Leccion2.REFRACTARIOS.PROPIEDADES.Estructurales

PROPIEDADES FÍSICAS
MUCHAS DE LAS APLICACIONES DE LAS CERÁMICAS SE BASAN
EN SUS PROPIEDADES FÍSICAS Y TÉRMICAS ÚNICAS.
POR EJEMPLO, LAS PLACAS DE PROTECCIÓN TÉRMICA DEL
TRANSBORDADOR ESPACIAL REQUIEREN LAS SIGUIENTES
CARACTERISTICAS:
-PESO ULTRALIGERO
-RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS
-RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO ELEVADA
- CONDUCCIÓN DE CALOR BAJA
LA DENSIDAD Y LA TEMPERATURA DE FUSION SON PROPIEDADES
FÍSICAS IMPORTANTES. LA CONDUCCIÓN DE CALOR ES UNA
CARACTERÍSTICA TERMICA Y LA RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO
ES UNA COMBINACIÓN DE PROPIEDAD TÉRMICA Y MECÁNICA
CUANDO UN VEHÍCULO COMO EL TRANSBORDADOR
ESPACIAL ENTRA DE NUEVO EN LA ATMÓSFERA, SE
PUEDEN ALCANZAR TEMPERATURAS SUPERFICIALES
HASTA DE 1650 °C (~3000 °F) DEBIDO A LA FRICCIÓN
DOS ENFOQUES DISTINTOS DE DISEÑO HAN SIDO USADOS CON
EL FIN DE PROTEGER SUPERFICIES DE ENTRADA CRÍTICAS.
UN ENFOQUE EMPLEA MATERIALES ABLATIVOS QUE DISIPAN EL
CALOR, PERO QUE SE VAN CONSUMIENDO DESPACIO Y DEBEN
SER SUSTITUIDOS DESPUÉS DE CADA MISIÓN.
EL OTRO ENFOQUE USA MATERIALES QUE PUEDEN SOPORTAR
LAS TEMPERATURAS GENERADAS DURANTE LA REENTRADA Y
QUE SE UTILIZAN EN UNA NUEVA MISION
ESTE SEGUNDO ENFOQUE ES EL QUE FUE SELECCIONADO
PARA LA PROTECCIÓN DEL TRANSBORDADOR ESPACIAL.
Distribución de temperaturas aproximada que debe soportar el
transbordador durante la subida y la reentrada en la atmosfera.
TRANSBORDADOR
ESPACIAL
Ceramic Tiles
The space shuttle is covered with approximately 24,000 ceramic
tiles made from a silica fiber compound.
Nariz del
transbordador.
Coated LI-900 Tile Cross-Section
160 X
Magnification
Dense Silica Coating
(1600 Kg/m3 or 100 lb/ft3)
Purpose: • Emittance Control
• Mechanical Protection
of Base Material
• Waterproofness
0.33 mm
(0.013 in.)
Rigidized Fiberous Silica
(144 Kg/m3 or 9 lb/ft3 )
Purpose: Insulation
A.- CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES
E1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA.
E2.- COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. GRADO DE
VITRIFICACIÓN.
E3.- TAMAÑO DE LOS CRISTALES.
E4.- POROSIDAD Y DENSIDAD. TAMAÑO Y TIPO DE
POROS.
E5.- PERMEABILIDAD (AL AIRE, GASES O VAPORES).
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES
DE LOS MATERIALES CERAMICOS
B.- CARACTERISTICAS OPERATIVAS
B3.- TERMICAS
OT1.- REFRACTARIEDAD (RESISTENCIA PIROSCÓPICA, CPE).
OT2.- DILATACIÓN TÉRMICA.
OT3.- MODIFICACIÓN PERMANENTE DE LA LONGITUD
(DEFORMACIÓN PERMANENTE).
OT4.- CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
OT4.- CALOR ESPECIFICO.
OT5.- RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES
DE LOS MATERIALES CERAMICOS
B.- CARACTERISTICAS OPERATIVAS
B4.- QUIMICAS
OQ1.- RESISTENCIA A ESCORIAS, METALES
FUNDIDOS.
OQ2.-RESISTENCIA A GASES Y VAPORES.
OQ3.- RESISTENCIA A LOS ÁCIDOS.
OQ4.- RESISTENCIA A LA HIDRATACIÓN.
La densidad de un material se define como la masa del
mismo por unidad de volumen, es decir
ρ=
M
V
.
Varios factores influyen en la densidad:
- Tamaño y peso atómico de los elementos
- Factor de empaquetamiento de los átomos en la
estructura cristalina
- Cantidad de porosidad en la microestructura.
El término densidad puede usarse de varios modos, cada uno de
ellos con un significado diferente. Para estar seguro del significado
correcto, tenemos que usar palabras para diferenciarlas:
DENSIDAD CRISTALOGRAFICA: ES LA DENSIDAD IDEAL DE UNA
ESTRUCTURA CRISTALINA ESPECÍFICA DETERMINADA A PARTIR DE DATOS
DE COMPOSICIÓN QUÍMICA Y DE DATOS DEL ESPACIADO INTERATÓMICO
OBTENIDOS POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X.
DENSIDAD TEÓRICA O REAL: LA DENSIDAD DE UN MATERIAL QUE
CONTIENE UNA POROSIDAD MICROESTRUCTURAL NULA, TENIENDO EN
CUENTA LAS FASES MÚLTIPLES, LOS DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA Y LAS
SOLUCIONES SÓLIDAS).
DENSIDAD GLOBAL: LA DENSIDAD DE UNA PIEZA CERÁMICA, INCLUYENDO
TODA LA POROSIDAD, LOS DEFECTOS DE RED Y LAS DISTINTAS FASES).
DENSIDAD ESPECÍFICA: LA DENSIDAD DE UN MATERIAL EN RELACIÓN CON
LA DENSIDAD DE UN VOLUMEN IGUAL DE AGUA A 4 °C (POR LO GENERAL,
BASADA EN LA DENSIDAD CRISTALOGRAFICA O TEÓRICA). ASÍ, UN
MATERIAL CON UNA DENSIDAD ESPECÍFICA DE 4.5 TIENE UNA DENSIDAD 4.5
VECES LA DENSIDAD DEL AGUA A 4° C. ASIMISMO, UN VOLUMEN IGUAL
PESA 4.5 VECES QUE EL DE AGUA.
DENSIDAD DE LAS CERAMICAS
DONDE:
n ' ( ΣAC + ΣAA )
ρ=
VC N A
POROSIDAD. COMPACIDAD
LA POROSIDAD DE UN MATERIAL CONFORMADO INCIDE
DIRECTAMENTE EN SU RESISTENCIA MECÁNICA (QUE DISMINUYE
AL AUMENTAR LA POROSIDAD).
OTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES COMO EL
COMPORTAMIENTO FRENTE AL ATAQUE QUÍMICO, LA
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y LA RESISTENCIA AL CHOQUE
TÉRMICO, QUEDAN TAMBIÉN INFLUENCIADAS POR EL TAMAÑO,
FORMA, NÚMERO Y DISTRIBUCIÓN DE LOS POROS.
LA POROSIDAD PUEDE PERMITIR LA PERMEABILIDAD A GASES O
LÍQUIDOS, CAMBIAR LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS O
COMPROMETER EL COMPORTAMIENTO ÓPTICO.
LA INFLUENCIA DE LA POROSIDAD EN LA RESISTENCIA ES MUCHO MÁS
DRAMÁTICA, POR EJEMPLO, NO ES RARO QUE UN 10 % DE POROSIDAD
DISMINUYA EL MÓDULO DE ROTURA EN UN 50 % DEL VALOR MEDIDO
PARA EL MATERIAL NO POROSO.
LA POROSIDAD ES DESFAVORABLE PARA LA RESISTENCIA A LA
FRACTURA (O MÓDULO DE ROTURA) POR DOS RAZONES:
(1).- LOS POROS REDUCEN EL ÁREA DE LA SECCIÓN A TRAVÉS
DE LA CUAL SE APLICA LA CARGA
(2).- ACTÚAN COMO CONCENTRADORES DE TENSIÓN: EN EL
CASO DE UN PORO ESFÉRICO LA TENSIÓN ES AMPLIFICADA EN
UN FACTOR 3.
⎛
⎝
σ A = σ ⎜1 +
2a ⎞
⎟
b ⎠
La relación σA/σ se define como el factor de
concentración de tensiones, kt, Cuando a = b, el
agujero es circular y en este caso kt = 3
Cuando el eje mayor a, aumenta respecto a b, el
agujero elíptico comienza a tener la apariencia de una
grieta aguda. Para este caso, Inglis encontró más
conveniente la expresión siguiente:
AGUJERO ELIPTICO
EN UNA PLACA PLANA
⎛
a⎞
σ A = σ ⎜⎜1 + 2
⎟⎟
ρ
⎝
⎠
b2
ρ=
Si a » b σ A = 2σ
a
a
ρ
Fórmula de Ryshkevich:
σ mf = σ 0 exp ( −nP )
σ0 (Módulo de rotura del material no poroso) y
n son constantes experimentales.
Fórmula de Balshin:
⎛ ρg ⎞
σ = σ0 ⎜ ⎟
⎝ ρr ⎠
n
Pt ⎞
⎛
σ = σ 0 ⎜1−
⎟
100
⎝
⎠
n
DISTINTOS VOLÚMENES QUE PRESENTA UN MATERIAL
VOLUMEN TOTAL
VT =Vm +Vpc +Vpa
VOLUMEN APARENTE
Vap = Vm + Vpc
SATURACIÓN DE LA PROBETA POR INMERSIÓN PROGRESIVA EN
AGUA A EBULLICIÓN
Se introduce la probeta en un recipiente de
manera que no quede tocando el fondo del
mismo y se añade agua destilada que se
halle a la temperatura ambiente, hasta que
cubra aproximadamente 1/4 de su altura y
se comienza a calentar.
Se continua añadiendo agua cada media
hora hasta que al cabo de hora y media se
encuentre completamente sumergida.
A continuación, se hierve durante dos
horas, reponiendo el agua evaporada con
agua destilada hervida y caliente, de tal
modo que la probeta esté, durante las dos
horas, totalmente cubierta. Se deja enfriar
dentro del agua hasta que alcance la
temperatura ambiente.
INSTALACIÓN DE VACÍO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD
APARENTE Y POROSIDAD ABIERTA
(1).- Desecador
(2).- Filtro
(3).- Manometro
(4).- Bomba de vacio
(5).- Entrada de aire
(6).- Entrada de agua
(7).- Llave
Se coloca la probeta seca y enfriada en un recipiente estanco. Cerrado el
recipiente, se hace el vacío hasta que se alcance una presión, constante de 25
mbar y se mantiene esta presión durante 15 minutos como mínimo
Para comprobar que se ha conseguido la desgasificación total de la probeta,
se desconecta el recipiente de la bomba de vacío y se comprueba, mediante
el manómetro que no aumenta la presión en el interior. Se vuelve a conectar
el recipiente a la bomba de vacío y se introduce progresivamente el líquido
de inmersión, de forma que, al cabo de 3 minutos la probeta esté totalmente
recubierta de líquido
Se mantiene esta presión reducida durante 30 minutos, se desconecta la
bomba y se abre el recipiente.
ELIMINACIÓN DE LOS
POROS CERRADOS
POR PULVERIZACIÓN
CÁLCULO DE LA DENSIDAD
REAL POR EL MÉTODO DEL
PICNÓMETRO
CÁLCULO DE LA DENSIDAD REAL POR EL MÉTODO
DEL MATRAZ DE REES – HUGIL
(MÉTODO DEL VOLUMENÓMETRO)
EL LÍQUIDO UTILIZADO DEBE
DE SER DE BAJA
VOLATILIDAD Y VISCOSIDAD,
CON EL FIN DE QUE NO
MODIFIQUE LA PESADA EN EL
TIEMPO Y PARA QUE SE
INTRODUZCA CON FACILIDAD
EN LOS HUECOS QUE
EXISTEN ENTRE LAS
PARTÍCULAS DEL POLVO.
DENSIDAD REAL O TEORICA.
PARA MUCHAS APLICACIONES, ES DESEABLE PRODUCIR UN MATERIAL
CERÁMICO QUE CONTENGA UNA POROSIDAD ABIERTA Y CERRADA
MÍNIMA. SI LA CERÁMICA PUDIESE DENSIFICARSE COMPLETAMENTE
PARA NO CONTENER NINGUNA POROSIDAD ABIERTA Y/O CERRADA,
CONSISTIRÍA SÓLO EN UNA MEZCLA DE FASES SÓLIDAS. ESTA CONDICIÓN
DEL MATERIAL LIBRE DE POROS REPRESENTARÍA LA DENSIDAD GLOBAL
MÁXIMA QUE SE PUEDE LOGRAR PARA LA COMPOSICIÓN ESPECÍFICA Y
SE DENOMINA COMO DENSIDAD TEÓRICA O REAL
LA DENSIDAD TEÓRICA A MENUDO SE USA COMO UN ESTÁNDAR FRENTE
AL CUAL COMPARAR LA DENSIDAD GLOBAL ACTUAL ALCANZADA PARA
UN MATERIAL. POR EJEMPLO, SI UN MATERIAL TIENE UNA POROSIDAD
TOTAL DEL 10 %, TENDRÍA UNA DENSIDAD IGUAL AL 90 % DE LA TEÓRICA.
LA DENSIDAD TEÓRICA PUEDE SER CALCULADA SI SE CONOCEN LA
DENSIDAD CRISTALOGRÁFICA Y LA FRACCIÓN DE VOLUMEN DE CADA
UNA DE LAS FASES SÓLIDAS QUE COMPONEN LA MICROESTRUCTURA.
Resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula en un líquido.
Fuerzas que experimenta una molécula del líquido en las
proximidades de la pared de un recipiente
ESQUEMA MOSTRANDO LA INTRUSIÓN DE MERCURIO EN UN PORO DE
DIÁMETRO 2R. DEBIDO A LAS FUERZAS DE COHESIÓN ENTRE EL LIQUIDO Y LA
PARED, LA FORMA DE LA SUPERFICIE DEL LIQUIDO TIENE UN ÁNGULO DE
CONTACTO CARACTERISTICO
FC
Q=
K D AΔP
L
LEY DE DARCY
K P = K Dηf
Q=
Q=
K P AΔP
ηf L
Volumen V
=
Tiempo
t
KP =
η f LV
At ΔP
Aparato para determinar el coeficiente de permeabilidad
CÁLCULO DE LOS RESULTADOS
μ=
VLη
981ΔPtS
en la cual:
μ = permeabilidad, en permes.
V = volumen de aire, en centímetros cúbicos
L = longitud de la probeta, en centímetros
η = viscosidad dinámica del aire, en poises
ΔP = presión diferencial, en centímetros de columna de agua
t = tiempo, en segundos
S = sección de la probeta, en centímetros cuadrados.