9 materiales ceramicos

Materiales cerámicos

Introducción a la M. Bizarro
Ciencia de Materiales F. M. Sánchez

Materiales cerámicos
• Son compuestos inorgánicos formados por
elementos metálicos y no metálicos cuyos
enlaces interatómicos pueden ser de carácter
totalmente iónico ó predominantemente iónico
con algún carácter covalente.

– Iones metálicos Cationes: carga +
– Iones no metálicos Aniones: carga -

Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos,
por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.


Enlace Cerámico
• Enlace:
-- Principalmente iónico, un poco covalente.
-- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en
electronegatividad.
• Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño

CaF2: grande
SiC: pequeño


Estructuras cristalinas de
cerámicos

NaCl BaTiO3
(Cloruro Perovskita
de sodio)
ZnS
(blenda de zinc)

Diagramas de fase de cerámicos
•Son similares a los de metales
•Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el
oxígeno

Diagrama MgO-Al2O3

°


Propiedades mecánicas
pe n
• Son inferiores a las de los metales Se rom

• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma
frágil con muy poca absorción de energía.

• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes
de la deformación plástica en respuesta a carga de tracción.

• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la
sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.

• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de
determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de
alta densidad atómica.


Propiedades mecánicas
• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta
está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La
tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:

K Ic = Yσ πa
Donde:
-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la
probeta y de la grieta,
−σ es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien
la mitad de la longitud de una grieta interna.

La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la
derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en
deformaciones planas del material.

Kic en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales

Medición del módulo elástico
• Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura)
--Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles.

Sección transversal F
L/2 L/2 Adapted from Fig. 12.32,
Callister 7e.
d R
b δ = punto medio
rect. circ.
de deflección
• Determinación del módulo elástico, E:
F F L3 F L3
x E= =
F δ 4bd 3 δ 12 π R4
pend. =
δ Sección
transversal
Sección
transversal
δ rectangular circular
Comportamiento lineal-elástico

Medición del esfuerzo
• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente
Sección transversal F
L/2 L/2 Adapted from Fig. 12.32,
Callister 7e.
d R
b δ = punto medio
rectangular circular
de deflección
Punto de tensión máxima

• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:
Material σrf (MPa) E(GPa)
1.5Ff L Ff L
σ rf = = Nitruro de Si 250-1000 304
bd 2 πR3 Carburo de Si 100-820 345
F rectangular circular Óxido de Al 275-700 393
Ff x vidrio (soda) 69 69
Data from Table 12.5, Callister 7e.

δ
Introducción a la δfs M. Bizarro

Influencia de la porosidad
• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores
en forma de polvo.

• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas.

• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo
siempre queda porosidad remanente.

• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas

La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica
de porosidad P:

(
E = E0 1 − 1.9 P + 0.9 P 2 )
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.


Influencia de la porosidad
1. Los poros reducen el
área de la sección
La porosidad transversal a través de
deteriora la la cual se aplica la
resistencia a carga.
la flexión
2. Actúan como
concentradores de
esfuerzos (el esfuerzo
se amplifica por un
factor de 2).

La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción
volumétrica de porosidad (P):

σ rf = σ 0 exp(− nP )
σ0 y n son constantes experimentales

Ejercicio
El módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que
tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.
• (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no
poroso
• (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad
del 15%.

(
E = E0 1 − 1.9 P + 0.9 P 2 )
E
E0 =
( )
= 264 GPa
1 − 1.9 P + 0.9 P 2
(
E = E0 1 − 1.9 P + 0.9 P 2 ) = 194 GPa

Ejercicio 2
Se realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela
(MgAl2O4) que tiene una sección transversal rectangular de altura
d=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo
es de 25 mm.
• Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de
350N.
El punto de máxima deflexión ∆y ocurre en el centro de la muestra y
está descrita por 3 3
FL bd
∆y = donde I=
48 EI 12
donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de
la sección transversal.
• Calcule ∆y a una carga de 310 N.

σfl=101 MPa
∆y=9.4x10-3 mm

Clasificacion de materiales cerámicos

Vidrios Productos Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas
de arcilla avanzadas

vidrios vitrocerá Productos Arcilla sílice
-micos estructurales básico máquinas
de arcilla refractaria especial -rotores
-óptica porcelanas -ladrillos -lijas -compuestos -válvulass
-compuestos -porcelanas Para alta T -corte -estructurales -bearings
reforzados (hornos) -pulido -sensores
-ladrillos
-contenedores
Propiedades:
-- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos.
-- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia.
Aplicaciones:
-- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de
carga.
Fabricación
-- algunos vidrios se moldean fácilmente
Introducción a la-- otras cerámicas no pueden moldearse. M. Bizarro

Aplicación: Refractarios
Se necesitan materiales para hornos de alta temperatura.
• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) •
El diagrama de fase muestra:
mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos.

2200 3Al2O3-2SiO2
T(°C)
mullita
2000 Liquid
(L) alumina + L

1800
cristobalita mullite alumina
+L +L +
1600 mullita
mullita
+ cristobalita
1400
0 20 40 60 80 100
Composition (wt% alumina)

Aplicación: Moldes huecos
• Moldes huecos (dados):
Necesita propiedades de resistencia al desgaste
die Ad
Ao fuerza
de tracción
die
Courtesy Martin Deakins, GE
Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.

• superficie del molde:
-- partículas de 4 µm de diamante policristalino
que se sinterizan en un substrato cementado
de carburo de tungsteno. Courtesy Martin Deakins, GE
-- el diamante policristalino ayuda a controlar Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
la fractura y da dureza uniforme en todas
direcciones.


Aplicación: Sensores
• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2
• Principio: produce difusión de iones para Ca 2+

una respuesta rápida.
• Proceso:
Se agregan impurezas de Ca al ZrO2: Una impureza deCa 2+
-- aumenta las vacancias de O2- remueve un ion de Zr 4+
y un ion de O2 -
-- aumenta la tasa de difusión de O2-
• Operación:
sensor
-- se produce una diferencia
Gas con un Gas de
de voltaje cuando los iones mayor contenido referencia con
de O2- se difunden de la de oxígeno O2-
contenido de oxígeno
difusión
parte externa de la superficie fijo
del sensor hacia el gas de
referencia. + -
Diferencia de voltaje producido


Vidrio
Vidrios Cuarzo
(SiO2 cristalino) (amorfo)
+
Na
• Los vidrios son silicatos no cristalinos Si4+
que contienen otros óxidos (CaO, O2-
Na2O, K2O y Al2O3).
• No solidifican igual que los materiales
cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace
cada vez más viscoso de forma
continua.
• La temperatura a la cual ocurre un
cambio en la pendiente (volumen
específico vs. T) se denomina
temperatura de transición vítrea Tg.

-Prensado
Métodos de -Soplado
fabricación
-Estirado
de vidrios
-Formación de fibras


Métodos de fabricación de vidrios
• Prensado: Para fabricación de piezas
con paredes gruesas como
operación
Masa de vidrio placas o platos.
de prensado
Se aplica presión en un
Molde de molde de fundición
la preforma
recubierto con grafito.

aire Producción de jarros,
comprimido botellas y bombillas de luz.
• Soplado:
Preforma temporal por
Preforma prensado mecánico en un
suspendida molde. La pieza se coloca en
Molde el molde final y es forzado a
acabado adquirir la forma del molde
por la presión de aire
inyectado.

Métodos de fabricación de vidrios
Rodillo de
• Estirado:
Rodillo de conformado
Lámina de vidrio cambio direc. Apantallamiento térmico
enfriado por
agua
Para láminas, barras,
tubos y fibras con
sección constante.

Quemador
Vidrio fundido

• Fiber drawing:
El vidrio fundido está en una
cámara caliente. Las fibras se
forman haciendo pasar el vidrio
a través de pequeños orificios
en la base de la cámara.
wind up

Tratamientos térmicos del vidrio
• Recocido:
--remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.
• Templado:
--introduce tensiones residuales superficiales de compresión para
aumentar la resistencia.
--suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
before cooling surface cooling further cooled
cooler compression
hot hot tension
cooler compression

--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.


Productos de arcilla
Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y
sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente.

Ladrillos de construcción
Productos estructurales de arcilla Baldosas
Tuberías de aguas residuales

Porcelana
Productos de alfarería
Porcelanas Vajillas
Porcelana fina
Artículos sanitarios

Propiedades -Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua
-Funde en un amplio intervalo de temperaturas

Técnicas de conformado de arcillas
2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.
• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado
• Las partículas se mezclan con agua
Ao
--Conformación hidroplástica: container die holder
Extrusión de una masa espesa a través force
ram bille extrusion Ad
del orificio de una matriz que tiene la t
geometría de la sección deseada. container die

--Moldeo en barbotina:
Se vierte El molde Se vierte Se drena “pieza
Es la suspensión en molde absorbe el agua en molde el molde terminada”
de arcilla y otros Pieza
terminada
materiales no
plásticos en
agua.

Componente sólido Componente hueco
• secado y calcinado del componente

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