2. Material cerámico
Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante
y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia
muy elevada. Así mismo, su modulo de Young (pendiente hasta el límite elástico
que se forma en un ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos
fragilidad).
Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de
fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.).
Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este
proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser
visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un elevado módulo
de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace iónico covalente, es imposible
de realizar.
Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión
puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene
dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al
comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del
colapso de los poros.
3. ESTRUCTURA MATERIALES CERMAICOS
ESTRUCTURA CRISTALINA: Un gran número de materiales cerámicos poseen
estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita
(CaF2). Sin embargo la mayoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas
más complicadas y variadas. Entre estas estructuras podríamos destacar las más
importantes.
Estructura perovskita (CaTiO3) En la cual los iones de bario y oxigeno forman una
celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la
celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ión titanio se situará en
el centro de la celda unidad coordinado a seis iones oxigeno.
Estructura del corindón (Al2O3) Es similar a una estructura hexagonal compacta;
sin embargo, a cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de
oxigeno.
Estructura de espinela (MgAl2O4) Donde los iones oxigeno forman un retículo
cúbico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones
tetraédricas u octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular.
Estructura de grafito Tiene una estructura hexagonal compacta.
4. ESTRUCTURA NO CRISTALINA:
Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de
enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es
amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.
VITRO CERAMICOS:
Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de
enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios
convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la
aparición de micro cristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy
baja dilatación térmica.
5. PROPIEDADES MATERIALES CERAMICOS
PROPIEDADES MECÁNICAS:
Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al
aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura
del enlace),este echo supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta
fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.
Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el
deslizamiento de bordes de grano.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS:
No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar
cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates.
Éstas son las llamadas cerámicas ferri magnéticas. En estas cerámicas los diferentes
iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo
magnético se produzca como resultado una imantación neta.
6. PROPIEDADES ELÉCTRICAS:
Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia
dieléctrica y baja constate dieléctrica.
Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de
polarizarse.
PROPIEDADES TÉRMICAS:
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas
debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la
banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado
grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de
conducción, por este echo son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta
resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son
utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
7. PROCESAMIENTO MATERIALES CERAMICOS
Los métodos del procesamiento de los cerámicos se da forma empleando diverso
métodos y luego se hornea para darle resistencia.
La fundición por revestimiento: Es un método interesante y casi único en cuento
una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. Generalmente el molde
se hace de yeso, con porosidad controlada, de modo que parte de agua de la
suspensión entre en la pared del molde. A medida que el contenido de agua en la
superficie disminuye, se forma un sólido suave. El liquido sobrante se elimina y la
forma hueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.
La conformación plástica en húmedo: Se efectúa por medios diversos. En unos de
los casos se apisona un refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye
para que salga en una forma determinada. La masa plástica se fuerza a trabes de
un troquel para producir una forma alargada que luego se corta a longitud
deseada. Por otra parte, cuando se desea formar figuras circulares tales como
platos, se coloca una masa de arcilla húmeda en una rueda rotativa, y se la
conforma con una herramienta.
8. Prensado con polvo seco: Esto se consigue rellenando un troquel con polvo y
luego prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como
ácido, esteárico o cera. Después de haberse llevado a cabo cualquiera de los
procesos anteriores, la pieza fresca o verde se somete al horneado. Mientras se
calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.
El prensado en caliente: Involucra simultáneamente las operaciones de prensado y
sinterización. Las ventajas que se obtienen sobre el prensado en seco son: mayor
densidad y tamaño mas fino del grano. El problema es obtener una duración
adecuada del troquel a temperaturas elevadas, para lo cual muchas veces se
emplean atmósferas de protección.
La compactación isostática: Es una manera muy especial de prensar polvos en un
fluido comprensible para evitar la compactación no uniforme que a veces se
observa en los troqueles. El polvo se encapsula en un recipiente que se pueda
comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del recipiente y de
los corazones removibles determinan la forma del prensado. El prensado puede
ser en caliente o en frió.
9. CERAMICOS ESTRUCTURALES
Estos materiales son capaces de soportar una alta tensión con una mínima
deformación en el rango de temperaturas de aplicación. Esto viene asociado a la
elevada energía de enlace y el alto punto de fusión o descomposición y un alto valor
del modulo de Young y mas concretamente a una elevada relación modulo de
Young/densidad. Estos materiales con baja densidad son aquellos cuyos
constituyentes son elementos con un numero atómico y de coordinación bajo.
Otras propiedades en este tipo de materiales son una alta estabilidad quimia y baja
conductividad eléctrica acompañadas de una buena resistencia a la oxidación y a la
fluencia .
Dado el tipo de aplicación a que van destinadas, para la selección de estos
materiales hay que tener en cuenta la conductividad térmica y el coeficiente térmico
de expansión. Muchas cerámicas tienen bajas conductividades térmicas, con lo que
se provocan elevados gradientes de temperatura cuando las piezas son expuestas
a cambios bruscos de temperatura.
Si un material tiene una baja conductibilidad térmica y un coeficiente térmico de
expansión muy alto puede provocarse una fractura si la expansión o contracción
diferencial sobrepasa la deformación de ruptura critica.
10. CERAMICOS FUNCIONALES
Bajo la denominación de cerámicas funcionales se incluye una gran variedad de
materiales, entre los cuales se incluyen las cerámicas dieléctricas, las cerámicas
semiconductoras y las cerámicas piezoeléctricas.
Cerámicas dieléctricas: Son aquellos que tienen la propiedad de polarizarse ante
la acción de un campo eléctrico. Encuentran aplicación en la fabricación
de condensadores cerámicos, encapsulados para circuitos integrados, tanto
monocapa como multicapa, encapsulados para transistores, diodos y
potenciómetros, sustratos para circuitos híbridos y redes resistivas y para
productos metalizados.
Cerámicas semiconductoras: Están formadas por un componente fundamental de
tipo óxido y determinados aditivos que las hacen semiconductoras a la corriente
eléctrica. Los materiales más frecuentemente empleados en su fabricación son el
óxido de cinc y el titaniato de bario. Se emplean para la fabricación de
varistores, termistores y sensores de gases.
11. Cerámicas piezoeléctricas: Se caracterizan por su capacidad de hacer
aparecer cargas eléctricas en su superficie al ser sometidas a un
esfuerzo, e inversamente, a deformarse al ser sometidas a una diferencia
de potencial. Existen materiales piezoeléctricos naturales, como el
cuarzo, la turmalina y la sal de Rochelle, y materiales piezoeléctricos
sintéticos, como el titaniato de bario y algunos compuestos formados por
tierras raras. Sus aplicaciones incluyen la fabricación de filtros para
equipos electrónicos, resonadores, transductores e ignitores para
hornos, sistemas de ignición de cohetes y encendido de motores de
aviación.
APLICACIONES DE LOS CERAMICOS FUNCIONALES
Sus aplicaciones incluyen la fabricación de filtros para equipos
electrónicos, resonadores, transductores e ignitores para hornos, sistema
de ignición de cohetes y encendido de motores de aviación.
12. CERAMICOS ULTIMA GENERACION
Las restauraciones ceramometálicas son la base del modelo actual de prótesis fija.
Pero, a pesar de su contrastado éxito, no han cesado los esfuerzos por lograr sistemas
totalmente cerámicos debido a la necesidad de encontrar prótesis más estéticas y más
biocompatibles. La estética es un concepto subjetivo, sometido a grandes cambios
según el medio socio-cultural que se trate. Pero no cabe duda de que en el entorno en
que nos movemos hablar de restauraciones estéticas en el momento actual, implica
hablar de cerámica sin metal. Además, las porcelanas son más inertes que los metales.
Sabemos que las aleaciones pueden verter iones nocivos al medio oral al sufrir
corrosión, hecho que no ocurre en las cerámicas debido a su baja reactividad química.
Cerámicas feldespáticas
Las primeras porcelanas de uso dental tenían la misma composición que las
porcelanas utilizadas en la elaboración de piezas artísticas. Contenían
exclusivamente los tres elementos básicos de la cerámica: feldespato, cuarzo y
caolín. Con el paso del tiempo, la composición de estas porcelanas se fue
modificando hasta llegar a las actuales cerámicas feldespáticas, que constan de
un magma de feldespato en el que están dispersas partículas de cuarzo y, en
mucha menor medida, caolín. El feldespato, al descomponerse en vidrio, es el
responsable de la translucidez de la porcelana. El cuarzo constituye la fase
cristalina. El caolín confiere plasticidad y facilita el manejo de la cerámica cuando
todavía no esta cocida. Además, para disminuir la temperatura de sinterización de
la mezcla siempre se incorporan «fundentes». Conjuntamente, se añaden
pigmentos para obtener distintas tonalidades.
13. Cerámicas aluminosas
McLean y Hughes abrieron una nueva vía de investigación en el mundo de las
cerámicas sin metal. Estos autores incorporaron a la porcelana feldespática
cantidades importantes de óxido de aluminio reduciendo la proporción de cuarzo. El
resultado fue un material con una micro estructura mixta en la que la alúmina, al
tener una temperatura de fusión elevada, permanecía en suspensión en la matriz.
Estos cristales mejoraban extraordinariamente las propiedades mecánicas de la
cerámica. Esta mejora en la tenacidad de la porcelana animó a realizar coronas
totalmente cerámicas.
Cerámicas circoniosas
Este grupo es el más novedoso. Estas cerámicas de última generación están
compuestas por óxido de circonio altamente sinterizado (95%), estabilizado
parcialmente con óxido de itrio (5%). El óxido de circonio (ZrO2) también se conoce
químicamente con el nombre de circonia o circona. La principal característica de este
material es su elevada tenacidad debido a que su micro estructura es totalmente
cristalina y además posee un mecanismo de refuerzo denominado «transformación
resistente». Este fenómeno descubierto por Garvie & cols. en 1975 consiste en que
la circonia parcialmente estabilizada ante una zona de alto estrés mecánico como es
la punta de una grieta sufre una transformación de fase cristalina, pasa de forma
tetragonal a monoclínica, adquiriendo un volumen mayor. De este modo, se aumenta
localmente la resistencia y se evita la propagación de la fractura.
14. Carburos
El carburo del silicio se presenta en una variedad de formas cristalinas polimórficas,
generalmente señalada β-SiC para la forma cúbica y α-SiC para las variedades
hexagonales y romboédricas. La forma alfa es la más estable a temperaturas sobre
2000 ºC, mientras que el β-SiC cúbico es el producto más común cuando el carburo
del silicio se produce en temperaturas más bajas. La mayoría del polvo del carburo del
silicio es producido por el proceso de Acheson que implica la reducción de la arena de
la sílice de pureza elevada que rodea una base eléctricamente calentada del coque del
petróleo o del carbón de la antracita. La reacción se realiza a alrededor 2400 ºC
durante 36 h donde se forma el α-SiC. Se separa el producto basándose en la pureza
(determinada por el color cristalino) y la tierra. Para los usos de cerámica estructurales
este material se debe moler, a menudo a tamaños submicrométricos, y se debe limpiar
químicamente de impurezas. La gran escala de este proceso conduce a un costo
relativamente bajo para una materia prima de la pureza tan elevada.
El α-SiC se puede también producir directamente con la pureza deseada por la
reacción en fase gaseosa del plasma de especies tal como sileno, y el metano. Polvos
del β-SiC se pueden producir por la misma reacción en fase gaseosa a una
temperatura más baja (1500- 1600 ºC) o por reacciones de la descomposición del
polímero.
15. BIOMATERIALES
Son Materiales biológicos comunes tales como piel, madera, o cualquier elemento
que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otros términos, un
biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser
implantada o incorporada dentro del sistema vivo.
Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos
vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o
permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera
del propio cuerpo, incluyéndose en esta categoría a la mayor parte de los materiales
dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.
Hay, de hecho, cuatro grupos de materiales sintéticos usados para implantación:
metálicos, cerámicos, poliméricos y nuevos compuestos .
Los biomateriales de naturaleza polimérica (teflón, nylon, dacron, siliconas) tienen la
ventaja de ser elásticos, baja densidad y fáciles de fabricar. Su principal desventaja
es la baja resistencia mecánica y su degradación con el tiempo.
16. Algunos metales, como los aceros 316, 316 LS y de bajo contenido
de carbono, aleaciones de titanio, son frecuentemente usados como biomateriales.
Sus principales ventajas son la resistencia al impacto y al desgaste. Sin embargo
son de baja biocompatibilidad, factibles de ser corroídos en medios fisiológicos, alta
densidad, y dificultad para lograr la conexión con tejidos conectivos suaves.
Los materiales cerámicos, como el óxido de aluminio, aluminatos de calcio, óxidos
de titanio y algunos carbonos son usados como biomateriales. Sus ventajas son la
buena biocompatibilidad, resistencia a la corrosión e inercia química. Sin embargo
presentan problemas ante esfuerzos de alto impacto, son inelásticos, poseen alta
densidad (algunos) y son de difícil producción.
Los Nuevos Materiales, como los nanocompositos, las cerámicas metal-carbono o
metal-nitrógeno, y las alecciones intermetálicas complejas resultan la mayor
promesa en cuanto a biocompatibilidad se refiere. Poseen la mayor parte de las
ventajas anteriormente mencionadas, siendo actualmente su mayor desventaja la
dificultad y costo de síntesis.
