Instituto Tecnológico de Hermosillo Ciencia e ingeniería de materiales Profesora. Susana García Castro “CERAMICOS AVANZADOS” Alumno. Romero León Daniel Alonso Grupo. T2A Hermosillo, Sonora a 05 de julio del 2021 Introducción Normalmente referenciamos a los cerámicos con cosas comunes que vemos a diario o usamos a diario, como lo es el retrete, el lavamanos en caso de ser de este material, los platos, vasos, tazas, aunque también en algunos lugares donde no son tan común que veamos o analicemos, lugares como el carro donde se usa material cerámico para las bujías del carro, componentes de electrónica y microcomponentes. Existen cerámicos naturales tales como las gemas, como los diamantes, esmeraldas y zafiros. Todos estos materiales cerámicos son en su mayoría quebradizos, podemos notarlo en los platos o tazas de nuestra cada, donde si se nos cae alguno se rompe en muchos pedazos, normalmente estos materiales cerámicos tienen una amplia variedad de materiales, entre estos podemos destacar el vidrio, los ladrillos, los cementos y algunos óxidos, también son malos conductores de la electricidad, pero buenos aislantes térmico gracias a su alto punto de fusión que les permiten llegar a miles y miles de grados de calor sin sufrir apenas cambios. Los cerámicos pueden unirse con un metal para así modificar sus propiedades significativamente, cuando esto sucede como anteriormente dijimos que son malos conductores de electricidad, cuando se juntan con un metal es la principal propiedad que cambia, no son los mejores conductores, pero ahora si se les permite conducir la electricidad. Estos materiales cerámicos se mantienen unidos por medio de enlaces primarios sólidos, sus enlaces son comúnmente iónicos o covalentes y algunas veces gracias a enlaces mixtos pueden incluir enlaces metálicos. Como lo hablamos anteriormente los cerámicos tienen un muy alto punto de fusión y esto también se debe a sus enlaces, se requiere una fuerte cantidad de energía térmica o calo para hacer que sus átomos se separen y el material lleve a fundirse, gracias a esta cualidad de tan alto punto de fusión los cerámicos tienen a presentar un módulo de elasticidad alto. Aparte de la cerámica tradicional de la que hablamos anteriormente existe una innovación de estos, llamados cerámicos avanzados que, gracias a la tecnología, años de investigación y pruebas lograron surgir. Por naturaleza, surgió un nuevo material, surgen nuevas aplicaciones, en el caso de los cerámicos avanzados se amplio fuertemente sus aplicaciones, pueden ser utilizados en motores de combustión interna y turbinas, en placas para blindaje, aunque esto parezca extraordinario ya que anteriormente comentamos que eran quebradizos, con esta innovación fue posible, también se usan en el empaquetamiento electrónico, como herramientas de corte y en la conversión, almacenamiento y generación de energía. Los cerámicos avanzados están diseñados para mejorar las propiedades mecánicas de los cerámicos tradicionales. Para conseguir esta mejora en las propiedades se debe tener un sumiso cuidado en su elaboración a comparación de los cerámicos tradicionales, se debe tener un control de la pureza, del procesamiento y de la microestructura prácticamente impecable, también para su elaboración se utilizan técnicas diferentes que la de los cerámicos tradicionales. Cerámicos avanzados Los cerámicos avanzados son básicamente una mejora de los cerámicos tradicionales. Son materiales que son preparados por medio de la refinación de cerámicas de estado natural y han pasado por un importante proceso química para conseguir una alta pureza y una mejora en sus características físicas, debido a que sus aplicaciones son de alta gama. El proceso de conformado para los cerámicos avanzados se realiza con equipos sofisticados ya que estos utilizan una alta temperatura y una alta presión. Los cerámicos avanzados tienen una constante evolución y esto se basa en las necesidades que van surgiendo o ya existen dentro de la industria. Siendo estos materiales de mejores propiedades que los cerámicos tradicionales, sus usos son muy extensos, abarcan desde la sustitución de los tradicionales hasta aplicaciones que los tradicionales no serian capaces de llevar a cabo. Propiedades mecánicas A temperatura ambiente este material es prácticamente elástico y línea hasta su rotura, presenta una gran rigidez en su modulo de elasticidad ya que es alto, incluso llega a duplicar en algunos casos al acero. En los cerámicos el modulo de elasticidad no esta ligado a la velocidad de deformación Lo que caracteriza la resistencia mecánica de este material es gracias a la resistencia a la compresión y tracción uniaxiales que tiene, esto gracias a la dificultad de movimiento de las dislocaciones por las estructuras cerámicas, incluso a elevadas temperaturas. La principal propiedad desventajosa para el material es su alta fragilidad, esto hace que sea casi imposible deformarlos plásticamente y soportar cargas cuando existen defectos al interior del material. Mas adelante veremos esta propiedad en aplicaciones en la industria y de qué manera se comporta, aporta y pone en desventaja. Aplicaciones No nos queda duda que los cerámicos avanzados llegaron para revolucionar la industria, muchas veces se prefieres gracias a los beneficios que trae hablando por la industria, pero muchas veces también son descartados por su precio mas elevado que los cerámicos tradicionales, es por eso que más comúnmente vemos cerámicos tradicionales en las cosas, como ya lo mencionamos en platos, tazas, retretes, etc., Por ello estos materiales son mas enfocados a la industria donde se les pueda sacar todo el provecho a las propiedades que tienen, y encontrarles un uso. El uso de materiales cerámicas en la industria está en constante crecimiento y son muchas las aplicaciones que se les da dentro de ella, son bien empleadas en herramientas de corte, por ejemplo. Algunas de las aplicaciones en la industria son: Aplicación en motores de combustión En este tipo de motores las ventajas principales del uso de los cerámicos avanzados, esta en la capacidad que tienen de resistir altas temperaturas sin sufrir ningún daño o cambio, es por esto que puede exponerse a las partes mas internas de un motor donde por el trabajo del motor está la mayor temperatura concentrada, de esta manera aumenta considerablemente el rendimiento del motor y el rendimiento del combustible, los cerámicos avanzados son excelentes en la resistencia al desgaste y la corrosión, incluso son capaces de trabajar con intenso esfuerzo mecánico sin un sistema de refrigeración, es por todo esto que son excelentes para realizar el trabajo de este tipo de motores. La resistencia que se tiene al desgaste y/o deterioro debido a las altas temperaturas en los motores de combustión, se ha corregido gracias a recubrimientos cerámicos, tenemos como ejemplo a las turbias a reacción de los aviones, componentes fabricados son superaleaciones, todos ellos están recubiertos por una delgada capa de circona que actúa como una barrera térmica. El problema de usar estos cerámicos en los motores surge en una propiedad desventajosa que tienen y es su fragilidad, si bien es un material con un punto de fusión sumamente alto, altamente durable y altamente duro, es un material que, si se golpea, se cae o se le aplica fuerza se quebrara. Una técnica que se ha investigado para corregir esto es el aumento de tenacidad que emplea una transformación de fase y así evitar que grietas se creen o se propaguen, a esto se le llama aumento de tenacidad por transformación. La tenacidad de fractura y la resistencia para estas aplicaciones también puede mejorarse por medio de la adicción de una segunda fase cerámica, normalmente esta segunda fase esta en forma de fibra o whisker; estos compuestos se llaman compuesto de matriz cerámica Aplicaciones en blindajes cerámicos Una de las principales características por las que se usan los cerámicos avanzados en los blindajes es gracias a el peso del material protector, ya que es relativamente liviano y es capaz de obstruir el impacto de un proyectil, por esta cualidad es que se usan en blindajes para proteger al personar militar y a los vehículos de los proyectiles balísticos. La composición de la mayoría de blindajes cerámicos son de una o más placas cerámicas juntas que se combinan con una placa dúctil y mas blande que da soporte. La función que tienen estos blindajes se basa en la dureza del material, ya que las placas deben ser lo suficiente duras al momento del impacto para fracturar al proyectil a alta velocidad, el cual al impactar también produce la fractura en la placa cerámica, la demás estructura del blindaje se encarga de absorber el resto de energía cinética por deformación y también frenar al proyectar y así impedir que penetre. Normalmente se utiliza el aluminio o laminado de fibras sintéticas y los materiales cerámicos que se usan para el blindaje son la alúmina (Al2O3), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC) y diboruro de titanio (TiB2) Aplicaciones en el empaquetamiento electrónico En el ámbito del empaquetamiento electrónico destaca el empaquetamiento de circuitos integrados porque la mayoría de presentaciones en las que se muestra están montabas sobre un sustrato que debe ser eléctricamente neutro, disipar el calor generado por las corrientes eléctricas y tener apropiadas las características dieléctricas. Por muchos años el oxido de aluminio ha sido el material más común que los circuitos integrados utilizaban como sustrato, la principal desventaja o limitación de esta es su relativa baja conductividad. Se conoce que los materiales que son malos conductores eléctricos son también malos conductores térmicos, pero existen algunas excepciones que son los materiales cerámicos de alta pureza y que tienen estructuras cristalinas sencillas, dentro de estos materiales se encuentra el nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC) y el nitruro de aluminio (AIN). La alternativa mas prometedora que se ha tomado para la sustitución del oxido de aluminio en el sustrato, es la del nitruro de aluminio, el cual tiene una conductividad térmica mejor que la de la alúmina y además tiene una dilatación dérmica muy aproximada a la de los chips de cilicio de los circuitos integrados, los que a su vez sirve de sustrato. Conclusión Los cerámicos avanzados son de gran importancia y es un paso más de la tecnología moderna, es una prueba de que estamos avanzando en innovaciones, estos materiales son capaces de sustituir a las cerámicas convencionales y aun así tener ventajosas aplicaciones sobre estas, de no ser por la innovación o mejora de este material en sus propiedades muchas cosas de las que conocemos hoy en día fueran completamente diferente, es gracias a estos materiales que muchas funciones pueden cumplirse y desarrollarse. Estos materiales como lo vimos prácticamente en todos los aspectos son mejores que los cerámicos tradicionales y que esto los llevo a la industria rápidamente, con aplicaciones de gran calibre, como lo es un blindaje, es algo que con cerámicos convencionales jamás se hubiera pensado o no sería tan fácil de conseguir, prácticamente trajo una revolución a la industria permitiendo desarrollar y aplicar en diferentes tareas que son para un bien en el avance tecnológico. Me llamo bastante la atención el hecho de que de un material mas simple se pueda crear algo tan impresionante, de el salto que se da gracias a la tecnología. Referencias Callister, W. D. (2016). Ciencia e ingeniería de materiales (2a Edición). Reverté. Askeland, D., & Wright, W. (2016). Ciencia e ingeniería de materiales (7.a ed.). Cengage Learning. Mamlouk, M. S., & Zaniewski, J. P. (2009). Materiales Para Ingeniería Civil (2.a ed.). PRENTICE HALL/PEARSON. Newell, J. (2011). Ciencia de materiales - aplicaciones en ingeniería (1.a ed.). Alfaomega Grupo Editor. Díaz-Rubio, F. G. (1999). Caracterización mecánica de materiales cerámicos avanzados a altas velocidades de deformación (Doctoral dissertation, Tesis de D. Sc., Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España).
