CERÁMICOS

Definición

Los materiales cerámicos son sustancias inorgánicas no metálicas, formados por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces iónicos y/o covalentes. Algunos ejemplos comunes incluyen:

• FeO – óxido de hierro
• SiO₄ – sílice
• Al₂O₃ – alúmina
• CaF – blenda
• CSi – carburo de silicio (80% enlace covalente – muy duro)

Existen tres tipos principales de materiales cerámicos:

• Vidrios – estructura amorfa
• Cerámicas tradicionales – estructura cristalina
• Cerámicas avanzadas – estructura cristalina

Propiedades Generales

• Enlaces fuertes (covalentes y/o iónicos)
• Elevados módulos elásticos
• Gran dureza
• Fragilidad
• Elevada resistencia mecánica (a la compresión)
• Resistencia a la oxidación/corrosión (elevada resistencia química) – utilizados como biomateriales
• Altos puntos de fusión, escasa conductividad térmica y alta resistencia al choque térmico – utilizados como materiales refractarios en siderurgia, industria del vidrio, del cemento…
• Escasa conductividad eléctrica

Ecuación de Pauling

% carácter iónico = (1 – e^{(-1/4*(X_M-X_X)2)}) * 100

Donde:

• X_M y X_X – electronegatividades de los elementos del compuesto

Clasificación según Estructura

Cristalinos

Al solidificar, los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo, presentando orden a corto y largo alcance. Un ejemplo es el cuarzo (sílice cristalino).

Amorfos

Presentan solo orden a corto alcance (orden-caos). Un ejemplo es el vidrio (sílice amorfo).

Estructuras Cristalinas Iónicas

Las estructuras cristalinas iónicas deben cumplir cuatro requisitos:

1. El resultado de la carga neta de la combinación metal-no metal tiene que ser 0.
2. El tamaño del metal o catión siempre tiene que ser más pequeño que el del no metal o anión.
3. En la celdilla unidad se deben disponer aniones alrededor del catión principal para que esa celdilla unidad sea la más estable posible (mayor número de coordinación – mayor estabilidad). Las celdillas cristalinas estables tienen celdillas: tetraédricas (número de coordinación – 4), octaédricas (número de coordinación – 6) y cúbicas (número de coordinación – 8).
4. El metal que está dentro de la red cristalina tiene que estar en contacto con los átomos no metálicos (sin capacidad de moverse).

Estructuras Cristalinas Covalentes

Diamante

• Único átomo constituyente – C (carbono)
• Estructura extremadamente estable (3700 °C)
• Alta resistencia al desgaste (extrema dureza)
• Elevado módulo elástico
• Alta resistencia a tracción
• Aislante eléctrico
• Alta conductividad térmica

Usos: diamante sintético en sierras, brocas, lijas… y diamante de la naturaleza en joyería.

Grafito

• Enlace covalente con 3 átomos de C
• Más estable que el diamante a temperatura y presión ambiente
• Blando
• Actúa como lubricante en seco y es graso
• Conductividad eléctrica alta en la nube electrónica, pero en conjunto es aislante eléctrico
• Buen conductor del calor

Grafeno

• Cada una de las láminas individuales del grafito
• Flexible (como un plástico flexible)
• Elevada resistencia a la tracción (200 veces más que el acero)
• Alta conductividad térmica
• Alta conductividad eléctrica
• Casi completamente transparente

Nanotubos de Carbono

• Láminas de grafeno enrolladas en forma de cilindro
• Es la fibra más resistente que existe
• Semiconductores, superconductores o aislantes
• Almacenamiento de gases (H₂) – membranas de gases y fármacos

Fullerenos

Esfera de grafeno con pentágonos y hexágonos dentro de la red. Un ejemplo es el fullereno C60.

Familia de los Silicatos

• Componentes más abundantes de la corteza terrestre
• Todos tienen el tetraedro de silicio como celdilla unidad (SiO₄^4-)
• No cumplen el primer requisito de las estructuras cristalinas iónicas
• Bajo precio
• Alta disponibilidad

Ortosilicatos u Olivinas

Un tetraedro de silicio que reacciona con el magnesio o con el hierro (Mg₂SiO₄ o Fe₂SiO₄).

Pirosilicatos

Dos tetraedros de silicio. Un ejemplo es Si₂O₇^6-.

Metasilicatos

Formación de anillos o cadenas. Un ejemplo es el cuarzo (forma de anillo).

Sílice (SiO₂)

• También conocido como cuarzo
• Segundo material más abundante en la corteza terrestre
• Es el componente principal de los vidrios (sílice amorfa)
• Transformaciones de fase: cuarzo – 867 °C – tridimita – 1470 °C – cristobalita – 1710 °C – fundido

Feldespatos

• Mineral más abundante (60% de la corteza terrestre)
• Algunos iones Si⁴⁺ han sido sustituidos por algunos iones Al³⁺
• Aplicaciones: industria del vidrio y la cerámica, lozas para paredes y techos, sanitarios, porcelanas eléctricas y esmaltes
• Ejemplos: feldespato potásico (KAlSi₃O₈), albita (NaAlSi₃O₈), anortita (CaAl₂Si₂O₈)
• Cuarzo + feldespato + mica = granito (siendo el feldespato el responsable de la meteorización por las condiciones de alta humedad)

Procesado de Materiales Cerámicos

1. Selección del material
2. Molienda (clave para conseguir las mejores propiedades de la pieza)
3. Mezclado (opcional – solo cuando los requerimientos técnicos de la pieza sean bajos)
4. Conformado (dar forma) – se densifica el material y se mejoran las propiedades mecánicas
5. Horneado
   • Sinterización (gana rigidez y resistencia mecánica)
6. Caracterización
7. Fractografía

Cerámica tradicional:

1. Conformado en frío
2. Horneado en caliente

Cerámica avanzada:

• Conformado en caliente a elevada temperatura y presión (se conforma y se sinteriza a la vez)

Molienda

Se busca obtener un tamaño de grano lo más pequeño y uniforme posible.

Mezclado

Se mezcla con aglutinantes y lubricantes. Ejemplos: ladrillos, refractarios, baldosas.

Conformado

Se da forma y consistencia a los polvos. No requiere temperaturas elevadas. El aumento de la densidad mejora las propiedades mecánicas.

Prensado Uniaxial

Aplicación de presión en una única dirección, lo que produce la compactación de los polvos cerámicos.

Prensado o Compactación Isostática

Aplicación de presión uniformemente en todas las direcciones del espacio.

Moldeo en Barbotina o Colado

Se utiliza cuando hay mezcla húmeda. Se emplea un molde poroso de yeso, con porosidad controlada y espesor máximo de 10 mm. El horneado se realiza entre 1200-1400 °C. Es un proceso lento y de producción a pequeña escala.

Conformación por Extrusión

Se obtienen piezas de longitud indeterminada y sección transversal constante. Ejemplos: ladrillos, vigas.

Hidroplasticidad

Se utiliza con arcillas mezcladas con agua.

Etapa de Secado Suave

Se realiza durante 24 horas a 90 °C para evitar la aparición de grietas y poros.

Horneado y Sinterización

Se realiza entre el 70 y el 80% de la temperatura de fusión. Genera puentes de unión entre los granos individuales.

• Aumenta la rigidez
• Aumenta la resistencia mecánica
• Disminuye la fragilidad

Las temperaturas no suelen exceder los 1300 °C (tradicionales) y 1800 °C (avanzadas).

Sinterización

Unión entre pequeñas partículas a alta temperatura y presión por difusión en estado sólido (solo en los materiales cristalinos en estado sólido).

Sinterización en Fase Líquida

Vitrificación: 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.