PARTE 2: MATERIALES CERÁMICOS
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados por enlaces iónicos y/o covalentes. Pueden ser cristalinos, o no cristalinos, o mezcla de ambos. La mayoría tienen alta dureza y resistencia al calentamiento, pero tienden a la fragilidad. Las ventajas para su uso en motores son: bajo peso, alta rigidez y dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, y propiedades aislantes. También son útiles en revestimientos de hornos, por su resistencia al calor y propiedades aislantes.
El desarrollo de la tecnología, sobre todo en las últimas décadas, ha traído como consecuencia la distinción entre materiales estructurales y materiales funcionales.
En los primeros las propiedades mecánicas ocupan lugar preferente y sus aplicaciones se centran en la preparación de piezas, construcciones, aparatos, etc.
En los segundos, es fundamental su especial comportamiento en el campo eléctrico o magnético o químico u óptico. Esto ha motivado que las cerámicas modernas sean preparadas con materiales sintéticos de muy diverso origen. También, en general, se pueden reciclar.
1. ESTRUCTURAS CERÁMICAS
Puesto que el enlace atómico en los materiales cerámicos es parcial o totalmente iónico, muchas de sus estructuras pueden ser pensadas como iones en lugar de átomos. Los iones metálicos, cationes, están cargados positivamente, ya que han cedido sus electrones de valencia a los iones no metálicos, aniones, los cuales están cargados negativamente.
Las estructuras cristalinas de los cerámicos vienen determinadas por el valor de la carga eléctrica de los iones componentes (ya que el cristal debe ser eléctricamente neutro), y los tamaños relativos de los cationes y aniones (cuanto menor sea el cociente [Radio catión/Radio anión], menor será el número de coordinación).
2. CLASIFICACIÓN
Muchos materiales cerámicos pueden clasificarse, según sus aplicaciones, en uno de los grupos siguientes: vidrios, productos de la arcilla, porcelanas, refractarios, abrasivos, cementos y cerámicas técnicas.
2.1 VIDRIOS
Los vidrios presentan propiedades especiales que no se dan en otros materiales de ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente, así como una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes hacen del vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería: construcción, automoción, etc.
El vidrio es un material cerámico que se obtiene a partir de materiales inorgánicos a altas temperaturas. Se distingue de otros cerámicos en que sus constituyentes son calentados hasta fusión y después enfriados hasta un estado rígido sin cristalización.
Un material vítreo, a medida que el líquido se enfría, se vuelve más y más viscoso, luego se convierte en un sólido plástico y blando y finalmente se vuelve duro y quebradizo.
La mayoría de los vidrios están basados en la sílice (SiO2), aunque también el óxido de boro (B2O3) o el óxido de germanio (GeO2) pueden formar estructuras vítreas.
Óxidos alcalinos como Na2O y K2O y óxidos alcalinotérreos como CaO y MgO se incorporan a los vidrios de sílice para reducir su viscosidad y así conseguir su procesamiento más fácilmente.
2.2 PRODUCTOS DE ARCILLA
La arcilla es un aluminosilicato hidratado, que puede contener impurezas como óxidos o materia orgánica. Por ejemplo, la caolinita tiene de fórmula [Al2(Si2O5)(OH)4].
Es uno de los materiales más ampliamente utilizados debido a su abundancia y bajo costo. También, debido a la facilidad de conformación de los productos de la arcilla, ya que con agua forma una masa plástica, a la que se puede dar la forma deseada. Posteriormente es secada y cocida a elevadas temperaturas para aumentar su resistencia mecánica.
La mayoría de los productos basados en la arcilla se pueden clasificar en dos grandes clases:
- Productos estructurales de la arcilla: Ej.: ladrillos, baldosas, tuberías de aguas residuales.
- Porcelanas: adquiere color blanco por cocción a altas temperaturas. Ej.: porcelana, vajillas, artículos sanitarios.
Muchos productos de la arcilla, además contienen cuarzo (sílice) que puede formar vidrio, y feldespato que es un fundente, el cual pertenece al grupo de los aluminosilicatos que contiene iones K+, Na+ y Ca2+.
Las propiedades de la pieza final estarán determinadas por las proporciones de estos tres componentes: arcilla, cuarzo y fundentes.
2.3 LADRILLOS REFRACTARIOS
Son cerámicas que pueden soportar altas temperaturas sin fundir o descomponerse, la capacidad de permanecer inertes sin reaccionar cuando son expuestas a medios agresivos y se buenos aislantes térmicos.
Se utilizan en los revestimientos de hornos que deben alcanzar altas temperaturas, por ejemplo para la fabricación de vidrio o tratamientos térmicos metalúrgicos.
2.4 CERÁMICAS ABRASIVAS
Se utilizan para desgastar, desbastar o cortar otros materiales más blandos. Por tanto, deben poseer alta dureza o resistencia al desgaste y un alto grado de tenacidad para que las partículas no se fracturen fácilmente. También resistir altas temperaturas que pueden producir debido a las fuerzas abrasivas de fricción.
Las más comunes son el diamante (natural o sintético), CSi, WC, Al2O3 y arena de sílice.
Se pueden utilizar, en diferentes granulometrías) adheridos a muelas de desbaste (de esmeril), como recubrimiento sobre un tejido o papel (lija) o en polvo.
2.5 CEMENTOS
Se incluyen en este grupo los cementos, yeso y caliza, que cuando son mezclados con agua, forman una pasta que después fragua y endurece. Permite producir piezas de casi todas las formas que se deseen.
2.6 CERÁMICAS TÉCNICAS
Están constituidas principalmente de compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos, carburos o nitruros. Algunos de los más importantes cerámicas de ingeniería son: Alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC), y circonia (ZrO2) combinados con algunos otros óxidos refractarios.
En estas cerámicas se busca una combinación de propiedades superior para algunas aplicaciones como: motores de combustión, sistemas de blindaje para proyectiles o componentes electrónicos.
3. PROPIEDADES MECÁNICAS
A temperatura ambiente, tanto las cerámicas cristalinas como las no cristalinas casi siempre se rompen antes de que ocurra alguna deformación plástica en respuesta a cualquier carga de tracción. El proceso de fractura frágil consiste en la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en una dirección perpendicular a la carga aplicada.
La resistencia a la fractura, disminuye con la presencia de pequeños defectos en el material, que actúan como concentradores de tensiones, es decir, en estos lugares, la magnitud de la tensión es amplificada. Estos concentradores de tensiones pueden ser microfisuras superficiales o internas, o poros internos, y la amplificación es mayor si son defectos largos y puntiagudos.
La resistencia a la fractura depende de la probabilidad de que existan defectos capaces de iniciar una grieta. Esta probabilidad varía de probeta a probeta del mismo material, ya que depende de la técnica de fabricación y de cualquier tratamiento subsiguiente. También el tamaño de la probeta influye, ya que cuanto mayor sea el tamaño de esta, mayor es la probabilidad de la existencia de defectos, y por tanto menor la resistencia a la fractura.
Para estudiar el comportamiento tensión-deformación de cerámicas frágiles, no se utiliza el ensayo de tracción, ya que es difícil preparar probetas con la geometría requerida, y la resistencia a compresión es superior a la de tracción. Frecuentemente se emplea el ensayo de flexión, en donde una probeta en forma de barra, es flexionada apoyándola por sus extremos y aplicando la carga en el punto medio, progresivamente creciente hasta producir la fractura. Como ocurre con los materiales metálicos, en la deformación elástica, existe linealidad entre tensiones y deformaciones.