Este documento describe las estructuras cristalinas más comunes de los materiales cerámicos. Explica que están compuestos por al menos dos elementos y que sus enlaces van desde puramente iónicos hasta covalentes. Luego describe varias estructuras cristalinas como NaCl, CsCl, ZnS, CaF2 y la perovskita, explicando las posiciones de los cationes y aniones y sus números de coordinación. También cubre las estructuras que surgen del empaquetamiento compacto de los aniones.

1. Materiales Ceramicos
Matias Schneiter
mschneiter@gmail.com
28 de marzo de 2012

2. Table of contents
Introduccion
Estructura Ceramicas
Estructura cristalina
Estructuras cristalinas tipo AX
Distitno numero de aniones que cationes
Mas de un cation por cada anion
Resumen
Empaquetado de forma compacta
Ceramicos Formados por silicatos
Empaquetado de forma compacta
Slice
Vidrios de slice
Silicatos
Silicatos simples
Silicatos laminares
Carbono
Diamante
Gra

3. to
Fullerenos

4. Que es un material ceramicos?
I Estan compuestos por al menos 2 elementos y casi siempre
mas
I Sus enlaces van de puramente ionicos a covalentes. El grado
de caracter ionico depende de la electronegatividad del atomo.
Cuando el porcentage ionico es alto se puede pensar como
compuesto por iones electricamente cargados.

5. Que es un material ceramicos?
I Estan compuestos por al menos 2 elementos y casi siempre
mas
I Sus enlaces van de puramente ionicos a covalentes. El grado
de caracter ionico depende de la electronegatividad del atomo.
Cuando el porcentage ionico es alto se puede pensar como
compuesto por iones electricamente cargados.
Cation:
Ion metalico de carga positiva (ha cedido sus electrones de valencia
a los iones no metalicos).
Anion:
Ion no metalico de carga negativa.

6. Seguimos de

7. niendo
I Son materiales norganicos 2 no-metalicos
I Los enlaces atomicos son totalmente ionicos.o
predominantemente ionicos con algo de enlaces covalente
I Las propiedades de los cermaicos se obtienen normalmente a
partir de tratamientos termicos de altas temperaturas -proceso
llamado

8. ring

9. Estructuras cristalinas
Hay dos caractersticas de los iones que coponen los materiales
ceramicos cristalinos que determinan la estructura cristalina
I tama~no relativo de los cationes y aniones
I la carga electrica de los iones
Neutro
El cristal debe ser elelcticamente neutro: Todas la cargas positivas
de los cationes tienen que estar equilibradas con la de los aniones

10. Prediciendo estructuras
Estabilidad
Las estructuras estables de los materiales ceramicos se forman cuando los aniones que rodean un cation se
encuentran todos en contacto con el cation.

11. Prediciendo estructuras
Estabilidad
Las estructuras estables de los materiales ceramicos se forman cuando los aniones que rodean un cation se
encuentran todos en contacto con el cation.
Figura: Con

12. guraciones estables e inestables

13. Prediciendo estructuras
Estabilidad
Las estructuras estables de los materiales ceramicos se forman cuando los aniones que rodean un cation se
encuentran todos en contacto con el cation.
Figura: Con

14. guraciones estables e inestables
Numero de coordinacion (NC)
Esta relacionado con el cociente entre los radios de los cationes y de los aniones. Para un numero de coordinacion
existe un valor crtico de rc=rA para el cual este contacto sea estable.

15. Predicciones a partir idealizacion de los iones

16. Predicciones a partir idealizacion de los iones
Figura: Relacion entre NC, radios mnimos y estructuras.

17. Predicciones a partir idealizacion de los iones
Figura: Relacion entre NC, radios mnimos y estructuras.

18. Tama~no de algunos iones

19. Tama~no de algunos iones
Radios ionicos para varios cationes y aniones (NC= 6)
Figura: En general el tama~no de los aniones es mayor que el de los cationes

20. Tama~no de algunos iones
Radios ionicos para varios cationes y aniones (NC= 6)
Figura: En general el tama~no de los aniones es mayor que el de los cationes
rA rc
Puesto que los elementos metalicos proporcionan electrones al ser
ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones,
por lo tanto el cociente rc=rA 1

21. Mismo numero de aniones que cationes

22. Mismo numero de aniones que cationes
Algunos de los materiales ceramicos mas comunes son aquellos en
los cuales el numero de cationes iguala al de aniones.
Cloruro sodico

23. Mismo numero de aniones que cationes
Algunos de los materiales ceramicos mas comunes son aquellos en
los cuales el numero de cationes iguala al de aniones.
Cloruro sodico
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 6

24. Mismo numero de aniones que cationes
Algunos de los materiales ceramicos mas comunes son aquellos en
los cuales el numero de cationes iguala al de aniones.
Cloruro sodico
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 6
La celdilla unidad se puede generar a partir de
una estructura cubica centrada en las caras
por aniones o cationes.

25. Mismo numero de aniones que cationes
Algunos de los materiales ceramicos mas comunes son aquellos en
los cuales el numero de cationes iguala al de aniones.
Cloruro sodico
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 6
La celdilla unidad se puede generar a partir de
una estructura cubica centrada en las caras
por aniones o cationes.
Figura: Celdilla unidad de NaCl

26. Mismo numero de aniones que cationes
Algunos de los materiales ceramicos mas comunes son aquellos en
los cuales el numero de cationes iguala al de aniones.
Cloruro sodico
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 6
La celdilla unidad se puede generar a partir de
una estructura cubica centrada en las caras
por aniones o cationes.
Figura: Celdilla unidad de NaCl
Otros materiales con la misma estructura critalina
NaCl, MgO, MnS, LiF y FeO

27. Cloruro de cesio

28. Cloruro de cesio
Cloruro de cesio

29. Cloruro de cesio
Cloruro de cesio
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 8
Los aniones estan colocados en cada uno de
los vertices del cubo, mientras que el centro
del cubo hay un cation.

30. Cloruro de cesio
Cloruro de cesio
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 8
Los aniones estan colocados en cada uno de
los vertices del cubo, mientras que el centro
del cubo hay un cation. No es una estructura
cubica centrada en el cuerpo puesto que
distintos tipos de iones ocupan los puntos de
la red

31. Cloruro de cesio
Cloruro de cesio
El numero de coordinacion para cationes y
aniones es 8
Los aniones estan colocados en cada uno de
los vertices del cubo, mientras que el centro
del cubo hay un cation. No es una estructura
cubica centrada en el cuerpo puesto que
distintos tipos de iones ocupan los puntos de
la red
Figura: Celdilla unidad de CsCl

32. Estructura del sulfuro de cinc

33. Estructura del sulfuro de cinc
Blenda

34. Estructura del sulfuro de cinc
Blenda
El numero de coordinacion es 4, donde todos
los iones estan con coordinacion tetraedrica

35. Estructura del sulfuro de cinc
Blenda
El numero de coordinacion es 4, donde todos
los iones estan con coordinacion tetraedrica
En la celdilla unidad los vertices y las
posiciones en la caras estan ocupados por
atomos de S, y el interior por atomos de Zn y
de S.

36. Estructura del sulfuro de cinc
Blenda
El numero de coordinacion es 4, donde todos
los iones estan con coordinacion tetraedrica
En la celdilla unidad los vertices y las
posiciones en la caras estan ocupados por
atomos de S, y el interior por atomos de Zn y
de S.
Figura: Celdilla unidad de ZnS

37. Estructura del sulfuro de cinc
Blenda
El numero de coordinacion es 4, donde todos
los iones estan con coordinacion tetraedrica
En la celdilla unidad los vertices y las
posiciones en la caras estan ocupados por
atomos de S, y el interior por atomos de Zn y
de S.
Figura: Celdilla unidad de ZnS
Los que tienen estructuras semejante son:
ZnS, ZnTe y SiC

38. Estructuras cristalinas del tipo AmXp

39. Estructuras cristalinas del tipo AmXp
Cuando la carga de los cationes y aniones no es igual pueden existir cimpuestos con formula qumica AmXp .
Fluorita CaF2

40. Estructuras cristalinas del tipo AmXp
Cuando la carga de los cationes y aniones no es igual pueden existir cimpuestos con formula qumica AmXp .
Fluorita CaF2
La formula quimica muestra que el numero de
iones Ca+2 es igual a la mitad de los iones
F, dando una estructura cristalina similar al
CsCl (solo la mitad de los centros de los
cubos estan ocupados por iones metalicos)

41. Estructuras cristalinas del tipo AmXp
Cuando la carga de los cationes y aniones no es igual pueden existir cimpuestos con formula qumica AmXp .
Fluorita CaF2
La formula quimica muestra que el numero de
iones Ca+2 es igual a la mitad de los iones
F, dando una estructura cristalina similar al
CsCl (solo la mitad de los centros de los
cubos estan ocupados por iones metalicos)
El numero de coordinacion es 8.

42. Estructuras cristalinas del tipo AmXp
Cuando la carga de los cationes y aniones no es igual pueden existir cimpuestos con formula qumica AmXp .
Fluorita CaF2
La formula quimica muestra que el numero de
iones Ca+2 es igual a la mitad de los iones
F, dando una estructura cristalina similar al
CsCl (solo la mitad de los centros de los
cubos estan ocupados por iones metalicos)
El numero de coordinacion es 8.
Figura: Celdilla unidad de CaF2
Compuestos con estructuras cristalina semejante
UO2, PuO2 y ThO2

43. Estructuras cristalinas tipo AmBnXp
Un compuesto ceramico puede tener mas de un tipo de cation.

44. Estructuras cristalinas tipo AmBnXp
Un compuesto ceramico puede tener mas de un tipo de cation.
Figura: Celdilla unidad de la estructura cristalina de la perovskita.

45. Estructuras cristalinas tipo AmBnXp
Un compuesto ceramico puede tener mas de un tipo de cation.
Figura: Celdilla unidad de la estructura cristalina de la perovskita.

46. Resumen de las estructuras cristalina mas comunes de los
materiales ceramicos

47. Resumen de las estructuras cristalina mas comunes de los
materiales ceramicos

48. Resumen de las estructuras cristalina mas comunes de los
materiales ceramicos

49. Estructuras cristalinas a partir de aniones empaquetados
de forma compacta

50. Estructuras cristalinas a partir de aniones empaquetados
de forma compacta
En los metales el apilamiento de planos compactos de atomos genera estructuras cristalinas FCC y HC.
Analogamente, alguna estructuras cristalina ceramicos pueden considerarse en terminos de planos compactos de
iones, donde se crean huecos intersitciales en los cuales pueden alojarse cationes.
Posiciones intersticiales

51. Estructuras cristalinas a partir de aniones empaquetados
de forma compacta
En los metales el apilamiento de planos compactos de atomos genera estructuras cristalinas FCC y HC.
Analogamente, alguna estructuras cristalina ceramicos pueden considerarse en terminos de planos compactos de
iones, donde se crean huecos intersitciales en los cuales pueden alojarse cationes.
Posiciones intersticiales
Estas posiciones intersticiales son de dos
tipos, tetraedrica (T) y octaedrica (O)

52. Estructuras cristalinas a partir de aniones empaquetados
de forma compacta
En los metales el apilamiento de planos compactos de atomos genera estructuras cristalinas FCC y HC.
Analogamente, alguna estructuras cristalina ceramicos pueden considerarse en terminos de planos compactos de
iones, donde se crean huecos intersitciales en los cuales pueden alojarse cationes.
Posiciones intersticiales
Estas posiciones intersticiales son de dos
tipos, tetraedrica (T) y octaedrica (O)
Los numeros de de coordinacion de los
cationes en las posiciones T y O son 4 y 6,
respectivamente.

53. Estructuras cristalinas a partir de aniones empaquetados
de forma compacta
En los metales el apilamiento de planos compactos de atomos genera estructuras cristalinas FCC y HC.
Analogamente, alguna estructuras cristalina ceramicos pueden considerarse en terminos de planos compactos de
iones, donde se crean huecos intersitciales en los cuales pueden alojarse cationes.
Posiciones intersticiales
Estas posiciones intersticiales son de dos
tipos, tetraedrica (T) y octaedrica (O)
Los numeros de de coordinacion de los
cationes en las posiciones T y O son 4 y 6,
respectivamente.
Figura: Apilamiento de un plano de
esferas compactas sobre otro.

54. Silicatos
Los silicatos son materiales compuesto principalment por silicio y
oxgeno, los dos elementos mas abundantes en la corteza terrestre.

55. Silicatos
Los silicatos son materiales compuesto principalment por silicio y
oxgeno, los dos elementos mas abundantes en la corteza terrestre.
Para clasi

56. car a estos materiales se utilizan combinaciones de
tetraedro de SiO4
4 .
Unidad basica de los silicatos

57. Silicatos
Los silicatos son materiales compuesto principalment por silicio y
oxgeno, los dos elementos mas abundantes en la corteza terrestre.
Para clasi

58. car a estos materiales se utilizan combinaciones de
tetraedro de SiO4
4 .
Unidad basica de los silicatos
Cada atomo de Si esta unido a cuatro atomos
de oxgeno.
La carga de esta unidad es negativa (-4).
Tienen un caracter covalente en los enlaces
Si{O signi

59. cativo.
Estas estructuras basicas se combinan para
formar otras mas complejas en una, dos y tres
dimensiones.

60. Silicatos
Los silicatos son materiales compuesto principalment por silicio y
oxgeno, los dos elementos mas abundantes en la corteza terrestre.
Para clasi

61. car a estos materiales se utilizan combinaciones de
tetraedro de SiO4
4 .
Unidad basica de los silicatos
Cada atomo de Si esta unido a cuatro atomos
de oxgeno.
La carga de esta unidad es negativa (-4).
Tienen un caracter covalente en los enlaces
Si{O signi

62. cativo.
Estas estructuras basicas se combinan para
formar otras mas complejas en una, dos y tres
dimensiones.
Figura:

63. Slice
Quimicamente, el silicato mas simple es el dioxido de silicio (SiO2)
Red tridimensional. Los atomos de oxgeno son compartidos con
los tetraedos adyacentes.
La relacion entre los atomos de Si y O es 1:2.
Si los tetraedros se organizan de una forma regular y ordenada, se
forma una estructura cristalina.
Existen tres formas polimor

64. cas primarias de slice:
I cuarzo
I cristobalita
I tridimita
Estas estructuras son complicadas y comparativamente abiertas, es
decir de bajas densidades. Por ejemplo el cuarzo tiene una
densidad de solo 2.65 g/cm3
La resistencia del enlace Si{O se re
eja en temperaturas de fusion
altas ( 1710C)

65. Cristobalita

66. Tridimita

67. Cuarzo

68. Cambios de fase

69. Vidrios de slice
La slice puede existir como solido no cristalino o vidrio.
Figura: La sosa es un modi

70. cador que interrumpe la red vtrea,
reduciendo la capacidad de formar vidrio.

71. Silicatos y sus estructuras

72. Carbono
El carbono es un elelemento que existe en varias formas
polimorfas, as como en estado amorfo.

73. Diamante

74. Estructura del gra

75. to

76. Fullerenos

77. Defectos atomicos puntuales

78. Impurezas en ceramicos

79. Resistencia a la fractura
Los materiales ceramicos tienen aplicabilidad limitada debdo a sus
propiedades mecanicas inferior a la de los metales
I tendencia a la fractura catastro

80. ca de forma fragil
Figura: Distribucion de frecuencia de resistencia a la fractura en cemento
Portland.

81. Resistencia a la fractura
I A T ambiente las ceramicas cristalinas y no cristalinas se
rompen antes de una deformacion plastica en respuesta a
cuealquier carga de traccion.
I La fractura fragil consiste en la formacion y propagacion de

82. suras a traves de la seccion del material en direccion
perpendicular a la carga aplicada.
I El crecimiento de grietas es normalmente transgranular y a lo
largo de planos cristalogra

83. cos.
I La resistencia a la fractura medida en los materiales ceramicos
es sustancialmente menor a la predicha por la teora basada en
las fuerzas de enlaces entre atomos.
I El grado de ampli

84. cacion de la tension depende de la longitud
de la grieta y el radio de curvatura de su punta.

85. Tenacidad de fractura en deformaciones planas
La capacidad de una ceramica de resistir la fractura cuando una
grieta esta presente se especi

86. ca en terminos de la tenacidad a la
fractura.
K = Y
p
a (1)
Y | parametro adimensional que depende de la geometra de la
probeta y de la grieta.
| tenson aplicada.
a | longitud de una grieta super

87. cial o la mitad de una grieta
interna.
Por lo general K 10MPa=m2 (e inferior que los metales)

88. Comportamiento tension-deformacion
El comportamiento tension-deformacion de los ceramicos fragiles
usualment no se describe mediantes ensayos de traccion

89. Comportamiento tension-deformacion
El comportamiento tension-deformacion de los ceramicos fragiles
usualment no se describe mediantes ensayos de traccion
por que?

90. Comportamiento tension-deformacion
El comportamiento tension-deformacion de los ceramicos fragiles
usualment no se describe mediantes ensayos de traccion
por que?
I Es di

91. cil preparar y ensayar probetas de traccion con la
gemotra requerida.
I Hay diferencia entre resultados de compresion y traccion.

92. Comportamiento tension-deformacion
El comportamiento tension-deformacion de los ceramicos fragiles
usualment no se describe mediantes ensayos de traccion
por que?
I Es di

93. cil preparar y ensayar probetas de traccion con la
gemotra requerida.
I Hay diferencia entre resultados de compresion y traccion.
Por estas razones en general se realiza un ensayo de
exion con
probetas en forma de barra con seccion rectangular o circular.

94. Modulo de rotura
mr =
3Ff L
2bd2 seccion rectangular (2)
mr =
3Ff L
R3 seccion circular (3)
F es la carga de fractura y L es la distancia entre puntos.

95. Comportamiento elastico
Figura: Comportamiento tpico tension-deformacion hasta la fractura de
oxido de aluminio y vidrio.

96. Modulos de rotura y modulos de elasticidad para ocho
materiales ceramicos comunes
Figura: a Sinterizado y con alrededor de 5% de porosidad .

97. Mecanismo de deformacion plastica en ceramicas
cristalinas
I La deformacion plastica ocurre por el movimiento de
dislocaciones.
I La dureza y la fragilidad de estos materiales se debe a la
di

98. cultad del deslizamiento de las dislocaciones, donde la
naturaleza de los iones tiene que ver con esto.

99. Mecanismo de deformacion plastica en ceramicas
no-cristalinas
I La deformacion plastica ocurre por el
ujo viscoso.
I La velocidad de deformacion es proporcional a la tension
aplicada.
I La viscosidad es una medida de la resistencia a la deformacion.
Para una cizalladura impuesta entre dos placas
=
dv=dy
=
F=A
dv=dy
(4)

100. La porosidad
En algunos materiales ceramicos se arranca con un precursos en
forma de polvo. Durante el compactado o conformado entre las
partculas se forman poros que se pueden eliminar (parcialmente)
mediante tratamientos termicos.
E = E0(1 1;9P + 0;9P2) (5)
E0 es el modulo de elasticidad del
material no poroso.
= 0exp(nP) (6)
0 y n son constantes
experimentales y P es la fraccion
de volumen de poros .

101. Micrografa de un material ceramicos

102. Dureza Koop aproximada (carga= 100g) de siete
materiales ceramicos