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Jarold Exael Olivares Renteria Séptimo Semestre Ingeniería Escuela de Ingeniería Tecnología de los materiales MTI. Gandhi Sánchez Arroyo
Ensayo sobre Cerámicas y Vidrios
Actividad a desarrollar: Una vez analizadas las lecturas y los videos mencionados para la realización de esta actividad el estudiante por su parte tendrá que investigar dos fuentes bibliográficas diferentes a las aquí presentadas para realizar un ensayo el cual debe cubrir al menos con los siguientes puntos: ¿Qué son los materiales Cerámicos y cuales son sus usos en ingeniería? ¿Qué son los materiales Cristalinos y cuales son sus usos en ingeniería? cuales son las principales propiedades químicas, físicas, mecánicas y ópticas de los materiales Cerámicos y Cristalinos
¿Qué son los materiales Cerámicos y cuales son sus usos en ingeniería?
En la unidad precedente se han analizado las diferentes familias de materiales
metálicos utilizadas en la ingeniería, que podrían completarse en cuanto a
características mecánicas y comportamiento resistente a altas temperaturas con
los materiales cerámicos, que además poseen propiedades muy especiales en
cuanto a conductividad eléctrica y magnética, así como una gran estabilidad
química
Los materiales cerámicos tienen una gran variedad de aplicaciones que van
desde la alfarería, fabricación de materiales para la construcción (ladrillos,
azulejos, loza, etc.), hasta aplicaciones a elevadas temperaturas, materiales
refractarios, aplicaciones eléctricas y electrónicas como materiales aislantes,
substratos semiconductores, imanes, materiales ferroeléctricos o piezoeléctricos,
etc., y finalmente como materiales que conjugando estas propiedades permiten su
aplicación industrial por su elevada tenacidad.
En esta unidad didáctica, repasaremos la estructura de los materiales
cerámicos, ya estudiada en la unidad 3, tanto cristalinos como vítreos,
resumiendo sus principales propiedades y aplicaciones. Se describirán algunos
procesos productivos que completarán la visión general que sobre el procesado
de materiales cerámicos debe darse.
Debido a diversidad de materiales y las diferentes aplicaciones a las que
pueden destinarse, el estudio de los mismos se abordará siguiendo la clasificación
siguiente, que sin obedecer a ningún tipo de material o aplicación específica
siguen una secuencia lógica en su exposición:
Estructuras cerámicas silico-aluminosas. Estructuras cerámicas no cristalinas. Porcelanas. Cerámicas eléctricas y magnéticas. Cerámicas tenaces. ¿Qué son los materiales Cristalinos y cuales son sus usos en ingeniería? Los minerales se caracterizan, entre otras cualidades, por poseer una estructura cristalina. Los materiales cristalinos son aquellos materiales sólidos, cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada en las tres direcciones del espacio. Así, la propiedad característica y definidora de la materia cristalina es ser periódica. Quiere esto decir que, a lo largo de cualquier dirección, los elementos que la forman se encuentran repetidos a la misma distancia (traslación). Este principio es válido
Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios mas agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al 2 O 3 ), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si 3 N 4 ). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica. Constitución de los materiales cerámicos Están formados por una combinación de fases cristalinas y/o vítreas Se pueden presentar en función de la aplicación como sólido denso, polvo fino, pelicula, fibra, etc. Los hay constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominandose monofásicos Los constituidos por muchos cristales de la misma fase cristalina se denominan policristalinos Los monocristales se refieren a materiales constituidos por un solo cristal de una única fase ¿Qué elementos o combinación de elementos forman los materiales cerámicos? En general los componentes de los materiales cerámicos, fase(s) cristalina(s) y/o vítrea(s), están formados por elementos metálicos y no metálicos Los enlaces en las diferentes fases pueden tener desde naturaleza iónica a covalente ¿Qué propiedades tienen los materiales cerámicos? Las propiedades de los materiales cerámicos cubren un amplio intervalo de necesidades Propiedades mecánicas Propiedades térmicas
Propiedades ópticas Propiedades eléctricas Propiedades magnéticas Propiedades químicas ¿De qué dependen las propiedades de los materiales cerámicos? Las propiedades de los materiales cerámicos vienen determinadas en cuatro niveles : Átomico Ordenación de átomos, cristalino o amorfo Microestructura Macroestructura Tipos de materiales cerámicos Podemos diferenciar entre dos grandes grupos de materiales cerámicos, los tradicionales y los denominados cerámicas técnicas. Estos últimos tambien se conocen como cerámicas ingenieriles, avanzadas o tecnológicas Productos usuales de la cerámica tradicional : Cerámicas de mesa, pavimentos y revestimiento Sanitarios Refractarios Porcelanas (aislantes, decorativas) Cerámica : Productos obtenidos mediante la acción del calor. Materiales cerámicos : Materiales sólidos inorgánicos no metálicos. Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no sufren oxidación. Están constituidos por elementos metálicos y no metálicos. Materiales metálicos : Materiales sólidos inorgánicos constituidos por elementos metálicos. Son conductores del calor y la electricidad, presentan resistencias mecánicas altas y son dúctiles y maleables. Materiales polímeros : Materiales sólidos constituidos a partir de moléculas orgánicas mediante un proceso denominado polimerización. Presentan baja resistencia mecánica, baja conductividad eléctrica y térmica y no se pueden utilizar a alta temperatura. Materiales compuestos : Materiales sólidos formados por dos o más tipos de materiales, lo que resulta en sólidos con propiedades imposibles de obtener con un solo tipo de material. Son ligeros, fuertes, rígidos y resistentes a temperaturas altas Ductilidad :Capacidad de un material de experimentar una deformación plástica apreciable antes de romper. Fragilidad : Cuando en el proceso de fractura, es decir de separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a una tensión aplicada estática, se da poca o ninguna
Sinterización : Es el nombre general para el proceso de densificación de un material policristalino, con o sin presencia de fase líquida para ayudar al transporte de materia. Policristalino : Material sólido constituido por más de un cristal o grano. Monocristalino : Material constituido por un solo cristal. Densificación : Procesado térmico mediante el cual los granos que constituyen el material crecen formándose uniones entre ellos lo que produce un efecto de aproximación aumentando la densidad del material, pudiendo esta aproximarse a la densidad cristalina teórica. Crecimiento de grano : Incremento del tamaño medio de grano de un material Límite de grano : Intercara que separa dos granos vecinos con distintas orientaciones Cristalográficas La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación. El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades anisótropas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada cristalinidad de un material. El grupo más pequeño de partículas en el material que constituye el patrón repetitivo es la celda unitaria de la estructura. La celda unitaria define completamente la simetría y la estructura de toda la red cristalina, que se constituye mediante la traducción repetitiva de la celda unitaria a lo largo de sus ejes principales. Se dice que los patrones de repetición están situados en los puntos de la red de Bravais. Las longitudes de los ejes principales o bordes de la celda unitaria y los ángulos entre ellos son las constantes de la red, también llamadas parámetros de la red. Los cristales, átomos, iones o moléculas se empaquetan y dan lugar a motivos que se repiten del orden de 1 ángstrom = 10-10 m; a esta repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El grupo más pequeño de partículas en el material que constituye el patrón repetitivo es la celda unitaria o unidad elemental la cual genera toda la red (todo el cristal). La celda unitaria define completamente la simetría y la estructura de toda la red cristalina, que se construye mediante la traducción repetitiva de la celda unitaria a lo largo de sus ejes principales. Se dice que los patrones de repetición están situados en los puntos de la red de Bravais.
La estructura cristalina y la simetría juegan un papel en la determinación de muchas propiedades físicas, tales como escisión, estructura de banda electrónica y transparencia óptica. En la estructura cristalina (ordenada) de los compuestos inorgánicos, los elementos que se repiten son átomos o iones enlazados entre sí, de manera que generalmente no se distinguen unidades aisladas; estos enlaces proporcionan la estabilidad y dureza del material. En los compuestos orgánicos se distinguen claramente unidades moleculares aisladas, caracterizadas por uniones atómicas muy débiles, dentro del cristal. Son materiales más blandos e inestables que los inorgánicos. La dificultad de predecir estructuras cristalinas estables basadas en el conocimiento solo de la composición química ha sido durante mucho tiempo un obstáculo en el camino hacia el diseño de materiales totalmente computacionales. Ahora, con algoritmos más potentes y computación de alto rendimiento, se pueden predecir estructuras de complejidad media utilizando enfoques tales como algoritmos evolutivos, muestreo aleatorio o metadinámica. Las estructuras cristalinas de los sólidos iónicos simples (por ejemplo, NaCl o sal de mesa) se han racionalizado durante mucho tiempo en términos de las reglas de Pauling, establecidas por primera vez en 1929 por Linus Pauling, a quien muchos han llamado "padre del vínculo químico" Pauling también consideró la naturaleza de las fuerzas interatómicas en los metales y concluyó que alrededor de la mitad de los cinco d-orbitales de los metales de transición están involucrados en la unión, siendo los restantes d-orbitales no vinculantes responsables de las propiedades magnéticas. Por lo tanto, fue capaz de correlacionar el número de d-orbitales en la formación de enlaces con la longitud del enlace, así como muchas de las propiedades físicas de la sustancia. Posteriormente introdujo el orbital metálico, un orbital extra necesario para permitir la resonancia desinhibida de los enlaces de valencia entre varias estructuras electrónicas. En la teoría del enlace de valencia resonante, los factores que determinan la elección de uno entre las estructuras cristalinas alternativas de un compuesto metálico o intermetálico giran alrededor de la energía de resonancia de los enlaces entre las posiciones interatómicas. Está claro que algunos modos de resonancia producirían mayores contribuciones (serían más estables mecánicamente que otros), y que en particular una relación simple entre el número de enlaces y el número de posiciones sería excepcional. El principio resultante es que se asocia una estabilidad especial con las relaciones más simples o "números de enlace": 1/2, 1/3, 2/3, 1/4, 3/4, etc. La elección de la estructura y el valor de la relación axial (que determina las longitudes de los enlaces relativos) es, por lo tanto, el resultado del esfuerzo de un átomo para usar su valencia en la formación de enlaces estables con números de enlaces fraccionales simples. Después de postular una correlación directa entre la concentración de electrones y la estructura cristalina en las aleaciones de fase beta, Hume-Rothery analizó las tendencias de los puntos de fusión, compresibilidades y longitudes de enlaces en
