informe monografico

8/3/2019 INFORME MONOGRAFICO

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UNIVERSIDAD ANDINA

NSTOR CCERES VELSQUEZ

FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS

ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

MATERIALES CERAMICOS

DOCENTE : Ing. GERARDO W PARI QUISPE

SEMESTRE : Segundo C

PRESENTADO POR:

TURPO MAYTA, Alberto LERMA CATACORA, Edwin Junior Quispe mamani Alberto Clinton Cahuana mamani Elizabeth Cahuapaza condori Cliritza magna Luque mamani Abel Chai condori christian Gonza huanca deyvi german Sucasaca pilco miguel angel

JULIACA- PUNO - PER


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2011

AO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO

INFORME N 001/CAP-CIVIL/UANCV

DE: ALUMNOS DE INGENIERIA CIVIL- II SEMESTRE

PARA: Ing. GERARDO W PARI QUISPE

ASUNTO: Informe DE LOS MATERIALES CERAMICOS

FECHA: Setiembre 2011

=====================================================

Me es grato dirigirme a Ud. Con la finalidad de

informarle sobre la investigacin realizada con referente al

tema de losmateriales cermicos, dentro de ello:

El mercado de las cermicas

La estructura de las cermicas

Las propiedades mecnicas y trmicas de las cermicas

El procesos de fabricacin de las cermicas

La sntesis de los polvos cermicosLa caracterizacin de los materiales cermicos

El procesamiento de los materiales cermicos

Las caractersticas de los materiales cermicos

sinterizados.

Los mencionados temas son detallados a continuacin de manera

descriptiva y expositiva para un mejor entendimiento a cerca de

su elaboracin y forma de uso.

Es todo cuanto informamos en honor a la verdad para

los fines que Vieren por conveniente. Sin otro particular me

suscribo.

Atentamente,


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ESTUDIANTES DE ING.CIVL II SEMESTRE

INDICE

INTRODUCCION A LOS MATERIALES CERAMICOS

EL MERCADO DE LAS CERMICAS

FUTUROS TEMAS DE DESARROLLO DE LAS CERMICAS

ESTRUCTURA DE LAS CERMICAS

PROPIEDADES MECNICAS Y TRMICAS DE LAS CERMICAS

PROCESOS DE FABRICACIN DE LAS CERMICAS

SNTESIS DE LOS POLVOS CERMICOS

CARACTERIZACIN DE LOS MATERIALES CERMICOS

PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES CERMICOS

CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES CERMICOS SINTERIZADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFA


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INTRODUCCIN

El presente escrito ayudara a estudiantes que se forman en la especialidad de

ingeniera civil, arquitecturas o carreras afines a entender mejor a cerca de los

materiales cermicos.

En primera aproximacin puede decirse que los materiales cermicos sonaquellos materiales qumicamente definidos como inorgnicos y no metlicos,

sin embargo, esta definicin engloba a las rocas y a muchos minerales que se

encuentran en la naturaleza que no son considerados como cermicos.

Pueden ser definidas tambin, como un compuesto slido que se obtiene por la

aplicacin de calor y en ocasiones con la combinacin de calor y presin,

comprimiendo por lo menos dos elementos con la condicin que uno de elloses un no-metal o un elemento slido nometlico. El otro elemento(s) puede

ser un metal(s) u otro elemento slido no-metlico.

En general, se consideran nicamente como materiales cermicos aquellos

que han sido producidos por el hombre de forma artificial.


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LOS MATERIALES CERAMICOS

Etimolgicamente, cermica es un trmino que viene del griego keramos, cuyo

significado puede traducirse como hacer alfarera.

El trmino cermica se utilizaba en el pasado para referirse al arte de producir

artculos mediante la tcnica de la alfarera. Las cermicas tradicionales son

materiales dedicados en general a la construccin (arcillas, cemento, gres...) y

a usos aplicados en el hogar y la industria (loza, porcelana...). En la actualidadse incluye dentro de los materiales cermicos a los xidos, carburos, nitruros,

boruros, y compuestos de ellos. Mientras que las cermicas tradicionales

tienen ms de 3 000 aos de antigedad, la existencia de los compuestos

cermicos es mucho ms reciente, sin que en muchos casos supere los 30

aos. Las compuestos cermicos se han desarrollado, modificando mediante

nuevas tcnicas de produccin, alguno de los diferentes niveles de la

estructura del material, desde el nivel atmico y la microestructura hasta laforma definitiva del componente.

Uno de los usos que ms auge est experimentando actualmente es el empleo

de materiales cermicos como componentes estructurales. Las cermicas

estructurales son aquellas en las que la mejora de las propiedades se ha

centrado en los aspectos mecnicos. Estos usos requieren materiales con alta

resistencia en diversas condiciones ambientales, capaces de soportar elevadastemperaturas y resistentes a la corrosin y oxidacin.

Los materiales cermicos ofrecen una sustancial rebaja en el peso frente a

otros materiales como los metales y cubren un amplio espectro de usos tan

dispares como componentes de vehculos espaciales o implantes dentales.


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En 1822 por primera vez se hicieron refractarios de slice. Aunque ellos

contenan arcilla, el proceso cermico tradicional de modelado, secado, y

horneado fue usado para hacerlos. As el trmino "cermica", mientras

mantena su sentido original de un producto hecho de la arcilla, empez a

incluir otros productos hechos por el mismo proceso industrial. El campo de los

cermicas puede ser definido como el arte y ciencia de hacer y usar el

artculos slido que contienen como su componente esencial un cermica.

Esta definicin abarca la purificacin de las materias primas, el estudio y

produccin de los compuestos qumicos involucrados en su composicin y el

estudio de la estructura, composicin y propiedades

Tipos de cermicas y sus aplicaciones.

Usando la definicin dada en el epgrafe anterior se puede observar la largalista de materiales cermicos. Las aplicaciones para estos materiales es muy

diversa, desde los ladrillos y azulejos a los componentes electrnicos y

magnticos. Estas aplicaciones usa la amplia gama de propiedades exhibida

por las cermicas. Algunas de estas propiedades se pueden observar en la

Tabla 1.1 con ejemplos de cermicas especficas y aplicaciones. Las funciones

de los productos cermicos van a depender de su la composicin qumica y la

microstructura que a van determinar sus propiedades. El elemento principaldel diseo en la ciencia e ingeniera de materiales es la relacin mutua entre la

estructura y las propiedades.


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Adicionalmente se puede encontrar que se pueden dividir las cermicas de

acuerdo con sus propiedades y aplicaciones y que es comn la clasificacin de

ellas en tradicionales o avanzadas. Las cermicas tradicionales incluyen losartculos del gran volumen como son los ladrillos, azulejos, la taza de bao y

alfarera. Las cermicas avanzadas incluyen los materiales ms nuevos como

el receptor lser, las cermicas piezoelctricas, las cermicas para las

memorias de acceso aleatorio (DRAMs), etc. frecuentemente producidas en

pequeas cantidades con los precios ms altos.

Otras caractersticas que separan estas categoras. Las cermicastradicionales son normalmente basadas en la arcilla y slice.


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Existe la tendencia a vincular las cermicas tradicionales con la baja

tecnologa, sin embargo a menudo se usan tcnicas avanzadas de fabricacin.

La competicin entre productores ha causado que el procesamiento sea ms

eficaz y que disminuyan los costos. Complejas herramientas y maquinarias se

usan a menudo y se acoplan con mando asistido por computadora. Los

cermicos avanzados tambin son llamados "especiales", "tcnicos" o

"ingenieros" las cermicas. Ellos exhiben propiedades mecnicas superiores,

alta resistencia a la corrosin y propiedades elctricas, pticas, y/o

magnticas. Mientras las cermicas tradicionales basadas en arcilla se han

usado hace mas de 25 000 aos, las cermicas avanzadas han sido

desarrolladas generalmente dentro de los ltimos 100 aos. La figura 1.1

muestra una comparacin entre las cermicas tradicionales y avanzadas

referidas a las materias primas usadas, el proceso de obtencin y moldeo y los

mtodos usaron para la caracterizacin.


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1. EL MERCADO DE LAS CERMICAS.

Las cermicas constituyen una industria multimillonaria. Las ventas a nivel

mundial superan los 1x1012 dlares por ao; solamente los Estados Unidos

comercializan por encima de los 3,5x109 anualmente. Estos datos econmicos

varan de ao en ao que son actualizados regularmente por la organizacin

Ceramic Industry mediante una publicacin anual titulada Giants in Ceramics.

La distribucin de ventas de la industria se muestra a continuacin:

55% Vidrios

Figura 1.1 Diferentes aspectos comparativos entre las cermicas avanzadas y las tradicionales


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17% Cermicas avanzadas

10% Cermica blanca

9% Esmalte de porcelana

7% Refractarios

2% Arcilla estructuralEn los Estados Unidos las ventas de arcilla estructural en forma de ladrillos es

alrededor de 1,6x108 por mes, sin embargo financieramente el mercado de las

cermicas est dominado por los vidrios. La aplicacin principal de los vidrios

es en ventanas, la demanda mundial de vidrio plano es alrededor de 4x109 m2

con un valor por encima de los 4x1010 dlares.

Las cermicas avanzadas forman el segundo sector ms grande de la

industria. Ms de la mitad de este sector es en cermicas para usos elctricos-

electrnicos y embalajes cermicos:

36% Capacitores/substratos/embalajes

23% Otras elctrica/electrnicas cermicas

13% Otros

12% Porcelana elctrica

8% Cermica de ingeniera 8% Fibra ptica

Los superconductores cermicos de alta-temperatura entran en la categora de

cermicas avanzados y no representan un rea mayor del mercado. Ellos

constituyen menos de 1% del mercado de las cermicas avanzadas. Se ha

predicho el crecimiento significante debido al incremento de su uso en los filtros

de microonda y resonadores, con la aplicacin particular en el rea detelfonos celulares,

Las cermicas de ingeniera, tambin llamados cermicas estructurales,

incluyen los componentes resistentes al desgaste como los troqueles,

boquillas, y rodamientos. Las biocermicas como son implantes de cermica,

vitro-cermicas y coronas dentales abarcan aproximadamente el 20% de este

mercado. Las coronas dentales son hechas de porcelana y solamente en los

Estados Unidos cada ao se hacen por encima de 3x107.


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Las ventas de cermicas blancas que incluyen artculos sanitarios (taza de

bao, urinarios, lavamanos, etc.) y artculos de cocina (los platos, tazas, etc.),

responden aproximadamente al 10% del mercado total para las cermicas.

El segmento mayor del mercado de cermicas blancas responde

aproximadamente al 40%, principalmente piso y azulejos.

El esmalte de porcelana es la capa cermica aplicada a muchos artculos de

acero como las estufas de la cocina, lavadoras y las secadoras. Los esmaltes

de porcelana tienen las aplicaciones muy amplias como en el interior y el

entrepao exterior en los edificios, por ejemplo, en las estaciones del metro.

Ms de 50% de las cermicas refractarias se consume en la industria

siderurgia. Los mayores productores de acero son: China, Japn, y los EstadosUnidos. Los productos de arcillas estructurales incluyen los ladrillos, tuberas,

alcantarillas, y recubrimiento de azulejos. stos son los artculos de mayor

produccin y de bajo costo por unidad. Cada ao aproximadamente 8 mil

millones de ladrillos se producen en los Estados Unidos con un valor en el

mercado por encima de 1,5x109 dlares.

La tabla 1.2 muestra un resumen de la capacidad mundial de produccin de

cermicas abrasivas donde se destaca la enorme produccin de China y sepuede observar la concentracin de la produccin en los pases desarrollados


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2. FUTUROS TEMAS DE DESARROLLO DE LAS CERMICAS

Aunque el vidrio domina el mercado de las cermicas a nivel mundial, el

crecimiento ms significante est en las cermicas avanzadas. En este campo

existen muchos problemas que necesitan ser estudiados para mantener estecrecimiento y extender las aplicaciones y usos de las cermicas avanzadas en

los diferentes campos de la ingeniera y la ciencia.

Las cermicas estructurales, dentro de las cuales se encuentra el nitruro de

silicio (Si3N4), el carburo de silicio (SiC), zirconia (ZrO2), carburo del boro (B4C),

y almina (Al2O3); sus aplicaciones son en las herramientas de corte,

componentes de uso, los intercambiadores de calor, y partes del artefacto. Susprincipales propiedades son la alta dureza, la baja densidad, resistencia

mecnica a altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia de

corrosin e inerte qumicamente.

Los principales problemas a resolver para diversificar su aplicacin son:

Reducir el costo del producto final. Mejorar la fiabilidad.


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Mejorar la reproducibilidad.

Estos problemas constituyen un reto cientfico tcnico de la ciencia e ingeniara

de los materiales de la ltima dcada en los cuales prestigiosas instituciones a

nivel mundial trabajan arduamente con vistas a solucionarlos.

3. ESTRUCTURA DE LAS CERMICAS

Los materiales cermicos suelen estar compuestos por al menos dos

elementos unidos formando xidos, carburos, nitruros o boruros, mediante

enlaces inicos o covalentes, dependiendo del tipo de cermico. Por otra parte,

suelen formar microestructuras cristalinas en los que cada grano es un cristal

aproximadamente perfecto, pero con una estructura mucho ms complicada

que en los metales. La estructura cristalina de cada grano, orientado de forma

diferente, puede producir un incremento de resistencia a la propagacin de

defectos a travs del material.

La forma ms usual en la que se fabrican estos materiales es en forma

monoltica, aunque tambin se encuentran en forma de compuestos de dos oms componentes. El procesado de estos cermicos se puede hacer de

mltiples formas. partiendo de polvos, a veces aadiendo alguna pequea

cantidad de un aglutinante, y finalmente comprimindolos casi siempre a altas

temperaturas. Con un buen procesado se llega a obtener una porosidad

prcticamente nula. La pureza de los materiales puede llegar a ser muy

elevada, encontrndose por ejemplo, alminas desde el 85% al 99.9%.

Los materiales cermicos tienen usualmente tras el proceso de fabricacin una

microestructura fina consistente en pequeos granos cristalinos de unas pocas

micras de tamao. En la Tabla 1.3 se muestra el tamao de grano tpico de

algunos materiales cermicos.


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Durante el proceso, los pequeos granos no se orientan en ninguna direccin

predeterminada, sino de una forma aleatoria. Esta distribucin al azar hace que

a escala macroscpica, las propiedades mecnicas que presentan sean

isotrpicas. El proceso de compactacin y prensado de polvos puede dar lugar

a cierta porosidad en el producto final. Maximizar las propiedades mecnicas

implica reducir la porosidad al mnimo, pues los poros son pequeos defectosque pueden actuar como concentradores de tensin e iniciadores del fallo

prematuro del material No obstante, la porosidad global de estos materiales

suele ser casi nula y en consecuencia la densidad aparente es prcticamente

igual a su densidad terica. Sin embargo, no debe olvidarse que la existencia

de un pequeo defecto aislado puede resultar fundamental en el

comportamiento final.

4. PROPIEDADES MECNICAS Y TRMICAS DE LAS CERMICAS

El comportamiento de estos materiales a temperatura ambiente es

prcticamente elstico y lineal hasta su rotura, presentando una gran rigidez

con un mdulo de elasticidad alto , que llega a duplicar en algunos casos al del

acero. Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta pueden aparecerdeformaciones plsticas considerables, y el mdulo de elasticidad presenta una

cierta dependencia con la temperatura. En los materiales cermicos el mdulo

de elasticidad no depende significativamente de la velocidad de deformacin.

La relacin entre la deformacin transversal y longitudinal, dada por el

coeficiente de Poisson es baja, sobre todo en los carburos y menor an en los

boruros. En la Figura 1.2 se muestran los valores del coeficiente de Poisson y

el mdulo de elasticidad para algunas cermicas.


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Las resistencias a compresin y traccin uniaxiales son las propiedades que

normalmente se utilizan para caracterizar la resistencia mecnica del material.

Los materiales cermicos tienen, en general, una elevada resistencia a

compresin uniaxial por lo que se utilizan principalmente bajo cargas de

compresin.

Este comportamiento es consecuencia de la dificultad de movimiento de las

dislocaciones por las estructuras cermicas, incluso a elevadas temperaturas.

La Tabla 1.4 recoge el valor de la resistencia a compresin de algunos de los

materiales cermicos ms conocidos.

Acero

Al2O3 94% Al2O3 99,5%

SiC

B4C

TiB2

ZrO2

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 100 200 300 400 500 600

Modulo de Elasticidad (GPa)

CoeficientedeP

oisson

Figura 1.2 Mdulo de elasticidad y coeficiente de Poisson para algunas cermicas.


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La determinacin de la resistencia a compresin de un material cermico es

una tarea complicada al ser necesarios elementos que transmitan la carga de

mayor resistencia que las probetas a ensayar y un sistema experimental que

asegure que el estado tensional sea de compresin simple (Adams 1976, Tracy

1987). La limitacin principal de los materiales cermicos en aplicaciones

estructurales es su fragilidad, consecuencia de la escasa capacidad de los

materiales cermicos para deformarse plsticamente y para soportar cargas

cuando existen defectos en el interior del material (Quinn 1991). Esta

caracterstica se refleja en una baja tenacidad de fractura y en una marcada

diferencia entre la resistencia a traccin y la resistencia a compresin. Como

puede apreciarse en la Tabla 1.4 esta ltima es casi un orden de magnitud

superior a la resistencia a traccin.

La tabla 1.5 muestra alguna de las propiedades de materiales cermicos de

uso comn donde se puede apreciar el alto punto de fusin caracterstica que

le permite aplicaciones en lugares sometidos a altas temperaturas donde

materiales tradicionales no resistiran.

Por ejemplo el carburo de silicio (SiC) tiene una extraordinaria resistencia a la

oxidacin a temperaturas incluso por arriba del punto de fusin del acero. Se

utiliza con frecuencia como recubrimiento para los metales, como abrasivos en

las muelas rectificadoras y como un particulado y refuerzo fibroso tanto en

matrices metlicas como en matrices de compuestos cermicos, se utiliza


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tambin para elemento calefactor para horno. Es semiconductor y muy buen

candidato para dispositivos electrnicos a altas temperaturas.

5. PROCESOS DE FABRICACIN DE LAS CERMICAS

Segn Rahaman, las cermicas pueden ser fabricadas por diversos mtodos,

los cuales se remontan a los orgenes de la civilizacin. El objetivo de la

produccin normalmente es obtener un producto slido con una determinada

forma como pueden ser pelculas, fibras o monolitos con una microestructura

especfica. Se puede observar en la tabla 1.6 que los mtodos de fabricacin

se pueden dividir en tres grupos fundamentales.

Esta divisin est determinada fundamentalmente por el estado en que se

pueden encontrar los materiales de partida en fase gaseosa, una fase lquida,

o una fase slida.

Es importante adems conocer las relaciones entre la composicin qumica,estructura atmica, proceso de fabricacin que van a determinar las

propiedades finales de la cermica policristalina como se ilustra en la figura 1.3.

Las propiedades intrnsecas deben ser consideradas a la hora de seleccionar

los materiales. El proceso de fabricacin juega un rol fundamental para obtener

la microestructura esperada segn el diseo ingenieril de las propiedades. Por

ejemplo, los valores de la constante dielctrica del BaTiO3 pueden depender

significativamente de la microestructura (tamao de grano, porosidad y


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presencia de algunas fases secundarias). Normalmente los mtodos de

fabricacin pueden ser divididos en algunos pasos discretos dependiendo de la

complejidad del proceso.

Aunque no es una terminologa generalmente aceptada se pude referir esos

pasos discretos como pasos de procesamiento. La fabricacin de un cuerpo

cermico involucra un determinado nmero de pasos de procesamiento.

Reacciones en fase gaseosa: deposicin de vapor qumica, oxidacin metlica

directa y reaccin de enlace.

La deposicin de vapor qumica, cuyas siglas en ingls son CVD (Chemical

vapor deposition) es un proceso donde las molculas de los reactantes en fase

gaseosa son transportadas a una superficie para que reaccionen qumicamente

y formen una pelcula slida. Es una tcnica bien conocida que puede usarse

para depositar todos tipos de materiales, incluyendo metales, cermicas y

semiconductores con una variedad de aplicaciones. Pueden cubrirse grandes

reas y el proceso es sencillo de aplicar en la produccin. Se logran pelculas

espesas o incluso cuerpos monolticos bsicamente prolongando el proceso de

la deposicin para que el espesor deseado sea logrado. El equipamiento

usado en el CVD depende de la reaccin a usar, la temperatura reaccin, y el

diseo del substrato. La caracterstica principal de cualquier quipo es

proporcionar una exposicin uniforme del substrato a los gases reactantes. El

proceso CVD tiene varias variables que deben controlarse para producir un

depsito con las propiedades deseadas. Estas variables incluyen control de

flujo de los gases reactantes, la naturaleza y proporcin de flujo de cualquier

Figura 1.3 Relaciones importantes en la fabricacin de cermicas


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portador gaseoso, la presin en el recipiente donde ocurre la reaccin, y la

temperatura del substrato.

La oxidacin metlica directa es una va de fabricacin que involucra las

reacciones entre un gas y un liquido y que generalmente para las produccin

de cuerpos cermicos es poco practica porque los productos de la reaccincomnmente forman una capa refractaria slida lo que provoca la separacin

de los reactantes y detiene la sntesis. Sin embargo un mtodo nuevo que

emplea directamente la oxidacin del metal por un gas ha sido desarrollado por

la corporacin norteamericana Lanxide para la produccin de materiales

porosos y densos. Este mtodo ha sido usado para la produccin de

compuestos con matrices de xidos, pero tambin nitruros, boruros, carburos y

titanatos. Una ventaja del mtodo es el crecimiento de la matriz dentro de laspreformas sin que pueda cambiar las dimensiones iniciales y que los problemas

asociados con el encogimiento durante la densificacin en otras vas de

fabricacin se evitan. Adems, pueden producirse con rapidez grandes

componentes con un buen control de las dimensiones.

La reaccin de enlace o (reaccin de formacin) es comnmente usada para

describir las vas de fabricacin donde una preforma slida porosa reaccionacon un gas (o un liquido) para producir el compuesto qumico deseado y unido

entre los granos. Normalmente, el proceso se acompaa por un pequeo

encogimiento de la preforma lo que facilita que puedan lograrse pequeas

tolerancias dimensionales para el cuerpo construido. La reaccin de enlace se

usa como una de las vas de fabricacin en gran escala para el Si3N4 y SiC. Un

ejemplo de aplicacin lo constituye la obtencin del SiC. Una mezcla de

partculas de SiC (5-10 m), carbn y un aglomerante polimtrico es

conformada en un cuerpo verde por presin, extrusin o inyeccin a presin.

En algunos casos las partculas de carburo de silicio y una resina de

conformado base carbn son usados como mezclas iniciales. El aglutinante o

la resina es quemada por fuera y el carbn se llena de microporos por la

pirolisis, despus estos poros son infiltrados con silicio liquido a temperaturas

por encima del punto de fusin del Si (1410 oC)

Reacciones en fase liquida: proceso sol-gel y pirolisis polimrica.


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En el proceso sol-gel, una solucin de compuestos metlicos o una suspensin

de partculas muy finas en un liquido (referido como sol) es convertido dentro

de una masa de muy alta viscosidad (referido como gel). Dos procesos sol-gel

pueden encontrarse dependiendo en si de la solucin p sol usada.

comenzando con un sol, la gelificacin del material consiste en partculas

coloidales identificables que se han unido por las fuerzas superficiales en

formar de una red

Cuando es usada una solucin de compuestos orgnicos-metlicos la

gelificacin del material en muchos casos consiste en una red de cadenas

polimricas formada por la hidrlisis y la condensacin de las reacciones.

Este proceso de (solucin sol-gel) recibe un inters marcado por los

investigadores y extensas aplicaciones industriales. Muchas publicaciones se

han encontrado alrededor de este proceso incluyendo un libro de fsica y

qumica, un texto de aplicaciones, artculos y eventos [17, 18]

La pirolisis polimrica se basa en la descomposicin piroltica de compuestos

polimricos metal-orgnicos para la produccin de cermicas. Los polmeros

usados en este proceso son comnmente llamados polmeros precermicos y

en ellos constituyen los precursores de las cermicas. Al contrario de los

polmeros orgnicos convencionales (por ejemplo, polietileno), qu contiene

una cadena de tomos de carbono, la cadena central en los polmeros

precermicos contiene otros elementos adems del carbono (el ej., Si, B, y N).

La pirolisis de los polmeros produce una cermica que contiene algunos

elementos presentes en la cadena. La pirolisis polimrica es conocida como

una amplia va para la produccin de materiales de carbono como por ejemplo

fibras a partir de polyacrylonitrile a partir de la pirolisis de los polmeros de

carbono[19, 20]. Las posibilidades de obtencin de cermicas a partir de

polmeros metal-orgnicos fue reconocida hace varios aos y un alto inters se

genero a mediado de la dcada del 70 cuando se obtuvo fibras con un alto

contenido de SiC reportado por Yajima. La va de pirlisis ha sido el ms

eficazmente aplicado a la produccin fibras cermicas de monxidos, en

particular, fibras de dos cermicas basadas en silicio, SiC y Si3N4, y a un grado

ms limitado al BN y B4C.


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Reacciones a partir de polvos: fundicin continua y sinterizacin de polvos

compactados

Estas vas involucran la produccin del cuerpo deseado a partir de la fusin de

slidos finamente dividido (es decir, polvos) por la accin de calor. Esto da

lugar a dos mtodos ampliamente usados para la fabricacin de cermicas: (1)fundicin seguida por la conformacin de la forma, simplemente referida como

fundicin continua, y (2) sinterizado de polvos compactados.

El mtodo de fundicin continua involucra fundir un lote de materias primas (en

forma de polvos), seguido por la conformacin del cuerpo por alguno de los

diferentes mtodos que incluyen la fundicin, roleado, prensado, soplando e

hilado. Para las cermicas la cristalizacin es relativamente fcil, la

solidificacin de lo fundido es acompaada por una rpida nucleacin y

crecimiento de cristales en granos. El crecimiento incontrolado de los granos es

generalmente un problema severo que afecta en la produccin de cermicas

con indeseables propiedades como por ejemplo disminuye la resistencia. Otrosproblemas en muchas cermicas que tienen un alto punto de fusin como por

ejemplo el ZrO2( 2600oC) se descompone antes que fundirse. Esto provoca

que este mtodo se limite a la fabricacin de vidrios

La sinterizacin de polvos compactados puede ser usado para la produccin de

vidrios y de cermicas policristalinas, en la practica es muy poco usado para

Figura 1.4 Flujo bsico para la produccin de cermicas policristalinas.

recubrimiento

con aditivos

prensado e n seco,

inyeccion del

molde, etc.


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los vidrios por la posibilidad de usar mtodos mas econmicos, sin embargo

este mtodo es el de mayor uso para la fabricacin de materiales cermicos.

Los pasos del proceso se muestran en la figura 1.4 en forma simple, estos

incluyen la consolidacin de una masa de partculas finas (polvos) en forma

porosa, polvos compactados en forma de un cuerpo especfico (cuerpo verde),

el cual cuando es quemado o sinterizado para producir un producto denso.

Debido a la importancia de esta va de produccin, la fabricaron de cermicas

policristalinas a partir de polvos.

6. SNTESIS DE LOS POLVOS CERMICOS

En el epgrafe anterior se evidencia que las caractersticas de los polvos

cermicos como materias primas tienen un importante efecto en el proceso

como por ejemplo la consolidacin de los polvos en un cuerpo verde y el

sinterizado para producir la microestructura diseada. En la tabla 1.7 se

establece un resumen de las principales caractersticas que deben presentar

los polvos cermicos.

Como resultado la sntesis de los polvos es muy importante para la fabricacin

de las cermicas. En la prctica la seleccin del mtodo de preparacin del

polvo depender del costo de produccin y la capacidad del mtodo para lograr

un cierto nivel de las caractersticas deseadas. Por la conveniencia de los


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investigadores se dividen estos mtodos en dos categoras: los mtodos

mecnicos y los mtodos qumicos.

La sntesis de los polvos por mtodos qumicos es un rea de procesamiento

de las cermicas que ha recibido un alto grado de atencin sufriendo

considerables cambios en los ltimos 25 aos y se esperan nuevos desarrollosen este rea en el futuro.

Mtodos de sntesis de los polvos cermicos.

Existe una variedad de mtodos para la sntesis de los polvos cermicos que

como se explico se encuentran divididos en dos grandes grupos: mtodos

mecnicos y mtodos qumicos, los mtodos mecnicos son generalmente

usados para la preparacin de cermicas tradicionales a partir de materiasprimas de origen natural, pero en los ltimos aos se reportan importantes

investigaciones de cermicas avanzadas y de materiales biocermicos

mediante el molido de alta velocidad.

Los mtodos qumicos son generalmente usados para la preparacin de polvos

para las cermicas avanzadas a partir de materias primas sintticas o de origen

natural, algunos de estos mtodos combinan en su primera parte un molido

como parte del proceso. El molido usualmente es necesario para destruir lapresencia de aglomerados y la produccin de determinadas caractersticas

fsicas como son el tamao promedio de partcula y el promedio de distribucin

de partcula. La preparacin de polvos por esta va es un rea del

procesamiento de las cermicas que ha tenido recientes e importantes

resultados [26-31].En la tabla 1.8 se muestra un resumen de los mtodos mas

utilizados de la obtencin de polvos cermicos.

Tabla 1.8 Mtodos para la obtencin de polvos cermicos

Mtodo de preparacin de

polvosVentajas Desventajas

Mecnica


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Trituracin Muy barata, fcil

aplicacin

Pureza limitada,

Limitada

homogeneidad,

tamao de grano

largo

Sntesis mecano qumica Tamaa de partcula

fino, bueno para los

monxidos y una va

de baja temperatura

Pureza limitada,

limitada

homogeneidad

Qumica

Reaccin en estado slido

Reaccin de

descomposicin entre

slidos

Bajo costo,

equipamiento sencillo

Aglomeracin de los

polvos,

homogeneidad

limitada para polvos

multicomponentes

Reaccin en estado

liquido

Precipitacin o

coprecipitacin;

vaporizacin de

solventes (spray

seco, spray pirolisis);

va gel (sol-gel, gel

citrato, nitrato de

glicerina)

Alta pureza, tamao

de partculas

pequeos, control de

la composicin,

homogeneidad

qumica

Muy cara,

aglomeracin de los

polvos es un

problema comn,

poco uso para los

monxido

Reaccin de lquidos

no acuosa

Alta pureza, tamao

de partculas

pequeos

Limitado para los

monxidos

Reaccin en fase vapor


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25

Reaccin slido-gas Barata para largos

tamaos de partculas

Baja pureza, caro

para polvos finos

Reaccin liquido-gas Alta pureza, tamao

de partcula pequeo

Cara, aplicacin

limitada

Reaccin entre gases Alta pureza, tamao

de partcula pequeo,

barato para los xidos

Cara para los

monxidos, la

aglomeracin de los

polvos es un

problema comn

Fuente: elaboracin propia

7. CARACTERIZACIN DE LOS MATERIALES CERMICOS

Los rasgos esenciales de la caracterizacin de un material cermico se

enmarcan en la determinacin de la composicin qumica, fsica y las

caractersticas estructurales (incluyendo los defectos). Adems, a partir de la

recopilacin y elaboracin de los datos ms significativos sirven de base parasu preparacin especfica, el estudio de sus propiedades o uso y tambin son

esenciales para la reproduccin o produccin del material cermico en

cuestin.

La caracterizacin es una parte esencial de toda investigacin en el campo de

las cermicas y puede enmarcarse en los aspectos siguientes:

Composicin qumica y homogeneidad fsica de la muestra.

Determinacin de las impurezas que pueden afectar las propiedades. Determinacin estructural revelando la cristalinidad, es decir

determinando el sistema cristalino, la celda unidad y si fuese necesario

precisar las coordenadas atmicas.

Naturaleza y concentracin de los defectos que influyen en las

propiedades.

Caracterizacin qumica.


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26

El anlisis por va hmeda ha sido la tcnica que ms se ha empleado para la

determinacin de la mayora de los elementos en los materiales cermicos. Sin

embargo en la actualidad la determinacin de las impurezas (microelementos)

y de la mayora de los elementos qumicos se realiza usando tcnicas

instrumentales que son ms rpidas y precisas. Anlisis qumicos a

microescala son determinados usando tcnicas de haz de electrones.

Esta tcnica permite realizar una caracterizacin de la pureza y calidad de las

materias primas iniciales as como la composicin qumica. Durante el proceso

permite controlar el estado de ocurrencia de la reaccin y su completamiento y

al finalizar el proceso comprueba la composicin qumica resultante segn el

clculo realizado.

Caracterizacin fsica.

Para explicar el comportamiento qumico de un producto cermico es necesario

conocer las fases presentes en el mismo, no slo cualitativamente sino tambin

cuantitativamente. Por lo general los cuerpos cermicos son policristalinos y

estn constituidos por diferentes fases.

El microscopio ptico ha sido extensamente usado para la identificacin de

fases en secciones delgadas de muestras policristalinas y parcialmente

vitrificadas. Ha sido tambin usado para el examen de rutina de la topografasuperficial de la muestra y la microestructura de superficie pulidas y atacadas

mostrando una capacidad de diferenciacin del relieve de alrededor de 0,2 m.

El microscopio electrnico de barrido (MEB) presenta una mayor resolucin y

es actualmente usado ampliamente para el anlisis microestructural, debido a

que es rpido, cmodo y verstil y muestra una gran penetracin de foco. Su

micrografa puede ser obtenida con alto nivel de contraste. La informacin

proviene de la captacin de seales surgidas por la interaccin del haz de

electrones con la muestra tal como lo muestra la figura 1.4.


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27

Mediante un dispositivo espectroscpico de energa dispersiva pueden ser

elaboradas diferentes seales (figura 1.4) que provienen de la interaccin del

haz de electrones con la muestra y obtenerse a microescala anlisis qumicos

cualitativos y semicuantitativos relativamente fcil (1-3), que pueden ayudar

grandemente en la interpretacin de la microestructura. La microscopa de

transmisin de electrones (5-8) (MTE) presenta una resolucin por debajo de 1

nm y se puede estudiar la estructura de los defectos de las fases presentes y

los contornos de los granos donde ocurren diferentes fenmenos de difusin y

reacciones qumicas empleando la difraccin de electrones (5) o detectar por

barrido la dispersin de los rayos-X dispersos (4), espectroscopa de rayos-X

dispersos.

El anlisis por difraccin de rayos-X (DRX), por el mtodo de polvo o

policristales, es quizs la tcnica ms eficiente y rpida para el anlisis de

fases presentes en cermicas. El fenmeno de difraccin est regido por la leyde Bragg: n = 2d*sen, donde n es el orden de la difraccin (n = 1, 2 3), es

la longitud de onda de la rayos-X, d es la distancia entre los planos

constituidos por los tomos en el cristal y es el ngulo de Bragg.

Para una fase cristalina, en particular, en una cermica el anlisis cualitativo

se realiza por la identificacin del patrn de difraccin de esa sustancia. El

patrn de difraccin est constituido por una serie de picos de diferentesintensidades en funcin de 2. El principio que rige la identificacin de fases


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por DRX es que cada fase siempre da el mismo patrn de difraccin y que en

una mezcla, cada sustancia origina su diagrama independiente de las otras,

exactamente como si se le hubiera expuesto sola durante el mismo tiempo.

Los patrones se clasifican de acuerdo con el espaciado d() que forman sus

tres lneas ms intensas y se compara con los de una cartoteca donde se

encuentran registrados decenas de miles de sustancias en forma de ficheros

ordenados segn una metodologa desarrollada inicialmente por Hanawalt hace

ms de 70 aos. En la actualidad esta operacin se realiza fcil y rpidamente

mediante programas computacionales instalados a los mismos difractmetros

de difraccin de rayos-X.

La intensidad de las lneas del patrn de difraccin de una fase particular en

una mezcla depende de la concentracin de esta fase en la mezcla. Esta

relacin intensidad-concentracin es la base del anlisis cuantitativo por DRX.Vale sealar que la relacin entre la intensidad y la concentracin no es

generalmente lineal, ya que la intensidad del haz difractado depende

marcadamente del coeficiente de absorcin y ste asimismo vara con la

concentracin. Mediante el anlisis de fase cuantitativo por DRX es posible

cuantificar en muestras policristalinas cermicas contenidos hasta 1 % de una

fase que no presente orientaciones preferenciales de sus granos y se distingan

claramente las lneas de difraccin escogidas de las de las otras fasespresentes (no exista superposicin).


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29

Caracterizacin estructural.

La gran mayora de las tcnicas disponibles para la caracterizacin estructural

de cuerpos cermicos pueden ser agrupadas dentro de las siguientes

categoras: mtodos pticos, mtodos difractomtricos, mtodos de

microscopa electrnica, mtodos espectroscpicos y el uso de otrosinstrumentos para determinar las propiedades fsicas usadas como criterio de

caracterizacin. Ninguna tcnica por si misma brinda un cuadro diagnstico

completo sobre la caracterizacin estructural y es un error absolutizar una

tcnica sobre cualquier otra, sin embargo la conjugacin racional e inteligente

de varias tcnicas completan la caracterizacin de la sustancia cermica de

acuerdo a los objetivos y aspectos que se persiguen dilucidar.

Dentro de los mtodos principales se encuentran: Mtodos pticos

Mtodos espectromtricos

Tcnicas de difraccin de rayos-X

Tcnicas de difraccin de electrones

Tcnicas de difraccin de neutrones

Uno de los mtodos que ha demostrado su uso indispensable y su capacidadde brindar informacin de caracterizacin valiosa es de la difraccin de rayos-X

(DRX). Los rayos-X son radiaciones electromagnticas de longitudes de onda

que se encuentran en el rango aproximadamente entre 0,5 hasta 2,5 (1 =

10-10m) y fueron descubiertos en 1895 por el fsico alemn G.C. Roentgen. Su

aplicacin fue casi inmediata sin tener an una precisa comprensin de las

caractersticas de la radiacin. No siempre es necesario entender

completamente un fenmeno para utilizarlo. No fue hasta 1912 que seestableci la naturaleza exacta de los rayos-X. As surgi un nuevo mtodo

instrumental para la investigacin de la estructura de la materia.

Los patrones de difraccin se obtienen mediante tres mtodos de difraccin

fundamentales que son: (a) El mtodo de Laue consiste en el empleo de un

monocristal sobre el cual incide una radiacin policromtica (blanca o

continua), (b) El mtodo del cristal rotatorio se basa en la interaccin de una

radiacin monocromtica con un monocristal que est rotando y (c) El mtodo


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de polvo involucra una muestra policristalina que rota sobre la cual incide una

radiacin monocromtica.

El mtodo de Laue se emplea para determinar la simetra del cristal y la

orientacin, pero no para determinar la estructura ya que en este mtodo se

manifiestan los patrones de difraccin como si todas las estructuras de los

cristales fuesen centros simtricas. El mtodo de cristal rotatorio se usa para

determinar la estructura de un monocristal y los parmetros de la celda unidad.

La dificultad mayor de este mtodo consiste en la sobreposicin de reflexiones

de diferentes planos (hkl) que altera la intensidad de los reflejos. Esta limitante

se soluciona empleando el mtodo Weissenberg que hace que la pelcula se

mueva paralelamente a lo largo del eje de rotacin del cristal rotatorio.

Los patrones de difraccin de polvo proporcionan facilmente datos valiosos

sobre la estructura cristalina. Los difractmetros de rayos-X para polvo son

comnmente utilizados para la identificacin de estructuras cristalinas. Sin

embargo para la determinacin precisa de las dimensiones de la celda unidad

se emplea frecuentemente la cmara de focalizacin de Guiner. El

conocimiento exacto de las intensidades de difraccin es un paso esencial

para la determinacin de la estructura. Difractmetros de rayos-X para

monocristales por control y procesamiento computarizado de seales con elempleo de programas profesionales han convertido el desciframiento de

estructuras en una tarea rutinaria. El estudio de los perfiles de lneas de

patrones de difraccin empleando difractmetros de rayos-X sirve para

caracterizar las imperfecciones fsicas y dimensiones de las cristalitas. La

viabilidad de un sincrotrn de radiacin-X de longitud de onda de continuidad

variable ha hecho de la difraccin de rayos-X una herramienta an ms

poderosa para el estudio de los slidos.

Caracterizacin trmica.

El anlisis trmico puede ser definido como la medicin de propiedades fsicas

y qumicas de los materiales en funcin de la temperatura. En la prctica el

diapasn de estas propiedades se reduce a la entalpa, capacidad calorfica,

variacin del peso y a los coeficientes de dilatacin trmicos. La informacin

termoanaltica complementada con el anlisis qumico, fsico, microestructural


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de materiales sometidos a tratamiento trmico es utilizada para identificar los

cambios que sufren slidos policristalino en polvo o compactos, tales como la

eliminacin de componentes lquidos y gaseosos, la oxidacin o reduccin,

reacciones entre slido-slido, entre slido-gas, transiciones en materiales que

involucran vitrificacin y recristalizacin, crecimiento de granos etc.

El anlisis termofsico incluye la determinacin de la expansin y contraccin

durante el calentamiento o enfriamiento, as como la resistencia a la

penetracin mecnica o la transicin de vibraciones mecnicas. El anlisis

termofsico es usado para identificar cambios de fases y de sinterizacin de

materiales inorgnicos durante la calcinacin y cambios de las propiedades de

los aglomerantes orgnicos.

Las dos tcnicas de anlisis trmico ms usadas son el anlisis

termogravimtrico (ATG), que registra automticamente el cambio del peso

(P) de una muestra en funcin de la temperatura o el tiempo y anlisis trmico

diferencial (ATD) que mide las diferencias de temperatura, T, entre la muestra

a analizar y una de referencia en funcin tambin del tiempo o la temperatura,

pero no registra los cambios en el contenido de calor (figura 3.3). Una tcnica

relacionada estrechamente con ATD es la calorimetra de barrido diferencial

(CBD), mediante la cual se realizan mediciones cuantitativas de los cambios en

la entalpa que ocurren en la muestra en funcin del tiempo o la temperatura.

Una cuarta tcnica analtica trmica es la dilatometra en que se registra los

cambios de las dimensiones lineales de una muestra en funcin de la

temperatura. Recientemente a adquirido esta tcnica la denominacin de

anlisis termomecnico (ATM). El desarrollo de la ciencia y la tecnologa ha

permitido desarrollar modernos equipos de anlisis trmico, a que mediante un

solo equipo es posible realizar ATG, ATD y CBD, existen modelos que registran

simultneamente ATD Y ATG. Cada da los equipos de anlisis trmico sonms complicados y caros, debido a que se busca abarcar una variedad mayor y

ms amplia de propiedades y eventos trmicos registrables con rapidez, alta

sensibilidad y exactitud.

Anlisis de la superficie.

El anlisis de materiales que su superficie y superficies subyacentes varan en

el volumen ha sido favorecido grandemente por los recientes progresos en la

instrumentacin de haces de electrones e iones.


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En la espectroscopia de electrones Auger, el barrido del haz de electrones

excita la superficie de la muestra y la energa de los electrones Auger emitida

proporciona informacin sobre el nmero atmico de los elementos presentes.

Mediante bombardeo de iones pueden removerse capas de tomos del

material para un perfil determinado de profundidad. Anlisis consecutivos

proporcionan informacin cerca de los gradientes de concentracin de

superficies prximas subyacentes. En los anlisis de microscopa electrnica

de micromuestras, los rayos-X caractersticos emitidos durante el barrido de

electrones de una micro-regin superficial son usados para la identificacin

cuantitativa de elementos qumicos presentes.

Si la superficie es excitada usando rayos-X monocromticos, los fotoelectrones

emitidos por la superficie contiene la informacin sobre el tipo de tomos y su

estado de oxidacin y la estructura de la superficie. Esta tcnica es

denominada microscopa foto-electrnica de rayos-X y es usada para el

anlisis qumico.

El bombardeo de la superficie con chorros de iones de baja energa

monoenergtica remover iones superficiales y estos podrn ser analizadosmediante un espectrgrafo de masa. Esta tcnica es denominada

espectroscopa de masa inica secundaria. Con la evolucin de estas tcnicas

analticas, que cada vez son ms accesibles su adquisicin, se estn

desarrollando y caracterizando cermicas de nueva generacin.

Anlisis granulomtrico.

La obtencin de una gran parte de las cermicas parte de mezclas de polvos

de diferentes tamaos que se logran por diferentes procesos tecnolgicos de

trituracin, pulverizacin y micronizado. En el desarrollo de cermicas

participan varias sustancias convencionales con diferentes caractersticas

fsico-mecnicas, entre ellas se destacan la fragilidad, dureza, disgregacin y

plasticidad entre otras que, en cierta medida, determinan su capacidad para ser

reducidas a partculas de un tamao determinado. Otra fuente de materiales

pulverulentos parte de reacciones qumicas en diferentes medios a escala


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industrial, logrndose partculas muy finas hasta 5 nm (0,005 m, tamao de

algunos virus). Es muy frecuente en la formulacin de una determinada

cermica intervengan varios tipos de polvo que abarcan un amplio rango

granulomtrico, por lo que es necesario emplear varias tcnicas de anlisis

granulomtrico para su caracterizacin.

Dentro de las tcnicas ms empleadas se encuentran:

Tcnicas analticas

Tcnicas de tamizado

Tcnicas microscpicas

Tcnicas de sedimentacin

Tcnicas por difraccin de rayos lser

Tcnicas de fluctuacin de la intensidad de la luz

En resumen puede decirse que la distribucin del tamao de las partculas en

un sistema granulomtrico puede ser analizada usando diversas tcnicas

diferentes. La tcnica microscpica provee informacin simultnea acerca de la

forma y el tamao de las partculas y de la presencia de aglomerados.

El rango potencial del tamao de las partculas que puede ser analizado es

extremadamente amplio y el tiempo de anlisis se ha reducido sustancialmente

por el uso de analizadores de imagen computarizados. La tcnica de tamizado

es conveniente y ampliamente usada para el anlisis de partculas mayores de

44 m. Las tcnicas basada en la difraccin de lser son muy rpidas y

convenientes y ha llegado ha ser muy populares para los rangos de alrededor

de 100 hasta 0,4 m. Las tcnicas de sedimentacin son verstiles y permiten

realizar anlisis desde los 63 hasta 0,1 m en un solo anlisis. El anlisis

granulomtrico basado en la fluctuacin de la luz permite determinar tamaos

por debajo de 0,01 m.

Los principios fsicos de cada tcnica son la base sobre los cuales el tamao

de las partculas es definido. Los datos precisos sobre el tamao de las

partculas en una muestra pueden variar en algo usando diferentes tcnicas


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Adems de tener criterios generales sobre la distribucin de las partculas en la

muestra es importante conocer el tamao promedio de las partculas, el tamao

de las partculas ms abundantes y la mediana, entre otros datos estadsticos

posibles de obtener si se encuentra una funcin matemtica de distribucin que

describa acertadamente la granulometra de la muestra.

rea superficial especifica.

El rea superficial especfica de una muestra de polvo puede definirse como el

rea superficial de las partculas por unidad de masa o de volumen de un

material.

Comnmente se determina el rea superficial especfica por absorcin fsica de

un gas o por adsorcin qumica de un colorante, como por ejemplo el azul demetileno. En el caso de un material compacto poroso, el rea superficial

determinada experimentalmente depende del tamao de la molcula gaseosa

absorbida con respecto al tamao de los poros. Molculas o tomos de gases

pequeos pueden penetrar en poros de dimensiones menores que 2 nm, en

donde gases voluminosos son excluidos.

Como resumen puede exponerse que la densidad de los materiales cermicosdepende de la proporcin y de las densidades de las diferentes fases con que

estn constituidos los materiales cermicos. Las cavidades en los materiales

reducen la masa efectiva y la densidad aparente es menor que la densidad

original de la fase slida. El tamao y la cantidad de las partculas de la

muestra son factores a tener en cuenta en la seleccin de la tcnica para la

determinacin de la densidad. La microscopa y el anlisis de los

comportamientos de adsorcin-desadsorcin pueden ser usados para obtener

informacin sobre la existencia de partculas extremadamente pequeas no

detectables en el anlisis granulomtrico.

8. PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES CERMICOS

La mayora de los productos cermicos tradicionales y avanzados son

manufacturados compactando polvos o partculas, en las formas adecuadas,


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que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para

enlazar las partculas entre si. Las etapas bsicas para el procesado de

cermicas por aglomeracin de partculas son: 1) preparacin del material; 2)

conformacin o moldeado, y 3) tratamiento trmico de secado (no siempre se

requiere) y coccin por calentamiento de la pieza de cermica a temperaturas

suficientemente altas para mantener las partculas enlazadas.

Preparacin de materiales.

Como se ha explicado en epgrafes precedentes la mayora de los productos

cermicos estn fabricados por aglomeracin de partculas. Las materias

primas para estos productos varan dependiendo de las propiedades

requeridas por la pieza cermica terminada. Las partculas y otros ingredientes,

tales como aglutinantes y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o enhmedo. Para productos cermicos que no necesitan tener propiedades muy

exigentes, tales como lacrillos comunes, tuberas para alcantarillados y otros

productos arcillosos es una prctica comn mezclar los ingredientes con agua.

Para otros materiales cermicos, las materias primas son partculas secas con

aglutinantes y otros aditivos. Algunas veces se combinan ambos procesos

hmedo y seco-. Por ejemplo, para producir un artculos cermicos con gran

proporcin de Al2O3 que sea buen aislante, las partculas de materia prima semezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar una

suspensin que posteriormente se atomiza y seca para obtener pequeas

partculas esfricas

Conformacin.

La produccin de cermicos fabricados por aglomeracin de partculas pueden

conformarse mediante varios mtodos en condiciones secas, plsticas o

liquidas. Los procesos de conformado en fro son predominantes en la industriacermica, aunque se usan tambin es un cierto grado los procesos de

conformado en caliente. Compactacin, moldeo en barbotina y extrusin son

los mtodos de modelado de cermicos que se utilizan mas comnmente.

Compactacin: la materia prima cermica puede ser compactada en estado

seco, plstico o hmedo, dentro de una matriz para formar productos con una

forma determinada.

Compactacin en seco: este mtodo se usa frecuentemente para productosrefractarios (material de alta resistencia trmica) y componentes cermicos


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electrnicos. La compactacin en seco se pude definir como un prensado

uniaxial simultneamente a la conformacin de polvo granulado junto con

pequeas cantidades de agua y/o aglutinantes orgnicos en una matriz.

Compactacin isosttica: en este proceso el polvo cermico se carga en un

recipiente flexible (generalmente de caucho) hermtico (llamado cartucho) que

esta dentro de una cmara de fluido hidrulico a la que se aplica presin. La

fuerza de presin aplicada compacta el polvo uniformemente en todas

direcciones tomando el producto la forma del contenedor flexible. Despus de

la compactacin isosttica en fro el material debe sinterizarse (sinterizacin)

para obtener las propiedades y microestucturas requeridas. Productos

cermicos manufacturados por esta va son los refractarios, ladrillos, aislantes

de bujas, cpulas, crisoles, herramientas de carburo y cojinetes.

Compactacin en caliente: en este proceso se consiguen piezas de alta

densidad y propiedades mecnicas optimizadas combinando la presin y los

tratamientos de sinterizacin. Se utiliza tanto la presin unidireccional como los

mtodos isostticos.

Moldeo en barbotina: las formas cermicas se pueden moldear usando un

proceso nico. Las principales etapas de este proceso son: 1) preparacin de

un material cermico en polvo y de un liquido (generalmente arcilla y agua) en

una suspensin estable llamada barbotina: 2) vertido de la barbotina en unmolde poroso, generalmente fabricado de yeso, que permita la absorcin

parcial de la porcin liquida de la barbotina en el molde, a medida que se

elimina el liquido de la barbotina se forma una capa de material semiduro

contra la superficie del molde: 3) cuando se ha formado un espesor de pared

suficiente, se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la

cavidad drenando o escurriendo el molde; 4) el material debe dejarse secar en

el molde hasta que alcance la resistencia necesaria para ser manipulado yretirado del mismo y 5) finalmente hay que sinterizar la pieza para que consiga

las propiedades y la microestrctura deseadas.

Extrusin: las secciones sencillas y las formas huecas de los materiales

cermicos se pueden producir por extrusin de estos materiales en estado

plstico a travs de una matriz de extrusin. Este mtodo es de aplicacin

comn en la produccin de ladrillos refractarios, tuberas de alcantarillados,

tejas, cermicas tcnicas, aislantes elctricos, etc. Las cermicas especiales


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de aplicacin tcnica casi siempre se fabrican utilizando un pistn de extrusin

de alta presin de manera que puedan conseguirse tolerancias precisas.

Tratamientos trmicos.

El tratamiento trmico es un paso esencial en la fabricacin de la mayora delos productos cermicos, dentro de ellos se encuentra el secado, la

sinterizacin y la vitrificacin.

Secado y eliminacin de aglutinante: el propsito del secado de las cermicas

es eliminar agua del cuerpo cermico plstico antes de ser sometidas a alta

temperaturas. Generalmente la eliminacin de agua se lleva a cabo a menos

de 100o

C y puede tardar alrededor de 24 h para un trozo de cermica grande.La mayora de aglutinantes orgnicos pueden extraerse de las piezas por

calentamiento en el rango de 200 a 300 oC, aunque algunos residuos

hidrocarbonatos pueden requerir calentamiento a temperaturas mas elevadas.

Sinterizacin: el proceso por el que se consigue que pequeas partculas de un

material se mantenga unidas por difusin en estado slido se llama

sinterizacin. En la fabricacin de cermicas este tratamiento trmico se basaen la transformacin de un producto compacto poroso en otro denso y

coherente, la sinterizacin se utiliza de modo generalizado para producir

formas cermicas a partir de el Al2O3, SiC, ferritas, titanatos, etc.

El sinterizado comprende distintos mecanismos de transporte de masa. En la

figura 1.5 se puede observar que los lmites de grano y la difusin volumtrica

(1, 2 y 5) hacia el cuello contribuyen a la densificacin (aumento de densidad).

La difusin superficial (3) y la condensacin por evaporacin (4) pueden

originar crecimiento del grano, pero no causan densificacin.


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En el proceso de sinterizacin, las partculas coalescen por difusin en estado

slido a temperaturas muy altas, pero por debajo del punto de fusin del

compuesto que se desea sinterizar. Por ejemplo el aislante de la buja

fabricado de almina se sinteriza a 1 600 oC (el punto de fusin de la alminaes de 2 050 oC). En la sinterizacin la difusin atmica tiene lugar entre las

superficies de contacto de las partculas a fin de que resulten unidas

qumicamente.

A medida que el proceso continua, las partculas mas grandes se forman a

expensas de las mas pequeas. Mientras las partculas consiguen aumentar de

tamao con el tiempo de sinterizacin, la porosidad de los compuestosdisminuye, al final del proceso se obtiene un tamao de grano en equilibrio, la

fuerza directriz el proceso es la disminucin de energa del sistema. El alto

nivel de energa superficial asociado con las partculas pequeas individuales

originales quedan reemplazados por la energa global interior de las superficies

de los limites de grano de los productos sinterizados.

Vitrificacin: algunos de los productos cermicos tales como las porcelanas,productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrnicos

contienen una fase vtrea. Esta fase vtrea sirve como medio de reaccin para

que la difusin pueda tener lugar a menor temperatura que en el resto del

material slido cermico. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de

este tipo de material tiene lugar u proceso llamado vitrificacin, por medio del

cual la fase vtrea se licua y rellena los poros del material. Esta fase vtrea

liquida puede reaccionar tambin con algunos de los slidos restantes del

Figura 1.5 Diferentes mecanismos de difusin incluidos en el sinterizado.


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material refractario. Durante el enfriamiento, la fase liquida solidifica para

formar una matriz vtrea que une las partculas que no han fundido.

9. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES CERMICOS SINTERIZADOS

Es importante para los materiales cermicos sinterizados el tamao promedio

del grano, la distribucin del tamao del grano y el nivel y tipo de porosidad .

De igual manera, dependiendo de la aplicacin, pueden presentarse segundas

fases en la microestructura en forma de granos separados de componentes

disueltos en soluciones slidas de la matriz, por lo que las segundas fases en

los lmites de grano tambin son de importancia.

Granos y lmites de grano: el tamao promedio del grano est ntimamente

relacionado con el tamao de la partcula primaria, un crecimiento superior

puede suceder debido a largos tiempos de sinterizacin. Los materiales

cermicos con un tamao pequeo de grano son mas resistentes que los de

granos grueso. Los tamaos de granos ms finos ayudan a reducir esfuerzos

que se desarrollan en los lmites de grano debido a expansin y contraccin

anisotrpicas. Normalmente, partiendo de materias primas cermicas mas finasse producen un tamao de grano mas fino, las propiedades magnticas,

dielctricas y pticas dependen tambin del tamao promedio del grano y, en

estas aplicaciones, el tamao del grano debe controlare adecuadamente.

Porosidad: los poros representan el defecto de mayor importancia presente en

los materiales cermicos policristalinos. La presencia de poros suele ser

perjudicial para las propiedades mecnicas de los materiales cermicos enbloque, en vista de que dichos poros son una localizacin preexistente a partir

de la cual puede crecer una grieta. La presencia de poros es una de las

razones por las cuales los materiales cermicos muestran un comportamiento

tan frgil bajo carga a la tensin. Dado que existe una distribucin de tamaos

de poro, y el nivel general de porosidad se modifica, as varan las propiedades

mecnicas de estos materiales. La presencia de poros por otra parte, puede

resultar de utilidad para incrementar la resistencia al choque trmico. En ciertas


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40

aplicaciones, como filtros para metales y aleaciones calientes o para lquidos o

gases, es deseable la presencia de poros interconectados.

En un material cermico, los poros pueden estar interconectados o cerrados.

La porosidad aparente (Pa) mide los poros interconectados y determina la

permeabilidad, es decir, la facilidad con que los gases y fluidos pasan a travs

de componente cermicos, la porosidad aparente se determina pesando el

material cermico seco (Wd) y volviendo a pesarlo tanto despus de haber

estado suspendido en agua (Ws) como despus de haber sido retirado de la

misma (Ww).


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CONCLUSIONES

En esta recopilacin de informacin se puede conocer a de modo general

aspectos relacionados con los materiales cermicos.

Existen diversos mtodos para la obtencin de polvos cermicos agrupados en

dos grandes grupos, los mecnicos y los qumicos, el ms utilizado dentro de

ellos es la reaccin en estado slido y es el que ofrece mayores perspectivas

de introduccin a escala industrial por su bajo costo y el equipamiento

relativamente sencillo.

A su vez la sencillez de uso de estos materiales est siendo muy acogido por

de la humanidad.


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BIBLIOGRAFA

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Autores:

informe monografico

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