Este documento presenta información sobre materiales cerámicos tradicionales. Brevemente describe que los cerámicos tradicionales están compuestos principalmente de arcilla, sílice y feldespato. Explica que la arcilla es el componente principal de productos estructurales como ladrillos y baldosas, mientras que la porcelana fina contiene también sílice y feldespato. Finalmente, proporciona detalles sobre las propiedades de algunos cerámicos tradicionales comunes como su módulo de elasticidad y resistencia.

1. Ingeniería Mecánica
Ciencia de los Materiales
Trabajo Práctico
“Materiales Cerámicos”
Alumnos: BOTTARI, Agustín
FRUTOS FERRAIUOLI, Nahuel
GENTILE, Mauro Andrés
PIOTTO, Agustín
ZIBECCHI, Roberto René
Profesora: Ing. ANA VELIA DRUKER
2010

2. Introducción
Los materiales cerámicos constituyen un amplio conjunto de compuestos, cuya característica
fundamental es estar formados por la unión de elementos atómicos (metales, no metales)
mediante enlaces de carácter predominantemente iónico o covalente, es decir, uniones
interatómicas fuertes y estables. El término cerámica proviene de la palabra griega keramikos, que
significa “arcilla quemada”, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos
materiales generalmente se alcanzan luego de un tratamiento térmico a alta temperatura.
Hasta hace aproximadamente 40 años, los materiales más importantes de esta clase eran las
denominadas cerámicas tradicionales, compuestos en los que la materia prima es la arcilla; los
productos considerados dentro de esta familia son la porcelana fina, porcelana para aislantes
eléctricos, ladrillos, tejas, baldosas y también vidrios y cerámicas refractarias. Actualmente se han
realizado progresos importantes relacionados con el conocimiento fundamental de las
propiedades y con los procesos de fabricación de estos materiales.
En los años 60-70 surgen las cerámicas avanzadas. Desde el punto de vista químico se trata de
óxidos, carburos o nitruros, de gran pureza química, constituidos con diferentes elementos, tales
como: Al, Si o B. Estas nuevas cerámicas poseen propiedades físicas muy interesantes que
conducen a aplicaciones en las que se requieren especificaciones muy exigentes. Entre estas cabe
citar la alta dureza y rigidez, son aislantes térmicos y eléctricos, poseen una importante inercia
química frente a ambientes hostiles (elevada durabilidad) y tienen altos puntos de fusión. Por otra
parte son muy frágiles y tiene un débil comportamiento frente a los esfuerzos de tracción o
impacto, pero son relativamente resistentes a la compresión. En este trabajo, sin embargo, nos
centraremos en los cerámicos tradiciónales.
La denominación moderna de cerámicos tiene en cuenta no sólo la composición de material, sino
también la técnica empleada para su preparación. En términos generales se considera como
producto cerámico a todo objeto obtenido por compactación de un polvo en la forma deseada
para su uso, seguida de una consolidación de esta geometría mediante un proceso de cocción a
alta temperatura, denominado sinterización. Desde un punto de vista estructural, normalmente
son materiales policristalinos.
Cerámicos Tradicionales
Los cerámicos tradicionales están constituidos por tres tipos básicos: arcilla, sílice (silex) y
feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de Al hidratados
(Al2O3.SiO2.H2O) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2, FE2O3, MgO, Cao, Na2O,
K2O.
Las arcillas dentro de los materiales cerámicos tradicionales se pueden trabajar antes de que el
material se endurezca por el fuego y constituyen el cuerpo principal del material. La sílice (SiO2,
también llamada silex o cuarzo, funde a altas temperaturas y es el material refractario de los
cerámicos tradicionales. El feldespato potásico, que tiene la composición básica K2O.Al2O3.6SiO2,
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3. funde a bajas temperaturas, y se transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a alta
temperatura y una los componentes refractarios.
Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de
desagües, tejas y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres
componentes básicos. Los productos de cerámica fina como la porcelana eléctrica, porcelana china
y sanitarios están formados a partir de arcilla sílice y feldespato, por medio de los cuales se
controla su composición.
Propiedades mecánicas de cerámicos tradicionales. Módulo de elasticidad y resistencia (módulo
de ruptura)
E (GPa) MOR (MPa)
1 Porcelana de mulita (aluminosilicato) 69 69
2 Porcelana de esteadita (aluminosilicato de magnesia) 69 140
3 Ladrillo de arcilla quemada de servicio pesado 97 5.2
4 Vidrio de sílice 72.4 107
Productos de arcilla
Uno de los materiales más ampliamente utilizados es la arcilla. Éste ingrediente barato y que se
encuentra de forma natural en gran abundancia, a menudo se utiliza tal como es extraído de la
mina sin ningún aumento en el grado de calidad. Otra razón de su popularidad es la facilidad con
que los productos de la arcilla pueden conformarse; cuando el agua y la arcilla se mezclan en las
proporciones adecuadas, se forma una masa plástica a la cual pude dársele la forma deseada.
Después es cocida a temperaturas elevadas para aumentar su resistencia mecánica.
Las arcillas son mineralógicamente filosilicatos de tamaño de grano muy fino y morfología laminar,
lo que les confiere un elevado valor de superficie específica y por lo tanto una amplia superficie de
reacción fisicoquímica que facilita su interacción con multitud de sustancias, en especial con
compuestos polares como el agua.
La mayoría de los productos basados en la arcilla se pueden clasificar en dos grandes clases: los
productos estructurales de arcilla y las porcelanas. Los productos estructurales de la arcilla
incluyen a los ladrillos de construcción, baldosas y tuberías de aguas residuales, aplicaciones en las
cuales la integridad estructural es importante. Las porcelanas adquieren el color blanco después
de la cocción a altas temperaturas. En éste grupo se incluye la porcelana fina, artículos sanitarios.
Además de la arcilla, muchos de estos productos también contienen ingredientes no plásticos, los
cuales influyen en los cambios que tienen lugar durante los procesos de secado y de cocción.
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4. Características
Los minerales de arcilla desempeñan dos papeles fundamentales en las piezas cerámicas. En
primer lugar, cuando se añade agua, se hacen muy plásticos, propiedad que se denomina
hidroplasticidad. Esta propiedad es muy importante en las operaciones de conformado, como se
expone más adelante. Además, la arcilla funde en un amplio intervalo de temperaturas; así una
cerámica densa y fuerte puede obtenerse durante el cocido sin fusión completa de manera que la
forma deseada se conserve. Este intervalo de temperaturas de fusión depende obviamente de la
composición de la arcilla.
Las arcillas son aluminosilicatos,
formados por alúmina (Al2O3) y sílice
(SiO2), que contienen agua enlazada
químicamente. Tienen una amplia gama
de características físicas, composiciones
químicas y estructuras; las impurezas
más comunes incluyen compuestos
(normalmente óxidos) y también algo de
materia orgánica. Las estructuras
cristalinas de los minerales de arcilla son
relativamente complicadas; sin
embargo, una característica común es la
estructura en capas. Los minerales de
arcilla que presentan mayor interés Figura 1
tienen la denominada estructura de la caolinita. La caolinita [Al 2(Si2O5)(OH)4] tiene la estructura de
la figura 1. Cuando se añade agua, las moléculas de agua encajan entre las capas y forman una
película delgada alrededor de las partículas de arcilla. Las partículas son así libres de moverse unas
respecto a otras, lo cual explica la plasticidad resultante de la mezcla arcilla-agua.
Clasificación
Cada una de las propiedades de la Arcilla puede dar lugar a una clasificación distinta. Así pues,
puede clasificarse según su color, su temperatura de cocción, sus propiedades plásticas, su
porosidad después de la cocción, su composición química, etc.
Según su uso práctico se clasifican en:
• Tierras Arcillosas; se vuelven vidriosas incluso a 900°C, contiene elevados porcentajes de
partículas silicuas o calizas.
• Arcillas comunes; son fusibles y se usan a temperatura comprendidas entre 900 y 1050°C.
Contienes grandes cantidades de Carbonato Cálcico y Óxidos de Hierro.
• Arcillas para losa: se usan hasta temperaturas de 1250°C, casi no contiene impurezas y contiene
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5. más de 25% de caolinita.
• Arcillas para gres: funde a temperaturas elevadas, pero sintetizan y compactan a temperaturas
inferiores, originando productos de nula porosidad y vitrificados.
• Arcillas para porcelana: tienen un punto de vitrificación muy elevado por lo que se añaden un
número elevado de fundentes.
Según su fusibilidad y color de arcilla se clasifican en:
• Caolines: su componente principal es la caolinita, puede usarse a temperaturas superiores a
1300°C.
• Arcillas refractarias: son arcillas que pueden usarse hasta los 1500°C. Su composición y color son
variables aunque el contenido en Sílice es elevado.
• Arcillas gresificables: son arcillas bastante refractarias. Pueden usarse a temperaturas elevadas.
Son más plásticas que las refractarias, dando lugar a los productos de nula porosidad.
• Arcillas blancas grasas: Se usan a temperaturas inferiores a los 1250°C y poseen elevada
plasticidad y gran encogido durante el secado. Toman color blanco o marfil después de la cocción.
• Arcillas rojas fusibles: son arcillas de alta fusibilidad. Son plásticas. Su composición es muy
variable, pero siempre con alto contenido de hierro.
Según su origen geológico:
• Arcillas primarias: son aquellas que se encuentran en el mismo lugar de su formación. Por lo
general solo podemos considerar, arcillas primarias, a los caolines.
• Arcillas secundarias o sedimentarias: son aquellas que no se encuentran en el lugar de formación
por haber sido arrastradas y posteriormente sedimentadas. Estas Arcillas por lo general, están
impurificadas con materiales muy diversos, lo que produce la gran diversidad de Arcillas que
puedan encontrarse.
Según su trabajabilidad:
• Arcillas grasas: Son arcillas impuras de colores entre café, grises, rojizos o amarillentos, se
encuentran formando capas y se las conoce como ceraturo o tierra arcillosa
• Magras: Son arcillas muy puras y duras lo que les hace difíciles de trabajar y dar forma. Se las
conoce como Caolín, material de color blanco y al que se le ve como una sola masa y sirve para
trabajos eminentemente de cerámica.
Según las características de las Arcillas Crudas:
• Arcillas bituminosas: son de color negro, gris o azulado debido al alto contenido de substancias
orgánicas.
• Caolines: son de coloro blanco, amarillento o ligeramente azulado. Se adhieren mucho a la
lengua y con agua forman una masa moldeable pero que no se adhiere a los objetos en contacto
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6. con ella.
• Arcillas emécticas: Son aquellas que se diferencian de los caolines en que con agua forman una
masa no moldeable y absorben con gran avidez las grasas y aceites.
• Arcillas plásticas: son de color amarillento o pardo. Tienen tacto graso y se pulimentan con la
uña. Con agua forman una masa muy plástica, permitiendo incluso la formación de anillos a partir
de pequeñas barras cilíndricas. En su composición puede haber algo de arena o mica e hidróxido
férrico.
• Arcillas limosas: son de color amarillo o pardo, se adhieren a la lengua pero no tienen tacto
graso, ni pueden pulimentarse ni son lo suficientemente plásticas como para poder formar anillos
sin romperse.
• Loess: son de colores grises y amarillentos. Se adhieren a la lengua. No son muy trabajables.
Tienen alto contenido en compuestos de hierro y algo de cal. Sus partículas son de grano muy fino.
• Arcillas Figulinas: Actualmente se tiende a incluirlas con las arcillas plásticas, ya que su única
diferencia es un mayor contenido en cal y hierro, son menos plásticas, sus partículas son de granos
muy finos.
• Magras: Son de color variable como gris, verdoso, amarillento, etc. Se adhieren a la lengua y
contienen gran cantidad de caliza. Las verdaderas magras no rayan el vidrio. Son fusibles y se
reconocen por la efervescencia que se produce al agregarse algunas gotas de ácido.
• Gredas: son de color variado, generalmente blanco. Se adhieren a la lengua, son de grano
bastante grueso y contienen un alto porcentaje de cuarzo.
USOS DE LA ARCILLA
Para cualquier uso de la arcilla primero se le debe dar un tratamiento determinado. Por ejemplo,
en la cerámica se combinan distintos tipos de arcillas, fundentes, y otros elementos dependiendo
directamente del uso al que se vaya a destinar la mezcla.
Es utilizada en la producción de aislantes eléctricos puesto que no transmiten la electricidad (para
esto se utilizan arcillas que no contengan óxidos de hierro).
Dentro del campo de la construcción, la arcilla no es utilizada directamente sino más bien se la usa
en la fabricación de baldosas, ladrillos, sanitarios, tejas, y en la mezcla de las pinturas, etc.
La arcilla también es utilizada dentro del campo de la odontología para la fabricación de réplicas
de dientes y elaboración de dentífrico bucal aunque en muy reducidas proporciones.
La arcilla es uno de los principales componentes de los adobes (tierra arcillosa).
Es muy utilizada en la fabricación de elementos decorativos, para fabricar vajillas, elementos
aislantes de temperatura y en una gran variedad de elementos de alfarería.
Materiales refractarios
Las propiedades más importantes de los refractarios cerámicos son su resistencia a bajas y altas
temperaturas, su densidad y su porosidad. La mayoría de los refractarios cerámicos tienen
densidades del rango de 2,1 a 3,3 g/cm2. Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor
resistencia a la corrosión y erosión; y la penetración por líquidos y gases. Sin embargo para
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7. refractarios aislantes es deseable una alta porosidad. Los refractarios aislantes son utilizados en su
mayoría como protección de ladrillos o material refractario de mayor densidad y refractariedad.
La figura 2 muestra algunas de las composiciones y aplicaciones de ladrillos refractarios.
Los materiales refractarios cerámicos se dividen comúnmente en ácidos y bases, de manera que
no reaccionen con los productos en el horno. Los refractarios ácidos se basan principalmente en
SiO2 y Al2O3 y los básicos de MgO, CaO y Cr2O3.
Figura 2
Refractarios Ácidos
Los refractarios de sílice tienen alta refractariedad, alta resistencia mecánica y rigidez a
temperaturas cercanas a su punto de fusión. Los refractarios de arcilla se basan en una mezcla de
arcilla cocida plástica, arcilla de partículas gruesas y arcilla pétrea. En el estado previo al cocido
(verde), estos refractarios se componen de una mezcla de partículas de tamaño variable desde
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8. grandes tamaños hasta partículas extremadamente finas. Tras el cocido las partículas finas se unen
para formar otras mayores.
Refractarios Básicos
Los refractarios básicos están compuestos, mayoritariamente, por magnesia (MgO), cal (CaO),
mineral de cromo o mezclas de dos o tres de estos materiales. Como grupo los refractarios básicos
tienen altas densidades, altas temperaturas de fusión y buena resistencia al ataque químico por
escorias básicas y óxidos, pero son más caros. Estos refractarios contienen un porcentaje alto de
magnesia (92 a 95%) y se usan principalmente en recubrimientos en el proceso de fabricación del
acero de oxigeno y medio básico.
Cerámicas formadas por silicatos.
Los silicatos son materiales compuestos principalmente por silicio y oxígeno. Estos son los dos
elementos más abundantes en la corteza terrestre y por eso, se le suele llamar silicatos a la
mayoría de los suelos, arcillas, rocas y arenas. Por su estructura, lo más conveniente para definir
su estructura cristalina no es expresarlos en términos de celdas unitarias sino usando
combinaciones de tetraedros SiO4.
Cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno
situados en los vértices del tetraedro, en cuyo centro se
encuentra el átomo de silicio. Los enlaces entre el silicio y el
oxígeno son fuertes y direccionales y tienen un significativo
carácter covalente, y es por ello que a menudo no se considera a
los silicatos como compuestos iónicos.
Las diversas estructuras que pueden adoptar los silicatos se
deben a las distintas maneras en que los tetraedros se
combinan, pudiendo ser en distribuciones de una, dos o tres
dimensiones.
Se aplican seguido en la industria debido a su bajo precio, gran disponibilidad, y por algunas
propiedades especiales que poseen. Se usan para construcción, como refractarios (pues tienen un
alto punto de fusión) y para catálisis.
Sílice
El silicato más sencillo es el dióxido de silicio, también conocido como sílice o sílex. Se caracteriza
por ser eléctricamente neutro y porque todos sus átomos tienen estructuras electrónicas estables.
Estructuralmente, es una red tridimensional que se genera cuando todos los átomos de oxígeno
de cada tetraedro son compartidos con tetraedros adyacentes. Existen tres formas cristalinas
polimórficas primarias del dióxido de silicio dadas por las distintas combinaciones de la unidad
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9. estructural SiO4: el cuarzo, la cristobalita y la tridimita. Tienen una estructura relativamente
complicada en donde sus átomos no están empaquetados al máximo, lo que genera una baja
densidad en el material. No obstante, la resistencia del enlace entre el oxígeno y el silicio se refleja
en una temperatura fusión elevada que para el cuarzo es de 1710 °C.
El cuarzo es uno de los más importantes dentro de los Minerales Industriales: provee el silicio
para la elaboración de ferrosilicio. Las arenas de cuarzo son usadas en morteros, mezclas de
hormigón, fabricación de vidrio y para fracturación hidráulica. Las cuarcitas y areniscas silíceas se
aplican en la industria de la construcción, para elaborar revoques finos de calidad y microhornos
comerciales.
Molido y triturado, se usa en la elaboración de ferromanganeso, preparar cajas para moldes de
fundición, cerámica refractaria, industria del vidrio, fabricación de lijas, raspa para fósforos, polvos
abrasivos, etc. Las partículas de cuarzo de las arenas silíceas son usadas como abrasivo para
pulimentar superficies metálicas (arenado).
Se puede clasificar el cuarzo de dos maneras:
Cuarzo Metalúrgico: se lo utiliza como silicio, en la elaboración de ferrosilicio y ferrosilicio al
manganeso. También como carga en altos hornos. Su contenido de hierro no es limitativo.
Cuarzo para vidrio, cuarzo para cerámica, cuarzo para esmaltes y para derivados químicos: son
empleados en la obtención de silicatos solubles, xerogeles e hidrogeles, como elemento ligante y
agente antideslizante.
La sílice también puede existir como un sólido no cristalino con un alto grado de distribución
atómica al azar (amorfa), algo que es característico del estado líquido. A este vidrio se lo suele
llamar sílice vítrea o sílice fundida. Los vidrios inorgánicos más comunes, son vidrios de sílice a los
cuales se les añadió otros óxidos, como el óxido de calcio CaO y óxido de disodio Na 2O. Los
cationes sodio y calcio encajan en la distribución atómica, favoreciendo las formación de fases
vítreas en vez de cristalinas. Éstos se usan sobre todo en ventanas y en recipientes, pues son
transparentes y son fáciles de fabricar debido a su baja temperatura de fusión.
Silicatos laminares: una estructura bidimensional en forma de capas o láminas se puede producir
cuando se comparten 3 iones de oxígeno en cada uno de los tetraedros. Las micas como la
muscovita y la biotita son silicatos en láminas comunes. La neutralidad de la carga eléctrica se
alcanza generalmente mediante la estructura de una segunda lámina que tiene un número de
cationes en exceso, los cuales se enlazan a estos átomos. Los barros son otro silicato en lámina
muy importante que incorpora agua en su estructura atómica. La presencia del agua lubrica las
láminas y es lo que hace que los barros sean fáciles de trabajar para crear cerámica: el contacto
con fuego calienta los minerales a tal punto que el agua desaparece, lo que produce una
estructura rígida y durable como la de una vasija.
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10. Feldespatos
Los feldespatos son un grupo de minerales formados por
silicatos dobles de aluminio y de calcio, sodio, potasio,
algunas veces de bario o mezclas de esas bases. Es de la
familia de los tectosilicatos.
Forman el grupo más importante de la corteza terrestre ya
que constituyen el 60% de esta.
Composición
Su estructura consiste en una base de silicio (Si4+) en la que una parte ha sido sustituida,
isomórficamente, por aluminio. Al desequilibrarse las cargas se compensan con cationes metálicos
(K+, Na+, Ca+2).
Pueden ser monoclínicos o triclínicos. Son de color blanco, de brillo vítreo o bien de colores muy
claros. Su origen es petrográfico, muy abundante y formado a través de la consolidación de los
magmas. Son muy alterables y se deterioran a través de un proceso llamado caolinización.
Todos los feldespatos son minerales duros, de peso específico comprendido entre 2,5 y 2,75. Se
dividen en 3 grupos:
Ortoclasas: feldespatos potásicos
Plagioclasas: feldespatos de calcio o sodio
Feldespatos de bario: donde el catión predominante es el Ba+2
Funciones en cerámica
1. El feldespato sódico principalmente actúa como fundente produciendo a una menor
temperatura el producto, sobre todo en temperaturas medias y altas, para baja
temperatura es necesario reforzarlos con otros fundentes. Constituye el "cemento" entre
las partículas de los demás componentes.
2. Disminuye en productos porosos el coeficiente de dilatación.
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11. Bibliografía
www.visionlearning.com/
www.wikipedia.es/
www.segemar.gov.ar/
http://www.educared.net/
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=140&l=s
Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, W.D. Callister
Materiales Estructura, propiedades y aplicaciones, Saja Saez – Rodríguez Perez – Rodríguez
Mendez
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