materiales cerámicos para
deformarse plásticamente y para soportar cargas cuando existen defectos en el
interior del material. Poseen una baja tenacidad de fractura y una marcada
diferencia entre la resistencia a tracción y la resistencia a compresión.
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Resistencia a la compresión y la tracción de materiales cerámicos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASPropiedades
Aplicaciones en lugares sometidos a altas temperaturas donde materiales tradicionales
no resistirían.
Por ejemplo el SiC: Extraordinaria resistencia a la oxidación a altas temperaturas
Recubrimiento para metales, abrasivos en las muelas rectificadoras , particulado y
refuerzo fibroso en matrices metálicas o de compuestos cerámicos, elemento calefactor
para horno. Es semiconductor y muy buen candidato para dispositivos electrónicos a
altas temperaturas.
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Propiedades de materiales cerámicos policristalinos de uso común
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
El objetivo de la producción es obtener un producto sólido con una determinada forma como pueden ser películas, fibras o monolitos con una microestructura específica.
Esta división está determinada fundamentalmente por el estado en que se pueden encontrar los materiales de partida en fase gaseosa, una fase líquida, o una fase sólida.
26
Métodos de fabricación de materiales cerámicos policristalinos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
27
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
28
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
La fabricación de un cuerpo cerámico involucra un determinado número de pasos de
procesamiento:
• Reacciones en fase gaseosa
Deposición de vapor química, oxidación metálica directa y reacción de enlace.
• Reacciones en fase liquida:
Proceso sol-gel y pirolisis polimérica.
• Reacciones a partir de polvos:
Fundición continua y sinterización de polvos compactados
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INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
La síntesis de los polvos es muy importante para la fabricación de las cerámicas.
El método de preparación del polvo dependerá del costo de producción y la capacidad del método para lograr un cierto nivel de las características deseadas. Métodos mecánicos y métodos químicos.
La síntesis de los polvos por métodos químicos es un área de procesamiento de las cerámicas que ha sufrido considerables cambios en los últimos 25 años y se esperan nuevos desarrollos en esta área en el futuro.
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Principales características de los polvos cerámicos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
Tabla 1.8 Métodos para la obtención de polvos cerámicos
Método de preparación de polvos Ventajas Desventajas
MECÁNICA
Trituración Muy barata, fácil aplicación
Pureza limitada, Limitada
homogeneidad, tamaño de
grano largo
Síntesis mecano química
Tamaña de partícula fino,
bueno para los monóxidos y
una vía de baja temperatura
Pureza limitada, limitada
homogeneidad
QUÍMICA
Reacción en estado sólido
Reacción de descomposición entre
sólidos
Bajo costo, equipamiento
sencillo
Aglomeración de los polvos,
homogeneidad limitada para
polvos multicomponentes
Reacción en estado liquido
Precipitación o coprecipitación;
vaporización de solventes (spray
seco, spray pirolisis); vía gel (sol-gel,
gel citrato, nitrato de glicerina)
Alta pureza, tamaño de
partículas pequeños, control
de la composición,
homogeneidad química
Muy cara, aglomeración de
los polvos es un problema
común, poco uso para los
monóxido
Reacción de líquidos no acuosa Alta pureza, tamaño de
partículas pequeños Limitado para los monóxidos
Reacción en fase vapor
Reacción sólido-gas Barata para largos tamaños
de partículas
Baja pureza, caro para
polvos finos
Reacción liquido-gas Alta pureza, tamaño de
partícula pequeño Cara, aplicación limitada
Reacción entre gases
Alta pureza, tamaño de
partícula pequeño, barato
para los óxidos
Cara para los monóxidos, la
aglomeración de los polvos
es un problema común
Fuente: elaboración propia
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Métodos de síntesis de polvos cerámicos
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Elaboración de Aisladores Eléctricos. Lab. Cer. EPN
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Torres dosificación y mezclado
Alimentación controlada de M.P. - Pesaje - Mezclado
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Mesas rodilleras automatizadas
Transporte mediante rodillos Giros-desvíos-elevaciones
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Secaderos continuos – placas radiantes
Transmisión de calor por radiaciónPlacas radiantes incandescentes
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Robots de brazo articulado
Sistemas de alimentación y descarga
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Robots de brazo articulado
INDUSTRIA DE LAS CERÁMICASProcesos
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Robots de brazo articulado
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
La caracterización es una parte esencial de toda investigación en el campo de las cerámicas
y puede enmarcarse en los aspectos siguientes:
Composición química y homogeneidad física de la muestra.
Determinación de las impurezas que pueden afectar las propiedades.
Determinación estructural revelando la cristalinidad, es decir determinando el sistema
cristalino, la celda unidad y si fuese necesario precisar las coordenadas atómicas.
Naturaleza y concentración de los defectos que influyen en las propiedades.
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PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
40
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
42
Curvas meb
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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d (0.5)
d (0.5)
d (0.5) d (0.5)
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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EVALUACIÓN MINERALÓGICA
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
45
ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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RESISTENCIA MECÁNICA
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONESCaracterización
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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES
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Las “Advanced Ceramics” en equipos, componentes e Ingeniería Mecánicadebido a su alta resistencia al desgaste, la temperatura y la corrosión lashacen una alternativa segura frente a otros materiales. En aplicacionesindustriales aumentan la capacidad de vida y el rendimiento operativo delas máquinas y sistemas..
Los materiales convencionales a menudo fallan a la hora de avanzar ymejorar las aplicaciones industriales o equipos, sistemas y procesos deingeniería mecánica, porque son incapaces de satisfacer las necesidadescambiantes de estas industrias. Aquí es donde la cerámica técnica entran enjuego..
El uso de materiales cerámicos de corte, insertos en el mecanizado de metal permite una alta fiabilidad de los procesos y la fabricación eficiente.
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES
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En la actualidad se desarrollan numerosos materiales y componentes denominados cerámicas especiales que se pueden adaptar de forma óptima para satisfacer y resolver los requerimientos específicos del cliente y problemas en los equipos, sistemas y diseños de Ingeniería Mecánica
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES
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La Cerámica Técnica puede dividirse en cuatro grupos principales de materiales:
La cerámica de silicato que son el tipo más antiguo de los materiales cerámicos para aplicaciones técnicas y están hechos principalmente de materias primas naturales en conjunción con alúmina (óxido de aluminio, silicato de aluminio).
Las cerámicas de óxido contiene materiales que consisten principalmente de óxidos metálicos tales como óxido de aluminio, óxido de circonio, titanato de aluminio o cerámica de dispersión.
Las cerámicas no óxido representan un grupo de materiales compuesto por materiales cerámicos a base de compuestos de carbono, de nitrógeno y de silicio tales como carburo de silicio, nitruro de silicio y nitruro de aluminio.
Las Piezo-cerámica (también conocidos como cerámica funcional) representan un grupo de materiales utilizados para convertir los parámetros mecánicos en los parámetros eléctricos o, a la inversa, para convertir las señales eléctricas en movimiento mecánico o vibración.
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES
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Al2TiO5: material con una Excelente Resistencia a los Impactos TérmicosLa característica fundamental del titanato de aluminio es su excelente resistencia al choque térmico. Los componentes hechos con este material pueden resistir incluso los más severos cambios de temperatura de varios cientos de grados sin sufrir daño alguno, si bien tienen poca resistencia mecánica.
PRODUCTOS CERÁMICOS. APLICACIONES
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Nitrito de Silicona-Alúmina, son
una clase especial de materiales
refractarios de alta temperatura,
con alta resistencia al choque
térmico y una resistencia
excepcional a la corrosión por
humectación o fundidos de
metales no ferrosos. Un uso típico
es con el manejo de aluminio
fundido o en la industria química.
También tienen alta resistencia al
desgaste, baja expansión térmica
y buena resistencia a la oxidación
hasta por encima de ~ 1000 ° C.
REFERENCIAS
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1. Freiman, W., Introduction to Ceramic and Glasses. Engineered Materials Handbook, Ceramic and Glasses. Vol. 4 1991: ASM International.
2. Barsoum, M.W., Fundamentals of Ceramics, ed. B.C.a.M.J. Goringe. 2003, London: The Institute of Physics. 603.
3. Kingery, W.D., H.K. Bowen, and D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics. 2nd Edition ed. 1976: John Wiley & Sons. 1056.
4. Carter, C.B. and M.G. Norton, CERAMICS MATERIALS Science and Engineering. 2007: Springer. 848.
5. Ferber, M.K. and V.J. Tennery, Structural aplications for technical, engineering, and advanced ceramics". Engineered Materials Handbook, Ceramic
and Glasses. Vol. 4. 1991: ASM International.
6. Rahaman, M.N., Ceramic processing and sintering. 2 ed, ed. C. Press. 2003, New York: Marcel Dekker, Inc. 875.
7. Stinton, D.P., T.M. Besmann, and R.A. Lowder, Advanced ceramics by chemical vapor deposition techniques. American Ceramic Society Bulletin,
1988. 67(2): p. 350.
8. WASHBURN, M.E. and W.S. COBLENZ, Reaction-formed ceramics. American Ceramic Society Bulletin, 1988. 67(2): p. 356-363.
9. Rodeghiero, E.D., et al., Sol–gel synthesis of ceramic matric composites. Materials Science and Engineering A
1998. 244(1): p. 11-21.
10. Jingyan, H. and P. Clive, Oxidation of SiC powders for the preparation of SiC/mullite/alumina nanocomposites. Journal of Materials Science, 2008.
43(12): p. 4031-4041.
11. Uribe, R. Tesis Doctoral: “ Desarrollo de materiales estructurales de alúmina - titanato de aluminio con alta resistencia al choque térmico”.
Universidad Autónoma de Madrid. España. 2001
12. Uribe, R. y Baudín, C. Influence of a dispersion of aluminium titanate particles of controlled size on the thermal shock resistance of alumina. J. Am.
Ceram. Soc., Vol. 86, 2003, 846–850.
13. Uribe, R. y Baudín, C. Medida de propiedades mecánicas y térmicas en Pseudobrukitas del tipo Al2TiO5: Parte I: determinación del módulo de
elasticidad. Rev. LatinAm. Met. Mat., Vol. 23, 2003, 73-81.
“Contribuyamos al desarrollo del país construyendo bienes de servicio y de calidad”
INEN-EC
Mil gracias por su atención
APORTES?
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