Materiales cerámicos, estructuras cristalinas y sus consecuencias
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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE MULEGE INGENIERÍA DE LOS MATERIALES Materiales cerámicos “Su estructura cristalina y sus consecuencias en sus propiedades técnicas” ALUMNOS: Raúl Armando Tamayo Armenta Iván Arce Fernández Santa Rosalía B.C. Sur a 18 de Junio de 2010 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES Introducción Los materiales cerámicos avanzados se han seleccionado como materiales más adecuados para muchas aplicaciones, debido a características deseables como elevada dureza, resistencia al desgaste, estabilidad química, resistencia a elevadas temperaturas y bajo coeficiente de expansión térmica. Son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas unidas. Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general y haciendo referencia, estos materiales son típicamente duros y frágiles, con baja adherencia y ductibilidad así como otras referencias como: Aislantes eléctricos Térmicos (ausencia de electrones conductores) Temperaturas de fusión altas Estabilidad química alta en diversos ambientes Normalmente estos materiales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y el feldespato, ejemplos; ladrillos, tejas utilizados en industrias de la construcción y las porcelanas de uso industrial de construcción y eléctricas. 2 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES MATERIALES CERAMICOS ESTRUCTURA CRISTALINA Y SUS CONSECUENCIAS EN SUS PROPIEDADES - ENLACES IONICOS Y CONVALECENTES EN COMPUESTOS CERAMICOS SENCILLOS. Algunos compuestos cerámicos con estructuras cristalinas relativamente sencillas están recogidos en la siguiente tabla: Compuesto cerámico Carburo de afnio, HfC Carburo de titanio, TiC Carburo de wolframio, WC Oxido de magnesio. MgO Carburo de silicio, SiC Punto de Fusión, °C Compuesto cerámico 4.150 Carburo de boro, B4C 3.120 Oxido de aluminio, Al2O3 2.850 Dióxido de silicio, SiO2 2.798 Nitruro de silicio, Si3N4 2.500 Dióxido de titanio, TiO2 Punto de Fusión, °C 2.450 2.050 1.715 1.900 1.605 Ejemplo: “Las balatas Mopar están fabricadas con compuestos cerámicos que reducen la fatiga, incrementa la durabilidad, proporcionan la mejor frenada y no ensucian el rin ni generan rechinidos” La cantidad de enlaces iónicos o covalentes entre átomos de estos compuestos es importante porque determinan, alguna medida, que tipo de estructura cristalina se formara en el compuesto cerámico. Ordenaciones iónicas sencillas encontradas en sólidos con enlaces iónicos. En los sólidos cerámicos iónicos el empaquetamiento de los iones está determinado principalmente por los siguientes factores: 1. El tamaño relativo de los iones en el solido iónico (considerando los iones como esferas compactas de radios definidos) 3 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES 2. La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el sólido iónico. En un sólido los iones del mismo signo, enfrentados como consecuencia de su desplazamiento lateral, experimentarán una fuerte repulsión que terminará quebrando el cristal. Este fenómeno explica el carácter frágil de los sólidos iónicos. Limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso de iones en un sólido iónico: los sólidos iónicos están formados por cationes y aniones. En el enlace iónico algunos átomos pierden sus electrones más externos para convertirse en cationes y otros ganan electrones para convertirse en aniones. Por tanto, los cationes son normalmente más pequeños que los aniones enlazados con ellos. Cuanto mayor sea el número de aniones que rodean al catión central, más estable es el sólido. Sin embargo, los aniones deben estar en contacto con el catión central y deben mantener la neutralidad de carga. Si los aniones no están en contacto con el catión central, la estructura puede llegar a ser inestable por que el catión central puede vibrar en su jaula de de iones. (relación de radios) Procesados de materiales cerámicos. La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas, en formas adecuadas, que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el proceso de cerámicas por aglomeración de partículas son: 1. Preparación de materiales.- Pueden ser mezclados en secos o húmedo. 2. Conformación o moldeado.- Pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. 3. Tratamiento térmico de secado.- el propósito es eliminar agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidas a altas temperaturas. 4 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES Materiales cerámicos tradicionales.- Están constituidos por tres tipos básicos de componentes, arcilla, sílice y feldespato. Materiales cerámicos de ingeniería.- En contraste con los cerámicos tradicionales, que se basan principalmente en la arcilla, las cerámicas técnicas o de ingeniería están constituidas principalmente por los compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos carburos o nitraros. Algunas mas importantes son alúmina (es el oxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el ingrediente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración) Propiedades térmicas de los materiales.- Tienen una gran variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Muchos tipos de cerámicos se utilizan como aislantes eléctricos para corrientes eléctricas de alto voltaje. Materiales cerámicos aislantes.- tienen propiedades eléctricas y mecánicas que hacen especialmente idóneos para muchas aplicaciones como aislantes en la industria eléctrica y electrónica. La unión iónica y covalente en materiales cerámicos restringe la modalidad iónica y electrónica y determina que estos materiales sean buenos aislantes eléctricos. Propiedades térmicas de los materiales cerámicos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debidos a sus fuertes enlaces iónicos-covalentes y son buenos aislantes térmicos. Debido a sus altas resistencia al calor, son usados como refractarios, materiales que resisten la acción de ambientes calientes, tanto líquidos como gaseosos. Los refractarios se utilizan en las industrias metalúrgicas, químicas, cerámicas y de vidrio. Materiales cerámicos refractarios.- las propiedades mas importantes son sus resistencia a bajas y altas temperaturas, su densidad y porosidad. Los refractarios con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y erosión y a la penetración de líquidos y gases. - Refractarios acidos.- sílice- tienen alta resistencia mecánica y rigidez a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Arcilla- se componen de una mezcla de partículas de tamaño variable desde grandes tamaños hasta partículas extremadamente finas. Tras la cocción, las partículas finas se unen para formar otras mayores. Alta alúmina- pueden usarse en condiciones más 5 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES severas y a mayores temperaturas que los ladrillos de arcilla. Pero son mas caros. Refractarios básicos.- Están compuestos, la mayoría por magnesia, cal, cromita o mezcla de dos o tres de esos materiales. Como grupos, esos refractarios básicos tienen altas densidades, altas temperaturas de fusión y buena resistencia al ataque químico por escorias básicas y óxidos, el uso más común es el revestimiento en el proceso de fabricación de acero básico al oxigeno. 6 MATERIALES CERAMICOS INGENIERIA DE LOS MATERIALES CONCLUCION Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos, no metálicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos primariamente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Como resultado, las composiciones químicas y las estructuras de los materiales cerámicos varían considerablemente. En general, la mayoría de los materiales cerámicos son típicamente duros y quebradizos con poca resistencia a los impactos y a la ductilidad. Los cerámicos cuentan con importantes propiedades eléctricas y térmicas con importantes aplicaciones en la industria. Los materiales cerámicos son, normalmente, buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones de conducción, y así muchos materiales cerámicos se usan como aislantes eléctricos y refractarios. Los vidrios son productos inorgánicos cerámicos de fusión que se han enfriado hasta un sólido rígido sin cristalización. Tienen propiedades especiales como transparencia dureza a la temperatura ambiente y excelente resistencia a la mayoría de los ambientes. 7