Materiales y estructuras de los Cerámicos con sus propiedades físicas y químicas

1. Materiales Cerámicos

2. Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que
contienen elementos metálicos y no metálicos (óxidos, nitruros, carburos, etc.)
vinculados químicamente, que incluyen minerales de arcilla, cementos y vidrios.
Se trata de materiales/minerales que pueden ser cristalinos, no cristalinos o una
mixtura de ambos; son aislantes térmicos y que a elevada temperatura y en
ambientes agresivos, son más resistentes que los metales y los polímeros.
Presentan enlaces iónicos o covalentes aunque el predominante es el iónico
Tienen amplias propiedades mecánicas
y físicas. Debido a sus enlaces iónicos
o covalentes, los cerámicos son duros,
frágiles, con un alto punto de fusión,
baja conductividad eléctrica y térmica,
buena estabilidad química, resistencia a
la compresión.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS
 Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del
proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales
cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas finas.
Materiales cerámicos porosos o gruesos. No han sufrido vitrificación, es decir,
no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del
horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente
permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:
 Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas
empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la
pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se
denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas,
jarrones, cazuelas, etc.
 Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con
arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de
cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas baratas,
adornos, tiestos

5.  Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el
óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto
de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se
emplea para vajilla y objetos de decoración. La cocción se realiza en dos
fases:
 Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y se recubre con
esmalte.
 Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura
 Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de
aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los
1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos
y tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir
temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son:
ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos)
y electrocerámicas (usados en automoción, aviación)

7.  Materiales cerámicos impermeables o finos: en los que se someten a
temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la
arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los
más importantes son:
Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas
a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y
paredes.
 Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos
metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el
punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C.
Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de
sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silico-
alunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado
característico. Se emplea para vajillas, azulejos...
 Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín mezclada con
fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se
realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y,
tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los
1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina,
vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores,
aislantes en transformadores, etc.).

9. OTRAS CLASIFICACIONES
 Por estructura

10. CRISTALINOS
 Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres grupos.
Las cerámicas de silicato, cuya unidad estructural
fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana
y los materiales refractarios. Los cerámicos de óxido sin
silicatos son compuestos a los que se les agregan
impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las cerámicas sin
óxidos, como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como material
para elementos calefactores de horno, así como material
abrasivo.

11. NO CRISTALINOS
 Estructura no cristalina. Los átomos se acomodan
en conjuntos irregulares y aleatorios. Los sólidos no
cristalinos con una composición comparable a la de las
cerámicas cristalinas se denominan vidrios. La mayor parte
de los vidrios que se comercializan son silicatos.

12. ENLACES EN CERAMICOS
El tipo de enlace predominante es el iónico
Este tipo de enlace se da entre elementos cuyas electronegatividades sean
diferentes. La fuerza que mantiene y da estabilidad a este enlace es de tipo
electrostática siendo así los compuestos enlazados parte positiva y negativa,
catión y anión. Los cationes se mantiene unidos a los aniones y la fuerza de el
enlaza será proporcional a la diferencia en electronegatividades.
En este enlace se puede considerar
que un átomo, el electropositivo, da sus
electrones de valencia y el otro, átomo
electronegativo, gana dichos electrones
para así completar el octeto. Analizando
esto conforme a los orbitales atómicos
veremos que los electrones se
encontraran con mayor probabilidad en
cargados hacia el átomo mas
electronegativo y con una pequeña
distribución en el átomo electropositivo

13. Los cerámicos también presentan enlaces covalentes
Este tipo de se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos.
Dos átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al
menos un electrón, los electrones compartidos se considera de los dos
átomos. En Este enlace todos los elementos busca configuraciones mas
estables como las de los gases nobles, esto compartiendo electrones para
completas su octeto.

14. Estructuras químicas en los cerámicos

15. Estructuras cerámicas iónicos

16. Cabe mencionar que la estructura cristalina de los cerámicos es más compleja
que la de los metales

22. Estructura del corindón
Es similar a una estructura hexagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta
estructura como son: Cr2O3 y Fe2O3.

23. Estructura de espinel
Tiene una celda unitaria cúbica , en cada uno de sus cubos menores hay iones
de oxigeno, hay 4 intersticiales octaédricos y 8 sitios intersticiales tetraédricos, de
los cuales los cationes ocupan 3. En los espineles inversos, el ión bivalente y la
mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos.

24. perovski
ta

25. Estructura Perovskite
Se encuentra en varios cerámicos eléctricos . En este tipo de
celdas están 3 tipos de iones, que son iones de bario, iones de
oxigeno y iones de titanio. La distorsión de la celda unitaria
produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos
sirvan como transductores.

26. ESTRUCTURAS CERÁMICAS
COVALENTES

27. Estructuras cerámicas de silicatos
Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de
silicio y oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones. También un número
de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas
son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los dos elementos más
abundantes encontrados en la corteza terrestre.
En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan junto 4
átomos de oxígeno, creando así una estructura retraédrica, esta es la unidad
estructural fundamental del sílice, de las arcillas y de silicatos vítreos.
Los compuestos de silicatos forman una serie de soluciones sólidas conocidas
como olivinos y ortosilicatos
•Estructuras de anillo y de cadena: se forman cuando dos vértices del
tetraedro se comparten con otros grupos tetraédricos. Hay una amplia cantidad
de materiales cerámicos que tienen estructura de metasilicato.
•Estructuras laminares: cuando la relación O, Si resulta en la fórmula Si2O3,
los tetraedros se combinan para formar estructuras laminares, en una formación
ideal, 3 átomos de oxígeno formando un patrón hexagonal. La caolinita que es
una arcilla común esta compuesta por láminas de silicato enlazadas iónicamente
a una hoja compuesta por ciertos grupos, las arcillas son componentes
importantes de muchos cerámicos.

29. La estructura de los silicatos cristalinos.
Algunos materiales cerámicos contienen enlaces covalentes. Un ejemplo es la
forma cristobalita del SiO, o sílice, que es una materia prima importante para
los productos cerámicos (figura), La disposición de los átomos en la celda
unitaria proporciona la coordinación adecuada, equilibra la carga y, además,
asegura que no se viole la direccionalidad de los enlaces covalentes.

31. Grafito
El grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está
compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en
cada capa cada átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por
enlaces covalentes; el cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo
fuerzas de van der waals entre las capas. Como consecuencia de estos
enlaces interplanares débiles, la separación interplanar es considerable y el
deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica,
alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

32. Impacto ambiental de los Cerámicos

33. El ámbito de actividad "Cerámica fina y de construcción" comprende los
ramos industriales siguientes:
Cerámica de construcción: Ladrillos, tejas, gres, arcilla expandida,
azulejos y baldosas, material refractario
Cerámica fina: Productos de alfarería, loza, gres fino, porcelana,
electroporcelana, loza sanitaria, muelas y cuerpos abrasivos

34. La mayor parte de las empresas de la industria de cerámica de
construcción y fina están ubicadas en las inmediaciones de yacimientos
de arcilla. Así como el tamaño de las instalaciones cerámicas puede
variar mucho, su producción diaria fluctúa entre varios kilogramos en
cerámica técnica, 10 a 50 t/día normalmente en cerámica fina y, como
máximo, 450 t/día en la industria del ladrillo. Dado que muchas empresas
operan en sectores de producción variados, la producción total de las
fábricas es a menudo mayor que la producción diaria típica para un
producto determinado.
Cerámica técnica.

35. Las industrias de cerámica fina y
de construcción utilizan como
materia prima básica todo tipo de
arcillas y caolines, así como
chamota (arcilla cocida),
feldespatos y arenas. La industria
de materiales refractarios y de
abrasivos y la cerámica técnica
utilizan, además, otros muchos
óxidos resistentes a altas
temperaturas o a la abrasión, por
ejemplo, corindón (Al2O3), óxido
de circonio (ZrO2) o carburo de
silicio (SiC).
Las empresas tienden cada vez más a
utilizar no sólo sus propias materias
primas, cercanas a la empresa, sino
también a comprarlas ya preparadas, sobre
todo para productos refractarios, abrasivos
y cerámica técnica, así como las materias
primas necesarias para el vidriado y fritado.

36. En la obtención, preparación y modelado de productos cerámicos apenas se
originan gases de escape. Una excepción es la expulsión de la humedad en la
torre de pulverización, por ejemplo en la fabricación de baldosas, y en las
instalaciones de molienda en seco durante la preparación de la arcilla, donde
siempre se desprende vapor de agua inocuo.
Durante el proceso de vidriado es preciso impedir que los vapores producidos,
que a veces contienen metales pesados y otras sustancias tóxicas, pasen al
medio ambiente o sean inhalados por los operarios. Por tanto, sólo deben
autorizarse instalaciones de vidriado que dispongan de los dispositivos
necesarios de aspiración y de tratamiento de aguas residuales. Los operarios
que realizan trabajos de servicio o reparación necesarios en este sector, han de
protegerse utilizando filtros de respiración. Durante el secado de los productos
vidriados se desprende vapor de agua en principio inocuo.
La contaminación por gas de
combustión durante la cochura
depende tanto de la emisión del
producto a cocer como del tipo de
combustible utilizado. Aquí se
desprenden a veces componentes
volátiles de la pasta y del combustible.

37. El polvo constituye un riesgo latente, sobre todo para los obreros de las
fábricas de cerámica fina y de construcción. El polvo fino de cuarzo
puede provocar afecciones silicóticas.
En función de las condiciones geológicas y meteorológicas, durante
la extracción de las materias primas puede producirse en las minas
una carga de polvo, que es posible reducir por riego y con métodos de
explotación y transporte específicos.

38. Mientras que en el medio húmedo de los
procesos plásticos no se produce apenas
polvo, en la preparación,
modelado y secado se adoptan
numerosas medidas, entre ellas la limpieza
continua de las plantas, el hormigonado y a
veces barnizado de los suelos, captaciones
de polvo eficaces, lijado en húmedo de la
porcelana y productos sanitarios, a fin
de limitar en lo posible el desprendimiento de
polvo.
Durante la cocción no se produce
generalmente más que una pequeña
contaminación de polvo. En la actualidad se
incorporan frecuentemente filtros secos a los
hornos y, con menor frecuencia, equipos de
separación en húmedo. Los equipos de
absorción en seco pueden contaminar con
polvo. Por ello, cuando se utilizan estos
equipos hay que procurar que la cantidad de
polvo máxima en el gas de combustión no
sobrepase los 50 mg/Nm³. Las condiciones
de funcionamiento de estos equipos requiere
un mantenimiento periódico.

39. A fin de no superar los valores vigentes, el agua brotada en la zona de la mina
debe pasar por tanques de reposo, si fuera necesario añadiendo agentes de
sedimentación. El agua superficial surgida en el recinto de la mina ha de
evacuarse por separado.
El consumo de agua fresca es reducido en las fábricas de cerámica modernas,
ya que el agua requerida para el proceso pasa al circuito interno. Una parte del
agua utilizada se desprende como vapor de agua durante la preparación de los
granulados en la torre de rociado, o durante el secado de los productos. Las
aguas residuales resultantes contienen arcilla, fundentes y otras materias
primas cerámicas, que se precipitan y retornan al proceso a través
del circuito interno.
El agua sanitaria producida en las fábricas de cerámica fina y de
construcción debe ser conducida y eliminada por separado.
Contaminación en el Agua

40. Actualmente se utilizan con frecuencia
las minas de arcilla; una vez finalizada
la extracción, dada su relativamente
escasa permeabilidad al agua, para
el almacenamiento de productos de
desecho de todo tipo. El deterioro del
suelo por erosiones y acumulaciones
de agua no puede evitarse en
las minas antiguas, pues normalmente
en la época de explotación la
conducción de agua no se hacía de
acuerdo con las normas actuales de
protección ecológica.
Contaminación en el Suelo
El escombro de las fábricas de
cerámica apenas contamina el suelo,
puesto que las piezas rotas durante la
producción se vuelven a utilizar en la
propia fabricación o en otras fábricas de
cerámica, y sólo con una gestión
irracional del trabajo pueden originarse
escombreras. La excepción son
pequeñas cantidades de yeso que
resultan de la fabricación de porcelana,
artefactos sanitarios y tejas, que han
de ponerse correctamente.

41. Impacto económico
La invención de la cerámica se produjo durante el neolítico, cuando se hicieron
necesarios recipientes para almacenar el excedente de las cosechas producido
por la práctica de la agricultura. En un principio esta cerámica se modelaba a
mano, con técnicas como el pellizco, el colombín o la placa (de ahí las
irregularidades de su superficie), y tan solo se dejaba secar al sol en los países
cálidos y cerca de los fuegos tribales en los de zonas frías. Más adelante
comenzó a decorarse con motivos geométricos mediante incisiones en la pasta
seca, cada vez más compleja, perfecta y bella elaboración determinó, junto con
la aplicación de cocción, la aparición de un nuevo oficio: el del alfarero.
Su uso inicial fue, fundamentalmente, la elaboración de recipientes empleados
para contener alimentos o bebidas. Más adelante se utilizó para modelar figurillas
de posible carácter simbólico, mágico, religioso o funerario. También se empleó
como material de construcción en forma de ladrillo, teja, baldosa o azulejo,
conformando muros o revistiendo paramentos. La técnica del vidriado le
proporcionó gran atractivo, se utilizó también en escultura. Actualmente también
se emplea como aislante eléctrico y térmico en hornos, motores y en blindaje.

42. En pocos años se ha pasado de producir cerámica para el uso cotidiano en la
casa a la cerámica decorativa cada día con menos identidad.
La universalización de la industria y la estandarización de la cultura han
empobrecido la cerámica majorera.
Dentro del sistema económico y cultural en que estamos inmersos, la
cerámica se ha adaptado a la demanda de los visitantes, piezas pequeñas y
precios pequeños. Una cerámica para el turismo masivo, una cerámica
dependiente del turismo.