Los materiales cerámicos son compuestos que combinan elementos metálicos y no metálicos, presentando propiedades de rigidez, resistencia a altas temperaturas y buen aislamiento eléctrico. Existen cerámicos tradicionales y de nueva generación, los cuales exhiben diversas estructuras cristalinas que influyen en sus propiedades. Su fabricación implica un proceso de cocción a alta temperatura, lo que les confiere características únicas como la translucidez y conductividad eléctrica en ciertos casos.

1. MATERIALES CERAMICOS
1 PARTE
Fis. Israel Robles
Área: Ciencia de los materiales

2. QUE ES UN CERAMICO
Son compuestos entre metálicos y no
metálicos, frecuentemente son
oxidos, nitruros y carburos

3. CERAMICOS COMUNES
 ALUMINA Al2O3
 DIOXIDO DE SILICIO SiO2
 CARBURO DE SILICIO Si3NO4
 MINERALES DE ARCILLA
(PORCELANAS)
 CEMENTO Y VIDRIO

4. COMPORTAMIENTO
 SON RIGIDOS Y RESISTENTES, COMPARABLES
AQUELLOS DE LOS METÁLICOS, TAMBIÉN SON
FRÁGILES Y ALTAMENTE SUSCEPTIBLES ALTAMENTE
A LA FRACTURA.
 SON AISLANTES AL CALOR Y A LA ELECTRICIDAD.
 MÁS RESISTENTES A ALTAS TEMPERATURAS Y EN
AMBIENTES ASPEROS QUE METALES Y POLÍMEROS.
 PUEDEN SER TRANSLUCIDOS, TRASPARENTES U
OPACOS.
 ALGUNOS OXIDOS EXHIBEN COMPORTAMIENTO
MAGNÉTICO.

5. EJEMPLOS DE CERAMICOS
 TIJERAS
 COPA DE TE
CHINA
 LADRILLO
 LOSETA
 VASO DE VIDRIO

6. ETIMOLOGÍA
DEL GRIEGO VIENE DE LA PALABRA
KERAMIKOS SIGNIFICANDO
“COSA QUEMADA”
INDICANDO QUE LAS PROPIEDADES
SOLO SE LOGRAN A TRAVÉS DE UN
PROCESO TÉRMICO A ALTA
TEMPERATURA,TAMBIÉN LLAMADO
COCCIÓN.

7. TIPOS DE CERAMICOS
TRADICIONALES
MATERIALES DE
ARCILLA PUROS
(PORCELANAS,
LADRILLOS,
LOSETAS), VIDRIOS Y
MATERIALES DE
ALTA TEMPERATURA.
DE NUEVA GENERACIÓN
Tienen alta tenacidad mejor
que los metáles Si3N4-
SIC
(Aleaciones de Al endurecidas
por envejecimiento), incluso
algunos superplasticos.
SiC y AlN tienen
conductividades parecidas a
la de los metáles
FeO y ZnO son
semiconductores
Compuestos basados en CuO
son superconductores

8. ESTRUCTURA DE LOS CERAMICOS
Un Gran número de materiales cerámicos
tienen la estructura del cloruro de sodio
como lo son CaO, MgO, MnS, NiO, MnO,
FeO y HfN.
La estructura de zincblenda se encuentra
ZnS, BeO y SiC.
Otros materiales cerámicos tienen la
estructura de la fluorita como lo son CaF2,
el ThO2, CeO2, UO2, ZrO2 y el HfO2,

9. ESTRUCTURA DE CERAMICOS
Estructura de la perovskite: Se encuentra en
varios cerámicos eléctricos como el BaTiO3 y SrTiO3.
En este tipo de celda hay tres clases de iones. Si en las
esquinas de un cubo están los iones de Ba, los iones de
O llenarán llenaran los sitios centrados en las caras y
los iones de Ti ocuparán los sitios centrados en el
cuerpo. Cuando la celda unitaria se distorsiona se
produce una señal eléctrica lo que permite que ciertos
titanatos sirvan como transductores.

10. ESTRUCTURA DE LA PEROVSKITE

11. ESTRUCTURA DE CORINDON
Al2O3, la Alumina tiene este tipo de estructura es
similar a una estructura hexagonal compacta,
sin embargo, a esta celda están asociados 12
iones de Al y 18 de O, la alumina es común que
se utiliza como refractario, aislante eléctrico y
abrasivo, otros cerámicos tienen esta estructura
como son: Cr2O3 y Fe2O3.

12. ESTRUCTURA DE CORINDON

13. ESTRUCTURA DE ESPINEL
Estructura típica del MgAl2O4, Es una formación de 8 cubos más
pequeños, en cada uno de estos cubos pequeños existen iones de
oxigeno en las posiciones de una red centrada en las caras,
dentro de los cubos pequeños hay cuatro intersticios octaédricos
y ocho intersticios tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan
tres. En Espinel normal, los iones bivalentes como el Mg2+
ocupan sitios tetraédricos y los trivalentes como el Al3+, los
octaédricos. En los espineles inversos,, el ion bivalente y la
mitad de los iones trivalentes se encuentran en sitios
octaédricos, el espinel la tienen muchos cerámicos eléctricos y
magnéticos importantes incluyendo el Fe3O4.

14. ESTRUCTURA DE ESPINEL

15. GRAFITO
Una de las foras cristalinas del carbono,
algunas veces se le considera cerámico,
aunque el carbono es un elemento no una
combinación de átomos metálicos y no
metálicos, el grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como
refractario, lubricante y fibra.

16. GRAFITO

17. SILICATOS CRISTALINOS
Algunos materiales cerámicos
contienen enlaces covalentes
como lo es la cristobalita del
SiO2 o silice, aquí la
disposición de los átomos en
la celda unitaria proporciona
la coordinación adecuada
equilibra la carga y asegura
que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes.

18. SILICATOS CRISTALINOS
En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos
de silicio tengan cuatro vecinos cercanos (cuatro
átomos de O), creando así una estructura tetraédrica,
los tetraédros del silicio-oxigeno son las unidades
fundamentales del sílice, de las arcillas y de los
silicatos vitreos. Los tetraédros del sílice SiO44+, se
comportan como grupos ionicos; los iones de O de los
tetraédros en las esquinas son atraídos por otros
iones, o también uno o dos iones de O, pueden ser
compartidos por dos grupos tetraédricos para que se
de el equilibrio de cargas.

19. SILICATOS
Cuando dos iones de Mg2+ están disponibles
para combinarse con un tetraédro, se produce
un compuesto mg2SiO4, o forsterita. Los dos
iones de Mg2+ satisfacen los requisitos de
carga y equilibran a los iones SiO44-. Los
grupos Mg2SiO4,producen una estructura
cristalina tridimensional similar a los iones
Fe2+ donde pueden combinarse con tetraédros
del sílice para formar por ejemplo Fe2SiO4
llamados compuestos llamados olivinas u
ortosilicatos.

20. SILICATOS

21. SILICATOS
Dos tetraédros de silicatos pueden combinarse
compartiendo un vértice para producir un
tetraédro doble, es decir, un ion SiO32-. Este
grupo puede a su vez combinarse con otros
iones para producir pirosilicatos, es decir,
compuestos de tetraédros dobles.

22. ESTRUCTURAS DE ANILLO Y DE CADENA
Cuando dos vértices del tetraédro se comparten
con otros tetraédros, se forman anillos y
cadenas con el tipo de la fórmula (SiO3)n2n-, en
la cual n indica el número de grupos SiO32-, de la
cadena o del anillo. Gran cantidad de materiales
cerámicos tienen estructura de metasilicato, la
wolastonita (CaSiO3) esta constituída por anillos de
Si3O9, El berilo (Be3Al2Si6O18) contiene anillos
grandes de (Si6O18); y la enstatita MgSiO3; tiene
estructura en cadena.

23. (ESTRUCTURAS LAMINARES ARCILLAS)
Cuando la relación O:Si resulta en la fórmula Si2O5,
los tetraédros se combinan para formar estructuras
laminares. En una formación ideal, tres de los
átomos de O de cada tetraédro están ubicados en un
solo plano, formando un patrón hexagonal. Los
átomos de Si forman un segundo plano, también con
un patrón hexagonal. El cuarto átomo de O de cada
tetraédro está presente en un tercer plano. Estos
últimos átomos entán enlazados ionicamente con
otros grupos de átomos, formando materiales como
las arcillas,la mica y el talco.

26. ENLACES ÁTOMICOS EN CERAMICOS
Para los cerámicos que son enlazados
ionicamente, la estructura cristalina es
enlasada de iones electricamente cargados de
átomos. Los iones metálicos o cationes, son
positivamente cargados por que han dado sus
electrones de valencia a los no metálicos o
aniones, que son negativamente cargados. Dos
caracteristicas de los componentes ionicos
influencian la estructura cristalina: La
magnitud de la carga eléctrica de cada
componente ionico y el tamaño relativo de los
cationes y aniones.

27. ENLACES ÁTOMICOS EN CERAMICOS
1.- El cristal debe ser electricamente neutro, es decir,
todos los cationes cargados positivamente deben ser
balanceados por un número igual de aniones cargados
negativamente, la fórmula química de un compuesto
indica el radio de cation a anion o la composición que
alcanza este balance de carga. Por ejemplo, el flururo
de calcio, cada ion de Ca tiene una carga de +2
(Ca2+), y asociado con cada ion floruro es una carga
negativa simple (F-), por tanto hay dos veces (F-)
como (Ca2+), la cual se refleja en la fórmula química
CaF2.

28. ENLACES ÁTOMICOS EN CERAMICOS
2.- El tamaño del radio ionico de cationes y
aniones rc y ra respectivamente, porque los
elementos metálicos dan electrones cuando se
ionizan, cationes son más pequeños que
aniones y consecuentemente el radio rc entre ra
es menor que la unidad. Cada cation refiere un
anion como vecino cercano, los aniones
también desean un número máximo de cationes
de vecinos cercanos.

29. ENLACES ÁTOMICOS EN CERAMICOS
Estructuras ceramicas cristalinas estables se
forman cuando aquellos aniones alrededor de
un cation están todos en contacto con el cation.
El número de coordinación, es decir, el número
de aniones muy cercanos al cation es relatado
al radio cation-anion. Para un número de
coordinación específico, existe un radio mínimo
o crítico rc entre ra, por el cual el cation –
anion es establecido, este radio se establece por
consideraciones geometricas.

30. ENLACES ÁTOMICOS EN CERAMICOS

31. REFERENCIAS
1.- Donald R. Askeland, Ciencia e ingenieria
de los materiales, internacional thomson
editores, 3ed.
2.- William D. Callister Jr., Materials science
and engineering, John Wiley and Song
Inc, 7 ed.