MATERIALES CERÁMICOS - Universidad de Buenos Aires

MATERIALES
CERÁMICOS
Materiales Industriales I
Fac. de Ingeniería - UBA
MATERIALES CERAMICOS
• Soluciones compuestas- elementos metálicos y no
metálicos enlazados mediante uniones iónicas y/o
covalentes.
• Son duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.
• Son buenos Aislantes eléctricos y térmicos.
• Tienen altas temperaturas de fusión, alta resistencia al
ataque químico, bajo costo y presentan la facilidad de
controlar su aspecto.
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MATERIALES CERAMICOS
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MATERIALES CERAMICOS
• Productos de arcilla: Productos
estructurales de arcilla, Porcelanas.
• Vidrios
• Cerámicos de uso Ingenieril:
– Oxido de Aluminio (Al2O3),
– Carburo de Silicio,
– Refractarios ,
– Cementos,
– Abrasivos,
– Cerámicas
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Elementos en los Cerámicos
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Propiedades destacables de los materiales
cerámicos
•
•
•
•
•
Alta temperatura de fusión
Baja densidad
Rigidez, dureza, resistencia estructural
Resistencia a la corrosión
Buenos aislantes térmicos y eléctricos
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CERAMICOS vs METALES
METALES
CERAMICOS
Compresión
Buena
Menor- Buena
Alargamiento de rotura
Alto
Casi nulo
Tracción
Buena
Casi nulo
Sensib.defectos superf
Buena
Altísima
Tenacidad
Buena
Casi nula
Dureza
Mala
Mayor Buena
Estructura
Cristalina
Cristalina o vítrea
Transm. electricidad
Buena
Mala
Transm. calor
Buena
Mala
Dilatación lineal
Alto
Alto.-Similar valor
Choque térmico
Buena
Mala
Altas temperaturas
Mala
Buena
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Mica
Mineral constituído por silicatos de alúmina, hierro, calcio,magnesio y
minerales alcalinos complejos de potasio y aluminio.
Se presenta en forma de láminas flexibles, elásticas y muy brillantes.
Ejemplo -Muscovita: KAl2(Si3AlO10)(OH)2
Aplicaciones: Aislante de máquinas de alta tensión y potencia,
turbogeneradores, motores eléctricos, y algunos tipos de condensadores.
Otros usos: Transistores - Superficies y Mosaicos - Caucho
Pintura para exteriores -Pinturas de Aluminio- Selladores
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Asbestos
Unidad básica: SiO3‐2.
Son silicatos, minerales filamentosos, formados por fibras largas y delgadas, flexibles, fácilmente separables, aislantes del calor, la electricidad y del sonido; y resistentes a la acción del fuego. Usos : ropa resistente al fuego, mantas contra incendios, chapas aislantes (cartones), hilos aislantes.
Las fibras se usan también en las zapatas de frenos y para la producción de fibrocemento, caños, chapas, tanques, etc. Materiales Industriales I
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Talco - Mg3(OH)2(Si2O5)2
•
•
•
•
•
•
Mineral de color blanco a gris verdoso.
Pertenece al grupo de los silicatos.
En la escala de Mohs se toma como patrón de la menor dureza
posible, asignándosele convencionalmente el valor 1 .
En forma de polvo se utiliza como relleno en la fabricación de papel
y cartulina, para lacas y pinturas, en la industria cerámica, como
aditivo de gomas y plásticos.
Por su resistencia a elevadas temperaturas se utiliza en la fabricación
de materiales termo-resistentes.
También es la base de muchos polvos en la cosmética.
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Zeolitas
Silicato de Aluminio hidratado natural con sodio o calcio
Del tipo: Na2O.Al2O3.nSiO2.xH2O
Resina Artificial intercambiadora de iones
•
•
•
•
•
Alto grado de hidratación.
Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado.
Propiedades de intercambio del catión.
Habilidad de absorber gases y vapores.
Se utilizan como tamices moleculares:
materiales que pueden absorber
selectivamente moléculas en
base a su tamaño.
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SILICIO
Estructura
Tetraedros
SiO42fusionados
compartiendo
vértices en una
disposición
regular
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Estructura Vitrea
•
Estructuras vítreas :se unen los tetraedros de sílice , para
producir una estructura reticular.
. cristalina (a), y
vítrea (b) de silicato.
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Vidrios comerciales-Composición y características.
SiO2
Silica
96%
96
PIREX
81
Fibra
vidrio
55
Optico
54
Ceramica
vítrea
70
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Na2O
CaO
3.5
16
Al2O3
B2O3
Otros
Aplic
5
Resiste Shock
Termico y buena
resist. quimica
2.5
13
Laboratorio.
Altas temperatura
15
10
1
18
4 MgO
AislacionesResinas
37 PbO
8 K2O
Alta densidad e
indice de
refraccion-Optica
4.5 TiO2
2.5 Li2O
Resistencia al horno
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VIDRIOS SÍLICO-SÓDICO-CÁLCICOS
Son los más utilizados en la construcción.
Composición
Sílice, un vitrificante introducido en forma de arena (70 a 72%).
Sodio, un fundente en forma de carbonato y sulfato (aprox. 14%).
Cal, un estabilizante en forma de caliza (alrededor 10%).
Diversos óxidos, como de aluminio y magnesio -mejoran las propiedades
físicas del vidrio - su resistencia a la acción de los agentes atmosféricos
(alrededor 5%).
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Vidrio de Borosilicato (PIREX) ) (80% SiO2 - 12% B2O3 4%AI2O3)
Se sustituyen óxidos alcalinos por B2O3 en la red vítrea.
Vidrios de mas baja expansión.
Cuando el boro entra en la red de sílice debilita la estructura y reduce el pto de
reblandecimiento.
El uso del B2O3, en lugar del sodio y la cal, reduce el coeficiente de expansión de
9.0x10-6, para el vidrio de sodio y cal, a 3.5x10-6, para un vidrio típico de
borosilicato.
La resistencia de estos vidrios a los choques térmicos es muy superior.
La reducción de la cantidad de alcalinos presente mejora la inercia química de dicho
vidrio.
Pyrex es una marca comercial.
Usos: instrumentos de laboratorio, utensilios de cocina, tuberías para productos
químicos y sellos metálicos de baja dilatación.
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Vidrios de Alúmino - Silicato (55% de SiO2 - 20% de
AI2O3 - Cant. Pequ. de B2O3, MgO y CaO)
Los contenidos elevados de alúmina y dióxido de silicio
producen un vidrio de punto elevado de fusión.
Mejor resistencia a las temperaturas elevadas que el de sodio y
cal.
El coeficiente de expansión es la mitad .
Se utiliza para tubos de combustión, utensilios de cocina y
aplicaciones similares
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VIDRIOS AL PLOMO
El óxido de plomo es normalmente un modificador de la red de la sílice.
Son de baja fusión y se utilizan para cristales decorativosSon usados como protección a la radiación de alta energía y encuentra aplicación
para ventanas de radiación, carcasas de lámparas fluorescentes y lámparas de
televisión.
Por sus altos índices de refracción, los vidrios al plomo se emplean para algunos
vidrios ópticos y para algunos vidrios decorativos.
VIDRIOS DE BOTELLA
De composición parecida a la del vidrio común, pero con cierto porcentaje de
óxido de hierro.
VIDRIOS DE CRISTAL
Con adición de plomo o bario – Les confiere elevado brillo, mucho peso y
sonido metálico, y el óptico de transparencia, inalterabilidad, homogeneidad
e isotropía
Uso en la fabricación de lentes, prismas, espejos.
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VIDRIOS TEMPLADOS
Templado térmico: consiste en calentar
el vidrio hasta una temperatura próxima a la de reblandecimiento.
Luego se enfría bruscamente, haciendo incidir sobre su superficie aire a una
presión controlada.
Superficie sometida a fuerzas de compresión, y el interior se somete a fuerzas
de tracción.
Las intensidades de estas tensiones varían de acuerdo con el gradiente térmico
que se estableció en el momento de su enfriamiento.
Los vidrios templados presentan un aumento de la resistencia mecánica.
Con los vidrios templados decorados se puede dar a las superficies exteriores
de los edificios una gran variedad de terminaciones, y cambiar las propiedades
foto-energéticas del vidrio.
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Temple del vidrio
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Temple del vidrio
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PROCESO DE CONFORMACION – LAMINADO
En el horno de recocido (lehr) , se eliminan los esfuerzos
residuales. Para el vidrio ordinario de ventanas el material
laminado es utilizable en su forma original, pero para la
plancha de vidrio se necesita esmerilado y pulimento.
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Prensado y Soplado
Se utiliza mucho para fabricar recipientes.
Se alimenta un molde con un pedazo y se lo presiona. Luego se
quita la parte inferior del molde, sustituyéndolo por un molde con
la forma final. La operación de soplado le da el contorno deseado.
El vidrio parcialmente formado se conoce como parisón.
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Fibra de Vidrio
Re-fusión de bolas de vidrio que fluyen a través de una plancha
calentada de platino con orificios por los cuales salen filamentos.
Se ejerce la tracción rotando el tubo de enrollamiento a
velocidades de hasta 61 m/seg). Luego se clasifica el material por
grosores para separarlo, y se le aplica lubricante a las fibras a
medida que se van enrollando.
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Viscosidad y temperaturas de transición,
fusión
Al medir la expansión térmica de un vidrio, se encuentran dos respuestas mecánicas únicas. Primero:
Rompimiento en la curva de expansión a la temperatura Tg.
El coef.de expansión térmica por debajo de Tg
es comparable al de un sólido cristalino
de la misma composición.
El coef de expansión térmica por arriba de Tg
es comparable con el de un líquido.
Como resultado, Tg se conoce como :
Temperatura de transición vítrea.
La deformación elástica
abajo de Tg
y la deformación viscosa (como líquido)
arriba de Tg.
Por arriba de Tg
abrupta caída en la curva de los datos a la temperatura Ts. (temperatura de
reblandecimiento)el material llega a ser tan fluido que no puede soportar por más tiempo el peso de la
sonda de monitoreo de la longitud (una pequeña barra refractaria)
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Volumen específico vs temperatura.
Materiales cristalinos y no cristalinos.
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IMPORTANCIA TECNOLOGICA DEL VIDRIO
Aplicación en campos de la alta tecnología:
SEMICONDUCTORES
• Silice usada como aislante en los
transistores
• Usos: Computadoras (45%)Calculadoras-Equipos de
comunicación(13%)-Industrias
manufactureras (12%) Automóviles (5%)
FIBRA OPTICA
Vidrio de altísima pureza utilizado en telecomunicaciones
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FIBRA OPTICA
•
•
•
•
Núcleo: Vidrio de altísima pureza con alto índice de refracción para la
luz que se transmite en su interior.
Una capa de vidrio con menor refracción “clad” que protege en núcleo
y un polímero externo “chaqueta” para protección mecánica.
La capa clad tiene algunos átomos de Germanio que contiene mas
electrones externos 32 vs 14 del Si . Esto disminuye la velocidad de la
luz en el núcleo e incrementa el índice de refracción.
Como el índice de refracción en el núcleo es mayor que en el clad la luz
logra una reflexión absoluta en el núcleo.
•Este fenómeno de reflexión total así como la alta pureza del cristal le permite a la luz viajar largas distancias sin perder su intensidad. Materiales Industriales I
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Ladrillos
Se fabrican de tal modo que satisfagan las especificaciones, según el uso a que se
destinan.
Clasificación: Según la resistencia a la compresión, la absorción de agua y la
resistencia a la refrigeración y el deshielo.
A medida que se incrementa la temperatura de cocido, aumenta la resistencia,
disminuye la porosidad y los ladrillos adquieren una coloración más oscura.
CLASIFICACIÓN :
De fachada: son más oscuros, densos y fuertes que los comunes, debido a las
temperaturas más elevadas de cocción a que se someten. No absorben tanta agua
como los comunes, son más resistentes y, por lo tanto, se utilizan en las fachadas de
los edificios.
Pueden resistir cerca de 6000 lb/plg2 de compresión
Común: absorbe, aproximadamente, un quince por ciento de agua por peso, mientras
que los ladrillos de fachada, absorben menos de un diez por ciento.
Tienen una resistencia a la compresión de aproximadamente, 4000 Ib/plg2
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Lozas
•
•
•
•
La loza de barro: se hace de arcilla (caolín, por ejemplo), aunque en algunos casos
están presentes sílice (SiO2) y feldespato.
Se la somete al fuego a baja temperatura, comparada con la de otros productos de
este grupo. Ello produce una fractura terrosa relativamente porosa.
La loza semivitrea: Calidades más finas -Se fabrican empleando mezclas de
arcilla-sílice-feldespato, (triaxiales) por la presencia de estos tres ingredientes. La
temperatura de cocido es mayor, dando por resultado la formación de vidrio,
menor porosidad y mayor resistencia. Todos los grados pueden ser no vidriados o
cubiertos con un material separado que forme una superficie vidriosa, lo cual da
una superficie lustrosa.
La loza de piedra: difiere de la loza de barro en que se emplea una mayor
temperatura de cocido, lo cual produce una porosidad menor del 5% comparado
con el 5 al 20% de la loza de barro. Por lo general la composición se controla más
cuidadosamente que en la loza de barro y el producto no lustroso tiene el acabado
mate de la piedra fina.
Excelente material para la loza de hornear tanques para sustancias químicas y
serpentinas. En la práctica no lo atacan la mayoría de los ácidos pero lo corroen
los álcalis.
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Lozas
La loza china: se obtiene cociendo la mezcla triaxial a alta temperatura para obtener un
objeto traslúcido.
Es traslúcido porque una gran parte de la mezcla de cristales de cuarzo, arcilla y feldespato se
ha convertido en vidrio claro.
La temperatura de cocido es menor que para la porcelana "dura" porque una pequeña
cantidad de CaO está presente como fundente.
La "porcelana inglesa": Contiene cerca de un 45% de ceniza de hueso (de huesos de ganado),
25% de arcilla y el resto feldespato y cuarzo.
El fosfato de calcio de los huesos produce un material con menor punto de fusión y el grupo
fosfato sustituye en parte la sílice como formadora de vidrio.
Porcelana china "Beleek": muy conocida, se fabrica añadiendo vidrio como fundente a la
mezcla original, que proporciona gran traslucidez al producto terminado.
Porcelana: es la que se cuece a las más altas
temperaturas del grupo. La no utilización de
fundentes y las temperaturas más altas dan
como resultado un producto denso y muy duro.
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Ladrillos refractarios
•
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•
•
•
•
•
Materiales que resisten la compresión a temperaturas elevadas .
Contienen caolinita (esencialmente AI2O2 . 2SiO2 . 2H2O), como
ingrediente principal, con un mínimo de substancias productoras de
vidrio.
Se fabrica a partir de arcilla precocida con el fin de obtener un
producto dimensionalmente estable.
La resistencia es baja; pero no tienen como fin el soportar cargas
estructurales.
Su función principal: confinar las llamas y las temperaturas elevadas
del aire, para proteger a los miembros estructurales de dichas
temperaturas excesivas.
Los ladrillos refractarios se unen con cantidades mínimas de mortero,
hecho mediante la mezcla de arcilla refractaria molida con agua.
Las temperaturas de servicio crece con el precio:
Ácidos - Básicos - Neutros
Su temperatura de ablandamiento es de cerca de 1650°C.
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Diagrama Silico-Alumina
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Refractarios Ácidos (Silicicos – Silicicos Aluminosos –
Zircón)
El dióxido de silicio es el ingrediente principal.
Son ácidos, no reaccionan con otras substancias ácidas y se utilizan en
los fondos de los hornos en que se encuentran escorias ácidas.
El dióxido de silicio se obtiene del cuarzo o la arenisca arcillosa.
Tienden a sufrir una dilatación ligera y permanente, después de una
exposición prolongada a las temperaturas elevadas. Se utilizan
materiales combustibles de relleno, tales como bandas de carbón, en las
juntas de expansión, para acomodarse a dicha dilatación.
Se utiliza como material de recubrimiento para los convertidores de
hogar abierto para la fabricación del acero.
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Refractarios Básicos (Dolomita – Magnesita)
MgO Ingrediente principal.
La magnesia se obtiene calcinando (calentando hasta el punto de la
descomposición) la magnesita (MgCO3).
Se necesitan temperaturas de 1650°C para obtener un producto estable.
También se obtiene magnesia del agua del mar. Después de cocida, la
magnesia se muele y se mezcla con óxido férrico, arcilla, alúmina u óxido
de cromo.
Las paredes de los hornos básicos de hogar abierto se recubren con
ladrillos de magnesia.
Los fondos básicos de hogar abierto se cubren con magnesita o dolomita
(MgCO3 . CaCO3).
Los recubrimientos resisten a las reacciones con las composiciones
básicas de las escorias.
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Refractarios Neutros
(Carburo de silicio- Cromita-Carbón y Grafito)
Cr2O3, - Ingrediente principal.
Cantidades más pequeñas de dióxido de silicio, óxido férrico y
magnesia forman un enlace en los productos refractarios neutros.
Los productos de alto contenido de alúmina se consideran, a veces,
como refractarios neutros.
El carburo de silicio, que se obtiene mediante la fusión del dióxido
de silicio con el carbón de coke, en un horno eléctrico, y el grafito, se
clasifican también como refractarios neutros, resistentes a la acción
de las escorias. El grafito, unido a la arcilla, se utiliza en grandes
cantidades para el recubrimiento de hornos o altos hornos.
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Selección de Refractarios
•
Refractarios ácidos > uso en presencia de escorias ácidas >
precio bajo ($ 1)
•
Refractarios básicos > uso en presencia de escorias básicas >
precio medio ($ 4)
•
Refractarios neutros > uso en presencia de escorias ácidas y
básicas > precio muy alto ($ 10)
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La Cal
Piedra caliza (CaCO3) - Contiene cantidades variables de (MgCO3) hasta un 30%
aproximadamente, es la materia prima para la producción de cal.
Con frecuencia se encuentran el SiO2, la Al2O3 y FeO, en pequeñas cantidades.
El Carbonato de magnesio, es beneficioso porque hace descender las temperaturas de
calcificación. El dióxido de silicio es una impureza perjudicial, ya que reacciona con la
cal (CaO), para formar silicatos.
Método de Fabricación:
Calcinación: luego de machacar piedra caliza hasta obtener un tamaño uniforme, se
calienta en hornos a temperaturas aproximadas a los 1100°C (Cocido), Se obtiene Cal
viva + Magnesia
Apagamiento: La cal viva se hidrata, mezclándola en cantidades apropiadas de agua.
Endurecimiento: Se realiza mediante la reacción de partículas de cal apagada
(Ca(OH)2) con el CO2 del aire.
Usos:
Se consume en forma apagada como ingrediente de mortero o yeso. El mortero mas
importante es el cal-cemento (1p de cemento, 2p de cal y 6p de arena + agua para darle
la plasticidad requerida)
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Yeso
Materia prima: yeso pétreo, CaSO4 . 2H2O.
Contiene impurezas ( SiO2, Al2O3 y CaCO3).
Método de Fabricación:
Calcinación: se aplasta (triturado) y se calienta.
Endurecimiento: El sulfato de calcio (CaSO4) es peculiar, porque su hidrato
es menos soluble en agua que su semihidrato.
Si se mezcla el semihidrato con agua, reacciona lentamente, para producir la
precipitación de agujas de dihidrato.
La formación de una capa entrelazada de cristales de dihidrato es la que
produce el endurecimiento del yeso .
La elevación de la temperatura de la masa plástica hace que sea fijada con
mayor rapidez, sin embargo generalmente no se desea acelerar el
endurecimiento sino retrasarlo, para lo cual se agregan engrudos
animales o retardadores. El endurecimiento va acompañado de expansión
y producción de calor.
Usos:
Yeso de acabados, placas, enyesados, cartones de yeso, Moldes para metales,
Empleos odontológicos, etc.
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Cemento Portland
Elaboración
•
Las materias primas: Caliza (CaCO3), Sílice (SiO2), Alúmina (Al2O3) y
Oxido de Hierro (Fe2O3) son molidas y mezcladas en proporciones
adecuadas, posteriormente se mantienen en un horno a 1400-1650°C,
convirtiéndose en cemento endurecido (Clinker)
• Se enfría y pulveriza y finalmente se le agrega una pequeña cantidad de
yeso París para controlar el tiempo de preparación del Hormigón.
Componentes
• El Cemento Portland consta de cuatro componentes prioritarios:
• Silicato Tricálcico
C3S
55%
• Silicato Dicálcico
C2S
20%
• Aluminato Tricálcico
C3A
12%
• Aluminoferrita de Tetracalcio
C4AF
9%
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Cemento Portland
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Hormigón (Concreto de Portland)
Compuesto de naturaleza cerámica formado por un material tosco (agregado) encajado en una matriz
dura de una pasta de cemento (aglutinante)( cemento portland )y agua.
Es económico, tiene dureza, resiste al fuego, presenta la posibilidad de ser fabricado en el sitio.
Desventajas: escasa resistencia a la tracción, baja ductilidad y algo de contracción.
Composición:
Cemento Portland
Agua
Aire
Agregado Fino
Agregado Grueso
7-15%
14-21%
0,5-8%
24-30%
31-51%
Cuando se usa en estructuras que pueden
someterse a tracción se usan barras de
acero en cantidad suficiente para resistir
los esfuerzos (HORMIGON ARMADO)
Recien preparado –consistencia fluída
Fraguado; Proceso químico hasta
alcanzar la consistencia pétrea
(Fuertemente exotérmico)
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Fibrocemento
• Cemento + 15% de asbesto.
• Ventajas: ser estanco (aísla), ignífugo (no inflamable), es
perforable.
• Usos: Techos para lugares expuestos a agentes químicos y
corrosivos, en frenos (debido a que posee un buen coeficiente de
fricción) y embrague de los autos (para evitar que patine).
Lana Mineral
• Se obtiene de la escoria del alto horno (Silicato y Aluminato) y
posee muy buenas propiedades aislantes. –Aislaciones de
cañerías y equipos que trabajan a altas temperaturas.
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Aislación del Taxi Espacial
•
Cerca del 70% de la superficie externa es protegida por
unas 24000 bloques ceramicos.
• Material: Silica fiber compound.
• Densidad 4kg/ft3 y soporta temperaturas de hasta 12600C.
Courtesy of NASA
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