Revista Cubana de Química
ISSN: 0258-5995
[email protected]
Universidad de Oriente
Cuba
Frades-de-la-Noval, Julio; Fidalgo-Rodríguez, Yoel; Santiesteban-Paterson, Aída; SolísEscalona, Nuria; Pumarada-Ruíz, Guillermo; González-Reyes, Clarivel
DESARROLLO DE MATERIALES CERÁMICOS DE ALTA RESISTENCIA CON
SUSTITUCIÓN PARCIAL DE MATERIA PRIMA IMPORTADA
Revista Cubana de Química, vol. XXIII, núm. 2, 2011, pp. 37-42
Universidad de Oriente
Santiago de Cuba, Cuba
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Recepción: febrero 2011
Aceptación/publicación: mayo.2011
DESARROLLO DE MATERIALES CERÁMICOS DE
ALTA RESISTENCIA CON SUSTITUCIÓN PARCIAL DE
MATERIA PRIMA IMPORTADA
Julio Frades-de-la-NovalI, Yoel Fidalgo-RodríguezI, Aída Santiesteban-PatersonI,
Nuria Solís-Escalona1, Guillermo Pumarada-RuízII, Clarivel González-ReyesIII
I
Centro de Investigaciones Metalúrgicas, Ciudad Habana, Cuba; IITaller de Cerámica del Rincón, Artemisa,
Cuba; IIILaboratorio Central de Cemento y Vidrio, La Habana, Cuba
[email protected]
z Resumen
En el presente trabajo se presentan ensayos preliminares de obtención de cerámicas avanzadas base
alúmina, usando para ello mezclas de alúmina técnica con arcillas de Arroyo de Mantua, moja hueva
ambas de la provincia de Pinar del Río, y caolín y corindón de la Isla de la Juventud. Las mezclas mismas
fueron conformadas por los métodos de gel-casting con tamaño de grano -56mµ, con presiones de 7 T
(68.6 KN) en moldes de acero preconstruidos, de área 5 cm2. Se realizó una caracterización física tanto
del polvo, como del conformado en verde y el sinterizado a temperaturas de 1 400 ºC con tiempos de
retención de 90 min. Se dan resultados de las fases presentes por DRX y DTA, comprobándose la
hipótesis dada por el diagrama de fase reportado de sílice-alúmina.
Palabras clave: cerámica avanzada, alúmina.
z Abstract
Test preliminary of obtaining of advanced ceramics are presented it bases alumina, using for it
mixtures of technical alumina with clays of Stream of Mantua, and Moja hueva both of the county of Pinar
del Rio and kaolin and corundum of the youth’s island. The same mixtures were conformed by the methods
of gel-casting with grain size -56mµ, with stress of 7 T (68.6 KN) in steel die of 5cm2 area
We were carried out a physical characterization so much of the powder, as of the one conformed
in green and firing to temperatures 1 400 ºC with retention time 90 min., we are reporting the present
phases which are achieved by DTA and DRX compared with the reported phase diagram of silica alumina, checking our hypothesis
Keywords: advanced ceramic, alumina.
z Introducción
El interés creciente en problemas relacionados al
impacto de sólidos se extiende más allá de la esfera
de defensa con la cobertura de vehículos por tierra, el
avión, y protección de personal. En la esfera civil,
protección de nave espacial, turbinas, los proyectos
de la ingeniería civil, etcétera, es esencial evitar daño
causado por el impacto de alta velocidad
El diseño de centros de dispositivos protectores
alrededor de su capacidad protectora, su baja densidad
áreal (peso/área), y su costo, la importancia relativa
de estos requisitos son dependiente de las
características del sistema que va a ser protegido.
En el caso de fortalezas o edificios, el peso no es
un factor determinante; aquí la protección de
materiales de bajo costo puede ser hecha más
resistente aumentando el espesor de la pared. Pero el
peso se vuelve una consideración primaria en la
protección del personal, vehículos y nave espacial,
cuya movilidad tiene que conservarse. En los vehículos
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terrestres, una armadura protectora ligera permite el
uso de motores de baja fuerza sin la reducción de la
velocidad o maniobrabilidad del vehículo.
protección mixta, proporciona la eficacia balística
contra el impacto de proyectiles del calibre bajos y
medio.
En el avión, el peso de cada componente tiene que
ser considerado, y esto incluye la densidad del
enchapado de la armadura, y por supuesto esto es
sumamente importante en la protección de personal
cuya movilidad es esencial.
Uno de los objetivos de este trabajo fue desarrollar
un material compuesto a partir de una sustitución
parcial de materia prima importada a fin de que
cumpla con los objetivos propuestos /1/.
Pueden usarse varios materiales para cumplir los
requisitos de protección. Los metales son
generalmente adecuados y su costo es razonable,
pero su alta densidad es un inconveniente.
El uso de materiales cerámicos está limitado
por su fragilidad, cuando ellos se hacen astillas a
causa de su dureza pobre. Así la combinación del
peso ligero y dureza alta de los cerámicas con la
ductilidad de materiales metálicos es así llamado
Desarrollo
La materia prima utilizada es alúmina técnica de
la firma QUIMIPUR, Madrid, España la que viene
en sacos de 25 kg. Previamente se realizó un muestreo
del saco haciendo un cuarteo del mismo y logrando
una muestra representativa.
Según la norma ISO 2926:2005, se logró la
distribución de grano cuyos resultados se presentan
en la tabla 1.
Nota: Como se ve, por debajo de 63 micrones se tiene el 89,49 % del material.
Siguiendo con la caracterización, se le realizaron
pruebas de densidad aparente y densidad picnométrica
según las normas ISO 3923 ó ASTM Standard B212
y ISO 901-1976, respectivamente, que se fundamenta
en el principio de Arquímedes, que señala la igualdad
entre el volumen del cuerpo sumergido y el volumen
del líquido desplazado, /2-5/.
ρ=
donde
m* A
Ma
ρ = densidad real del polvo
m: masa de polvo
A: densidad de alcohol
Ma: masa de alcohol desplazada
La densidad del polvo se determina a una
temperatura controlada con la ayuda de un picnómetro.
La densidad aparente se utiliza el equipo para
polvos que no tienen fluidez. El resto de las materias
primas fueron traídas del taller de cerámica del
rincón, fueron beneficiadas mediante secado y
molienda, y caracterizadas del mismo modo cuyos
resultados se reportan en la tabla /6/. Los resultados
se presentan en la tabla 1.
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La comparación de las composiciones químicas que se reportan en la tabla de las arcillas utilizadas
La composición en peso de cada materia prima
De acuerdo con estos valores, se tiene:
Comparando con el diagrama de fase reportado en la literatura y que se muestra en la figura siguiente:
Se debe esperar tanto para la mezcla 1 como la
3, cristales de mulita y cristobalita después de la
sinterización a 1 400 ºC mientras que para la muestra
2, se esperar, cristales de alúmina + mulita.
Pruebas de prensabilidad
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Resultados comparativos /7/
Caracterización de fase
El análisis de fase fue realizado en los laboratorios
de la Universidad Sonora de México, utilizando para
ello las técnicas de DTA, TG y DRX.
En la figura 1 se presentan los resultados de
DTA y TG para la mezcla 55/36 alúmina/sílice,
peso de muestra: 2,732 5 mg, celda constante:
1.1123
Fig. 1 DTA y TG de la mezcla 55/36 de alúmina/sílice.
Como se observa en la figura 1, se presenta los
picos endotérmico a 1 250 ºC, que según 1,
representan el primer estado de mulitización; luego
viene un pico endotérmico a 1 425 ºC que representa
el segundo estadío de mulitización y cristalización
de la misma. Esto se corrobora con los
difractogramas obtenidos, que se representan en la
figura 2.
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Fig. 2 Patrón de DRX con composición 55 % AL2O3 - 36 % SiO2 a diferentes
temperaturas de sinterización ("A" es á-alúmina, "C" es cristobalita,
y "M" es mulita). a) 1 400, b) 1425, c) 1 450 ºC.
Como se puede observar ya después de 1 425 ºC
empieza a aparecer la mulita cristalizada junto con la
cristobalita y la α alúmina, de que demuestra la
hipótesis planteada, lo que es un índice que la
composición propuesta cumple con los objetivos
deseados.
La formación de mulita difásica ocurre más
lentamente por una reacción débilmente exotérmica
a temperaturas típicamente en el rango ~1 1501 350 ºC, lo cual se corrobora en el DTA.
El mecanismo comprobado de la formación de
mulita es indicado que a más baja temperatura
1 400 ºC ocurre primariamente la nucleación y
crecimiento dentro del fase silicio, porque las partículas
de alúmina se sumergen, por el crecimiento del grano
de la mulita, dentro de la sílice, entonces la velocidad
de crecimiento es controlada tanto por difusión en
corto rango cerca de la interfase mulita / alúmina /
sílice como por la reacción en la región interfacial.
Con estos resultados se concluye que las mejores
condiciones de sinterización se encuentran a 1 450 ºC
que es necesario corroborar en las probetas de
ensayos mecánicos /8/.
Conclusiones
· Se realizó la caracterización física del material
propuesto.
· Se logró la caracterización de fase del material
obtenido, comprobándose la hipótesis de lograr
mezclas de mulita, cristobalita y alúmina, así
como las temperaturas optimas de sinterización
para que aparezcan estas fases.
· Se logro determinar la presión óptima de
prensado.
Recomendaciones
Lograr determinar las propiedades mecánicas del
material, tales como flexión, compresión e impacto, a
fin de certificar los resultados obtenidos.
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Production of Aluminium—Determination of Absolute
Density—Picnométric Method.
· Se logró un material cerámico con sustitución
parcial de materia prima importada.
5. ISO 3923 ó ASTM Standard B212 Determinación de la
densidad aparente de polvos cerámicos.
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