Cerámicas: Características, Tipos y Aplicaciones
Las cerámicas se caracterizan por su alta dureza, resistencia al desgaste, estabilidad química, resistencia a altas temperaturas y bajo coeficiente de expansión térmica. Permiten, aunque no exclusivamente, el procesamiento de minerales, sellos, válvulas, intercambiadores de calor, troqueles para perfilar metales, turbinas de gas, productos médicos, herramientas de corte de aplicación en la construcción y otras especialidades.
Su estabilidad química, mayor resistencia al desgaste, mayor dureza ante el calor y mejor dispersión de calor en el proceso de eliminación de rebabas son también destacables.
Algunos ejemplos de materiales cerámicos que se usan para fabricar herramientas de corte son los materiales compuestos oxidometálicos (70% Al2O3 – 30% TiC), oxinitruros de silicio-aluminio (SIALONES) y nitruro de boro cúbico.
Estas herramientas son manufacturadas en un proceso pulvimetalúrgico en los que las partículas de cerámica se densifican hasta darles una forma final por compactación y sinterización. Generalmente de formas geométricas cúbicas, cilíndricas, semiesféricas, cónicas o paralelelpípedas y de tamaño reducido, con perforaciones centrales para su montaje en mangos de equipos específicos.
Concepto de las Cerámicas
Las cerámicas son materiales inorgánicos, no metálicos, que constan de elementos metálicos y no metálicos enlazados entre sí principalmente por enlaces iónicos y/o covalentes.
La composición química de los materiales cerámicos varía considerablemente, desde los compuestos simples hasta mezclas de muchas fases complejas enlazadas.
Las propiedades de los materiales cerámicos varían debido a diferencias en el enlace.
En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles, con tenacidad y ductilidad baja.
Son buenos aislantes térmicos y eléctricos debido a la ausencia de electrones de conducción.
Tienen temperaturas de fusión relativamente altas y gran estabilidad química en muchos ambientes hostiles gracias a la estabilidad de sus enlaces fuertes.
Por estas propiedades, los materiales cerámicos son indispensables en muchos diseños de la ingeniería.
Su aplicación en la ingeniería se puede dividir en dos grupos:
- Los materiales cerámicos tradicionales
- Los materiales cerámicos de ingeniería
Cerámicas Tradicionales
La cerámica tradicional está hecha de 3 componentes básicos: arcilla, sílice (silex) y feldespato.
Entre la aplicación de las cerámicas tradicionales se encuentran los vidrios, los ladrillos, los azulejos y derivados que se usan en la industria de la construcción y la porcelana eléctrica que se utiliza en su industria.
Las cerámicas de ingeniería, en cambio, consisten generalmente en compuestos puros o casi puros como el óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si3N4).
Como ejemplo en esta área están el carburo de silicio, en zonas de alta temperatura del motor de turbina de gas automotriz AGT-100 experimental y el óxido de aluminio, como base de apoyo para chips de circuito integrado en un módulo de conducción térmica.
Componentes de las Cerámicas Tradicionales
Arcilla: Está compuesta principalmente por silicatos de aluminios hidratados (Al2O3 SiO2 H20) con pequeñas cantidades de otros óxidos como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na20 y K2O.
La arcilla en los materiales cerámicos tradicionales se puede trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituye el cuerpo principal del material.
Sílice (SiO2): También llamada sílex o cuarzo, funde a altas temperaturas y es el material refractario de los cerámicos tradicionales.
Feldespato potásico: Tiene de composición básica óxido de potasio y silicatos de aluminio (K2O Al2O3 6SiO2). Funde a bajas temperaturas y se transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a alta temperatura y une los componentes refractarios.
Los productos estructurales de arcilla tales como los ladrillos para la construcción, bovedillas de losas, tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubierta, briquetas de revestimientos, losetas para pisos y otros son hechos de arcillas naturales que contienen los tres componentes básicos.
Los productos de cerámicas finas, como la porcelana eléctrica, porcelana china, porcelana escultórica, artefactos sanitarios y accesorios están formados a partir de arcilla, sílice y feldespato por medio de los cuales se controla su composición.
Cerámicas de Ingeniería
En contraste con las cerámicas tradicionales que se basan principalmente en las arcillas, las cerámicas de ingeniería o técnicas son principalmente compuestos puros o casi puros, de óxidos, carburos o nitruros, sobre todo.
Entre las propiedades, procesos y aplicaciones importantes de algunas cerámicas de ingeniería se tienen:
Alúmina (Al2O3)
Se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas. En la actualidad tiene una amplia aplicación. Se usa como material aislante para bujías de encendido.
Óxido de aluminio pulverizado se impurifica con óxido de magnesio, comprimido o presado en frío y se sinteriza, lo que produce un tipo de microestructura uniforme de la estructura del grano de alúmina (1700° C) muy diferente a la obtenida en la micro estructura de la porcelana eléctrica que es menos regular. Por esta razón favorable se usa en aplicaciones eléctricas de alta calidad donde se requiere una baja pérdida dieléctrica y alta resistividad.
Nitruro de Silicio (Si3N4)
De todas las cerámicas de ingeniería, tiene probablemente la combinación más útil de propiedades mecánicas, como resistencia razonable, resistencia al impacto, y propiedades refractarias.
Se disocia significativamente a temperaturas por arriba de 1800°C y en consecuencia no se puede sintetizar directamente. No obstante, se están desarrollando nuevos métodos de fabricación que serán usados para aplicación de partes de máquinas avanzadas.
Se han desarrollado 4 procesos principales para la obtención del nitruro de silicio (Si3N4):
- Proceso por reacción de unión (RBSN)
- Proceso de compactación en caliente de nitruro de silicio (HPSN)
- Proceso de silicio sinterizado (SSN)
- Proceso de nitruro de silicio de compactación en caliente (HIP-SN)
En el proceso por reacción de unión, un polvo compactado de silicio se nitrura en una corriente de gas nitrógeno. Este proceso produce un nitruro de silicio (Si3N4) microporoso y con moderada resistencia.
Para promover el sinterizado, se utilizan varias cantidades de aditivos de óxidos.
- Los que se pueden producir de nitruro de silicio (Si3N4) por compactación en caliente usando de un 1 % a un 5 % de MgO.
- Los se pueden obtener de otros cerámicos de nitruro de silicio (Si3N4) por compactación en caliente o por compactación isostática en caliente añadiendo distintas cantidades de (MgO) y/o (Y203). Estos aditivos reaccionan con el nitruro de silicio (Si3N4) que comienza a formarse en polvo y su capa superficial de (Si02) para crear un borde de grano de oxinitruro cuyas características controlan el proceso de unión de altas temperaturas.