Cerámicas

7. Cerámicas, fibras y materiales compuestos
7.1. Cerámicas
7.1.1. Algunas estructuras cerámicas
7.1.2. Métodos de fabricación
7.1.3. Aplicaciones de las cerámicas
7.2. Fibras
7.2.1. Tipos de Fibras
7.2.2. Métodos de Fabricación
7.2.2. Celulosa. Caracterización estructural
7.2.3. Propiedades mecánicas de las fibras.
7.3. Materiales compuestos
7.3.1. Matrices
7.3.2. Refuerzos
7.3.3. Espumas o materiales celulares
Cerámicas
Los materiales cerámicos constituyen un amplio conjunto de compuestos cuya
característica fundamental es estar formados por la unión de elementos atómicos
(metales, no metales) mediante enlaces de carácter predominantemente iónico o
covalente, es decir, uniones interatómicas fuertes y estables. Nos
centraremos en los materiales con enlace iónico
Hasta hace aproximadamente 40 años, los materiales más importantes de esta clase eran las
denominadas cerámicas tradicionales, compuestos en los que la materia prima es la arcilla; los
productos considerados dentro de esta familia son la porcelana fina, porcelana para aislantes
eléctricos, ladrillos, tejas, baldosas y también vidrios y cerámicas refractarias
En los años 60-70 surge una nueva generación, las cerámicas avanzadas. Desde un punto de vista
químico se trata de óxidos, carburos o nitruros, de gran pureza química, constituidos con diferentes
elementos, tales como Al, Si o B. Estas nuevas cerámicas poseen unas propiedades físicas muy
interesantes que conducen a aplicaciones en las que se requieren especificaciones muy exigentes.
Abrasivos, motores, blindajes, materiales superconductores
ESTRUCTURA
Son materiales cristalinos en su mayor parte (salvo los vidrios que se consideran cerámicos) por
tanto son válidos todos los conceptos estudiados en los temas 2 y 3.
Existe la red y la base estructural
Además se debe considerar la presencia de defectos como claves en las propiedades (defectos
puntuales, dislocaciones, límites de grano, defectos volumétricos (porosidad), etc)
PROPIEDADES GENERALES (debidas a su fuertes enlaces inter-atómicos)
Alta dureza y rigidez (elevado módulo de Young),
Aislantes térmicos y eléctricos
Poseen una importante inercia química frente ambientes hostiles (elevada durabilidad)
Altos puntos de fusión.
Relativamente resistentes a las acciones de compresión.
Pequeño contenido en dislocaciones dificulta su deformación plástica, de manera que las Cerámicas son
muy frágiles y tienen un débil comportamiento frente a los esfuerzos de tracción o impacto (se
rompen fácilmente).
Algunas estructuras cerámicas (compuestos iónicos):
Condicionadas por:
1) Neutralidad de carga eléctrica. Por ejemplo, en el fluoruro de calcio, cada ion de calcio tiene una
carga de +2 (Ca2+) mientras que cada ion de flúor tiene asociada una sola carga negativa (F- ) Por consiguiente, el
número de iones F- debe ser el doble del de iones Ca2+, lo cual se refleja en la fórmula química CaF2.
2) Cociente entre los radios del catión y del anión: La segunda característica se refiere al tamaño
de los radios iónicos de los cationes y aniones, rC y rA, respectivamente. Puesto que los elementos metálicos ceden
electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente de menor tamaño que los aniones, por tanto el cociente
rC/rA es menor que la unidad
estable
estable
no estable
Disposiciones estables y no estables en función del contacto entre cationes y aniones:
Catión prefiere tener a su alrededor tantos aniones vecinos como sea posible, para minimizar las repulsiones electrostáticas.
Los aniones también desean un número máximo de cationes como vecinos más próximos.
Así, las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en
contacto con él, tal como se ilustra en la figura
número de
coordinación
2
cociente entre los
radios del catión
y del anión
geometría de
coordinación
<
0.155
3
0.155 – 0.225
4
0.225 – 0.414
6
0.414 – 0.732
8
0.732 –
1.0
Valores de rC/rA para lo cuales se
establece el contacto entre cationes y
aniones, en función del número de
coordinación. Por tanto el cociente rC/rA es
clave en la estructura final del compuesto
nombre de la
estructura
fórmula
química
red de Bravais
números de
coordinación
catión
ejemplos
anión
cloruro sódico
AX
f.c.c.
6
6
NaCl, MgO,
FeO
cloruro de cesio
AX
c.s.
8
8
CsCl
blenda
AX
f.c.c.
4
4
ZnS, SiC
fluorita
AX2
c.s.
8
4
CaF2, ZrO2
perovsquita
ABX3
f.c.c.
12(A)
6(B)
6
BaTiO3,
SrZrO3
espinela
AB2X4
f.c.c.
4(A)
6(B)
4
MgAl2O4,
FeAl2O4
Algunas estructuras iónicas típicas de los materiales
cerámicos, redes de Bravais, números de
coordinación y algunos ejemplos
Estructura ideal de la perovsquita
A
B
X
perovsquita
Ca
Ti
O
YBaCuO
Ba,Y
Cu
O
Este tipo de ordenamiento es punto de partida de compuestos no estequiométricos con propiedades superconductoras
hasta altas temperaturas críticas (YBa2Cu3O7-x).
De la misma manera que en metales, aislantes y semiconductores, en los materiales cerámicos también existen algunas
imperfecciones cristalinas, en especial defectos puntuales.
En estos citados superconductores la existencia de vacantes de oxígeno y la especial disposición de los iones cobre les
confiere unas propiedades especiales, a temperaturas superiores a los 100K, que se traducen en tener una resistividad
eléctrica prácticamente nula
Nobel
Nobel
La superconductividad fue descubierta por Kammerling Ones en 1911.
fue un descubrimiento no esperado
Nobel
A día de hoy no existe aún una teoría aceptada universalmente que explique el fenómeno
de la supercondutividad de alta temperatura crítica
Un gran descubrimiento fueron los superconductores de alta Tc:
Aplicaciones reales de la superconductividad
Los superconductores de alta temperatura crítica son cerámicos (no son
metales)
Levitación Magnética
Otra de las características que define a un supercondutor es que el campo magnético inducido por un campo
magnético externo débil es cero en su interior cuando éste es enfriado por debajo de su temperatura de transición
superconductora. Este efecto es llamado Meissner-Ochsenfel y es el que permite que los imanes leviten sobre un
superconductor (diamagnético perfecto).
En la levitación magnética se utiliza nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en
un estado de resistencia nula, al aproximar su temperatura al cero absoluto. Cuando el imán desciende
hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto
al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y
mantiene el imán suspendido indefinidamente
Ejemplo de imán levitando sobre un
superconductor a temperaturas por debajo de
la críitica.
Tren de levitación Magnética
La ausencia de contacto físico entre el carril y el tren hace que la
única fricción sea la del aire, por lo que se pueden conseguir muy
altas velocidades con un consumo de energía razonable, el 40% del
consumo normal para un vehículo, y a un bajo nivel de ruido. La línea
que une Shanghai con su aeropuerto tarda 7 minutos y 20 segundos
en recorrer los 30 kilómetros a una velocidad máxima de 431 km/h y
una media de 250 km/h. En Alemania se lleva a cabo la construcción
del Transrapid, un maglev que unirá las ciudades de Berlín y
Hamburgo, con una velocidad máxima de 500 km/h.
a
b
coordinación tetraédrica
Fe 2+
Fe 3+
O 2-
coordinación octaédrica
Estructura tipo espinela: a) espinela normal, b) espinela inversa
Espinelas: su estructura base es la del aluminato de magnesio (MgAl2O4), cuya arquitectura atómica aparece
en la figura.
Entre los compuestos químicos derivados de esta configuración citar el óxido ferroso-férrico o magnetita
(FeO.Fe2O3) con estructura de espinela inversa. Este oxido doble es el producto de partida para la
fabricación de las denominadas ferritas. Se aplican en materiales magnéticos duros (imanes permanentes,
electroimanes) o blandos (núcleos de alternadores, antenas, transformadores, etc.).
Métodos de fabricación de las cerámicas
Cerámicas avanzadas: Se parte de polvo cerámico
El método de preparación de un material cerámico es complejo ; esto se debe a sus particulares
características: temperatura de fusión elevada, dureza y fragilidad. En otros términos, son compuestos
difíciles de fundir, no son plásticos y se rompen fácilmente al ser golpeados. Todo ello limita las
posibilidades de fabricación de piezas a un casí un único procedimiento; la sinteriación
Fase 1: Mezcla de componentes: se suele usar un ligante
Fase 2: Se compacta la mezcla usando prensado uniaxial o isostático (1000
bares). Temperaturas por debajo de la de fusión.
a
b
Métodos de fabricación de las cerámicas: a) compresión uniaxial, b)
compresión isostática
Fase 3. Proceso de sinterización. Calentamiento por debajo de la temperatura de fusión
a
b
c
migración
atómica
cuellos
La fuerza motriz para la sinterización es la reducción del área total de las superficies de las
partículas por un efecto de tensión superficial: la energía superficial de la muestra inicial es
superior a la energía correspondiente al estado sinterizado. Objetivo del procedimiento es reducir
la porosidad y por tanto incrementar las propiedades mecánicas
La reproducibilidad en las propiedades de piezas cerámicas no es tan buena como la que se consigue con
otro tipo de materiales, lo que se debe en muchas ocasiones a la presencia de porosidad residual (defecto
volumétrico)
Acero
Polietileno
1480ºC
11,5
110ºC
200
Elevados puntos de fusión, bajas expansiones térmicas.
Acero
7,8
56000 psi
42000 psi
28x 106 psi
120
Polietileno
0,9
1820 psi
1680 psi
28000psi
5
Excelentes propiedades de rigidez y resistencia, muy baja resistencia al impacto
Aplicaciones de las cerámicas
Cerámicas tradicionales: composición básica tres elementos: la arcilla, la sílice
y el feldespato.
La arcilla está constituida principalmente por óxidos dobles hidratados del tipo Al2O3.SiO2.H2O. La sílice (SiO2) es un
material que funde a temperaturas muy altas y suele otorgar las propiedades refractarias. Los feldespatos con formula
K2O.Al2O3.6SiO2 son materiales que funden a bajas temperaturas y su papel es hacer de aglutinantes de los distintos
constituyentes
Sectores de aplicación: construcción de edificios, refractarios (compuestos cerámicas
resistentes a altas temperaturas son empleados, por ejemplo en el revestimiento interno de los
hornos de obtención del acero) y en decoración (porcelanas).
Aplicaciones de las cerámicas
Materiales cerámicos usados en dispositivos biomédicos
En concreto, el uso de materiales cerámicos está particularmente indicado en odontología, en ortopedia y en
medicina cardiovascular. Esto es debido a su inercia química en contacto con los fluidos biológicos, su alta
resistencia a la compresión, su bajo coeficiente de fricción, su potencial biocompatibilidad y a veces, su
bioactividad. Su mayor inconveniente es, una vez más, su fragilidad
Material cerámico
hidroxiapatito
carbonos parcialmente
cristalinos
Aplicaciones
sustitución de hueso y dentina
válvulas cardiacas, ligamentos, implantes dentales
zirconita
materiales dentales y ortopedia
vidrios bioactivos
ortopedia
alúmina
prótesis de cadera, componentes dentales
Cerámicas Avanzadas para motores de combustión (Si3N4; SiC; ZrO2)
Mayores resistencias a altas temperaturas implican que es posible conseguir
mayores rendimientos en la combustión
Mejor resistencia mecánica a fricción. Mayor durabilidad.
Menor corrosión.
Baja densidad; implica menor peso
pistones, coronas de pistón, alabes de turbinas, camisas
MATERIAL
DENSIDAD
TM(K)
E
EXPANSIÓN CONDUCTIVIDAD TENACIDAD
Combinación de
materiales para cubrir
todas las propiedades,
materiales compuestos
de matriz cerámica
Fibras
Se conoce con el nombre genérico de fibras a un amplio conjunto de materiales que tienen en
común la característica de poseer un alto valor de la relación longitud/diámetro (l/d).
Clasificación de las fibras
Naturales, de origen vegetal o animal. Su procesado es de tipo físico (hilado, trenzado, etc.), de
forma que durante su ejecución no se cambia la composición química de la fibra. Ejemplos de este tipo
de materiales son el cáñamo, yute, algodón, lino, seda o lana, con aplicaciones en cuerdas y similares,
industria textil, etc.
Naturales modificadas, de origen vegetal o animal. El procesado es de tipo químico, con el cual
se consigue cambiar la composición y configuración, para así tener un nuevo compuesto procesable
en forma de fibra. Un ejemplo es la celulosa regenerada (rayón, viscosa, etc.), con aplicaciones
básicamente textiles.
Artificiales, o simplemente fibras sintéticas, como las macromoléculas sintéticas. Ejemplos de
este tipo son los poliésteres y las poliamidas, también con aplicaciones textiles.
De alta resistencia. Macromoléculas sintéticas u otro tipo de cadenas que por su estructura
química o procesado físico tienen resistencias mecánicas muy elevadas. Materiales típicos son la
aramida, y las fibras de vidrio, carbono y boro, con aplicaciones como fibras resistentes (cuerdas,
chalecos antibala, etc.) y refuerzos en materiales compuestos.
Cerámicas. Cadenas inorgánicas resistentes a altas temperaturas. Ejemplos son las fibras de
carburo y nitruro de silicio. Su uso se centra principalmente en refuerzos de materiales compuestos de
idéntica naturaleza química.
Fibras naturales:
El ejemplo mas significativo son las fibras de algodón. Esta fibra, que aparece en
los tallos y frutos de ciertas plantas, está constituida básicamente por la especie química denominada
celulosa, la macromolécula orgánica natural más abundante sobre la Tierra. Se trata de un polímero
cuyo monómero está formado por dos núcleos de glucosa, unidos entre sí por eliminación de una molécula
de agua
a
b
O
CH2
OH
CH
1
0.
3
Å
CH
OH
CH
CH
OH
CH
O
O
CH2
OH
OH
CH
O
CH
CH
CH
CH
OH
b
=
1
0.
3
Å
O
a =8.35
Å
c =7.9
Å
a) Estructura de la celulosa (monómero) y b) uniones tridimensionales de las cadenas
Estructura de tipo ortorrómbico
La existencia de grupos OH permite formar enlaces tipo hidrogeno lo que favorece la resistencia de
la fibra
a
b
a) Diagrama de difracción de rayos X de una fibra de celulosa y b) diagrama
de difracción de un hilo de aluminio estirado
Fibras: A nivel molecular su característica fundamental es que existe una orientación
molecular de las cadenas en la dirección de la fibra…….. Esto implica propiedades
anisotrópicas, en el caso partícular de las propiedades mecánicas se tienen mejoras
muy significativas en la dirección de la fibra.
Esquema general del proceso de fabricación de fibras
cámara de solidificación
bobina
alimentador
hilera
sección de estirado
Representación esquemática del proceso de fabricación de fibras por hilado
El material de partida, fundido o disuelto en un disolvente adecuado, se hace
para por una hilera que le da la forma y se estira en la dirección de la fibra para
dar lugar a la orientación, tras salir de la hilera se enfría para solidificarlo
Fibras para aplicaciones textiles
Requerimientos:
Grandes deformaciones entracción y torsión sin romperse (dúctiles)
Elevada resistencia a la abrasión
Resistencia a la temperatura (para poder ser lavadas)
Elevada estabilidad química (para el lavado, detergentes….)
No inflamabes (hasta cierto punto)
Consecuente estructura: (estas fibras tanto las naturales como las sintéticas (poliester o
poliamidas (nylons)) son poliméricas, por tanto debemos hacer referencia a las características
definidas en el tema cinco)
Alto peso molecular,
Elevada cristalinidad (estructuras moleculares poco ramificadas)
Adecuadas Tg y Tm, para poder ser lavadas y que el procesado no se deba realizar a muy
elevada temperatura.
Enlaces laterales en las cadenas para mejorar las propiedades mecánicas
Poliamidas o nylons
-NH-(CH2)-CO-; los grupos NH y CO forman enlaces intercadenas como en la celulosa
Relación entre parámetros de fabricación de la fibra y de sus propiedades finales
Temperatura de fusión (Tm): Si es mayor de unos 300 ºC la fibra se procesa muy mal; por otra parte, si es menor de
unos 200 ºC, aunque el procesado sería más barato, pueden aparecer problemas en el uso del producto acabado, por
ejemplo durante el planchado de los tejidos fabricados con estas fibras, no sólo porque se llegue a la Tm, sino porque se
supere la Tg y se deforme el material.
Solubilidad: Mejor solubilidad significa un procesado más fácil, de forma que puestos a simplificar las cosas, lo ideal
sería que el material fuese soluble en agua, que es un disolvente barato. Sin embargo, esto implicaría, por ejemplo, que se
disolviese un traje cuando le cayese un poco de agua. También hay que evitar que sea soluble en tetracloruro de carbono
o éteres, que son compuestos que se utilizan para limpieza en seco de trajes.
Peso molecular: Cuanto mayores sean las macromoléculas, más resistentes resulta la fibra, pero también se procesa
peor. En poliésteres se utilizan valores de peso molecular entre 10000 y 20000 u.m.a.
Cristalinidad: Mejora la tenacidad, pero dificulta el procesado. Lo normal es que en el diseño y fabricación de la fibra
se actúe de manera que se obtenga un producto que combine zonas cristalinas y amorfas.
Rigidez de cadena: Si la macromolécula es rígida, además de simétrica, se empaqueta mejor y da fibras más
resistentes, pero se procesa peor. Un ejemplo curioso es el Nilón, que es una poliamida alifática con una cadena muy
simétrica y muy flexible; la fibra se procesa bien y es barata. En cambio, el Kevlar es también una poliamida, pero con
residuos aromáticos en lugar de alifáticos; la cadena es simétrica pero rígida, y la fibra resulta muy resistente pero
extraordinariamente cara por su dificultad de fabricación.
Propiedades específicas de la fibras: Su interés en la fabricación de materiales
compuestos
Valores de la resistencia (R) , densidad (d) y resistencia específica (R/ρ) de algunas fibras sintéticas,
comparándolas con los valores correspondientes en fibras metálicas
Fibra
resistencia a la
rotura (107N/m2)
densidad
relativa
(g/cm3)
resistencia
específica
(R/ρ
ρ)
rayón
30
1.56
19
nilón
100
1.15
87
aluminio
17
2.7
8
acero
200
7.8
26
Las fibras (en la dirección
de la fibra) tienen mayores
resistencias específicas
que metales y polímeros
Distintas fibras y sus propiedades, comparadas con algunos otros materiales
material
densidad
(g/cm3)
módulo de
Young (GPa)
resistencia a la
tracción (MPa)
carbono
1.80
235
3599
boro
2.65
300 – 400
3000 - 3700
kevlar
1.45
130
3620
alúmina
3.95
500
2000
vidrio E
2.54
72
3450
vidrio S
2.48
84
4585
SiC
3.20
480
2300
FIBRAS
OTROS MATERIALES
aluminio
2.7
69
483
acero
7.8
200
1724
SiC
3.2
400
310
Estudio comparativo de las propiedades de las fibras usadas en materiales compuestos
2-3 euros/kg
65 euros/kg
38 euros/kg
60 euros/kg
100 euros/kg
Fibras de vidrio: Usadas desde 1930, son las más usadas, bajo coste y fácil procesado (ver
tema 4 para características generales del vidrio)
Diámetros de las fibras de 7 a 12 micras
Longitud: fibras cortas (mm) y largas (varios
cm)
Las hay de dos calidades vidrio E y S
Se incorpora un aditivo que protege
a la fibra y sirve de agente de
acoplamiento
Aplicaciones en aeronáutica
Partes interiores del fuselaje
a)
Vidrio de sílice
b)
Vidrio de alumino silicato
sodico (SiO2 Al2O3 y Na2O)
Estructuras aviones deportivos
Palas helicópteros
Están muy presentes en automoción (multitud
de piezas de plástico) y en la industria eólica,
palas de aerogeneradores.
Fibras de carbono
El resultado son fibras de
diámetros 7 -8 micras y con
estructura tipo grafito en las
láminas que las conforman,
esto aporta al material
excelentes propiedades en la
dirección de la fibra
Se parte de PAN, realizándose
proceso de oxidación,
carbonización y grafitización
Aplicaciones:
Aeronautica
Bicicletas, palos de golf, raquetas
Al ser la fibra anisotropica también puede serlo el material fabricada con ella,
como se puede observar en los datos que siguen
Fibras de Kevlar (1970) Dupont, Se fabrican a partir de poliaramida
Fibras de polietileno (Spectra), (1980) Applied Chemical Company. Se
fabrican a partir de polietilenos de ultra alto peso molecular.
Fabricación de fibras de Kevlar
Fibras de Kevlar, ordenamiento de las cadenas poliméricas, estructura de la fibra
Aplicaciones: Protección balística, chalecos antibalas
Industrias aeronáuticas y naval