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MATERIALES CERAMICOS

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melissa gayon

on 14 May 2013

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Transcript of MATERIALES CERAMICOS

Melissa Gayón
Sebastian Echeverry
Thomas Daza MATERIALES CERÁMICOS INTRODUCCIÓN Debido a sus características deseables como alta dureza, resistencia al desgaste, estabilidad química, resistencia a altas temperaturas y bajo coeficiente de expansión térmica, las cerámicas avanzadas han sido seleccionadas como el material más adecuado para múltiples aplicaciones. Entre éstas se incluyen, aunque no exclusivamente, el procesamiento de minerales, sellos, válvulas, intercambiadores de calor, troqueles para perfilar metales, motores adiabáticos diesel, turbinas de gas, productos médicos y herramientas de corte. Los materiales cerámicos son inorgánicos, materiales no metálicos que constan de elementos metálicos y no metálicos enlazados entre sí principalmente por enlaces iónicos y/o enlaces covalentes. La composición química de los materiales cerámicos varía considerablemente, desde los compuestos simples hasta mezclas de muchas fases complejas enlazadas. Gracias a los enlaces que poseen las cerámicas, estas presentan propiedades como :
-Altas temperaturas de fusión y estabilidad química en ambientes hostiles.
-Alta dureza y fragilidad.
-Aislantes térmicos y eléctricos.
-Tenacidad y ductilidad bajas.
Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables en los diseños de ingeniería. En la aplicación de la ingeniería existen dos clasificaciones para las cerámicas, las cerámicas tradicionales y cerámicas de ingeniería.
-La cerámica tradicional está hecha de tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato.
-Las cerámicas de ingeniería, consisten típicamente en compuestos puros o casi puros como óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si3N4).
Ejemplos del uso de las cerámicas de ingeniería en alta tecnología son el carburo de silicio y el óxido de aluminio. ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE CERÁMICAS SIMPLES Enlace iónico y covalente en compuestos cerámicos simples La cantidad de enlace iónico o covalente entre los átomos de estos compuestos es importante porque determina, en cierta medida, qué tipo de estructura cristalina se formará en el compuesto cerámico a granel. Distribuciones iónicas sencillas que se encuentran en sólidos enlazados iónicamente En sólidos (cerámicos) iónicos el empaquetamiento de los iones está determinado principalmente por los siguientes factores:
1. El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (supóngase que los iones son esferas duras con radios definidos).
2. La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para mantener una neutralidad eléctrica en el sólido iónico

Las limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso de iones en un sólido iónico son los tamaños relativos de los iones y la necesidad de conservar una neutralidad de carga. El factor de empaquetamiento es la fracción de volumen en una celda unidad que esta ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad. Para propósitos prácticos, el FEA de una celda unidad es determinado asumiendo que los átomos son esferas rígidas. El número de aniones que rodean a un catión central en un sólido iónico se denomina número de coordinación ( NC ) y corresponde al número de vecinos más próximos que rodean a un catión central. La razón del radio del catión central respecto al de los aniones circundantes se llama razón de radios, rcatión/ranión. Cuando los aniones se tocan entre sí y hacen contacto con el catión central, la razón de radios se denomina razón de radios crítica (mínima). PROBlEMAS DE EJEMPLO Calcule la razón de radios crítica (mínima) r/R para la coordinación triangular (NC = 3) de tres aniones de radio R que rodean a un catión central de radio r en un sólido iónico. Prediga el número de coordinación para los sólidos iónicos CsCl y NaCl. Use los siguientes radios iónicos para su predicción:
Cs + = 0.170 nm ; Na+ = 0.102 nm ; Cl- = 0.181 nm A D = R + rcos 30 = AE/AD
cos 30 = R/(R+r)
(R*cos30) + (r*cos30) = R
(R*cos30) - R = r*cos30
R(Cos30 - 1) = r*cos30
r/R = (Cos30/(Cos30 - 1))= 0.155 La razón de radios para el CsCl es:

r(Cs+)/R(Cl-)= o.170 nm/0.181 nm = 0.94

Puesto que esta razón es mayor que 0.732, el CsCl debería tener una coordinación cúbica (NC = 8), lo cual es cierto.

La razón de radios para el NaCl es:

r(Na+) /R(Cl-) = 0.102 nm / 0.181 nm = 0.56

Como la razón es mayor que 0.414, pero menor que 0.732, el NaCl debería
mostrar coordinación octaédrica (NC = 6), lo cual es cierto. Estructura cristalina del cloruro de cesio (CsCl) La fórmula química del cloruro de cesio sólido es CsCl, y en vista de que esta estructura se encuentra enlazada en forma principalmente iónica, hay igual número de iones Cs+ y Cl−. Los compuestos iónicos que también tienen la estructura cristalina del CsCl son CsBr, TlCl y TlBr. Los compuestos intermetálicos AgMg, LiMg, AlNi y −Cu−Zn también tienen esta estructura. Calcule el factor de empaquetamiento iónico para el CsCl. Los radios iónicos son Cs+ = 0.170 nm y Cl− 0.181 nm. PROBLEMA DE EJMPLO Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl) PROBLEMA DE EJEMPLO Calcule la densidad del NaCl a partir del conocimiento de su estructura cristalina, los radios iónicos de los iones Na+ y Cl−, y las masas atómicas del Na y Cl. Los radios iónicos del Na+ = 0.102 nm y el del Cl− = 0.181 nm. Las masas atómicas del Na = 22.99 g/mol y la del Cl = 35.45 g/mol. Espacios intersticiales en redes cristalinas FCC y HCP Hay espacios vacíos o huecos entre los átomos o iones que están empaquetados en una red de estructura cristalina. Estos huecos son lugares intersticiales en los cuales otros átomos o iones diferentes de los de la red precursora pueden llenarlos. En las estructuras cristalinas FCC y HCP, que son estructuras de empaquetamiento compacto, hay dos tipos de lugares intersticiales: octaédrico y tetraédrico. Estructura cristalina de blenda de zinc (ZnS) La estructura de blenda de zinc tiene la fórmula química ZnS; la celda tiene el equivalente de cuatro átomos de zinc y cuatro de azufre. Un tipo de átomo (S o Zn) ocupa los puntos de la red de una celda unitaria FCC, y el otro tipo (ya sea S o Zn) ocupa la mitad de las posiciones intersticiales tetraédricas de la celda unitaria FCC. PROBLEMA DE EJEMPLO Calcule la densidad de la blenda de zinc (ZnS). Suponga que la estructura consta de iones y que el radio iónico del Zn2+ = 0.060 nm y el del S2− = 0.174 nm. Estructura cristalina del fluoruro de calcio (CaF2) PROBLEMA DE EJEMPLO Calcule la densidad del UO2 (óxido de uranio) que tiene la estructura del fluoruro de calcio, CaF2. (Radios iónicos: U4+ = 0.105 nm y O2− = 0.132 nm.) El valor que se reporta para la densidad de UO2 es 10.96 g/cm3. Estructura cristalina de la antifluorita La estructura de la antifluorita consiste en una celda unitaria FCC con aniones (por ejemplo, iones O2−) que ocupan los puntos de la red FCC. Los cationes (por ejemplo, Li+) ocupan los ocho sitios tetraédricos de la red FCC. Ejemplos de compuestos con esta estructura son: Li2O, Na2O, K2O y Mg2Si. Estructura cristalina del corindón (Al2O3) Estructura cristalina del corindón (Al2O3). Los iones oxígeno (O2−) ocupan los sitios de celda unitaria HCP. Los iones aluminio (Al3+) ocupan solamente dos tercios de los sitios intersticiales del octaedro para conservar la neutralidad eléctrica. Estructura cristalina del espinel (MgAl2O4) Algunos óxidos tienen la estructura del MgAl2O4 o espinel, que tiene la fórmula general AB2O4, donde A es un ion metálico con valencia de +2, y B es un ion metálico con valencia de +3. En la estructura del espinel, los iones oxígeno forman una red FCC y los iones A y B ocupan los huecos intersticiales del tetraedro y del octaedro, dependiendo del tipo particular de espinel. Estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3) Estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3). a) Los iones calcio ocupan las esquinas de la celda unitaria FCC y los iones oxígeno ocupan las posiciones centrales en las caras de la celda unitaria FCC. El ion titanio ocupa el sitio intersticial octaédrico en el centro del cubo. b) Sección media de la estructura cristalina de la perovsquita (CaTiO3) (truncada). El carbono y sus alótropos El carbono tiene muchos alótropos; por ejemplo, puede existir en múltiples formas cristalinas. Estos alótropos tienen diferentes estructuras cristalinas y tienen propiedades sustancialmente distintas. El Grafito Estructura del grafito cristalino. Los átomos de carbono forman capas de distribuciones hexagonales enlazadas fuertemente en forma covalente. Hay enlaces secundarios débilesentre las capas. Diamante Fullerenos Buckminster (Buckyball) Nanotubos de carbono SILICATOS ¿Qué son los silicatos? Los silicatos son los componentes más importantes de las rocas.
Es, además, el grupo de minerales más rico en especies. ESTRUCTURAS DE SILICATOS Gran número de materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos que constan de átomos de silicio y oxígeno (iones) enlazados entre sí en diversas distribuciones.
Las estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción de ingeniería vidriados, cemento portland y ladrillos. Unidad estructural básica de las estructuras de silicatos Son silicatos todos los minerales en los cuales el silicio y el oxígeno se coordinan en estructura tetraédrica, formando los denominados tetraedros (SiO4). Estructuras insular, cadena y anillo de silicatos Como cada oxígeno del tetraedro de silicato tiene un electrón disponible para enlazarse, se pueden producir diferentes tipos de estructuras de silicato. La estructura insular del silicato se produce cuando iones positivos se enlazan con oxígenos del tetraedro del Sio.
Una cadena de silicatos se obtiene si dos esquinas de cada tetraedro de Si están unidas con las esquinas de otro tetraedro.
De la misma manera se obtiene una estructura de anillo de silicato con la fórmula química unitaria Sio(2-,3) . Cadena de silicatos En esta estructura, cuatro átomos de oxígeno rodean a un átomo central de silicio. Cada átomo de oxígeno tiene un electrón adicional y, por tanto, una carga negativa neta para enlazarse con otro átomo. Estructuras laminares de silicatos Las estructuras laminares de silicatos se forman cuando tres esquinas de un mismo plano de
un tetraedro de silicato están enlazadas a las esquinas de otros tres tetraedros de silicato, figura (a). Estas láminas de silicato pueden enlazarse con otros tipos de láminas estructurales debido a que queda todavía un oxígeno no enlazado en cada tetraedro de silicato, figura (b). Redes de silicato Hay tres estructuras básicas de sílice: cuarzo, tridimita y cristobalita, y cada una de ellas tiene dos o tres modificaciones. La sílice es un componente importante de muchas cerámicas tradicionales y de muy diversos tipos de vidrios. SÍLICE: Cuando las cuatro esquinas del tetraedro de SIO comparten átomos de oxígeno, se produce una red de SiO2 llamada sílice. PROCESAMIENTO DE CERAMICAS La mayor parte de los productos de cerámica tradicionales y de ingeniería se fabrican compactando polvos o partículas en formas que posteriormente se calientan a una temperaturasuficientemente alta para que las partículas se unan entre sí. Los pasos básicos delprocesamiento de cerámicas por aglomeración de partículas son: 1) preparación del material, 2)formación o vaciado y 3) tratamiento térmico por secado (que generalmente no se requiere) y cocción por calentamiento de la pieza de cerámica hasta una temperatura lo bastante alta para que las partículas se unan. Preparación de materiales La mayoría de los productos cerámicos están hechos mediante la aglomeración de partículas.

Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas de la pieza de cerámica terminada MOLDEADO Los productos cerámicos hechos por aglomeración de partículas se pueden conformar por diversos métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas.
Los procesos de moldeado en frío predominan en la industria de la cerámica, pero los procesos de moldeado en caliente se usan también en cierta medida. Prensado Las materias primas de cerámicas granuladas se pueden prensar en condiciones secas, plásticas o húmedas en un dado para elaborar productos terminados. Prensado en seco Este método se usa comúnmente para productos tales como refractarios estructurales (materiales resistentes a altas temperaturas) y componentes electrónicos de cerámica.

El prensado en seco se puede definir como la compactación y formación uniaxial simultáneas de un polvo granulado, con pequeñas cantidades de agua y/o un aglutinante orgánico, en un molde. Prensado isostático En este proceso el polvo de cerámica se carga en un contenedor hermético (llamado “bolsa”) flexible (generalmente de caucho) que se encuentra dentro de una cámara de fluido hidráulico donde se aplica la presión. Prensado en caliente En este proceso se producen piezas de cerámica de alta densidad con propiedades mecánicas mejoradas, combinando las operaciones de prensado y cocción. Se usan ambos métodos, el uniaxial y el isostático. Moldeo de vaciado de suspensión 1. Preparación de un material cerámico pulverizado y un líquido (generalmente arcilla y agua) en una suspensión estable llamada lechada. 2. La lechada se vierte en un molde poroso que generalmente está hecho de yeso de París y se deja que la porción líquida de la lechada sea absorbida parcialmente por el molde. 3. Cuando se ha formado una pared suficientemente gruesa, el proceso de moldeo se interrumpe y el exceso de suspensión es vaciado de la cavidad esto se conoce como moldeo por drenado 4. Se permite que el material seque en el molde a fin de obtener la resistencia adecuada para el manejo y la subsecuente extracción de la pieza del molde. 5. Por último, la pieza moldeada se cuece para que adquiera la microestructura y propiedades requeridas. El moldeo de vaciado de suspensión es conveniente para formar paredes delgadas y formas complejas de grosor uniforme. Extrusión Se pueden producir secciones transversales y formas con huecos individuales de materiales cerámicos por medio de la extrusión de estos materiales en el estado plástico a través de un dado para darle forma.
ejemplo
ladrillos refractarios, tubería de desagües, losetas acanaladas, cerámicas técnicas y aislantes En esta subsección se considerarán los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado y vitrificación. Tratamientos térmicos Secado y extracción del aglutinante El propósito de secar la cerámica es extraer el agua de la masa de cerámica plástica antes de su cocción a mayores temperaturas.
Generalmente, el secado para remover el agua se lleva a cabo a 100°C o por abajo de esta temperatura, y pued e tardar hasta 24 horas en partes de cerámicas grandes. Sinterización El proceso por el cual pequeñas partículas de un material son unidas entre sí por difusión en el estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de cerámica, este tratamiento térmico da por resultado que un producto compacto poroso se transforme en uno denso, coherente.
Ejm:alúmina, berilea, ferritas y titanatos Vitrificación Algunos productos de cerámica, como porcelana, productos estructurales de arcilla y algunos componentes electrónicos, contienen una fase vítrea. Esta fase vítrea sirve como un medio de reacción para que la difusión pueda llevarse a cabo a una temperatura más baja que en el resto del material cerámico sólido. CERÁMICAS TRADICIONALES Las cerámicas tradicionales están hechas de tres componentes básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla consta principalmente de silicatos de aluminio hidratados (Al2O3 · SiO2 · H2O) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O. La sílice (SiO2), tiene una alta temperatura de fusión y es un componente refractario de las cerámicas tradicionales. El feldespato de potasa (potasio), cuya composición básica es K2O · Al2O3 · 6SiO2, tiene una baja temperatura de fusión y forma un vidrio cuando la mezcla de cerámica se cuece. Esto hace que los componentes refractarios se unan entre sí. Los productos estructurales de arcilla, como ladrillos de construcción, tubos de drenaje, loseta de drenaje, tejas y azulejos, están hechas de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos.
Los productos de loza whiteware, como porcelana eléctrica, para vajillas y artefactos sanitarios, están hechos de componentes de arcilla, sílice y feldespato, cuya composición se controla. En la tabla 11 . 5 se muestra la composición química de algunas lozas whiteware triaxiales. Se usa el término triaxial porque en su composición hay tres materiales principales La tabla 11 . 6 es un resumen aproximado de lo que ocurre posiblemente durante la cocción de un cuerpo de whiteware. La figura 11 . 35 es una micrografía electrónica de la microestructura de la porcelana de un aislador eléctrico. CERÁMICAS DE INGENIERIA En contraste con las cerámicas tradicionales que se basan principalmente en arcilla, las cerámicas de ingeniería o técnicas son principalmente compuestos puros o casi puros, de óxidos, carburos o nitruros sobre todo alúmina (Al2O3), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y circonia (ZrO2) combinados con otros óxidos refractarios. Alúmina (Al2O3) Tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas, y en la actualidad tiene una amplia aplicación como material aislante para bujías de encendido
La alúmina se usa comúnmente 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, el nitruro de silicio tiene probablemente la combinación más útil de propiedades para ingeniería. Carburo de silicio (SiC) El carburo de silicio es un carburo refractario duro que tiene una notable resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Circonia (ZrO2) La circonia pura es polimórfica y se transforma de la estructura tetragonal en la monoclínica a unos 1 170°C acompañada de una expansión de volumen y, p or tanto, está sujeta al agrietamiento. BIBLIGRAFÍA °Smith W. y Hashemi J. . Ciencia e ingeniería de materiales. McGraw. 2007.
°http://claretcmc.blogspot.com/2012/02/nitruro-de-silicio.html°http://premierdiamond.wordpress.com/2008/06/26/abrasivos-convencionales/°http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spinel2.jpg°http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/graficos-diamante.html?x1=20070417klpcnatun_33.Ges&x=20070417klpcnatun_41.Kes°http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types_of_Carbon_Nanotubes.png
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http://www.google.com.co/imgres?q=silicatos&um=1&sa=N&biw=1280&bih=705&hl=es-419&tbm=isch&tbnid=n0r7BOnWQ-PPeM:&imgrefurl=http://www2.montes.upm.es/Dptos/DptoSilvopascicultura/Edafologia/aplicaciones/GIMR/page.php%3Fq%3D6e92d050809&docid=S6GUzZhtzwuJCM&imgurl=http://www2.montes.upm.es/Dptos/DptoSilvopascicultura/Edafologia/aplicaciones/GIMR/images/manual/Silicatos.png&w=275&h=125&ei=TjmJUdLdMuPd0QGnkYD4Dw&zoom=1&ved=1t:3588,r:41,s:0,i:278&iact=rc&dur=1424&page=3&tbnh=100&tbnw=220&start=39&ndsp=21&tx=154&ty=49 (imagen estructura de los silicatos)
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