Procesado de materiales cerámicos

La mayoría se fabrican mediante el compactado de materiales pulverulentos o partículas tratados térmicamente para unir las distintas partículas. Consta de 3 etapas:

1) Preparación del material

Dependiendo de las propiedades requeridas del material, las partículas que lo componen, así como otros ingredientes como aglutinantes o lubricantes, se pueden mezclar en seco o en presencia de humedad. En materiales sencillos (ladrillos, derivados de la arcilla, etc.) la mezcla de los ingredientes con H₂O es común.

2) Moldeado del material

Tipos:

• Prensado en seco: Compactación de un polvo granulado en un molde. Se suelen añadir pequeñas cantidades de agua o de aglutinante. Si el prensado se realiza en frío, posteriormente las piezas son tratadas térmicamente (cocción).
• Prensado isostático: Un molde de material flexible (caucho o similar) y hermético se rellena con el polvo cerámico y se introduce en una cámara que se rellena con un fluido hidráulico. La presión aplicada compacta el polvo en todas direcciones y el producto final toma la forma del molde. La pieza se somete posteriormente a un proceso de cocción.
• Moldeo de vaciado de suspensión (barbotina): Se mezcla el material cerámico pulverizado y un líquido (agua) para formar una suspensión estable (lechada). Ésta se vierte en un molde poroso que absorbe parte del líquido formándose una capa semidura sobre la superficie del molde. Cuando la pared alcanza el espesor deseado se desecha el exceso de lechada (drenado) y se deja secar el material para extraerlo a continuación.
• Extrusión: El material cerámico plástico (ej. arcilla húmeda) es forzado a pasar a través de un troquel de acero o aleación dura mediante una barrena accionada por motor.
• Moldeo por inyección: El material fundido se inyecta en un molde cerrado y frío. El material solidifica en el molde (poco utilizada en cerámicos debido a sus altos puntos de fusión).

3) Tratamientos térmicos de materiales cerámicos

El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. Fundamentalmente podemos distinguir tres tratamientos distintos:

1) Secado y extracción del aglutinante

Eliminación del agua antes de llevar a cabo la cocción de la masa cerámica plástica. Se lleva a cabo a temperaturas iguales o inferiores a 100 ºC durante aprox. 24 h. Los aglutinantes orgánicos utilizados como cimentadores pueden eliminarse generalmente por calentamiento a temperaturas en el intervalo 200 – 300ºC.

2) Sinterizado

Es el proceso por el cual partículas pequeñas de un material se unen entre sí por difusión en estado sólido. Da lugar a que un producto cerámico poroso se transforme en uno denso y coherente.

La sinterización se lleva a cabo a temperaturas muy altas (pero inferiores al punto de fusión del material). Tiene lugar una difusión atómica entre las superficies en contacto de las partículas que se enlazan entre sí. Conforme avanza el proceso se forman partículas más grandes y la porosidad (huecos entre partículas) disminuye.

El proceso de difusión está favorecido termodinámicamente ya que la energía superficial de las partículas disminuye a medida que su tamaño aumenta.

3) Vitrificado

A algunos materiales cerámicos se les añade un óxido metálico (plomo, cobre, cobalto, etc.) denominada frita con temperaturas de fusión inferiores a la de la propia cerámica. Al someter la mezcla a altas temperaturas (vitrificación), la frita funde y rellena los poros del material cerámico. Bajo enfriamiento, la fase líquida solidifica formando una matriz vítrea que une las partículas cerámicas que no han fundido.

Cerámicas de ingeniería

Compuestos puros o casi puros con propiedades mecánicas, eléctricas o térmicas muy superiores a las de los materiales cerámicos tradicionales. Se trata fundamentalmente de óxidos, nitruros o carburos tales como alúmina (Al₂O₃), nitruro de silicio (Si₃N₄), carburo de silicio (SiC) o circonia (ZrO₂).

Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos

Materiales relativamente frágiles. Duros pero baja resistencia al impacto.

La causa principal de fractura en materiales cerámicos es la existencia de grietas o un alto grado de porosidad producidos durante la fabricación. La existencia de grietas o poros y falta de ductilidad hace que las grietas se propaguen hasta causar la rotura. Presentan una baja tenacidad a la fractura (PSZ excepción) y, debido a la ausencia de plasticidad, la fractura debido a la fatiga no es común. Una alta porosidad implica que el área de la sección transversal sobre la que se aplica una fuerza es menor y por tanto rebajan la tensión que un material puede soportar. La gran dureza que presentan algunos les hace susceptibles de ser usados como abrasivos.

La mayoría tienen baja conductividad térmica y son buenos aislantes térmicos. Se usan como materiales refractarios (altos puntos de fusión). Refractarios cerámicos: mezclas de compuestos cerámicos.

• Ácidos: (SiO₂, Al₂O₃,…) Alta resistencia mecánica y rigidez.
• Básicos: (MgO, CaO,…) Alta densidad, altos puntos de fusión y buena resistencia al ataque químico de óxidos y productos básicos.