Materiales Cerámicos: Composición, Procesado y Diversidad de Aplicaciones Industriales

Introducción a los Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos están formados por la combinación de metales y no metales, caracterizándose por enlaces iónicos y/o covalentes. Poseen propiedades distintivas como su dureza y fragilidad, baja tenacidad y ductilidad, pero una excelente resistencia a la compresión. Son reconocidos por ser buenos aislantes eléctricos y térmicos, presentar altos puntos de fusión y una estabilidad química y térmica relativamente alta.

Materiales Cerámicos Vítreos

En los materiales cerámicos vítreos, la temperatura a la cual el material pasa de un estado más sólido a uno más líquido se denomina temperatura de transición vítrea (Tg). Por debajo de la Tg, el material se comporta como un vidrio; por encima, como un líquido subenfriado o un líquido. La sílice es el constituyente principal del vidrio, aunque se añaden otros óxidos para reducir la temperatura de fusión, modificar propiedades físicas o mejorar su estética.

Clasificación de Óxidos en Vidrios

• Formadores de vidrio: Óxidos con valencia mayor o igual que 3 e ion pequeño.
• Modificadores: Óxidos de elementos de valencias bajas que rompen la estructura reticular, provocando una cristalización parcial y localizada. Solo se pueden agregar en cantidades limitadas, ya que su función principal es disminuir las temperaturas de fusión y facilitar el procesado.
• Intermedios: No forman vidrios por sí solos, sino que se unen a cadenas de sílice para mantener el estado vítreo. Se pueden añadir en grandes cantidades.

Tratamiento Térmico de los Vidrios

Al calentar el vidrio a altas temperaturas, pueden originarse tensiones internas térmicas. Como consecuencia de la diferente velocidad de enfriamiento entre el centro y la superficie de las piezas, pueden producirse fracturas debidas al choque térmico. Para evitar estas fracturas, se emplean enfriamientos muy lentos o recocidos posteriores.

Con el temple del vidrio, se introducen tensiones residuales que mejoran significativamente su resistencia. Durante el temple, el vidrio se calienta a una temperatura intermedia entre la Tg y la temperatura de ablandamiento. Posteriormente, se enfría rápidamente a temperatura ambiente mediante un chorro de aire o un baño de aceite. La superficie se enfría más rápidamente y, una vez que alcanza una temperatura por debajo del punto de deformación, el material se rigidiza. El interior, al estar más caliente, permanece más plástico, lo que genera las tensiones compresivas superficiales deseadas.

Materiales Cerámicos Cristalinos

Los materiales cerámicos pueden tener una composición idéntica, pero presentar estructuras cristalinas muy diferentes. La sílice y los silicatos son los materiales cerámicos cristalinos más utilizados actualmente. Bajo condiciones de equilibrio y a presión atmosférica, la sílice presenta polimorfismo, aunque sus cambios de fase son lentos.

Estructura de Cerámicos Iónicos Sencillos

En los sólidos cerámicos iónicos, el empaquetamiento de los iones está determinado principalmente por:

• El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico.
• La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad en el sólido iónico.

Cuanto mayor sea el número de aniones que rodea al catión central, más estable será el sólido.

Principales Cerámicos Cristalinos

• Sílice (SiO₂): Mineral cuarzo.
• Alúmina (Al₂O₃): Minerales como el rubí y el zafiro.
• Magnesia (MgO)
• Silicatos

Aplicaciones y Tipos de Cerámicas

Productos de Arcilla

Se les añade un material más grueso, como el cuarzo, y un material fundente, como el feldespato. Con ellos se obtienen productos como ladrillos, losetas y porcelana.

Materiales Refractarios

Compuestos por óxidos de alto punto de fusión, poseen un gran poder de aislante térmico. Se clasifican en ácidos, bases o neutros, según su composición química.

Espinelas

Tienen estructuras tipo A²⁺ B³⁺₂, utilizándose ampliamente en la industria refractaria y eléctrica.

Carburos, Nitruros y Siliciuros

Estos materiales presentan altos puntos de fusión y una elevada dureza. Se utilizan mezclados con un metal más blando para obtener una especie de aleación denominada cermet, que posee la tenacidad necesaria para herramientas de corte.

Cerámicas Eléctricas y Magnéticas

Poseen excelentes características aislantes y deben tener poca porosidad, por lo que se utilizan cerámicas vitrificadas como la porcelana o el vidrio. Ejemplo: bujías.

Esmaltes y Vidriados

Se añaden a la superficie de las cerámicas para hacerlas impermeables, proporcionarles protección o con fines decorativos.

Abrasivos

Materiales de alta dureza utilizados para pulir, cortar o desbastar otros materiales.

Carbono (como material cerámico)

Presenta excelentes propiedades como lubricante y como conductor eléctrico y térmico, en sus diversas formas alotrópicas.

Mejora de la Tenacidad en Cerámicos

La tenacidad de los materiales cerámicos puede mejorarse mediante un control cuidadoso del proceso de fabricación y por la modificación de su estructura interna.