Materiales cerámicos: tipos, propiedades y procesos de fabricación

Materiales cerámicos: Clasificación y conceptos clave

Cerámicos tradicionales

Cerámicos tradicionales:

• Lozas
• Porcelanas
• Refractarios (cerámicos de cocción)

Cerámicos triaxiales y vidrios

Cerámicos triaxiales (composición típica: arcilla, feldespato y cuarzo).

Vidrios: red de silicatos.

Cementos y conglomerantes

Cementos (hormigón): conglomerantes hidráulicos.

Cerámicos de ingeniería y funcionales

Cerámicos de ingeniería o tecnológicos: compuestos de alta pureza. Incluyen:

• Cerámicos funcionales
• Cerámicos para condensadores
• Semi-conductores cerámicos: óxidos sinterizados de Ni, Fe, Cu
• Materiales piezoeléctricos
• Cerámicas iónicas

Perovskita

Perovskita: red derivada de la cúbica simple. Ejemplo estructural: Ba²⁺ en los vértices, Ti⁴⁺ en el centro y O^2- en las caras.

Transductores y propiedades eléctricas

Transductores: presentan propiedades eléctricas especiales (generan impulsos eléctricos por deformación de la red).

Cerámicas de ingeniería: materiales y aplicaciones

Cerámicas de ingeniería: constituidas por compuestos puros o casi puros (óxidos, carburos, nitruros), a menudo combinados con otros óxidos refractarios. Ejemplos y propiedades:

Alúmina (Al₂O₃)

• Resistencia a altas temperaturas: refractarios.
• Aplicaciones eléctricas: alta resistividad.

Nitruro de silicio (Si₃N₄)

• Resistencia al impacto.
• Refractario.
• Aplicaciones: herramientas de corte, rodillos antifricción, cojinetes de bolas.

Carburo de silicio (SiC)

• Resistencia al desgaste: cojinetes de bolas, troqueles de extrusión.
• Resistencia a la oxidación a alta temperatura (inerte): aplicaciones en procesos químicos (válvulas, toberas).

Zirconia (ZrO₂)

• Polimorfismo.
• PSZ (zirconia parcialmente estabilizada): cerámica tenaz.

Detalles sobre la circonia parcialmente estabilizada:

• Partículas pequeñas de ZrO₂ son dispersas dentro del material.
• Adición de pequeñas cantidades de CaO, MgO, Y₂O₃ o CeO₂, que permite retener la estructura tetragonal metaestable a temperatura ambiente.
• El incremento de tensiones en la punta de una fisura induce la transformación tetragonal → monoclínico, lo que provoca un aumento de volumen, genera compresión en la fisura y detiene su avance.

Cerámicas funcionales y piezoeléctricas

Cerámicas funcionales incluyen materiales usados en condensadores, semiconductores cerámicos y dispositivos piezoeléctricos. Son críticos para transductores y componentes electrónicos por sus propiedades eléctricas.

Fabricación de cerámicas cristalinas (procesos tradicionales y modernos)

Fabricación de cerámicas cristalinas — proceso tradicional:

• Mezclar arcilla con agua (hidroplasticidad).
• Conformado en húmedo: de cualquier conformado se obtiene una pieza en verde; para darle resistencia y rigidez se somete a tratamientos posteriores.

Conformados y técnicas

• Prensado uniaxial: aplicar la fuerza de prensa en una sola dirección.
• Prensado en caliente o isostático: contenedor neumático en el que se introduce la mezcla.
• Barbotina (sanitarios, piezas huecas): se diseña un molde de yeso que se rellena y se deja secar; la barra se seca hacia las paredes hasta conseguir el espesor deseado; después se vacía y se da el acabado. Para piezas macizas se deja enfriar.
• Extrusión: 'churros' para geometrías simples (ladrillos, tejas, refractarios, tuberías).

Secado y cocción

Para obtener resistencia y rigidez, se realiza el secado: se elimina el agua no enlazada a temperaturas inferiores a 100 °C. Estos pasos producen grandes cambios en el volumen de la pieza y generan porosidad por la contracción volumétrica.

Posteriormente se pasa a la etapa de cocción: se elimina el agua enlazada a temperaturas superiores a 800 °C. Tras el enfriamiento se obtiene un sólido rígido y denso.

Control de porosidad en cerámicas de ingeniería

En cerámicas de ingeniería no puede haber porosidad. Métodos habituales:

• Atomización: se obtiene partículas de material puro (polvos).
• Sinterización: a temperaturas muy altas las partículas sufren coalescencia y se obtiene una pieza final compacta o densa con elevada resistencia mecánica.

Vidrios: composición, tipos y conformado

Vidrios formados por óxidos: existen formadores, modificadores (rompen la red y modifican la viscosidad) y intermedios (se incorporan a la red). Estos componentes confieren características especiales.

Óxidos y tipos de vidrio

• Óxido de aluminio: aluminosilicatos que resisten mayores temperaturas.
• Vidrios de cuarzo: resistentes al choque térmico. Difíciles de fabricar. Usos: lunas de vehículos especiales, óptica.
• Sodio-silicatos: láminas de vidrio, vidrio corriente. Fáciles de fabricar. Usos: ventanas, recipientes, bombillas eléctricas.
• Vidrio plomo: fácilmente fundible con buenas propiedades eléctricas; protegen de radiación de alta energía. Usos: carcasas de fluorescentes, cristal decorativo.
• Borosilicatos: baja expansión, buena resistencia al choque térmico y estabilidad química. Aplicaciones en la industria química (Pyrex).

Conformado del vidrio

• Prensado: el vidrio caliente, a la temperatura que alcanza el valor de viscosidad adecuado, se aplasta.
• Soplado: similar al prensado pero insuflando aire.
• Estirado: «máquina de estirado» (a veces llamada máquina de chicle).
• Fibras de vidrio: fabricación mediante peines/boquillas en máquinas específicas.

Vidrio templado

En el templado se enfrían los alrededores con aire o N₂ manteniendo más caliente el centro; al enfriarse, el centro queda en compresión y los alrededores en tracción, generando un perfil de tensiones que aumenta la resistencia mecánica. Para láminas muy finas no siempre es viable; en ese caso se realizan procesos de intercambio iónico: inmersión en un baño de KNO₃, donde el ion K⁺ sustituye al Na⁺ y, al ser más grande, genera tensiones de compresión superficiales que endurecen el vidrio.

Vitrocerámicas

Vitrocerámicas: materiales con combinación de fases cristalinas y amorfas. Propiedades destacadas:

• Buena resistencia mecánica.
• Buena tenacidad.
• Bajo coeficiente de expansión térmica.
• Alta resistencia al choque térmico.
• Alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas.
• Anisotropía de la conductividad térmica: baja conductividad en el plano y muy alta en la dirección perpendicular.

Proceso: el vidrio se funde y se conforma; añadiendo TiO₂ durante la nucleación se crean núcleos que forman la fase cristalina.

Notas finales

El texto conserva la información original, corregida ortográfica y gramaticalmente, y organizada en secciones para facilitar la lectura. Se han destacado los conceptos clave y se han estructurado los procesos y materiales para una consulta rápida.