Aumento de la Tenacidad en Materiales Cerámicos

Explicación breve de las dos formas de aumentar la tenacidad en los materiales cerámicos.

Por Transformación

Partículas pequeñas dispersas de circona parcialmente estabilizada. Al experimentar el campo de tensiones, las partículas metaestables se transforman, aumentando su volumen y generando unas tensiones de compresión sobre la punta de la grieta.

Por Composición

Fibras o whiskers que inhiben la propagación de la grieta por deflexión de la punta de la grieta: Estirado de las fibras fuera de la matriz y redistribución de las tensiones en las regiones adyacentes.

Vidrios

Silicatos no cristalinos con otros óxidos (transparencia óptica y facilidad de fabricación).

Propiedades Mecánicas

Fragilidad por porosidad aumentada, mejorable por temple o tratamiento químico.

• Temple Térmico: Introducir tensiones residuales superficiales de compresión (Ts) mediante enfriamiento rápido.
• Temple Químico: Inserción de iones más grandes en la superficie sumergiendo el vidrio en un baño caliente. Para secciones delgadas.

Propiedades Ópticas

• Índice de Refracción:
• Reflectividad: Se refleja con un ángulo igual respecto de la vertical.
• R=1 mate, R=0 brillo, pero reflejan la misma luz solo que de distinta forma (especular o difusa).
• Transparencia: Capacidad de transmitir una imagen clara; asociada a la falta de porosidad.
• Translúcido: Transmiten imagen difusa. Dependen de la cantidad de poros y segundas fases, además del índice de refracción.
• Color: Absorción de determinadas ondas por los electrones.

Conformado de Vidrio

Fusión completa y mezclado de materias primas, con ajuste de la viscosidad para que no aparezcan poros. Técnicas: Prensado, Soplado, Estirado.

Cerámicas Vítreas / Vitrocerámica

Material de grano muy pequeño (0,1-1 µm), libre de tensiones residuales, obtenido por desvitrificación de un 90% del material. Debe resistir fatiga térmica y tener alta resistencia y conductividad térmica, además de facilidad de fabricación. Los huecos de cristales se rellenan mediante vidrio (estructura cristalina).

Arcilla

Productos Estructurales y Porcelanas

Productos estructurales (ladrillos, baldosas), Porcelanas (vajillas) (arcilla + cuarzo + feldespato).

Aluminosilicatos hidratados (agua entre capas haciéndola moldeable).

Técnicas de Fabricación

Moldeo

• Conformación Hidroplástica: Fácilmente moldeables sin fisuración.
• Moldeo en Barbotina: Suspensión de arcilla y/o otros materiales no plásticos en agua. El agua es absorbida dejando una capa sólida. [Libre de burbujas, poca contracción durante el secado, resistencia a tracción, alta velocidad de fabricación].

Secado

Al secarse, la distancia entre partículas disminuye provocando la contracción. Secado interior por difusión y luego evaporación. Si la evaporación es mayor que la difusión, aparecen defectos.

Cocción

Vitrificación: Vidrio líquido que fluye hacia los poros y en parte llena su volumen (feldespato con fundente). Depende de la temperatura y el tiempo.

Aumento de temperatura → aumento de vitrificación → aumento de resistencia, durabilidad, densidad.

Otros Materiales Cerámicos

Refractarios

Capacidad de soportar altas temperaturas sin fundir o descomponerse. Capacidad de permanecer inertes sin reaccionar cuando son expuestos a medios agresivos. [Revestimientos de hornos].

• De Arcilla: Alúmina + Sílice. El eutéctico marca la temperatura máxima (1587ºC). No es importante la resistencia, pero sí la exactitud y estabilidad.
• Ácidos (de Sílice): Capacidad estructural a temperaturas elevadas: Techos arqueados de los hornos. Debe evitarse la alúmina debido al eutéctico.
• Básicos: Ricos en periclasa (compuestos de calcio, cromo y hierro) [Hornos altos de producción de acero].
• Especiales: Óxidos de alta pureza con poca porosidad: alúmina, sílice, magnesia.

Carburos

SiC [Resistencias eléctricas de calefactores].

Carbono y Grafito

Muy refractarios, pero oxidables a 800ºC, precisan de atmósfera reductora.

Materiales Abrasivos

Para desgastar, pulir, afilar… (Dureza, resistencia a desgaste, tenacidad, refractariedad).

Obtención de Piezas Cerámicas

Compactado

No se da deformación plástica, se usan ligantes para lubricar, formas sencillas, alta producción, barato, hidrostático (formas complicadas). Prensado en caliente no sinterizado.

Sinterizado

No es necesario alcanzar la fase líquida. (Aumento de densidad sin crecimiento de grano, caro).

Cementos

Ligante para hormigones. El tamaño de las partículas de polvo del cemento afecta a la velocidad de hidratación, responsable de realizar la unión química entre matriz y partículas. Mejor grano pequeño.

Deterioro de los Cerámicos

• Vidrios Minerales: Se hidrolizan por el agua, que disuelve algunos átomos superficiales, erosionan fácilmente.
• Silicatos: Sufren fatiga estática en ambientes húmedos.
• Cemento: Cáncer de piedra y aluminosis en algunos.
• Materiales Porosos: Fisuración por frío y humedad.