Fundamentos de Cerámicos, Vidrios y Cemento Portland: Estructura, Propiedades y Procesamiento

Cerámicos: Estructura y Características Generales

Los cerámicos están constituidos por elementos metálicos o no metálicos unidos mediante enlaces iónicos o covalentes.

• Enlace Covalente: Si el enlace es covalente, el material presenta pobre ductilidad y baja conductividad térmica y eléctrica.
• Enlace Iónico: Si el enlace es iónico, no permite la movilidad de electrones, resultando en una mala conductividad eléctrica.

Existen cerámicos cristalinos (caracterizados por una muy baja ductilidad), amorfos o mezclas de ambos. Son materiales con un alto módulo elástico (rígidos) y una densidad no muy elevada. Son altamente resistentes a la temperatura (T), al ataque químico, a la abrasión y a la erosión.

Clasificación de Cerámicos

Cerámicas Tradicionales

Están basadas principalmente en silicatos (arcilla, feldespato, mica). Las arcillas son las más importantes debido a dos propiedades clave:

1. Al mezclarse con agua, se vuelven muy plásticas debido al debilitamiento de los enlaces de Van der Waals.
2. Funden en un amplio intervalo de temperaturas.

Estos materiales poseen predominantemente enlace iónico.

Materiales Refractarios

Son aquellos resistentes a altas temperaturas y al choque térmico. Se clasifican según su composición química:

• Ácidos: Sílice, arcillas o alúmina.
• Básicos: Magnesia o cal.
• Neutros: Cromita.

Cerámicas de Ingeniería (Avanzadas)

Compuestas por elementos puros o casi puros. Los más importantes son:

• Alúmina (Al₂O₃): Ofrece resistencia a temperaturas elevadas, alta resistividad y bajas pérdidas eléctricas.
• Nitruro de Silicio (Si₃N₄): Presenta buena resistencia al impacto y una alta refractariedad.
• Carburo de Silicio (SiC): Posee elevada resistencia al desgaste y a la oxidación a altas temperaturas (T).
• Zirconia (ZrO₂): Utilizada por su tenacidad y resistencia.

Técnicas de Procesado Cerámico

1. Moldeo en Barbotina: Utilizado para arcillas y la fabricación de piezas complejas.
2. Extrusión: Consiste en forzar materiales en estado plástico a través de un troquel para producir elementos de construcción con sección constante.

Tratamientos Térmicos Fundamentales

1. Secado: Proceso para eliminar el agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometido a altas temperaturas.
2. Sinterización: Pequeñas partículas se unen por medio de difusión en estado sólido para optimizar las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas.
3. Vitrificación: Se adquiere rigidez y resistencia al eliminar el agua cristalina, iniciando la fusión o vitrificación parcial.

Cemento Portland

El Cemento Portland es un aglomerante hidráulico que requiere agua para fraguar. El agua pasa a formar parte de su estructura una vez endurecido, permitiendo que fragüe incluso si está inmerso en agua.

Propiedades Mecánicas de los Cerámicos

Los cerámicos son generalmente más resistentes y más rígidos, pero menos dúctiles que los metales. Son muy débiles a la tracción, pero extremadamente resistentes a la compresión.

La Porosidad como Factor Crítico

La porosidad es la principal causa de fallo en los cerámicos. Los poros, que se forman durante el procesado, actúan como concentradores de tensión, reduciendo el área transversal efectiva donde se aplica la carga. Esto disminuye significativamente la resistencia del material y el esfuerzo que puede soportar.

Vidrios: Estructura y Composición

Los vidrios son compuestos calentados hasta la fusión y luego enfriados a una condición rígida sin que ocurra cristalización. Por lo tanto, son amorfos a temperatura ambiente (T amb).

Características del Vidrio

• Transparencia óptica.
• Resistencia química.
• Dureza.
• Resistencia a la corrosión.
• Fácil de fabricar y conformar.

Componentes del Vidrio

1. Óxidos Formadores: La mayoría se forman a partir del óxido de silicio (SiO₂).
2. Óxidos Modificadores: Se introducen en la red para disminuir la viscosidad y bajar el punto de fusión, facilitando la conformación a menor temperatura.
3. Óxidos Intermedios: Aportan características especiales al material.

Procesado de Vidrios

Se fabrican calentando el vidrio a una temperatura elevada para producir un líquido viscoso que luego es moldeado, estirado o soplado.

Mecanismos de Deformación

La deformación ocurre principalmente a la temperatura de transición vítrea (T_g), mostrando un comportamiento viscoso.

Vidrios Endurecidos

Mediante el proceso de templado, los vidrios endurecidos son hasta cuatro veces más resistentes que los vidrios recocidos.