tema 2. ceramicas tradicionales

TEMA 2. CERAMICAS TRADICIONALES
ESQUEMA:
- Porcelanas
- Esteatitas y Cordieritas
1
Porcelanas. Fabricación
Barros como la kaolinita, silicato de aluminio hidratado: Al2O3.2SiO2.2H2O
A 600ºC se pierde el agua y se forma meta-kaolinita: Al2O3.2SiO2
A 1000ºC se produce la descomposición de la meta-kaolinita formándose
mullita (1830ºC) y sílice (1724ºC)
3(Al2O3.2SiO2) = (3Al2O3.2SiO2) + 4SiO2
Tª (ºC)
2050
LIQUIDO
A DIFERENCIA DE LA ARCILLA
CONTAMINADA CON OXIDOS DE
FE, LA PORCELANA ES BLANCA
A+L
1830
Por encima de 1595ºC la kaolinita
produce un líquido. Sin embargo los
hornos antiguos no tenían
semejante capacidad
1724
L+M
A+M
1595
%MOLAR
SiO2
0.6
M
Al2O3
FUNDENTES
2
Porcelanas. Fabricación
9El feldespato es un aditivo que permite la formación de fase líquida a
más baja temperatura (vitrea), lo que además permite la vitrificación de la
pieza sinterizada (mejor acabado)
K2O.Al2O3.6SiO2
9El feldespato tiene una reacción eutéctica a 1150ºC ( formándose
leucita (K2O.Al2O3.4SiO2) y líquido. Mejor aún, en presencia de SiO2
forma líquido a 990ºC.
L
LEUC + L
SiO2 + L
1150ºC
F+L
LEUC + F
990ºC
LEUC
F
SiO2
3
Porcelanas. Fabricación
9Las porcelanas comerciales tienen composiciones que combinan estos
tres elementos:
K2O.Al2O3.SiO2
9El feldespato tiene una reacción eutéctica a 1150ºC ( formándose
leucita (K2O.Al2O3.4SiO2) y líquido. Mejor aún, en presencia de SiO2
forma líquido a 990ºC.
Masa
% molar
Masa mol.
Kaolinita
2
4.3
258.2
Feldespato
1
1
556.6
A la temperatura de sinterizado: mullita + liquido. En las siguientes proporciones:
Frac. molar
K2O: 0.05
Al2O3: 0.25
SiO2: 0.70
T(ºC)
1127
1227
1327
1427
M/L
41:59
40:60
39:61
37:63
4
Porcelanas. Fabricación
9Esta fracción de líquido es muy elevada y aparece rapidamente a
temperaturas alrededor de 1000ºC. INESTABILIDAD MECÁNICA:
DISTORSIÓN. (Baja viscosidad)
 1000 B 
η = AT exp 

 T 
SiO2
A = exp (− 0.27 B − 11.7 )
60
5
MO
o
M2O
Al2O3
80%SiO2
Log η
20
2
1000
70%SiO2
1200
1400
T (ºC)
5
Porcelanas. Fabricación
9En la práctica se añade un tercer aditivo: cuarzo < 10 micras.
COMPOSICION:
Masa
Kaolinita
2
Feldespato
1
Silice
1
Frac. molar
K2O: 0.03
Al2O3: 0.18
SiO2: 0.79
SiO2
η’ =10 - 100 η
M: mullita 3Al2O3.2SiO2
L: leucita K2O.Al2O3.4SiO2
F: feldespato K2O.Al2O3.6SiO2
F
L
En la práctica, el silicato líquido es muy
lento de cristalizar por lo que al final se
obtiene un 40-60% de fase vitrea
M
25ºC
K2O
Al2O3
6
Porcelanas. Fabricación
Durante el calentamiento se pueden distinguir los siguientes procesos:
1- Descomposición de la meta-caolinita a mullita y silice (en la práctica se
forma un silicato vitreo por la presencia de un 2-3% de impurezas en el
polvo)
2- Formación de más líquido por reacción del feldespato con la silice
3- Disolución de la meta-caolinita residual en el líquido
4- Cristalización de la mullita
5- Densificación en fase líquida (distribución del líquido entre las
partículas sólidas de mullita) REAGRUPAMIENTO Y DISOLUCIÓNPRECIPITACION. VITRIFICACIÓN
7
Porcelanas. Propiedades
9Las propiedades dependen de la composición y la microestructura:
COMPOSICION: Mullita, vidrio, porosidad (1-5% inaccesible) cuarzo
residual (si el polvo de partida es grueso)
Porosidad
(%)
Densidad
(g/cc)
2.35
8
Bloating
Descomposición de
sulfatos o C
5 σ = σ 0 exp (− bp ) = 60 − 120 MPa
2.30
1150
Resistencia teórica del
enlace Si – O = 20 GPa =
E/4
1250
T(ºC)
Sinterizado
σ∝
Eγ
c
Granos cuarzo: DEFECTOS (α) GRIETAS
35e-6 vs. 5.7 e-6 K-1
8
Porcelanas. Propiedades.
Retención de
resistencia
Shock térmico
σ f (1 − ν )
∆TC = 2.5
αE
100%
∆Tc= 200-250ºC
200
300
∆T
Cambios rápidos de temperatura inducen pérdidas de
resistencia por microagrietamiento. MEJORAS:
-ELIMINAR POROS
-AUMENTAR γ (+Al2O3)
-ELIMINAR EL CUARZO RESIDUAL
-CREAR ESTADOS SUPERF. COMPRESIVOS (GLAZING)
(∆a = 0.5e-6 K-1)
9
Porcelanas. Otras Propiedades. Aplicaciones
Densidad: 2.28-2.37 g/cc (91-96%D.T.)
Densidad teórica:2.5-2.46 g/cc
BUEN AISLANTE T<300ºC
Funden a 1000ºC
Aplicaciones:
-HV LOW FREQ. AISLAMIENTO
-CONTAINERS PROD. QUIMICOS
-NO MUY REFRACTARIO: gran cantidad de aluminosilicato K (punto
de reblandecimiento bajo)
-Baja RESISTENCIA al SHOCK TERMICO
10
Esteatitas y Cordieritas. Generalidades
9Estos materiales tienen composiciones en el sistema:
Materiales base:
Talco: 0.8-0.85
Caolinita: 0.1
Alumina: 0.05
MgO.Al2O3.SiO2
Mas refractarios que la
porcelana
Generación más gradual de la fase líquida
Al2O3
S: sapphirine 4MgO.5Al2O3.2SiO2
C: cordierita 2MgO.2Al2O3.5SiO2
Talco 3MgO.H2O.4SiO2
S
El talco ayuda a la compactación
(LUBRICANTE). (contiene 63% silice)
El talco no es estable, como la caolinita
pierde el agua a unos pocos cientos de
grados. Funde bruscamente a 1543ºC
(Eutect. MgO-SiO2
C
MgO
F
Talco
100% liquido
1400ºC
SiO2
Dentro zona roja: 2 eutécticos: 1345-1360ºC
11
Esteatitas
Materiales base:
Talco: 0.8-0.85
Caolinita: 0.1
Feldespato: 0.05
Sinterización: 1250-1300ºC (bajo costo).
Formación 30%vol. Líquido (1345ºC)
El feldespato ayuda a aumentar la
ventana de sinterización
100
cordierita
% liquido
75
Talco
50
Se puede controlar mejor la
cantidad de líquido en el sistema
Mediante la temperatura de
sinterización
Resistencia: 150 MPa
Coef. Dilat: 8.5e-6 K-1
Max. Temperatura uso: 600ºC
25
Esteatita
1200
1400
MgO.Al2O3.SiO2
1600
T(ºC)
Sinterizado
Aplicaciones:
Conectores electricos baratos
(cuidado impurezas Na, K)
12
Cordieritas
9Mayor contenido de Al2O3 (más kaolinita)
Al2O3
cordierita 2MgO.2Al2O3.5SiO2
PUNTO FUSION. 1460ºC
S
C
MgO
F
100% liquido
1400ºC
Talco
Muy REFRACTARIO
MAS: FUSIÓN + TRAT. CRISTALIZACIÓN
SiO2
Moles
%
molar
Kaolinita
0.174
Al2O3
22.9
Talco
0.105
SiO2
54.7
Alumina
0.147
MgO
22.4
Resistencia: 100 MPa
Coef. Dilat BAJO: 1.6 e-6 K-1
(anisotropo: crack on cooling)
Buena resistencia al choque térmico
Temp fusión: 1540ºC
Aplicaciones:
Ladrillo refractario
Soportes elementos calefactores
Extruido: celda abeja catalizadores
Tubo escape
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RESUMEN
MATERIAL
FASE MAYORITARIA PROPIEDAD
Porcelana
vidrio
1000ºC ablandamiento
Esteatita
Enstatita (20% vidrio)
1557ºC
Cordierita
Cordierita
1540ºC
Alumina
Alumina
2054ºC
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