Materiales Cerámicos - Tema 7 - PDF

7.pdf rdemh Materiales Cerámicos 2º Grado en Ingeniería de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid Reservados todos los derechos. No...

7.pdf rdemh Materiales Cerámicos 2º Grado en Ingeniería de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622395 PROPIEDADES ELÉCTRICAS I. CONDUCTOR ELÉCTRICO Aplicación en los hornos industriales. La energía requerida para el calentamiento de estos hornos de la resistencia óhmica directa de las piezas dispuestas en el horno. Estas se calientan por efecto Joule y ceden calor a la carga por las diversas formas de transmisión de calor (conducción, convención y radiación). Las resistencias de calentamiento se clasifican en metálicas, cerámicas y especiales (tubos radiantes o resistencias blindadas). Ejemplos de conductores eléctricos: - 𝑆𝑖𝐶 (sinterizado a 2300ºC) −6 −1 o Coeficiente de expansión térmica (CTE) hasta 1500ºC: 5, 6·10 º𝐶 2 o Resistencia a la flexión a 20ºC: 70-100 𝑁/𝑚𝑚 (relativamente frágil). o Temperatura de trabajo: del 1100 a 1600ºC en el aire; < 1350º𝐶 en 𝑁2; 1000-1200ºC en el vacío. Todo esto en función de la estabilidad de la capa protectora de 𝑆𝑖𝑂2 o del recubrimiento de oxinitruro de Si. o Su resistencia aumenta con el tiempo de utilización (al aumentar la capa de 𝑆𝑖𝑂2) y varía con el tiempo. - 𝑀𝑜𝑆𝑖2 (sinterizado con 20% aditivos) −6 −1 o CTE 7 − 8·10 º𝐶 2 o Resistencia a la flexión a 20ºC: 350-440 𝑁/𝑚𝑚 3 o Densidad: 5,6 𝑔/𝑐𝑚 o Temperatura de trabajo (depende de la formación de una fina capa de silicato): 1700-1800ºC en el aire; 1350-1400 ºC en hidrógeno seco; 1500-1550 ºC en gas 20% CO- 40% 𝐻2 o Es dúctil a temperaturas superiores a los 1200ºC (temperatura de conformación). o No envejecen con el tiempo. - Grafito sinterizado o Se emplean en hornos de vacío y en hornos especiales. o Son fácilmente mecanizables. o Su resistencia eléctrica no varía con el tiempo de funcionamiento. o Temperatura de trabajo: 2300ºC en hornos de vacío; 2500-2600ºC en hornos con atmósfera controlada de argón y helio. - 𝐶𝑟𝑂3𝐿𝑎 (cromita de lantano) o Resistividad eléctrica muy elevada que no varía con el tiempo de funcionamiento. o Permite alcanzar temperaturas de trabajo de 1500ºC (en horno 1350-1400ºC) y su resistencia mecánica es aceptable, aunque presenta problemas de fluencia por encima de 1200ºC. o Se utiliza en aplicaciones muy especiales. II. SUPERCONDUCTOR 1. Cupratos Estructura laminar: planos de 𝐶𝑢𝑂2 que actúa como planos de superconducción, con planos intermedios de reserva de carga. Temperatura de superconducción: 150K (-123ºC). Esta temperatura es mucho más alta que la de otros superconductores. Es relativamente fácil y más barato enfriarlos (con nitrógeno líquido) Limitaciones: bajas propiedades mecánicas, son compuestos muy frágiles debido a su estructura bidimensional a base de planos. Esta fragilidad limita la obtención de cables, que es la principal utilidad de los superconductores. Tienen facilidad de oxidación y sensibilidad a la humedad, esto limita su uso o exposición a condiciones adversas. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622395 2. 𝑀𝑔𝐵2 Temperatura de superconducción: 40K. Enfriamiento con neón líquido, refrigeración en ciclo cerrado. En comparación con los cupratos no son frágiles, por lo que se pueden fabricar cables y tienen menos tendencia a la oxidación, por lo que se les puede exponer a condiciones adversas. Obtención: normalmente se acude a la fusión de aleaciones que presentan intermetálicos en su diagrama de equilibrio. La única limitación que tienen su obtención es el diferente punto de fusión del boro y del magnesio. Por ello, el proceso es: 1- Se mezclan el magnesio sólido con polvos de boro 2- Se eleva la temperatura para que el magnesio se vaporice y así se produce una difusión en el boro. 3- Se obtienen partículas de 𝑀𝑔𝐵2 4- Conformación y sinterización III. AISLANTE ELÉCTRICO Propiedades - Resistividad: comprende la resistencia superficial y la resistencia transversal o volumétrica (se suponen que ambas actúan en paralelo). - Rigidez dieléctrica - Constante dieléctrica - Factor de pérdidas - Resistencia al arco generado al interrumpirse la corriente. Toda suciedad, humedad o sustancia adherida supone una resistencia en paralelo. Por ello, un aislante no debe tener porosidad superficial ni rugosidades que faciliten la acumulación de las mismas. Materiales cerámicos empleados como aislantes eléctricos - Porcelana eléctrica: 50% arcilla (𝐴𝑙2𝑂3 − 2𝑆𝑖𝑂2 − 2𝐻2𝑂) + 25% sílice (𝑆𝑖𝑂2) + 25% feldespato ( 𝐾2𝑂 − 𝐴𝑙2𝑂3 − 6𝑆𝑖𝑂2) - Esteatita: 90% talco (3𝑀𝑔𝑂 − 4𝑆𝑖𝑂2 − 𝐻2𝑂) + 10% arcilla - Fosterita: 𝑀𝑔2𝑆𝑖𝑂4 - Alúmina: 𝐴𝑙2𝑂3 IV. SEMICONDUCTOR Se trata de cerámicos ferroeléctricos. Los materiales pertenecientes a este grupo están caracterizados por poseer pequeños dipolos distribuidos al azar que se polarizan mediante la aplicación de un campo eléctrico para temperaturas menores que de conducción, siendo esta polarización reversible bajo la acción del campo eléctrico. Varían su conductividad cuando lo hace alguna variable externa, como la temperatura, el voltaje, la presión parcial del gas, etc. Perovskita: presenta una simetría tetragonal en la que el centro de simetría de las cargas positivas no coincide con el centro de simetría de las cargas negativas, dando origen a un dipolo eléctrico. Aplicaciones 1. Varistoles Resistencia variable con el campo eléctrico, que evita voltajes no deseados. El ZnO es un semiconductor, que con la adición de ciertas impurezas en su estructura cristalina se convierte en un buen conductor. Si los granos de ZnO dopados se introducen en una matriz cerámica aislante se obtiene un resistor variable o varistor. A bajo voltaje la matriz aislante evita la conducción, pero a voltajes altos, los electrones de ZnO dopado tienen suficiente energía para salvar la barrera de la matriz y el material conduce corriente. Variando el tamaño y el dopado de los granos de ZnO y el espesor de la matriz aislante que los rodea, se cambia el voltaje el cual el varistor cambia de mal a buen conductor. Fabricación: 2 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622395 1- Se mezcla un 85-90% de ZnO + óxidos Bi, Sn, Co, Cr + aditivos 2- Se sinteriza de dos a diez horas a una temperatura de 1100 a 1300ºC 3- Se da recocido en aire a 600-700ºC Microestructura: ZnO + óxidos metálicos (V, Mn, Al, Cu) que da lugar a fases secundarias en una matriz vítrea. 2. Termistor Dispositivo semiconductor cerámico que cambia la resistividad con la temperatura. Se usa en la medida y el control de la temperatura. El PTCR: coeficiente positivo de resistividad en función de la temperatura para un cierto intervalo de esta. Se comercializan termistores PTCR con temperaturas de corte entre 0 a 140ºC. 3. Sensores de gas Convierten la presión parcial de 𝑂2 en una señal eléctrica, una sonda lambda (masa de aire proporcionado o necesario). Este índice de relación de aire expresa en qué punto se encuentra la mezcla en proporción al aire disponible para la combustión, con respecto al aire teórico necesario para la combustión completa. 4. Cerámicos fotoelectroliticos Son convertidores de 𝐻2 (del 20%) basados en 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂𝑥 dopado dada su mayor eficiencia que los materiales fotoconductores (Si, Ge, GeAs). No se oxidan rápidamente a causa del electrolito y son inertes a los electrolitos corrosivos, lo que provocaría el cese de la electricidad. 5. Cerámicas elcetroopticas Son cerámicas que varían el índice de refracción con el campo eléctrico y radiación luminosa. Se usan como obturadores de equipos fotográficos, almacenamiento de imágenes (memorias ópticas), puertas luminosas o interruptores ópticos, etc. 6. Cerámicos piezoeléctricos Son cerámicos que producen una respuesta eléctrica al inducirles una fuente mecánica y vice-versa (efecto piezoeléctrico inverso). Aplicaciones: efecto electroestrictivo: transductores (directo) y actuadores electromecánicos (inverso). Tipos: o 𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3: principal o Cerámicas PZT: basadas en el 𝑃𝑏𝑍𝑟𝑂3 y 𝑃𝑏𝑇𝑖𝑂3 o Sulfato de litio: 𝑆𝑂4𝐿𝑖 hidratado. 2 o Zirconato-titanato de plomo PZT: 𝑃𝑏𝑍𝑟𝑂3, 𝑃𝑏𝑇𝑖𝑂3 (estructura Perovskita) sinterizados. o Películas delgadas de AIN o Cuarzo: 𝑆𝑖𝑂2 ( Obtención de 𝐵𝑎 𝑇𝑖1−𝑥𝑀𝑔𝑥 𝑂 ) 3 (𝑥 = 0, 31): método de autocombustión (ACM), método de mezcla de óxidos (MOM) y técnicas de microondas en suspensiones. En estos procesos, al varía la temperatura, varía el tamaño de grano. Spark plasma sintering: al variar el porcentaje de estaño, varía el tamaño de grano. 7. Semiconductores cerámicos en pilas de combustibles de óxidos sólidos (SOFC) Propiedades de los electrodos: o conductores o alta porosidad o estabilidad química. Propiedades de los electrolitos cerámicos: o Altas conductividades o Alta densidad (> 97% para evitar mezclas entre combustible y oxidante). o Estable a los ciclos térmicos o Buena resistencia al choque térmico o Compatible con los electrodos o Tenacidad muy alta Limitación: polimorfismo de la zirconia Tipos de fabricación: o Tape-casting: planchas por el moldeo que se cortan con un láser o Compuestos en láminas obtenidas mediante Screen Printing o Laminación 8. Almacenamiento de hidrógeno en un cerámico o En forma de gas 3 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622395 o En estado sólido: hidruros o En estado líquido La tecnología de hidruros de magnesio resuelve los límites tradicionales del hidrógeno de estado sólido (rendimiento, carga-descarga, estabilidad, etc.). Así, un disco de 𝑀𝑔𝐻2 que contiene 600litros de hidrógeno es estable a una llama de 1900ºC durante cinco minutos, sin fuego ni explosión. 4 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.