DEFINICIÓN Y PROPIEDADES GENERALES

DEFINICIÓN Y PROPIEDADES GENERALES
Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos (no contienen carbono) de alto punto de
fusión.
En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales
condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades específicamente
dieléctricas. Todos los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia tienen una resistencia excepcional al
calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en
fuerte concentración, excepción hecha del ácido fluorhídrico.
Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente:
• Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.)
• Silicatos magnésicos (talco)
A estos componentes fundamentales se añaden otros muchos constituyentes secundarios, entre ellos: el
cuarzo, el feldespato, la alúmina, el carburo silícico, etc.
CLASIFICACIÓN DEL OS MATERIALES CERÁMICOS
Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámico:
• Materiales compactos.
• Materiales porosos.
Una segunda clasificación es según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco
grandes grupos, que se definen a continuación.
GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla,
caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.
GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos
(talco), el más representativo es la esteatita.
GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio
(principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como
material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.
GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias
arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de
dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.
GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están
constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran
resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur,
Morganita, etc.
En nuestra explicación utilizaremos preferentemente la clasificación anterior.
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PORCELANA ELECTROTÉCNICA
La porcelana electrotécnica es el más importante de los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia.
Los materiales básicos que la constituyen, son los siguientes:
• el caolín o tierra de porcelana cuya composición corresponde a la siguiente fórmula:
Al2 O3 − 2 Si O2 − 2 H2 O
• el cuarzo u óxido de silicio de fórmula:
Si O2
• el feldespato, nombre genérico de un grupo de minerales petrogenétcos o formadores de rocas. Todos los
feldespatos son silicatos anhídros de aluminio, con potasio, sodio y calcio. Su fórmula es la siguiente:
K2 O − Al2 O3 − 6 Si O2
Los tres componentes citados se mezclan bien y se amasan con agua, quitando las impurezas. El agua se
elimina mediante filtros−prensa. Antes de la cocción se le da la forma debida, mediante tres procedimientos
distintos:
• Moldeo por prensado. Se denomina también porcelana preparada por vía seca y se obtiene por moldeado,
a presión, en moldes de acero, estando la porcelana reducida a polvo y ligeramente humedecida; con
moldes apropiados pueden obtenerse piezas de forma muy variadas.
Con este procedimiento se consiguen piezas de dimensiones muy precisas.
• Moldeo a torno, utilizado principalmente para aplicaciones en alta tensión: aisladores de apoyo y de
cadena, pasamuros, pasatapas, etc. Se denomina también porcelana preparada por vía húmeda. Se elabora
en formas y tamaños convenientes.
• Moldeo por colada es decir, porcelanas preparadas por fusión.
Antes de su moldeado, la pasta se divide en bloques que corresponden aproximadamente al tamaño de la pieza
terminada.
Después de moldeadas, se secan las piezas y luego se cuecen, esmaltándolas después. El esmalte está
constituido de la siguiente forma:
79,1 % de óxido silícico (Si O2)
13,4 % de óxido de aluminio (Al2 O3)
4 % de óxido de calcio (Ca O)
1,2% de óxido de magnesio (Mg O)
1,4% de óxido de potasio (K2 O)
Después del esmaltadas, se procede a la cocción definitiva, con lo que se forma un nuevo silicato, denominado
silimanita, y cuya fórmula es:
2
Al2 O3 − Si O2
La composición aproximada de la porcelana electrotécnica para usos generales, es la siguiente:
50 % de caolín
25 % de cuarzo
25 % de feldespato
Esta porcelana, tiene unas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio. Si se quieren fabricar
porcelanas especiales en las que predominen una o más de estas propiedades, deben modificarse las
proporciones de los componentes básicos según se expresa en la figura 1: el aumento de contenido de caolín
aumenta la resistencia térmica de porcelana. De acuerdo con la figura 1 pueden obtenerse porcelanas de
elevadas propiedades eléctricas y térmicas o eléctricas y mecánicas, pero no materiales con elevadas
propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas, simultáneamente. Por ejemplo una porcelana con la siguiente
composición:
55 % de caolín
12 % de cuarzo
33 % de feldespato
FIGURA 1
3
Las propiedades generales de la porcelana electrotécnica son:
• Excelentes características dieléctricas.
• Gran resistencia mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.
• Impermeable al agua y a los gases
• Inatacable por los álcalis y ácidos concentrados, excepto el ácido fluorhídrico.
• Soporta perfectamente grandes cambios de temperatura y sus temperaturas máximas de servicio son muy
elevadas.
Estas propiedades varían según la composición de la porcelana, tal como hemos visto anteriormente (ver
figura 1). A continuación, se estudian los factores más importantes que influyen sobre las propiedades de este
material.
FIGURA 2
FIGURA 3
4
FIGURA 4
FIGURA 5
La resistencia mecánica disminuye con la sección. En las figuras 2 a 5 se muestran, respectivamente, las
resistencias a la tracción, a la compresión, a la flexión y a la torsión de probetas macizas y lisas de porcelana
dura cuidadosamente esmaltadas.
La rigidez dieléctrica de la porcelana es elevada (de 34 a 38 KV/mm). Su valor depende, esencialmente, de
estos tres factores;
• Composición de la porcelana.
• Espesor aislante.
• Temperatura de funcionamiento.
En la figura 6 pueden apreciarse las tensiones de perforación en función del espesor de la capa aislante, la
rigidez dieléctrica calculada de acuerdo con estos datos, es de 27 KV/mm.
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FIGURAS 6 Y 7
También la resistencia de volumen depende mucho de la temperatura, tal como puede deducirse del examen
de la figura 7.
Por otro lado, y tal cono se expresa en la figura 8, cuando la temperatura de servicio sobrepasa de los 70o C,
la porcelana experimenta una gran disminución en su resistencia a la perforación eléctrica,
independientemente del tipo de corriente (alterna, continua o pulsatoria).
FIGURA 8
FIGURA 9
6
FIGURA 10
Finalmente, y en lo que se refiere al factor de pérdidas dieléctricas, se puede decir que el espesor del
aislamiento influye muy poco sobre su valor (figura 9), mientras que, por el contrario, aumenta notablemente
con la temperatura, tal como puede apreciarse en la figura 10.
A continuación se exponen en una tabla las características más interesantes de los tres tipos de porcelana
electrotécnica, es decir, por vía seca, por vía húmeda y por colada. Los datos expuestos en dicha tabla
representan valores promedio y se han obtenido con probetas especiales preparadas al efecto; estos datos son
variables y dependen de la composición, tamaño, procedimiento de fabricación, etc. por lo que solamente
tienen un valor orientativo.
CARACTERÍSTICAS DE LA PORCELANA ELECTROTÉCNICA
Procedimiento de preparación
Características
Estructura
Porosidad
Absorción de agua en
24h., en %
Peso especifico en gr/cm3
Resistencia a la tracción,
en Kg/cm2 (con
esmaltado)
Resistencia a la tracción,
en Kg/cm2 (sin esmaltado
)
Resistencia a la
comprensión en Kg/cm2
(con esmaltado)
Resistencia a la
comprensión en Kg/cm2
(sin esmaltado)
Resistencia a la flexión en
Kg/cm2 (con esmaltado)
Resistencia a la flexión en
Kg/cm2 (sin esmaltado)
Por vía seca
Compacta
−
Por vía húmeda
Compacta
0
Por colada
Compacta
0
0 ... 0,5
0
0
2,3 ... 2,5
2,3 ... 2,5
2,3 ... 2,5
300 − 500
−
70 ... 140
240 ... 300
−
3000 ... 4000
4000 ... 5500
4000 ... 5500
100 ...140
3000 ... 3500
4000 ... 4500
4000 ... 4500
600 ... 700
900 ... 1000
900 ... 1000
300 ... 600
400 ... 800
400 ... 800
7
Temperatura de
reblandecimiento, en 0C
Temperatura máxima de
servicio, en 0C
Resistencia a la llama
Resistividad a 200C en
ohmnios, cm2/cm
Rigidez dieléctrica, en
KV/mm, a 50 Hz
Rigidez dieléctrica, en
KV/mm, a 1 MHz
Constante dieléctrica , a
50 Hz
Constante dieléctrica , a
1 MHz
Factor de pérdidas (tg
),a 50 Hz
Factor de pérdidas (tg )a
1MHz
Resistencia a los agentes
químicos
" 1500
" 1500
" 1500
1000
Infusible
1000
Infusible
1000
Infusible
Superior a 1014
Superior a 1014
Superior a 1014
34 ... 38
34 ... 38
34 ... 38
34 ... 38
34 ... 38
34 ... 38
5 ... 6,5
5 ... 6,5
5 ... 6,5
5 ... 6,5
5 ... 6,5
5 ... 6,5
0,017 ... 0,025
0,017 ... 0,025
0,017 ... 0,025
0,007 ... 0,012
0,007 ... 0,012
0,007 ... 0,012
Excepcional
Excepcional
Excepcional
TABLA 1LOZA ELECTROTÉCNICA
Su composición es muy parecida a la de la porcelana, excepto que, en lugar de caolín, se utiliza en su
fabricación la arcilla cocida. Después de la cocción, puede esmaltarse exteriormente.
La loza electrotécnica resiste muy bien los efectos químicos y soporta sin inconvenientes los cambios de
temperatura, pero sus propiedades aislantes son inferiores a la de la porcelana.
Sus ventajas están en su menor coste y en la posibilidad de conseguir piezas de mayor tamaño que con la
porcelana.
Generalmente, se emplean en baja tensión par la fabricación de placas de base y, en alta tensión como
envolvente de protección en pasamuros al aire libre, en transformadores de media, etc. es decir, en los casos
en que no existen elevadas solicitaciones eléctricas.
ESTEATITA
Esta constituida por talco o silicato magnésico natural principalmente. La fórmula aproximada del talco es:
3 Mg O − 4 Si O2 − H2 O
Al talco, y según las características que se pretendan alcanzar en los productos acabados, se añaden
generalmente óxidos de magnesio, de hierro, de titanio, etc.
Las propiedades eléctricas que se pretendan alcanzar en los productos acabados, se reduce la facilidad para la
manipulación de la masa.
8
Tiene el inconveniente de que no se deja esmaltar pues, a consecuencia de la diferencia de coeficiente de
dilatación, el esmalte se resquebraja y termina desprendiéndose.
La esteatita se emplea cuando los aisladores u otros objetos fabricados con este material, deban soportar
grandes esfuerzos mecánicos, ya que sus resistencias a la tracción, a la comprensión y a la flexión tienen,
aproximadamente, un valor doble a las correspondientes a la porcelana.
El principal inconveniente de la esteatita es su alto coste, que limita su empleo a pequeñas piezas aislantes o a
los casos en que se necesitan excepcionales condiciones de resistencia mecánica, bajo factor de pérdidas, etc.
Algunas denominaciones comerciales: Isolantite, Lava, Lava Rock, Lavita, Al, Si, Mg, etc.
En la tabla 2 se expresan las más interesantes características de dos tipos de esteatita denominados,
respectivamente, normal y especial.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA ESTEATITA
TABLA 2
MATERIALES CERÁMICOS A BASE DE COMPUESTOS DE TITANIO
Estos materiales cerámicos están incluidos en el Grupo III, citado anteriormente (Pág. 2). Se caracterizan
sobre todo, por una constante dieléctrica elevada, unido aun pequeño factor de pérdidas dieléctricas, incluso a
muy altas frecuencias, por lo que resultan muy adecuados para el aislamiento de condensadores,
especialmente en frecuencias elevadas.
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El principal constituyente de este grupo es el óxido de titanio. Pero, debido a su elevado precio y difícil
obtención, el óxido de titanio puro solamente se emplea en casos muy especiales. Normalmente, se utilizan
compuestos cerámicos cuyo componente básico es el óxido de titanio.
También se incluyen en este grupo, los materiales cerámicos que contienen titanato de magnesio que se
caracterizan por una constante dieléctrica media pero un factor de pérdidas extraordinariamente pequeño para
altas frecuencias.
En la tabla 3 se expresan las más importantes características de algunos de estos productos, con los
correspondientes nombres comerciales.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS A BASE DE COMPUESTOS
DE TITANIO
TABLA 3
MATERIALES CERÁMICOS DE REDUCIDO COEFICIENTE DE DILATACIÓN
Estos materiales cerámicos están incluidos en el grupo IV citado anteriormente (Pág. 2). Tienen estructura
compacta, gran resistencia a las variaciones bruscas, incluso a altas temperaturas, se emplean sobre todo, para
protecciones aislantes contra arcos de chispa y luminosos. Pueden clasificarse en tres subgrupos:
• Productos con gran contenido de compuestos de aluminio.
Entre éstos se pueden citar:
a) Sinterkorund o corindón vitrificado, aislante cerámico refractario que presenta una gran resistencia
mecánica y buenas propiedades dieléctricas a altas temperaturas. Este compuesto es un óxido de aluminio
fundido y tiene el aspecto de un cuerpo completamente cristalizado, es muy parecido a la porcelana, pero sus
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propiedades son muy distintas.
Se emplea este material cerámico, muy ventajosamente, en la fabricación de bujías de encendido para
vehículos automóviles y en todas las aplicaciones en que se requieran aislamientos que permitan altas
temperaturas de servicio. También se emplea en la construcción de hornos eléctricos.
b) Isomar. Este material es un silicato de aluminio, con bastante alúmina y sin que contenga mezcla de silicato
magnésico. Las propiedades dieléctricas, mecánicas y térmicas son muy superiores a las de las porcelana.
Tiene aplicaciones análogas a las del corindón vitrificado.
c) Piranita. Contiene silicato de aluminio y silimanita. Exteriormente se parece a la porcelana. Resiste mejor
los cambios bruscos de temperatura que los aislantes a base de esteatita y tiene análogas propiedades
dieléctricas que esta última.
d) Masa de Pitágoras. Este material cerámico tiene gran resistencia al calor y a los cambios de temperatura.
Su empleo da excelentes resultados en atmósferas muy reductoras. Es insensible a los agentes químicos. Se
emplea en la fabricación de vainas para pirómetros, en tubos de caldeo y combustión y en crisoles.
e) Pirodur. Es de color blanco y se emplea en la aplicación de laboratorio, tales como cubetas y vainas para
pirómetros cuyas temperaturas de servicio estén comprendidas entre 11000C y 15000C.
• Productos con gran contenido de silicato magnésico.
Los materiales básicos de composición son hidrosilicatos de magnesio. Estos productos reciben las
denominaciones comerciales de Calita, Calan, Ultracalan, Frecuenta y Frecuenta D, entre otros. Todos ellos
tienen estructuras cristalinas.
Estos productos están caracterizados por su pequeño factor de pérdidas dieléctricas, gran resistencia a los
choques y excelentes cualidades dieléctricas a elevadas temperaturas y altas frecuencias. Son completamente
insensibles a la acción del calor y de la humedad y no experimentan ningún fenómeno de envejecimiento o de
fatiga.
Se utilizan en la técnica de las altas frecuencias para aislamiento de partes bajo tensión, para aplicaciones de
electromedicina y como dieléctricos de condensadores. También encuentran aplicación en las partes aislantes
que hayan de tener gran resistencia mecánica, en instalaciones de alta y de baja frecuencia, especialmente en
electrotermia, a causa de su escasa conductividad a elevada temperatura (por ejemplo, en aislamiento de
resistencias, hornos eléctricos, etc.).
• Productos con mezcla de compuestos de aluminio y de magnesio.
Estos productos contienen esencialmente tres componentes principalmente: óxido de magnesio, alúmina y
óxido de aluminio (sílice). Combinando adecuadamente estas sustancias, se obtienen materiales caracterizados
por su pequeño coeficiente de dilatación cúbica.
Se conocen con los nombres comerciales de Ardostan, Sipa, etc., y son, generalmente, de color gris.
Tienen gran resistencia la arco eléctrico, no se pueden esmaltar. Se emplean tanto en alta como en baja
tensión.
En la tabla 4 se expresan las más importantes características de algunos de los materiales cerámicos
estudiados.
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CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LSO MATERIALES CERÁMICOS DE REDUCIDO
COEFICIENTE DE DILATACIÓN
TABLA 4
MATERIALES CERÁMICOS POROSOS
Los materiales cerámicos comprendidos en el Grupo V citado anteriormente (Pág. 2). Tienen buena
resistencia mecánica y gran resistencia al calor y a los cambios de temperatura, propiedad esta última que se
encuentra favorecida por la estructura porosa y granular de estos materiales.
Se emplean en calefacción eléctrica y en otras aplicaciones electrotérmicas donde sirven a la vez de soporte y
de aislamiento de los conductores incandescentes.
Por su composición pueden clasificarse en tres subgrupos:
1) Materiales ternarios. Constituidos a base de óxido de magnesio, alúmina y sílice. Se conocen con los
nombres comerciales de, Magnesolita, Termisol, Ost, Elwa, StG, etc.
La composición y propiedades de estos compuestos, son intermedias entre la del gres y la de la esteatita.
2) Materiales con gran proporción de alúmina. Estos materiales son más refractarios que los anteriores.
Entre estos productos se pueden citar los siguientes:
Reostita. Contiene corindón y se emplea para la fabricación de tubos−soporte, paredes, etc., para fijación de
conductores de calefacción de gran sección. Solamente pueden obtenerse de piezas sencillas.
Q−5. Es un material muy poco poroso, con gran contenido de alúmina y muy poco fundente. Resiste muy
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altas temperaturas, ya que su temperatura de reblandecimiento es de unos 17000C.
Calodur. Este material contiene corindón y carborundo. Se utiliza para resistencias de calefacción cuyos
conductores (hilos o pletinas) forman cuerpo con la masa cerámica; de esta forma pueden fabricarse placas o
tubos de calefacción de grandes dimensiones. También se emplea este material cono aislamiento de hornos
eléctricos que alcanzan temperaturas hasta 1000 grados centígrados.
4) Materiales varios. Muchos materiales cerámicos están compuestos de materiales carios, tales como la
sílice, la bauxita, el zirconio, la magnesita, etc.
Estos productos se conocen con diversas denominaciones comerciales: Aloska, Pirolita, Silocarbina,
Morganita, Globar, etc.
Como por ejemplo citaremos que la llamada Masa de Marquardt está constituida de la siguiente forma:
Alúmina 66 %
Sílice 32,5 %
Alcalis 1,5 %
Impurezas 0,1 %
En la tabla 5 se indican las más interesantes propiedades de algunos de los materiales cerámicos porosos.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS POROSOS
TABLA 5
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