cerámicos lmoc bn

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MATERIALES CERÁMICOS Cerámica viene del griego Keramos que significa quemar. Son compuestos químicos o soluciones complejas que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos, óxidos, aunque también se emplean carburos, nitruros, boruros y siliciuros .. Sus enlaces iónicos-covalentes, les confieren una alta estabilidad y resistencia a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Sus estructuras cristalinas son bastante complejas. Propiedades generales: Alta dureza, baja ductilidad, puntos de fusión altos, buena resistencia a la compresión, desgaste, rozamiento, cizalladura y corrosión. Son frágiles (casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión). Soportan altas temperaturas. Son duros. Tienen bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica y eléctrica (aislantes). Poseen una amplia gama de aplicaciones eléctricas.

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Ciencia de los materiales cerámicos

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Page 1: Cerámicos LMOC BN

MATERIALES CERÁMICOS Cerámica viene del griego Keramos que significa quemar. Son compuestos químicos o soluciones complejas que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos, óxidos, aunque también se emplean carburos, nitruros, boruros y siliciuros .. Sus enlaces iónicos-covalentes, les confieren una alta estabilidad y resistencia a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Sus estructuras cristalinas son bastante complejas.

Propiedades generales: Alta dureza, baja ductilidad, puntos de fusión altos, buena resistencia a la compresión, desgaste, rozamiento, cizalladura y corrosión. Son frágiles (casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión). Soportan altas temperaturas. Son duros. Tienen bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica y eléctrica (aislantes). Poseen una amplia gama de aplicaciones eléctricas.

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ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS CERAMICOS Los compuestos ceramicos(AX) más simples poseen igual numero de átomos metálicos y no metálicos, pueden formar compuestos iónicos o covalentes y el rango característico de los compuestos AX es que los tomos A solo tienen como vecinos inmediatos átomos X, y los átomos X solo tienen como vecinos inmediatos átomos A, así los iones A y X están altamente ordenados. Los compuestos pueden formarse de acuerdo a su número de coordinación que puede ser 8, 6 y 4, formándose las siguientes estructuras: • Estructuras AX • Estructuras AX (no cúbicas) • Cristales cerámicos (AmXp)

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ESTRUCTURA CRISTALINA Tienen estructura cristalina más compleja que la de los materiales metálicos y polímeros.

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PROPIEDADES QUIMICAS

Elevada resistencia a la corrosión y a la oxidación, por estar compuestos de óxidos metálicos. Son productos quemados y corroídos y por lo tanto no se degradan más.

Compuesto reforzado con cerámica

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PROPIEDADES FISICAS

ρ (g

cm

-3)

Grafito/ Cerámicos/ Semicond.

Metales/ Aleaciones

Compositos/ fibras Polímeros

1

2

2 0

30

10

3 4 5

0,3

0,4 0,5

Mg

Al

Aceros

Ti

Cu,Ni S, Zn

Ag, Mo

Ta Au, W Pt

G rafito Sílice Vidrio Concreto

SiN Diamante Al óxido

Zr

H DPE, PS PP, LDPE PC

PTFE

PET PVC Silicona

Madera

AFRE

* CFRE * GFRE* Fibras vidrio

Fibras carbón Fibras arámidas

En general: ρ metales > ρ cerámicos > ρ polímeros

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PROPIEDADES MECANICAS Son generalmente frágiles o vidriosos (baja tenacidad). Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión (las grietas se separan y dan lugar a fracturas) y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados. La resistencia a la compresión es alta comparada con los metales incluso a altas temperaturas, por que las grietas tienden a cerrarse. Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta.

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FALLAS MECÁNICAS EN MATERIALES CERÁMICOS

Fractura frágil: Una grieta concentra y amplifica el esfuerzo aplicado en particular a temperaturas bajas. Entre los métodos para mejorar la tenacidad se tienen:

1. Rodear las partículas frágiles del cerámico con un material matriz más suave y tenaz.

2. Crear compuestos de matriz cerámica (CMC) introduciendo aglomerados cerámicos en dicha matriz.

3. Introducir muchas micro grietas, demasiado pequeñas para propagarse por sí mismas.

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La termofluencia es la deformación plástica que puede sufrir un material a elevadas temperaturas y en los materiales cerámicos puede aumenta por: 1. Tamaño de grano: los más pequeños

facilitan el deslizamiento de bordes de grano.

2. Porosidad: al incrementar la porosidad también se facilitan el deslizamiento de los bordes de grano.

3. Impurezas: las impurezas provocan la formación de fases vítreas en los bordes de grano.

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Materiales Cerámicos

•Comportamiento muy diferente en compresión y tracción •Contacto fundamentalmente elástico: (E / H) muy grande

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COMPORTAMIENTO REFACTARIO Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes.

Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmósfera.

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Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen comportamiento a alta temperatura pero pueden sufrir roturas por choque térmico (tensiones superficiales de tracción que llevan a la fractura de un material debido a un cambio brusco de temperatura.

Por lo general poseen una buena resistencia a la termofluencia (movimiento de los átomos que inducen una deformación muy lenta cuando el material está sometido a altas temperaturas y esfuerzos, lo cual puede causar problemas dimensionales a la estructura o componentes, provocando mal funcionamiento o falla). En el caso de cerámicos cristalinos, esto es debido principalmente a altas temperaturas de fusión y elevada energía de activación para que comience la difusión.

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COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO

Tienen una amplia aplicación en el campo electrónico, debido a su baja conductividad térmica y eléctrica. • Aislamiento eléctrico y comportamiento dieléctrico: La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de electricidad. Esto se debe a que los enlaces iónico y covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son buenos aislantes eléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión.

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Superconductividad: Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas muestran superconductividad. La razón exacta de este fenómeno no es conocida, aunque se diferencian dos conjuntos de cerámica superconductora; el compuesto estequimétrico YBa2Cu3O7-x (YBCO) a 90 K y el diboruro de magnesio a 40 K. Semiconductividad: Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas. La mayoría de ellas son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como el óxido de zinc (ZnO). Como materiales semiconductores se emplea el silicio con impurezas como Al, Ga, In, P, As, Sb, entre otros.

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• Ferroelectricidad: Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente posee una polarización eléctrica cuyo sentido se puede invertir mediante aplicación de un campo eléctrico externo suficientemente alto • Piezoelectricidad: Materiales que poseen una polarización espontánea, generando un voltaje cuando se le aplica presión o, inversamente, se deformándose bajo la acción de un campo eléctrico. • Piroelectricidad: Materiales que desarrollan un campo eléctrico cuando se calientan. Algunas cerámicas piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar cambios de temperatura causados por el ingreso de una persona a un cuarto.

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La estructura cristalina de los materiales cerámicos permite dotarlos de cualidades muy diversas. Las cerámicas terrosas naturales como la arcilla, talco, feldespato

y pedernal y las cerámicas naturales obtenidas mediante una cocción hasta llegar a la vitrificación como la porcelana se emplean para la fabricación de aislantes eléctricos en resistencias.

Las ferritas, compuestas por óxidos de hierro, a los que se añade Ni, Co, Mg, se obtienen por sinterización y se emplean en la fabricación de imágenes por sus propiedades magnéticas. Hay dos tipos: las blandas y las duras.

Las blandas pueden usarse en la fabricación de electroimanes porque se desmagnetizan de inmediato. En cuanto que las duras mantienen las propiedades magnéticas a lo largo del tiempo y se utilizan para fabricar imanes permanentes.

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Resistencia mecánica para sostener los cables y aislar un rayo

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Protección térmica del trasbordador espacial (azulejos)

nitrógeno líquido, 77 K

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COMPORTAMIENTO ÓPTICO En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia.

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1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

3B 4B 5B 6B 7B8B

1B 2B

1 H

3 Li

4 Be

11 Na

12 Mg

19 K

20 Ca

37 Rb

38 Sr

55 Cs

56 Ba

87 Fr

88 Ra

21 Sc

22 Ti

39 Y

40 Zr

Lanta-nidos

72 Hf

104 Rf

Actí -nidos

Actínidos

Lantánidos

23 V

24 Cr

41 Nb

42 Mo

73 Ta

74 W

105 Db

106 Sg

25 Mn

26 Fe

43 Tc

44 Ru

76 Os

108 Hs

75 Re

107 Bh

27 Co

28 Ni

45 Rh

46 Pd

77 Ir

78 Pt

29 Cu

30 Zn

47 Ag

48 Cd

80 Hg

31 Ga

32 Ge

49 In

50 Sn

81 Tl

82 Pb

33 As

34 Se

51 Sb

52 Te

84 Po

83 Bi

79 Au

35 Br

36 Kr

53 I

54 Xe

86 Rn

85 At

5 B

6 C

13 Al

14 Si

7 N

8 O

15 P

16 S

9 F

10 Ne

17Cl

18 Ar

109 Mt

110 Ds

111 Rg

57 La

89 Ac

58 Ce

59 Pr

90 Th

91 Pa

60 Nd

61 Pm

93 Np

92 U

62 Sm

63 Eu

94 Pu

95 Am

64 Gd

65 Tb

98 Cf

66 Dy

67 Ho

99 Es

100 Fm

68 Er

69 Tm

102 No

101 Md

96 Cm

70 Yb

71 Lu

103 No

97 Bk

2 He

1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

3B 4B 5B 6B 7B8B

1B 2B

1 H

3 Li

4 Be

11 Na

12 Mg

19 K

20 Ca

37 Rb

38 Sr

55 Cs

56 Ba

87 Fr

88 Ra

21 Sc

22 Ti

39 Y

40 Zr

Lanta-nidos

72 Hf

104 Rf

Actí -nidos

Actínidos

Lantánidos

23 V

24 Cr

41 Nb

42 Mo

73 Ta

74 W

105 Db

106 Sg

25 Mn

26 Fe

43 Tc

44 Ru

76 Os

108 Hs

75 Re

107 Bh

27 Co

28 Ni

45 Rh

46 Pd

77 Ir

78 Pt

29 Cu

30 Zn

47 Ag

48 Cd

80 Hg

31 Ga

32 Ge

49 In

50 Sn

81 Tl

82 Pb

33 As

34 Se

51 Sb

52 Te

84 Po

83 Bi

79 Au

35 Br

36 Kr

53 I

54 Xe

86 Rn

85 At

5 B

6 C

13 Al

14 Si

7 N

8 O

15 P

16 S

9 F

10 Ne

17Cl

18 Ar

109 Mt

110 Ds

111 Rg

57 La

89 Ac

58 Ce

59 Pr

90 Th

91 Pa

60 Nd

61 Pm

93 Np

92 U

62 Sm

63 Eu

94 Pu

95 Am

64 Gd

65 Tb

98 Cf

66 Dy

67 Ho

99 Es

100 Fm

68 Er

69 Tm

102 No

101 Md

96 Cm

70 Yb

71 Lu

103 No

97 Bk

2 He

Tabla periódica de los elementos que indican los compuestos cerámicos. Los compuestos cerámicos se forman por la combinación de uno o más elementos metálicos (sombreado claro) con uno o más elementos no metálicos (sombreado oscuro).

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1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

3B 4B 5B 6B 7B8B

1B 2B

1 H

3 Li

4 Be

11 Na

12 Mg

19 K

20 Ca

37 Rb

38 Sr

55 Cs

56 Ba

87 Fr

88 Ra

21 Sc

22 Ti

39 Y

40 Zr

Lanta-nidos

72 Hf

104 Rf

Actí -nidos

Actínidos

Lantánidos

23 V

24 Cr

41 Nb

42 Mo

73 Ta

74 W

105 Db

106 Sg

25 Mn

26 Fe

43 Tc

44 Ru

76 Os

108 Hs

75 Re

107 Bh

27 Co

28 Ni

45 Rh

46 Pd

77 Ir

78 Pt

29 Cu

30 Zn

47 Ag

48 Cd

80 Hg

31 Ga

32 Ge

49 In

50 Sn

81 Tl

82 Pb

33 As

34 Se

51 Sb

52 Te

84 Po

83 Bi

79 Au

35 Br

36 Kr

53 I

54 Xe

86 Rn

85 At

5 B

6 C

13 Al

14 Si

7 N

8 O

15 P

16 S

9 F

10 Ne

17Cl

18 Ar

109 Mt

110 Ds

111 Rg

57 La

89 Ac

58 Ce

59 Pr

90 Th

91 Pa

60 Nd

61 Pm

93 Np

92 U

62 Sm

63 Eu

94 Pu

95 Am

64 Gd

65 Tb

98 Cf

66 Dy

67 Ho

99 Es

100 Fm

68 Er

69 Tm

102 No

101 Md

96 Cm

70 Yb

71 Lu

103 No

97 Bk

2 He

1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

3B 4B 5B 6B 7B8B

1B 2B

1 H

3 Li

4 Be

11 Na

12 Mg

19 K

20 Ca

37 Rb

38 Sr

55 Cs

56 Ba

87 Fr

88 Ra

21 Sc

22 Ti

39 Y

40 Zr

Lanta-nidos

72 Hf

104 Rf

Actí -nidos

Actínidos

Lantánidos

23 V

24 Cr

41 Nb

42 Mo

73 Ta

74 W

105 Db

106 Sg

25 Mn

26 Fe

43 Tc

44 Ru

76 Os

108 Hs

75 Re

107 Bh

27 Co

28 Ni

45 Rh

46 Pd

77 Ir

78 Pt

29 Cu

30 Zn

47 Ag

48 Cd

80 Hg

31 Ga

32 Ge

49 In

50 Sn

81 Tl

82 Pb

33 As

34 Se

51 Sb

52 Te

84 Po

83 Bi

79 Au

35 Br

36 Kr

53 I

54 Xe

86 Rn

85 At

5 B

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13 Al

14 Si

7 N

8 O

15 P

16 S

9 F

10 Ne

17Cl

18 Ar

109 Mt

110 Ds

111 Rg

57 La

89 Ac

58 Ce

59 Pr

90 Th

91 Pa

60 Nd

61 Pm

93 Np

92 U

62 Sm

63 Eu

94 Pu

95 Am

64 Gd

65 Tb

98 Cf

66 Dy

67 Ho

99 Es

100 Fm

68 Er

69 Tm

102 No

101 Md

96 Cm

70 Yb

71 Lu

103 No

97 Bk

2 He

Tabla periódica con los elementos y compuestos semiconductores. Los elementos semiconductores están en un tono más oscuro y los que forman compuestos semiconductores están en un tono más claro . Los compuestos semiconductores están formados por pares de las columnas 3A y 5A (ej. GaAs) o de las columnas 2A y 6A (Ej. CdS).

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PROCESO DE FABRICACION DE LOS CERAMICOS

Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado, estirado, colado o flotado.

Los materiales ceramicos cristalinos pueden ser conformados por cualquiera de los siguientes metodos:

1. Manufactura in situ: El uso más común de este método es en la producción de cemento y concreto. Aquí, los abrasivos deshidratados son mezclados con agua.

2. Conformado de los polvos: El objetivo principal es dar forma y consistencia a la masa de polvos que dé lugar a un aumento de la densidad y, por lo tanto, a una mejora de las propiedades mecánicas. Esto se puede realizar de dos formas de realizar el conformado: mediante la aplicación presión o mediante la aplicación de presión y temperaturas elevadas.

Para obtener los metales cerámicos (cermet): mezcla de óxidos de aluminio, SiO2 y metales como Co, Cr y Fe se emplean el sintetizado y el fritado.

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3. Métodos basados en la sinterización: Compactación de los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El proceso consiste en: triturar y moler el material hasta convertirlo en polvo, someterlo a un proceso de recocido, prensarlo y someterlo a tostación en el horno a temperatura inferior a la de su punto de fusión, resultando un producto más denso y fuerte Los poros se achican, pero queda alguna porosidad.

4. Fritado: Sometimiento a una compresión del polvo metálico junto al material cerámico dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación. Primero se somete la mezcla a un caldeo dentro del molde y después se somete a presión, pero siempre a una temperatura inferior a la de los metales de la aleación. Se consigue una masa metálica, rígida y compacta que se emplea en la fabricación de piezas mecánicas.

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CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS

Según su microestructura, los cerámicos se dividen en: cristalinos, no cristalinos y vidrios.

Según su permeabilidad: compactos y porosos

según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos, que se definen a continuación:

• GRUPO I. Materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.

• GRUPO II. Materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.

• GRUPO III. Materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.

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•GRUPO IV. Materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc. • GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita, etc.

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Según su microestructura, los cerámicos se dividen en : cristalinos, no cristalinos y vidrios. Cristalinos: Obtenidos a partir de sílice fundida. Los proceso de fusión y el de solidificación posterior son lentos, permitiendo a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios. No cristalinos: Obtenidos a partir de sílice pero el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecido. Vitrocerámicos: Se fabrican a partir de silicatos de Al, Li y Mg con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.

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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Según la forma como se presentan en nuestro medio se pueden clasificar de la siguiente manera: vidrios, productos a base de arcilla y refractarios. Otra forma de clasificación es en cerámicas tradicionales y nuevas cerámicas

VIDRIO Es duro, frágil y transparente. Se obtiene por la fusión a unos 1.500 ºC de SiO2, Na2CO3 y CaCO3. Su manipulación sólo es posible mientras se encuentra fundido, caliente y maleable. Por sus características inertes y cristalinas es muy utilizado para almacenar alimentos y productos químicos. También se usa en la fabricación de ventanas y elementos arquitectónicos y ornamentales. La degradación química y física del vidrio exige periodos grandes de tiempo, pero es un material reciclable.

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ARCILLA

Es un mineral procedente de la descomposición de rocas que contienen feldespato, por ejemplo granito, originada en un proceso natural que demora decenas de miles de años. Una vez generada la arcilla se produce su lixiviación a horizontes de acumulación.

Físicamente se considera un coloide, de partículas muy pequeñas (0.002 nm) y superficie lisa.

Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es Al2O3.2SO2.2H2O.

Adquiere su plasticidad al mezclarla con agua y su dureza al calentarla por encima de 800º C. Es un material barato y de uso más amplio: Ladrillos, utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la ocarina. También se utiliza en la elaboración de papel, producción de cemento y procesos químicos.

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PROPIEDADES DE LA ARCILLA

Mediante la adición de agua, puede adquirir la forma que se desee. Pueden encogerse debido a la evaporación del agua contenida en

la pasta durante el secado. Resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones. Son porosas, variando según el tipo de arcilla. Las arcillas que

cuecen a baja temperatura son más porosas. Las arcillas presentan coloraciones diversas después de la cocción

debido a la presencia de óxidos de hierro y carbonato cálcico.

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Los refractarios soportan elevadas temperaturas. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos para proteger la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmósfera. La porosidad reduce la resistencia y la capacidad de carga, sin embargo la resistencia ambiental y el choque térmico (fracturas provocadas por el rápido cambio de temperatura) se incrementa. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de dióxido de silicio (SiO2), usados para recubrir hornos de fundición de acero, trabajan a temperaturas superiores a 1650 °C (3000 °F), cuando algunos de los ladrillos comienzan a licuarse. Diseñados para esa función, una situación sin sobresaltos requiere un control responsable sobre todos los aspectos de la construcción y uso.

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CERÁMICAS TRADICIONALES

Una cerámica tradicional es una mezcla de óxidos y arcillas cuyo proceso de aglutinamiento se realiza a altas temperaturas. Arcillas: (alúmino-silicatos), feldespato, sílice. APLICACIONES Recipientes y productos de barro Lozas, vajillas, porcelanas, Tejas, ladrillos Aislantes eléctricos.

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NUEVAS CERÁMICAS

Superconductores Materiales resistentes al calor (refractarios, aislantes térmicos) Carburos, nitruros Grafito Componentes de motores Cementos Cermets (cerámicos en una matriz metálica) Vidrio y cerámica vítrea.

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Métodos de conformación de los Materiales Cerámicos

Moldeo por Soplado

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Métodos de conformación de los Materiales Cerámicos

Colado en Barbotina

Bajo consumo de energía Propiedades mecánicas pobres Procesos lentos

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PROPIEDADES DE UN REFRACTARIO IDEAL • Alta refractariedad. • Estabilidad volumétrica a las temperaturas de operación. • Estabilidad química. Buena resistencia al ataque químico de gases y

escorias. • Resistencia al choque térmico. • Alta resistencia mecánica en caliente y a laflexión • Alta densidad: Baja porosidad. • Baja conductividad térmica • Alta resistencia a la abrasión. • Baja conductividad eléctrica a altas temperaturas. • Buenas propiedades mecánicas en caliente

Las normas definen a un REFRACTARIO “a todo material, natural o artificial, que posee la propiedad de no deformarse o fundirse cuando se somete a la acción de temperatura elevadas en condiciones específicadas de empleo”.

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CONDICIONES QUE DEBEN SOPORTAR LOS MATERIALES REFRACTARIOS

TÉRMICAS: Elevadas temperaturas Cambios bruscos de temperaturas MECÁNICAS: Compresión y tracción Choque Flexión Vibración Abrasión y erosión QUÍMICAS: Escorias Productos fundidos Gases y vapores

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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS SEGÚN SU

COMPOSICIÓN QUÍMICA

A1: Refractarios de sílice: % SiO2: 94-97% (CaO < 2%)

A2: Refractarios de semisílice: % Al2O3 < 10%, el resto es SiO2

A3: Refractarios silicoaluminosos: % Al2O3: 10-30%, el resto es SiO2

A4: Refractarios aluminosos:

30-35 % Al2O3

35-39 % Al2O3

39-41 % Al2O3

41-43 % Al2O3

43-45 % Al2O3

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A5: Refractarios con alto contenido de alúmina: 45-56 % Al2O3

A6: Refractarios de muy alto contenido de alúmina

Productos de alúmina pura (> 56% Al2O3)

Productos de mullita sintética

Productos grupo Sillamanita

Productos en base a Al(OH)3 y bauxita

Productos a base de corindón A7: Refractarios básicos y neutros

Magnesita: 90-97% de MgO

Cromita: % Cr2O3 > 32%

Magnesita – Cromo: 5-18% Cr2O3

Cromo – Magnesita: 18-32% Cr2O3

Forsterita: % MgO ~ 40%, el resto SiO2

Espinela: Al2O3. MgO, constituyente principal

Dolomia: % CaO + % MgO > 80%

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A8: Refractarios de carbono: Coque o antracita, grafito A9: Refractarios de carburo de silicio: SiC > 50% A10: Refractarios de circonio: ZrO2 y ZrO2.SiO2 A11: Refractarios especiales

Carburos (BC, TiC, etc)

Nitruros (AlN, BN, ZrN, etc)

Boruros ( CrB, TiB2, etc)

Siliciuros (MoSiO2, WSi)

Oxidos altamente refractarios (BeO, ThO, etc)

Cermets

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CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS DE ACUERDO A

SUS PROPIEDADES ÁCIDO-BASE

B1: Refractarios ácidos (Refractarios de sílice, semisílice y sílico- aluminosos)

B2: Refractarios básicos (Refractarios de magnesita, dolomia, fosterita)

B3: Refractarios anfóteros (Refractarios de alta alúmina)

B4: Refractarios inertes (Refractarios de magnesita-cromo y de cromo-magnesita)

B5: Refractarios especiales

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REFRACTARIOS ACIDOS: Se emplean para fundir metales. Los refractarios de sílice, tienen capacidad estructural a temperaturas elevadas, se utilizan en los techos arqueados de los hornos de la producción de acero y vidrio. Generalmente son utilizados en hornos Siemens – Martin, hornos eléctricos, hornos de cúpula, hornos de coke y bóveda. Estos materiales refractarios son también resistentes a las escorias ricas en sílice (denominadas escorias ácidas). Por otro lado son atacables por escorias que tienen una alta proporción de CaO y/o MgO (escorias básicas). Los ladrillos refractarios de SiO2 se fabrican por prensado de la pasta de sílice (que debe contener máximo el 6% de humedad) y quemado a temperatura entre 1200 – 1430ºC.

Los refractarios de sílice son muy resistentes químicamente al ataque de Zn, Sn, Cd o Cu, bien sea en estado fundido o en vapor así como a cenizas de carbón y cenizas ácidas ya que la sílice contenida en estas cenizas se funde y recubre el refractario haciendo la función de capa protectora. Esta es una de las principales razónes por las que este tipo de refractarios son utilizados en hornos que utilizan carbón como combustible.

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EMPRESA

ACERALIA - ESPAÑA

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REFRACTARIOS BÁSICOS: Estos refractarios son resistentes a escorias que contienen altas concentraciones de MgO y CaO. Son más costosos que los refractarios ácidos. REFRACTARIOS DE MAGNESITA:Son producidos a partir de la descomposición de la dolomita Mg,Ca(CO3) a temperatura de 1600ºC para producir el MgO, cuya resistencia a la temperatura es de 2000ºC. El óxido de magnesio por su alto punto de fusión tiene su mayor aplicación como material refractario.

REFRACTARIOS DE ALTA ALÚMINA: La estructura de estos refractarios está constituida principalmente por Mullita -Alúmina α y/o corindón. Los ladrillos refractarios de alta alúmina se fabrican por prensado y posterior quemado a temperatura entre 1500 y 1600ºC.

REFRACTARIOS NEUTROS: Se pueden emplear para dividir zonas de refractarios ácidos de los básicos y así evitar el ataque.

Los conos pirométricos sirven para determinar la refractariedad del material. Se hace un cono con el material a ser usado como refractario, que se coloca en una base y se introduce en el horno. Se coloca también otro cono comercial estandarizado, se lleva a cocción. Luego se compara, se determina la temperatura a la cual el cono empieza a ablandarse, luego se inclina, toca la base y finalmente se funde.

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REFRACTARIOS ESPECIALES

Son refractarios que se utilizan en aplicaciones refractarias especiales. Muchos de ellos son de alta pureza y poca porosidad. El carbono o el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente en procesos donde no hay oxígeno. Dentro de este grupo también se encuentran los refractarios de alúmina, circona, circón y diversos nitruros, carburos y boruros. Los de carburo, como el TiC y ZrC, no resisten bien la oxidación y sus aplicaciones a alta temperatura son más adecuadas para situaciones de reducción. La excepción es el SiC, que forma una capa protectora de SiO2 que actúa hasta 1500ºC. El SiC ha sido empleado en resistencias eléctricas, como material de crisoles y en componentes internos de hornos. Los nitruros y los boruros tienen temperaturas de fusión altas y son menos susceptibles al deterioro, son refractarios empleados en turborreactores.

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MATERIAS PRIMAS

Cuarcitas

Arcillas refractarias Sillimanita, Andalucita, Cianita Bauxitas, Diásporos, Mullita Corindón, Bauxitas

TIPO DE REFRACTARIO

Sílice Semisilice Sílico-aluminosos

Aluminosos Alto contenido de Al2O3

Grupo I Grupo II

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El grado de acidez del refractario puede ser determinado mediante la relación “V” modificada.

∑∑=

ácidosstospesocompue

pesoV

básicompuestos

%

% cos

Cuando la relación “V” modificada es mayor a 1 el refractario es básico y si es menor a 1 es ácido.

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Sistema MgO – Al2O3 – SiO2

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EMPRESA DE REFRACTARIOS: RHI

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La forma más común de comercializarse los refractarios es en forma de ladrillos, aunque también pueden estar en forma particulada.

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FABRICACIÓN DE MATERIALES REFRACTARIOS

El proceso de fabricación puede ser por vía seca o por vía húmeda (15- 18%). Otros ladrillos se elaboran primero el cilindro y luego se hace la pieza requerida. 1. MATERIAS PRIMAS: Naturales y algunas sintéticas.

2. PREPARACIÓN DEL MATERIAL EN VERDE: Operaciones de mineralurgia El material se tritura obteniéndose varias fracciones granulométricas:

Gruesos (30%): 2-3, 0,5 mm Menudos (30%): 0,5, 0,1 mm Finos (40%): < 0.1 mm Impalpables (10%): < 45 µm

3. MEZCLA, AMASADO, MOLDEO Y PRENSADO Se realiza en un mezclador, se adiciona a la pasta aglomerantes y agua, en un porcentaje inferior al 10%. La pasta se conforma mediante el prensado. 4. SECADO: A 100ºC 5. COCCIÓN: Es la etapa más delicada del proceso. Los parámetros básicos son: temperatura, tiempo de permanencia en el horno y la velocidad de calentamiento y de enfriamiento.

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DEFORMACION DE LOS CERAMICOS A ALTAS TEMPERATURAS En los materiales cerámicos, las dislocaciones no presentan movimiento a baja temperatura y no se observa deformación plástica significativa. En cambio a altas temperaturas, el mecanismo de deformación es de flujo viscoso y el deslizamiento de los bordes de grano. El flujo viscoso se presenta en los materiales cerámicos no cristalinos y en los cristalinos que presentan fases no cristalinas, el deslizamiento en los bordes de grano se presenta en los cristalinos. Un vidrio se deforma por flujo viscoso si la temperatura es suficientemente alta, ya que la resistencia al esfuerzo cortante aplicado es muy baja y el vidrio líquido se puede vaciar, es decir se deforma y fluye bajo su propio peso. Qn: está relacionada con la facilidad con la cual los grupos de átomos se mueven unos al lado de los otros. La adición de modificadores como el Na2O rompe la estructura de la red, permitiendo que los átomos se muevan con mayor facilidad

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Efecto de la temperatura y de la composición en la viscosidad del vidrio

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(a) Rapidez de la termofluencia en el MgO se reduce conforme incrementa el tamaño del grano

(b) Rapidez de la termofluencia en el Al2O3 se incrementa cuando el cerámico contiene una mayor cantidad de porosidad

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TERMOFLUENCIA EN LOS MATERIALES CERÁMICOS Hay que tenerlo en cuenta para los cerámicos que tienen aplicaciones a alta temperatura. Los cerámicos cristalinos poseen alta resistencia a la termofluencia, por sus altos puntos de fusión y su elevada energía de activación para la difusión.

Efecto de la temperatura sobre la resistencia a la flexión de varios materiales cerámicos en comparación con una superaleación de níquel-cromo

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La termofluencia en los materiales cerámicos cristalinos ocurre como resultado del deslizamiento de los bordes de grano. 1.Tamaña de grano. Los granos más pequeños incrementan la tasa de termofluencia. 2. Porosidad. Los poros también facilitan el deslizamiento de los bordes de grano, incrementando la termofluencia. 3. Impurezas. Muchas de ellas dan lugar a la formación de fases vítreas en los bordes de grano, permitiendo la termofluencia por flujo viscoso. 4. Temperatura. Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes de grano, al aumentar la difusión y promueven la formación de fases vítreas. La velocidad de termofluencia de los vidrios está relacionada con la viscosidad:

σ: es el esfuerzo aplicado. En los vidrios de silicatos, la mejor resistencia a la termofluencia se tiene para la SiO2 puro, los otros modificadores como el MgO, SrO y el PbO, reducen la viscosidad y por lo tanto la termofluencia.

TERMOFLUENCIA EN LOS MATERIALES CERÁMICOS

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APLICACIONES

Ya se ha visto la gran versatilidad de los materiales ceramicos, los cuales tienen una amplia gama de propiedades que depende del método por el cual se conformaron y sus diferentes composiciones, a continuación se expondrán algunas aplicaciones para las cuales los materiales ceramicos han sido elegidos como el tipo de material mas optimo para cada aplicación.

La compañía japonesa Toyota hace varios años consiguió

diseñar el primer motor cerámico a combustión interna, lo que significaba mayores ventajas y mayor ahorro, pues siendo el motor compuesto por materiales ceramicos se disminuye el peso, no se hace necesario tener un sistema de enfriamiento pues el cerámico dispersa muy bien el calor y se aprovecha mas la potencia que puede generar el motor, a pesar de la gran cantidad de ventajas, este tipo de motores no puede ser producido en masa, pues sus componentes son difíciles de lograr por la misma naturaleza de los materiales ceramicos.

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La fabrica de automóviles de alto rendimiento Porche, lanzo hace poco una gama de frenos de disco para sus vehículos, dichos frenos están hechos de material cerámico y por esto tienen una gran resistencia, pues asegura el fabricante que su vida útil es de 300 mil kilómetros en condiciones extremas de frenado, estos frenos por ser de cerámica disipan rápidamente el calor generado.

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PRUEBA DE FRENOS DE DISCO CERAMICO “COMPAÑÍA PORSCHE”

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FRENOS DE DISCO CERÁMICO PORSCHE

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TURBINA A GAS COMPAÑÍA NISSAN EN EL CUADRO ROJO SE RESALTA LOS COMPONENTES CERAMICOS

Componentes de una turbina de gas: los investigadores han hecho bastante camino en el desarrollo de los componentes cerámicos para turbinas de gas utilizadas en la generación de electricidad, o al menos en cuanto a los componentes expuestos a la combustión de gases a altas temperaturas. Si estos componentes aguantan tan altas temperaturas será ventajoso usarlos — las turbinas de gas normales son sometidas a temperaturas de unos 900 °C.

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Filtros cerámicos nanoporosos: una de las desventajas de utilizar materiales adsorbentes en forma de polvos es la dificultad de su posterior separación de la muestra tratada. El uso de filtros cerámicos preparados a partir de arcillas naturales ofrece una alternativa a este problema.

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RODAMIENTOS CERAMICOS

Rodamientos cerámicos: los rodamientos son tal vez una de las piezas mas sometidas al desgaste en maquinarias que funcionan a altas revoluciones, además del desgaste, el rozamiento crea altas temperaturas, con el desarrollo de rodamientos cerámicos se solventan parcialmente ambos problemas, pues disipan calor fácilmente, y por ser hechos de materiales cerámicos se minimiza el desgaste.

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Los materiales cerámicos son usados también como recubrimiento para transbordadores espaciales pues ya se sabe que este material tiene una gran refractariedad que es muy necesaria en estos tipos de naves debido a las altas temperaturas a las que se someten al entrar y salir de la atmósfera terrestre.

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Las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.

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• En el proceso de conformación de piezas por fundición se deben alcanzar temperaturas demasiado elevada para lograr el punto de fusión del material a fundir, por este motivo la mayoría de los crisoles usados en fundición son hechos de materiales ceramicos, en su defecto tienen una capa recubridora interna, hecha de material cerámico, debido a que este soporta altas temperaturas, aun mas elevadas que la mayoría de materiales conocidos.

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El corindón es una de las cerámicas con un uso amplio como en recubrimientos de bujías, buriles y cabezas de esmeril, hasta bombas y válvulas para ácidos.

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BROCAS DE PERFORACION

DIAMANTE

Industrialmente los diamantes son utilizados para corte y desbaste de otros materiales, desde mediados de los años 50 se han producido sintéticamente a tal punto de que la mayoría de los utilizados industrialmente son sintéticos, por ejemplo, algunas brocas, troqueles, cuchillos y superficies de cojinetes son recubiertas de diamante para hacerlas mas duras.

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BALA (PROYECTIL) LOGRADO EN MATERIAL CERAMICO

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VIDRIO: sus aplicaciones típicas son recipientes, ventanas, lentes y fibra de vidrio, son silicatos no cristalinos que contiene otros óxidos, un 70% de silicato y lo faltante en cal y sosa sus principales propiedades son su transparencia óptica y su fácil fabricación.

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CERAMICAS ABRASIVAS: Son utilizadas para desgastar, desbastar o cortar otros materiales, los cuales son necesariamente mas blandos, su principal propiedad es su dureza y su resistencia al desgaste, además es necesario un alto grado de tenacidad, también las de desgaste por lo general producen altas temperaturas lo que hace necesario que sean refractarias. Las cerámicas mas comunes son, el carburo de silicio, el carburo de tungsteno, el oxido de aluminio y la arena de sílice.

PIEDRA DE ESMERIL

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HERRAMIENTAS DE CORTE Y PULIDO FABRICADAS O RECUBIERTAS EN CARBURO DE TUNGSTENO.

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BLINDAJES CERÁMICOS: Las nuevas cerámicas avanzadas son utilizadas en el blindaje por su efectividad y su poco peso. La mayoría de los blindajes cerámicos están constituidos de varias placas unidas, que se combinan, placas dúctiles de soporte con placas duras, la cual debe ser suficientemente dura para fracturar el proyectil a alta velocidad y dúctil para absorber su energía cinética. Algunos ejemplos son, aúmina, carburo de boro, carburo de silicio y diboruro de titanio.

BLINDAJE CERAMICO EN RUEDASDE AUTOMOVILES BLINDADOS