Tecnología de Materiales Cerámicos: Estructura, Propiedades y Procesamiento Avanzado

Materiales Cerámicos: Fundamentos y Clasificación

Los materiales se clasifican en: metales, cerámicos, polímeros y compuestos.

Cerámicos: Definición y Características

Los cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, formados por elementos metálicos y/o no metálicos, unidos por enlaces iónicos y/o covalentes.

Tipos de Cerámicos

• Cerámicos Tradicionales
• Cerámicos Avanzados
• Vidrios Tradicionales

Propiedades Generales de los Cerámicos

• Enlaces fuertes
• Escasa conductividad eléctrica y térmica
• Elevado módulo de elasticidad
• Gran dureza y resistencia mecánica
• Frágiles
• Estabilidad química
• Elevado punto de fusión

Clasificación por Estructura

• Cristalino: Presenta un orden y distribución tridimensional definidos.
• Amorfo: Posee orden y distribución solo a corto alcance.

Estructura Cristalina Iónica

La estructura cristalina iónica está determinada por:

• El valor de la carga eléctrica de los iones (electroneutralidad).
• El tamaño relativo de aniones y cationes.
• Todos los aniones alrededor del catión central tienen que estar en contacto para asegurar la estabilidad.
• A mayor número de coordinación, mayor estabilidad.

Estructura Cristalina Covalente

Ejemplo: Diamante

• Extrema dureza
• Buen conductor de calor
• Aislante eléctrico
• Elevado módulo de elasticidad
• Gran estabilidad a elevadas temperaturas

Tipos de Estructuras Cristalinas Covalentes

Grafito:

• Estructura hexagonal por capas.
• Excelentes propiedades lubricantes.
• Alta conductividad térmica.
• Alto conductor eléctrico en direcciones paralelas a los hexágonos.

Grafeno:

• Flexible y 200 veces más resistente que el acero.
• Alto conductor eléctrico y térmico.
• Casi transparente.
• Átomo compartido con otros 3 enlaces covalentes.

Silicatos

Los silicatos son los elementos más abundantes en la corteza terrestre, destacando por su bajo precio, disponibilidad y propiedades especiales. Sus estructuras se basan en el tetraedro de sílice.

Sílice (SiO2)

• Estructura: Red tridimensional formada por tetraedros.
• Material eléctricamente neutro.
• El silicato más simple.
• Gran carácter covalente.

Feldespato

• Mineral más abundante en la corteza terrestre (60 %).
• Al desequilibrarse las cargas, se compensan con cationes metálicos múltiples.

Procesado de Materiales Cerámicos

El procesado de cerámicos implica una serie de etapas clave para transformar las materias primas en productos finales con las propiedades deseadas.

Etapas del Procesado

1. Mezclado

   Consiste en la combinación de partículas con otros constituyentes, ya sea en seco o con agua.

2. Molienda

   Reducción del tamaño de partícula para lograr una distribución granulométrica adecuada, que proporcione uniformidad y máxima densidad de empaquetamiento durante el conformado.

3. Conformado (Procesado para dar forma)

   Etapa donde se da forma y consistencia a los polvos. Se produce un aumento de la densidad, mejorando así las propiedades mecánicas del material.

   Tipos de Técnicas de Conformado

   Prensado

   Permite la producción rápida de una gran variedad de piezas con uniformidad y pequeñas tolerancias.

   • Uniaxial: La presión se aplica en una dirección, produciendo cerámicos de alta densidad con propiedades mecánicas mejoradas.
   • Isostático: La presión es uniforme en todas las direcciones, ideal para formar productos refractarios (alta resistencia térmica).

   Colado

   Utilizado para la producción serializada de piezas complejas. Requiere moldes permanentes y el material en estado líquido.

   Limitaciones:

   • Proceso lento.
   • Espesor máximo de 10 mm.
   • Control de contracciones y saturación del molde.

   Conformado Plástico

   • Extrusión: Produce formas alargadas que se cortan según se desee.
   • Inyección: Más versátil, permite producir un mayor número de piezas al año.

4. Tratamiento Térmico

   Fase crucial para consolidar el material y desarrollar sus propiedades finales.

   Secado

   Eliminación del exceso de humedad. Se realiza a temperaturas inferiores a 100ºC y durante un tiempo aproximado de 24 horas. Durante el secado, se produce una contracción que debe considerarse en el diseño.

   Horneado y Sinterización

   • Horneado: Otorga mayor rigidez y resistencia al material.
   • Sinterización: Unión de pequeñas partículas (a mayor temperatura y presión) por difusión en el estado sólido.

   Vitrificación (Sinterización en Fase Líquida)

   Los fundentes o impurezas presentes en las partículas cerámicas reaccionan entre sí para producir una fase líquida (base vítrea) en la superficie de los granos.

   El líquido ayuda a:

   1. Eliminar la porosidad.
   2. Solidificar una matriz vítrea que une las partículas entre sí a modo de aglutinante cerámico.