Introduccin a los

materiales cermicos

1.- INTRODUCCION

Los materiales industriales los podemos dividir en tres grupos

principales:

Materiales inorgnicos materiales metlicos y materiales cermicos.

Materiales orgnicos materiales polimricos.

Materiales compuestos compuestos de matriz cermica, metlica o

polimrica.

El objetivo de esta asignatura se centra en los materiales

cermicos, los cuales cubren un amplio rango de materiales que se

pueden clasificar en:

Materiales cermicos tradicionales o clsicos.

Materiales cermicos avanzados o tcnicos o finos o modernos,

Creencia Todos los materiales cermicos son duros y frgiles y

se utilizan exclusivamente para la construccin, sin embargo, cada

da se utilizan mayor cantidad de cermicos avanzados.

Con excepcin de la madera, la cermica es el material ms

utilizado desde la antigedad:

Elaboracin de artculos de alfarera ha sido un arte desde las ms

antiguas civilizaciones.

Como no se corroen o se desintegran con el tiempo Permite estudiar

las culturas ms antiguas del mundo.

Cermicas tradicionales:

Formadas por vidrios de silicato, cementos y arcillas.

Actualmente constituyen la mayor parte de la industria cermica.

Cermicas avanzadas:

Combinacin de desarrollos tecnolgicos con el descubrimiento de

nuevos compuestos cermicos con propiedades especiales.

Combustibles de reactores nucleares.

Demanda de materiales para altas temperaturas.

Cermicas puras y/o mezcladas con xidos.

Industria muy especfica con desarrollo de patentes.

CERAMICAS TRADICIONALES

CERAMICAS AVANZADAS

Curiosidades sobre las cermicas:

Algunas cermicas son tan resistentes que un cable de 1 pulgada

(2,54cm) de dimetro puede levantar 50 automviles.

Se ha instalado suficiente cable de fibra ptica como para ir y volver

a la luna 160 veces.

Se producen al da ms de 3 millones de bujas.

Cada ao se fragua una tonelada de cemento por persona.

Algunas cermicas conducen la electricidad mejor que los metales.

El diamante y el rub y la circonia cbica (circonita) son cermicos.

Microesferas de vidrio ms pequeas que un pelo proporcionan

tratamientos efectivos del cncer de hgado.

Se producen baldosas cermicas como para pavimentar un camino

de 100 metros alrededor de la Tierra.

Objetivo proporcionar los principios cientficos y de tecnologa que

tienen relacin con el procesado de materiales cermicos a partir de

materias primas pulverulentos con el fin de obtener un producto final

que cumpla determinadas propiedades.

PRECIO Y DISPONIBILIDAD

PROPIEDADES MECANICAS

Rigidez, tenacidad, resistencia

mecnica, dureza, resistencia

a la fatiga, resistencia a la

fluencia, fatiga trmica.

PROPIEDADES

SUPERFICIALES

Corrosin, oxidacin, friccin,

desgaste.

PROPIEDADES

FISICAS

Densidad, propiedades

trmicas, elctricas,

magnticas y pticas.

CARACTERISTICAS

DE FABRICACIN

Sntesis del material,

conformado, ejecucin

de uniones, acabado.

FUNCIN ESTTICA

Apariencia, textura.

DISEO

2.- BASES TEORICAS

Histricamente la nocin de cermica est ligada al trmino de

tierra cocida y de alfarera Trmino griego keramos :

Materias primas naturales: rocas, tierras..

Coccin: cermica es un arte de fuego.

Alfarera:

Materia prima Tierras arcillosas que en estado hmedo son lo

suficientemente plsticas para obtener la forma deseada (copas, vasos,

jarras, estatuas,)

Posterior secado Prdida de agua le hace perder su plasticidad

Arcilla seca pero no es todava una cermica.

Coccin Transformaciones fsico-qumicas irreversibles

CERAMICA.

Proceso cermico: Materias primas minerales pulverulentas

Conformado plstico Tratamientos trmicos: secado (arcilla seca)

y coccin (cermica).

DIFERENCIA

DEL PROCESO

DE ARCILLA

SECA Y TIERRA

COCIDA

(CERMICA)

TIERRAS ARCILLOSAS

(arcilla)

Moldear

Secado

ARCILLA SECA

Baja resistencia

Rehidratable

TIERRAS ARCILLOSAS

(arcilla)

Moldear

Secado

CERAMICA

(tierra cocida)

Alta resistencia

No rehidratable

Coccin

Caracterstica de los materiales cermicos FRAGILIDAD:

Ausencia de ductilidad y plasticidad.

Baja tenacidad Gran sensibilidad al efecto entalla.

Mediocre resistencia a los choques mecnicos (resiliencia).

Vulnerabilidad a dilataciones diferenciales Escasa resistencia a los

choques trmicos.

Baja resistencia mecnica en traccin.

Gran dispersin de valores de resistencia mecnica.

Fragilidad impone:

Limitaciones en la utilizacin de las cermicas.

Restricciones en las tcnicas de produccin.

Produccin de los materiales cermicos:

Temperaturas de fusin muy elevadas.

Evitamos procesos de solidificacin por el choque trmico.

Imposibles deformarlos plsticamente.

PROPIEDADES DE LAS CERMICAS

Mdulos elsticos grandes

Elevadas resistencias a la compresin

Capacidad para soportar altas

temperaturas

Dureza

Resistencia al desgaste

Baja conductividad trmica

Qumicamente inertes

Aplicaciones para

altas temperaturas

INCONVENIENTES DE LAS CERMICAS

Fragilidad. Fractura catastrfica

No se deforman a temperatura ambiente

Muy sensibles a pequeas grietas

Limitaciones para

aplicaciones

estructurales

Tcnica de preparacin de cermicos SINTERIZADO:

Mecanismos de difusin atmica 0,5.TF a 0,8.TF.

Producto pulverulento se transforma en un producto consolidado con

propiedades mecnicas elevadas.

Ejemplo: la nieve

Bola de nieve = partculas de nieve aglomeradas = suave y agradable

= se pueden lanzar sobre una persona sin riesgo de producir heridas.

Nieve helada = producto slido muy duro y que puede producir fuertes

hematomas si se lanza sobre una persona.

CONCLUSIONES:

El sinterizado exige una temperatura de coccin muy elevada lo que hace

que la cermica sea un arte de fuego.

El sinterizado es un proceso bsico para la preparacin de piezas

cermicas si bien se utiliza tambin para la pulvimetalurgia.

3.- DESARROLLO HISTRICO

La cermica es uno de los mejores testimonios de las diversas

culturas.

Los principios bsicos de la cermica se remontan al dominio del

fuego Al acercar barro al fuego ste se endurece.

Primeros indicios de piezas cermicas Restos de cermicas

endurecidas al sol y que datan del 9000 a.C.

Cermicas

naturales de

silex

HISTORIA PRIMITIVA

Las primeras noticias que se tienen de la aparicin de la cermica

es durante el periodo Neoltico alrededor del ao 6400 a. de C.

Primeros objetos fabricados cermica muy rudimentaria

estatuillas de dolos sin cocer.

Estos primeros objetos se fabrican a mano (sin torno) y se cuecen

en hornos abiertos a baja temperatura.

Aparece la agricultura Recipientes adecuados para almacenar

agua y alimentos.

Edad del Bronce (2000 a.C) Aparece en Espaa cermica

campaniforme por su forma de campana invertida.

Edad del Hierro uso del torno y aparecen cuencos y ollas ovoides

se descubre que el barro pierde su plasticidad por efecto del

fuego.

NEOLTICO

EDAD DEL BRONCE

CERAMICA CAMPANIFORME

EDAD DEL HIERRO

EGIPTO

El torno para el modelado aparece hacia el 4000 a.C Se

establece en Egipto un floreciente comercio de ollas o recipientes

cncavos y otros productos de alfarera.

Por sus creencias religiosas enterraban a sus muertos con todas

sus pertenencias: vasos, copas, platos, collares, etc.

Objetos cocidos en hornos Primer horno cerrado en Egipto hacia

el 2000 a.C. realizado en adobe Alcanzan los 800C.

Se descubre el vidriado de las cermicas y la tcnica de vitrofusin.

Formas cermicas complejas decoradas con motivos geomtricos y

florales. Asimismo se utilizaron pigmentos azules, verdes, blancos,

negros y rojos.

Se desarrolla el pulido de las piezas cermicas con arena fina y

agua para darle un mejor acabado.

MESOPOTAMIA

1500 a.C Utilizan hornos donde el fuego y la cmara de coccin

estaban bien diferenciadas dominio de altas temperaturas

vitrificacin de la pasta cermica.

Utilizaron el barro para la construccin de vasijas y para la

fabricacin de ladrillos.

Se adelgazan las paredes de las vasijas al preparar arcilla ms

elaborada.

Aparece el esmalte (barniz vtreo que por fusin se adhiere a la

cermica) lo que permite impermeabilizar las piezas a la vez que

decorarlas Palacio de Susa y Perspolis en Persia en forma de

ladrillos.

GRECIA

A partir del siglo VII a.C Grecia se convierte en el centro de

produccin ms importante de cermica.

Perfeccionamiento de la tcnica de modelado e introduccin de los

barnices ejemplo caracterstico figuras rojas sobre fondo negro.

Dos rasgos distintivos: la forma y la decoracin. Cada pieza

cermica tiene una funcin determinada y un nombre relacionado

con su funcin o uso.

Utilizan tres tcnicas de coccin:

Coccin en atmsfera oxidante (respiraderos abiertos para dejar pasar

el oxgeno, 800C) la pieza sale completamente roja.

Coccin en atmsfera reductora (respiraderos cerrados, 950C).

Coccin en atmsfera reoxidante con respiraderos abiertos y que

llegaba a 900C.

nforas Vasijas altas y con

dos asas verticales destinadas a

transportar y conservar los

lquidos como el vino, el aceite o

la miel, as como para conservar

semillas de trigo.

Crateras Vasos grandes destinados

para la mezcla de agua y vino. Se

caracterizan por un cuerpo de cavidad

profunda y una boca ancha para poder

introducir la copa y de esta forma

servirse directamente.

Hydria Jarra de tres asas, dos

horizontales y una vertical,

utilizada por las mujeres para

transportar el agua.

Lekyto Frascos de cuello

largo y estrecho que serva

para contener los blsamos y

perfumes rituales empleados en

las ofrendas funerarias por los

familiares y amigos del difunto.

Oinocoe Vaso utilizado para servir el

vino en las copas, con un asa vertical y

una boca, generalmente trilobulada para

canalizar el lquido y evitar su vertido.

Kylis Copa ancha y poco profunda, de

asas horizontales y pie alto que se usaba

en banquetes donde circulaba de mano

en mano.

Pyxis Especie de caja cilndrica

utilizada por las mujeres griegas para

guardar joyas y objetos de tocador.

ROMA

Buscaron una utilidad prctica de la cermica aportaron la

industrializacin de la produccin cermica y establecen centros de

produccin cermica en todo el Imperio.

Desarrollaron la denominada cermica Terra sigillata de color

rojizo brillante y con decoraciones en relieve.

Cermica dura, impermeable y con brillo que se produce por un

perfecto control de las fases de coccin.

Formas ms representativa el nfora alargada de cuello alto terminada

en punta y con dos asas laterales.

Uso de las cermicas en aplicaciones funcionales:

Conduccin y drenaje de aguas.

Evacuacin de aguas residuales.

Baldosas con relieve para la calefaccin radiante.

Conducciones de agua caliente.

Uso de tejas y ladrillos en construccin.

Pavimentacin con mosaicos.

ARABIA

Utilizan como materia prima la arcilla.

Caracterstica ms sobresaliente toda ella presenta un reflejo

metlico tcnica de la loza dorada que da un aspecto elegante y

excelentes funciones decorativas.

Decoracin: motivos geomtricos, vegetales, arabescos,.

CHINA

Los mayores avances en la produccin de alfarera.

2000 3000 a.C Aparicin de un estilo de alfarera con formas

similares a la piezas de bronce.

1600 a 2000 a.C Se desarrolla el gres de alta temperatura con

los primeros vidriados transparentes.

1400 a.C. Se obtienen las primeras piezas finas de loza.

Siglo IX Aparicin de tcnicas de cermica de alta temperatura:

Se realizan productos de porcelana fina y de loza translcidas.

Dinasta TANG introduce el proceso de colada y la porcelana pintada

de azul.

Siglo XII XIII dinasta YUAN desarrollo importante de la

decoracin.

Siglo XIV XVII dinasta MING se consolidan las formas

geomtricas, las humanas y los colores.

DINASTIA HAN (202 a. de C. - 220 despus de C.)

DINASTIA SUI y TANG (581 - 907)

DINASTIA SONG y YUAN (960 - 1368)

DINASTIA MING (1368 -1644)

DINASTIA QING (1644 - 1911)

EUROPA

Comercio entre China y Europa Compaa de las Indias

Orientales Gran influencia en el desarrollo de la cultura europea.

Siglos XVII y XVIII Generalizacin de las importaciones a Europa de

la porcelana China.

Europa no conoci el secreto de la fabricacin de la porcelana

hasta el siglo XVIII:

Surgen imitaciones Porcelana de Delf (Holanda), Gran Bretaa,

Francia, Italia y Alemania.

Aparece la tcnica del gran fuego o de los 5 colores cermicas

esmaltadas con xidos metlicos que soportan altas temperaturas y

que proporcionan color azul (cobalto), negro (manganeso), amarillo

(antimonio), naranja (xido de hierro) y verde (oxido de cobre).

Inicio de la industrializacin en la produccin de piezas cermicas

Aparecen un gran nmero de fbricas en gran parte de Europa.

INGLATERRA

FRANCIA

ITALIA

ESPAA

4.- DEFINICIN DE MATERIAL CERMICO

Autores rusos:

Materiales policristalinos consolidados, basados en los compuestos delos grupos III-VI de los metaloides uno con otro y/o con metales, encuya tecnologa de fabricacin se incluyen fenmenos de transporte demasa de los cuales resulta la unin.

Kingery W.D Introduction to Ceramics

El arte y la ciencia de las cermicas en la produccin y el empleo de

objetos slidos cuyos constituyentes esenciales son materiales

inorgnicos y no metlicos.

Directionnary of Ceramic Science and Engineering

Todo producto inorgnico y no metlico preparado por tratamiento a

temperaturas superiores a 540C o utilizado en condiciones que implican

estas temperaturas, lo que incluye xidos metlicos, boruros, carburos,

nitruros y mezclas de estos compuestos.

Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials

Materiales que se basan en compuestos inorgnicos no metlicos,

esencialmente xidos, pero tambin nitruros, carburos o siliciuros.

Deben contener al menos un 30% de fases cristalizadas y presentan

comportamiento frgil con curva tensin-deformacin que obedece a la

ley de Hooke.

Matriaux et Processus Cermiques:

Los materiales cermicos son materiales de sntesis, mayoritariamente

constituidos de fases inorgnicas con enlaces esencialmente inico-

covalentes, no totalmente vtreos y generalmente consolidados por

sinterizado a temperatura elevada a partir de un compacto pulverulento.

Esta ltima es una de las definiciones ms completa.

Estos materiales presentan:

Composiciones qumicas variables que varan considerablemente,

desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas.

Son una alternativa a los materiales metlicos:

Baja densidad.

Buena relacin densidad-resistencia.

Excelente comportamiento frente a la accin de agentes externos.

Excelente comportamiento mecnico a altas temperaturas.

Inconveniente Fragilidad.

DIFERENCIA ENTRE UN METAL Y UNA CERMICA

EL ALUMINIO (Al) (660C):

Excelente conductor del calor y de la electricidad.

Opaco a la luz visible, blando y muy dctil.

Bajo mdulo de elasticidad (la tercera parte del valor del mdulo elstico

del acero).

Vulnerable a las agresiones de mltiples reactivos qumicos.

LA ALMINA (Al2O3) (2050C):

Uno de los mejores aislantes elctricos conocidos pero un mediocre

conductor trmico.

Transparente a la luz visible, muy duro pero frgil.

Mdulo de elasticidad elevado (doble del mdulo de elasticidad del acero).

Resiste a la mayor parte de las agresiones de los reactivos qumicos, en

particular, es perfectamente estable en medio oxidante puesto que ya est

oxidado.

Razones para justificar la creciente importancia de estos materiales:

Razones puramente estratgicas Para la composicin de los

materiales cermicos no es necesario la presencia de metales

estratgicos como el Cu, Cr, Ni, Mo, Nb,

Razones puramente econmicas El consumo energtico para

producir un material cermico es la mitad del que se necesita para

producir un metal o un componente metlico + disponibilidad

prcticamente ilimitada de materia prima.

Razones puramente tecnolgicas Conjunto de propiedades que

presentan: estabilidad trmica por encima de los 1000C, dureza,

rigidez, baja densidad, alta resistencia al desgaste, elevada

temperatura de fusin, resistencia qumica, etc.

Estas tres razones se unen a la disponibilidad prcticamente

ilimitada de las materias primas para su fabricacin (C, Si, Mg, Al,

Zr, SiO2,.) estos materiales empiezan a hacerse

indispensables para la realizacin de muchos de los diseos de

ingeniera.

5.- CLASIFICACIN DE LAS CERMICAS

Los materiales cermicos de ingeniera los podemos clasificar en:

materiales cermicos tradicionales o cermica de consumo y

materiales cermicos avanzados o de aplicaciones especficas.

A.- MATERIALES CERAMICOS TRADICIONALES

Componentes bsicos Arcilla, slice y feldespato.

Constituyen la mayor parte de la industria de la cermica por su

tonelaje e importancia tanto comercial como tecnolgica.

Aplicaciones:

Productos de arcilla para la construccin: ladrillos, tejas, baldosas.

Cermicas refractarias para aplicaciones a altas temperaturas: paredes

de hornos, crisoles y moldes para la industria del acero y de los no

frreos, cemento, qumica, vidrio,.

Productos de loza, gres, porcelana, para aplicaciones domsticas,

sanitarias, decorativas, etc.

Productos de vidrio: botellas, vasos, vidrios de ventana,

Aislantes elctricos como por ejemplo las porcelanas.

Esmaltes y fritas para recubrir y proteger las chapas de acero.

B.- MATERIALES CERAMICOS AVANZADOS

Obtencin sinttica y constituidas por compuestos puros o casi

puros, principalmente xidos, carburos y nitruros.

Las ms importantes:

Oxdicas: Almina (Al2O3), zirconia (ZrO2).

No oxdicas: carburo de silicio (SiC), Nitruro de silicio (Si3N4).

Materiales con propiedades ms all de las convencionales, duros y

de altas prestaciones.

Aplicaciones muy diversas:

Productos refractarios.

Productos abrasivos.

Productos elctricos y magnticos.

Productos nucleares.

Productos biolgicos.

Productos estructurales.

MATERIALES CERAMICOS

TRADICIONALES AVANZADOS

Materias primasDistribucin granulomtrica

elevada, dp < 200 mm

Partculas de pequeo dimetro, dp< 1 mm

Conformado

Colado

Prensado uniaxial

Extrusin

Moldeo por inyeccin

Prensado isosttico en fro y en

caliente

CaractersticasDensidad muy inferior a la terica

Frgiles

Densidad muy prxima a la terica

Tenaces

Control estructural Microscopio ptico Microscopio electrnico

Propiedades

Resistencia a altas temperaturas

Duros

Bajo coste

Muy especficas

pticas

Mecnicas, etc.

AplicacionesRefractarios

Construccin civil

Elctricas y electrnicas

Componentes de mquinas

Nucleares, qumicas, etc

CERAMICA

TRADICIONAL AVANZADA

MICROESTRUCTURA

HETEROGENEIDAD

DENSIDAD

DEFECTOS

Terica (1-2%)Terica (10-20%)

< 10 mmilmetros

f 200-1500 MPa15-800 MPa

6.- CERMICAS AVANZADAS

El termino de cermicas avanzadas se utiliza para definir una

variada gama de materiales inorgnicos policristalinos:

Generalmente obtenidos con materias primas de gran pureza, en forma

de polvo muy fino.

Conformados mediante grandes presiones y altas temperaturas de

sinterizacin procesos de conformacin tienen por objeto eliminar la

porosidad y obtener los productos ms densos ausencia de poros,

grietas y defectos internos.

Estas caractersticas les confieren altas prestaciones tcnicas (altas

resistencias mecnicas, trmicas, a la abrasin y al ataque

qumico).

Desarrollo y produccin de cermicas avanzadas extraordinario

control de la materia prima y de las operaciones de procesado con

el fin de minimizar los defectos microestructurales

Los materiales cermicos avanzados pueden definirse por las tres

caractersticas siguientes:

Para su fabricacin se utilizan materias primas de alta pureza (99,99%)

con composicin qumica y propiedades morfolgicas controladas y de

granulometra inferior a la micra.

El procesado est sujeto a un control muy preciso, tanto en el

conformado como en la coccin (sinterizacin).

Los productos tienen una microestructura bien controlada, que asegura

su alta fiabilidad o respuesta a la utilizacin para la cual han sido

diseados.

De la microestructura (naturaleza fsico-qumica del material,

tamao y distribucin de las fases que constituyen el material)

dependen la resistencia mecnica, las propiedades elctricas o

magnticas.

Cermicas avanzadas Microscopa electrnica y microestructura

policristalina.

Cermicas tradicionales Microscopa ptica y microestructura

amorfa.

La variedad de microestructuras que puede presentar un material

cermica es enorme lo que permite un gran nmero de

aplicaciones:

Almina para prtesis cermica Densa y de grano fino.

Almina para refractarios Porosa y de grano grueso.

Almina

porosa de

grano grueso

Almina sin

poros de

grano fino

Razones por las que las cermicas presentan gran sensibilidad a los

parmetros microestructurales:

El material se elabora al mismo tiempo que se realiza la pieza

Disparidad en el material debido a la disparidad de procesos.

El sinterizado va acompaado de fuertes variaciones de porosidad y

los poros influyen directamente sobre las propiedades de las

cermicas.

Las propiedades de las cermicas son anistropas.

Presentan baja tenacidad Ausencia de plasticidad que no permite

la relajacin de tensiones.

Segregaciones son frecuentes lo que hace que varen las

propiedades elctricas de los cermicos.

Los cermicos pueden presentar diversas formas polimrficas lo que

hace que se introduzcan variables suplementarias en la

microestructura.

Los materiales cermicos avanzados los podemos clasificar:

Por sus aplicaciones:

Cermicas tcnicas para aplicaciones estructurales. Requeridos por sus

propiedades mecnicas.

Cermicas funcionales.

En funcin de las materias primas utilizados:

Cermicas oxdicas o blancas: Al2O3, ZrO2.

Cermicas no oxdicas o negras: CSi, Si3N4.

Barreras claves que deben superar estos materiales para tener las

mximas posibilidades son:

Coste de la produccin Sobre todo en aplicaciones estructurales que

exigen caractersticas muy exigentes desde el punto de vista de

propiedades a alta temperatura.

Reproducibilidad en la produccin Se estn desarrollando nuevos

mtodos de produccin y es difcil asegurar que todos los productos

obtenidos presenten las mismas propiedades.

Fiabilidad en el servicio Debido al poco tiempo de vida de estos

productos no se asegura cual ser su comportamiento con el paso de

los aos.

Fragilidad inherente Ligada a una dbil resistencia a los choques

trmicos lo cual puede dar una escasa fiabilidad mecnica. Necesario

utilizar mecanismos de reforzamiento.

Diseo condicionado Debido a las dificultades de fabricacin ya que

se exigen en muchas aplicaciones, precisin dimensional y

microestructuras controladas con tamaos de defectos lo ms

pequeos posibles.

Fin de la presentacin