Make your own free website on Tripod.com

CERAMICAS

Por: Eduardo Suárez Acosta
Ingeniero en Minas Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Especialista en Recursos Mineros UPTC
Funcionario Centro Nacional Minero
E-mail: edsu@mixmail.com

Las cerámicas clásicas, tradicionales o convencionales son aquellos productos que a través de los años la humanidad ha desarrollado con base en materiales naturales, tales como arcilla y silicatos. Vajillas, utensilios de alfarería y porcelana, substancias refractarias, cementos y vidriería, hacen parte de este grupo cerámico.

En el año 1963 Shiraki argumentó que las arcillas incluyen productos no metálicos e inorgánicos sometidos a altas temperaturas durante su elaboración. En el año 1983, lorán, S. O'Bannon autor del diccionario de ciencia e ingeniería cerámica, las define como toda clase de productos inorgánicos, no metálicos que se someten a temperaturas de 540 grados centígrados o más, durante su manofactura o uso, incluyendo óxidos metálicos, boruros, carburos o nitruros y mezclas o compuestos de tales materiales.

Según el Dood's Dictionary of Ceramics (1964, p.60), la acepción inglesa se define a partir de la palabra griega keranos la arcilla o loza hecha de arcilla y fuego; por una extensión natural del significado, el término abarca todos los productos hechos de arcilla cocida, esto es, ladrillo y tejas, tubos para chimenea, lozas sanitarias, porcelanas eléctricas y vajillas.

En 1822 se hicieron los refractarios silícicos por primera vez, aunque no contienen arcilla, fueron hechos por el proceso formal de manofactura para las cerámicas que incluye moldear una masa húmeda, secar el objeto moldeado y cocerlo. Tácitamente la palabra cerámica se empieza a utilizar para una gran variedad de productos no arcilloso bajo el mismo proceso, actualmente utilizados en ingeniería y sistemas de alta tecnología.

Estas definiciones revelan inconsistencias básicas en lo que puede llamarse cerámica. Por ejemplo, en la definición inglesa, el vidrio no se incluye dentro de la familia cerámica, como si lo hacen las versiones norteamericana y japonesa. Evoluciones tecnológicas inducen cambios en los límites colocados al término. Se llaman cerámicas nuevas o cerámicas modernas aquellas formadas con material no naturalmente encontrados, tales como la alúmina, zirconita o titanio, o materiales sintéticos. Cerámicas nuevas fue un término utilizado frecuentemente en las décadas de los 40 y los 50, particularmente en Gran Bretaña. La evolución relacionada con la potencia nuclear dio origen a productos como los carburos, nitruros y compuestos intermetálicos llamados cerámicas especiales.

Cerámicas finas es un término reciente. Hace referencia a materiales especiales de partículas utilizados para configurar la forma deseada y a los pequeños granos que forma el producto sinterizado. En Europa y Estados Unidos, los productos cerámicos de grano fino son llamados Cerámicas finas, como en el año 78 lo indica Norton. En el Japón, este término es mas similar a las definiciones de cerámica avanzada y cerámica técnicas en Europa y Norteamérica.

Acorde al ministerio Japonés de asuntos internacionales e industria (1985), cerámicas finas son materiales inorgánicos de altas especificaciones, productos a partir de polvos sintéticos de alta pureza con microestructura y propiedades controladas.

Cerámicas técnicas es un término que incluye todas las cerámicas industriales sin incluir la alfarería, los artículos de mesa, artículos de construcción como los ladrillos y plomería, etc.

Cubre las cerámicas electrónicas aislantes y dieléctricas, los magnetos cerámicos para diferentes aplicaciones, y las cerámicas estructurales utilizadas en motores y otros usos industriales. Se definen como el tipo de cerámicas que exhiben un alto grado de eficiencia industrial a través de sus microestructuras cuidadosamente diseñadas y de alta precisión dimensional. Se utilizan materias primas cuidadosamente seleccionadas con una composición química regulada y se fabrican con métodos estrictamente controlados de moldeo y cocción.

Las cerámicas de ingeniería, algunas veces llamadas Cerámicas Estructurales, son subconjuntos de las cerámicas técnicas confinado a aplicaciones estructurales. Incluye productos con propiedades mecánicas superiores, como lo son alta resistencia a la abrasión, dureza y alto nivel de elasticidad, resistencia al calor y habilidad de lubricación. La denominación de cerámicas avanzadas o cerámicas de alta tecnología se utiliza para hacer énfasis en las realizaciones avanzadas que dan un valor de uso especial y que elevan el valor comercial de las cerámicas técnicas.

Se denominan cerámicas funcionales aquellas que incluyen las biocerámicas, utilizadas en aplicaciones biológicas; electrocerámicas, utilizadas como aislantes en componentes eléctricos; cerámicas electrónicas que incluyen substancias dieléctricas, magnéticas, semiconductores y superconductores. Las cerámicas hidrotérmicas son substancias en polvo sinterizado y microcristalinas, que en películas finas son resistentes a altas temperaturas y presiones.

La concepción tradicional se basa en las cerámicas como materiales frágiles contenedores o de corte, con distintivos de dureza, incombustibilidad, resistencia a corrosión y al ataque químico. Hoy, la industria cerámica ha cambiado, sin embargo, la investigación para nuevas propiedades y la creación de nuevos materiales hace uso de estas propiedades.


1.5. CERAMICAS AVANZADAS
(Ver Figura 1)

El mundo de los cerámicos funcionales, con sus propiedades magnéticas, eléctricas, ópticas, biológicas o químicas, cumple con varias funciones del que hacer humano. Los cerámicos estructurales, que por sus propiedades mecánicas y térmicas llenan requerimientos especiales para la construcción de equipos y maquinaria, permiten el desarrollo de nueva tecnologías limitadas por las características de los materiales existentes.

1.5.1 Cerámicas funcionales

1.5.1.1 Cerámicas electrónicas

La industria electrónica se apoya en los materiales cerámicos avanzados como utilizados para sustratos y Titanato de bario para capacitores. Titanato y circonato de plomo, niobato de magnesio y plomo y niobato de titanio magnesio y plomo para accionadores y trasductores. Cerámicas con base en para sensores de oxígeno; materiales basados en ZnO para varistores; NiO y para sensores de temperatura y una variedad de materiales vítreos para dispositivos especiales. Oxidos cerámicos que exhiben superconductividad, en un futuro no muy lejano, serán utilizados para una variedad de aplicaciones.

 

FIGURA 1. Funciones y aplicaciones de cerámicas avanzadas

Funciones
Ejemplo de materiales
Ejemplo de Aplicaciones

Funciones mecánicas

Resistencia a altas temperaturas

Maquinabildad

 

 

 

Lubricación

Propiedades de desgaste

 

Nitruro de silicio

Carburo de silicio

Carburo de titanio

Nitruro de titanio

Carburo de tungsteno

Carburo de boro

Nitruro de boro

Disulfuro de molibdeno

Alúmina, Carburo de boro

 

Turbina de gas

 

Herramientas de corte

 

 

 

Lubricantes sólidos

Rodamientos,

sellos mecánicos

Brocas de perforación

Funciones térmicas

Resistencia al calor

 

 

Aislación térmica

 

Características de transferencia de calor

 

Alúmina, nitruro de silicioCarburo de silicio, óxido demagnesio

 

Oxido de potasio, óxido de titanio, nitruro de aluminiozirconia

Oxido de boro, nitruro de silicio, nitruro de silicio,alúmina

 

Electrodos para un generador MHD; rodamientos resistentes al calor

 

Aisladores de calor para hornos de alta temperatura, reactor nuclear

Partes electrónicas y eléctricas, radiadores

 

Figura 2. Propiedades de Cerámicas Avanzadas

MECANICAS

- Resistencia a la abrasión

- Rugosidad

- Dureza ( Maquinabilidad, Pulverización)

- Solidez ( Resistencia a tracción)

- Resistencia mecánica a alta temperatura

- Dimensiones y forma ( Precisión, dilataciones)

TERMICAS

- Resistencia al calor (rugosidad)

- Conductividad térmica

- Propiedades aislantes del calor

- Expansión térmica

- Regeneración y radiación del calor

QUIMICAS

- Resistencia a la corrosión

- Resistencia a la humedad

- Resistencia ante metales fundidos

- Intercambio iónico

- Reactividad

OPTICAS

- Transparencia ( Translucidad)

- Color ( Pigmento, Brillo)

- Luminiscencia

- Transformador de luz

- Espectro de difracción

ELECTRICAS

- Magnetismo (Semicunductividad magnética)

- Permitividad ( Bajo factor dieléctrico)

- Aislamiento eléctrico (Substratos)

- Conductividad ( Electrodos, resistencias)

- Capacidad de memoria

COMO BIOMATERIALES

- Reactividad bioquímica

- Funciones orgánicas (Membranas)

- Funciones sensoriales (lentes)

- Suplementos de órganos

- Propiedades ecológicas

- Funciones mecánicas

OTRAS

- Propiedades nucleares

- Absorción neutrónica

- Absorción de radiación

- Aislante sonoro

- Permeabilidad por radiación

 

En adición, las cerámicas se pueden combinar con polímeros o metales para formar compuestos o híbridos que presenten propiedades eléctricas y estructurales únicas. El desarrollo de las cerámicas electrónicas es el resultado de un detallado conocimiento de la química cristalina, el equilibrio de fases, la termodinámica, la cinética, la estructura atómica y la estructura electrónica.

Aislantes o dieléctricos

No conducen la electricidad. Sus parámetros característicos son la permitividad o constante dieléctrica y la susceptibilidad dieléctrica. Deben tener excelentes características eléctricas, poca absorción de humedad, ser anti-inflamables, resistir a la deformación y, a la alta temperatura, alta resistencia mecánica y gran tenacidad y resistencia química.

Para bajos voltajes (aislantes domésticos), se utiliza una porcelana triaxial algo porosa y barata. La pasta se formula a partir de arcilla, sílice y feldespato, pero pueden contener fundentes secundarios en pequeñas cantidades como cal o magnesia. Las no triaxiales contienen componentes como talco, pirofilita o alúmina.

Para alto voltaje, se usan formulaciones de baja porosidad, incluso vidriadas superficialmente. Las mas conocidas son del tipo magnésico, las de titanio, las de aluminio y las de zircón. De tipo magnésico las más comunes son las esteatitas, forsterita y cordierita. La esteatita es un material cerámico que tiene como principal materia prima el talco mezclado con arcilla, como fundentes se agregan óxidos alcalinotérreos. La forsterita presenta como mineral predominante el ortosilicato de magnesio. La cordierita además de tener alta constante dieléctrica, tiene un coeficiente de dilatación térmica extraordinariamente bajo.

Las cerámicas con base en el óxido de titanio y los titanatos tienen alta constante dieléctrica y un coeficiente de dilatación extremadamente bajo. Las porcelanas de zircón y de alúmina fueron inicialmente utilizadas para la obtención de porcelanas aislantes de baja frecuencia.

Otra porcelana utilizada como aislador es la porcelana lítica, la cual presenta una dilatación térmica muy pequeña, con espodumeto beta como componente principal.

Las cerámicas ferroeléctricas poseen una distribución desigual de cargas en sus celdillas unitarias y los granos cristalinos se polarizan. La cerámica no muestra polarización neta puesto que los granos están orientados al azar anulando las cargas entre sí. Si embargo, por la aplicación de un campo eléctrico externo durante el procesado, los granos pueden reorientarse de forma que las direcciones de polarización se fortalezcan y confieran al material una distribución de carga microscópicamente detectable, permaneciendo no conductora incluso cuando este polarizada. Esta es la propiedad explotada en la fabricación de condensadores que acumulan carga eléctrica; por esta razón se fabrican principalmente con cerámicas. Las mas conocidas son los titanatos de bario y estroncio y el titanato zirconato de plomo.

Materiales piezoeléctricos

Son hábiles transformadores de energía eléctrica en mecánica y viceversa, propiedad que los ha hecho muy útiles con modernas instalaciones que cubren campos de la electrónica como vibradores, osciladores, filtros, sistemas de sonar y aparatos de ultrasonido. Su propiedad de generar cargas eléctricas, se aprovecha para generación de chispa en calentadores, cocinas y mecheros de gas.

Esta propiedad aparece en el caso de la familia de la perovskita y otros compuestos como el. Una de las aplicaciones mas comunes de la actualidad ocurre en los sistemas de impresión de alta resolución por chorros de tinta, en los cuales un ducto diminuto para la tinta, construido en cerámica piezoeléctrica, induce por contracción el paso de tinta por impulso de una corriente eléctrica.

Otros tipos de cerámica ferroeléctricas tales como la llamada PLZT ( por las iniciales de plomo, lantano, circonio y titanato) pueden reaccionar por efecto de oxidación con fotones de luz, por lo que son usadas en opto-electrónica.

Materiales conductores y semiconductores

Las estructuras caóticas de las cerámicas tradicionales les confieren una gran resistividad y por eso se utilizaban mucho como aislantes de la corriente eléctrica. Sin embargo, el conocimiento de las estructuras ordenadas de tipo cristalino, permiten que los electrones debidamente exitados viajen a través de la red; ello se ha combinado con los nuevos modelos de procesamiento que permiten obtener productos con alto ordenamiento estructural para producir cerámicas semiconductoras. Son comunes las fórmulas con titanato de bario, carburo de silicio, mezclas de óxidos de bismuto y zinc y óxido de vanadio, que encuentran alta aplicación como termistores o varistores y resistores variables. Se encuentran como detectores de temperatura, elementos calefactores, sensores térmicos y detectores de radiación infrarroja.

Algunos como el óxido de zinc son semiconductores, si se incluyen ciertas impurezas cristalinas en su estructura; este proceso que recibe el nombre de "DOPADO". Incluido este material en una matriz cerámica aislante se puede obtener un producto que a bajo voltaje muestra baja conductividad y a alto voltaje es altamente conductor; este recibe el nombre de varistor o resistor variable.

Los superconductores

Superconductividad es la propiedad que tienen algunas sustancias de conducir la energía eléctrica prácticamente sin resistencia, estrechamente ligada con las propiedades térmicas de los materiales que las exhiben según se estableció en 1950. En 1988 Paul Chu de la universidad de Huoston anunció que una cerámica de itrio-bario y cobre mostraba superconductividad a , temperatura fácilmente alcanzable por acción del nitrógeno líquido. Posteriormente se han logrado temperaturas mas altas con cerámicas de cobre con bismuto y talio, en las cuales la propiedad se obtiene a temperaturas de . Los llamados superconductores 1-2-3 tiene una estructura parecida a la perovskita que se puede visualizar como cubos de un átomo de un metal grande como itrio o bario en el centro y metales pequeños como cobre en las esquinas. Las aristas de los cubos contienen átomos de oxígeno alrededor del itrio y del bario.

1.5.1.2 Cerámicas magnéticas

Las cerámicas magnéticas son las bases para numerosos dispositivos que dependen de magnetos blandos o duros (permanentes). Los magnetos blandos incluyen materiales tales como ferritas, Manganeso-zinc-ferritas y un número de granates. Las aplicaciones son diversas, desde componentes de microondas hasta grabadoras de cinta. Son particularmente utilizadas para dispositivos de alta frecuencia que se encuentran en numerosas aplicaciones de radio y televisión. En películas finas aplicadas a substratos no magnéticos, forman las bases para las memorias magnéticas en los computadores.

1.5.1.3 Cerámicas ópticas

Incluyen monocristales y cerámicas policristalinas. Además de lentes y ventanas, sus aplicaciones incluyen substancias luminiscentes para el recubrimiento de pantallas sobre las cuales se forma la imagen, componentes de láser, componentes electro-ópticos, etc. Las propiedades ópticas también son importantes en algunas aplicaciones estructurales como implantes dentales, donde la apariencia del material es importante.

Los materiales típicamente utilizados para recubrimientos luminiscentes incluyen con o sin activadores de plomo. . .

1.5.2 Cerámicas estructurales

Uno de los usos de mayor avance en cerámicas avanzadas es la aplicación en sistemas estructurales y de carga. Estos usos requieren materiales que presenten alta resistencia a la tensión a temperatura ambiente y/o conserven esta propiedad a altas temperaturas, resistentes a la deformación, tolerantes a las fallas y resistentes a la corrosión y oxidación, propiedades que los colocan sobre los metales corrientes. Las aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, componentes de motor para automóviles, componentes para generadores de potencia, herramientas de corte, implantes biomédicos y equipos para procesos utilizados en la fabricación de partes cerámicas, polímeras y metálicas.

Los materiales mas importantes para aplicaciones estructurales a altas temperaturas son nitruro silicato Si3N4, oxinitruro alumino silicato (sialón), carburo de silicio (SiC), circonita parcialmente estabilizada, alúmina y mullita .
Se esta estudiando la posibilidad de usar revestimientos cerámicos a manera de barreras térmicas sobre piezas metálicas que trabajen en ambientes de altas temperaturas, como, cámaras de combustión y ductos de escape. Para ello se esta utilizando circonia en polvo, suavizada con itrio y calcio, con un revestimiento ligante que se aplica directamente al sustrato.


BIBLIOGRAFIA

BERNAL DE R. I. Cerámicas avanzadas estado actual y perspectivas a nivel mundial. Separata de la Revista de la Academia Colombiana de |Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, pags. 29 - 39, 1991
ENGINEERED MATERIALS HANDBOOK, Ceramics and glasses, Vol. 4, ASM International, 1991
HANDBOOK OF PROPERTIES OF TECHNICAL AND ENGINEERING CERAMICS, PART 1, An introduction for the engineer and designer, 1985
INVESTIGACIÓN Y CIENCIA. Edición en español de Scientific American, No. 23, Dic. 1986
NORTON, F. H. Elements of ceramics. Massachusetts Institue of Technology, Addison-Wesley Publishing, Cap. 14, 1957
PADIHA, A. F. Materiales, ciencia de los materiales e ingeniería de materiales. Metalurgia ABM, Vol 46, No. 391, 1990
SCHWAB, G. Las mas bellas leyendas de la antiguedad clásica. Ed. Labor, 1964
SMITH, W.S. Principles of materials science and engineering Second Edition, 1988
SOMIYA, SH. Advanced technical ceramics. Institute of Technology, Academic Press, Inc. 1988