Materiales Ceramicos
Materiales Ceramicos
Un amplio grupo de materiales no
metálicos, compuestos por metales y
no metales, unidos por enlaces iónicos
y/o covalentes.
Principalmente compuestos de arcilla,
fedelspato y sílice
Materiales Cerámicos



Son de utilización muy amplia y
antigua en todos los ámbitos.
Ello se debe a que sus constituyentes
principales (Si, O, Al) son los
elementos más abundantes
Además se utilizan en su forma
oxidada, por lo que no sufren
alteraciones del medio ambiente
Distribución de los elementos
Distribución de los elementos
Arcillas
Contienen algunos de los siguientes:
 Sílice (SO2) y Aluminio como silicatos
 Compuestos de potasio
 Compuestos de magnesio
 Compuestos de calcio
La arena contiene sílica y fedelspato o
Silicatos de aluminio y potasio.
Materiales Cerámicos
Fedelspato
(Al2O3.6SiO2
.xxx)
Cuarzo (SiO2)
Sílice y Silicatos

El silicio tiene una valencia igual a la
del carbono, y, como éste, forma
compuestos de forma tetraédrica
Sílice y Silicatos

Estos tetraedros se combinan de
diferentes maneras según compartan
2, 3 o 4 vértices
Sílice y Silicatos
Sílice y Silicatos

En el caso de que compartan 2
vértices, tenemos una cadena o anillo,
y el material es fibroso
Sílice y Silicatos

Si se comparten 3 vértices, se forma
una estructura laminar:
Muscovita
Sílice y Silicatos

Cuando se comparten los 4 vértices,
tenemos una estructura tridimensional
Feldespato
Tipos de Materiales Cerámicos





Decorativos
Refractarios
Vidrios
Abrasivos
Cementos
Comparación entre metales v
materiales cerámicos
Metales
Estructura cristalina
Muchos electrones libres
Enlace metálico
Buena conductividad eléctrica
Opacos
Atomos uniformes
Gran resistencia a tensión
Dúctiles
Flujo plástico
Buena resistencia a impacto
Peso relativamente elevado
Dureza moderada
No porosos
Alta densidad
Cerámicas
Estructura cristalina
Electrones "fijos"
Enlace iónico y/o covalente
Malos conductores
Transparentes
Atomos de diferente tamaño
Pobre resistencia a tensión
Frágiles
Sin plasticidad
Pobre resistencia a impacto
Más livianos
Dureza extrema
Altamente porosos
Baja densidad
Propiedades mecánicas y químicas
Material
Al2O3
Si3N4
SiC
ZrO2 9% MgO
densidad
(kg/m3)
385
319
310
550
Resistencia
compresión
(Mpa)
345
690
550
690
Propiedades mecánicas y químicas
Diferencia
Compuesto
electronegatividad % iónico % covalente
Dióxido de circonio
2,3
73
27
Oxido de magnesio
2,2
69
31
Oxido de aluminio
2
63
37
Dióxido de silicio
1,7
51
49
Nitruro de silicio
1,3
34,5
65,5
Carburo de silicio
0,7
11
89
Compuesto
Fórmula Punto de fusión °C
Oxido de magnesio
MgO
2798
Dioxido de circonio
ZrO2
2750
Carburo de boro
B4C3
2450
Oxido de aluminio Al2O3
2050
Dióxido de silicio
SiO2
1715
Materiales Cerámicos tradicionales
Hechos de arcillas naturales y mezclas
con cerámicos cristalinos.
Incluyen:
 “Cerámicas”
 Productos estructurales
 Refractarios
Cerámicas





Vajilla
Piso y pared
Sanitarios
Porcelana eléctrica
Cerámicas decorativas
Cerámicas: Baños
Moldeo por drenado
Sinter
and
Serve
Refractarios
Ladrillos para calderas y hornos.
Tienen un alto contenido de sílice o
aluminio.
Son utilizados en la fabricación de
hierro y acero, metales no ferrosos,
vidrio, cementos, conversión de
energía, petróleo, e industrias
químicas.
Refractarios

Usados para proveer protección térmica a
otros materiales a temperaturas muy altas,
como en la producción de acero (Tm=1500°C),
fundiciones de metal, etc.

Compuestos princimpalmente de alúmina
(Al2O3) (Tm=2050°C) y sílice junto a otros
óxidos: MgO (Tm=2850°C), Fe2O3, TiO2, etc., y
tienen una porosidad mayor al 10% en
volumen.

También se utilizan BeO, ZrO2, SiC, y grafito
con baja porosidad
Ladrillo refractario
Cerámicos Amorfos (vidrios)





Principal componente: Silice (SiO2)
Si se enfría despacio se obtiene un compuesto
cristalino.
Si se enfría más rápido se obtiene una estructura
amorfa que consiste de cadenas desordenadas de
átomos de Silice y Oxígeno.
A esto se debe su transparencia, ya que los bordes
cristalinos desvían la luz, causando reflexión.
El vidrio puede ser templado para aumentar su
tenacidad y resistencia.
Tipos de vidrio
Hay tres tipos comunes:
 Vidrio de soda y cal - 95% de ellos,
vidrios, contenedores, etc
 Vidrios con plomo - contiene óxido de
plomo para mejorar el índice de
refracción.
 Borosilicatado - contiene óxido de boro,
conocido como Pyrex.
Vidrios





Plano (ventanas)
Vidrio de contención (botellas)
Vidrio soplado (vajilla)
Fibra de vidrio (aislante)
Vidrios avanzados/especiales (fibra
óptica)
Contenedores y botellas
Procesado por presión
Moldeo por soplado
Vidrio en edificios
Proceso de plato
Vidrio templado
La resistencia del vidrio puede ser mejorada
induciendo tensiones residuales de compresión
en la superficie.
La superficie permanece comprimida, cerrando
pequeñas fracturas.
Proceso de endurecimiento


Templado:
– Se calienta por encima de Tg pero debajo del punto
de fusión
– Se enfría en agua o aceite
– La superficie se enfría a Tg antes que el interior
– Cuando el interior se enfría y contrae comprime la
superficie.
Endurecimiento químico:
– Cationes con gran radio iónico se difunden en la
superficie
– Esto tensa las “celdas” introduciendo fuerzas
compresivas y tensiones.
Vidrio de seguridad

¡Muchos intentan
romperlo con
piedras o palos
pero el vidrio
permanece intacto !
Cada tanto se
muestra el video de
alguien queriendo
sacar el dinero
Vidrio con plomo
Cerámicos cristalinos
Buenos aislantes eléctricos y refractarios.
 El óxido de magnesio se utiliza como
aislante en elementos calientes y cables.
 Oxido de aluminio
 Oxidos de Berilio
 Carburo de Boro
 Carburo de Tungsteno
 Usado como abrasivos en máquinas
cortantes.
Abrasivos


Naturales (granate, diamante, etc.)
Abrasivos Sintéticos (carburo de sílice,
diamante, alúmina, etc.) se utilizan
para perforar, cortar, pulir.
Cementos

Usados para producir caminos, puentes,
edificios, represas.
Cerámicas avanzadas

Se desarrollaron en los últimos 50 años

Aplicados como coberturas térmicas para proteger
estructuras metálicas, cubrir superficies, o como
compuestos importantes por sí mismos.
Las aplicaciones en motores son típicas de estos
materiales, que incluyen el nitrito de sílice (Si3N4),
carburo de silicio (SiC), Zirconia (ZrO2) y Alumina
(Al2O3)


Su resistencia al calor y otras propiedades han llevado
al desarrollo de métodos para endurecerlos
reforzándolos con fibras , abriendo un campo de
aplicaciones para estos materiales
Cerámicas avanzadas




Estructura: biocerámicas, herramientas de
corte, componentes de motores, blindajes.
Eléctricos : capacitores, aislantes, circuitos
integrados , piezoeléctricos, magnetos y
superconductores
Recubrimientos: componentes de motores,
herramientas de corte
Químicas y ambientales: Filtros, membranas,
catálisis.
Componentes de motores
Rotor (Alúmina)
Engranajes (Alúmina)
Turbocargador
Rotor Cerámico
Discos de freno cerámicos
McLaren Mercedes Benz
Carburo de silicio
Componentes de
automóvil
Elegidos por su
resistencia al calor
y desgaste
Armaduras cerámicas

Utilizadas en el ejército.

Ventaja: baja densidad del material que lo hace
eficiente

Materiales cerámicos típicos: alúmina, carburo de
boro, carburo de silicio, y diboro de titanio

El material cerámico es discontinuo y forma un
“sandwic” entre un exterior más dúctil y una fibra
interna

La capa externa debe ser suficientemente dura
para frenar el proyectil.

La mayor parte de la energía de impacto es
absorbida por la fractura de la cerámica y
cualquier energía cinética remantente es
absorbida por la capa interna, que también sirve
para contener los fragmentos de cerámica y el
proyectil evitando un impacto severo.

La combinación Alúmina /Kevlar compuesto en
hojas de 20 mm. se utilizan para proteger áreas
críticas del avión Hércules.

Esta solución de bajo peso resultó eficiente y de
fácil reemplazo.
Cerámicos – Blindaje compuesto
O u te r h a rd
sk in
C e ra m ic D is c o n tin u o u s
P ro je ctile
P e rs o n n e l
and
E q u ip m e n t
In n e r
d u c tile
s k in
C e ra m ic A rm o r S yste m
Carburo de sílice
Blindaje corporal y
otros compuestos
elegidos por sus
propiedades
balísticas.
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Ceramics - INGENIERÍA CICLO BÁSICO