Propiedades y Comportamiento Mecánico de Cerámicas Avanzadas: SiC y Circonia

Materiales Cerámicos Refractarios Clave

Carburo de Silicio (SiC)

El Carburo de Silicio (SiC) es un carburo refractario duro que posee propiedades muy importantes. Su dureza es alta, es químicamente inerte, tiene buena resistencia a la abrasión y una notable resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Sin embargo, el Carburo de Silicio (SiC) es relativamente quebradizo debido a su baja resistencia al impacto, lo que dificulta la producción de piezas cerámicas densas de grano fino.

Puede ser sinterizado a 2100 °C con 0.5 a 1 % de Boro (B) como auxiliar del proceso. Se usa comúnmente como reforzamiento fibroso para materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica.

La resistencia a la flexión del Carburo de Silicio (SiC) sinterizado es aproximadamente de 460 MPa, y su resistencia al impacto varía entre 3 y 5 MPa. De aquí que la mayoría de sus aplicaciones se basen en su alta dureza, resistencia química y resistencia a la abrasión.

Circonia (ZrO₂)

La Circonia (ZrO₂) pura es polimórfica y se transforma de la estructura tetragonal en la monoclínica a unos 1170 °C, acompañada de una expansión de volumen. Por lo tanto, está sujeta al agrietamiento. Sin embargo, combinada con ZrO₂ y con otros óxidos refractarios, tales como CaO, MgO e Y₂O₃, se puede estabilizar la estructura cúbica a temperatura ambiente.

Ya se le han encontrado algunas aplicaciones. Combinando Circonia (ZrO₂) con el 9 % de MgO y tratamientos térmicos especiales, se puede producir una Zirconia Parcialmente Estabilizada (PSZ) con una resistencia al impacto especialmente alta, que encuentra utilidad en las nuevas aplicaciones de los cerámicos.

Propiedades Mecánicas de las Cerámicas

Generalidades

Las cerámicas son relativamente frágiles. La resistencia a la tensión observada en las cerámicas varía mucho, en un intervalo que abarca valores muy bajos de menos de 100 psi (0,69 MPa) hasta aproximadamente 10⁶ psi (7x10³ MPa) para *trizas* (fibras cerámicas refractarias formadas por monocristales) como la Alúmina (Al₂O₃) preparadas bajo cuidadosas condiciones controladas. Sin embargo, algunas cerámicas tienen resistencias a la tensión superiores a 25 000 psi (172 MPa).

• Hay grandes diferencias entre las resistencias a la tensión y a la compresión, siendo esta última generalmente de unas cinco (5) a diez (10) veces más que la anterior.
• Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus enlaces iónicos-covalentes. Sin embargo, hay muchas excepciones a estas generalizaciones.

Por ejemplo, la arcilla plastificada es un material cerámico blando y fácilmente deformable a causa de sus fuerzas de enlaces secundarios débiles entre las capas de átomos enlazados fuertemente en forma iónica y covalente.

Mecanismos para la Deformación de Materiales Cerámicos

La carencia de plasticidad de las cerámicas cristalinas se debe a sus enlaces químicos iónicos y covalentes.

En cristales covalentes y cerámicas unidas en forma covalente, el enlace entre átomos es específico y direccional, involucrando el intercambio de cargas electrónicas entre pares de electrones.

Así, cuando los cristales covalentes se someten a esfuerzos suficientemente grandes, sufren una fractura frágil a causa de la separación de los enlaces de pares de electrones, sin su reformación subsecuente.

Las cerámicas unidas en forma covalente, por tanto, son frágiles en estado de monocristal y en el de policristalino, donde forman fracturas en los límites de los granos. La mayoría de las cerámicas industrialmente importantes son policristalinas, de allí que todos los materiales cerámicos tiendan a ser frágiles.

Factores que Afectan la Resistencia de los Materiales Cerámicos

La falla mecánica de los materiales cerámicos se presenta principalmente por defectos estructurales. Las principales fuentes de fractura en policristales cerámicos son:

• Las grietas superficiales producidas durante el acabado superficial.
• Los huecos (porosidad).
• Las inclusiones.
• Los granos grandes, que se forman durante el procesamiento.