Fundamentos y Procesamiento de Materiales Cerámicos Avanzados

Definición de Cerámicos

Los cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Son duros y frágiles, con baja tenacidad y ductilidad. Se comportan como buenos aislantes térmicos y eléctricos debido a la ausencia de electrones conductores, poseen temperaturas de fusión altas y son muy estables en la mayoría de los medios agresivos gracias a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

Tipos de Cerámicos

Cerámicos Tradicionales

Están constituidos por tres componentes básicos:

• Arcilla: Constituye el cuerpo principal del material.
• Sílice: Es el componente refractario.
• Feldespato: Une los componentes refractarios.

Cerámicos de Ingeniería

Son compuestos puros o casi puros, principalmente óxidos, carburos o nitruros. Son tenaces y tienen alta resistencia mecánica. En su fabricación, se intenta disminuir o eliminar las microfisuras superficiales y bloquear su propagación para lograr una mayor resistencia.

Estructura de los Cerámicos

Los cerámicos presentan enlaces covalentes, con grados variables de carácter iónico y metálico, dependiendo de su composición. Pueden tener estructura cristalina o amorfa.

Estructura Cristalina

Se presenta en los silicatos, cuya unidad fundamental es el SiO₄. Involucra enlaces iónicos y covalentes, generando grandes fuerzas internas.

Estructura No Cristalina (Amorfa)

Presenta una estructura desordenada, muy variable y abierta. Depende del proceso de fabricación y de la velocidad de enfriamiento.

Propiedades de los Cerámicos

Propiedades Mecánicas

Resistencia a la Tracción

Son relativamente frágiles debido a su enlace covalente.

Resistencia a la Compresión

Resisten a la compresión de 5 a 10 veces más que a la tracción.

Resistencia al Impacto

Son duros y tienen baja resistencia al impacto por sus enlaces iónico-covalentes. Hay muchas excepciones.

Tenacidad

Baja tenacidad debido a sus enlaces iónico-covalentes.

Fatiga

La fractura por fatiga es poco común debido a sus enlaces iónico-covalentes, lo que implica una ausencia de plasticidad.

Dureza

Poseen gran dureza.

Propiedades Físicas

Propiedades Térmicas

Presentan baja conductividad térmica debido a sus enlaces iónico-covalentes y son buenos aislantes térmicos. Poseen alta resistencia al calentamiento, por lo que son refractarios.

Propiedades Eléctricas

Son usados como aislantes eléctricos por sus enlaces iónico-covalentes. También son utilizados como dieléctricos o semiconductores.

Procesamiento y Fabricación de Cerámicos

1. Preparación del Material

   Se realiza la mezcla que luego será trabajada en los siguientes procesos.

2. Moldeo o Fundido

   Este paso se puede llevar a cabo de diferentes maneras:

   Moldeado en Barbotina

   Primero se prepara un cerámico en polvo y un líquido en una mezcla estable, llamada barbotina. Luego, se coloca la barbotina en un molde en reposo. La barbotina va eliminando líquido y, a medida que esto sucede, se forma una capa más o menos dura en la pared. Cuando se logra el espesor requerido, se interrumpe el proceso y se desaloja el exceso de la cavidad (excurrido). Seguidamente, se deja secar el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia esperada. Por último, se calienta para que consiga las propiedades y microestructura características.

   Extrusión

   Se utilizan máquinas de hélice-vapor que fuerzan al material cerámico plástico a pasar a través de un troquel de acero u otra aleación mediante una hélice accionada por un motor.

   Prensado

   Este puede ser prensado en seco, compactación isostática o compresión en caliente.

3. Tratamientos Térmicos (Secado y Horneado)

   Estos procesos incluyen:

   • Secado y Eliminación de Aglutinante: El propósito es eliminar agua antes de someter el material a altas temperaturas.
   • Vitrificación: En caso de que el material tenga una fase vítrea, esta se licúa y se rellenan los poros del material.
   • Sinterización: Es la transformación de un producto poroso a uno compacto y coherente. Es el proceso por el cual pequeñas partículas de un material se mantienen unidas por difusión en estado sólido. Mientras más se eleve la temperatura, menor será la porosidad. Se lleva a cabo hasta que el tamaño del grano sea equilibrado entre partículas grandes y pequeñas.

4. Tratamientos Posteriores y Acabado

   Pueden ser:

   • Tratamientos Mecánicos: Corte.
   • Tratamientos Térmicos: Templado.
   • Tratamientos Químicos: Esmaltado.