Ceramicos

 MATERIALES CERAMICOS

Desafortunadamente, muchas personas, incluyendo los estudiantes, tienen la creencia que todas las cerámicas son materiales duros y frágiles, que se utilizan en forma exclusiva para fabricar vasijas, sanitarios y vajillas. A estos tipos de cerámicas se las conoce como cerámicas tradicionales y están formadas principalmente por vidrios de silicato, cementos y arcillas. Esta categoría tradicional de cerámicas aun hoy en día constituye la mayor parte de la industria de las cerámicas. Sin embargo, una combinación de desarrollos tecnológicos, como el descubrimiento de compuestos nuevos de cerámica con propiedades especiales, métodos nuevos y mejores para procesar y manufacturar cerámicas, junto con una demanda de motores mas eficientes y sistemas de temperaturas altas, han incentivado el desarrollo y la aplicación de materiales mas modernos de cerámica. A esta categoría de cerámicas se las conoce con frecuencia como las nuevas cerámicas y consisten principalmente en cerámicas puras y mezcladas con óxidos, además de compuestos de carburo, nitrógeno, boro y silicio. Aunque la producción de estas cerámicas de nueva generación no es tan grande como la de las tradicionales, sus aplicaciones están muy difundidas y son únicas. Por ejemplo, las cerámicas nuevas son una parte vital de las industrias de la electrónica y el magnetismo. También tienen mucha demanda en aplicaciones como las de los motores de temperaturas altas, en donde una consideración de las más importantes es una eficiencia más alta; el maquinado de aleaciones metálicas duras con velocidades altas de corte; combustibles de reactores nucleares; recubrimientos que deben poseer una resistencia alta a las altas temperaturas combinada con estabilidad química; además de numerosas aplicaciones ópticas: pantallas fluorescentes, láseres y películas iridiscentes. 

El número de materiales cerámicos es muy grande, y aunque sus propiedades varíen, todos presentan una característica común: son intrínsicamente frágiles, y esto es lo que determina la forma de usarlos.

La aplicación satisfactoria de los cerámicos depende mucho de la habilidad del ingeniero para desarrollar estructuras y componentes de manera de aprovechar las propiedades ventajosas de los cerámicos y minimizar el impacto de las características limitantes. Además, las propiedades que se logren en un material cerámico de una determinada composición dependen casi enteramente del procesamiento de la materia prima.

Estructura de los cerámicos

Los cerámicos tienen una estructura a escala atómica: su estructura cristalina (si son cristalinos), o su estructura amorfa (si son vítreos). También tienen una estructura a mayor escala: la forma y el arreglo de sus granos o fases, el tamaño y la fracción volumétrica de poros que contengan (la mayoría de los cerámicos son porosos).

Se puede hacer una distinción importante entre los cerámicos que presentan enlaces predominantemente iónicos y los que presentan enlaces predominantemente covalentes.

• Cerámicos iónicos 
•  Cerámicos covalentes

Formas de unión entre las unidades tetraédricas:

• Cadenas del tipo -Si-O-Si-O-Si-: donde dos oxígenos de cada tetraedro están compartidos (puente de oxígeno) y los otros oxígenos forman enlaces iónicos entre cadenas, unidos por MO (Figura 21). Estos últimos enlaces son mas débiles que los enlaces -Si-O-Si, y por lo tanto éste tipo de silicatos son fibrosos. Por ejemplo, el asbestos tiene esta estructura. 
• Estructuras laminares: la abundancia de unidades de tetraedros de silicio en un plano mas que en una línea, hace posible las estructuras de un grupo de materiales cerámicos como las arcillas, micas, talcos, etc (Figura 22). En la parte inferior cada oxígeno está totalmente satisfecho con un complemento de 8 e- disponibles, ya que tales oxígenos comparten e- con los silicios adyacentes; en consecuencia, sólo hay enlaces secundarios disponibles para unir cada lámina a las adyacentes. Las laminillas de mica, la plasticidad de la arcilla, y la característica lubricante del talco, son consecuencia de este acomodamiento estructural. 
• Estructuras en red: cuando los oxígenos de las cuatro esquinas del tetraedro SiO4 están compartidos, se forma una red de sílice. Esta disposición puede dar origen a estructuras cristalinas o amorfas

Temperatura de transición vítrea de los cerámicos

 Una de las propiedades características del vidrio es que no tiene una temperatura de solidificación, sino que a medida que se enfría se vuelve, gradualmente, más y más viscoso. El comportamiento frente a la solidificación de un vidrio es diferente al de un cristal. Si se analiza la variación del volumen específico (recíproco de densidad) en función de la temperatura para un material que solidifica cristalino y para uno que lo hace en forma amorfa (Figura 24), se observa que al enfriar el líquido del material que puede cristalizar, su volumen disminuye aumentando así su densidad. Este líquido cristalizará en su punto de fusión (Tf), con una disminución brusca de su volumen específico. La temperatura Tf permanece constante hasta que todo el líquido solidifica. Por el contrario, un líquido que forma un vidrio, no cristaliza y el líquido se vuelve más viscoso a medida que la temperatura va disminuyendo y se transforma desde un estado viscoso y blando a un estado vítreo y rígido en un margen reducido de temperatura, donde la pendiente de la curva del volumen específico frente a la temperatura es marcadamente decreciente. El punto de intersección de las dos pendientes de esta curva define un punto de transformación llamado temperatura de transición vítrea, Tg. 

Procesamiento de los materiales cerámicos

El vidrio, se presenta en estado líquido a temperaturas de aproximadamente 1000 ºC, y puede ser colado como un metal. A temperaturas mas bajas (alrededor de los 700 ºC) es muy viscoso, y puede ser conformado nuevamente con los métodos también utilizados para los metales: laminado, prensado y forjado.

Pero los cerámicos ingenieriles tienen altos puntos de fusión (en el entorno de los 2000ºC) lo que no posibilita la fusión y el moldeo por colada. No tienen la plasticidad que permita los procesos de conformado secundarios usados para los metales: forjado, laminado, maquinado, etc. Por lo tanto, la mayoría de éstos cerámicos son conformados mediante sinterizado. Los polvos o partículas cerámicas, son prensados y horneados, en distintas formas, para dar el producto final con la forma deseada y la mayor densidad posible (menor porosidad).

Los cerámicos vítreos son distintos. La arcilla, cuando se humedece, es hidroplástica: el agua se introduce entre las partículas de arcilla, lubricando el deslizamiento entre ellas, y permitiendo que la arcilla sea conformada a mano o con una simple máquina.

Utilización de los materiales cerámicos

Los cerámicos se seleccionan cuando los requerimientos son: resistencia mecánica a altas temperaturas, estabilidad térmica, dureza, resistencia química, propiedades eléctricas/ópticas/magnéticas y/o conductividad térmica. En particular, los cerámicos estructurales son usados cuando se requiere resistencia mecánica a alta temperatura, usualmente en el rango de 600 a 1600 C. A temperaturas inferiores a 600 C, los polímeros (en el rango de 22 a 300 C) y los metales/aleaciones (en el rango de 22 a 600 C) ofrecen la relación costo/comportamiento mas favorable. Aunque el procesamiento es determinante de las propiedades finales de la mayoría de los cerámicos, también es necesaria la selección de una apropiada composición química. Generalmente, los óxidos son menos costosos y más fáciles de procesar, mientras que los no-óxidos ofrecen propiedades mecánicas superiores y mayor estabilidad térmica.