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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES
MATERIALES CERAMICOS
BIOINSPIRADOS
La Naturaleza constituye una fuente inagotable de inspiración para diseñar nuevos materiales
cerámicos con propiedades únicas. A través de millones de años la Naturaleza ha diseñado
estructuras complejas jerarquizadas para satisfacer plenamente funciones muy Específicas,
por ejemplo, estructuras laminadas o con gradiente descomposición. La concha de una oreja
de mar del mediterráneo está constituida por capas rígidas de carbonato cálcico (aragonito)
de 1µm de espesor unidas entre sí por una de cemento orgánico de espesor manométrico
(proteína).
Como consecuencia de esta especial configuración la concha posee una resistencia mecánica
diez veces superior a la de los mono cristales de aragonito. Un ejemplo paradigmático de un
material con gradiente de composición lo constituye la caña de bambú. La caña está
constituida por una matriz continua reforzada por fibras de celulosa. Estas fibras están
distribuidas de tal forma que su concentración decrece monofónicamente del exterior al
interior. Debido a esta especial configuración, la caña de bambú posee una excelente
flexibilidad y muy elevada resistencia mecánica (400MPa).
ESTRUCTURAS LAMINADAS
Los compactos cerámicos laminados ofrecen una oportunidad única para el diseño ad hoc
de materiales con microestructuras y micro arquitecturas complejas que pueden satisfacer
los requerimientos de las nuevas tecnologías. Usando diferentes vías de procesamiento
(colado secuencial de bar botinas, colado en cinta, inmersión secuencial de sustratos, en fase
vapor, etc.) en la actualidad se han obtenido en distintos laboratorios de Europa, Japón y
USA diferentes tipos de materiales cerámicos laminados y recubrimientos laminados tales
como: a) laminados compatibles con interfaces rígidas, por ejemplo, alúmina-alúmina (Y-
TZP); b) materiales laminados incompatibles, por ejemplo, alúmina-Titania, alúmina-circón;
c) recubrimientos reactivos sobre sustratos cerámicos, por ejemplo, alúmina-dolomita para
dar mediante calcinación a 1.650ºC recubrimientos textura dos de he aluminato cálcico; y d)
barreras térmicas sobre sustratos metálicos, por ejemplo, recubrimientos de circonio-
alúmina sobre álabes de turbina de gas de superlaciones de Ni.
MATERIALES CERÁMICOS CON GRADIENTE DE COMPOSICIÓN
Este concepto aparece en Japón por primera vez en el año 1985.
Un material con gradiente de composición es aquel que posee una estructura tal que una
determinada propiedad varía a lo largo del volumen, por ejemplo dureza, conductividad
térmica, constante dieléctrica, etc. Los primeros estudios se llevaron a cabo con materiales
compuestos metal cerámica siguiendo una ruta pulvimetalúrgica. El primer material
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cerámico con gradiente de composición (CGC) que se recoge en la literatura fue obtenido
por un grupo de investigadores del CSIC en 1992 mediante colaje secuencial de bar botinas
de alúmina y circona parcialmente estabilizada con y tría. A partir de entonces se han
obtenido por diferentes rutas CGC de alumina-circonia, alúmina-mullita,
alúminahidroxiapatito, materiales cerámicos con gradiente de porosidad, etc.
Haciendo uso de este concepto se pueden diseñar materiales capaces de llevar a cabo
funciones específicas que no pueden ser satisfechas por ningún material cerámico
monolítico. Tal es el caso de los nuevos materiales compuestos cerámica-metal con un
gradiente de composición continuo. Estos materiales son básicamente heterogéneos de
manera que por un extremo pueden poseer una elevada conductividad eléctrica y térmica,
mientras que por el extremo opuesto pueden ser aislantes perfectos. A partir de barbotinas
estables de sistemas particulados submicrométricos mullita-Mo o sílice-Mo y mediante un
proceso de segregación controlada y filtración bajo presión seguido de un tratamiento
térmico en vacío a 1.650ºC, se han obtenido probetas cilíndricas con densidad próxima a la
teórica y con un gradiente de composición continuo de Mo con el umbral de percolación
situado aproximadamente a la mitad de la altura de la probeta. Estos cilindros con gradiente
de composición continuo han encontrado recientemente una aplicación de alta
responsabilidad como interconectores en lámparas halógenas de alta intensidad sirviendo a
su vez de electrodo y de componente de sellado de la lámpara.
Estas lámparas poseen una alta estabilidad lumínica, no explosionan y tienen una vida media
>4.000h, diez veces mayor que las convencionales del mercado.
MATERIALES CERÁMICOS NANOESTRUCTURADOS
Si el tamaño de la microestructura de los materiales cerámicos oxídicos monofásicos
(alúmina, circonia, mullita, espinela) se reduce sensiblemente por debajo de 1 m, hasta el
nivel de lo nanometros (1nm es la milésima parte de 1µm) y a su vez se elimina por completo
la porosidad residual, mediante procesos de sinterización no convencionales (sinterización
en vacío o mediante sinterización bajo presión asistida por pulsos eléctricos “Spark Plasma
Sintering”) se aumenta notablemente su resistencia mecánica y su dureza a la vez que se
hace transparente. Este hecho abre extraordinarias posibilidades para la utilización de estos
materiales en aplicaciones de muy elevada responsabilidad, como por ejemplo ventanas
ópticas en el rango del IR-V (0,4 m < <5 m) para equipos aeroespaciales donde una
elevada transparencia ha de conjugarse con una alta resistencia mecánica ( f = 1GPa) y
elevada dureza (Hv>20GPa).
Por otro lado los materiales compuestos nanoestructurados del tipo óxido/nano-óxido,
óxido/nano-carburo, carburo/nano-carburo u óxido/nano metal ofrecen un amplio abanico
de posibilidades como futuros biomateriales, componentes estructurales o materiales
superduros. Tal es el caso de la alumina-nanoYAG (5% vol.) donde las nanopartículas del
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granate de alúmina e itria (YAG) por estar localizadas en los bordes de grano de la alúmina,
los anclan y en consecuencia aumentan la resistencia a la deformación bajo carga
a temperaturas elevadas (<1.200ºC) hasta tres veces por encima de la alúmina poli cristalina.
El diamante es el material más duro que se conoce, sin embargo, no puede utilizarse para el
mecanizado del acero ni del silicio ya que reacciona con ellos degradándose. La búsqueda
de materiales que puedan ser usados como herramientas de corte para el mecanizado del
acero y del silicio constituye en la actualidad un objetivo de enorme importancia tecnológica.
Los materiales compuestos nanoestructurados del tipo alúmina/nano-TiC, TiC/nano-cBN y
alúmina/nano-(Ni, W) alcanzan valores de dureza >30GPa, son químicamente estables frente
al hierro y al silicio y constituyen en la actualidad la apuesta más plausible para el
mecanizado de alta velocidad de aceros duros, una etapa crucial en todo proceso de
fabricación de la moderna industria metalurgia.

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Materiales cerámicos bioinspirados._©BryGan

  • 1. GANOZA OBESO BRYAN-UNT/2015 P á g i n a 1 | 3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES MATERIALES CERAMICOS BIOINSPIRADOS La Naturaleza constituye una fuente inagotable de inspiración para diseñar nuevos materiales cerámicos con propiedades únicas. A través de millones de años la Naturaleza ha diseñado estructuras complejas jerarquizadas para satisfacer plenamente funciones muy Específicas, por ejemplo, estructuras laminadas o con gradiente descomposición. La concha de una oreja de mar del mediterráneo está constituida por capas rígidas de carbonato cálcico (aragonito) de 1µm de espesor unidas entre sí por una de cemento orgánico de espesor manométrico (proteína). Como consecuencia de esta especial configuración la concha posee una resistencia mecánica diez veces superior a la de los mono cristales de aragonito. Un ejemplo paradigmático de un material con gradiente de composición lo constituye la caña de bambú. La caña está constituida por una matriz continua reforzada por fibras de celulosa. Estas fibras están distribuidas de tal forma que su concentración decrece monofónicamente del exterior al interior. Debido a esta especial configuración, la caña de bambú posee una excelente flexibilidad y muy elevada resistencia mecánica (400MPa). ESTRUCTURAS LAMINADAS Los compactos cerámicos laminados ofrecen una oportunidad única para el diseño ad hoc de materiales con microestructuras y micro arquitecturas complejas que pueden satisfacer los requerimientos de las nuevas tecnologías. Usando diferentes vías de procesamiento (colado secuencial de bar botinas, colado en cinta, inmersión secuencial de sustratos, en fase vapor, etc.) en la actualidad se han obtenido en distintos laboratorios de Europa, Japón y USA diferentes tipos de materiales cerámicos laminados y recubrimientos laminados tales como: a) laminados compatibles con interfaces rígidas, por ejemplo, alúmina-alúmina (Y- TZP); b) materiales laminados incompatibles, por ejemplo, alúmina-Titania, alúmina-circón; c) recubrimientos reactivos sobre sustratos cerámicos, por ejemplo, alúmina-dolomita para dar mediante calcinación a 1.650ºC recubrimientos textura dos de he aluminato cálcico; y d) barreras térmicas sobre sustratos metálicos, por ejemplo, recubrimientos de circonio- alúmina sobre álabes de turbina de gas de superlaciones de Ni. MATERIALES CERÁMICOS CON GRADIENTE DE COMPOSICIÓN Este concepto aparece en Japón por primera vez en el año 1985. Un material con gradiente de composición es aquel que posee una estructura tal que una determinada propiedad varía a lo largo del volumen, por ejemplo dureza, conductividad térmica, constante dieléctrica, etc. Los primeros estudios se llevaron a cabo con materiales compuestos metal cerámica siguiendo una ruta pulvimetalúrgica. El primer material
  • 2. GANOZA OBESO BRYAN-UNT/2015 P á g i n a 2 | 3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES cerámico con gradiente de composición (CGC) que se recoge en la literatura fue obtenido por un grupo de investigadores del CSIC en 1992 mediante colaje secuencial de bar botinas de alúmina y circona parcialmente estabilizada con y tría. A partir de entonces se han obtenido por diferentes rutas CGC de alumina-circonia, alúmina-mullita, alúminahidroxiapatito, materiales cerámicos con gradiente de porosidad, etc. Haciendo uso de este concepto se pueden diseñar materiales capaces de llevar a cabo funciones específicas que no pueden ser satisfechas por ningún material cerámico monolítico. Tal es el caso de los nuevos materiales compuestos cerámica-metal con un gradiente de composición continuo. Estos materiales son básicamente heterogéneos de manera que por un extremo pueden poseer una elevada conductividad eléctrica y térmica, mientras que por el extremo opuesto pueden ser aislantes perfectos. A partir de barbotinas estables de sistemas particulados submicrométricos mullita-Mo o sílice-Mo y mediante un proceso de segregación controlada y filtración bajo presión seguido de un tratamiento térmico en vacío a 1.650ºC, se han obtenido probetas cilíndricas con densidad próxima a la teórica y con un gradiente de composición continuo de Mo con el umbral de percolación situado aproximadamente a la mitad de la altura de la probeta. Estos cilindros con gradiente de composición continuo han encontrado recientemente una aplicación de alta responsabilidad como interconectores en lámparas halógenas de alta intensidad sirviendo a su vez de electrodo y de componente de sellado de la lámpara. Estas lámparas poseen una alta estabilidad lumínica, no explosionan y tienen una vida media >4.000h, diez veces mayor que las convencionales del mercado. MATERIALES CERÁMICOS NANOESTRUCTURADOS Si el tamaño de la microestructura de los materiales cerámicos oxídicos monofásicos (alúmina, circonia, mullita, espinela) se reduce sensiblemente por debajo de 1 m, hasta el nivel de lo nanometros (1nm es la milésima parte de 1µm) y a su vez se elimina por completo la porosidad residual, mediante procesos de sinterización no convencionales (sinterización en vacío o mediante sinterización bajo presión asistida por pulsos eléctricos “Spark Plasma Sintering”) se aumenta notablemente su resistencia mecánica y su dureza a la vez que se hace transparente. Este hecho abre extraordinarias posibilidades para la utilización de estos materiales en aplicaciones de muy elevada responsabilidad, como por ejemplo ventanas ópticas en el rango del IR-V (0,4 m < <5 m) para equipos aeroespaciales donde una elevada transparencia ha de conjugarse con una alta resistencia mecánica ( f = 1GPa) y elevada dureza (Hv>20GPa). Por otro lado los materiales compuestos nanoestructurados del tipo óxido/nano-óxido, óxido/nano-carburo, carburo/nano-carburo u óxido/nano metal ofrecen un amplio abanico de posibilidades como futuros biomateriales, componentes estructurales o materiales superduros. Tal es el caso de la alumina-nanoYAG (5% vol.) donde las nanopartículas del
  • 3. GANOZA OBESO BRYAN-UNT/2015 P á g i n a 3 | 3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES granate de alúmina e itria (YAG) por estar localizadas en los bordes de grano de la alúmina, los anclan y en consecuencia aumentan la resistencia a la deformación bajo carga a temperaturas elevadas (<1.200ºC) hasta tres veces por encima de la alúmina poli cristalina. El diamante es el material más duro que se conoce, sin embargo, no puede utilizarse para el mecanizado del acero ni del silicio ya que reacciona con ellos degradándose. La búsqueda de materiales que puedan ser usados como herramientas de corte para el mecanizado del acero y del silicio constituye en la actualidad un objetivo de enorme importancia tecnológica. Los materiales compuestos nanoestructurados del tipo alúmina/nano-TiC, TiC/nano-cBN y alúmina/nano-(Ni, W) alcanzan valores de dureza >30GPa, son químicamente estables frente al hierro y al silicio y constituyen en la actualidad la apuesta más plausible para el mecanizado de alta velocidad de aceros duros, una etapa crucial en todo proceso de fabricación de la moderna industria metalurgia.