Presentación de Materiales Cerámicos 2024 PDF

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4/9/2024 MATERIALES CERÁMICOS CIENCIAS DE LOS MATERIALES ING. DANIEL GROSSO 2024 , CERÁMICOS Son compuestos químicos o soluciones complejas que contiene compuestos metálicos y no metálicos, por ejemplo: la Alúmina (Al2O3). Los más importantes son: vidrios, cementos, ladrillos, refractarios, loza, abrasivos, esmaltes vitrificados, abrasivos, cerámicos especiales como óxidos de Ti, Zr, Pb, vidrios fotocrómicos y fotoconductivos. 1  4/9/2024 , CERÁMICOS La arcilla con la que se elabora el ladrillo es un material sedimentario de partículas muy pequeñas de silicatos de alúmina hidratados, además de otros minerales como el caolín, la montmorillonita y la illita. Se considera el adobe como el precursor del ladrillo, puesto que se basa en el concepto de utilización de barro arcilloso para la ejecución de muros, aunque el adobe no experimenta los cambios físico-químicos de la cocción. El ladrillo es la versión irreversible del adobe, producto de la cocción a altas temperaturas (más de 350 °C). , CERÁMICOS Incluyen no solo óxidos y silicatos sino materiales inorgánicos como carburos duros y grafito. A diferencia de los metales donde los átomos están dispuestos en planos de empaquetamiento lo que permite que los planos se deslicen lo que a su vez, les da ductilidad, en los cerámicos la disposición de los átomos es regular lo que implica fractura y ruptura frágil. Presentan enlaces entre elementos metálicos y no metálicos iónicos y covalentes. Estos tipos de enlaces son más fuerte que el metálico. La diferencia de radios de los átomos del metal y el no metal, tiene una función importante en la distribución de iones en la celda unitaria. 2  4/9/2024 CERÁMICOS , EJEMPLO DE ENLACE IÓNICO: , CERÁMICOS En los enlaces covalentes los electrones permanecen equidistantes por lo que hay muy pocos electrones libres lo que los hace muy resistentes mecánicamente y en especial eléctricamente lo que los hace excelentes aislantes. Las fuerzas de Van Der Waals también están presentes ,por ejemplo, en las arcillas. 3  4/9/2024 CERÁMICOS , PROPIEDADES Por sus enlaces los cerámicos son duros, frágiles, con baja conductividad, buena estabilidad química, elevado punto de fusión y elevada resistencia a la compresión. Sin embargo se han desarrollado algunos que contradicen esto, p.ej. el Si3N4-SiC tiene mayor tenacidad que algunos metales o el SiC y el AlN que presentan conductividades similares a los metales. También hay semiconductores como el ZnO y otros son superconductores. , CERÁMICOS Materiales Cerámicos Vidrios Abrasivos Productos Cementos Cerámicos Refractarios de arcilla avanzados Vidrios Vitrocerámicos Especiales Básicos Silica Arcillas Productos Porcelanas Refractarias estructurales de arcilla 4  4/9/2024 CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La sílice y los silicatos son los más importantes materiales cerámicos sencillos. La sílice líquida al enfriarse forma tres estructuras alotrópicas: Cristobalita entre 1710°C y 1470°C. Tridimita entre 1470°C y 870°C. Cuarzo a temperatura inferior a 870°C. Estas transformaciones son lentas por lo que si se enfrían rápidamente se obtiene vidrio sin ninguna estructura definida. CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS Cristobalita Cuarzo Tridimita 5  4/9/2024 CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS  Cristobalita: Estruturas de red: β - cristobalita: Cúbica ( fcc ); α - cristobalita: Tetragonal (siendo al mismo tiempo pseudocúbica)  Tridimita o asmanita es un polimorfo del dióxido de silicio (SiO2), y se encuentra principalmente en dos formas: Tridimita alfa, la cual cristaliza en el sistema monoclínido u ortorrombico, y la tridimita beta, la cual cristaliza en el sistema hexagonal.  Cuarzo: cristaliza en dos sistemas cristalinos dependiendo de la temperatura : por encima de los 573°C en el sistema hexagonal - por ejemplo con la forma típica de bipiramides hexagonales. Por de bajo de los 573°C en el sistema trigonal CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La sílice (SiO2) se emplea en hornos refractarios como los utilizados en la fabricación de acero (1649°C). El al formación de ladrillos se puede agregar 2% de Ca(OH)2 que cementa los granos durante el calentamiento y cataliza el cuarzo a cristobalita y tridimita con mejores características de expansión. 6  4/9/2024 CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La alúmina (Al2O3) se emplea en estado puro o en mezclas. Sus cristales simples forman el rubí y el zafiro de los que sus respectivos colores se debe a la presencia de Cr, Fe y Ti. CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La alúmina (Al2O3) se utiliza también en la fabricación de tubos para lámparas de vapor de Na por ser resistente a este y en herramientas de corte por su dureza. 7  4/9/2024 CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La magnesia (MgO) se emplea para la fabricación de ladrillos refractarios. El refractario Dolomita es un CO3(Mg Ca) al que se le elimina el CO2. Los silicatos se forman en la reacción de la sílice con óxidos metálicos y óxidos de K o Na para formar vidrios. Los asbestos son silicatos complejos de Mg hidratado que forman cadenas lo que los hace fibrosos. CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS La Mica es un silicato complejo de K y Al cuyo enlace produce láminas ya que el enlace Si-O se hace en dos dimensiones. Se usa como aislante eléctrico en máquinas de alta tensión y potencia, turbogeneradores, motores eléctricos y algunos tipos de condensadores. 8  4/9/2024 CERÁMICOS , MATERIALES CERÁMICOS SENCILLOS Las arcillas son silicatos complejo con Al de estructura similar a la de la mica, en donde las moléculas de agua se adhieren a las capas de arcilla por fuerzas de Van Der Waals lo que les da la plasticidad característica. Si se le agrega mas agua se forman enlaces agua-agua perdiendo plasticidad y volviéndose limosa. CERÁMICOS , OTROS MATERIALES CERÁMICOS Titanato de bario: debido al tamaño del átomo de Ti no cabe dentro de la celda formada por el Ba y el O, lo que produce una carga fuera del centro. Esta propiedad permite usar este compuesto para la fabricación de transductores. Los Carburos de W, Ti, Ta (tántalo) y Cr se usan en herramientas de corte o en otras aplicaciones donde se necesiten compuestos de alta dureza. El Cermet es una mezcla de C- con 10% de Co también usado en la fabricación de herramientas de corte. El C4B tiene una dureza similar al diamante. 9  4/9/2024 CERÁMICOS , OTROS MATERIALES CERÁMICOS El Boruro de nitrógeno (BN) es un excelente aislante y es fácil de maquinar. El Carbono, mezclándolo con brea se obtiene “pasta electródica” un producto “amasable” muy útil para la fabricación de electrodos para hornos eléctricos (como los utilizados para ferroaleaciones o de carburo de calcio). La estructura laminar con enlaces covalentes dentro de la propia lamina y semimetálico entre laminas le otorga excelentes propiedades de lubricación y gran conductividad eléctrica y térmica. En el diamante los enlaces covalentes le confiere rotura en planos perfectos. CERÁMICOS , MATERIALES ABRASIVOS CERÁMICOS La gran dureza de algunos cerámicos los hace aptos para cortar, pulir, etc. La Alúmina fundida y el CSi son los abrasivos más usados industrialmente. Se saben utilizar con materiales de adición como resinas, polímeros, etc. El producto final debe tener cierta permeabilidad para permitir el paso de aire o líquidos. Se suele mezclar la sílice con ZrO2 (Oxido de circonio) para mejorar la abrasión. 10  4/9/2024 CERÁMICOS , VIDRIO El vidrio no tiene una estructura cristalina definida, (los átomos están en su mayoría en desorden). Existen compuestos que por si solos o en conjunto pueden formar vidrio, a estos compuestos se los denominan “Formadores de vidrio”, ellos son: SiO2, B2O3, GeO2, P2O5, As2O3 y As2O5. CERÁMICOS , VIDRIO Existen compuestos que no forman vidrio por si solos sino que lo modifican, por lo que se los denominan “Modificadores de vidrio”, por ejemplo el NaO2 que disminuye la temperatura de fusión del vidrio haciéndolo más manejable. 11  4/9/2024 CERÁMICOS , VIDRIO DE BOROSILICATO (PIREX) El vidrio de borosilicato posee un 80% de SiO2, 12% de B2O3 y 4% de Al2O3. El B2O3 sustituye a los óxidos alcalinos (CaO y Na2O) con lo que se obtiene un vidrio de menor expansión (el coeficiente de expansión pasa de 9x10-6 a 3,5x10-6). La resistencia de estos vidrios al choque térmico es muy superior. CERÁMICOS , APLICACIONES ACTUALES El Compuesto sándwich conformado de alúmina porosa encerrada por alúmina compacta se utiliza en la fabricación de implantes óseos y dentales. Cerámica para altas temperaturas en motores de combustión interna. Cerámicas conductoras estables para altas temperaturas en “Celdas de Combustible”, en sistema de generación eléctrica a partir de combustible fósiles por electrolisis. CSi esponjoso (97% de porosidad) de alta resistencia térmica (2.200°C), para filtros para metales fundidos, intercambiadores de calor, aislantes y elementos de hornos. 12  4/9/2024 , ¿Preguntas? Muchas gracias 13