Propiedades y Clasificación de los Materiales Cerámicos Industriales

Introducción a los Materiales Cerámicos

También conocidos simplemente como cerámicas, estos materiales poseen una estructura compleja, formados por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces iónicos y covalentes. Se caracterizan por ser duros, tener una alta resistencia a la compresión, ser frágiles, poseer un punto de fusión elevado y conductividades bajas, salvo algunas cerámicas especiales. Además, presentan una elevada resistencia a agentes químicos y una estabilidad térmica elevada.

Clasificación de los Materiales Cerámicos

Materiales Cerámicos Tradicionales

Están constituidos por sílice, arcilla y feldespato, donde cada uno ejerce una función específica:

• La arcilla favorece el moldeado y aglutinado.
• La sílice aumenta la dureza del material.
• El feldespato actúa como fundente en el tratamiento térmico final.

Los materiales empleados en la construcción utilizan como materia prima la arcilla natural. Por otro lado, los productos de cerámica fina, como la porcelana y los materiales refractarios, parten de los mismos componentes básicos pero previamente purificados.

Materiales Refractarios

Los materiales refractarios tienen gran resistencia mecánica, soportan altas temperaturas y son estables ante el choque térmico. Dependiendo de su composición, son resistentes al ataque corrosivo de otros materiales y se comportan como aislantes térmicos.

El comportamiento químico del material depende en gran medida de su composición, que define a su vez sus propiedades ácido-base, por lo que se dividen en tres tipos: ácidos, básicos y neutros. Estos materiales se utilizan para el recubrimiento de hornos en aplicaciones variadas, como son el afino de metales, recubrimiento de calderas de vapor y la fabricación de cementos.

Materiales Cerámicos Avanzados

Están constituidos principalmente por compuestos puros o casi puros, principalmente óxidos, carburos, boruros y nitruros. Sus puntos de fusión son elevados. Entre las aplicaciones más importantes destacan:

• Alúmina sintetizada con MgO: Empleada como aislante eléctrico; son necesarias una alta resistividad y bajas pérdidas dieléctricas, como es el caso de las bujías para motores de combustión interna.
• Nitruro de silicio: Para piezas en motores a reacción y para cohetes.
• Carburo de silicio: Empleado como agente abrasivo debido a su dureza elevada. Tiene además la propiedad de resistir la oxidación aun a temperaturas muy elevadas, por lo que se emplea como refuerzo fibroso de materiales.

Estos y otros materiales de composición similar se experimentan en la fabricación de motores de combustión interna y en otros sistemas de generación de energía, ya que presentan ventajas como mayor resistencia al desgaste y corrosión, menores pérdidas por fricción y densidades más bajas, además de resistir temperaturas más elevadas.

Proceso de Fabricación de Materiales Cerámicos

1. Acondicionamiento de la materia prima

   Se realiza hasta llegar a un tamaño del grano adecuado para cada componente y tipo de cerámica. Es importante que el tamaño sea uniforme.

2. Dosificación y homogeneización

   Los componentes se mezclan uniformemente en seco o húmedo. Para cerámicas que no necesitan propiedades muy críticas, la mezcla se hace con agua.

3. Conformado y moldeo

   Se realiza por aglomeración de partículas en frío o caliente:

   • En frío: Se hace por prensado.
   • En caliente: Combina el efecto de presión con tratamiento térmico.
   • Moldeo en barbotina: Procedimiento para obtener cerámica hueca, formando una suspensión acuosa semilíquida del material que se vierte en un molde poroso; el agua es absorbida por el molde, dejando una capa sólida en las paredes cuyo espesor depende del tiempo.
   • Moldeo por extrusión: Empleado para ladrillos, tuberías y bloques.

4. Tratamientos térmicos

   • Secado y eliminación del aglutinante: El agua (H₂O) se elimina a temperaturas menores a 100 °C; los aglutinantes orgánicos entre 200 y 300 °C. La técnica de secado es crítica, ya que se pueden producir defectos, por lo que ha de ser lento y con un calentamiento uniforme.
   • Sinterización: Se consigue que las pequeñas partículas del material se mantengan unidas por difusión en estado sólido. Se da a alta temperatura, por debajo del punto de fusión; con ello aumenta el tamaño de la partícula y disminuye la porosidad.
   • Vitrificación: Cuando los materiales son calentados a temperaturas altas, algún componente actúa de fundente, reaccionando con el resto de la fase sólida para producir una fase líquida sobre las partículas, que se transforma en un sólido vítreo al enfriar, reduciendo o eliminando la porosidad.